La tomografía de terahercios es una clase de tomografía en la que se obtienen imágenes seccionales mediante radiación de terahercios . La radiación de terahercios es una radiación electromagnética con una frecuencia entre 0,1 y 10 THz; se encuentra entre las ondas de radio y las ondas de luz en el espectro; abarca porciones de las ondas milimétricas y las longitudes de onda infrarrojas . Debido a su alta frecuencia y longitud de onda corta, la onda de terahercios tiene una alta relación señal-ruido en el espectro del dominio del tiempo. [1] La tomografía que utiliza radiación de terahercios puede obtener imágenes de muestras que son opacas en las regiones visible e infrarroja cercana del espectro. La tecnología de imágenes tridimensionales (3D) de ondas de terahercios se ha desarrollado rápidamente desde su primera aplicación exitosa en 1997, [2] y se han propuesto sucesivamente una serie de nuevas tecnologías de imágenes 3D.
La obtención de imágenes de terahercios tiene ventajas sobre los escáneres de rayos X más caros y de menor alcance. Una variedad de materiales son transparentes a la radiación de terahercios, lo que permite medir el espesor, la densidad y las propiedades estructurales de materiales que son difíciles de detectar. Dado que los terahercios no son radiación ionizante, su uso no causa daño al tejido vivo, lo que hace que los terahercios sean una técnica de obtención de imágenes biomédicas segura y no invasiva. Además, debido a que muchos materiales tienen una firma espectral única en el rango de los terahercios, la radiación de terahercios se puede utilizar para identificar materiales. La obtención de imágenes de terahercios se utiliza ampliamente en el estudio de las propiedades de los materiales semiconductores, la obtención de imágenes de células biomédicas y el examen químico y biológico. [ cita requerida ] Los sistemas de dominio temporal de terahercios (THz-tds) han logrado avances significativos en la obtención de imágenes 2D. Los THz-tds pueden determinar la constante dieléctrica compleja de la muestra, normalmente de 0,1 a 4 THz, y proporcionan información sobre las características estáticas de la muestra en docenas de frecuencias. [3] Sin embargo, esta tecnología tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, debido a la menor potencia del haz, el sensor debe ser más sensible. Las velocidades de adquisición de imágenes bajas pueden obligar a tener que hacer un equilibrio entre tiempo y resolución.
Las imágenes de terahercios pueden ser útiles para la inspección de equipaje y correo postal porque pueden identificar sustancias en función de sus espectros característicos en esta banda de frecuencia, como explosivos y drogas ilícitas; [4] [5] [6] [7 ] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] por ejemplo, varios explosivos líquidos pueden distinguirse por el cambio en la respuesta dieléctrica en el rango de terahercios en función del porcentaje de alcohol. [15] Aunque los objetos metálicos peligrosos, como los cuchillos, pueden reconocerse por sus formas a través de ciertos algoritmos de reconocimiento de patrones, [16] es imposible ver a través de paquetes metálicos con ondas de terahercios. Por lo tanto, los espectrómetros de terahercios no pueden reemplazar a los escáneres de rayos X, aunque brindan más información que los escáneres de rayos X para materiales de baja densidad y separación química. [17]
Los sistemas de terahercios se utilizan para el control de producción en las industrias del papel y los polímeros. [18] Pueden detectar el espesor y el contenido de humedad en el papel [19] y las propiedades conductoras, el nivel de humedad, la orientación de las fibras y la temperatura de transición vítrea en los polímeros. [20] [21] [22] [23]
Los sistemas de terahercios facilitan la detección de contaminación metálica y no metálica en los alimentos. [24] Por ejemplo, las ondas de terahercios permitieron detectar materia extraña metálica y no metálica en las barras de chocolate, [25] ya que los alimentos con bajo contenido de agua, como los chocolates, son casi transparentes en la banda de terahercios. La tomografía de terahercios también es útil en las industrias del vino y las bebidas espirituosas para cuantificar la humedad y analizar el corcho de forma no destructiva.
Las imágenes de terahercios pueden detectar diferentes isómeros que tienen diferentes huellas espectrales en el rango de terahercios, lo que permite que la espectroscopia de terahercios distinga entre estereoisómeros , una distinción crucial en farmacia, donde un isómero puede ser el compuesto activo y su enantiómero puede ser inactivo o incluso peligroso. [26] Los sistemas de terahercios también se utilizan para medir la calidad del recubrimiento de los comprimidos. [27]
La obtención de imágenes en terahercios permite realizar análisis no destructivos de obras de arte valiosas y puede realizarse in situ. Puede revelar capas ocultas y a través de la transmitancia de varios pigmentos. [28] [29] También se está investigando como una herramienta para la visualización en 3D. [30] [31]
La tomografía de terahercios se puede dividir en modo de transmisión y reflexión. Actúa como una extensión de la tomografía computarizada (TC) de rayos X a una banda de onda diferente. Estudia principalmente el establecimiento de modelos de proceso como la refracción, la reflexión y la difracción cuando las ondas de terahercios transmiten muestras, lo que tiene ciertos requisitos para los algoritmos de reconstrucción. De acuerdo con el diferente retraso de transmisión de la señal reflejada de la onda de terahercios a diferentes profundidades dentro de la muestra, la información de profundidad se puede obtener procesando la señal reflejada dentro de la muestra para realizar la tomografía. La tomografía de tiempo de vuelo de terahercios (THz-TOF) y la tomografía de coherencia óptica de terahercios (Thz-OCT) se utilizan principalmente en la implementación.
