24.09.2010

Nano-Blick auf Knochenschwund

Ein neuartiges Tomographie-Verfahren macht Knochenstruktur und Knochendichte hochauflösend und dreidimensional sichtbar.

Ein neuartiges Tomographie-Verfahren macht Knochenstruktur und Knochendichte hochauflösend und dreidimensional sichtbar.

Um frühzeitig Erkrankungen des Knochens erkennen zu können, benötigen Mediziner möglichst genaue Bilder des Knocheninneren, die auch feinste Details sichtbar machen. Das sind insbesondere Querschnitte der Hohlräume, in denen die Knochenzellen eingebettet sind, und das rund 100 Nanometer feine Verbindungsnetzwerk, das sich zwischen diesen Hohlräumen befindet. Die Ausbildung dieses Netzwerkes und die Knochendichte geben wichtige Hinweise auf verschiedene Erkrankungsarten des Knochens, wie etwa der Osteoporose. Diese sehr häufige Stoffwechselerkrankung tritt vor allem in zunehmendem Alter auf und macht die Knochen anfälliger für Brüche.

Bild: Aus vielen Röntgenstreubildern (links angedeutet) berechnet der speziell entwickelte Nano-CT-Algorithmus ein hochaufgelöstes dreidimensionales Nanotomogramm der Probe. In der Knochenforschung angewendet, macht das Verfahren die feinen, ca. 100 Nanometer grossen Verästelungen (Canaliculi) zwischen den Knochenzellen (Osteocyten) sichtbar. (Bildquelle: M. Dierolf, P. Thibault, F. Pfeiffer / TU München)

Bisherige bildgebende Verfahren wie die Computertomographie (CT) haben für die Früherkennung jedoch noch eine zu geringe Auflösung. Nun haben deutsche und schweizer Forscher ein Röntgen-CT-Verfahren entwickelt, das die feinen Knochendetails sichtbar macht (siehe Abbildung). Das Verfahren ermöglicht es den Forschern, ähnlich wie bei der konventionellen Röntgen-Computertomographie (CT), das zu untersuchende Objekt zu durchleuchten und dreidimensional darzustellen, jedoch in einer viel höheren Auflösung.

Bei der herkömmlichen Computertomographie wird das Objekt aus unterschiedlichen Winkeln mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Detektoren messen dann die vom Objekt absorbierte Strahlung. Das neue Verfahren kann mit speziellen Detektoren, die am Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelt wurden, auch die vom Objekt gestreute Strahlung registrieren, insbesondere die Beeinflussung der Phase der Röntgenwellen. Deshalb müssen die Forscher beim neuen CT-Verfahren mit phasengleicher Röntgenstrahlung arbeiten, wie sie die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI liefert.

Die Streubilder werden anschließend mit einem Algorithmus verarbeitet, den ein Team um Franz Pfeiffer vom Lehrstuhl für Biomedizinische Physik an der TU München entwickelt hat. Dieser Algorithmus kann aus den über hunderttausend Streubildern ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild der Probe errechnen, das Informationen über die genaue Nanostruktur und lokale Materialdichte liefert.

Derzeit ist das neue CT-Verfahren wegen der benötigten kohärenten Strahlung noch an Synchrotronquellen wie die SLS gebunden. Zudem können nur Knochenproben außerhalb des lebenden Organismus untersucht werden, da die benötigte Strahlendosis für Lebewesen derzeit noch zu hoch ist. Für ihren ersten Test verwendeten die Forscher härchenfeine, 25 Mikrometer große Knochenproben einer Labormaus.

Die neue Technik ist aber auch außerhalb der Medizin sehr nützlich. Weitere Anwendungsfelder könnten die Materialwissenschaft, Werkstoffforschung oder die Charakterisierung von Halbleiterbauelementen sein.

ETH Zürich/Jan Oliver Löfken/Alexander Pawlak

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