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» » » Objetivo: La visión a través de los objetos

Referencia: Nature.com.
"Optics: Super vision" 
por Zeeya Merali, 11 de febrero 2015

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Usando técnicas adaptadas de la astronomía, los físicos están encontrando maneras de ver a través de materiales opacos como el tejido vivo.
ilustración, viendo a través de los tejidos, de Viktor Koen
Parecía demasiado bueno para ser verdad, dice Allard Mosk. Corría el año 2007, y él estaba trabajando con Ivo Vellekoop, un estudiante de su grupo de la Universidad de Twente, en Enschede, Países Bajos, haciendo brillar un rayo de luz visible a través de una 'pared sólida', un placa de vidrio cubierta con pintura blanca, y que enfocara en el otro lado. No es que tuvieran en mente ninguna aplicación en particular. "Únicamente quería probar esto porque nunca se había hecho antes", apunta Mosk. Y realmente, ambos investigadores no esperaban para recoger mucho más que una desdibujada definición.

Pero tal como se vio después, su primer intento [1] produjo un fuerte punto de luz de un centenar de veces más brillante de lo que habían esperado. "¡Esto no suele pasar el primer día de un experimento!", exclamó Mosk. "¡Pensamos que habíamos cometido algún error y debe haber un agujero en la placa que está dejando pasar la luz a su través!"

Pero no había ningún agujero. Todo lo contrario, su experimento se convirtió en el primero de dos estudios independientes [1, 2] que se llevaron a cabo ese año, pionero en la formas de ver a través de barreras opacas.

Hasta ahora todo era un ejercicio de laboratorio; pero el progreso ha sido rápido. Actualmente, los investigadores han logrado obtener imágenes de buena calidad a través de los tejidos finos como unas orejas de ratón [3], y están trabajando para profundizar en ese efecto. Y si pueden responder a los desafíos tan enormes, como es el de tejidos grandes o que se mueven, para posibles aplicaciones. Las imágenes en luz visible obtenidas de las profundidades del cuerpo pueden eliminar la necesidad de biopsias invasivas, por ejemplo. O la luz láser puede ser enfocada para tratar aneurismas cerebrales o llegar a tumores inoperables sin la necesidad de cirugía.

"Hace apenas diez años, no podíamos ni imaginar las imágenes en alta resolución ni siquiera de 1 centímetro del cuerpo con la luz óptica, pero ahora ya es una realidad", subraya Wang Lihong, ingeniero biomédico de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri. "Llámame loco, pero creo que con el tiempo podremos tener imágenes de todo el cuerpo con la luz óptica."

Mirando dentro

Ya es posible poder mirar dentro del cuerpo con rayos X y ultrasonido. Pero las imágenes producidas por tales herramientas son crudas en comparación con lo que debería ser posible con la luz visible. Esto se debe, en parte  a que las imágenes con luz visible suelen tener una resolución más alta, señala Wang. Pero también se debe a que las longitudes de onda ópticas interactúan fuertemente con moléculas orgánicas, por lo que la luz reflejada está llena de información sobre los cambios bioquímicos, anomalías celulares y los niveles de glucosa y oxígeno en la sangre.

Sin embargo, esas interacciones también hacen que la luz visible tienda a la dispersión y la absorción. La absorción suele echar por tierra cualquier intento de formación de imágenes: la información que recogen los fotones se pierde a medida que son absorbidos por el material. La dispersión, sin embargo, conserva un rayo de esperanza. Muchos materiales, como la piel, la pintura blanca o la niebla, son 'opacas'; pero sólo porque los fotones que pasan a su través rebotan hasta perderse en el tumulto aleatorio de fondo. Pero en realidad no se pierden, están ahí, así que, en principio, esta aleatorización de fondo se puede revertir.

Los astrónomos ya han resuelto una versión de este problema de la dispersión usando una tecnología llamada óptica adaptativa, lo que les permite deshacer las distorsiones impuestas a las imágenes de las estrellas, planetas y galaxias por la dispersión de la luz en la atmósfera (véase Nature 517, 430–432; 2015). La idea básica es para recoger la luz de una estrella brillante de referencia y usar un algoritmo para calcular la forma en que la atmósfera ha embadurnado y emborronado su imagen. El algoritmo controla entonces un espejo especial 'deformable' que anula las distorsiones atmosféricas, convirtiendo la imagen de guía-estrella en un punto, y al mismo tiempo aporta otros objetos distantes hacia un enfoque nítido.
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Desafortunadamente, esta técnica es difícil de usar en el cuerpo. Los objetivos profundos dentro de los tejidos biológicos no brillan de la forma en que lo hacen las estrellas, sino que tienen que ser iluminados desde el exterior, y los dispersores son mucho más densos que la dispersión de la luz en la atmósfera. "Se necesitaría el equivalente de un espejo deformable con miles de millones de piezas móviles para compensar la dispersión causada por una cáscara de huevo", aduce Ori Katz, físico óptico en el Instituto Langevin en París. Por eso Mosk y Vellekoop no estaban muy esperanzados en su éxito cuando comenzaron con el experimento. Aún así, la pareja confió en el avance de la tecnología. "Hasta hace poco habría sido descabellado pensar en poder controlar un millón de píxeles, pero, allá por 2007, todos los teléfonos inteligentes ya podían hacerlo", decía Mosk.

