Imagen de Rayos X de Contraste de Fase (Phase-Contrast X-ray Imaging, PCXI)

Imagen de Rayos X de Contraste de Fase (Phase-Contrast X-ray Imaging, PCXI)

La Imagen de Rayos X de Contraste de Fase (Phase-Contrast X-ray Imaging, PCXI) es una técnica de vanguardia que supera las limitaciones de la radiología convencional al explotar la refracción de los rayos X, además de su atenuación (absorción), para generar imágenes. Esto permite una sensibilidad y un contraste significativamente mayores, especialmente para los tejidos blandos y materiales con composiciones químicas similares.

Principios Fundamentales

La radiología convencional (basada en la atenuación o absorción) muestra alto contraste en materiales con grandes diferencias en el número atómico (ej. hueso y tejido blando). Sin embargo, le cuesta distinguir entre tejidos blandos con números atómicos similares, lo que a menudo resulta en un bajo contraste diagnóstico.

La imagen de contraste de fase aborda esta limitación basándose en el hecho de que, al atravesar un material, los rayos X no solo pierden intensidad (atenuación), sino que también experimentan un cambio de fase o refracción en su frente de onda .

• Índice de Refracción Complejo (n): En lugar de tratar los rayos X como simples rayos, se los trata como ondas electromagnéticas que interactúan con el material a través de su índice de refracción complejo: n = 1 – delta + ibeta.
  • beta (Parte imaginaria): Describe la atenuación (absorción).
  • delta (Parte real): Describe la refracción y el cambio de fase.
• Mayor Sensibilidad: Para los rayos X de alta energía que se usan en las aplicaciones médicas, el término de refracción (delta) suele ser mil veces mayor que el término de atenuación (beta) en los tejidos blandos. Esto significa que el cambio de fase que experimenta el haz al atravesar el tejido blando es mucho más significativo que la pérdida de intensidad, lo que hace que el contraste de fase sea intrínsecamente más sensible a las variaciones de densidad que el contraste por absorción.
• Conversión a Intensidad: Dado que los detectores de rayos X miden la intensidad y no directamente el cambio de fase, la clave de la PCXI es convertir esta sutil variación de fase en una variación de intensidad detectable, mediante diversas configuraciones experimentales.

Métodos Comunes de Imagen por Contraste de Fase

Existen varias técnicas para lograr la conversión del contraste de fase en contraste de intensidad, siendo las más comunes:

1. Contraste de Fase Basado en la Propagación (Propagation-Based Imaging – PBI) o Contraste de Fase En-Línea:
   • Es el método más simple. Se basa en el fenómeno de difracción de Fresnel.
   • El detector se coloca a una distancia de propagación considerable (varios centímetros a metros) del objeto. El ligero cambio de ángulo (refracción) en los límites del objeto provoca una interferencia de Fresnel a medida que la onda se propaga, creando un patrón de intensidad (franjas) en los bordes.
   • Ventaja: Requiere menos componentes ópticos.
   • Limitación: Necesita una fuente de rayos X muy coherente y una gran distancia de propagación.
2. Interferometría Basada en Rejillas (Grating-Based Interferometry – GBI) o Interferómetro Talbot-Lau:
   • Utiliza una o varias rejillas de difracción (interferómetros) para modular el frente de onda de los rayos X.
   • La refracción causada por el objeto desplaza las franjas de interferencia creadas por las rejillas. Este desplazamiento se traduce en un cambio de intensidad, permitiendo medir el ángulo de refracción.
   • Ventaja: Permite el uso de fuentes de rayos X de laboratorio menos coherentes (fuentes convencionales), facilitando su aplicación clínica.
   • Doble Contraste: Además del contraste de fase, a menudo permite obtener un contraste de campo oscuro (Dark-Field Contrast), que revela información sobre la dispersión de ángulo ultrapequeño por microestructuras sub-píxel (ej. porosidad del hueso, alvéolos pulmonares).
3. Imagen Basada en Analizadores de Cristal (Analyzer-Based Imaging – ABI):
   • Utiliza un cristal analizador de alta calidad (como un monocromador) después de la muestra.
   • El cristal solo permite el paso de los rayos X que llegan en un ángulo muy específico (ángulo de Bragg). El haz refractado por la muestra se desvía de este ángulo, resultando en una atenuación de la intensidad.

Aplicaciones Principales

La PCXI tiene un enorme potencial en diversas áreas, siendo la biomedicina el campo más prometedor:

Medicina 

• Mamografía: Mejora la detección y caracterización de lesiones en el tejido mamario (cáncer de mama), ya que puede diferenciar mejor los distintos tipos de tejido blando, así como microcalcificaciones, con una dosis de radiación potencialmente menor que la RM.
• Imágenes de Tejidos Blandos: Ofrece una sensibilidad comparable a la Resonancia Magnética (RM), pero con la velocidad y alta resolución espacial de los rayos X. Esto incluye la visualización de cartílago, tendones, vasos sanguíneos y otros tejidos blandos difíciles de ver con la radiografía convencional.
• Imágenes Pulmonares: El contraste de campo oscuro es particularmente útil para el diagnóstico de enfermedades pulmonares (ej. EPOC, fibrosis), ya que puede detectar anomalías en la microestructura de los alvéolos.
• Tomografía Computarizada (CT) de Contraste de Fase: Proporciona imágenes tridimensionales de alta calidad con mayor contraste en las estructuras sutiles.

