Imágen de contraste de fase

La imagen de contraste de fase es el término genérico para todos los métodos de imagenología que pueden ser usados para visualizar incluso pequeñas diferencias en el índice de refracción dentro de una muestra. Estos métodos siempre se utilizan cuando la muestra apenas muestra contraste de absorción.

Un ejemplo de un objeto que prácticamente no tiene contraste de absorción en la luz visible es un hemisferio soplado de una lámina de plástico transparente y utilizado para artesanías. Podría haber sido una lámina plana, pero yo tenía ese hemisferio allí. Si este hemisferio se coloca en un periódico, el periódico se puede leer sin problemas (Imagen 1). En el detalle de la ampliación se pueden ver ligeras distorsiones de la escritura. Estas distorsiones indican que la película de plástico no es del mismo grosor en todas partes o que el plástico no tiene la misma densidad en todas partes y por lo tanto cambia la dirección de la luz que pasa un poco por refracción.

Imagen 1: Un periódico se puede leer bien a través de un hemisferio de plástico transparente.

Las diferencias en el espesor o la densidad de la película llevan a un desfase en diferentes lugares de la película. Si la película se ilumina desde una gran distancia con una fuente de luz en forma de punto, las distribuciones de brillo mostradas en la Imagen 2 resultan en una hoja de papel blanco detrás de la película. La imagen del ratón sobre la imagen muestra una secuencia de tomas en las que la distancia entre la lámina y el papel se ha incrementado de forma constante. El punto brillante en el centro de la imagen es causado por reflejos en el interior de la película esférica hueca cuando la película está cerca del papel. Las pequeñas desviaciones angulares que experimenta la luz al pasar a través de la película hacen que en algunos puntos a una distancia relativamente grande de la película, la luz sea más incidente que la media, mientras que en otros puntos esto conduce a la formación de zonas de sombra más oscuras.

Imagen 2: Distribución de la luminosidad detrás del hemisferio de plástico transparente iluminado con una fuente de luz puntual

Los efectos descritos en este ejemplo también pueden ser usados para imágenes de contraste de fase con rayos X. Esto permite la investigación de muestras opacas en el rango de longitud de onda visible sin contraste de absorción. Ejemplos de ello serían el tejido mamario para la investigación del tejido cancerígeno, la orientación de las fibras o el agrietamiento en materiales compuestos reforzados con fibras, como las alas de las turbinas eólicas, o los cambios en los electrodos de las baterías durante los ciclos de carga.

Esto podría hacerse simplemente colocando un detector de rayos X muy por detrás de la muestra a diferentes distancias. Sin embargo, como las fluctuaciones en el índice de refracción y por lo tanto los ángulos de desviación de los rayos X son extremadamente pequeños, las distancias en el rango de muchos (cientos) metros no son prácticas.

Imágenes de contraste de fase con efecto Talbot-Lau

Imagen 3 muestra una configuración más práctica para la obtención de imágenes de contraste de fase en una fuente de rayos X puntiforme Q basada en el efecto Talbot-Lau. Contiene dos rejillas de rayos X, una rejilla de desplazamiento de fase G₁ y una rejilla de absorción G₂ y un detector de resolución espacial D.

Imagen 3: Disposición para la obtención de imágenes de contraste de fase en una fuente de punto de rayos X Q con las rejillas de rayos X G₁ y G₂, muestra P y detector D

Función de los componentes

Los rayos X incidentes se difractan en la rejilla de fase G₁. En la Imagen 4, nueve órdenes de difracción se dibujan como líneas rectas detrás de cada abertura de la rejilla. La superposición de las diferentes órdenes de difracción resulta en una distribución de intensidad similar a la de la Imagen 4, que se llama alfombra Talbot. Una característica típica de esta distribución de intensidad es que la distribución de intensidad se repite a intervalos periódicos como en el plano de G₁. Si la segunda rejilla G₂ se coloca en esa posición, absorberá toda la luz (arrastre el mouse sobre la imagen).

