Annons

Superdetaljerad 3d-lunga – med röntgen stor som ett hus

Från det vi ser med blotta ögat ända ned till cellnivå – och allt däremellan. Forskare har för första gånget avbildat organ i 3d och täckt in hela skalan från stort till smått. Målet är att bättre förstå hur kroppens alla komplicerade system hänger ihop.

Annons

Publicerad:

2020-12-10

Med en ny metod har forskare avbildat en hel lunga i 3d, med förstoring ända ned till en mikrometer – litet nog att urskilja individuella celler.

Tekniken är tänkt att brygga gapet mellan medicinsk röntgen (som datortomografi) och mikroskop, eller överblick och detaljsyn – utan att förlora det som ligger däremellan. Det berättar Paul Tafforeau, en av forskarna bakom projektet.

– System som får alla delar av kroppen att hänga ihop återfinns i många olika storleksskalor. Det kan röra sig om en cell som pratar med sin granne, medan det i blodomloppet och nervsystemet kan handla om sammanlänkningar i meterskala. Att ha tillgång till alla skalor låter oss bättre förstå hur förändringar i en av dem påverkar de andra.

Projektet drivs av forskare från University College London och European Synchrotron Radiation Facility, ESRF i Frankrike. Lungan ifråga kommer från en 54-årig man som avlidit till följd av covid-19, och studier av det nya coronaviruset är ett bra exempel på vad tekniken kan användas till.

– För covid-19 finns det gott om observationer med mikroskop och röntgenbilder. Men sjukdomssymtomen är extremt heterogena, och problemet är att vi inte vet varför. Förklaringen kan finnas i skalan mellan mikro och makro, säger Paul Tafforeau.

Röntgenmaskinen tar upp en hel byggnad

Principen är densamma som vid annan tredimensionell avbildning: ett objekt fångas på mängder av röntgenbilder i olika vinklar, som därefter sätts ihop till en modell med hjälp av en särskild algoritm.

Skillnaden ligger i röntgenmetoden. De nya bilderna är framtagna med en synkrotron – en partikelaccelerator som bokstavligen tar upp en helt egen cirkelformad byggnad. Tekniken slår vanlig röntgen i hästlängder vad gäller upplösning och kontrast.

Det finns flera synkrotroner i världen, bland annat Max IV utanför Lund, men att avbilda stora objekt som en hel lunga med hög kontrast och precision är bara möjligt med den på ESRF i Frankrike.

– Det är den ljusaste högenergisynkrotronen i världen. Energin är oberoende av ljusstyrkan, och avgör hur mycket materia strålen kan penetrera. Med låg energi kommer man bara några millimeter, medan högre energi kan nå flera decimeter, säger Paul Tafforeau.

Generellt gör hög energi att kontrasten blir lidande. Nyckeln för att komma runt detta är ESRF:s nyligen uppgraderade ljuskälla, EBS (Extremely Brilliant Source), som kostade 150 miljoner euro. Med hög kontrast kan extremt snarlika material ändå urskiljas från varandra på röntgenbilden, tack vare att ljuset får högre koherens (se faktaruta).

Målet: Att analysera hela kroppar

Till skillnad från datortomografi eller magnetröntgen överlever inte levande organismer att avbildas i synkrotronen. Därför är 3d-skanningen i dag begränsad till utplockade organ.

Till början av år 2022 ska synkrotronen uppgraderas igen. Den blir då ännu mer kraftfull och kan avbilda större objekt, exempelvis en donerad människokropp.

– Då börjar arbetet med att ta fram det mest detaljerade anatomiska atlasen i världshistorien, som täcker in hela människokroppen ända ned till cellnivå, säger Paul Tafforeau.

Varje år besöker 9 000 forskare ESRF för experiment inom många olika fält utöver medicin – exempelvis kemi, arkeologi och miljövetenskap. Forskningsanläggningen ligger i Grenoble, Frankrike.

Bild: 
ESRF/D. MOREL

Det här är koherens

Koherens handlar om hur väl ”synkroniserade” ljusvågorna är med varandra och kan förklaras med följande liknelse: Tänk dig ljuspartiklarna från synkrotronen som ett antal klockor. Beroende på vad de stöter på inuti objektet tar det olika lång tid för dem att studsa tillbaka.

Man kan då mäta hur mycket ”tid” som hunnit ticka på varje klocka under avbildningen, och utifrån det räkna ut innanmätets struktur och producera en bra, kontrastrik bild. Detta förutsätter att klockorna tickar jämnt och stadigt, samt visade samma tid från första början – det vill säga: hade hög koherens.

Med låg koherens är klockorna ställda olika, och tickar med ojämn fart. I detta kaos finns ingen vettig information att hämta om vad ljusstrålarna stött på inuti objektet.

Källa: Gunnar Björk, professor i fotonik vid KTH

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.