Дві групи вчених одночасно опублікували роботи, присвячені новим підходам в рентгенівській томографії, що дозволяє визначити не тільки тривимірну структуру зразка і його щільність але і ряд додаткових властивостей частинок, з яких він складається. Зокрема, новий підхід дозволить побачити розмір і орієнтацію окремих складових об'єктів. Автори продемонстрували можливості нової техніки на людських кістках і зубах. Дослідження груп Флоріана Шаффа1 і Маріанни Лібі2 з'явилися на сторінках журналу, який також наводить короткий виклад робіт.
Традиційні методи томографії передбачають просвічування зразка рентгенівським випромінюванням і аналіз того, яким чином воно поглинається внутрішніми областями об'єкта. На основі такого експерименту за допомогою комп'ютерних обчислень вчені відновлюють тривимірну картину зразка, яку, умовно, можна розбити на вокселі - об'ємні пікселі. Кожному з них зазвичай вдається приписати один додатковий параметр - щільність для рентгенівського випромінювання, інакше кажучи, як добре цей воксель поглинає рентген.
Однак існує цілий ряд рентгенівських технік, які дозволяють дізнатися набагато більше властивостей фрагментів матеріалу по тому, як випромінювання розсіюється на них, аж до визначення розташування атомів всередині нього. Правда, вони обмежені вимогами до досліджуваного зразка, наприклад, він повинен бути монокристалічним. Якщо трохи послабити ці вимоги, то можна дізнатися інші характеристики - розміри та орієнтацію маленьких кристаликів, з яких складається досліджуваний об'єкт. Наприклад, якщо пропустити дуже тонкий пучок рентгенівського випромінювання через склоподібний матеріал (його частинки ніяк не орієнтовані), то на детекторі ми побачимо тонке кільце розсіяного випромінювання навколо пучка. А якщо ж у цьому матеріалі (їм може бути, наприклад, поліетилен) є деяке впорядкування частинок, то від усього кільця можуть залишитися тільки пара плям.
Таке впорядкування зустрічається в ряді біологічних об'єктів, наприклад, мінеральні складові кісток оточені джгутами орієнтованих волокон колагену. Залежно від того, як орієнтовані волокна, матеріал кістки може мати різні механічні властивості.
Пряме сканування зразка (за шириною і висотою) дозволяє отримати почесну карту акціонерної орієнтації волокон (у площині). Якщо додати параметри обертання зразка, можна перейти до п'ятимірних даних від чотиримірних даних. У шестимірній томографії перші три виміри відповідають трьом вимірам звичайного простору, а решта - тривимірному вектору орієнтації волокон. Завдання відновлення даних про всі шість вимірювань вимагає значних обчислювальних потужностей і масиву вхідних даних.
Саме з цим завданням впоралася група Маріанни Лібі. Для того, щоб зменшити необхідний обсяг обчислень, вчені скористалися симетричністю розташування колагену в кістках - це скоротило кількість можливих відповідності між кістками на детекторах і орієнтацією кристалів матеріалу.
Група аналізувала орієнтацію волокон у 2,5-міліметровому зразку губчастої кістки, взятої з 12 хребця грудного відділу. Для відновлення повноцінної картини знадобилося близько доби роботи на синхротроні, за час експерименту були отримані 1,6 мільйона картин рентгенівського розсіювання при різних кутах повороту зразка. На комп'ютерну обробку цих даних пішло три дні. Розмір вокселу в отриманій картині склав близько 25 мікрометрів - він визначається шириною використовуваного пучка.
Іншій групі вчених, під керівництвом Флоріана Шаффа, вдалося зробити шестимірне сканування менш витратним, зауваживши, що при обертанні зразка на невеликі кути картини розсіювання практично не змінюються. Завдяки такому припущенню автори використовували меншу кількість картин розсіювання для відновлення структури зразка - відсутні дані просто екстраполювалися з експериментальних чотиримірних «точок».
Група Шаффа отримала картину розподілу та орієнтації дентину в зразку людського зуба. Фрагмент різця, використаний в експерименті, володів діаметром в три міліметри і висотою в чотири міліметри. За 40 годин експерименту було записано 1 376 352 картини маловуглового рентгенівського розсіювання, відновлення структури зайняло близько тижня на суперкомп'ютері (2 1916 Intel Xeon E5-2643, 4 Nvidia Tesla Kepler K10, 256 GB RAM).
Автори обох робіт підкреслюють, що експерименти - в першу чергу демонстрація можливостей томографії. За словами дослідників, незважаючи на складність методу, він може знайти застосування в майбутньому аналізі різних зразків з упорядкуванням на мікро- і наноурівні. Дослідження біологічних об'єктів - лише один з напрямків.