Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein perfektes 3D-Foto eines winzigen, lebenden Lebewesens zu machen, ohne es zu zerquetschen oder das Bild zu verwischen. Wissenschaftler wollen dies schon lange tun, um zu verstehen, wie die Biologie von innen heraus funktioniert, aber es gibt einen Haken: Licht geht normalerweise durch weiche Dinge wie Zellen oder Gewebe hindurch, ohne einen Schatten zu hinterlassen. Um dies zu beheben, verwenden Forscher Röntgenstrahlen, die durch weiches Material hindurchsehen können, aber sie benötigen einen speziellen Trick namens „Phasenkontrast“, um unsichtbare Verschiebungen im Röntgenstrahl in ein sichtbares Bild zu verwandeln. Denken Sie daran, wie man einen Schwimmer sieht, der sich durch Wasser bewegt; man kann den Schwimmer selbst nicht sehen, aber man kann die Wellen sehen, die er hinterlässt. Durch die Kartierung dieser Wellen kann man genau bestimmen, wo der Schwimmer ist und wie er aussieht.

Das Erstellen eines klaren 3D-Bildes dieser winzigen, empfindlichen Objekte ist jedoch unglaublich langsam und schwierig. Es ist, als würde man versuchen, ein Foto von einem Kolibri im Flug zu machen, aber man muss den Vogel stoppen, ein Foto machen, ihn ein Stück bewegen, wieder stoppen, noch ein Foto machen und das Ganze tausendfach wiederholen. Der Vogel wird müde, die Kamera könnte wackeln, und der ganze Prozess dauert ewig. Dies ist der aktuelle Stand der „Nahfeld-Ptychographie“, einer hochtechnologischen Bildgebungsmethode, die zwar erstaunliche Details bietet, aber oft zu langsam für den praktischen Einsatz ist – insbesondere für empfindliche biologische Proben, die austrocknen oder durch die Röntgenstrahlen beschädigt werden könnten, wenn der Scan zu lange dauert.

Dieses Paper stellt eine Methode vor, die den Prozess beschleunigt und die Vorbereitung der Proben wesentlich einfacher macht. Die Forscher haben ein neues „Fly-Rotation“-System entwickelt, das es ermöglicht, dass die Probe kontinuierlich rotiert, während die Kamera Bilder aufnimmt, anstatt wie eine kaputte Schallplatte ständig anhalten und starten zu müssen. Zudem haben sie eine winzige, mechanische Drehbank erfunden, die biologische Proben viel schneller als bisherige Methoden in perfekte, mikroskopische Säulen schnitzen kann. Durch die Kombination dieser beiden Innovationen ist es ihnen gelungen, die Zeit für einen vollständigen 3D-Scan um eine enorme Menge zu reduzieren, was es möglich macht, die komplizierten inneren Abläufe von Dingen wie Elefantenstoßzähnen und winzigen Insekten mit Nanometer-Präzision zu sehen, ohne dafür ein Vakuum oder Gefriertruhen zu benötigen.

Das Problem: Die Zeitlupen-Kamera

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein 3D-Modell eines winzigen, fragilen Objekts zu erstellen, wie etwa eines Sandkorns oder eines Stücks eines Blattes. Um dies mit Röntgenstrahlen zu tun, müssen Sie das Objekt rotieren und tausende Bilder aus jedem Winkel aufnehmen. In der alten Methode (genannt „Schritt-Rotation“) würde die Maschine das Objekt in einen bestimmten Winkel drehen, komplett anhalten, warten, bis es sich gesetzt hat, damit es nicht vibriert, eine Reihe von Bildern aufnehmen, wieder anhalten, das Objekt ein kleines Stück drehen, wieder anhalten und dies wiederholen.

Diese „Stop-and-Go“-Methode ist wie der Versuch, ein Foto von einem Rennwagen zu machen, indem man neben ihm herfährt, alle paar Meter anhält, um ein Foto zu schießen, wartet, bis das Auto steht, und dann wieder losfährt. Diese Methode verschwendet eine massive Menge Zeit allein dadurch, dass man darauf wartet, dass die Motoren sich bewegen und zur Ruhe kommen. Für die Nahfeld-Ptychographie ist diese Wartezeit der größte Engpass. Das Objekt muss über viele Positionen gescannt werden, und das bei jedem einzelnen Winkel, was bedeutet, dass die Motoren ständig anhalten und wieder anfahren müssen. Dies führt nicht nur dazu, dass der Scan Stunden dauert, sondern erhöht auch das Risiko, dass sich die Probe bewegt oder durch die Röntgenstrahlen beschädigt wird, während man so lange wartet.

Die Lösung: Der „Fly-Rotation“-Trick

Die Forscher stellten eine einfache Frage: „Was wäre, wenn wir nicht anhalten würden?“ Sie führten eine Methode namens „Fly-Rotation“ ein. Anstatt die Probe bei jedem Winkel anzuhalten, ließen sie sie kontinuierlich rotieren, wie eine Schallplatte, während die Kamera Bilder aufnimmt.

Denken Sie daran, wie man ein Video von einem kreiselnden Kreisel macht, anstatt eine Serie von Standbildern zu machen. Bei der alten Methode würde man den Kreisel stoppen, ein Foto machen, ihn ein Stück drehen, wieder stoppen und dann ein weiteres Foto machen. In der neuen „Fly-Rotation“-Methode dreht sich der Kreisel einfach weiter und die Kamera fängt das Bild während der Bewegung ein. Da die Probe nie anhalten und wieder anfahren muss, verschwendet die Maschine keine Zeit damit, darauf zu warten, dass Vibrationen abklingen.

