Detaillierter Röntgenblick in die Lunge einer lebendigen Maus

Nachrichten aus dem Physik-Department – 2013-12-19

Ein Forscherteam am Physik-Department und am Institut für Medizintechnik der TUM hat die Phasenkontrast-Röntgentomographie erstmals an einer lebenden Maus erprobt. Mit der neuen bildgebenden Methode erhielten sie vor allem extrem kontrastreiche Bilder der Atmungsorgane.

Einzigartige Bilder aus dem Körperinneren einer lebenden Maus hat ein Team um die Physiker Dr. Martin Bech und Prof. Franz Pfeiffer vom Lehrstuhl für Biomedizinische Physik am Physik-Department aufgenommen. Mit einem eigens entwickelten Kleintierscanner führten die Forscher erstmals eine Phasenkontrast-Röntgen-Radiographie einer lebenden Maus durch. Dabei kamen detaillierte Bilder von Weichteilen des Tieres zum Vorschein. Diese ersten „in-vivo“-Aufnahmen ebnen den Weg, das Verfahren künftig in Kliniken einzusetzen. Die im Fachmagazin „Scientific Reports“ veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass sich das Phasenkontrast-Verfahren besonders gut für die Bildgebung von Atmungsorganen eignet. Sie könnte daher künftig für die klinische Diagnostik von Lungenerkrankungen eingesetzt werden.

Erste in-vivo Vielfach-Kontrast-Röntgenaufnahmen einer Maus.(links) Konventionelle Röntgenaufnahme aufgrund von Abschwächung.(mittig) Differentielle Phasenkontrast-Aufnahme aufgrund von Röntgenbeugung. (rechts) Dunkelfeldaufnahme aufgrund von Kleinwinkel-Röntgenstreuung. Die weißen Balken entsprechen 1 cm. Bild: M. Bech / TUM

Seit einigen Jahren entwickeln die Wissenschaftler um Prof. Franz Pfeiffer das Verfahren der Phasenkontrast-Röntgentomographie. Es könnte die Bildqualität für die medizinische Diagnostik entscheidend verbessern. Die Technologie basiert auf dem Phänomen, dass Röntgenstrahlen beim Auftreffen auf Gewebe nicht nur absorbiert, sondern auch gebeugt werden und nutzt dabei gezielt die Wellennatur des Röntgenlichts. Im Vergleich zu konventionellen Röntgenaufnahmen liefern die durch das Phasenkontrastverfahren gewonnenen Bilder zusätzliche komplementäre Information darüber, wie stark die Strahlen von Strukturen im Körper abgelenkt werden.

Das Verfahren haben sich die Wissenschaftler um Martin Bech genutzt. Mit einem „Kleintierscanner“, haben sie erstmals eine lebende Maus untersucht. Das Gerät, ein weltweit einzigartiger Prototyp, wurde am Lehrstuhl für Biomedizinische Physik der Technischen Universität München von Prof. Franz Pfeiffer mit Alexander Sasov von der Firma Bruker micro-CT entwickeltet. Die Forscher untersuchten die Maus in einer speziell eingebauten Vorrichtung, ähnlich einem „Mäusebett“. Die Messung ergab drei komplementäre Röntgenaufnahmen: Ein konventionelles Röntgenbild, eine Phasenkontrastaufnahme, die auf der Strahlenbrechung basiert sowie eine Dunkelfeldaufnahme, die auf der Lichtstreuung beruht. Diese ersten „in-vivo“-Aufnahmen liefern insgesamt eine wesentlich genauere Bildinformation für die medizinische Diagnostik. Besonders gut konnte durch das Verfahren der Kontrast im Bereich der Atmungsorgane dargestellt werden. Dies weist darauf hin, dass es sich insbesondere für die Diagnose von Lungenerkrankungen (z. B. Lungenfibrose oder Lungenemphyseme) eignen könnte. Besonders bemerkenswert an dem Ergebnis ist, dass selbst Einflüsse wie die Atmung oder der Herzschlag der Maus während der Untersuchung (die Gesamtbelichtungszeit beträgt etwa 50s) die Bildgebung nicht wesentlich negativ beeinflussten.

Das Experiment ist ein großer Schritt in Richtung einer klinischen Anwendung der Phasenkontrast-Röntgentomographie. Die Ergebnisse der Wissenschaftler fließen in die Zusammenarbeit mit dem Klinikum Großhadern der Ludwig-Maximilians-Universität ein. Dort untersuchen Physiker und Mediziner innerhalb des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), wie sich die röntgenbasierte Phasenkontrast-Bildgebung für Patienten einsetzen lässt und für welche Krankheitsbilder die neue Methodik den größten medizinischen Nutzen bietet. Erste klinische Studien an Gewebeproben haben bereits sehr positive Ergebnisse gezeigt; durch das Verfahren lässt sich insbesondere Weichteilgewebe gut darstellen. Auf dem Weg zum klinischen Einsatz am Menschen sind zwar noch einige technische Herausforderungen zu meistern, doch die Wissenschaftler um Martin Bech sind mit diesem Experiment einen entscheidenden Schritt vorangekommen.

Text
Judith Eckstein (MAP), Dr. Johannes Wiedersich

Veröffentlichung

In-vivo dark-field and phase-contrast x-ray imaging

M. Bech, A. Tapfer, A. Velroyen, A. Yaroshenko, B. Pauwels, J. Hostens, P. Bruyndonckx, A. Sasov, and F. Pfeiffer

Scientific Reports 3: 3209 (2013) (open access)

Kontakt

Dr. Martin Bech
Lehrstuhl für Angewandte Biophysik Physik-Department E17 Technische Universität München James-Franck-Str. 1 85748 Garching Tel: +49 89 289-10807 E-Mail: martin.bech@tum.de http://www.e17.ph.tum.de
Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Lehrstuhl für Angewandte Biophysik Physik-Department E17 Technische Universität München James-Franck-Str. 1 85748 Garching Tel: +49 89 289-12551 E-Mail: franz.pfeiffer@tum.de http://www.e17.ph.tum.de
Prof. Dr. Dr. h. c. Maximilian Reiser
Klinikum der Universität München Institut für Klinische Radiologie Marchioninistr. 15 81377 München Tel: +49 89 7095-2750 E-Mail: Maximilian.Reiser@med.uni-muenchen.de http://www.klinikum.uni-muenchen.de

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