zur Navigation zum Inhalt
© Schaff et al. /Nature
Darstellung der Orientierung der Kollagenfasern innerhalb einer Zahnprobe. Die Einzeldaten wurden mit Röntgenstreuung-CT aufgenommen und daraus eine dreidimensionale Nanostruktur der Probe berechnet.
 
Zahnheilkunde 4. Februar 2016

Neues Röntgenverfahren ermöglicht Blick ins Zahninnerste

Europäische Forscher haben eine neue Methode entwickelt, mit der die Nanostruktur von Kollagenfasern in einem Stück Dentin sichtbar wird.

Ein Team der Technischen Universität München (TUM), der Universität Lund, der Charité Berlin und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben jetzt ein neues CT-Verfahren entwickelt, das nicht die Absorption, sondern die Streuung von Röntgenstrahlen nutzt. Mit dieser Methode können nun erstmals Nanostrukturen in millimetergroßen Objekten – zum Beispiel im Zahninneren – dargestellt werden.

Sowohl in der Materialforschung als auch in der biomedizinischen Forschung ist es wichtig, selbst kleinste Nanostrukturen, beispielsweise in Knochen oder Kohlefaserwerkstoffen, darzustellen. Grundsätzlich existiert die Röntgen-Computertomographie bereits seit den Sechzigerjahren: Ein Objekt wird aus verschiedenen Richtungen mit Röntgenstrahlen durchleuchtet, und ein Computer generiert aus diesen Einzelbildern in weiterer Folge ein dreidimensionales Bild des Objekts. Hierbei wird die unterschiedliche Absorption von Röntgenstrahlen in verschiedenen Materialien als Kontrast verwendet.

Streuung von Röntgenstrahlen als Ausgangspunkt

Die neue Methode, die Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik an der TUM, und sein Team entwickelt haben, nutzt aber nicht die Absorption der Strahlen, sondern deren Streuung. Um die Möglichkeiten dieser neuen Methode zu demonstrieren, machten die Forscher die dreidimensionale Struktur von Kollagenfasern in einem Stück menschlichen Zahn sichtbar. Die Ergebnisse konnten sie vor kurzem in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichen.*

Streuung liefert detailliertes Bild von Nanostrukturen

Prinzipiell verhalten sich Röntgenstrahlen genauso wie Licht mit sehr kleiner Wellenlänge. Damit lässt sich auch die neue Methode er gut klären: Strahlt man Licht auf eine strukturierte Oberfläche, wie z.B. von einer CD, entsteht in der Reflexion ein charakteristisches Regenbogenmuster. Obwohl man die feinen Rillen der CD nicht direkt sehen kann, wird so durch die Ablenkung der Lichtstrahlen – auch Streuung genannt – indirekt Information über die Beschaffenheit des Objekts bekannt.

Kombination aus Röntgen und Computertomographie

Der gleiche Effekt kann auch mit Röntgenstrahlung beobachtet werden; diesen Umstand haben die Wissenschaftler für ihre Methode genutzt. Der Vorteil von Röntgenstrahlen gegenüber sichtbaren Lichts ist die Möglichkeit, Material zu durchdringen und so detaillierte Informationen aus dem Inneren von Objekten zu liefern. Die Forscher haben diese dreidimensionale Streuinformation jetzt mit der Computertomographie (CT) kombiniert.

Das konventionelle Tomographieverfahren errechnet für jeden dreidimensionalen Bildpunkt innerhalb eines Objektes – einem sogenannten Voxel – genau einen Wert. Das neu entwickelte Verfahren erlaubt es nun, jedem einzelnen Voxel eine Vielzahl von Werten zuzuordnen, da das Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen kommt „Durch diese zusätzliche Information können wir erheblich mehr über die Nanostruktur eines Objektes lernen, als dies derzeit mit herkömmlichen Tomographieverfahren möglich ist. Über die indirekte Messung der Streuung lassen sich jetzt auch sehr kleine Strukturen darstellen, die vorher zu winzig für eine direkte räumliche Auflösung waren“, erläutert Professor Pfeiffer.

Innenansicht eines Zahns

Für Demonstrationszwecke untersuchten die Wissenschaftler ein rund drei Millimeter großes Stück eines menschlichen Zahns. Ein Großteil des humanen Zahns besteht aus dem Stoff Dentin. Dieser setzt sich wiederum zu einem überwiegenden Teil aus mineralisierten Kollagenfasern zusammen, deren Struktur hauptverantwortlich für die mechanischen Eigenschaften des Zahns ist. Die Wissenschaftler der TU München konnten dieses winzige Fasergeflecht jetzt sichtbar machen.

Insgesamt wurden zu diesem Unterfangen annähernd 1,4 Millionen Streubilder aufgenommen, bei denen das Streulicht aus ganz unterschiedlichen Richtungen kam. Die einzelnen Streubilder wurden anschließend mit einem eigens zu diesem Zweck entwickelten Algorithmus verarbeitet, um in weiterer Folge schrittweise eine komplette Rekonstruktion der dreidimensionalen Streuverteilung zu erstellen. „Unser Algorithmus berechnet für jedes Streubild individuell die exakte Richtung der Streuinformation und erstellt danach Gruppen gleicher Streurichtung. Mit dieser Methode lassen sich die aufgenommenen Strukturen sehr genau rekonstruieren“, sagt Martin Bech, ehemaliger PostDoc der TUM und jetzt Assistenz-Professor an der Universität Lund in Schweden .

Dreidimensionale Orientierung der Kollagenfasern

Somit konnte erstmals die dreidimensionale Orientierung der Kollagenfasern innerhalb einer Probe dieser Größe klar dargestellt werden. Die Ergebnisse sind in Einklang mit dem bisherigen, aus dünnen Schnitten gewonnenen Wissen über die untersuchten Strukturen.

„Für große Objekte eignet sich nach wie vor ein hoch entwickeltes Computertomographie-Verfahren besser. Die Darstellung von Strukturen im Nanometerbereich in millimetergroßen Objekten ist aber erst durch unsere neue Methode in dieser Präzision möglich“, erklärt Dr. Florian Schaff, Erstautor der Publikation.

*Originalstudie:

Florian Schaff, Martin Bech, Paul Zaslansky, Christoph Jud, Marianne Liebi, Manuel Guizar-Sicairos und Franz Pfeiffer, Six-dimensional real and reciprocal space small-angle x-ray scattering tomography,

Nature, 19. November 2015.

DOI: 10.1038/nature16060

TU München, Zahnarzt 1/2/2016

Zu diesem Thema wurden noch keine Kommentare abgegeben.

Mehr zum Thema

<< Seite 1

Medizin heute

Aktuelle Printausgaben