Fortschritte in der Mikro-Computertomographie

Forschende der biomedizinischen Physik und der Biologie haben die Mikro-Computertomographie, speziell die Bildgebung mit Phasenkontrast und brillanter Röntgenstrahlung, deutlich verbessert. Dafür verwenden sie ein neu entwickeltes, mikrostrukturiertes, optisches Gitter in Kombination mit neuen Algorithmen zur Auswertung. Das neue Verfahren ermöglicht, die Mikrostruktur von Proben detaillierter abzubilden und zu analysieren und ein breiteres Probenspektrum zu untersuchen.

Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) ist ein Verfahren für die detaillierte dreidimensionale Bildgebung der inneren Struktur von Proben mit kleinen Dimensionen. Forschende der Biologie, Medizin oder Materialwissenschaften können damit Informationen über den Aufbau und die Beschaffenheit von Gewebe- oder Materialproben gewinnen, die für Diagnosen oder weitere Analysen wichtig sind.

Die Mikro-CT basiert auf Röntgenaufnahmen, die zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt werden. Je nach Art der Probe werden unterschiedliche Röntgenverfahren eingesetzt, um die Probe möglichst genau abzubilden. Entscheidende Parameter sind dabei die Auflösung, der Kontrast und die Sensitivität des verwendeten Verfahrens.

Röntgen mit Phasenkontrast

Für die Bildgebung von Weichgewebe ist Röntgen mit Phasenkontrast besonders gut geeignet. Die Methode nutzt die Brechung des Röntgenlichts an den Strukturen der Probe, um Kontrast für diese Strukturen zu erhalten und Weichgewebe dadurch detaillierter als beim konventionellen Röntgen abzubilden.

Bei einigen Phasenkontrastverfahren modulieren optische Komponenten das Röntgenlicht auf dem Weg zum Detektor. So entsteht ein sogenanntes Beugungsmuster am Detektor. „Vergleicht man dieses Muster mit und ohne Probe im Röntgenstrahl, kann man mithilfe der Brechung des Röntgenlichts an der Probe Informationen über ihre Beschaffenheit gewinnen“, sagt Julia Herzen, Professorin für Physik der biomedizinischen Bildgebung an der Technischen Universität München (TUM).

Bisher wurden für die Modulation häufig ineffiziente Strukturen wie Sandpapier oder Lochmasken verwendet, inzwischen kommen auch verschiedene optische Gitter zum Einsatz. „Neue optische Gitter funktionieren ähnlich wie kleine Linsen. Sie fokussieren das Röntgenlicht zu winzigen Punkten. Dadurch sind Intensitätsunterschiede mit und ohne Probe deutlicher ausgeprägt und geringfügige Unterschiede im Gewebe können detaillierter abgebildet werden“, erklärt Prof. Herzen.

Hoher Kontrast, hohe Auflösung und hohe Sensitivität

Die Physikerin Julia Herzen und ihr Team stellen nun ein neues Verfahren für die Mikro-CT mit Phasenkontrast bei brillanter Röntgenstrahlung vor. Die Technologie basiert auf einem neuentwickelten optischen Gitter, Talbot Array Illuminator genannt. Dieses neue optische Element ist vergleichsweise einfach herzustellen, widerstandsfähig für Röntgenstrahlung und kann bei unterschiedlichen Energien eingesetzt werden. Dies schafft die technisch nötigen Voraussetzungen für hohen Kontrast. Die neue Methode erlaubt eine effizientere Nutzung der Strahlendosis als bei vergleichbaren Modulatoren wie Sandpapier und eine deutliche Reduktion der Aufnahmedauer.

„Durch die Kombination unseres neu entwickelten Talbot Array Illuminators mit neuer, darauf optimierter Auswertungssoftware konnten wir die Bildgebung und Analyse mit Mikro-CT deutlich verbessern. Die neue Technik ist sensitiver als vergleichbare Verfahren in dem Bereich. Dadurch ist es möglich, Weichgewebe bei sehr hoher Auflösung mit viel höherem Kontrast darzustellen als bisher. Eine hohe Sensitivität ist besonders wichtig, um beispielsweise feine Unterschiede innerhalb des Weichgewebes zu erkennen“, sagt Prof. Herzen, Leiterin der Studie.

Analyse eines breiten Probenspektrums

Mit der neuen Technik kann ein besonders breites Spektrum von Proben untersucht werden. Forschende können damit sogar Materialien mit sehr unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise in Stein eingeschlossenes Wasser und Öl, gleichzeitig darstellen, was mit herkömmlichen Methoden bisher nicht möglich war. Dies bietet nicht nur in der Medizin und Biologie entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Methoden, sondern öffnet auch in den Materialwissenschaften wie zum Beispiel in der Geologie neue Anwendungsmöglichkeiten.

Quantitative Auswertung möglich

„Im Gegensatz zu bisherigen Methoden ermöglicht unser neues Verfahren auch eine quantitative Auswertung. Wir können die Elektronendichte von Proben absolut messen und diese so miteinander vergleichen. Dafür sind keine Vorannahmen über die Proben nötig“, erläutert Prof. Herzen. Das Potenzial dieser neuen Option bei verschiedenen Anwendungen wird in weiteren Studien untersucht.

Prof. Dr. Julia Herzen ist Principal Investigator am Munich Institute of Biomedical Engineering (MIBE). Das MIBE ist ein Integrative Research Institute der Technischen Universität München (TUM). Am MIBE entwickeln und verbessern Forscherinnen und Forscher aus der Medizin, den Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften gemeinsam Verfahren zur Diagnose, Prävention und Behandlung von Krankheiten. Sie arbeiten auch an Technologien, die körperliche Einschränkungen ausgleichen. Die Aktivitäten reichen dabei von der Untersuchung grundlegender wissenschaftlicher Prinzipien bis zu deren Anwendung in medizinischen Geräten, Medikamenten oder Computerprogrammen. https://www.bioengineering.tum.de/

Kooperationspartner in dem Projekt waren das Helmholtz-Zentrum Hereon und das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY, beides Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft. Ein großer Teil der Forschungsarbeiten wurde am PETRA III am DESY durchgeführt. Außerdem waren an der Forschungsarbeit die Universität Triest (Italien) und die University of Sheffield (UK) beteiligt.

Die Forschungsarbeit wurde gefördert vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union, von der British Heart Foundation und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Ausführliche BU:

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Julia Herzen
Technische Universität München
Professorin für Physik der biomedizinischen Bildgebung
Tel: +49 (89) 289 10806
julia.herzen@tum.de
https://www.professoren.tum.de/herzen-julia
https://www.groups.ph.tum.de/en/bip/home/

Originalpublikation:

Alex Gustschin, Mirko Riedel, Kirsten Taphorn, Christian Petrich, Wolfgang Gottwald, Wolfgang Noichl, Madleen Busse, Sheila E. Francis, Felix Beckmann, Jörg U. Hammel, Julian Moosmann, Pierre Thibault, und Julia Herzen: High-resolution and sensitivity bi-directional x-ray phase contrast imaging using 2D Talbot array illuminators. Optica 8, 1588-1595 (2021). DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.441004

Weitere Informationen:

https://www.bioengineering.tum.de/ Munich Institute of Biomedical Engineering (MIBE)
https://mediatum.ub.tum.de/1650159 Hochauflösende Bilder für die redaktionelle Berichterstattung