Imaging terahertz a singolo pixel completamente accoppiato in fibra per applicazioni biomediche

Immagini mediche più nitide senza raggi X

La medicina moderna si basa sempre più sulla capacità di vedere sotto la pelle senza intervenire chirurgicamente, ma molti strumenti di imaging restano lenti, ingombranti o utilizzano radiazioni ionizzanti come i raggi X. Questo studio presenta un nuovo sistema di imaging a onde terahertz che è compatto, flessibile e abbastanza veloce da essere usato in tempo reale direttamente sulla pelle dei pazienti, aprendo la strada a diagnosi al letto del paziente più sicure e a un migliore supporto durante trattamenti e interventi chirurgici.

Onde delicate che rivelano acqua e struttura

Le onde terahertz si collocano tra le microonde e l’infrarosso e trasportano energie molto basse, quindi non ionizzano i tessuti come possono fare i raggi X. Sono fortemente sensibili all’acqua, il che le rende particolarmente adatte a rilevare quanto siano umide o secche diverse parti della pelle e dei tessuti sottostanti. Poiché tumori, cicatrici, ustioni e altre condizioni spesso modificano il contenuto d’acqua e la struttura dei tessuti, i segnali terahertz possono evidenziare contrasti che la luce visibile o l’ecografia potrebbero non rilevare. Fino ad ora, però, molti apparati di imaging terahertz erano sistemi da banco ingombranti che scansionavano lentamente il campione, limitandone l’utilità in una clinica o in sala operatoria affollata.

Una sonda compatta alimentata interamente da fibre ottiche

I ricercatori hanno superato questi ostacoli pratici costruendo un sistema di imaging terahertz completamente accoppiato in fibra attorno a una piccola sonda che può essere portata direttamente dal paziente. Invece di guidare i fasci terahertz con specchi ingombranti nello spazio libero, convogliano la luce che genera e rileva l’impulso terahertz attraverso fibre ottiche flessibili, simili a quelle usate nelle telecomunicazioni. All’interno della sonda, un prisma di quarzo e una sottile lastra di silicio vengono poggiati sulla superficie del campione. Le onde terahertz entrano nel prisma, scorrono lungo l’interfaccia silicio–campione e si riflettono indietro in un processo chiamato attenuated total reflection (riflessione totale attenuata), estremamente sensibile alle proprietà dello strato sottile di tessuto immediatamente sotto la sonda.

Dipingersi immagini con la luce

Per evitare la lenta scansione meccanica, il gruppo utilizza una strategia di imaging “a singolo pixel”. Anziché misurare ogni punto dell’immagine separatamente, proiettano una serie di pattern luminosi accuratamente progettati sulla lastra di silicio usando un laser blu e un dispositivo a micro-specchi digitali, veicolati tramite un fascio di fibre a bundle per imaging. Questi pattern modificano localmente l’interazione del silicio con le onde terahertz, imprimendo di fatto sul fascio terahertz uno schema corrispondente. Per ogni pattern, un singolo rivelatore registra il segnale terahertz riflesso totale, e un computer ricostruisce matematicamente l’immagine a partire da molteplici misurazioni. Scegliendo pattern basati su una matrice di Hadamard e sfruttando una lastra di silicio la cui risposta elettrica decade in pochi microsecondi, il sistema può cambiare pattern fino a 20.000 volte al secondo. Questo permette imaging a velocità video con una risoluzione spaziale di circa 360 micrometri — sufficientemente fine per risolvere piccoli dettagli cutanei — raggiungendo oltre 30.000 pixel di immagine al secondo, più di cinque volte la velocità di sistemi comparabili precedenti.

Test su pattern metallici, tessuto animale e pelle umana

Per convalidare la qualità delle immagini, gli autori hanno prima ripreso un piccolo motivo in oro a forma di “ruota” su quarzo. Le immagini terahertz hanno mostrato chiaramente i raggi metallici con alto contrasto, in accordo con le fotografie ottiche e confermando la risoluzione e la stabilità del sistema. Successivamente hanno esaminato un campione di tessuto suino contenente regioni ricche di grasso e regioni ricche di proteine. Poiché il grasso contiene meno acqua e presenta vibrazioni molecolari diverse rispetto alle proteine, le due aree hanno fornito firme terahertz distinte sia per ampiezza del segnale sia per fase in funzione della frequenza, permettendo di mappare con chiarezza il confine tra di esse. Infine, il team ha dimostrato imaging in vivo in tempo reale sul braccio di un volontario. La sonda terahertz ha distinto facilmente una crosta secca dalla pelle circostante più idratata, riproducendone la forma e confermando che la tecnica può funzionare su tessuti viventi in tempo reale.

Scansioni più rapide e più amichevoli per le cliniche del futuro

Nel complesso, questo lavoro mostra che l’imaging terahertz può essere confezionato in un sensore portatile alimentato da fibra che offre viste rapide, non a contatto e non ionizzanti dei tessuti immediatamente sotto la pelle. Combinando la riflessione totale attenuata, l’imaging a singolo pixel e l’uso intelligente delle proprietà del silicio, il sistema raggiunge alta velocità, dettagli fini e robustezza in un formato compatto. Con ulteriori sviluppi, tali dispositivi potrebbero aiutare i medici nella diagnosi dei tumori cutanei, nel monitoraggio della guarigione delle ferite, nel guidare la rimozione precisa di tessuto malato e persino nell’integrazione con piattaforme robotiche per imaging automatizzato, sicuro e delicato al letto del paziente.

Citazione: Mou, S., Stantchev, R.I., Saxena, S. et al. All-fibre-coupled terahertz single-pixel imaging for biomedical applications. Nat Commun 17, 1571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68290-x

Parole chiave: imaging terahertz, imaging a singolo pixel, diagnostica biomedica, cancro della pelle, spettroscopia non invasiva