Das Team testete dies an einer Säule aus Elefantenelfenbein (ja, aus einem Stoßzahn!). Sie verglichen den alten „Stop-and-Go“-Scan mit dem neuen „Fly-Rotation“-Scan. Die Ergebnisse waren beeindruckend:

• Alter Weg: Der Scan dauerte 6 Stunden und 4 Minuten.
• Neuer Weg: Der Scan dauerte 3 Stunden und 41 Minuten.

Noch besser war es, als sie die Einstellungen anpassten, um den Prozess noch schneller zu machen (weniger Bilder aufnahmen und die Belichtungszeit der Probe verkürzten), wodurch sie einen vollständigen Scan in nur 72 Minuten abschlossen. Die „verschwendete“ Zeit, die allein für die Bewegung der Motoren aufgewendet wurde (der Overhead), sank von über 3 Stunden auf nur noch 18 Minuten. Das ist eine 11-fache Reduzierung der verschwendeten Zeit! Die Bilder, die sie erhielten, waren genauso klar wie die der langsamen Scans und zeigten winzige Röhren im Inneren des Elfenbeins mit einer Auflösung von etwa 271 Nanometern (was in etwa der Breite eines Virus entspricht).

Das andere Problem: Den Kuchen schneiden

Bevor Sie diese Bilder machen können, müssen Sie die Probe vorbereiten. Biologische Proben sind oft zu groß und zu weich, um in den Röntgenstrahl zu passen. Sie müssen in winzige Säulen geschnitten werden, die meist weniger als 50 Mikrometer breit sind (das ist dünner als ein menschliches Haar).

Traditionell verwendeten Wissenschaftler eine Maschine namens Focused Ion Beam (FIB), um diese Proben zu schneiden. Das ist wie die Verwendung eines superpräzisen Lasers, um eine Statue aus einem Eisblock zu schnitzen. Aber für weiche, feuchte Dinge wie Pflanzen oder Tiere ist dieser Laser zu langsam und kann die Probe verbrennen oder austrocknen lassen. Es kann bis zu 48 Stunden dauuten, eine einzige winzige Säule zu schnitzen, und es ist sehr leicht, die Probe dabei zu beschädigen.

Um dies zu beheben, baute das Team eine mechanische „Probenfräsmaschine“. Stellen Sie sich eine winzige, Hochgeschwindigkeits-Drechselmaschine vor, aber anstatt Holz schnitzt sie ein Stück eines Zebrafisches oder eines Moosblattes. Die Maschine hält die Probe auf einer rotierenden Spindel und schneidet sie mit einem winzigen, scharfen Werkzeug auf einer anderen. Da es sich um einen mechanischen Schnitt und nicht um einen Laser handelt, ist er viel schneller und schonender für weiche Materialien.

Das Team testete diese Maschine an allerlei Dingen:

• Einem Stück Wurst (getrocknet, um fest zu sein).
• Einem Zebrafisch-Abschnitt (eingebettet in Wachs).
• Einer Moosprobe (eingebettet in Kunststoff).
• Einem Holz-Zahnstocher.
• Elefantenelfenbein.

Die Maschine konnte erfolgreich Säulen aus all diesen Materialien schnitzen, mit Durchmessern von nur 20 Mikrometern für Stahl und 35 Mikrometern für Holz. Sie ist schnell, zuverlässig und erfordert nicht, dass die Probe eingefroren oder in ein Vakuum gesetzt wird. Das bedeutet, dass Wissenschaftler Proben in Minuten statt in Tagen vorbereiten können, was den Weg für die Untersuchung vieler weiterer biologischer Präparate ebnet.

Das große Ganze

Durch die Kombination des „Fly-Rotation“-Scanning-Tricks mit der neuen mechanischen Schneidemaschine haben die Forscher ein System geschaffen, das schneller, einfacher zu bedienen und flexibler ist als alles, was derzeit verfügbar ist. Sie haben nicht nur den Scan beschleunigt; sie haben den gesamten Prozess der Erstellung eines 3D-Bildes einer winzigen biologischen Probe viel zugänglicher gemacht.

Das Team stellte zudem fest, dass ihr Aufbau sehr flexibel ist. Sie können den Abstand zwischen der Probe und dem Detektor anpassen, um die Vergrößerung zu ändern, was es ihnen ermöglicht, Objekte unterschiedlicher Größe zu betrachten. Sie verwendeten sogar eine spezielle Diamantplatte mit winzigen, lasergeschnitzten Erhebungen, um den Röntgenstrahlen zu helfen, bessere Bilder zu erzeugen. Diese Diamantplatte ist stabiler als das Schleifpapier, das sie zuvor verwendeten und das über lange Scans hinweg driften und das Bild ruinieren würde.

Letztendlich deutet diese Arbeit darauf an, dass wir nun in einem Bruchteil der Zeit, die es früher gedauert hätte, hochwertige 3D-Röntgenbilder komplexer biologischer Systeme erstellen können. Obwohl das Paper nicht behauptet, dass dies ein magisches Heilmittel für alle Bildgebungsprobleme ist, zeigt es, dass wir allein durch die Änderung der Art und Weise, wie wir die Probe bewegen und wie wir sie vorbereiten, die Geschwindigkeitsbarrieren durchbrechen können, die diese Technologie so lange zurückgehalten haben. Das Ergebnis ist ein Werkzeug, das Wissenschaftlern helfen kann, die verborgene 3D-Welt der Biologie mit beispielloser Klarheit und Geschwindigkeit zu sehen.