Las imágenes con resolución micrométrica amplían el alcance de la investigación biológica y biomédica

8 de diciembre de 2023Revisado por Lily Ramsey, LLM

Los investigadores han creado un sistema de imágenes de rayos X que puede capturar imágenes complejas de organismos vivos utilizando una dosis de rayos X mucho menor de lo que era posible anteriormente. Ahora se pueden examinar objetos pequeños u otros materiales sensibles en alta resolución durante períodos de tiempo mucho más largos, lo que podría revelar nuevos conocimientos sobre una variedad de procesos dinámicos.

El método se basa en la obtención de imágenes por contraste de fases, que depende no sólo de la absorción de rayos X en el material, sino también de las propiedades de la onda de rayos X. Genera imágenes a partir de transiciones de fase resultantes del paso de rayos X a través de la muestra.

Anteriormente, las imágenes de contraste de fase de rayos X con resolución micrométrica de organismos vivos solo eran posibles durante unos pocos segundos o minutos debido al grave daño por radiación. Hemos reducido la dosis de rayos X necesaria al superar las limitaciones actuales de las imágenes de alta resolución para aplicaciones sensibles a la dosis.

Rebecca Spieker, estudiante de doctorado, Instituto Tecnológico de Karlsruhe

Los investigadores describen cómo crearon un nuevo sistema de imágenes de rayos X que utiliza detectores de conteo de fotón único y ópticas de rayos X especializadas de alta eficiencia para aumentar la eficiencia de la dosis para imágenes de campo completo con resolución micrométrica en… opticala revista de investigación de alto impacto que publica Grupo Editorial Óptica. Durante más de media hora, observaron diminutas avispas parásitas emerger de los huevos de su huésped, mostrando las ventajas del nuevo enfoque.

Spiker agregó:Demostramos que nuestro método exhibe un rendimiento de imágenes superior en comparación con un detector convencional de alta resolución. Esto puede resultar útil, por ejemplo, para capturar detalles del desarrollo y comportamiento de pequeños organismos modelo, como los embriones de rana Xenopus, durante un período de tiempo más largo del que es posible actualmente.«

Mejores imágenes con menos radiación

Las estructuras y procesos ocultos en los organismos vivos pueden revelarse mediante imágenes de rayos X. Sin embargo, expone a los organismos a radiaciones tóxicas en niveles elevados, lo que limita el tiempo que se pueden realizar las observaciones antes de que se produzcan daños.

Esto se ve agravado por el hecho de que la eficacia de detección de los detectores de alta resolución utilizados frecuentemente disminuye a medida que aumenta la resolución, lo que requiere mayores dosis de rayos X para obtener una imagen de alta resolución.

Para abordar este problema, los investigadores idearon un método de imágenes de contraste de fase que magnifica instantáneamente una imagen de rayos X en lugar de convertirla en una imagen de luz visible y luego ampliarla, como es el método estándar. Pueden utilizar detectores de banda ancha muy eficientes y, como resultado, mantener una resolución espacial micrométrica.

Los investigadores utilizaron un detector de imágenes de fotón único con un tamaño de píxel de 55 micrones en el nuevo sistema de imágenes. Se utiliza un dispositivo de óptica de cristal, una lupa de Bragg, para ampliar la imagen de rayos X detrás de la muestra. Para la ampliación, este último se compone de dos cristales de silicio impecables.

«Para lograr la mayor eficiencia de dosis posible para imágenes de rayos X de campo completo con resolución micrométrica, combinamos un contraste de fase de rayos X, un amplificador de Bragg y un detector de conteo de fotón único, todo optimizado para una energía de rayos X óptima de 30 keV. . El concepto de amplificadores de Bragg se remonta a finales de la década de 1970 y, aunque se ha observado su capacidad para aumentar la eficiencia de la dosis, no se ha explorado hasta ahora.afirmó Spiker.

Los investigadores compararon el rendimiento de su nuevo sistema con un sistema detector convencional de alta resolución utilizando el mismo material, flujo de rayos X y energía de rayos X de 30 keV después de demostrar que podía alcanzar una eficiencia de dosis de más del 90% durante su entrega. Precisión de hasta 1,3 micras.

«Con esta energía, mostramos que la eficiencia cuántica de detección de nuestro sistema supera la del sistema convencional en más de dos órdenes de magnitud para los componentes de alta resolución de la imagen. Con esta energía, mostramos que la eficiencia cuántica de detección de nuestro sistema supera la del sistema convencional en más de dos órdenes de magnitud para los componentes de alta resolución de la imagen. Esto da como resultado mejores imágenes y permite una reducción significativa en la dosis de rayos X a la muestra.Añadió Spiker también.

Fotografía de pequeños insectos.

Luego, esta tecnología se utilizó para realizar un estudio preliminar de comportamiento en avispas parásitas vivas comúnmente utilizadas en el manejo biológico de plagas. Debido a la falta de exposición a la radiación, los científicos pudieron obtener imágenes de las pequeñas avispas dentro de sus huevos anfitriones durante 30 minutos antes de que emergieran.

Según los investigadores, este enfoque también puede beneficiar a aplicaciones biomédicas, como la evaluación por micro-CT del material de biopsia. Por otro lado, el uso de una lupa Bragg requiere un haz monocromático, coherente y colimado, al que se puede acceder en instalaciones de rayos X sincrotrón.

También amplían la visibilidad del sistema y mejoran su estabilidad mecánica a largo plazo para períodos de medición más prolongados.

Referencia de la revista:

Atacante, R, et al. el. (2023) Efectividad de la dosis En vivo Imágenes de contraste de fase de rayos X con resolución micrométrica mediante lupas Bragg. optica. doi:10.1364/optica.500978

fuente: https://www.optica.org/