Hochauflösende Computertomographie

nanoCT: Dreidimensionale Mikrostrukturanalyse von Biomaterialien mit Submikrometer-Auflösung

  • Abb. 1a: Hochauflösende CT eines Mäuseoberschenkels mit 1 mm Durchmesser (R. Dacquin und P. Jurdic, IGFL, ENS Lyon)Abb. 1a: Hochauflösende CT eines Mäuseoberschenkels mit 1 mm Durchmesser (R. Dacquin und P. Jurdic, IGFL, ENS Lyon)
  • Abb. 1a: Hochauflösende CT eines Mäuseoberschenkels mit 1 mm Durchmesser (R. Dacquin und P. Jurdic, IGFL, ENS Lyon)
  • Abb. 1b: Kompaktes Labor-CT-System
  • Abb. 2: Funktionsprinzip der 3D-Kegelstrahl-Computertomografie
  • Abb. 3: Computertomografie eines Knochenersatzmaterials mit 10 µm Voxelgröße
  • Abb. 4: Computertomografie eines Schweineknochens mit 2 µm Voxelgröße
  • Dipl.-Phys. Frank Sieker, Area Sales Manager, GE Sensing & Inspection Technologies
  • PD Dr. Cornelia Kasper, Institut für Technische Chemie, Leibniz Universität Hannover

Hochauflösende Computertomografie (CT) mit industriellen Scannern hat sich zu einem leistungsstarken Werkzeug für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt. Abhängig vom Probenmaterial und der Probengröße können Auflösungen bis 1 µm oder sogar darunter erreicht werden. Da diese Auflösung im Vergleich zu den derzeit eingesetzten medizinischen Scanner wesentlich höher ist, ist der Einsatz der industriellen Systeme im Bereich der medizinischen Forschung sehr interessant.

Neueste nanoCT-Scanner stoßen mit ihrer Auflösung in Bereiche vor, die bisher der teuren und schwer verfügbaren Synchrotrontechnik vorbehalten war [1].
Besonders für Biomaterialien wie Implantate und Knochenersatzmaterialien werden die CT-Systeme immer häufiger für die Charakterisierung und präzise Vorhersage der Eigenschaften eingesetzt. Mit dem ex-vivo CT-System nanotom (Abb. 1b) der Produktlinie phoenix|x-ray von GE Sensing & Inspection Technologies können bei kleinen Proben Voxelgrößen von <500 nm (0,5 µm) erreicht werden. Dabei wird das komplette Volumen der Probe vollständig abgebildet, was z.B. die Analyse der Knochenstruktur ermöglicht. Für die Analyse von Knochen-Implantat-Übergängen muss auch das Metall des Implantats durchstrahlt werden können. Dies erreicht das nanotom durch den hohen verfügbaren Energiebereich von 20 kV-180 kV der highpower nanofocus Röntgenröhre. Weitere Anwendungsfelder sind die Untersuchungen von Titanproben, Kompositen, Keramiken und viele mehr. Die dieser Untersuchung zugrunde liegenden CT-Ergebnisse wurden mit dem nanotom gewonnen. Es ist das weltweit erste 180 kV nanofocus CT-System, dessen gesamter Aufbau vollständig auf die speziellen Bedürfnisse der höchstauflösenden Computertomographie in den Material- und verwandten Wissenschaften zugeschnitten ist. Das 3D-Volumenbild kann einfach per Mausklick am Bildschirm visualisiert und analysiert werden. Dies ermöglicht exakte Aussagen über die räumliche Verteilung unterschiedlicher Stoffe, die Materialdichte oder die Lage von Fasern, Porenräumen, Kleberschichten und Rissen mit höchster Vergrößerung und bester Bildqualität, ohne das Untersuchungsobjekt zu zerstören.

