イメージング:小さな生きたサンプルの穏やかなX線ビジョン

December, 15, 2023, Karlsruhe--Karlsruhe Institute of Technology (KIT)の研究者は、ドイツ全土のパートナーと協力して、生体サンプルだけでなく、繊細な材料にも適した新しいX線イメージングシステムを開発した。これにより、可能な限り低い放射線量でマイクロメートル精度の解像度で画像を撮影できる。
パイロット研究では、研究チームは生きた寄生バチでこの方法をテストし、30分以上観察することができた。研究成果は、Optica誌に報告している。(DOI: 10.1364/OPTICA.500978)

X線イメージングは、生きた細胞や生物の隠れた構造やプロセスを明らかにすることができる。しかし、非常に高エネルギーの電磁波からなる放射線には電離効果があり、遺伝物質を損傷する可能性がある。これにより、可能な観測期間が制限される。従来のX線では、低いコントラストでしか軟部組織イメージングできない。一方、位相差法では、画像コントラストを大幅に向上させ、放射線量を低減することが可能になる。しかし、分解能が高くなると、より高い線量が必要になるため、穏やかなイメージングがますます困難になる。さらに、一般的に使用されている高分解能検出器の効率が低下し、放射線被曝がさらに増加する。これまで、生体サンプルの高分解能X線位相差イメージングは、深刻な放射線障害が発生する数秒から数分しか可能でない。

今回、放射光応用研究チーム(LAS)、光放射光研究所、KIT物理研究所の研究チームは、放射線をより効率的に利用し、マイクロメートル分解能の画像を提供する手法を開発した。生体サンプルと繊細な材料の両方に適しており、生物学、生物医学、材料科学の新たな可能性を切り開く。この新しいシステムは、X線位相コントラストと、いわゆるブラッグ顕微鏡およびフォトンカウンティング検出器を組み合わせたものである。

直接拡大したX線画像
「X線画像を可視光画像に変換して拡大するのではなく、直接拡大する。このアプローチにより、高効率の大面積検出器を使用することができる」と、KITのLASの博士課程の学生であるRebecca Spieckerは説明している。研究チームは、画素サイズが55µmのフォトンカウンティングディテクタを使用している。あらかじめ、サンプル背後のX線像をいわゆるBragg顕微鏡で拡大し、サンプル自体の分解能を約1µmに抑える。ブラッグ顕微鏡は、シリコン結晶格子で非対称回折によって拡大する2つの完全なシリコン結晶で構成されている。ブラッグ顕微鏡のもう一つの大きな利点は、非常に安価な光学画像透過率。分解能限界までのすべての空間周波数をほとんどロスなく再現することができる。

寄生バチを30分以上観察
30キロ電子ボルト(keV)のX線エネルギーに最適化されたブラッグ顕微鏡とフォトンカウンティング検出器による伝搬ベースX線位相コントラストを組み合わせることにより、この方法はX線位相コントラストのほぼ可能な最大線量効率を達成する。これにより、小さな生物のマイクロメートル精度の画像解像度で、観察時間が大幅に長くなる。ドイツ全土の科学者とともに、研究チームは小さな寄生バチのパイロット研究でこのプロセスを実証した。30分以上にわたり、宿主の卵の中にいるスズメバチを観察し、スズメバチがどのようにして卵から解放されるかを観察した。「この方法は、生検中のサンプルの穏やかな3次元組織学的検査など、生物医学的用途にも適している」(Spiecker)。
将来的には、研究チームは、構造をさらに改善したいと考えている。例えば視野を拡大し、さらに長い測定のための機械的安定性をさらに高めるためである。
(詳細は、https://www.kit.edu)