Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

小さく、生きている生物を、押しつぶしたりブレたりすることなく、完璧な3D写真に撮ることを想像してみてください。科学者たちは、生物学がどのように機能しているのかを内側から理解するために、長い間これを行いたいと考えてきました。しかし、そこには落とし穴があります。光は通常、細胞や組織のような柔らかいものをそのまま通り抜けてしまい、影を残さないのです。これを解決するために、研究者たちはX線を使用します。X線は柔らかいものを見通すことができますが、「位相コントラスト」と呼ばれる特別なトリックを使って、X線ビームの目に見えない変化を可視化された画像へと変換する必要があります。これは、水の中を泳ぐ泳ぎ手を見ているようなものです。泳ぎ手自体は見えなくても、彼らが残す波紋を見ることはできます。その波紋をマッピングすることで、泳ぎ手がどこにいて、どのような姿をしているのかを正確に把握できるのです。

しかし、これらの小さく繊細な対象物の鮮明な3D写真を撮ることは、非常に時間がかかり、困難な作業です。それは、ハチドリが空を飛んでいる様子を撮影しようとしているようなものですが、ハチドリを一度止め、写真を撮り、少し動かし、また止める、という作業を数千回繰り返さなければならない状況に似ています。鳥は疲れてしまいますし、カメラが揺れるかもしれません。そして、プロセス全体に膨大な時間がかかります。これが、現在の「近視野フェーズ・プトグラフィ（near-field ptychography）」という、驚異的な詳細度を提供するものの、実用的な使用には遅すぎる場合が多いハイテク画像化手法の現状です。

この論文は、プロセスを高速化し、サンプルの準備をより容易にする方法を紹介しています。研究者たちは、サンプルが回転しながらカメラが写真を撮ることができる「フライ・ローテーション（fly-rotation）」システムを構築しました。これにより、レコードのように途切れることなく連続して回転させることが可能になります。また、生物学的サンプルを以前の手法よりもはるかに速く、完璧な微細な柱状に削り出すことができる、小さな機械式旋盤も発明しました。これら2つの革新的な技術を組み合わせることで、フル3Dスキャンの時間を大幅に短縮することに成功しました。これにより、真空チャンバーやサンプルの凍結を必要とせずに、ゾウの牙や小さな昆虫の複雑な内部構造をナノメートル規模の精度で観察することが可能になりました。

問題点：スローモーション・カメラ

砂粒や葉の破片のような、小さくて壊れやすい物体の3Dモデルを作ろうとしているところを想像してください。これをX線で行うには、あらゆる角度から数千枚の写真を撮るために、物体を回転させる必要があります。従来の方法（「ステップ・ローテーション」と呼ばれます）では、機械が物体を特定の角度まで回転させ、完全に停止し、振動が収まるのを待ってから、数枚の写真を撮り、再び停止し、わずかに回転させ、という動作を繰り返します。

この「ストップ・アンド・ゴー」方式は、レーシングカーの横を並走して写真を撮ろうとしているのに、数メートル進むごとに車を止め、車が止まるのを待ち、そしてまた走り出す、というようなものです。モーターが動き、落ち着くのを待つために、膨大な時間を無駄にしています。フェーズ・プトグラフィにおいて、この待ち時間が最大のボトルネックとなります。物体は各角度において多くの位置をスキャンする必要があるため、モーターが絶えず始動と停止を繰り返さなければなりません。これにより、スキャンに数時間を要するだけでなく、長い待ち時間の間にサンプルが動いたり、X線によって損傷を受けたりするリスクも高まります。

解決策：「フライ・ローテーション」のトリック

研究者たちは、シンプルな問いを投げかけました。「もし、止めなければならないとしたすなら？」彼らは「フライ・ローテーション」と呼ばれる手法を導入しました。サンプルを角度ごとに停止させる代わりに、レコードプレーヤーのように連続して回転させ続けるのです。

これは、回転する独楽（こま）の連続写真を撮るのではなく、動画を撮るようなものです。従来の方法では、独楽を止めて写真を撮り、少し回して、また止めて、別の写真を撮ります。新しい「フライ・ローテーション」法では、独楽は回転し続け、カメラは動いている状態のまま画像をキャプチャします。サンプルが停止と始動を繰り返す必要がないため、機械が振動の減衰を待つ時間を節約できるのです。