Imagen 4: Superposición de las órdenes de difracción detrás de la rejilla G₁

La muestra se coloca delante (o poco después) de la rejilla G₁. A medida que la muestra pasa, las diferencias en el índice de refracción de la muestra hacen que el frente de onda incidente se deforme ligeramente. En otras palabras, la luz en la muestra cambia ligeramente de dirección. Esto cambia las direcciones de las órdenes de difracción detrás de la rejilla G₁ y, en consecuencia, no todos los haces de la rejilla G₂ se detienen. Estos rayos golpean el detector detrás de la rejilla G₂. El período de reticulación de G₂ debe ser muy pequeño (en el rango de unos pocos micrómetros) para lograr una alta resolución de imagen. Dado que los píxeles del detector (generalmente del tamaño de unas pocas decenas de micrómetros o más) suelen ser mucho más grandes que la constante de la cuadrícula de G₂, se suelen tomar varias imágenes entre las cuales la cuadrícula G₂ se desplaza perpendicularmente a las líneas de la cuadrícula en pequeños pasos. Con la ayuda de algoritmos adecuados, la imagen de la muestra puede ser reconstruida a partir de estos datos. Una estructura como la que se muestra en la Imagen 3 sólo funciona si la fuente es aproximadamente monocromática y puntiforme y, por lo tanto, razonablemente coherente. Este es el caso, por ejemplo, de las fuentes de sincrotrón.

Si, por ejemplo, se utiliza como fuente un tubo de rayos X con un ánodo giratorio, que se utiliza habitualmente en los laboratorios, ya no puede considerarse puntiforme con diámetros del punto de origen de un milímetro, sobre todo porque la distancia de la fuente es inferior a un metro. En este caso, se necesita otra red G₀ que esté cerca de la fuente. Esta rejilla sirve para dividir ópticamente la fuente en muchas fuentes estrechas en forma de tira. Estas fuentes únicas y estrechas muestran una mayor coherencia espacial e iluminan la muestra desde diferentes direcciones. Las constantes de celosía de las celosías deben coincidir con las distancias de las celosías a la fuente para que la estructura funcione.

Imagen 5: Disposición para la obtención de imágenes de contraste de fase en un tubo de rayos X con las rejillas de rayos X G₀, G₁ y G₂, fuente Q, muestra P y detector D

Producción de rejillas

Las rejillas de cambio de fase se fabrican a menudo mediante el grabado profundo de iones reactivos en obleas de silicio, por ejemplo en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza. Es crucial conseguir un cierto grosor de la rejilla en la dirección del haz para conseguir el desfase deseado.

Las rejillas de absorción necesarias se fabrican a menudo mediante litografía de rayos X profundos y posterior deposición galvánica de oro, por ejemplo en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, Instituto de Tecnología de Microestructuras (KIT/IMT) o en MicroWorks, véase la Imagen 6. Se consiguen períodos de rejilla de unos pocos micrómetros. Para que la absorción de las rejillas en la dirección del haz (en la Imagen 6 de arriba a abajo) con energías fotónicas de varias decenas de kiloelectrones voltios sea suficiente, también se debe lograr un espesor de oro de más de cien micrómetros (véase www.x-ray-optics.de/index.php/es/tipos-de-%C3%B3pticas/opticas-difractantes/placas-zonales-de-fresnel, Imagen 5). La gran relación entre la altura del oro y el ancho de la línea de cuadrícula de más de cien representa un gran desafío para el proceso.

Imagen 6: Rejilla de absorción de rayos X con láminas de oro sobre membrana de titanio ©01

Imágenes de contraste de fase de rayos X

La Imagen 7 muestra diferentes imágenes de un Axolotl:

(a) Una foto a la luz visible. Sólo la superficie del animal es visible.

b) Una radiografía convencional muestra el interior del animal. Se muestran las diferencias en la absorción de los rayos X. Uno reconoce particularmente los huesos que absorben fuertemente.

c) Una imagen de campo oscuro, en la que se utiliza el mismo método de imagen que para las imágenes de contraste de fase, pero la evaluación es diferente. Aquí, las estructuras finas, porosas y fuertemente dispersas, como la superficie y la estructura de los huesos, aparecen con especial claridad.

d) Una imagen de contraste de fase muestra muy claramente las diferencias en el tejido. La burbuja de aire en la parte superior de la imagen (el animal muerto ya se había secado un poco) también está bien perfilada.

Las imágenes (c) y (d) fueron tomadas con una rejilla de rayos X en mosaico compuesta de varias rejillas más pequeñas. Dado que la producción de rejillas de gran tamaño es difícil debido al proceso, el KIT/IMT ha desarrollado un método para embaldosar dichas rejillas con una superficie máxima de rejilla de 200 mm x 200 mm. Microworks produce un área de rejilla máxima de 400 mm x 100 mm, que es suficiente para reproducir un tórax humano (a partir de 2019).

Imagen viene después

Imagen 7: Imagen de contraste de fase de un axolotl utilizando rejillas de mosaico: (a) foto del objeto con escala, (b) contraste de absorción, (c) imagen de campo oscuro, (d) contraste de fase ©01 [Schr 2017]