Verbesserte Bildgebung für Medizin und Materialwissenschaften

Forscher der biomedizinischen Physik und der Biologie haben die Mikro-Computer­tomo­graphie mit brillanter Röntgen­strahlung deutlich verbessert. Dafür verwenden sie ein neu entwickeltes mikro­struktu­riertes optisches Gitter in Kombination mit neuen Algorithmen zur Auswertung. Das Team um Julia Herzen von der TU München nutzte für die Entwicklung unter anderem das Röntgenlicht von DESYs Forschungs­licht­quelle PETRA III an der Mess­station P05 des Helmholtz-Zentrums Hereon. Das neue Verfahren ermöglicht, die Mikro­struktur von Proben detail­lierter abzubilden und zu analy­sieren und ein breiteres Proben­spektrum zu unter­suchen.

Die Mikro-Computer­tomo­graphie ist ein Verfahren für die detail­lierte drei­dimen­sionale Bildgebung der inneren Struktur von Proben mit kleinen Dimensionen. In Biologie, Medizin und 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.

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 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 Herzen.

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 Herzen.

Das neue Verfahren basiert auf einem neu­ent­wickelten optischen Gitter, Talbot Array Illuminator genannt. Dieses neue optische Element ist einfach herzustellen, widerstands­fähig gegen Röntgen­strahlung und kann bei unter­schied­lichen Energien eingesetzt werden. Das 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“, berichtet Herzen. „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.“

Mit der neuen Technik kann ein besonders breites Spektrum von Proben untersucht werden. Forscher können damit sogar Materialien mit sehr unter­schied­licher Zusammen­setzung gleich­zeitig darstellen, beispiels­weise in Stein einge­schlos­senes Wasser und Öl, was mit herkömm­lichen Methoden bisher nicht möglich war. Das 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.

„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“, so Herzen. Das Potenzial dieser neuen Option bei verschiedenen Anwendungen wird in weiteren Studien untersucht.

DESY / TU München / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Gustschin et al.: High-resolution and sensitivity bi-directional x-ray phase contrast imaging using 2D Talbot array illuminators, Optica 8, 1588 (2021); DOI: 10.1364/OPTICA.441004
• Biomedical Imaging Physics (J. Herzen), Fklt. Physik, Technische Universität München
• PETRA III, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg