O echipă de cercetători din Japonia a reuşit să vizualizeze cohleea – o structură esenţială pentru auz – folosind imagistica terahertz, fără a provoca deteriorări. Această tehnologie ar putea deschide calea către metode neinvazive de diagnosticare a pierderii auzului şi a altor afecţiuni ale urechii interne. Cu ajutorul unui sistem avansat de imagistică, oamenii de ştiinţă au obţinut detalii fără precedent despre structurile auditive, ceea ce ar putea permite detectarea timpurie a problemelor auditive şi chiar a unor forme de cancer.
Oamenii de ştiinţă au făcut un progres major în imagistica urechii prin utilizarea radiaţiilor terahertz pentru a observa în interiorul cohleei – un organ minuscul, în formă de spirală, esenţial pentru auz – fără a-l deteriora.
Această descoperire ar putea permite medicilor să identifice afecţiuni auditive şi boli ale urechii interne folosind metode neinvazive, ceea ce nu este posibil cu tehnologiile actuale de imagistică.
Echipa de cercetători de la Universitatea Waseda, din Japonia, creat o sursă microscopică de lumină terahertz, capabilă să pătrundă prin os şi ţesut, oferind o imagine 3D detaliată a structurilor cohleare. Această tehnologie a fost deja testată pe mostre de cohlee de şoarece, iar cu dezvoltări suplimentare ar putea fi utilizată prin canalul urechii pentru a detecta timpuriu pierderea auzului şi chiar anumite tipuri de cancer.
Pentru prima dată, cercetătorii au demonstrat că imagistica terahertz poate dezvălui structura internă a cohleei la o rezoluţie de ordinul micronilor. Această abordare neinvazivă ar putea duce la noi metode de diagnosticare a pierderii auzului şi a altor afecţiuni ale urechii interne.
„Auzul se bazează pe cohlee, un organ spiralat din urechea internă care transformă undele sonore în semnale neuronale", a explicat Kazunori Serita, liderul echipei de cercetare de la Universitatea Waseda, într-un comunicat publicat joi. „Metodele convenţionale de imagistică întâmpină dificultăţi în vizualizarea detaliilor fine ale acestui organ, însă tehnica noastră de imagistică 3D cu terahertz permite observarea structurilor interne ale cohleei fără a provoca daune".
Imaginile obţinute cu ajutorul imagisticii terahertz în câmp apropiat au fost utilizate pentru a crea reconstrucţii 3D, permiţând vizualizarea unei părţi a canalului cohlear, structura spiralată din interiorul cohleei. Credit: Kazunori Serita, Universitatea Waseda, 27 martie 2025
De ce undele Terahertz sunt perfecte pentru biologie
Radiaţiile terahertz se află între microunde şi lumina infraroşie în spectrul electromagnetic şi sunt deosebit de potrivite pentru imagistică în biologie, deoarece sunt de energie redusă, nu dăunează ţesuturilor, se împrăştie mai puţin decât lumina vizibilă sau infraroşie şi pot pătrunde prin os. De asemenea, sunt sensibile la modificări subtile ale hidratării şi structurii celulare.
Un studiu publicat în revista Optica descrie modul în care această tehnică captează date de înaltă rezoluţie, permiţând crearea unor reconstrucţii 3D detaliate ale urechii interne.
Cu dezvoltări suplimentare, această tehnologie ar putea deveni o metodă de diagnostic pentru boli ale urechii care până acum au fost dificil de identificat, spun cercetătorii japonezi.
Ar putea permite diagnosticarea afecţiunilor precum pierderea auditivă neurosenzorială şi alte tulburări ale urechii, dar şi detectarea timpurie a problemelor de auz, ceea ce ar duce la tratamente mai rapide şi mai eficiente.
Imaginile obţinute cu ajutorul imagisticii 3D terahertz în câmp apropiat au fost utilizate pentru a crea reconstrucţii 3D, permiţând vizualizarea unei părţi a canalului cohlear, structura spiralată din interiorul cohleei. Credit: Kazunori Serita, Universitatea Waseda, 27 martie 2025
Inspiraţi de provocările medicale
Imagistica terahertz este de obicei realizată prin focalizarea undelor terahertz cu o lentilă specială pentru aceste lungimi de undă. Însă aceste lentile sunt limitate la dimensiuni de câţiva milimetri, prea mari pentru a capta structurile minuscule ale cohleei.
