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Entwicklungen in der Mikro-Computertomographie

Dreidimensionale Bildgebung
Wie sich die Mikro-CT weiterentwickelt

Mikro CT Forschung Prof Herzen und Team
Julia Herzen, Professorin für Physik der biomedizinischen Bildgebung an der TUM, und ihr Team beim Arbeiten am Mikro-Computertomograph. (Bild: René Lahn)
Mit einem neu entwickelten, mikrostrukturierten optischen Gitter sowie neuen Algorithmen zur Auswertung lässt sich die Mikro-Computertomographie, kurz Mikro-CT, verbessern. So lässt sich die Mikrostruktur von Proben detaillierter abbilden und analysieren. Auch kann ein breiteres Probenspektrum untersucht werden.

Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) ist ein Verfahren für die detaillierte dreidimensionale Bildgebung. Damit lässt sich die innere Struktur von Proben mit kleinen Dimensionen sichtbar machen. 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.

Wofür sich die klassische Mikro-CT eignet

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

Für die Bildgebung von Weichgewebe ist das Röntgen mit Phasenkontrast besonders gut geeignet. Diese Methode basiert auf der Brechung des Röntgenlichts an den Strukturen der Probe, um Kontrast für diese Strukturen zu erhalten. Weichgewebe wird dadurch detaillierter abgebildet als beim konventionellen Röntgen.

Bei einigen Phasenkontrastverfahren modulieren optische Komponenten das Röntgenlicht auf dem Weg zum Detektor. So entsteht ein so genanntes 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).

Neue optische Gitter verbessern die Mikro-CT

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“, erklärt Prof. Herzen. Sie fokussieren das Röntgenlicht zu winzigen Punkten. Dadurch seien Intensitätsunterschiede mit und ohne Probe deutlicher ausgeprägt, und geringfügige Unterschiede im Gewebe könnten detaillierter abgebildet werden.

Die Physikerin 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 lässt sich bei unterschiedlichen Energien einsetzen. Dies schafft technisch die Voraussetzungen für hohen Kontrast. Die neue Methode erlaubt eine effizientere Nutzung der Strahlendosis als bei vergleichbaren Modulatoren wie Sandpapier und eine deutlich kürzere Aufnahmedauer.

Auswertungssoftware gibt der verbesserten Mikro-CT den letzten Schliff

„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“, sagt Prof. Herzen, die die Studie geleitet hat. Mit der neuen, sensitiveren Technik lässt sich ein besonders breites Spektrum von Proben untersuchen. Forschende können damit sogar Materialien mit sehr unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise in Stein eingeschlossenes Wasser und Öl, gleichzeitig darstellen. Mit herkömmlichen Methoden war das bisher nicht möglich. Dies bietet nicht nur in der Medizin und Biologie entscheidende Vorteile, sondern öffnet auch in den Materialwissenschaften neue Anwendungsmöglichkeiten.

Auch eine quantitative Auswertung ist möglich. „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.

Über die Forscher, die an der Mikro-CT arbeiten

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). Dort entwickeln und verbessern Forschende aus der Medizin, den Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften  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 im Projekt waren das Helmholtz-Zentrum Hereon und das Deutsche Elektronen-Synchrotron Desy. Auchdie Universität Triest (Italien) und die University of Sheffield (UK) waren beteiligt. Der Europäischen Forschungsrat (ERC) hat die Arbeiten im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert. Weitere Mittel kamen von der British Heart Foundation und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Julia Herzen
Technische Universität München
Professorin für Physik der biomedizinischen Bildgebung
Tel: +49 (89) 289 10806
E-Mail: julia.herzen@tum.de
URL: www.professoren.tum.de/herzen-julia

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