Ciencia de Materiales e Inspección Industrial 

• Ensayos No Destructivos (END): Inspección de componentes industriales y materiales compuestos (como polímeros o fibras de carbono) para detectar pequeños defectos, grietas o inhomogeneidades que no serían visibles por absorción.
• Análisis de Fósiles y Paleontología: Permite el estudio detallado de la estructura interna de fósiles delicados o inclusiones en ámbar sin dañarlos.
• Seguridad: Detección de explosivos, drogas o materiales orgánicos ocultos.

Avances y Futuro

Históricamente, la PCXI estaba limitada a grandes y costosos laboratorios que utilizaban sincrotrones (fuentes de radiación de alta coherencia). Sin embargo, los avances recientes, en particular con la técnica del Interferómetro Talbot-Lau y el desarrollo de fuentes de rayos X de laboratorio de alta coherencia más compactas, están permitiendo llevar la PCXI a entornos clínicos y laboratorios de investigación convencionales, abriendo el camino para su uso diagnóstico generalizado en el futuro.

La Tomografía Computarizada (CT) de Contraste de Fase (Phase-Contrast Computed Tomography – PCCT) representa la evolución tridimensional de la imagen de contraste de fase (PCXI). Combina la alta sensibilidad del contraste de fase a la refracción de los rayos X con la capacidad de reconstrucción de imágenes 3D de la tomografía computarizada tradicional.

A continuación, se detalla su funcionamiento y el estado actual de los equipos comerciales.

1. Tomografía Computarizada de Contraste de Fase (PCCT)

La PCCT se basa en obtener múltiples proyecciones de datos de fase del objeto (en lugar de solo datos de absorción) a medida que este gira 360 grados. Luego, se utiliza un algoritmo de reconstrucción tomográfica (similar a los utilizados en la CT convencional, pero adaptados al contraste de fase) para generar una imagen tridimensional del objeto.

Mayor Contraste en Estructuras Sutiles

El principal beneficio de la PCCT radica en su capacidad para diferenciar materiales con propiedades de absorción muy similares, como los distintos tipos de tejido blando (grasa, músculo, cartílago, tendones).

• Fundamento Físico: El contraste de fase se aprovecha del hecho de que, para la mayoría de los tejidos biológicos, el término que describe la refracción de los rayos X ($\delta$) es cientos o incluso miles de veces mayor que el término de absorción ($\beta$).
• Imágenes Múltiples: La PCCT puede reconstruir no solo la imagen de absorción (como una CT convencional), sino también la imagen de contraste de fase y, en algunas técnicas (como GBI), la imagen de campo oscuro (Dark-Field).

Contraste de Campo Oscuro (Dark-Field Contrast)

La PCCT basada en rejillas (Grating-Based CT) ofrece una tercera modalidad de contraste que es muy valiosa para estructuras sutiles: el contraste de campo oscuro.

• Este contraste se origina por la dispersión de ángulo ultrapequeño de los rayos X causada por microestructuras internas (heterogeneidades sub-píxel) del material.
• Aplicación Clave: Es excepcionalmente útil en la obtención de imágenes de pulmones (para ver la microestructura de los alvéolos) y en el estudio de materiales fibrosos, porosidades o microfracturas óseas.

2. Técnicas de Implementación Más Prometedoras para PCCT

Aunque existen varias técnicas (PBI, ABI), la Tomografía Computarizada Basada en Interferometría de Rejilla (Grating-Based Interferometry CT – GBI-CT) es la más viable para la traducción comercial fuera de los sincrotrones.

3. Estado de los Equipos Comerciales de PCCT

El desarrollo y comercialización de la PCCT aún se encuentran en una fase de nicho, principalmente en el ámbito de la investigación preclínica, el micro-CT y la inspección no destructiva. La disponibilidad de sistemas clínicos para uso hospitalario masivo todavía está en una etapa experimental avanzada o de ensayos clínicos.

A. Sistemas Comerciales Preclínicos y de Micro-CT

Los principales sistemas comerciales de PCCT disponibles hoy en día están destinados a la microtomografía para el estudio de muestras pequeñas, animales de laboratorio o en aplicaciones industriales.

• Micro-CT con Contraste de Fase: Varios fabricantes de equipos de micro-CT de alta resolución ofrecen configuraciones con capacidad de Contraste de Fase, a menudo implementadas mediante la técnica de PBI (para sistemas de alta coherencia) o mediante accesorios de interferometría de rejilla.
  • Ejemplos de Aplicación: Análisis de la microarquitectura ósea (osteoporosis), estudio de tejidos blandos in vitro, análisis de materiales compuestos.

B. Empresas Clave y Desarrollo

Aunque las grandes empresas de diagnóstico por imágenes (Siemens, GE, Philips) están involucradas en la investigación, las empresas que comercializan activamente la tecnología suelen ser fabricantes de equipos especializados o startups innovadoras enfocadas en fuentes de rayos X de alta coherencia o sistemas de rejillas.

C. Estado Clínico (CT Hospitalaria)

• Disponibilidad Actual: La PCCT no es un estándar clínico generalizado. Los escáneres CT en hospitales de rutina son de absorción convencional.
• Proyectos de Traslación: Gran parte de la investigación se centra en la traslación de la GBI-CT a la clínica. El objetivo es desarrollar escáneres lo suficientemente rápidos (para evitar artefactos por movimiento del paciente) y económicos (para competir con la CT y la RM) que puedan ser instalados en un hospital.
• Áreas de Ensayo: Las áreas más avanzadas en ensayos clínicos son la mamografía por CT de contraste de fase y la imagen pulmonar, debido a la alta ganancia de contraste que ofrece la técnica en estos tejidos [1].

[1] prompt adecuado en Gemini para la investigación en el tema de Imagen de Rayos X de Contraste de Fase.