Ärzte Zeitung online, 23.09.2010

Nano-CT-Verfahren liefert detailreiche Bilder aus der Tiefe des Körpers

MÜNCHEN (eb). Ein neuartiges Nano-Tomografie-Verfahren erlaubt erstmals computertomografische Untersuchungen feinster Strukturen mit einer Auflösung im Nanometerbereich. Mit Hilfe der neuen Methode können etwa dreidimensionale Innenansichten fragiler Knochenstrukturen erstellt werden.

Nano-CT-Verfahren liefert detailreiche Bilder aus der Tiefe des Körpers

Aus vielen Röntgenstreubildern (links) berechnet der Nano-CT-Algorithmus ein hochaufgelöstes dreidimensionales digitales Bild der Probe (rechts). Im Bild: Rund 100 Nanometer große Verbindungskanäle (Kanalikuli) in Knochen.

© M. Dierolf, P. Thibault, F. Pfeiffer / TU München

Entwickelt wurde das neue Verfahren von einem Team aus Forschern der Technischen Universität München (TUM), des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich. Die ersten mit diesem Verfahren erzielten Nano-CT-Bilder werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht (Nature 2010; 467: 409 und 436). Die neue Technik kann Lebens- und Materialwissenschaften gleichermaßen voranbringen, wie es in einer Mitteilung der TU München heißt.

Bisheriger Favorit war die Knochendichtemessung

Osteoporose ist bekanntlich eine der häufigsten Veränderungen des alternden Knochens: In Deutschland ist etwa ein Viertel der Bevölkerung über 50 Jahre an Osteoporose erkrankt. Bei den Patienten schrumpft die Knochensubstanz übermäßig rasch, damit steigt das Risiko für Brüche deutlich. In der klinischen Forschung wird Osteoporose bisher fast ausschließlich über die Messung einer allgemein verringerten Knochendichte bestimmt. Diese sagt jedoch wenig über die damit verbundenen und ebenso wichtigen lokalen Struktur- und Knochendichte-Änderungen aus. Dr. Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik der TU München und Leiter des Forscherteams, hat das Dilemma gelöst: "Mit unserem neu entwickelten Nano-CT-Verfahren ist es jetzt möglich, die Struktur- und Dichte-Änderungen des Knochens hoch aufgelöst und in 3D darzustellen. Damit kann man die der Osteoporose zugrunde liegenden Strukturänderungen auf der Nanoskala erforschen und bessere Therapieansätze entwickeln."

Grundlage der neuen Methode ist das Röntgen-CT

Pfeiffers Team hat bei der Entwicklung auf der Röntgen-Computertomograpfie (CT) aufgebaut. Ihr Prinzip ist seit langem bekannt. CT-Geräte werden im Krankenhaus und in der Arztpraxis tagtäglich zur diagnostischen Durchleuchtung verwendet. Hierbei wird der Körper mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Ein Detektor misst dabei unter verschiedenen Winkeln, wie viel Röntgenstrahlung jeweils absorbiert wird. Im Prinzip werden einfach Röntgenbilder aus verschiedenen Richtungen aufgenommen. Aus einer Vielzahl solcher Aufnahmen können dann mittels Bildverarbeitung digitale 3D-Bilder des Körperinneren erzeugt werden.

Die neu entwickelte Methode misst nun für jeden Beleuchtungswinkel nicht nur die gesamte vom untersuchten Objekt absorbierte Intensität, sondern auch jene Teile des Röntgenstrahls, die in verschiedene Richtungen abgelenkt - gestreut - werden. Diese erzeugen für jeden Punkt ein Streubild, das zusätzliche Informationen über die genaue Nanostruktur liefert, da die Röntgenstreuung gerade auf allerkleinste Strukturänderungen sensitiv ist.

3D-Bild entsteht aus 100 000 Einzelbildern

"Da wir dabei sehr viele Einzelbilder extrem präzise aufnehmen und verarbeiten müssen, war bei der Implementierung des neuen Verfahrens die Verwendung hochbrillanter Röntgenstrahlung und schneller, rauscharmer Pixel-Detektoren besonders wichtig - beides steht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) zur Verfügung", so Oliver Bunk, der an der vom schweizerischen PSI betriebenen Synchrotronlichtquelle den entsprechenden Experimentierplatz mit aufgebaut hat.

Die Streubilder werden anschließend mit einem Algorithmus verarbeitet, der von dem Team entwickelt wurde. Der Münchner Diplomphysiker Martin Dierolf erklärt: "Wir haben einen Bildrekonstruktionsalgorithmus entwickelt, der aus den über hunderttausend Streubildern ein hoch aufgelöstes dreidimensionales Bild der Probe errechnet. Dabei berücksichtigt der Algorithmus nicht nur die klassische Röntgenabsorption, sondern die wesentlich sensitivere Beeinflussung der Phase der Röntgenwellen."

Kleinste Unterschiede in der Knochendichte sichtbar

Exemplarisch wurde mit der neuen Technik die mit 25 Mikrometern härchenfeine Knochenprobe einer Labormaus untersucht - mit überraschend exakten Ergebnissen. Die Phasenkontrast-CT-Aufnahmen machen selbst kleinste Dichteunterschiede in der Knochenprobe extrem genau sichtbar: Querschnitte durch Hohlräume, in denen Knochenzellen eingebettet sind, und deren etwa 100 Nanometer feines Verbindungsnetzwerk sind gut erkennbar.

"Das neue Nano-CT-Verfahren erreicht zwar nicht die Ortsauflösung, die derzeit in der Elektronenmikroskopie möglich ist, kann aber - aufgrund des hohen Durchdringungsvermögens von Röntgenstrahlung - dreidimensionale Tomografiebilder von Knochenproben liefern", kommentiert Dr. Roger Wepf, Leiter des Elektronenmikroskopiezentrums (EMEZ) an der ETH Zürich. "Darüber hinaus zeichnet sich das neue Nano-CT-Verfahren durch seine hohe Genauigkeit in der Knochendichtebestimmung aus, welche gerade für die Knochenforschung von entscheidender Bedeutung ist." Mithilfe des Verfahrens lassen sich vor allem die Frühphase der Osteoporose-Erkrankung genauer studieren sowie Behandlungserfolge unterschiedlicher Therapien in klinischen Studien evaluieren.

Aber die neue Technik ist auch außerhalb der Medizin sehr nützlich, etwa in der Entwicklung neuer Werkstoffe in den Materialwissenschaften oder in der Charakterisierung von Halbleiterbauelementen. Schließlich lässt sich das Nano-CT-Verfahren auch auf neuartige, laser-basierte Röntgenquellen übertragen.

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