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© Klaus Achterhold/TU München
Beschleunigerstruktur der kompakten Synchrotronquelle: Ziel ist die Erzeugung von monochromatischen Röntgenwellen.
© Elena Eggl/TU München

Röntgenaufnahme einer Maus: (vlnr) normales Röntgenbild (Absorption), Phasenkontrast- und Dunkelfeldbild.

 
Zahnheilkunde 29. Mai 2015

Neue Röntgentechnik verbessert Kontrast von Weichgeweben

Forscher der TU München haben eine Technologie entwickelt, um Gewebestrukturen erkennbar zu machen, die mit herkömmlichen Röntgengeräten kaum sichtbar sind.

Erkrankungen des Weichgewebes lassen sich mit normalen Röntgengeräten nur schwer erkennen. Gerade im Schädelbereich werden Veränderungen der Kiefer- oder Nebenhöhlen oft nur unzureichend dargestellt. Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben nun an einer kompakten Synchrotronquelle eine Technik entwickelt, die zusätzlich zur Absorption auch Phasenverschiebung und Streuung der Röntgenstrahlen misst.

Röntgenaufnahmen sind aus dem medizinischen Alltag nicht mehr wegzudenken. Knochen beispielsweise absorbieren aufgrund ihres hohen Kalziumgehalts Röntgenstrahlen stark. So unterscheiden sie sich von Luft gefüllten Hohlräumen wie der Lunge und vom umliegenden Weichgewebe deutlich. Weichteile, Organe und Strukturen innerhalb von Organen wie Tumore, sind jedoch mit den heute in der Medizin eingesetzten Geräten kaum zu unterscheiden, da sie einen sehr ähnlichen Absorptionskoeffizienten besitzen.

Weichgewebsstrukturen werden sichtbar

Mit einer neuen Technologie ist es Wissenschaftlern um Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik am Physik-Department der TU München, nun erstmals gelungen, solche Weichgewebestrukturen sichtbar zu machen. Die Wissenschaftler nutzten dazu ein neue Art Röntgenquelle, die erst vor wenigen Jahren entwickelt wurde.

Kompakte Synchrotronquelle

Im Gegensatz zu klassischen Röntgenröhren erzeugt ein Synchrotron stark gebündelte, monochromatische Röntgenwellen. Strahlen also, die alle die gleiche Energie und Wellenlänge besitzen. Röntgenstrahlen mit solchen Eigenschaften konnten bislang nur an großen Teilchenbeschleunigern – mit einem Umfang von mindestens einem Kilometer – erzeugt werden. Im Vergleich dazu ist die Kompakt-Synchrotronquelle nur etwa so groß wie ein Auto und passt in ein normales Labor. „Monochromatische Strahlung ist viel besser geeignet, um neben der Absorption noch andere Parameter messen zu können“, erklärt Elena Eggl, Doktorandin am Lehrstuhl für Biomedizinische Physik. „Dies liegt daran, dass sie nicht wie das breit gefächerte Spektrum normaler Röntgenröhren zu Artefakten führt, die die Bildqualität verschlechtern.“

In den fokussierten Röntgenstrahl brachten die Wissenschaftler optische Gitter ein und konnten so zusätzlich zur Absorption der Röntgenstrahlen auch kleinste Phasenverschiebungen und Streuungen der Strahlen an der Probe messen. Die erste Phasenkonstrast-Tomografie an einer kompakten Synchrotronquelle war gelungen. Die mit der neuen Technik gewonnenen Phasenkontrast-, Dunkelfeld- und Absorptionsbilder ergänzen sich gegenseitig. Flüssigkeiten und Gewebe, die im Absorptionsbild klassischer Röntgenröhren nicht unterscheidbar und damit unsichtbar sind, kommen so plötzlich zum Vorschein. Der durch die neue Röntgentechnik stark verbesserte Weichteilkontrast könnte zudem helfen Tumore früher zu erkennen oder eine schnelle Diagnose – beispielsweise in einem medizinischen Notfall – zu ermöglichen.

Enorme Trennschärfe

Wie trennscharf die neue Technik ist, zeigt sich beim Vergleich von weißem und braunem Fettgewebe. „In einer Maus konnten wir nicht nur Herz, Leber und andere Organe sehr viel besser erkennen, sondern sogar weißes von braunem Körperfett unterscheiden“, sagt Eggl. Während diese Experimente an einem ersten prototypischen Aufbau bei der Lyncean Technologies Inc. in Kalifornien entstanden sind, wird derzeit auf dem Forschungscampus Garching eine deutlich verbesserte Kompaktsynchrotronquelle aufgebaut. Sie ist Teil des neuen „Center for Advanced Laser Applications“ (CALA), einem Gemeinschaftsprojekt der TU München und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). Hier wollen Eggl und Pfeiffer, in Zusammenarbeit mit Kollegen aus der Laserphysik der LMU und MPQ, die neue Röntgentechnik weiter verbessern.

Originalpublikation: Eggl, e. et. al. X-ray phase-contrast tomography with a compact laser-driven synchrotron source., in: Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS, Early Edition, April 20, 2015

TU München, Zahnarzt 6/2015

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