Cette illustration montre la conception expérimentale de l'expérience d'imagerie par rayons X 3D simulée réalisée par des scientifiques à Argonne, Nord-ouest et Cornell. Le faisceau de rayons X traverse une optique de nanofocalisation à gauche, pénètre l'échantillon au centre, puis se dirige vers le détecteur à droite. La simulation aide les scientifiques à résoudre un problème persistant dans le domaine de la science optique :comment éviter la perte de profondeur de champ avec une résolution d'imagerie radiographique 3D accrue. Crédit :Northwestern University / Ming Du
Un problème de longue date en optique veut qu'une résolution améliorée en imagerie soit compensée par une perte de la profondeur de champ. Maintenant, les scientifiques joignent le calcul à l'imagerie par rayons X alors qu'ils développent une technique nouvelle et passionnante pour contourner cette limitation.
Le prochain projet Advanced Photon Source Upgrade (APS-U) à Argonne mettra ce problème sous l'un des projecteurs les plus brillants imaginables. La mise à niveau rendra l'APS, une installation d'utilisateurs de l'Office of Science du ministère de l'Énergie, 500 fois plus lumineux qu'aujourd'hui, améliorant encore les capacités de ses rayons X pour étudier les arrangements d'atomes et de molécules dans un large éventail de matériaux biologiques et technologiques.
"Toute une variété d'expériences d'imagerie par rayons X auront finalement besoin de quelque chose comme ça car elles pousseront toutes la résolution à des échelles de longueur plus fines à l'avenir, " a déclaré Chris Jacobsen, Argonne Distinguished Fellow et professeur de physique à la Northwestern University. Avec la mise à niveau en place, les rayons X de l'APS pourraient permettre aux scientifiques d'étudier des systèmes comme le réseau complet de connexions synaptiques du cerveau, ou tout le volume d'un circuit intégré jusque dans ses moindres détails.
"Toute une variété d'expériences d'imagerie par rayons X auront finalement besoin de quelque chose comme ça car elles pousseront toutes la résolution à des échelles de longueur plus fines à l'avenir." - Chris Jacobsen, Argonne Distinguished Fellow/professeur de physique à la Northwestern University.
Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs d'Argonne, Northwestern and Cornell University a développé une approche informatique qui simule le meilleur fonctionnement de l'APS-U, notamment en mode imagerie par rayons X, connu sous le nom de ptychographie. Ils ont présenté leur approche, appelé Multislice Optimized Object Recovery (MOOR), dans le numéro du 20 septembre de Optique.
La ptychographie aux rayons X est une technique de balayage puissante qui image de fines tranches de matériaux à une résolution supérieure à 30 nanomètres (un cheveu humain mesure environ 75, 000 nanomètres de diamètre). Les approches algorithmiques et informatiques traditionnelles utilisées pour reconstruire des images à partir d'échantillons sondés avec cette technique ont été limitées à des tranches bidimensionnelles.
« La mise à l'échelle de la ptychographie aux rayons X pour l'imagerie cérébrale en 3D serait énorme, " a déclaré Genia Kozorovitskiy, professeur adjoint de neurobiologie à Northwestern. "Nos circuits neuronaux sont reliés entre eux par des milliards de minuscules jonctions appelées synapses, qui sont utilisés pour les communications de cellule à cellule par des moyens électrochimiques. Les changements dans la façon dont les circuits neuronaux et les synapses sont câblés ensemble détiennent la clé pour comprendre la cause de nombreux troubles neurologiques et de santé mentale humains. »
Les National Institutes of Health financent Jacobsen et Kozorovitskiy pour optimiser à la fois la résolution et la préparation des échantillons de tissu neural pour l'imagerie par rayons X. L'augmentation de la profondeur de pénétration de la ptychographie aux rayons X à travers l'APS-U permettrait aux chercheurs de créer un nouveau, plus rapide, façon non destructive de cartographier le tissu neural conjonctif de cerveaux vertébrés entiers.
Les neuroscientifiques utilisent aujourd'hui la microscopie électronique pour cartographier la connectivité neuronale chez la souris. "Sectionner l'intégralité du cerveau de la souris pour la microscopie électronique est une tâche ardue, celui que personne n'a encore tenté, " a noté Kozorovitskiy. " Avec la tomographie aux rayons X, le cerveau entier pourrait en théorie être imagé sans sectionnement physique, simplifier à grande échelle, construction d'images haute résolution."
Pour tester l'efficacité de l'algorithme MOOR à cet effet, les scientifiques ont conçu un échantillon d'essai dont les propriétés susciteraient la limite de profondeur de champ qu'ils cherchaient à surmonter. Ils ont conçu l'objet, un cône creux en verre effilé mesurant 200 nanomètres le long de son axe et incrusté de nanosphères de titane, ressembler aux tubes capillaires minces qui sont largement utilisés dans les expériences de laboratoire pour l'étude microscopique des cellules congelées en suspension liquide.
Ce simple, échantillon facile à fabriquer a assuré que les premières mesures expérimentales que les scientifiques prendront peuvent correspondre à leur modèle. "Notre objectif à long terme n'est pas d'étudier des capillaires en verre avec des sphères de dioxyde de titane dessus, mais pour vraiment pousser la résolution pour l'imagerie d'un cerveau de souris entier, " a déclaré Jacobsen.
Les chercheurs utilisent actuellement la Bionanoprobe dans le secteur 9 de l'APS pour l'imagerie 3D de petits échantillons biologiques, comme un congelé, cellule hydratée. Des efforts sont en cours pour développer la même capacité sur des échantillons beaucoup plus gros, y compris des cerveaux entiers de souris, à d'autres instruments de l'APS.
La démonstration MOOR consistait à résoudre une optimisation impliquant près de 17 millions de variables complexes, avec l'algorithme MOOR mis à l'échelle à 2, 880 cœurs du cluster de calcul intensif Bebop au Centre de Ressources Informatiques du Laboratoire d'Argonne. Le travail bénéficiera en outre d'un nouveau prix en informatique dans le cadre du programme de science des données de l'Argonne Leadership Computing Facility, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science.
La partie relativement simple du problème est de comprendre ce qui se passe lorsqu'on passe du modèle à la mesure.
"Nous pouvons résoudre ce problème en intégrant la physique dans le modèle, " dit Youssef Nashed, informaticien à la division Mathématiques et Informatique d'Argonne. "La physique nous dit comment passer du modèle à la mesure. Les mathématiques nous disent comment passer de la mesure au modèle. C'est un problème inverse."
Pour résoudre le problème inverse, l'algorithme d'optimisation d'Argonne affine de manière itérative sa représentation du modèle inconnu en recherchant un accord entre le modèle et les volumes massifs de données d'imagerie.
"Pour faire cela efficacement à la résolution nécessaire, il faut un solide mélange de mathématiques appliquées, calcul parallèle et physique, ", a déclaré Nashed.
Ce brassage des disciplines concerne aussi les applications de la technique. « C'est passionnant que des algorithmes tels que MOOR puissent servir de lentille numérique pour imager les circuits de plus en plus nanométriques qui sont les chevaux de bataille du matériel informatique moderne, " a déclaré Stefan Wild, co-auteur de l'article Optica et mathématicien computationnel à Argonne.
