Ny tilgang til røntgenbillede kan øge nanoskalaopløsningen til avanceret fotonkildeopgradering

Et mangeårigt problem inden for optik hævder, at en forbedret opløsning i billeddannelse opvejes af et tab i fokusdybden. Nu, forskere forbinder beregning med røntgenbilleder, da de udvikler en ny og spændende teknik til at omgå denne begrænsning.

Det kommende Advanced Photon Source Upgrade (APS-U) -projekt i Argonne vil sætte dette problem under en af ​​de lyseste spotlights, man kan forestille sig. Opgraderingen vil gøre APS, en Department of Energy Office of Science brugerfacilitet, 500 gange lysere end det er i dag, yderligere forbedring af dets røntgenstråles evne til at studere arrangementerne af atomer og molekyler i en lang række biologiske og teknologiske materialer.

"En lang række forskellige røntgenbilledeeksperimenter vil i sidste ende have brug for sådan noget, da de alle skubber opløsningen til finere længdeskalaer i fremtiden, "sagde Chris Jacobsen, en Argonne Distinguished Fellow og professor i fysik ved Northwestern University. Med opgraderingen på plads, APS's røntgenstråler kunne give forskere mulighed for at studere systemer som hjernens fulde netværk af synaptiske forbindelser, eller hele mængden af ​​et integreret kredsløb ned til dens fineste detaljer.

"En lang række forskellige røntgenbilledeeksperimenter vil i sidste ende have brug for sådan noget, da de alle skubber opløsningen til finere længdeskalaer i fremtiden."-Chris Jacobsen, Argonne Distinguished Fellow/professor i fysik ved Northwestern University.

I en ny undersøgelse, et team af forskere fra Argonne, Northwestern og Cornell University har udviklet en beregningsmetode, der simulerer, hvordan APS-U bedst fungerer, især i røntgenbillede, kendt som ptychography. De præsenterede deres tilgang, kaldet Multislice Optimized Object Recovery (MOOR), i 20. september -udgaven af Optica.

Røntgenpytokografi er en kraftfuld scanningsteknik, der viser tynde skiver af materialer med en opløsning på bedre end 30 nanometer (et menneskehår måler cirka 75, 000 nanometer i diameter). Traditionelle algoritmiske og beregningsmæssige tilgange, der bruges til at rekonstruere billeder fra prøver undersøgt med denne teknik, har været begrænset til todimensionale skiver.

"Opskalering af røntgenpykografi for 3D-hjernebilleddannelse ville være enorm, "sagde Genia Kozorovitskiy, en adjunkt i neurobiologi ved Northwestern. "Vores neurale kredsløb er forbundet med billioner af små krydser kaldet synapser, som bruges til celle-til-celle kommunikation via elektrokemiske midler. Ændringer i, hvordan neurale kredsløb og synapser forbindes sammen, er nøglen til at forstå årsagen til mange menneskelige neurologiske og psykiske lidelser. "

National Institutes of Health finansierer Jacobsen og Kozorovitskiy for at optimere både opløsning og prøveforberedelse af neuralt væv til røntgenbilleder. Øget dybdeindtrængning af røntgenpytokografi gennem APS-U ville gøre det muligt for forskere at oprette en ny, hurtigere, ikke-destruktiv måde at kortlægge bindevæv af hele hvirveldyrhjerner.

Neuroforskere bruger i dag elektronmikroskopi til at kortlægge neurale forbindelser hos mus. "Sektionering af hele musens hjerne til elektronmikroskopi er en skræmmende opgave, en, som ingen endnu har forsøgt, "Noteret Kozorovitskiy." Med røntgen tomografi, hele hjernen kunne i teorien afbildes uden fysisk snitning, forenkling i stor skala, billedkonstruktion i høj opløsning. "

For at teste effektiviteten af ​​MOOR -algoritmen til dette formål, forskerne udtænkte en testprøve, hvis egenskaber ville fremkalde den grænse for fokusdybde, de forsøgte at overvinde. De designede objektet, en konisk glaskegle, der måler 200 nanometer langs sin akse og indlejret med titan -nanosfærer, at ligne de tynde kapillarrør, der er meget udbredt i laboratorieforsøg til mikroskopisk undersøgelse af celler frosset i flydende suspension.

Denne enkle, let fremstillet prøve sikrede, at de første eksperimentelle målinger, forskerne vil tage, kan matche deres model. "Vores langsigtede mål er ikke at studere glaskapillærer med titandioxidkugler på, men for virkelig at skubbe opløsningen til billeddannelse af en hel mushjerne, ”Sagde Jacobsen.

Forskere bruger i øjeblikket Bionanoprobe i sektor 9 i APS til 3D-billeddannelse af små biologiske prøver, såsom en frossen, hydreret celle. Der arbejdes på at udvikle den samme kapacitet på meget større prøver, herunder hele musens hjerner, på andre instrumenter på APS.

MOOR -demonstrationen involverede løsning af en optimering med næsten 17 millioner komplekse variabler, med MOOR -algoritmen skaleret til 2, 880 kerner af Bebop supercomputing -klyngen på Argonnes Laboratory Computing Resource Center. Arbejdet vil yderligere drage fordel af en ny computing -pris som en del af Data Science -programmet på Argonne Leadership Computing Facility, en anden DOE Office of Science brugerfacilitet.

Den relativt lette del af problemet er at forstå, hvad der sker, når man går fra model til måling.

"Vi kan løse dette problem ved at bage fysikken ind i modellen, "sagde Youssef Nashed, en datalog i Argonne's afdeling for matematik og datalogi. "Fysikken fortæller os, hvordan vi går fra model til måling. Matematikken fortæller os, hvordan vi går fra måling til model. Det er et omvendt problem."

For at løse det omvendte problem, Argonne -optimeringsalgoritmen forfiner iterativt sin repræsentation af den ukendte model ved at søge enighed mellem modellen og de enorme mængder billeddannelsesdata.

"For at gøre dette effektivt med den nødvendige opløsning kræver en stærk blanding af anvendt matematik, parallel computing og fysik, "Sagde Nashed.

Denne blanding af discipliner vedrører også anvendelser af teknik. "Det er spændende, at algoritmer som MOOR kan fungere som et numerisk objektiv til billeddannelse af de stadig mere nanoskala-kredsløb, der er arbejdsheste i moderne computerhardware, "sagde Stefan Wild, en medforfatter af Optica-artiklen og en beregningsmatematiker ved Argonne.