チームはこの手法を、象牙の柱（そうです、象の牙です！）でテストしました。従来の「ステップ・ローテーション」スキャンと、新しい「フライ・ローテーション」スキャンを比較しました。結果は驚くべきものでした。

• 従来の方法： スキャンに 6時間4分 かかりました。
• 新しい方法： スキャンに 3時間41分 かかりました。

さらに、設定を調整してより高速化（より少ない枚数の写真を撮り、サンプルへの露光時間を短縮）した場合、フルスキャンをわずか 72分 で完了することができました。モーターの移動による「無駄な時間（オーバーヘッド）」は、3時間以上からわずか 18分 にまで減少しました。これは、無駄な時間が11分の1に削減されたことを意味します。得られた画像は、低速スキャンと同等の鮮明さを保っており、象牙内部の微細な管を、約 271ナノメートル（ウイルスのおよそ幅）の解像度で示していました。

もう一つの問題：ケーキをカットする

これらの写真を撮る前に、サンプルを準備しなければなりません。生物学的サンプルは、多くの場合、大きすぎたり柔らかすぎたりするため、X線ビームの中に収まりません。そのため、通常は幅 50マイクロメートル 未満（人間の髪の毛よりも細い）の小さな柱状に削り出す必要があります。

伝統的に、科学者は「集束イオンビーム（FIB）」と呼ばれる装置を使用して、これらのサンプルを加工してきました。これは、氷のブロックから彫刻を彫り出す精密なレーザーのようなものです。しかし、植物や動物のような柔らかく湿ったものに対しては、このレーザーは遅すぎ、サンプルを焼いたり乾燥させたりしてしまう可能性があります。一つの小さな柱を削るのに最大 48時間 かかることもあり、その過程でサンプルを壊してしまうことも容易にあります。

これを解決するために、チームは機械式の「サンプル・ミリング・マシン（削り出し機）」を製作しました。高速度の小さな木工旋盤を想像してください。ただし、木ではなく、ゼブラフィッシュやコケの葉の破片を削ります。この機械は、一つの回転スピンドルにサンプルを固定し、別の場所にある鋭い工具で削ります。機械的な切削であるため、レーザーによる加工よりもはるかに速く、かつ柔らかい素材に対しても優しいのが特徴です。

彼らはこの機械を様々な素材でテストしました：

• 乾燥させて硬くしたソーセージの破片
• ワックスに埋め込まれたゼブラフィッシュの断面
• プラスチックに埋め込まれたコケのサンプル
• 木製の爪楊枝
• 象の牙

この機械は、鋼鉄に対しては直径 20マイクロメートル、木材に対しては 35マイクロメートル という極小の柱を、これらすべての材料から成功裏に削り出しました。高速で信頼性が高く、サンプルを凍結させたり真空状態にしたりする必要もありません。つまり、科学者は数日ではなく数分でサンプルを準備できるのであり、より多くの生物学的標本を研究できる道が開かれたのです。

全体像

「フライ・ローテーション」のスキャン技術と、新しい機械式切削機を組み合わせることで、研究者たちは、現在利用可能なあらゆる手法よりも高速で、使いやすく、柔軟なシステムを作り上げました。彼らは単にスキャンを速めただけでなく、微小な生物学的サンプルの3D画像を得るプロセス全体を、より身近なものにしました。

チームはまた、このセットアップが非常に柔軟であることも指摘しています。サンプルの検出器との距離を調整することで倍率を変更でき、異なるサイズの物体を観察することができます。さらに、X線によるより良い画像を作成するために、レーザーで刻まれた微細な凹凸を持つ特殊なダイヤモンドプレートも使用しました。このダイヤモンドプレートは、長時間のスキャン中に位置がずれて画像を台無しにしてしまう従来のサンドペーパーよりも安定しています。

結局のところ、この研究は、複雑な生物学的システムの高品質な3D X線イメージングが、従来よりもはるかに短い時間で行えるようになったことを示唆しています。この論文は、これがすべてのイメージング問題に対する魔法の治療薬であると主張しているわけではありませんが、サンプルの動かし方と準備の仕方を変えるだけで、これまでこの技術を阻んできた速度の壁を打ち破れることを示しています。その結果、科学者が未知の生物学的世界の3D構造を、かつてない鮮明さとスピードで観察するためのツールが誕生したのです。