Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

Stel je voor dat je probeert een perfecte, 3D-foto te maken van een klein, levend wezen zonder het te verpletteren of de foto te laten vervagen. Wetenschappers willen dit al lang doen om te begrijpen hoe de biologie er van binnenuit uitziet, maar er is een probleem: licht gaat meestal dwars door zachte dingen zoals cellen of weefsels heen zonder een schaduw achter te laten. Om dit op te lossen, gebruiken onderzoekers röntgenstraling, die door zachte stoffen heen kan kijken, maar ze hebben een speciale truc nodig genaamd "fasecontrast" om onzichtbare verschuivingen in de röntgenstraal in een zichtbaar beeld te veranderen. Denk aan het kijken naar een zwemmer die door water beweegt; je kunt de zwemmer niet zien, maar je kunt wel de rimpelingen zien die hij achterlaat. Door die rimpelingen in kaart te brengen, kun je precies uitzoeken waar de zwemmer is en hoe hij eruitziet.

Het verkrijgen van een heldere, 3D-foto van deze kleine, delicate objecten is echter ongelooflijk traag en moeilijk. Het is alsof je probeert een foto te maken van een kolibrie in vlucht, maar je moet de vogel stoppen, een foto maken, de vogel een klein stukje verplaatsen, hem weer stoppen, en dat proces duizenden keren herhalen. De vogel wordt moe, de camera kan trillen, en het hele proces duurt eeuwig. Dit is de huidige staat van "near-field ptychografie", een hoogtechnologische beeldvormingsmethode die geweldige details biedt, maar vaak te traag is voor praktisch gebruik, vooral voor kwetsbare biologische monsters die uit kunnen drogen of beschadigd kunnen raken door de röntgenstraling als de scan te lang duurt.

Dit artikel introduceert een manier om het proces te versnellen en het voorbereiden van de monsters veel gemakkelijker te maken. De onderzoekers hebben een nieuw "fly-rotation"-systeem gebouwd waarmee het monster continu kan draaien terwijl de camera foto's maakt, in plaats van te stoppen en te starten als een kapotte grammofoonplaat. Ze hebben ook een minuscule, mechanische draaibank uitgevonden die biologische monsters veel sneller in perfecte, microscopische pilaren kan snijden dan eerdere methoden. Door deze twee innovaties te combineren, zijn ze erin geslaagd de tijd die nodig is voor een volledige 3D-scan met een enorme marge te verkorten, waardoor het mogelijk is om de ingewikkelde innerlijke werking van zaken zoals olifantenslagtanden en kleine insecten te zien met nanometerprecisie, zonder dat daar een vacuümkamer of bevriezing voor nodig is.

Het Probleem: De Camera in Slow-Motion

Stel je voor dat je een 3D-model wilt maken van een klein, fragiel object, zoals een zandkorrel of een stukje van een blad. Om dit met röntgenstraling te doen, moet je het object draaien en duizenden foto's vanuit elke hoek maken. In de oude methode (de "step-rotation") zou de machine het object naar een specifieke hoek draaien, volledig stoppen, wachten tot het tot rust was gekomen zodat het niet trilt, een reeks foto's maken, weer stoppen, een klein beetje draaien, en dat herhalen.

Deze "stop-en-ga"-methode is als het proberen te maken van een foto van een raceauto door erlangs te rijden, waarbij je elke paar meter stopt om een foto te maken, wacht tot de auto stilstaat, en dan weer verder rijdt. Dit verspilt een enorme hoeveelheid tijd aan het wachten tot de motoren bewegen en tot rust komen. Voor near-field ptychografie is deze wachttijd de grootste flessenhals. Het object moet over veel posities worden gescand bij elke enkele hoek, wat betekent dat de motoren constant moeten starten en stoppen. Dit zorgt er niet alleen voor dat de scan uren duurt, maar verhoogt ook het risico dat het monster beweegt of beschadigd raakt door de röntgenstraling tijdens die lange wachttijd.

De Oplossing: De "Fly-Rotation" Truc

De onderzoekers stelden een simpele vraag: "Wat als we niet zouden stoppen?" Ze introduceerden een methode genaamd "fly-rotation". In plaats van het monster bij elke hoek te laten stoppen, lieten ze het continu draaien, zoals een platenspeler, terwijl de camera foto's maakt.

Denk aan het maken van een video van een tol die ronddraait in plaats van het maken van een reeks stilstaande foto's. Bij de oude methode zou je de tol stoppen, een foto maken, de tol een klein beetje draaien, hem weer stoppen, en dan nog een foto maken. In de nieuwe "fly-rotation"-methode blijft de tol gewoon doordraaien en legt de camera de afbeelding vast terwijl deze beweegt. Omdat het monster nooit hoeft te stoppen en te starten, verspilt de machine geen tijd aan het wachten tot trillingen zijn uitgedoofd.

