19.01.2022 - Optica Publishing Group

Los investigadores utilizan imágenes fantasma para acelerar la cartografía química por fluorescencia de rayos X

Al eliminar las lentes, este avance podría beneficiar a una gran cantidad de aplicaciones, como la imagen médica, la inspección industrial y el análisis artístico

Los investigadores han desarrollado una nueva técnica sin foco para crear mapas químicos mediante fluorescencia de rayos X. El método ofrece mediciones rápidas y de alta resolución, que podrían ser útiles para analizar la composición química en una serie de aplicaciones en biomedicina, ciencia de los materiales, arqueología, arte e industria.

"Nuestro nuevo método combina las conocidas técnicas de imagen fantasma computacional y de medición por fluorescencia de rayos X para crear una forma eficiente y de alta resolución de producir mapas de elementos químicos", dijo el líder del equipo de investigación, Sharon Shwartz, de la Universidad Bar Ilan de Israel. "Esperamos que permita la elaboración de mapas químicos de objetos más grandes a resoluciones más altas de lo que es posible hoy en día, a la vez que permita la medición de objetos 3D complejos".

En Optica, la revista de investigación de alto impacto del Optica Publishing Group, Shwartz y sus colegas describen su nueva técnica de fluorescencia fantasma computacional de rayos X. El método no requiere ningún tipo de enfoque y reduce el escaneo necesario, lo que acorta considerablemente el tiempo de medición. Además, el hecho de que pueda ajustarse para detectar elementos específicos sin afectar a los tejidos humanos podría permitir nuevas aplicaciones, como los escáneres de seguridad de cuerpo entero que mejoran la privacidad.

"Las imágenes médicas, que se realizan a energías de rayos X en las que las lentes no son prácticas, también podrían beneficiarse de nuestro enfoque", afirma Shwartz. "Podría aplicarse para aumentar la calidad de las imágenes médicas de rayos X potenciando el contraste de los tejidos o para reducir la dosis de rayos X necesaria para obtener imágenes útiles".

Ver bajo la superficie

La fluorescencia de rayos X se utiliza para determinar los elementos químicos de una muestra midiendo la fluorescencia emitida por una muestra tras ser excitada por una fuente de rayos X. Los datos adquiridos con esta técnica analítica no destructiva pueden utilizarse para crear mapas químicos que han revelado capas ocultas en pinturas famosas y se utilizan para inspeccionar piezas aeroespaciales críticas, por ejemplo.

El mapeo de elementos químicos con fluorescencia de rayos X tradicionalmente implica enfocar el haz de rayos X de entrada y luego medir la fluorescencia emitida por el área. Se construye un mapa químico escaneando la muestra punto por punto y registrando la intensidad de la fluorescencia en cada punto. Sin embargo, este enfoque es lento debido al escaneo necesario. Además, la resolución espacial de las mediciones está restringida por las capacidades de las lentes utilizadas para el enfoque.

"Estas limitaciones se hacen aún más evidentes cuando se utilizan energías de rayos X superiores a 20 keV o cuando se intenta adquirir información en 3D", afirma Shwartz. "Aunque las energías de rayos X más altas podrían permitir el mapeo químico de objetos más gruesos o de muestras que contienen elementos densos y pesados, no es posible utilizar estas energías de fotones más altas debido a las limitaciones de las tecnologías estándar."

Eliminación de las lentes

Los investigadores recurrieron a la imagen fantasma computacional para eliminar algunas de las limitaciones del análisis de fluorescencia de rayos X convencional. Este método de obtención de imágenes no tradicional funciona mediante la correlación de dos haces que, individualmente, no llevan ninguna información significativa sobre el objeto. Un haz codifica un patrón aleatorio que actúa como referencia y nunca sondea directamente la muestra, mientras que el otro haz interactúa con ella.

Los investigadores modificaron el método de imagen fantasma para que pudiera utilizarse para cartografiar elementos químicos. Aunque los métodos de imagen fantasma suelen incluir la medición de la radiación transmitida, los investigadores midieron en cambio la fluorescencia emitida.

"La medición de la fluorescencia de los rayos X nos permite identificar cada elemento químico en función de su espectro de emisión único", afirma Shwartz. "Al utilizar un detector que puede resolver las energías de la radiación emitida, podemos identificar la contribución de cada elemento a la radiación detectada".

El patrón aleatorio necesario para la obtención de imágenes fantasma suele crearse añadiendo una modulación espacial conocida, o variación, a la intensidad del haz utilizado para irradiar el objeto. Los investigadores lo consiguieron repitiendo las mediciones de fluorescencia para diferentes patrones de intensidad del haz de entrada.

Unirlo todo

El nuevo enfoque de fluorescencia fantasma computacional de rayos X produce dos conjuntos de datos para cada energía de fotones: uno con las distribuciones espaciales del haz de entrada y otro con las mediciones de fluorescencia emitida. A continuación, un programa informático reúne estos datos y superpone todos los datos de imagen de las distintas energías de los fotones para crear un mapa de elementos químicos del objeto.

Los investigadores utilizaron su nuevo método para crear un mapa de elementos químicos de un objeto hecho de hierro y cobalto. Demostraron que el uso de un algoritmo de detección compresiva reducía el número de escaneos en casi un factor de 10 en comparación con las técnicas estándar basadas en el escaneo.

"Dado que nuestro sistema es sencillo y puede ofrecer un mayor rendimiento que los métodos actuales, esperamos que abra nuevas posibilidades en muchas disciplinas, como la biología, la química, el arte y la arqueología", afirma Shwartz. "Además, será sencillo ampliar nuestro método a energías de fotones más altas que no son accesibles con los métodos actuales".

A continuación, tienen previsto aplicar los nuevos métodos a la cartografía química en 3D y demostrar la aplicabilidad del método a las imágenes médicas.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Hechos, antecedentes, expedientes
  • fluorescencia de rayos X
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