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Una nueva –y más potente– fuente de rayos X emerge de la nanotecnología

Amira Abultaif Kadamani, Scientific American en Español, junio 19 de 2015

En el Instituto Tecnológico de Massachusetts, un colombiano desarrolla una revolucionaria fuente de rayos X que, en el caso de la medicina, permite detallar venas y arterias sin usar medios de contraste. El colombiano Luis Fernando Velásquez-García es ingeniero mecánico, aeroespacial y civil. Trabaja como investigador principal de los Laboratorios de Tecnologías en Microsistemas del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

Cada vez más, lo diminuto demuestra el universo de posibilidades que esconde. En eso se ha empeñado un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), quienes, mediante la micro y nanotecnología aplicada en sistemas electromecánicos, han desarrollado un dispositivo portátil, liviano, económico y capaz de emitir rayos X para mostrar con gran precisión la anatomía de los tejidos del cuerpo (huesos, cartílagos, órganos, músculos, tendones, vasos sanguíneos y demás), sin necesidad de usar medios de contraste.

“Lo que hemos logrado es la versión rudimentaria de un acelerador de partículas: un sistema que produce una radiación cuasi monocromática –semejante a la de un láser– pero con poca energía, unos 10.000 electrovoltios, diez veces menos de lo que se usa para hacer rayos X usados en medicina de la forma tradicional”, asegura Luis Fernando Velásquez-García, investigador principal de los Laboratorios de Tecnologías en Microsistemas de MIT.

El trabajo que este colombiano lidera se concentra en la fabricación de sistemas con componentes electrónicos cuyo tamaño puede ser 3.000 veces inferior al diámetro de un pelo, y que aprovechan una serie de fenómenos físicos que ocurren por altos campos eléctricos generados con bajos voltajes. Normalmente se asocia que a mayor voltaje, mayor movilización de electrones y, por ende, energía. Pero las investigaciones de Velásquez-García van en contravía de esa presunción y han demostrado que es posible construir aparatos que con solo 10 voltios mueven electrones haciendo uso del efecto cuántico de túnel.

El prototipo fabricado originalmente –del cual ya hay una versión más avanzada explicada en detalle en la más reciente edición del Journal of Physics D: Applied Physics– es un tablero con chips que contiene miles de emisores microscópicos de electrones acelerados por un campo eléctrico y que colisionan contra una delgada película de oro que emite rayos X, los cuales, en su mayoría, son de la misma frecuencia. En otras palabras, su sistema ordena y concentra el flujo de electrones en un conjunto de pequeños spots para que cada uno genere rayos X. Es como quien usa una lupa para canalizar los rayos del sol para producir fuego.

En general, cuando los rayos X interactúan con la materia, una parte es absorbida, otra es reflejada y el resto es pasa de largo, eso depende de la distancia que recorre el rayo, su energía y la densidad y la dimensión del material con el que se topa. La diferencia en intensidad de los rayos es aprovechada en medicina al realizar radiografías o escanografías (conocidas como Tomografías Axiales Computarizadas, TAC) y hace que una estructura dada se vea blanca, negra o gris. Esa intensidad cambia sustancialmente al impactar materiales densos como los huesos o los metales, y ese contraste es lo que queda impreso en una película fotosensible o en la pantalla de un computador. Pero no sucede lo mismo con los tejidos blandos, cuya densidad es más baja.

Para ver venas y arterias, por ejemplo, al paciente se le inyectan o éste ingiere sustancias como el yodo o el bario que “colorean” los tejidos. Sin embargo, estos agentes de contraste pueden lesionar el hígado o los riñones, mientras que los rayos X, en las dosis actuales, podrían provocar cáncer. No obstante, así suene paradójico, la radiación también se emplea para destruir células cancerígenas: en la radioterapia se disparan haces de luz de radiación ionizante en altas dosis que puede contener rayos X.

Menos energía y más detallado

La fuente de radiación que ha logrado Velásquez-García y su equipo es de menor energía y no necesita de medios de contraste ni de altas de altas dosis para lograr imágenes muy detalladas. “Son rayos tan especiales que cuando hemos tomado fotos de manos humanas que han sido conservadas en frío para estudio hemos podido detallar, incluso, la textura de la caja en las que se guardan. Hemos tomado fotos de la aorta, hemos visto perfectamente tendones y hasta la porosidad de los huesos”, asegura este ingeniero mecánico, aeroespacial y civil. “Fuimos los primeros en aterrarnos porque no lo esperábamos”, añade él, quien ha trabajado en colaboración con el Hospital General de Massachusetts (MGH, en inglés) en pruebas preliminares con tejido no vivo.

“Lo que hemos visto en test es impresionante”, señala Rajiv Gupta, director del Centro Avanzado de Ciencias Imaginológicas del MGH. Este radiólogo señala que aún faltan por resolver dos desventajas técnicas del sistema: la limitación en el tamaño de lo que se fotografía –pues hasta ahora el sistema funciona muy bien con partes pequeñas del cuerpo, mientras que los equipos actuales pueden hacer radiografías de cuerpo entero en una sola toma– y el poder de penetración del rayo.

Lo hecho es, sin embargo, un porcentaje menor del potencial que podría tener esta propuesta. “Somos muy optimistas porque si las imágenes son tan buenas con esta versión primitiva, con una depurada serán impresionantes. Hemos logrado solo el 10 o el 20 por ciento de lo que pensamos que es posible hacer, que es que los rayos X estén en fase”, precisa. Así, las ondas se comportarían como una perfecta marcha militar: aquella en la que todos los soldados tienen la misma altura (amplitud de onda), están a la misma distancia unos de otros y tienen la misma zancada (longitud de onda y frecuencia) y avanzan al mismo ritmo (la misma fase).

Los tejidos blandos generan más contraste ante los cambios de fase que ante los de intensidad: los rayos X se mueven más despacio al atravesar un músculo que un vaso sanguíneo, por ejemplo, y medir esa diferencia permitiría registrar la anatomía de cada tejido, tomando varias imágenes de la estructura deseada a diversas distancias.

Aún es incierto cuánto demorarán en llegar a ese punto, pero las perspectivas son muy alentadoras. Y aunque el concepto de crear imágenes a partir de contrastes de fase desvela a los científicos especializados en esta área desde hace más de dos décadas –según Gupta– el modelo desarrollado por MIT es una contundente muestra de cómo hacerlo. “Si este método se vuelve clínicamente disponible sería tan significativo como la invención misma de los rayos X, pues este método revela una nueva dimensión de la imaginología que habíamos ignorado”, concluye este profesor de la Escuela de Medicina de Harvard.

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