Het team testte dit op een pilaar van olifantenslagtand (ja, van een slagtand!). Ze vergeleken de oude "stop-en-ga"-scan met de nieuwe "fly-rotation"-scan. De resultaten waren indrukwekkend:

• Oude manier: De scan duurde 6 uur en 4 minuten.
• Nieuwe manier: De scan duurde 3 uur en 41 minuten.

Nog beter: toen ze de instellingen aanpasten om zelfs nog sneller te gaan (minder foto's maken en de belichtingstijd van het monster verkorten), slaagden ze erin een volledige scan in slechts 72 minuten te voltooien. De "verloren" tijd die werd besteed aan het simpelweg bewegen van de motoren (de overhead) daalde van meer dan 3 uur naar slechts 18 minuten. Dat is een 11-voudige vermindering van de verloren tijd! De beelden die ze kregen waren net zo helder als de langzame beelden, waarbij de minuscule buisjes binnenin de ivoor werden getoond met een resolutie van ongeveer 271 nanometer (wat ongeveer de breedte van een virus is).

Het Andere Probleem: Het Taart Snijden

Voordat je deze foto's kunt maken, moet je het monster voorbereiden. Biologische monsters zijn vaak te groot en te zacht om in de röntgenstraal te passen. Ze moeten worden uitgesneden tot kleine pilaren, meestal minder dan 50 micrometer breed (dat is dunner dan een menselijke haar).

Traditioneel gebruikten wetenschappers een machine genaamd een Focused Ion Beam (FIB) om deze monsters te snijden. Het is alsof je een superprecieze laser gebruikt om een beeldhouwwerk uit een blok ijs te snijden. Maar voor zachte, natte dingen zoals planten of dieren is deze laser te traag en kan het de monsters verbranden of uitdrogen. Het kan tot wel 48 uur duren om één enkele kleine pilaar uit te snijden, en het is heel gemakkelijk om het monster in het proces te breken.

Om dit op te lossen, bouwde het team een mechanische "sample milling machine". Stel je een kleine, hogesnelheids draaibank voor, maar in plaats van hout, snijdt deze een stuk van een zebravis of een mosblad uit. De machine houdt het monster op een draaiende spindel en snijdt ermee met een klein, scherp instrument op een andere. Omdat het een mechanische snede is in plaats van een laser, is het veel sneller en zachter voor zachte materialen.

Ze testten deze machine op allerlei verschillende zaken:

• Een stuk worst (gedroogd om stevig te zijn).
• Een sectie van een zebravis (ingebed in was).
• Een mosmonster (ingebed in plastic).
• Een houten tandenstoker.
• Olifantenslagtand.

De machine slaagde erin pilaren te snijden van al deze materialen, met diameters zo klein als 20 micrometer voor staal en 35 micrometer voor hout. Het is snel, betrouwbaar en vereist niet dat het monster wordt bevroren of in een vacuüm wordt geplaatst. Dit betekent dat wetenschappers monsters in minuten in plaats van dagen kunnen voorbereiden, wat de deur opent naar het bestuderen van veel meer biologische specimen.

Het Grotere Plaatje

Door de "fly-rotation" scantechniek te combineren met de nieuwe mechanische snijmachine, hebben de onderzoekers een systeem gemaakt dat sneller, gemakkelijker in gebruik en flexibeler is dan alles wat momenteel beschikbaar is. Ze hebben niet alleen de scan sneller gemaakt; ze hebben het hele proces van het verkrijgen van een 3D-beeld van een klein biologisch monster veel toegankelijker gemaakt.

Het team merkte ook op dat hun opstelling zeer flexibel is. Ze kunnen de afstand tussen het monster en de detector aanpassen om de vergroting te veranderen, waardoor ze verschillende groottes van objecten kunnen bekijken. Ze gebruikten zelfs een speciale diamantplaat met minuscule, met laser uitgekrulde bultjes om de röntgenstralen te helpen betere beelden te creëren. Deze diamantplaat is stabieler dan het schuurpapier dat ze voorheen gebruikten, dat zou verschuiven en de afbeelding tijdens lange scans zou verpesten.

Uiteindelijk suggereert dit werk dat we nu hoogwaardige, 3D X-ray beeldvorming van complexe biologische systemen kunnen uitvoeren in een fractie van de tijd die het vroeger kostte. Hoewel het artikel niet beweert dat dit een magische oplossing is voor alle beeldvormingsproblemen, laat het zien dat we door simpelweg te veranderen in hoe we het monster bewegen en hoe we het voorbereiden, de snelheidbarrières kunnen doorbreken die deze technologie zo lang hebben tegengehouden. Het resultaat is een hulpmiddel dat wetenschappers helpt om de verborgen 3D-wereld van de biologie met ongekende helderheid en snelheid te zien.