Investigadores de la Universidad Bar-Ilan han desarrollado una nueva técnica sin foco para crear mapas químicos usando fluorescencia de rayos X. El enfoque ofrece mediciones rápidas y de alta resolución, que podrían ser útiles para analizar la composición química para una variedad de aplicaciones en biomedicina, ciencia de los materiales, arqueología, arte e industria.
“Nuestro nuevo método combina las conocidas técnicas de imágenes fantasma computacionales y medición de fluorescencia de rayos X para crear una forma eficiente y de alta resolución de producir mapas de elementos químicos”, dijo Sharon Shwartz, líder del equipo de investigación del Departamento de Física. “Esperamos que permita el mapeo químico de objetos más grandes a resoluciones más altas de lo que es posible hoy en día, al mismo tiempo que permite la medición de objetos 3D complejos”.
En Optica, la revista de investigación de alto impacto de Optica Publishing Group, Shwartz y sus colegas describen su nueva técnica de fluorescencia fantasma computacional de rayos X. El enfoque no requiere ningún enfoque y reduce el escaneo necesario, lo que acorta significativamente el tiempo de medición. Además, el hecho de que pueda ajustarse para detectar elementos específicos mientras no ve los tejidos humanos podría habilitar nuevas aplicaciones, como escáneres de seguridad de cuerpo completo que mejoran la privacidad.
“Las imágenes médicas, que se realizan con energías de rayos X donde los lentes no son prácticos, también podrían beneficiarse de nuestro enfoque”, dijo Shwartz. “Podría aplicarse para aumentar la calidad de las imágenes médicas de rayos X aumentando el contraste de los tejidos o para reducir la dosis de rayos X necesaria para obtener imágenes útiles”.
Ver debajo de la superficie
La fluorescencia de rayos X se utiliza para determinar los elementos químicos dentro de una muestra midiendo la fluorescencia emitida por una muestra después de que se excita con una fuente de rayos X. Los datos adquiridos con esta técnica analítica no destructiva se pueden usar para crear mapas químicos que han revelado capas ocultas en pinturas famosas y se usan para inspeccionar piezas aeroespaciales críticas, por ejemplo.
El mapeo de elementos químicos con fluorescencia de rayos X implica tradicionalmente enfocar el haz de rayos X de entrada y luego medir la fluorescencia emitida desde el área. Se construye un mapa químico escaneando la muestra punto por punto y registrando la intensidad de fluorescencia en cada punto. Sin embargo, este enfoque es lento debido al escaneo requerido. Además, la resolución espacial de las mediciones está restringida por las capacidades de las lentes utilizadas para enfocar.
“Estas limitaciones se vuelven aún más prominentes cuando se utilizan energías de rayos X superiores a 20 keV o cuando se intenta adquirir información 3D”, dijo Shwartz. «Aunque las energías de rayos X más altas podrían permitir el mapeo químico de objetos más gruesos o 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».
Eliminando lentes
Los investigadores recurrieron a imágenes fantasma computacionales para eliminar algunas de las limitaciones del análisis convencional de fluorescencia de rayos X. Este método de imagen no tradicional funciona mediante la correlación de dos haces que individualmente no transmiten 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 la muestra.
Los investigadores modificaron el enfoque de imágenes fantasma para que pudiera usarse para mapear elementos químicos. Aunque los métodos de imágenes fantasma generalmente implican medir la radiación transmitida, los investigadores midieron la fluorescencia emitida.
“La medición de la fluorescencia de rayos X nos permite identificar cada elemento químico en función de su espectro de emisión único”, dijo Shwartz. “Al usar 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 requerido para la imagen fantasma generalmente se crea agregando una modulación espacial conocida, o variación, a la intensidad del haz utilizado para irradiar el objeto. Los investigadores lograron esto repitiendo las mediciones de fluorescencia para diferentes patrones de intensidad del haz de entrada.
Poniendolo todo junto
El nuevo enfoque de fluorescencia fantasma computacional de rayos X produce dos conjuntos de datos para cada energía de fotón: uno con las distribuciones espaciales del haz de entrada y otro con las mediciones de fluorescencia emitidas. Luego, un programa de computadora reúne estos datos y superpone todos los datos de imágenes de las diversas energías de 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 de compresión redujo la cantidad de escaneos en casi un factor de 10 en comparación con las técnicas estándar basadas en escaneo.
“Dado que nuestra configuración es simple y puede proporcionar un mejor rendimiento que los enfoques actuales, esperamos que abra nuevas posibilidades en muchas disciplinas, incluidas la biología, la química, el arte y la arqueología”, dijo Shwartz. «Además, será sencillo extender nuestro método a energías de fotones más altas que no son accesibles con los métodos actuales».
A continuación, planean aplicar los nuevos métodos al mapeo químico en 3D y demostrar la aplicabilidad del método para imágenes médicas.
Acerca de Óptica
Optica es una revista de acceso abierto dedicada a la rápida difusión de investigaciones de alto impacto revisadas por pares en todo el espectro de la óptica y la fotónica. Publicada mensualmente por Optica Publishing Group, la revista proporciona un foro para la investigación pionera al que la comunidad internacional puede acceder rápidamente, ya sea que la investigación sea teórica o experimental, fundamental o aplicada. Optica mantiene un distinguido consejo editorial de más de 60 editores asociados de todo el mundo y está supervisado por el editor en jefe Prem Kumar, de la Universidad Northwestern, EE. UU. Para obtener más información, visite Óptica.
Acerca de Optica Publishing Group (anteriormente OSA)
Optica Publishing Group es una división de Optica, la sociedad que promueve la óptica y la fotónica en todo el mundo. Publica la colección más grande de contenido revisado por pares en óptica y fotónica, incluidas 18 revistas prestigiosas, la revista principal para miembros de la sociedad y artículos de más de 835 conferencias, incluidos más de 6500 videos asociados. Con más de 400.000 artículos de revistas, documentos de conferencias y videos para buscar, descubrir y acceder, Optica Publishing Group representa la gama completa de investigación en el campo de todo el mundo.
