Neuer einfacher Versuchsaufbau für Röntgen-Phasenkontrast

Verbesserte Bildgebung durch spezielle Streuung von Röntgenstrahlen

2014-07-11 – Nachrichten aus dem Physik-Department

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. Wissenschaftler des Physik-Departments der TUM, des Royal Institute of Technology in Stockholm (KTH) und des University College London (UCL) haben jetzt gezeigt, dass verlässliche Pha­sen­kon­trast­auf­nah­men­ schon mit einem sehr einfachen Versuchsaufbau und einer Laborstrahlenquelle von extrem hoher Strahlkraft produziert werden können.

Röntgenphasenkontrasttechnik nimmt gleichzeitig drei Röntgen-Bilder auf
Mit der 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. (Abbildung: 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 Abschwächung (Absorption). Bilder, die mit dieser Methode erzeugt werden, sind deshalb oft von sehr viel höherer Qualität als die Absorptionsbilder. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Prof. Franz Pfeiffer arbeiten 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.

In ihrer neuen Studie haben die Wissenschaftler 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, so dass zufällige Strukturen entstanden. Diese „speckles“, wie sie in Fachkreisen genannt werden, liefern eine Vielzahl von Informationen über das Objekt, das sie durchdringen. Die gestreuten Röntgenstrahlen werden mit einer hochauflösenden Röntgenstrahl-Kamera aufgefangen und die Informationen daraufhin durch Analysieren der Daten gewonnen.

Intensitäts-„Landkarte“ der gestreuten Röntgenstrahlen
Auf der Abbildung ist eine Intensitäts-„Landkarte“ der gestreuten Röntgenstrahlen zu sehen, die eine Vielzahl von zufällig verteilten hellen und dunklen Flecken, so genannte „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. (Abbildung: I. Zanette / TUM)

Hohe Genauigkeit und neuartige Röntgenquelle

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 Phasen-Bild und eine Dunkelfeld-Aufnahme“, erklärt Dr. Irene Zanette, leitende Wissenschaftlerin der Studie. „Das Phasen-Bild 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.

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, Projektpartner der TUM. „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 die Pläne der Wissenschaftler.

Redaktion
Dr. Vera Siegler, Dr. Johannes Wiedersich

Veröffentlichung

Speckle-based X-ray Phase-contrast and Dark-Field Imaging with a Laboratory Source
I. Zanette, T. Zhou, A. Burvall, U. Lundström, D. H. Larsson, M. Zdora, P. Thibault, F. Pfeiffer, and H. M. Hertz
Phys. Rev. Lett., 2014. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.253903

Kontakt

Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Inhaber des Lehrstuhls für Biomedizinische Physik
Tel.: +49 89 289 - 10807
Dr. Irene Zanette
Postdoktorandin
Tel.: +49 89 289 - 10802
Lehrstuhl für Biomedizinische Physik
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1
85748 Garching

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