Fortschritte in der Mikro-Computertomographie

Forscher der biomedizinischen Physik und Biologie haben die Mikro-Computertomographie, genauer gesagt die Bildgebung mit Phasenkontrast und hochbrillanter Röntgenstrahlung, deutlich verbessert. Sie haben ein neues mikrostrukturiertes optisches Gitter entwickelt und mit neuen analytischen Algorithmen kombiniert. Der neue Ansatz ermöglicht es, die Mikrostrukturen von Proben detaillierter darzustellen und zu analysieren sowie ein besonders breites Probenspektrum zu untersuchen.

Die Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) ist ein bildgebendes Verfahren, das detaillierte dreidimensionale Bilder der inneren Struktur von Proben mit kleinen Abmessungen erzeugt. Forscher in Biologie, Medizin oder Materialwissenschaften können mit dieser Methode Informationen über die Struktur und Eigenschaften von Gewebe- und Materialproben gewinnen, die für Diagnosen und andere Analysen wichtig sind.

Die Mikro-CT basiert auf Röntgenbildern, die zu einem dreidimensionalen Bild rekonstruiert werden. Je nach Probe kommen unterschiedliche röntgenbildgebende Verfahren zum Einsatz, um eine möglichst genaue Darstellung zu erreichen. Entscheidende Parameter sind dabei Auflösung, Kontrast und die Empfindlichkeit des verwendeten Verfahrens.

Röntgenbildgebung mit Phasenkontrast

Die Röntgenbildgebung mit Phasenkontrast eignet sich besonders gut zur Untersuchung von Weichgewebe. Das Verfahren nutzt die von den Strukturen der Probe verursachte Brechung der Röntgenstrahlen, um einen Kontrast für diese Strukturen zu erhalten und so Weichgewebe detaillierter darzustellen, als dies mit herkömmlichen Röntgenverfahren möglich ist.

Bei vielen Phasenkontrastverfahren modulieren optische Komponenten die Röntgenstrahlen auf ihrem Weg zum Detektor, wodurch am Detektor ein sogenanntes Beugungsmuster entsteht. „Beim Vergleich dieses Musters mit und ohne Probe im Röntgenstrahl gibt die Brechung der Röntgenstrahlen an der Probe Aufschluss über deren Eigenschaften“, sagt Julia Herzen, Professorin für Biomedizinische Bildgebende Physik an der Technischen Universität München ( TU).

Bisher wurden für diese Art der Modulation ineffiziente Strukturen wie Sandpapier und Absorptionsmasken verwendet, aber mittlerweile stehen eine Vielzahl optischer Gitter zur Verfügung. „Die Funktion der neuen optischen Gitter ähnelt der von kleinen Linsen. Die Gitter bündeln die Röntgenstrahlen zu winzigen Punkten. Dadurch werden die Intensitätsunterschiede mit und ohne Probe viel deutlicher und lassen sich auch kleinste Unterschiede in der Röntgenstrahlung sichtbar machen Gewebe genauer untersuchen“, sagt Prof. Herzen.

Hoher Kontrast, hohe Auflösung und hohe Empfindlichkeit

Die Physikerin Julia Herzen und ihr Team haben nun ein neues Verfahren zur Mikro-CT mit Phasenkontrast mit hochbrillanter Röntgenstrahlung vorgestellt. Die Technologie basiert auf einem neu entwickelten optischen Gitter, das als Talbot Array Illuminator bezeichnet wird. Dieses neue optische Element ist vergleichsweise einfach herzustellen, unempfindlich gegenüber Röntgenstrahlung und kann mit unterschiedlichen Energien eingesetzt werden. Damit sind die technisch notwendigen Voraussetzungen für einen hohen Kontrast geschaffen. Das neue Verfahren ermöglicht eine effizientere Nutzung der Strahlendosis als mit gewöhnlichen Modulatoren wie Sandpapier und verkürzt die Scanzeiten erheblich.

„Durch die Kombination unseres neu entwickelten Talbot Array Illuminators mit einer dafür optimierten neuen Analysesoftware konnten wir die Bildgebung und Analyse mit der Mikro-CT deutlich verbessern. Die neue Technologie ist sensitiver als vergleichbare Methoden in diesem Bereich. Auf sehr hohem Niveau Auflösungen ermöglicht es, Weichgewebe mit höherem Kontrast als bisher darzustellen. Eine hohe Empfindlichkeit ist besonders wichtig, um beispielsweise feine Unterschiede im Weichgewebe zu erkennen“, sagt Prof. Herzen.

Analyse eines breiten Probenspektrums

Mit der neuen Technologie kann ein besonders breites Spektrum an Proben untersucht werden. Forscher können sogar Materialien unterschiedlichster Zusammensetzung gleichzeitig darstellen, zum Beispiel in Stein eingebettetes Wasser und Öl, was mit herkömmlichen Methoden bisher nicht möglich war. Dies bietet nicht nur in Medizin und Biologie entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden, sondern eröffnet auch neue Anwendungsmöglichkeiten in den Materialwissenschaften, beispielsweise in der Geologie.

Eine quantitative Analyse ist möglich

„Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen ermöglicht unsere neue Methode auch eine quantitative Analyse. Wir können absolute Messungen der Elektronendichte von Proben durchführen und vergleichen, ohne dass Annahmen über die Proben getroffen werden müssen“, erklärt Prof. Herzen. Weitere Studien werden das Potenzial dieser neuen Option in einer Vielzahl von Anwendungen untersuchen.

Die Studie wurde veröffentlicht in Optik.