Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Röntgenverfahren: Details aus dem Inneren eines Zahns

19.11.2015

Sowohl in der Materialforschung als auch in der biomedizinischen Forschung ist es wichtig, selbst kleinste Nanostrukturen zum Beispiel in Knochen oder Kohlefaserwerkstoffen darzustellen. Ein Team der Technischen Universität München (TUM), der Universität Lund, der Charité Berlin und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben jetzt ein neues Computertomographieverfahren entwickelt, das nicht die Absorption, sondern die Streuung von Röntgenstrahlen nutzt. Mit dieser Methode können erstmals Nanostrukturen in millimetergroßen Objekten dargestellt werden. Die Forscher machten damit die dreidimensionale Struktur von Kollagenfasern in einem Stück menschlichen Zahn sichtbar.

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 ein dreidimensionales Bild des Objekts.


Darstellung der Orientierung der Kollagenfasern innerhalb einer Zahnprobe. Die Einzeldaten wurden mit Röntgenstreuung-CT aufgenommen und daraus eine dreidimensionale Nanostruktur der Probe berechnet. (Bild: Schaff et al. / Nature)

Hierbei wird die unterschiedliche Absorption von Röntgenstrahlen in verschiedenen Materialien als Kontrast verwendet. Die neue Methode, die Prof. Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik an der TUM, und sein Team entwickelt haben, nutzt aber nicht die Absorption der Strahlen, sondern deren Streuung. Die Ergebnisse konnten sie jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichen.

Streuung liefert detailliertes Bild von Nanostrukturen

Prinzipiell verhalten sich Röntgenstrahlen wie Licht mit sehr kleiner Wellenlänge. Damit lässt sich auch die neue Methode erklären: Strahlt man Licht auf eine strukturierte Oberfläche, 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.

Der gleiche Effekt kann auch mit Röntgenstrahlung beobachtet werden und das 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, jedem 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 mit herkömmlichen Tomographieverfahren. Über die indirekte Messung der Streuung lassen sich jetzt auch sehr kleine Strukturen darstellen, die vorher zu klein für eine direkte räumliche Auflösung waren“, erklärt Franz Pfeiffer.

Innenansicht eines Zahns

Für Demonstrationszwecke untersuchten die Wissenschaftler ein rund drei Millimeter großes Stück eines menschlichen Zahns. Ein Großteil eines menschlichen Zahns besteht aus dem Stoff Dentin. Er besteht zu einem großen Teil aus mineralisierten Kollagenfasern, deren Struktur hauptverantwortlich für die mechanischen Eigenschaften des Zahns ist. Die Wissenschaftler konnten dieses winzige Fasergeflecht jetzt sichtbar machen.

Insgesamt wurden annähernd 1,4 Millionen Streubilder aufgenommen, bei denen das Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen kam. Die einzelnen Streubilder wurden anschließend mit einem eigens entwickelten Algorithmus verarbeitet, um 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. Damit lassen sich die aufgenommenen Strukturen rekonstruieren“, sagt Martin Bech, ehemaliger PostDoc der TUM und jetzt Assistenz-Professor an der Universität Lund.

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 hochentwickeltes CT-Verfahren besser. Die Darstellung von Strukturen im Nanometerbereich in millimetergroßen Objekten ist aber erst durch unsere neue Methode in dieser Präzision möglich“, erklärt Florian Schaff, Erstautor der Publikation.

Publikation
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
http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7578/full/nature16060.html

Kontakt
Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Lehrstuhl für Biomedizinische Physik
Department für Physik / IMETUM
Technische Universität München
Tel.: +49 89 289 12551 (Büro) / +49 89 289 12552 (Sekretariat)
franz.pfeiffer@tum.de

Weitere Informationen:

http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/32738 - Diese Pressemeldung im Web
http://www.tum.de/die-tum/aktuelles - Alle Pressemeldungen der TU München

Dr. Ulrich Marsch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Hochauflösende 3D-Ansicht des Tumorinneren
27.05.2020 | Technische Universität München

nachricht Kostengünstige Netzhaut-Diagnostik per Smartphone
25.05.2020 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

Eine Forschungskooperation der Universität Konstanz unter Federführung von Professor Dr. Christof Hauck (Fachbereich Biologie) mit Beteiligung des Klinikum Konstanz, eines Konstanzer Diagnostiklabors und des Konstanzer Unternehmens myPOLS Biotec, einer Ausgründung aus der Arbeitsgruppe für Organische Chemie / Zelluläre Chemie der Universität Konstanz, hat ein neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren entwickelt. Dieser Test ermöglicht es, Ergebnisse in der Hälfte der Zeit zu ermitteln – im Vergleich zur klassischen Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR).

Die frühe Identifikation von Patienten, die mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) infiziert sind, ist zentrale Voraussetzung bei der globalen Bewältigung...

Im Focus: Textilherstellung für Weltraumantennen startet in die Industrialisierungsphase

Im Rahmen des EU-Projekts LEA (Large European Antenna) hat das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg gemeinsam mit den Unternehmen HPS GmbH und Iprotex GmbH & Co. KG ein reflektierendes Metallnetz für Weltraumantennen entwickelt, das ab August 2020 in die Produktion gehen wird.

Beim Stichwort Raumfahrt werden zunächst Assoziationen zu Forschungen auf Mond und Mars sowie zur Beobachtung ferner Galaxien geweckt. Für unseren Alltag sind...

Im Focus: Biotechnologie: Enzym setzt durch Licht neuartige Reaktion in Gang

In lebenden Zellen treiben Enzyme biochemische Stoffwechselprozesse an. Auch in der Biotechnologie sind sie als Katalysatoren gefragt, um zum Beispiel chemische Produkte wie Arzneimittel herzustellen. Forscher haben nun ein Enzym identifiziert, das durch die Beleuchtung mit blauem Licht katalytisch aktiv wird und eine Reaktion in Gang setzt, die in der Enzymatik bisher unbekannt war. Die Studie ist in „Nature Communications“ erschienen.

Enzyme – in jeder lebenden Zelle sind sie die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse und machen dort Reaktionen möglich. Genau diese...

Im Focus: Biotechnology: Triggered by light, a novel way to switch on an enzyme

In living cells, enzymes drive biochemical metabolic processes enabling reactions to take place efficiently. It is this very ability which allows them to be used as catalysts in biotechnology, for example to create chemical products such as pharmaceutics. Researchers now identified an enzyme that, when illuminated with blue light, becomes catalytically active and initiates a reaction that was previously unknown in enzymatics. The study was published in "Nature Communications".

Enzymes: they are the central drivers for biochemical metabolic processes in every living cell, enabling reactions to take place efficiently. It is this very...

Im Focus: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ein wichtiger Schritt zum Neuromorphen Rechnen: richtungsweisende Arbeit aus Dresden

28.05.2020 | Materialwissenschaften

Wieso Radium-Monofluorid den Blick ins Universum fundamental verändern kann

28.05.2020 | Physik Astronomie

Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

28.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics