Rinascimento della luce a raggi X

 

Si tratta di immagini tridimensionali e ad altissima risoluzione in movimento dell'apparato di volo dei mosconi che Marco Stampanoni, professore all'ETH di Zurigo e capogruppo a pagina esternaIstituto Paul Scherrer (PSI) a Villigen, in Argovia, insieme a colleghi ricercatori dell'Imperial College di Londra e dell'Università di Oxford. Per Stampanoni, si è trattato di uno dei momenti di ricerca più importanti dell'anno passato.

Le immagini tridimensionali in movimento con una risoluzione di pochi micrometri sono un buon esempio di quanto gli scienziati possano raggiungere oggi, a 120 anni dalla scoperta della radiazione che porta il suo nome da parte di Wilhelm Conrad R?ntgen. Marco Stampanoni è uno degli scienziati che hanno fatto progredire in modo significativo la microscopia a raggi X negli ultimi anni. Qualunque cosa faccia il 41enne ticinese sul suo posto di lavoro principale, la pagina esternaSorgente di luce di sincrotrone Svizzera (SLS) Oggi, se uno scienziato mette un campione sotto il suo microscopio, può produrre immagini tridimensionali ad alta risoluzione dell'interno degli oggetti in esame.

Misure così precise e persino filmati di oggetti in movimento come i mosconi sono possibili perché l'SLS produce una luce molto intensa, nota come radiazione di sincrotrone. "Sull'oggetto in esame cade una grande quantità di raggi X al secondo", spiega l'ETH, "questo ci permette di effettuare misure con tempi di esposizione estremamente brevi. Pochi millisecondi sono sufficienti per ottenere un'immagine ad alta risoluzione".

Per generare radiazioni di sincrotrone è necessario un impianto di grandi dimensioni come l'SLS. "Questa radiazione viene prodotta anche, ad esempio, dal noto acceleratore di particelle LHC del Cern di Ginevra. Tuttavia, si tratta di un prodotto di scarto che non viene utilizzato perché l'LHC è stato costruito per uno scopo diverso", spiega l'ETH, professor Stampanoni. "L'SLS, invece, è stato costruito appositamente per utilizzare la radiazione di sincrotrone".

Sebbene queste radiazioni siano molto intense, non sono visibili all'occhio umano: rientrano nella gamma di lunghezze d'onda dei raggi X e delle radiazioni UV a onde corte. Ci sono ragioni storiche e fisiche per cui gli scienziati chiamano questa radiazione luce e perché SLS sta per "Synchrotron Light Source Switzerland". Questo perché i raggi X possono essere utilizzati per illuminare gli oggetti. Inoltre, le radiazioni elettromagnetiche sono essenzialmente le stesse in tutto lo spettro, dalle radiazioni gamma e dai raggi X alla luce visibile, alle microonde e alle onde radio. Queste radiazioni si differenziano solo per la loro lunghezza d'onda.

Ulteriore sviluppo dei raggi X classici

Oltre alla sua intensità, la radiazione X prodotta nella sorgente di luce di sincrotrone ha un altro vantaggio: è cosiddetta coerente, cioè consiste in onde con un modello di oscillazione uniforme. Questa coerenza è un importante prerequisito per i cosiddetti raggi X a contrasto di fase, un ulteriore sviluppo dei raggi X classici che è attualmente oggetto di un'intensa attività di ricerca e che rivela ancora più dettagli all'interno degli oggetti in esame. I raggi X a contrasto di fase sono un'altra delle principali aree di ricerca del professor Marco Stampanoni dell'ETH.

In parole povere, i raggi X convenzionali inviano le radiazioni su un corpo e poi ne misurano la penetrazione. Le ossa, ad esempio, assorbono i raggi X, mentre i tessuti molli ne vengono penetrati. I raggi X convenzionali possono quindi essere utilizzati per visualizzare strutture all'interno di un corpo che differiscono significativamente dall'ambiente circostante in termini di proprietà di assorbimento.

Nei raggi X a contrasto di fase, invece, i rilevatori non si limitano a registrare l'intensità della luce radiografica non assorbita. Misurano anche se la radiazione all'interno dell'oggetto è stata leggermente deviata a causa dei due fenomeni fisici della diffrazione e della rifrazione. "Da ciò possiamo calcolare immagini molto nitide e ad alto contrasto e raffigurare strutture nel tessuto che non possono essere riconosciute con la tecnologia a raggi X convenzionale o che possono essere riconosciute solo in modo sfocato", spiega Stampanoni.

