Los rayos X pasan fácilmente a través de materiales biológicos para proporcionar una visión sin precedentes de la estructura interna de todo, desde las estructuras biológicas de las células vivas hasta los huesos rotos de los cuerpos dañados.
Pero los biólogos se enfrentan a un dilema al crear estas imágenes. La naturaleza ionizante de los rayos X puede romper enlaces químicos, dañar células vivas y distorsionar las estructuras biológicas bajo investigación. Por lo tanto, los experimentos de imágenes biológicas deben equilibrar la necesidad de imágenes claras con el daño inevitable que causan los rayos X. Eso se reduce a encontrar formas de aumentar la resolución y al mismo tiempo reducir la exposición.
“Se necesitan con urgencia nuevos métodos experimentales que permitan mediciones de dosis bajas y alta precisión”, dicen Justin Goodrich del Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton y sus colegas.
Imagen clara
Quiso la suerte que hayan sido pioneros en un enfoque innovador para las imágenes de rayos X que utiliza las propiedades cuánticas de la luz para producir imágenes con mayor resolución con dosis más bajas de radiación, lo que tiene el potencial de transformar las imágenes médicas.
Las llamadas imágenes cuánticas explotan las propiedades únicas del entrelazamiento y la correlación cuánticas para recopilar información sobre objetos con mayor resolución y menor ruido. A diferencia de las imágenes clásicas, las técnicas cuánticas permiten a los investigadores sortear algunas limitaciones de la óptica tradicional, como el límite de difracción y las restricciones de señal a ruido.
Estas técnicas se han utilizado durante algún tiempo en longitudes de onda ópticas. Pero el régimen de rayos X ha resultado más difícil de controlar porque las tecnologías para producir y detectar fotones entrelazados son mucho menos maduras. Ahora el equipo de Brookhaven ha dado los primeros pasos para cambiar eso.
Las imágenes cuánticas funcionan creando una corriente de fotones entrelazados y permitiendo que uno de cada par interactúe con el objeto en cuestión. Luego, al detectar ambos fotones y estudiar la correlación entre ellos, es posible construir una imagen del objetivo con resolución mejorada.
La resolución adicional es el resultado de un menor ruido de fondo porque los fotones que no llegan como un par pueden ignorarse. Y como sólo uno de los dos interactúa con la muestra, la dosis de radiación también es menor.
El problema de las imágenes cuánticas de rayos X es que ha resultado difícil producir fotones entrelazados de manera eficiente. Tradicionalmente se producen haciendo pasar un haz de alta energía a través de un medio no lineal, que convierte fotones individuales de alta energía en pares de fotones de menor energía.
Goodrich y sus compañeros solucionan este problema utilizando un sincrotrón para producir 10^11 fotones de rayos X por segundo y luego hacerlos rebotar en un único cristal de diamante cultivado artificialmente. En teoría, esto puede convertir un fotón de alta energía en dos fotones entrelazados de menor energía, pero solo cuando el ángulo de reflexión y el punto de contacto en la estructura cristalina cumplen con criterios específicos. Pero en la práctica este punto es difícil de alcanzar exactamente debido a imperfecciones en la disposición de los planos dentro del cristal.
Pero al utilizar un cristal especialmente desarrollado y escanear el haz de rayos X a través de la superficie, Goodrich y sus colegas pudieron encontrar el punto óptimo donde se maximiza el proceso de conversión de fotones. “Se exploraron múltiples posiciones a lo largo de la superficie del diamante para encontrar el área con la mayor calidad”, dicen.
Una vez establecido esto, Goodrich y sus compañeros dirigieron los pares entrelazados hacia una matriz de píxeles sensibles a los rayos X, mientras se aseguraban de que un fotón interactuara con el objetivo en el camino.
Luego procesaron los resultados para generar imágenes de los distintos objetivos, incluida una muestra biológica en forma de semilla de cardamomo. Luego compararon las imágenes resultantes con las registradas utilizando fotones de rayos X clásicos y mediante simulación por computadora.
Semilla Cuántica
Los resultados muestran claramente el potencial de las imágenes cuánticas de rayos X. Las imágenes cuánticas muestran más detalles dentro de la semilla de cardamomo que las imágenes clásicas producidas con la misma cantidad de fotones. “Hasta donde sabemos, este es el primer experimento de imágenes de rayos X de correlación cuántica realizado en un objeto biológico con una estructura interna compleja y de baja densidad”, afirman los investigadores.
El equipo dice que este es sólo el primer paso hacia imágenes significativamente mejores y allana el camino para una serie de aplicaciones. “Esta investigación sienta las bases para aplicaciones innovadoras en imágenes cuánticas, especialmente en campos donde reducir la exposición a la radiación es fundamental, como en el estudio de materiales biológicos sensibles”, afirman Goodrich y compañía.
“Nuestros logros allanaron el camino para el desarrollo de métodos de difracción y imágenes de superresolución, ofreciendo un enfoque novedoso para visualizar estructuras complejas con detalles sin precedentes y dosis reducidas”.
Eso parece prometedor. Espere ver los frutos de su trabajo en técnicas mejoradas de imágenes de rayos X en un futuro no muy lejano.
Ref: Imágenes Cuánticas con Rayos X: arxiv.org/abs/2412.09833