Speckles schärfen den Blick
Neuer einfacher Versuchsaufbau für Röntgen-Phasenkontrast verbessert Bildgebung durch spezielle Streuung der Röntgenstrahlen.
Mit der Röntgenphasenkontrast-Methode lassen sich hochqualitative Bilder von Objekten mit nur geringer Strahlendosis aufnehmen. Bis jetzt sind solche Aufnahmen aber nur schwer zu erzeugen, da, unter anderem, spezielle Strahlenquellen nötig sind, die nur in großen Teilchenbeschleuniger-Anlagen vorkommen. Wie Wissenschaftler der TU München, der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm und des University College London (UCL) jetzt gezeigt haben, lassen sich verlässliche Phasenkontrastaufnahmen schon mit einem sehr einfachen Versuchsaufbau und einer Laborstrahlenquelle von extrem hoher Strahlkraft produzieren.
Bild: Mit dem neuen experimentellen Aufbau für die Röntgenphasenkontrasttechnik lassen sich gleichzeitig drei Bilder aufnehmen: ein Abschwächungsbild (links), ein Phasenkontrast-Bild (Mitte) und ein Dunkelfeld-Bild (rechts). Als Mikroskopieobjekt verwendeten die Wissenschaftler eine Spielzeugblume aus Plastik mit einer hölzernen Halterung. (Bild: I. Zanette, TUM)
Die Röntgenphasenkontrast-Technik nutzt für die Erstellung von Bildern die Brechung der Röntgenstrahlen beim Durchtritt durch das Objekt, und nicht, wie beim herkömmlichen Röntgen, die Absorption. Bilder dieser Methode sind deshalb oft von sehr viel höherer Qualität als die Absorptionsbilder. Das Team um Franz Pfeiffer arbeitet daran, grundlegend neue Ansätze für die biomedizinische Bildgebung und Therapie mit Röntgenstrahlen zu entwickeln – einschließlich der Röntgenphasenkontrast-Technik. Ein Hauptziel ist es, diese Methode in Zukunft auch für die Diagnose von Krebs oder Osteoporose in der Klinik einsetzbar zu machen.
Die Wissenschaftler haben jetzt einen extrem einfachen Aufbau für Röntgenphasenkontrast-Bilder entwickelt. Um die Bildinformationen zu erhalten, wählten sie einen ungewöhnlichen Weg: sie streuten die Röntgenstrahlen auf eine spezielle Weise, sodass zufällige Strukturen entstanden. Die „speckles“ liefern eine Vielzahl von Informationen über das Objekt, das sie durchdringen. Eine hochauflösenden Röntgenstrahl-Kamera fängt die gestreuten Röntgenstrahlen auf.
Die Forscher konnten zudem zeigen, wie effizient und vielfältig ihr Ansatz ist. „Aus einer einzigen Messung bekommen wir drei unterschiedliche Bilder des Objekts: ein Abschwächungsbild, ein Phasenbild und eine Dunkelfeld-Aufnahme“, erklärt Irene Zanette, die leitende Wissenschaftlerin der Studie. „Das Phasenbild kann genutzt werden, um die projizierte Dicke des Objekts sehr genau zu messen. Mit Hilfe des Dunkelfeld-Bildes lassen sich darüber hinaus kleinste Strukturen wie Fasern oder Risse sichtbar machen, die sonst nicht aufgelöst werden könnten“, fügt sie hinzu.
Bild: Intensitäts-„Landkarte“ der gestreuten Röntgenstrahlen, die eine Vielzahl von zufällig verteilten hellen und dunklen Flecken „speckles“, beinhaltet. Sie sind als Höheprofil dargestellt. Wird ein Objekt in den Strahl eingebracht, dann verändert es die Höhe und Tiefe der Täler und Hügel auf der „Landkarte“. Diese Änderungen werden analysiert, um ein Bild des Objekts darzustellen. (Bild: I. Zanette / TUM)
Eine hohe Strahlkraft der Quelle ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, um Phasenkontrastaufnahmen erzeugen zu können. „In unserem neuen Versuchsaufbau verwenden wir einen Strahl aus flüssigem Metall zur Röntgenerzeugung in der Quelle und nicht – wie bei üblichen Laborquellen – festes Material“, sagt Tunhe Zhou vom KTH Stockholm. „Das erlaubt uns, hohe Intensitäten zu erzeugen, die wir für Phasenkontrastaufnahmen brauchen, ohne dabei die Strahlenquelle zu zerstören.“ Um die unterschiedlichen Bilder gleichzeitig zu erstellen, scannt ein spezieller Algorithmus die "speckles" und analysiert genau, wie sich ihre Form und Position verändern, wenn sich eine Probe im Strahl befindet.
Aber nicht alle Komponenten des neuen experimentellen Aufbaus sind High-Tech. Um die Röntgenstrahlen speziell zu streuen, fanden die Wissenschaftler eine billige und einfache Lösung: „Wir haben festgestellt, dass ein einfaches Sandpapier hierfür perfekt geeignet ist“, erklärt Irene Zanette.
Die Wissenschaftler arbeiten bereits an den nächsten Schritten. „Die neue Technik braucht nur eine Aufnahme und wäre daher auch geeignet, sie in Richtung Phasenkontrast-Tomographie zu erweitern. Das würde uns 3D-Einblicke in die Mikrostruktur des untersuchten Objekts ermöglichen“, beschreibt Zanette.
TUM / CT
