Los investigadores han desarrollado una técnica de imágenes de rayos X que puede producir imágenes detalladas de organismos vivos con una dosis de rayos X mucho menor de lo que era posible anteriormente. El avance permite estudiar pequeños organismos u otras muestras sensibles en alta resolución durante períodos mucho más largos, lo que podría revelar nuevos conocimientos sobre una variedad de procesos dinámicos.
El enfoque se basa en imágenes de contraste de fase, que se basan no sólo en la absorción de rayos X en una muestra, sino también en las propiedades ondulatorias de los rayos X. Más precisamente, crea imágenes a partir de los cambios de fase que se producen cuando los rayos X atraviesan una muestra.
"Anteriormente, la obtención de imágenes de contraste de fase de rayos X con resolución micrométrica de organismos vivos sólo era posible durante unos pocos segundos o incluso minutos, porque se producirían graves daños por radiación", explicó Rebecca Spiecker, miembro del equipo investigador del Instituto Tecnológico de Karlsruhe en Alemania. "Redujimos la dosis de rayos X necesaria superando las limitaciones actuales de las imágenes de alta resolución para aplicaciones sensibles a la dosis".
En la revista Óptica , los investigadores describen cómo desarrollaron un nuevo sistema de imágenes de rayos X que utiliza ópticas de rayos X altamente eficientes y detectores de conteo de fotones únicos para aumentar la eficiencia de la dosis para obtener imágenes de campo completo con resolución micrométrica. Demostraron el beneficio de la nueva técnica al obtener imágenes de pequeñas avispas parasitoides emergiendo de sus huevos huéspedes durante más de 30 minutos.
"Demostramos que nuestro método exhibe un rendimiento de imagen superior en comparación con un detector convencional de alta resolución", dijo Spiecker. "Esto podría ser útil, por ejemplo, para capturar detalles del desarrollo y comportamiento de pequeños organismos modelo, como los embriones de rana Xenopus, en una escala de tiempo más larga de lo que es posible actualmente".
Las imágenes de rayos X pueden revelar estructuras y procesos ocultos en los organismos vivos. Sin embargo, también expone a los organismos a radiación que es dañina en dosis altas, lo que limita la duración de las observaciones antes de que se produzcan daños. Esto se ve agravado por el hecho de que la eficiencia de detección de los detectores de alta resolución utilizados habitualmente disminuye al aumentar la resolución, lo que significa que se necesitan dosis de rayos X aún mayores para obtener una imagen de alta resolución.
Para superar este desafío, los investigadores desarrollaron un método de imágenes de contraste de fase que magnifica directamente la imagen de rayos X en lugar de convertir la imagen de rayos X en una imagen de luz visible y luego ampliarla, que es el método típico. Esto les permitió utilizar detectores de área grande altamente eficientes manteniendo al mismo tiempo la resolución espacial micrométrica.
En el nuevo sistema de imágenes, los investigadores utilizaron un detector de imágenes de conteo de fotones individuales con un tamaño de píxel de 55 micrones. La imagen de rayos X se amplía detrás de la muestra mediante una óptica de cristal, conocida como lupa de Bragg. Este último consta de dos cristales de silicio perfectos para realizar aumentos.
"Para lograr la mayor eficiencia de dosis posible para imágenes de rayos X de campo completo con resolución micrométrica, combinamos contraste de fase de rayos X, una lupa Bragg y un detector de conteo de fotón único, todo optimizado para una energía de rayos X óptima de 30 keV", afirmó Spiecker. "El concepto de lupas Bragg se remonta a finales de los años 1970, y aunque se ha observado su potencial para aumentar la eficiencia de la dosis, no se ha explorado hasta ahora."
Después de demostrar que su nuevo sistema podía alcanzar una eficiencia de dosis de más del 90% y al mismo tiempo proporcionar una resolución de hasta 1,3 micrones, los investigadores compararon su rendimiento con un sistema detector convencional de alta resolución utilizando la misma muestra, fluencia de rayos X y 30 Energía de rayos X keV.
"Con esta energía hemos demostrado que la eficiencia cuántica detectable de nuestro sistema supera a la del sistema convencional en más de dos órdenes de magnitud para los componentes relevantes de alta resolución de la imagen", dijo Spiecker. "Esto da como resultado mejores imágenes y permite una reducción drástica de la dosis de rayos X en la muestra."
Luego, los investigadores utilizaron el sistema para realizar un estudio piloto de comportamiento en avispas parasitoides vivas, que se utilizan ampliamente para el control biológico de plagas. Gracias a la mínima exposición a la radiación, pudieron capturar imágenes de las diminutas avispas dentro de sus huevos anfitriones durante 30 minutos antes de que finalmente emergieran.
Los investigadores dicen que el método también podría ser útil para aplicaciones biomédicas, como el examen tomográfico suave de muestras de biopsia. Sin embargo, utilizar una lupa Bragg requiere un haz monocromático, coherente y colimado, que está disponible en las instalaciones de sincrotrón de rayos X. También continúan mejorando el sistema para lograr un campo de visión más amplio y una mayor estabilidad mecánica a largo plazo para tiempos de medición aún más prolongados.
Más información: Rebecca Spiecker et al, Imágenes de contraste de fase de rayos X in vivo con dosis eficiente y resolución micrométrica, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.500978
Información de la revista: Óptica
Proporcionado por Óptica
