Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

작고 살아있는 생명체를 으깨거나 사진을 흐리게 만들지 않고 완벽한 3D 사진으로 찍는 것을 상상해 보십시오. 과학자들은 생물학이 내부에서부터 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 오랫동안 이를 수행하기를 원해 왔지만, 한 가지 문제가 있습니다. 빛은 보통 세포나 조직 같은 부드러운 물질을 그대로 통과하며 그림자를 남기지 않는다는 점입니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 X선을 사용합니다. X선은 부드러운 물질을 투과할 수 있지만, "위상차(phase contrast)"라는 특별한 기술을 사용하여 X선 빔의 보이지 않는 변화를 가시적인 사진으로 바꾸어야 합니다. 이것은 마치 물속에서 움직이는 수영 선수를 관찰하는 것과 같습니다. 수영 선수는 직접 보이지 않지만, 그들이 남기는 물결을 볼 수 있습니다. 이 물결을 지도화함으로써, 우리는 수영 선수가 정확히 어디에 있고 어떤 모습인지 알아낼 수 있습니다.

하지만 이러한 작고 섬세한 물체들의 선명한 3D 사진을 얻는 것은 매우 느리고 어렵습니다. 이는 마치 벌새가 날아가는 모습을 촬영하려는 것과 같은데, 사진을 찍기 위해 새를 멈추고, 사진을 찍고, 위치를 약간 옮기고, 다시 멈추고, 이 과정을 수천 번 반복해야 하는 상황과 같습니다. 새는 지치고, 카메라는 흔들릴 수 있으며, 전체 과정은 영원처럼 느껴질 것입니다. 이것이 현재의 "근접장 피티코그래피(near-field ptychography)"의 상태입니다. 이 기술은 놀라운 디테일을 제공하지만, 실용적으로 사용하기에는 너무 느린 경우가 많으며, 특히 긴 스캔 시간 동안 마르거나 X선에 의해 손상될 수 있는 취약한 생물학적 샘플의 경우 더욱 그렇습니다.

이 논문은 이 과정을 더 빠르게 만들고 샘플 준비를 훨씬 쉽게 만드는 방법을 소개합니다. 연구진은 샘-플이 마치 고장 난 레코드판처럼 멈췄다 시작하는 대신, 연속적으로 회전하면서 카메라가 사진을 찍을 수 있게 해주는 새로운 "플라이 로테이션(fly-rotation)" 시스템을 구축했습니다. 또한, 생물학적 샘플을 이전 방식보다 훨씬 빠르게 완벽한 미세 기둥 형태로 깎아낼 수 있는 아주 작은 기계식 선반을 발명했습니다. 이 두 가지 혁신을 결합함으로써, 연구진은 전체 3D 스캔에 걸리는 시간을 엄청난 폭으로 단축하여, 코끼리 상아와 같은 복잡한 내부 구조를 나노미터 규모의 정밀도로 진공 챔버나 냉동 없이도 관찰할 수 있게 만들었습니다.

문제점: 슬로 모션 카메라

작은 모래알이나 잎 조각 같은 작고 부서지기 쉬운 물체의 3D 모델을 만든다고 상상해 보십시오. X선을 사용하여 이를 수행하려면 물체를 회전시키며 모든 각도에서 수천 장의 사진을 찍어야 합니다. 기존의 방식("스텝 로테이션(step-rotation)")에서는 기계가 물체를 특정 각도로 회전시킨 후, 진동이 멈추고 안정될 때까지 기다렸다가 여러 장의 사진을 찍고, 다시 멈춘 뒤, 아주 조금만 회전시키고 다시 반복하는 식입니다.

이 "멈춤-가기(stop-and-go)" 방식은 경주용 자동차 옆을 달리는 차 안에서 사진을 찍는 것과 같습니다. 몇 미터마다 차를 멈추고, 차가 멈출 때까지 기다렸다가, 다시 출발하여 사진을 찍는 식입니다. 이 방식은 모터가 움직이고 안정되기를 기다리는 데 엄청난 시간을 낭비하게 만듭니다. 근접장 피티코그래피의 경우, 이 대기 시간이 가장 큰 병목 현상입니다. 물체는 매 각도마다 여러 위치를 스캔해야 하므로, 모터가 끊임없이 시작과 정지를 반복해야 합니다. 이는 스캔 시간을 몇 시간으로 늘릴 뿐만 아니라, 긴 대기 시간 동안 샘플이 움직이거나 X선에 의해 손상될 위험을 높입니다.

해결책: "플라이 로테이션" 기술

연구진은 간단한 질문을 던졌습니다. "만약 멈추지 않는다면 어떨까?" 그들은 "플라이 로테이션"이라 불리는 방법을 도입했습니다. 샘플을 매 각도마다 멈추는 대신, 레코드 플레이어처럼 연속적으로 회전하게 만든 것입니다.

이것은 회전하는 팽이를 찍을 때 연속 사진을 찍는 대신 동영상을 촬영하는 것과 같습니다. 기존 방식에서는 팽이를 멈추고, 사진을 찍고, 아주 조금 돌리고, 다시 멈춘 뒤 다른 사진을 찍어야 했습니다. 새로운 "플라이 로테이션" 방식에서는 팽이가 계속 회전하며, 카메라는 움직이는 동안 이미지를 포착합니다. 샘플이 멈췄다 시작할 필요가 없기 때문에, 기계는 진동이 가라지기를 기다리며 시간을 허비하지 않습니다.

