Los investigadores informan de dos nuevos enfoques para producir imágenes tridimensionales (3-D) utilizando rayos X que podrían mejorar la detección de enfermedades. estudiar procesos muy rápidos y permitir el análisis de las propiedades de los materiales y la información estructural de los objetos opacos con un detalle sin precedentes.

Los investigadores describen sus enfoques de las imágenes en 3D con rayos X en dos artículos en Optica , La revista de la Optical Society para investigaciones de alto impacto. Un método podría reducir las dosis de rayos X necesarias en algunos tipos de imágenes médicas preventivas, como la detección del cáncer de mama. El otro método podría permitir la obtención de imágenes en 3-D de delicadas muestras biológicas o el estudio de procesos muy rápidos, como los tipos de interacciones que ocurren durante los impactos de desechos espaciales, para acelerar el desarrollo de materiales más duraderos.

Debido a su alta energía y longitud de onda corta, Los rayos X pueden atravesar materiales que la luz visible no puede. Aunque es posible obtener imágenes de rayos X en 3-D, Los enfoques actuales tienen una aplicación limitada porque requieren exposiciones prolongadas a rayos X dañinos.

Inhumanos, demasiada radiación de las imágenes de rayos X médicos puede aumentar el riesgo de cáncer, lo que limita la frecuencia con la que se pueden examinar con mamografía 3-D y otras tecnologías de rayos X 3-D. Los rayos X de muy alta energía que se utilizan para estudiar la composición detallada de materiales y muestras biológicas a menudo no se pueden utilizar porque las muestras se destruirían después de una exposición.

Tomografía fantasma 3D con rayos X

Investigadores dirigidos por Andrew Kingston de la Universidad Nacional de Australia junto con un equipo de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Francia han demostrado por primera vez que el enfoque de imágenes no convencionales conocido como imágenes fantasma se puede utilizar para obtener 3-D X- imágenes de rayos del interior de objetos opacos a la luz visible.

"Debido al potencial de dosis significativamente más bajas de rayos X con imágenes fantasma en 3-D, Este enfoque podría revolucionar las imágenes médicas al hacer que la detección por rayos X de los primeros signos de enfermedad sea mucho más barata. más fácilmente disponible y capaz de emprenderse con mucha más frecuencia, "dijo el autor principal del artículo, David Paganin, de la Universidad de Monash, Australia. "Esto mejoraría enormemente la detección temprana de enfermedades, incluido el cáncer".

Las imágenes fantasma funcionan correlacionando dos haces; en este caso, Haces de rayos X:que no llevan individualmente ninguna información significativa sobre el objeto. Un haz codifica un patrón aleatorio que actúa como referencia y nunca sondea directamente la muestra. El otro rayo atraviesa la muestra.

Los investigadores crearon patrones de rayos X aleatorios al hacer brillar un haz brillante de luz de rayos X a través de una espuma de metal, que es como una esponja de metal. Tomaron una imagen 2-D de este rayo aleatorio, y luego pasó una copia muy débil a través de la muestra. Un detector de un solo píxel de área grande capturó los rayos X que atravesaron la muestra. El proceso se repitió para múltiples patrones de iluminación y orientaciones de objeto de muestra para construir una imagen tomográfica en 3D de la estructura interna del objeto.

Como experimento de prueba de concepto, Los investigadores llevaron a cabo una tomografía de rayos X fantasma en un cilindro de aluminio con un diámetro de 5,6 milímetros y que contenía dos orificios de menos de 2,0 milímetros de diámetro. Pudieron producir imágenes en 3D con 1,4 millones de "vóxeles", un término para píxeles en 3D, con una resolución, o longitud lateral de vóxel, de 48 millonésimas de metro.

"Imágenes fantasma de rayos X, especialmente tomografía fantasma, es un campo completamente nuevo que necesita ser explorado y desarrollado mucho más, ", dijo Kingston." Con más desarrollo, imaginamos la tomografía de rayos X fantasma como una ruta hacia más barato y, por lo tanto, Máquinas de imágenes de rayos X en 3-D mucho más fácilmente disponibles para imágenes médicas, imagen industrial, control de seguridad y vigilancia ".

Imágenes 3-D de una sola exposición

Un equipo de investigación del Instituto Paul Scherrer en Suiza, dirigido por Marco Stampanoni, junto con un equipo del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Alemania y el ESRF, adquirió imágenes en 3-D utilizando fuentes de rayos X de alto brillo. Su nuevo enfoque utiliza una sola exposición, o tiro, para obtener información tridimensional de rayos X cien mil millones de veces más brillante que una fuente de rayos X de un hospital. Los rayos solo se pueden producir en instalaciones de sincrotrón especializadas.

"Las fuentes de rayos X de alto brillo son bastante útiles para la biología y la ciencia de los materiales porque pueden sondear procesos más rápidos y resoluciones más altas que otras fuentes de rayos X, ", dijo el primer autor del artículo, Pablo Villanueva-Pérez, de DESY." Debido a que el poder de estas fuentes puede destruir la muestra después de un solo pulso, Las imágenes tridimensionales actuales que utilizan toda la potencia de estas fuentes requieren varias copias idénticas de una muestra ".

La nueva técnica puede realizar las medidas necesarias para formar una imagen tridimensional antes de destruir la muestra, por lo que podría ser útil para estudiar la mecánica de muestras biológicas delicadas, como insectos vivos, o para examinar la estructura tridimensional interna de virus o proteínas intactos.

El nuevo enfoque de disparo único utiliza un cristal para dividir un haz de rayos X entrante en nueve haces que iluminan simultáneamente la muestra. El uso de detectores orientados a registrar información de cada haz permite a los investigadores adquirir a la vez nueve proyecciones 2-D diferentes de un objeto de muestra antes de que sea destruido por los intensos haces de sonda de rayos X.

Los investigadores utilizaron el enfoque para obtener imágenes de una polilla, que demostró el potencial para estudiar la mecánica de los insectos con resolución de microescala 3-D a velocidades que van desde microsegundos a femtosegundos. También demostraron que podían lograr una resolución a nanoescala obteniendo imágenes de una nanoestructura de oro.

"Nos gustaría combinar nuestra técnica con las capacidades únicas de la instalación europea de láser de electrones libres de rayos X, la primera instalación en entregar pulsos de rayos X a una velocidad de un millón de pulsos por segundo, ", dijo Villanueva-Pérez." Esto podría permitir la exploración 3D de procesos rápidos a velocidades de millones de fotogramas por segundo ".

Los investigadores planean utilizar su técnica de imágenes de proyección múltiple de disparo único para comprender mejor la biomecánica de los insectos. que podría inspirar nuevas configuraciones de ingeniería. También quieren estudiar nuevos, materiales más livianos que podrían reducir el consumo de combustible para los vehículos y planean examinar los procesos rápidos que ocurren cuando los desechos espaciales golpean satélites, lo que podría ayudar al desarrollo de materiales protectores.