Imagistica Terahertz: o descoperire în vizualizarea cohleară non-invazivă

Cercetătorii japonezi prezintă o nouă metodă de imagistică teraherți (THz) care permite observarea structurilor interne ale cohleei (organ esențial pentru auz) fără distrugerea țesuturilor. Principala motivație este dificultatea de a vizualiza, neinvaziv, interiorul cohleei – un organ de numai câțiva milimetri, localizat profund în osul temporal. Metodele tradiționale (CT, MRI, ecografie, optică etc.) au unele dezavantaje, cum ar fi riscul de expunere la radiații ionizante, costuri ridicate, rezoluție limitată sau penetrare insuficientă. În schimb, radiația teraherți este neionizantă, foarte sensibilă la caracteristicile structurale și conținutul în apă al țesuturilor și oferă un compromis interesant între rezoluție și capacitatea de penetrare.

De ce este importantă această metodă?

• Cohleea este un organ minuscul și spiralat în urechea internă, responsabil de transformarea vibrațiilor mecanice în semnale electrice pe care creierul le interpretează ca sunete.
• Investigațiile actuale (ex. implantul cohlear) pot duce la afectarea ireversibilă a structurilor interne, motiv pentru care autorii propun o tehnică alternativă de imagistică neinvazivă.
• THz nu presupune folosirea de substanțe de contrast sau de markeri fluorescenți, cum se întâmplă în alte metode optice; astfel, se reduce riscul de reacții nedorite și se simplifică procedura.

Metoda propusă: imagistică THz în câmp apropiat și reconstrucție 3D

• Punctul-cheie al abordării este generarea locală a unei surse THz de ~20 µm direct într-un cristal (GaAs), prin conversia femtosecundă a unui fascicul laser. Practic, se obține o „sondă” THz micrometrică.
• Eșantionul (cohleea de șoarece) este plasat chiar deasupra cristalului, permițând ca undele THz să pătrundă și să se reflecte prin structura cohleei, fără a fi nevoie de un sistem optic masiv.
• Metoda se bazează pe fereastra de timp (time-of-flight, ToF): semnalul reflectat la diverse momente corespunde unor adâncimi diferite din interiorul organului. Astfel, se obțin imagini 2D la diferite „secțiuni”.
• Pentru a scoate în evidență structurile interne, autorii aplică un algoritm de învățare automată fără supraveghere (k-means), care grupează zonele similare după intensitatea și caracteristicile semnalului. Zonele astfel extrase sunt reasamblate sub formă de nori de puncte (3D point-cloud), urmate de reconstrucția unei „rețele de suprafață” a cohleei.

 

Rezultate și validare

Imaginile THz în regim reflexie au evidențiat clar conturul extern al cohleei, dar și diferențe de intensitate asociate cu compartimentele interne (scala vestibulară, scala medială, scala timpanică, modiolus etc.). Autorii au comparat imaginile THz cu secțiuni histologice (colorate H&E) și au constatat o corespondență bună a distanțelor și formelor interne, mai ales în zonele unde cohleea era secționată în spiralele sale caracteristice. Rezoluția obținută, de ordinul a ~100 µm (în funcție de profunzimea de penetrare), a permis identificarea clară a unor detalii morfologice, iar reconstrucția 3D a oferit o vedere completă a organului, atât a suprafeței, cât și a interiorului.

Perspective și aplicații viitoare

Studiul demonstrează prima utilizare a tehnicii THz pentru imagistica neinvazivă a cohleei, constituind un pas important pentru diagnosticarea diferitelor afecțiuni ale urechii interne. Autorii își propun miniaturizarea sistemului prin realizarea unui endoscop/otoscop THz, bazat pe aceeași idee de generare locală a radiației. Acest dispozitiv compact ar putea fi util în evaluarea in vivo a cohleei sau a altor țesuturi (ex. aplicații în dermatologie, gastroenterologie). Limitările curente (absorția semnificativă a apei în țesuturile vii, necesitatea unei surse laser stabile și a unei aliniamente precise) pot fi depășite prin îmbunătățirea eficienței de generare THz și prin metode de compensare a atenuării semnalului.

Concluzii

Autorii au demonstrat că imagistica THz cu o sursă punctuală micrometrică permite observarea structurii interne complexe a cohleei, inclusiv reconstrucția 3D cu o rezoluție suficient de mare pentru a distinge componentele fine ale organului. Prin integrarea ulterioară într-un dispozitiv portabil, metoda ar putea deveni un instrument clinic valoros, oferind diagnostice non-invazive și informații morfologice detaliate despre anatomia și eventualele patologii ale urechii interne.