12.08.2010

Verschärfter Röntgenblick

Forscher zeigen Bilder mit gleichem Kontrast bei weniger Aufnahmen.  

Forscher zeigen Bilder mit gleichem Kontrast bei weniger Aufnahmen.

Röntgen mit dem sogenannten Phasenkontrastverfahren ermöglicht es, Details von Weichteilen oder Organen kontrastreich darzustellen. Ein chinesisch-schweizerisches Forscherteam hat das Verfahren nun weiterentwickelt. Damit sollte es laut der Forscher in der Anwendung einfacher zu handhaben sein und eine geringere Strahlendosis benötigen.

Grundvoraussetzung für das Phasenkontrast-Verfahren ist, dass die Strahlenquelle phasengleiche Wellen aussendet, im Fachjargon spricht man von einer kohärenten Quelle, welche die Intensität moduliert. Der Kontrast entsteht, wenn sich Lichtwellen, die beim Übergang von einem Medium in ein anderes gebrochen werden, überlagern. Beim Röntgen-Phasenkontrast werden genau jene Interferenzen der Wellen gemessen.

Abb.: Abbildung eines Rattenhirns, erzeugt mit der weiterentwickelten Phasenkontrastmethode. (Bild: PSI)

Um die hohe Kohärenz für den Röntgen-Phasenkontrast zu erreichen, brauchte es bis jetzt eine sogenannte Synchrotron Strahlungsquelle. Sie erzeugt im Gegensatz zur konventionellen Röntgenstrahlung sehr intensive kohärente Strahlung. Im Jahr 2006 gelang es Wissenschaftlern am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen eine Röntgenoptik zu entwickeln, die es ermöglichte, auch mit konventionellen Röntgenquellen kohärente Strahlung zu erzeugen. Dazu schalteten sie speziell entwickelte Gitter mit Abständen von wenigen tausendstel Millimetern zwischen Strahlengang und Objekt. An ihnen bricht sich das Licht und wird auf diese Weise unter anderem in Phase gebracht, bevor es das zu untersuchende Objekt durchdringt.

Beim Röntgen-Phasenkontrast brauchte es bis dahin mehrere Aufnahmen des Objekts - das sogenannte «Phase Stepping» - bei denen das Gitter, an dem die Interferenzen erzeugt werden, jeweils um einen Bruchteil von Mikrometern verschoben wird. Die mathematische Analyse der verschiedenen Bilder ergibt dann den höheren Kontrast.

Abb.: Das Prinzip der Phasenkontrastmethode: Licht, das sich durch Materie bewegt, verliert nicht nur an Intensität sondern erfährt zugleich eine Phasenverschiebung, welcher Aufschluss über die Objektstruktur gibt. (Bild: PSI/M. Stampanoni und M. Fischer)

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Marco Stampanoni, Assistenzprofessor an der ETH Zürich und dem Paul Scherrer Institut, hat dieses Verfahren nun so optimiert, dass das zeitaufwändige und mechanisch komplizierte «Phase Stepping» entfällt und nur noch zwei Aufnahmen gemacht werden müssen. Die neue Methode – als «Reverse Projection Method» bezeichnet – beruht im Unterschied zum «Phase Stepping» darauf, dass der Phasenkontrast erfasst werden kann, ohne die Gitter zu bewegen.

Die Gitter werden dort positioniert, wo die Sinuskurve, welche die Intensität der Phaseninformationen beschreibt, am steilsten ist - also quasi linear verläuft -, da dort der Phasenkontrast einfach zu berechnen ist. Das zu untersuchende Objekt wird dann bei den Positionen 0 Grad und 180 Grad, also nur zwei Mal, durchleuchtet. Stampanoni hebt den Unterschied hervor: «Beim „Phase Stepping“ wird das selbe Ergebnis erst mit mindestens drei und manchmal sogar mehr als fünf Röntgen-Schritten erreicht, da dort die Intensitätskurve abgetastet wird, um zur optimalen Phasenkontrast-Aufnahme zu kommen.»  Der Wisenschaftler hofft, dass in Zukunft Phasenkontrast-Bilder genauso problemlos wie herkömmliche Röntgenbilder aufgenommen werden können. Mögliche zukünftige Einsatzgebiete des neuen Verfahrens liegen neben der medizinischen Diagnostik auch in der Materialprüfung.

ETH Zürich/BD

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