12 Feb. Röntgenmethode liefert 3-D-Daten in Rekordzeit
Für die detaillierte Untersuchung biologischer Materialien wie Knochen waren bislang oft mehrere Verfahren erforderlich, darunter Elektronen- und Lichtmikroskopie. Am Zentrum für Photonenforschung des Paul Scherrer Instituts (PSI) wurde nun eine bereits vor rund zehn Jahren entwickelte Technik – die Tensortomografie – so verbessert, dass Materialstrukturen über verschiedene Skalen hinweg in deutlich kürzerer Zeit erfasst werden können.
Informationssteigerung durch Röntgenbeugung
Die Methode nutzt nach Angabe der Forschenden Röntgenstrahlung nicht nur zur Durchleuchtung, sondern auch zur Analyse von Beugungsmustern. Dabei wird die Probe schrittweise um zwei Achsen gedreht und mit einem schmalen Röntgenstrahl abgerastert. In jedem Messpunkt entsteht ein Interferenz muster, das von einer Kamera aufgenommen wird. Aus den Mustern lassen sich Kristallstrukturen sowie deren räumliche Orientierung ableiten. Ein Computerprogramm berechnet aus einer großen Anzahl solcher Einzelaufnahmen ein dreidimensionales Tomogramm der gesamten Probe. Für die Demonstration nutzte das Team die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) und untersuchte ein menschliches Gehörknöchelchen (Amboss). Dabei machten die Forschenden die Ausrichtung von Kollagenfasern sichtbar, die im Knochen für Zugfestigkeit und Elastizität relevant sind und die mechanischen Eigenschaften des Gewebes beeinflussen.
„Um unsere verbesserte Methode zu testen, brauchten wir nun noch eine interessante Probe“, sagt Christian Appel, Postdoktorand am PSI. In Zusammenarbeit mit Forschenden am Universitätsspital Lausanne wurde ein winziges Ohrknöchelchen, Amboss genannt, gewählt – nur wenige Millimeter groß, aber entscheidend für das Hörvermögen. Über den Amboss wird Schallenergie vom Trommelfell zum Innenohr übertragen. Wird der Amboss beispielsweise aufgrund einer chronischen Mittelohrentzündung beschädigt, so ist es mitunter nötig, ihn teilweise durch eine Prothese zu ersetzen. Dafür wiederum würden Ärzte gerne wissen, wie es im Inneren des Ambosses genau aussieht.
Marianne Liebi, Meitian Wang und Christian Appel (von links) an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Hier entwickelten sie eine neue Röntgentechnik. Bild: Mahir Dzambegovic / PSI
Signifikant beschleunigter Messvorgang
Ein wesentlicher Schritt bestand nach Angaben der Forschergruppe darin, sowohl die Rastertechnik als auch die Auswertesoftware zu optimieren. Während frühe Messungen bis zu einem Tag dauerten, soll sich nun ein komplettes Tomogramm in etwa einer Stunde aufnehmen lassen. Eine breit angelegte Zusammenarbeit über mehrere Forschungsgruppen des PSI ermöglichte laut den Forschenden eine Verbesserung sowohl der Rastertechnik, bei der das Objekt extrem genau positioniert und in winzigen Schritten gedreht werden muss, als auch der Computersoftware, die aus den einzelnen Interferenzmustern das fertige Tomogramm errechnet. Damit sollen Untersuchungen mit größeren Probenzahlen, wie sie in statistischen Studien der biomedizinischen Forschung benötigt werden, realistischer werden. Perspektivisch erwarten die Forschenden weitere Verbesserungen durch die Weiterentwicklung der SLS: Ein kleinerer Strahldurchmesser und ein höherer Röntgenfluss könnten die räumliche Auflösung erhöhen und Messungen zusätzlich beschleunigen. Anwendungen werden unter anderem in der Untersuchung komplexer Gewebe, bei der Analyse von Knochenkrankheiten sowie bei der Optimierung von Implantatdesigns gesehen.
Originalveröffentlichung:
[C. Appel et al.: Fast Small-Angle X-Ray Scattering Tensor Tomography: an Outlook into Future Applications in Life Sciences; Small Methods, 12.01.2026, DOI 10.1002/smtd.202500162]
Quelle: www.psi.ch
Bild: Christian Appel / PSI