En la tomografía por difracción, el haz de detección interactúa con el objetivo y utiliza las ondas dispersas resultantes para construir una imagen 3D de la muestra. [32] El efecto de difracción y el teorema de la porción de difracción hacen brillar la luz sobre la superficie del objeto dispersado y registran la señal reflejada para obtener la distribución del campo de difracción después de la muestra con el fin de explorar la forma de la superficie del objeto objetivo. Para muestras finas con una estructura de superficie más compleja, la tomografía por difracción es eficaz porque puede proporcionar una distribución del índice de refracción de la muestra. [33] Sin embargo, también existen desventajas: aunque la velocidad de obtención de imágenes de la tomografía por difracción de terahercios es más rápida, su calidad de imagen es deficiente debido a la falta de un algoritmo de reconstrucción eficaz. En 2004, S. Waang et al. utilizaron por primera vez la cromatografía de difracción basada en el sistema THz-tds para obtener imágenes de muestras de polietileno. [34]
La tomosíntesis es una técnica utilizada para crear tomografías de alta calidad. La reconstrucción se puede realizar con varios ángulos de proyección, lo que crea la imagen más rápido. Esta técnica tiene una resolución baja pero una velocidad de imagen más rápida. [35] Esta técnica también tiene una ventaja sobre la TC de terahercios. La TC de terahercios se ve afectada significativamente por la reflexión y la refracción, especialmente para muestras de placas anchas y planas, que tienen un gran ángulo de incidencia en el borde y una atenuación de señal severa. Por lo tanto, es difícil obtener datos de proyección completos e información sustancial de ruido simultáneamente. Sin embargo, la tomografía sintética de fallas de terahercios no se ve afectada por la refracción y la reflexión debido al pequeño ángulo de incidencia durante la proyección. Es un método eficaz para la obtención de imágenes locales, la obtención de imágenes rápidas o la rotación incompleta de la muestra. En 2009, N. Unaguchi et al. en Japón utilizaron un multiplicador de frecuencia de estado sólido de terahercios continuo con una frecuencia de 540 GHz para realizar imágenes TS en tres letras "T", "H" y "Z" a diferentes profundidades de notas adhesivas. [36] Se utilizó el método de retroproyección y el filtro de Wiener para reconstruir la distribución espacial de tres letras.
La cromatografía de fallas de terahercios puede reconstruir la distribución 3D del índice de refracción al reflejar el pulso de terahercios a diferentes profundidades en la muestra. La información de la distribución de profundidad del índice de refracción se puede obtener analizando el retraso temporal del valor pico del pulso reflejado. La resolución longitudinal de la tomografía de tiempo de vuelo depende del ancho del pulso de las ondas de terahercios (generalmente en decenas de micrones); por lo tanto, la resolución vertical de la cromatografía de tiempo de vuelo es muy alta. En 2009, J. Takayanagi et al. diseñaron un sistema experimental que utilizó con éxito la tomografía en una muestra de semiconductores que constaba de tres hojas de papel superpuestas y una fina capa de GaAs de dos micrones de espesor. [37]
El haz de THz se puede incorporar a la holografía 3D si se permite la diferenciación de cada una de las múltiples ondas de terahercios dispersas de diferentes órdenes de dispersión. [38] Con la distribución de intensidad y fase registrada, el patrón de interferencia generado por la luz del objeto y la luz de referencia codifica más información que una imagen enfocada. Los hologramas pueden proporcionar una visualización 3D del objeto de interés cuando se reconstruyen mediante óptica de Fourier . [39] Sin embargo, sigue siendo un desafío obtener imágenes de alta calidad con esta técnica debido a los efectos de dispersión y difracción necesarios para la medición. La medición de dispersión de alto orden generalmente da como resultado una mala relación señal-ruido (SNR). [40]
Las lentes de Fresnel sirven como reemplazo de las lentes refractivas tradicionales [41] con las ventajas de ser pequeñas y livianas. Como sus longitudes focales dependen de las frecuencias, las muestras pueden obtenerse en varias ubicaciones a lo largo de la trayectoria de propagación hasta el plano de obtención de imágenes, [42] lo que se puede aplicar a la obtención de imágenes tomográficas.
El procesamiento de apertura sintética (SA) difiere de los sistemas de imágenes tradicionales en lo que respecta a la recopilación de datos. A diferencia del esquema de medición punto a punto, el SA utiliza un haz divergente o desenfocado. [43] La información de fase recopilada por el SA se puede adoptar para la reconstrucción 3D.
La tomografía computarizada de terahercios registra información de amplitud y fase espectral en comparación con las imágenes de rayos X. La TC de terahercios puede identificar y comparar diferentes sustancias y, al mismo tiempo, localizarlas de forma no destructiva.