Por lo tanto, hacen uso de un 'modulador espacial de luz': un dispositivo similar a una pantalla LCD de un teléfono inteligente que puede controlar la transmisión de diferentes partes de un haz de láser, retrasando una parte con relación con otra. El caso es que, dispararon su láser a través del modulador hacia la placa de vidrio pintado, colocaron un detector más allá de la placa y, usando un computador, pudieron controlar la cantidad de luz que recogía el detector. El computador añadía y restaba después los retrasos en cada píxel del modulador, pasando por un proceso de ensayo y error, para ver qué cambios minimizaban la dispersión de la luz láser a su paso por la placa. En efecto, se trata de dar a la luz entrante una distorsión que produciria una barrera opaca. Mosk y Vellekoop ejecutó el algoritmo durante más de una hora, y se encontraron con un resultado que superó todas sus expectativas: un enfoque que era mil veces más intenso que el señal [1] de fondo.

"El experimento Mosk fue una revelación", dice Katz. "Cambió el paradigma de lo que se podía llegar a conseguir con la luz óptica."

Poco después de su éxito, Mosk se enteró de un trabajo similar realizado por el bioingeniero Changhuei Yang y su equipo, del Instituto de Tecnología de California en Pasadena.

Estos investigadores utilizaron una técnica diferente para enfocar la dispersada luz óptica, y con una sustancia opaca distinta: una rebanada delgada de pechuga de pollo [2]. Pero además, también les sorprendió lo fácil que era realizarlo. "Yo pensaba, esto nos va a llevar unos seis meses, y si no funciona, le podemos atribuir un valor como experiencia de aprendizaje", recordaba Yang. "Pero en realidad no era tan difícil."

Poco después de la publicación de ambos documentos, el campo estalló cuando otros físicos se apresuraron a unirse. Uno de ellos fue el físico óptico Jacopo Bertolotti, que se fue a trabajar con Mosk en 2010. Bertolotti, ahora en la Universidad de Exeter, Reino Unido, cuenta que se sintió atraído tanto por la "belleza del experimento" como por el potencial que ofrece para las imágenes médicas. Aunque podía ver que para esa meta todavía un largo camino por recorrer.

Light and Sound, Jasiek Krzysztofiak/Nature
El reto de la formación de imágenes desde el interior del medio de dispersión ha sido retomado por varios grupos, entre ellos el de Yang y el de Wang. En 2013, por ejemplo, el equipo de Yang logró esta hazaña con una resolución sin precedentes mediante la selección de un grano de fluorescencia de sólo un micrómetro, que atraviesa intercaladamente dos capas [5] opacas artificiales (imagen, Light and Sound)
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Actualmente, añade Bertolotti, todavía no existe un enfoque de imagen que destaque por encima del resto. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas. "En lugar de desarrollar una técnica que sea buena para todo, creo que vamos a ir desarrollando un conjunto de técnicas que podrán un día combinarse todas en el mismo aparato", dice. "No sé lo rápido que podrá suceder, pero esto es una comunidad joven y en rápido movimiento, por lo que podría ser factible en unos pocos años."

Las técnicas que se están promoviendo por bioingenieros y físicos para la medicina, también se podrían utilizar con otros propósitos, por ejemplo, para la restauración de arte. Y los métodos para la no dispersión de luz podría ayudar, a su vez, a que la industria de las telecomunicaciones descifren el ruido en las fibras ópticas que es causada por la dispersión de la luz ...

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- Más informaciónn: Nature 518, 158–160 (12 February 2015) doi:10.1038/518158a .
- Ilustración: Viktor Koen
- Imagen: Light and Sound, Jasiek Krzysztofiak/Nature
References
[1] Vellekoop, I. M. & Mosk, A. P. Phys. Rev. Lett. 101, 120601 (2008).
[2] Yaqoob, Z., Psaltis, D., Feld, M. S. & Yang, C. Nature Photon. 2, 110–115 (2008).
[3] Liu, Y. et al. Nature Commun. 6, 5904 (2015).
[5] Judkewitz, B., Wang Y. M., Horstmeyer, R., Mathy, A. & Yang, C. Nature Photon. 7, 300–305 (2013).

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