연구팀은 이를 코끼리 상아 기둥에 테스트했습니다. 그들은 기존의 "스텝 로테이션" 스캔과 새로운 "플라이 로테이션" 스캔을 비교했습니다. 결과는 인상적이었습니다:

• 기존 방식: 스캔에 6시간 4분이 소요되었습니다.
• 새로운 방식: 스캔에 3시간 41분이 소요되었습니다.

더 나아가, 설정을 조정하여 더 빠르게(사진을 적게 찍고 샘플 노출 시간을 줄임) 만들었을 때, 전체 스캔을 단 72분 만에 완료할 수 있었습니다. 모터를 움직이는 데 드는 "낭비된" 시간(오버헤드)은 3시간 이상에서 단 18분으로 줄어들었습니다! 이는 11배나 감소한 수치입니다. 획득한 이미지는 느린 방식만큼이나 선명했으며, 약 271 나노미터(바이러스의 너비 정도)의 해상도로 상아 내부의 미세한 관들을 보여주었습니다.

또 다른 문제: 케이크 자르기

이 사진들을 찍기 전, 샘플을 준비해야 합니다. 생물학적 샘플은 종종 너무 크거나 부드러워서 X선 빔에 들어갈 수 없습니다. 따라서 이들을 보통 인간의 머리카락보다 얇은 50 마이크로미터 미만의 작은 기둥 형태로 깎아야 합니다.

전통적으로 과학자들은 이 샘플들을 깎기 위해 "집속 이온 빔(FIB)"이라는 기계를 사용했습니다. 이것은 얼음 덩어리에서 조각상을 깎아내는 초정밀 레이저와 같습니다. 하지만 식물이나 동물 같은 부드럽고 젖은 물질의 경우, 이 레이저는 너무 느리고 샘플을 태우거나 말릴 수 있습니다. 하나의 작은 기둥을 깎는 데 최대 48시간이 걸릴 수 있으며, 그 과정에서 샘플이 깨지기도 쉽습니다.

이를 해결하기 위해 팀은 기계식 "샘플 밀링 머신"을 제작했습니다. 나무를 깎는 아주 빠른 속도의 목공 선반을 상상해 보십시오. 다만 나무 대신 제브라피쉬나 이끼 잎을 깎는 것입니다. 이 기계는 샘플을 회전하는 스핀들에 고정하고, 다른 쪽에서 아주 날카로운 도구로 깎아냅니다. 레이저가 아닌 기계적 절삭을 사용하기 때문에 부드러운 재료에 훨씬 빠르고 부드럽습니다.

그들은 이 기계를 다양한 대상에 테스트했습니다:

• 말린 소시지 조각 (단단하게 건조됨)
• 왁스에 매립된 제브라피쉬 단면
• 플라스틱에 매립된 이끼 샘플
• 나무 이쑤시개
• 코끼리 상아

이 기계는 철의 경우 직경 20 마이크로미터, 나무의 경우 35 마이크로미터까지의 기둥을 성공적으로 깎아냈습니다. 이 기계는 빠르고 신뢰할 수 있으며, 샘플을 얼리거나 진공 상태로 만들 필요가 없습니다. 이는 과학자들이 며칠이 아닌 몇 분 만에 샘플을 준비할 수 있게 하여, 더 많은 생물학적 표본을 연구할 수 있는 길을 열어줍니다.

종합적인 전망

"플라이 로테이션" 스캐닝 기술과 새로운 기계식 절삭 기계를 결합함으로써, 연구진은 현재 사용 가능한 그 어떤 것보다 빠르고, 사용하기 쉬우며, 유연한 시스템을 구축했습니다. 그들은 단순히 스캔 속도만 높인 것이 아니라, 작은 생물학적 샘플의 3D 이미지를 얻는 과정 전체를 훨씬 더 접근 가능하게 만들었습니다.

연구팀은 또한 이 설정이 매우 유연하다는 점에 주목했습니다. 샘플과 검출기 사이의 거리를 조절하여 배율을 변경할 수 있으므로, 다양한 크기의 물체를 관찰할 수 있습니다. 심지어 X선이 더 나은 이미지를 생성하도록 돕기 위해 레이저로 정교하게 새겨진 작은 돌기들이 있는 특수 다이아몬드 플레이트도 사용했습니다. 이 다이아몬드 플레이트는 이전의 사포보다 더 안정적이어서, 긴 스캔 과정 중에도 위치가 밀려 이미지를 망치는 일이 없습니다.

결론적으로, 이 연구는 우리가 복잡한 생물학적 시스템의 고품질 3D X선 이미징을 과거보다 훨씬 짧은 시간 안에 수행할 수 있음을 시사합니다. 이 논문이 모든 이미징 문제를 해결하는 마법의 치료제라고 주장하는 것은 아니지만, 샘플을 움직이는 방식과 준비하는 방식을 바꾸는 것만으로도 오랫동안 이 기술을 가로막았던 속도의 장벽을 허물 수 있음을 보여줍니다. 그 결과, 과학자들이 전례 없는 명확성과 속도로 생물학의 숨겨진 3D 세계를 볼 수 있게 돕는 도구가 탄생했습니다.