Международный коллектив ученых впервые получил трехмерное изображение биологического объекта при помощи метода рентгеновского фазового контраста, источником излучения в котором служила плазма, возбуждаемая лазером. Работа опубликована в Nature communications.

Трехмерное изображение золотоглазки обыкновенной, полученное методом рентгеновского фазового контраста. Изображение: J. Wenz et al./ Nature Communications

Авторы освещали камеру с водородом лазерным лучом, который инициировал переход газа в плазму. Под действием все того же лазера в плазме образовывалась волна, которая разгоняла электроны в системе до релятивистских энергий 200–400 мегаэлектрон-вольт. В результате дополнительных поперечных колебаний генерировалось рентгеновской излучение, которое было сонаправлено лазерному пучку и потоку выбитых электронов. Для того, чтобы разделить электронный и рентгеновский пучки, на их пути устанавливалась камера с двумя магнитами: электронный пучок в магнитном поле отклонялся, а рентгеновское излучение проходило прямо и попадало на образец.

Лазерный метод возбуждения рентгеновского излучения позволил ученым создать источник, подходящий для метода томографии фазового контраста. Он позволяет получать трехмерные изображения мягких тканей с очень большим разрешением. В отличие от более распространенной рентгенографии, которая применяется в медицине для «фотографирования» костей, в методе фазового контраста измеряется не то, какая часть излучения поглотилась тканями, а как изменилась фаза луча при прохождении через объект. Для этого необходима полная информация о фазе излучения в самом начале, а также источник должен быть когерентным: то есть фазы всех сгенерированных лучей должны совпадать с высокой степенью точности.

В качестве тестового образца ученые использовали засушенное тело насекомого Chrysoperia carnea. Было сделано около 1500 снимков с разных углов, из которых в итоге получили полное трехмерное изображение. Разрешения в шесть микрон оказалось достаточно, чтобы «разглядеть» даже волоски на лапках животного.

Авторы отмечают, что в новой работе удалось объединить два подхода, которые позволят существенно изменить и упростить применение рентгеновских методов для диагностики и визуализации. Томография фазового контраста требует специфических параметров рентгеновского пучка и раньше была реализуема только на огромных синхротронных установках. Использование лазерного метода получения рентгеновского излучения позволило создать сравнительно компактную установку, которую, по мнению ученых, вполне можно реализовать в рамках медицинского учреждения.

Помимо применений в медицинской сфере описанная методика имеет большие перспективы в химии. При использовании фемтосекундных импульсов можно снимать «кино» о поведении единичных молекул и их комплексов. Подобные данные необходимы для исследования механизмов сложных химических реакций.