3D-Bildgebung mit niedriger Röntgenstrahlendosis eröffnet neue Horizonte
Ein CT-Scan nutzt eine rotierende Röntgenquelle, die tausende Perspektiven aus verschiedenen Winkeln einfängt, um digitale 3D-Abbildungen im Querschnitt herzustellen. Dies ist erforderlich, da der Detektor für jede Perspektive lediglich den Schatten des gesamten Objekts erkennt.
Eine neuartige Röntgenkamera
Das EU-finanzierte Projekt VOXEL verfolgt eine Überwindung dieser Herausforderung durch die Anwendung von plenoptischer Bildgebung. Projektkoordinatorin Marta Fajardo erklärt hierzu: „Unser Ansatz erfasst nicht nur das Licht, das den Detektor erreicht, sondern auch, aus welcher Richtung dieses Licht kommt. Dies bedeutet, dass wir mit nur einer einzigen Perspektive mit einer bestimmten Genauigkeit jeden Punkt des Objekts in 3D berechnen können.“ Das wissenschaftliche Team von VOXEL besteht aus Koryphäen im Bereich Röntgenmetrologie, Wellenfrontsensorik, Atomphysik, mathematische Informatik und medizinische 3D-Bildgebung. Im Zuge des Projekts wurde eine neuartige Kamera entwickelt, die aus einer Röntgenquelle, einer Kollimationsoptik zur möglichst effizienten Bestrahlung des Objekts, einer Hauptlinse, einer Vorrichtung zur Richtungserfassung des eingehenden Strahls, sowie einem Detektor besteht. Dies ist das erste Mal, dass diese Art von Kameraanordnung für ein Röntgenverfahren entwickelt wurde. Die Forscher mussten technische Herausforderungen in Verbindung mit der Herstellung der Röntgenoptik überwinden. Unter Verwendung von sichtbarem Licht, das ihnen dabei half, die Erstellung der Röntgenoptik einzuschränken, wandten Sie technische und mathematische Untersuchungen auf einen Prototypen an. Dies führte zur Herstellung von zwei Kameraprototypen, einem für die Mikroskopie kleiner biologischer Zellen unter Verwendung von weichem Röntgenstrahlenlicht und einem für die Abbildung von Kleintieren unter Verwendung von härterem Röntgenstrahlenlicht. Die Wissenschaftler haben es erst vor Kurzem geschafft, die ersten plenoptischen Voxel-Röntgenbilder einzufangen und die Datenverarbeitung ist noch im Gange. Die Messungen haben jedoch die Bauweise der Kamera für die Gewinnung von 3D-Informationen mit sehr hoher Auflösung unter Verwendung weicher Röntgenstrahlen bestätigt. „Die Funktionsweise plenoptischer Bildgebung mit Röntgenstrahlen sicherzustellen, ist zweifelsohne unser wichtigster Erfolg“, erklärt Fajardo. Ferner weist sie darauf hin, dass die wissenschaftlichen Teams kurz vor der Herstellung einer 3D-Kamera für die Anwendung bei Kleintieren oder in der Histologie stünden. Ein ganzer menschlicher Körper kann noch nicht abgebildet werden und würde weitere Fortschritte in der Röntgenoptik voraussetzen.
Zukunftsaussichten für die Röntgenkamera
Laut Fajardo hätte sich VOXEL vor vier Jahren auf ein sehr riskantes Abenteuer eingelassen, doch die aktive und enge Zusammenarbeit der verschiedenen Teams hätte zu einem erfolgreichen Ergebnis beigetragen. Die durch das Projekt erworbenen Fachkenntnisse und Kooperationen halfen den Teammitgliedern dabei, sich selbst in diesem Gebiet zu etablieren und trugen auch zur Ausbildung der nächsten Generation von Nachwuchswissenschaftlern bei. Da die Rotation der Röntgenquelle oder die Beprobung vermieden wird, ermöglicht die bahnbrechende Technologie von VOXEL die Verwendung äußerst geringer Strahlendosen für eine maximale Wirkung in Medizin und Biologie. Trotz der Prototypen gibt es nach wie vor zahlreiche Konstruktionsherausforderungen, bevor eine Röntgenkamera zu kommerziellen Zwecken produziert werden kann. Der industrielle Partner von VOXEL hat bereits eine Startrampe für künftige und sich abzeichnende Technologien sichergestellt, um das Handelspotential der Röntgenkamera zu untersuchen. Es sind weitere Mittel erforderlich, um den Reifegrad der Prototypentechnologie zu erhöhen und die künftige Entwicklung vom Konzeptnachweis zur medizinischen Innovation zu unterstützen.
Schlüsselbegriffe
VOXEL, Röntgen, Kamera, Bildgebung, optisch, Prototyp, plenoptisch, Dosis, Strahlung, CT-Scan
