Forscher entwickeln hochauflösende Bildgebungsmethode für fragile Knochenstrukturen
Wissenschaftler aus Deutschland und der Schweiz haben ein neuartiges Nano-Tomographieverfahren entwickelt, das mithilfe von Röntgenstrahlung hochauflösende dreidimensionale (3D) Bilder fragiler Knochenstrukturen ermöglicht. Diese kürzlich in der Zeitschrift Nature vorgestellte Methode könnte zur Entwicklung besserer Therapieansätze gegen Osteoporose führen, eine der häufigsten Knochenerkrankungen bei älteren Menschen. Den Forschern von der Technischen Universität München (TMU) in Deutschland und vom Paul Scherrer Institut sowie der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich in der Schweiz zufolge wird Osteoporose bisher fast ausschließlich über die Messung einer allgemein verringerten Knochendichte bestimmt. Mit dieser neuen Methode erhält man viel ausführlichere Information über die damit verbundenen lokalen Struktur- und Knochendichte-Änderungen. Bisher waren die Möglichkeiten der Ärzte durch diesen Mangel an Detailinformationen über die Veränderung der Knochendichte begrenzt. "Mit unserem neu entwickelten Nano- CT-Verfahren [Computertomographie] ist es jetzt möglich, die Struktur- und Dichte-Änderungen des Knochens hochaufgelöst und in 3D darzustellen", erklärte der Leiter der Forschung, Professor Pfeiffer. "Damit kann man die der Osteoporose zugrunde liegenden Strukturänderungen auf der Nanoskala erforschen und bessere Therapieansätze entwickeln." Professor Pfeiffers Team hat bei der Entwicklung auf die Röntgen-Computertomographie (CT) zurückgegriffen. CT-Geräte werden im Krankenhaus und in der Arztpraxis tagtäglich zur diagnostischen Durchleuchtung des menschlichen Körpers verwendet: der Körper wird mit Röntgenstrahlen durchleuchtet und ein Detektor misst dabei unter verschiedenen Winkeln, wie viel Röntgenstrahlung jeweils absorbiert wird. "Im Prinzip werden einfach Röntgenbilder aus verschiedenen Richtungen aufgenommen", schreiben die Forscher. "Aus einer Vielzahl solcher Aufnahmen können dann mittels Bildverarbeitung digitale 3D-Bilder des Körperinneren erzeugt werden." Die neue Methode misst nun für jeden Beleuchtungswinkel sowohl die gesamte vom untersuchten Objekt absorbierte Intensität als auch die Teile des Röntgenstrahls, die in verschiedene Richtungen "gestreut" werden. Diese erzeugen für jeden Punkt des Objekts ein Streubild, das zusätzliche Informationen über die genaue Nanostruktur liefert, da die Röntgenstreuung gerade auf allerkleinste Strukturänderungen sensitiv ist, behaupten die Forscher. "Da wir dabei sehr viele Einzelbilder extrem präzise aufnehmen und verarbeiten müssen, war bei der Implementierung des neuen Verfahrens die Verwendung hochbrillanter Röntgenstrahlung und schneller, rauscharmer Pixel-Detektoren besonders wichtig", sagte Oliver Bunk, der an der vom schweizerischen PSI betriebenen Synchrotronlichtquelle den entsprechenden Experimentierplatz mit aufgebaut hat. Die Streubilder wurden anschließend mit einem Algorithmus verarbeitet, der von dem Team entwickelt wurde, hebt Martin Dierolf vom der TMU hervor: "Wir haben einen Bildrekonstruktionsalgorithmus entwickelt, der aus den über hunderttausend Streubildern ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild der Probe errechnet. "Dabei berücksichtigt der Algorithmus nicht nur die klassische Röntgenabsorption, sondern die wesentlich sensitivere Beeinflussung der Phase der Röntgenwellen." Roger Wepf, Leiter des Elektronenmikroskopiezentrums (EMEZ) an der ETH Zürich, wirft ein: "Das neue Nano-CT-Verfahren erreicht zwar nicht die Ortsauflösung, die derzeit in der Elektronenmikroskopie möglich ist, kann aber - aufgrund des hohen Durchdringungsvermögens von Röntgenstrahlung - dreidimensionale Tomographiebilder von Knochenproben liefern." Er fügte hinzu, dass "sich das neue Nano-CT-Verfahren darüber hinaus durch seine hohe Genauigkeit in der Knochendichtebestimmung auszeichnet, welche gerade für die Knochenforschung von entscheidender Bedeutung ist." Den Forschern zufolge wird das Verfahren genaueren Studien zu den Frühphasen der Osteoporose und der Evaluierung von Behandlungserfolgen verschiedener Therapien in klinischen Tests die Tür öffnen.
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