În noul studiu, cercetătorii au eliminat necesitatea unei astfel de lentile, utilizând un cristal optic neliniar pentru a crea o sursă de lumină terahertz care emite dintr-o regiune foarte mică a cristalului. Această sursă punctiformă de terahertz are un diametru de doar 20 de microni, permiţând măsurători mult mai precise.
Până acum, nu exista nicio metodă care să permită observarea structurii interne a cohleei fără a o distruge, au indicat cercetătorii niponi. O inovaţie esenţială în această cercetare a fost utilizarea unui cristal optic neliniar pentru a genera unde terahertz din lumină infraroşie apropiată cu o lungime de undă de 1560 nm.
Pentru a testa noua tehnică, cercetătorii au confirmat mai întâi că undele terahertz pot pătrunde în interiorul cohleei. Ei au realizat experimente pe două mostre extrase de cohlee de şoarece – una cu interior gol şi alta umplută cu un material metalic reflectorizant.
Diferenţele observate între cele două probe au confirmat că undele terahertz pătrundeau în interiorul cohleei.
Metoda neinvazivă ar putea permite în cele din urmă noi metode de diagnosticare a pierderii auzului şi a altor afecţiuni legate de ureche. Videoclipul prezintă o scanare imagistică terahertz 3D. Credit: Kazunori Serita, Universitatea Waseda, 27 martie 2025
Confirmarea preciziei Terahertz
Ulterior, cercetătorii au demonstrat că informaţiile structurale interne pot fi extrase uşor din imaginile 2D obţinute cu ajutorul unei tehnici de învăţare automată nesupravegheată. Echipa a utilizat apoi sistemul pentru a efectua imagistică terahertz 3D şi reconstrucţii detaliate ale cohleei.
Pentru a-şi testa noua abordare, cercetătorii au trebuit mai întâi să confirme că undele terahertz ajung în interiorul cohleei. Ei au făcut acest lucru folosind configuraţia de imagistică terahertz pentru a efectua experimente folosind două probe cohleare de şoarece diferite, extrase şi uscate - una cu interiorul gol şi alta umplută cu un material metalic care reflectă undele terahertz. Ei au observat diferenţe clare între cele două probe, confirmând că undele terahertz pătrundeau în interiorul cohleei.
Cercetătorii au arătat apoi că informaţiile structurale interne pot fi observate şi extrase cu uşurinţă din imaginile 2D terahertz utilizând un algoritm de învăţare nesupravegheat.
De asemenea, echipa a utilizat configuraţia pentru a realiza cu succes imagistica terahertz 3D timp-de-călătorie - o tehnică ce măsoară timpul necesar unui semnal (în acest caz, unde terahertz) pentru a călători până la un obiect şi a se reflecta înapoi; aceasta ajută la determinarea distanţelor şi la crearea unor hărţi detaliate ale adâncimii - şi reconstrucţia 3D, permiţând vizualizarea unei părţi a canalului cohlear, structura spirală din interiorul cohleei.
Către utilizarea în lumea reală: miniaturizarea sistemului
În continuare, cercetătorii intenţionează să testeze tehnica pe cohlee în medii biologice mai realiste. Deoarece cohleea este situată adânc în interiorul urechii şi este umplută cu lichid limfatic, aceştia trebuie mai întâi să miniaturizeze sistemul pentru a putea fi introdus prin canalul auditiv. De asemenea, dezvoltă o sursă mai puternică de radiaţii terahertz pentru a ajunge la structuri mai profunde.
Odată miniaturizată, tehnologia imagisticii terahertz ar putea fi integrată în endoscoape şi otoscoape, permiţând imagistica neinvazivă pentru diagnosticarea cohleei şi detectarea timpurie a cancerului în diverse organe.
Cercetătorii au dezvoltat o nouă metodă de imagistică terahertz care a permis vizualizarea detaliilor interne ale cohleei de şoarece cu o rezoluţie spaţială de ordinul micronilor. În imagine este reprezentată o cohlee de şoarece recoltată chirurgicală. Credit: Kazunori Serita, Universitatea Waseda, 27 martie 2025
