Os pesquisadores desenvolveram uma técnica de imagem de raios X que pode produzir imagens detalhadas de organismos vivos com uma dose de raios X muito menor do que era possível anteriormente. O avanço permite que pequenos organismos ou outras amostras sensíveis sejam estudados em alta resolução durante períodos muito mais longos, o que poderia revelar novos insights sobre uma variedade de processos dinâmicos.



A abordagem é baseada em imagens de contraste de fase, que se baseiam não apenas na absorção dos raios X em uma amostra, mas também nas propriedades de onda dos raios X. Mais precisamente, cria imagens a partir de mudanças de fase que ocorrem à medida que os raios X passam por uma amostra.

"Anteriormente, imagens de contraste de fase de raios X com resolução micrométrica de organismos vivos só eram possíveis por alguns segundos ou minutos porque ocorreriam graves danos de radiação", explicou Rebecca Spiecker, membro da equipe de pesquisadores, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha. "Reduzimos a dose necessária de raios X, superando as limitações atuais de imagens de alta resolução para aplicações sensíveis à dose."

Na revista Optica , os pesquisadores descrevem como desenvolveram um novo sistema de imagem de raios X que usa óptica de raios X altamente eficiente e detectores de contagem de fótons únicos para aumentar a eficiência da dose para imagens de campo completo com resolução micrométrica. Eles demonstraram o benefício da nova técnica ao visualizar pequenas vespas parasitóides emergindo de seus ovos hospedeiros por mais de 30 minutos.

“Mostramos que nosso método apresenta desempenho de imagem superior em comparação com um detector convencional de alta resolução”, disse Spiecker. “Isso poderia ser útil, por exemplo, para capturar detalhes do desenvolvimento e comportamento de pequenos organismos modelo, como embriões de sapo Xenopus, durante uma escala de tempo mais longa do que é atualmente possível”.

Melhores imagens com menos radiação

A imagem de raios X pode revelar estruturas e processos ocultos em organismos vivos. No entanto, também expõe os organismos à radiação prejudicial em altas doses, limitando o tempo que as observações podem durar antes que ocorram danos. Isto é agravado pelo fato de que a eficiência de detecção dos detectores de alta resolução comumente usados ​​diminui com o aumento da resolução, o que significa que doses de raios X ainda mais altas são necessárias para obter uma imagem de alta resolução.

Para superar esse desafio, os pesquisadores desenvolveram uma abordagem de imagem com contraste de fase que amplia diretamente a imagem de raios X, em vez de converter a imagem de raios X em uma imagem de luz visível e depois ampliá-la, que é o método típico. Isso permitiu que eles usassem detectores de grandes áreas altamente eficientes, mantendo a resolução espacial micrométrica.

No novo sistema de imagem, os pesquisadores usaram um detector de imagem com contagem de fótons único e tamanho de pixel de 55 mícrons. A imagem de raios X é ampliada atrás da amostra usando óptica de cristal, conhecida como lupa de Bragg. Este último consiste em dois cristais de silício perfeitos para realizar a ampliação.

"Para alcançar a maior eficiência de dose possível para imagens de raios X de campo completo com resolução micrométrica, combinamos contraste de fase de raios X, uma lupa de Bragg e um detector de contagem de fótons únicos, todos otimizados para uma energia ideal de raios X de 30 keV", disse Spiecker. "O conceito de ampliadores de Bragg remonta ao final da década de 1970 e, embora o seu potencial para aumentar a eficiência da dose tenha sido observado, ele não foi explorado até agora."

Depois de mostrar que seu novo sistema poderia atingir uma eficiência de dose de mais de 90% e, ao mesmo tempo, fornecer uma resolução de até 1,3 mícron, os pesquisadores compararam seu desempenho com um sistema detector convencional de alta resolução usando a mesma amostra, fluência de raios X e 30 energia de raios X keV.

“Nesta energia, mostramos que a eficiência quântica de detecção do nosso sistema excede o sistema convencional em mais de duas ordens de grandeza para os componentes relevantes de alta resolução da imagem”, disse Spiecker. “Isso resulta em imagens melhores e permite uma redução drástica na dose de raios X na amostra”.

Imagens de pequenos insetos

Os pesquisadores então usaram o sistema para realizar um estudo piloto de comportamento em vespas parasitóides vivas, que são amplamente utilizadas para controle biológico de pragas. Graças à exposição mínima à radiação, eles foram capazes de capturar imagens das minúsculas vespas dentro dos ovos dos hospedeiros por 30 minutos antes que as vespas finalmente emergissem.

Os pesquisadores dizem que o método também pode ser útil para aplicações biomédicas, como o exame tomográfico suave de amostras de biópsia. No entanto, o uso de uma lupa de Bragg requer um feixe monocromático, coerente e colimado, que está disponível em instalações síncrotron de raios X. Eles também continuam a melhorar o sistema para alcançar um campo de visão maior e maior estabilidade mecânica a longo prazo para tempos de medição ainda mais longos.

Mais informações: Rebecca Spiecker et al, Imagem de contraste de fase de raios X in vivo com eficiência de dose em resolução micrométrica, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.500978
Informações do diário: Óptica

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