Кинетомография – рентгеновское кино для изучения микромира
Как двигается тазобедренный сустав ползающего жука-долгоносика? Ученые из ANKA, синхротрона Технологического института Карлсруэ, придумали, как записывать трехмерные рентгенографические фильмы, демонстрирующие все подробности внутренних движений в реальном времени. Новый метод был опробован на живом долгоносике. Результат- трехмерные фильмы, «собранные» из двухмерных рентгенограмм (снятых со скоростью до 100,000 в секунду).
Трехмерные рентгенограммы неплохо показывают внутреннюю структуру объектов, но ничего не могут сказать об их движении. А обычная компьютерная томография недостаточно эффективна для совмещения пространственного и временнóго измерений. Поэтому ученые реконструировали каждое трехмерное изображение (томограмму) из сотен двухмерных рентгенограмм. «Для получения томограмм высокого разрешения на такой высокой скорости записи нам понадобилось подкручивать все возможные “гайки”, от источника рентгеновских лучей до пиксельного детектора», - рассказывает ведущий автор конструкции Томи Дос Сантос Роло (Tomy dos Santos Rolo). Доведя частоту трехмерных изображений до частоты двухмерных кинофильмов, Дос Сантос Роло побил мировой рекорд в высокоскоростной томографии (т.е., в трехмерных фильмах с микроскопическим увеличением).
Чтобы эти фильмы обладали научной ценностью, контуры анатомических структур должны быть четко видны, в трех измерениях. Это достигается с помощью так называемого фазового контраста. Если высокопараллельные рентгеновские лучи проходят сквозь биологический объект, начинаются явления волновой оптики, подчеркивающие внутренние и внешние его контуры.
«Для нас имеют значение именно контуры. Мы стремимся различить индивидуальные функциональные элементы, которые двигаются относительно друг друга. Именно для этого нам нужны четко очерченные контуры», - рассказывает Алексей Ершов, отвечавший за анализ изображений. От источника рентгеновского излучения до анализа движений, все этапы процесса оптимизированы так, чтобы отфильтровывать шум, не снижая контрастности (это также касается математических алгоритмов).
Первые изображения движущихся объектов получили названия кинематографии, а свою технику ученые назвали кинетомографией. В конце XIX века на пленку записывались движения крупных объектов, сейчас же пришло время микроскопических. Теперь ученые могут анализировать внутренние биологические процессы насекомых – например, динамику винтового сустава долгоносиков. Но кинетомография пригодится не только биологам – динамика технологических процессов на микроуровне не менее важна.
Новый метод представлен в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
По материалам пресс-релиза института.
Артём Космарский nauka21vek.ru