Interessante per la mammografia

Fino a poco tempo fa, gli scienziati dipendevano da strutture di ricerca di sincrotrone su larga scala per la radiazione coerente che è così centrale per i raggi X a contrasto di fase. Qualche anno fa, invece, i ricercatori del PSI sono riusciti a utilizzare a questo scopo i tubi a raggi X convenzionali, come quelli che si trovano negli studi medici e negli ospedali, che producono radiazioni non coerenti. Gli scienziati utilizzano un trucco e una disposizione di diversi reticoli appositamente realizzati con una sequenza di barre e fessure parallele estremamente sottili. Un primo microgrigliatore in oro posto tra il tubo a raggi X e l'oggetto in esame rende coerenti i raggi X, mentre un secondo reticolo in silicio divide le onde elettromagnetiche in diverse onde sovrapposte. Un terzo microgrigliatore d'oro aiuta gli scienziati a rilevare i cambiamenti nel modello di sovrapposizione risultante e a calcolare la forza con cui la radiazione è stata diffratta e rifratta.

"Questa tecnica è interessante nella mammografia per la diagnosi precoce del cancro al seno, tra le altre cose", afferma Stampanoni. I primi test condotti dai ricercatori su campioni di tessuto mammario indicano che la tecnica può essere utilizzata per differenziare vari tipi di microcalcificazioni nel seno femminile che in precedenza non potevano essere differenziate con i raggi X convenzionali. Queste microcalcificazioni sono un'indicazione di un tumore in fase iniziale, motivo per cui la tecnologia potrebbe aiutare i medici a individuare meglio le alterazioni maligne del seno in modo non invasivo in futuro. Il fisico descrive questo lavoro come il suo secondo risultato di ricerca dell'anno scorso: "? un ottimo esempio di come si possa prendere l'esperienza della ricerca fondamentale in una struttura di ricerca su larga scala e metterla a disposizione di tutti".

Finora Stampanoni e il suo team hanno lavorato con un prototipo non adatto all'uso clinico. Inoltre, inizialmente hanno analizzato campioni di tessuto mammario, ma non direttamente le pazienti. "Tuttavia, uno dei nostri prossimi obiettivi è sviluppare un dispositivo adatto all'uso ospedaliero e condurre i primi studi clinici con esso", dice Stampanoni.

Riconoscere gli esplosivi al plastico

I raggi X a contrasto di fase potrebbero un giorno essere utilizzati anche per altre applicazioni, come il miglioramento degli scanner dei bagagli negli aeroporti. Gli scanner attuali non sono in grado di distinguere tra esplosivi al plastico e formaggio, ad esempio, poiché questi due materiali hanno proprietà di assorbimento comparabili. Tuttavia, le proprietà di diffrazione e rifrazione di questi materiali sono diverse, per cui i raggi X a contrasto di fase offrirebbero dei vantaggi.

Marco Stampanoni sta attualmente lavorando ai suoi prossimi progetti di microscopia: Da un lato, vuole mappare il cervello di un topo in modo non invasivo in tre dimensioni con tutti i vasi sanguigni, anche i più piccoli, con una risoluzione inferiore a un micrometro, mai raggiunta prima. In confronto, la risoluzione delle immagini cerebrali odierne create con un tomografo computerizzato convenzionale è circa mille volte peggiore. Sarà una grande sfida catturare un'immagine con una tale quantità di dati in un tempo ragionevole. D'altra parte, Stampanoni è in procinto di microscopare i polmoni di un topo vivo e vegeto, compresi i rami più piccoli dei polmoni. A causa dei movimenti dei polmoni, la velocità del suo metodo è particolarmente richiesta. "I tempi sono maturi per questi ulteriori sviluppi", dice Stampanoni, "perché stiamo vivendo un rinascimento della luce a raggi X". I progressi compiuti negli ultimi anni con i raggi X a contrasto di fase sono così grandi che ora stanno diventando interessanti anche per la diagnostica medica. Inoltre, sono ora disponibili rivelatori molto veloci.

Se dieci anni fa si fosse voluta creare un'immagine tridimensionale ad alta risoluzione dell'interno del corpo di un moscone, la misurazione avrebbe richiesto diverse ore, spiega Stampanoni. Una pellicola con dieci immagini tridimensionali al secondo sarebbe stata impensabile.