Operationsprinzip hochauflösender Computertomographie

Das nanotom funktioniert nach dem Prinzip der 3D-Kegelstrahl-Tomographie [2]: Hierzu wird die Probe ohne größeren Präparationsaufwand einfach zwischen Röntgenquelle und Detektor fixiert und zur Aufnahme der für die Rekonstruktion des 3D-Volumens erforderlichen 2D-Projektionen in mehreren hundert kleinen Schritten einmal um die eigene Achse gedreht.

Das Probenhandling und die Vorbereitung eines Scans sind schnell und problemlos: Die Probe wird einfach auf dem Präzisions-Rotationstisch fixiert und mittels granitbasierter Manipulation in eine Position gefahren, bei welcher der gewünschte Bildausschnitt und die gewünschte Vergrößerung erreicht werden. Der digitale 5 Megapixel Flächendetektor mit einem Sichtfenster von 120 x 120 mm (2.300 x 2.300 Pixel) und 50 µm Pixelgröße kann in drei verschiedene Positionen verschoben werden, so dass sich eine virtuelle Detektorbreite von bis zu 360 mm ergibt. Dies erlaubt eine große Vielfalt experimenteller Möglichkeiten. Die high-power nanofocus Röntgenröhre mit ihrer maximalen Beschleunigungsspannung von 180 kV und einer maximalen Röhrenleistung von 15 W emittiert an ihrem Wolfram- oder Molybdän-Target einen kegelförmigen Röntgenstrahl, welcher die Probe durchdringt und ihren absorptionabhängigen „Schatten" auf einen volldigitalen Multi-Megapixel-Detektor projiziert. Dabei hängt die erreichbare Auflösung von der Größe des zu untersuchenden Objektes ab: Je kleiner die Probe, desto näher kann sie an die Röntgenquelle herangefahren werden und desto höher ist die Auflösung. Die Bildschärfe wird prinzipiell durch die Größe des Brennflecks der Röntgenröhre bestimmt: Je kleiner der Brennfleck, desto schärfer die Abbildung auf dem Detektor.

Dank einer minimalen Brennfleckgröße der high-power nanofocus Röntgenröhre von unter einem Mikrometer kann das nanotom bei kleinen schwach absorbierenden Proben maximale 3D-Voxelauflösungen von 500 nm und darunter erzielen. Um stärker absorbierende, metallhaltige Proben zu durchstrahlen, kann die 180 kV Röntgenröhre jenseits des nanofocus-Models mit stärkerer Leistung und einem Brennfleck von wenigen Mikrometern betrieben werden. Dank dieses breiten Spektrums eignet sie sich damit für eine Vielzahl von materialwissenschaftlichen Einsatzfeldern. Neben diesen wesentlichen Hardwarekomponenten stammt auch die CT-Software datos|x von phoenix|x-ray. Mit ihrer Hilfe können nicht nur die Parameter für die CT-Aufnahme und die Rekonstruktion einfach eingestellt werden, sondern sie enthält auch Funktionen, welche das Einrichten eines Scans besonders erleichtern. Weitere Module erlauben es beispielsweise, prinzipbedingte Strahlaufhärtungseffekte und Ringartefakte vollautomatisch oder manuell zu reduzieren oder selbst minimale Drifteffekte automatisch auszugleichen. Dies kann gerade bei höchstauflösenden Scans von erheblicher Bedeutung für die Qualität der resultierenden Datensätze sein. Die CT startet mit der Aufnahme hunderter 2D-Durchstrahlungsbilder aus Winkeln <1-Grad pro Schritt während einer 360-Grad Umdrehung. Diese Projektionen enthalten Informationen über die Position und Dichte aller Röntgenstrahlung absorbierender Strukturen innerhalb der Probe. Die aufgenommenen Projektionen werden für die numerische Rekonstruktion des 3D-Volumens genutzt. Hierbei kommt ein optimierter gefilterter Rückprojektionsalgorithmus zur Anwendung [3]. Die Rekonstruktionszeit beträgt typischerweise wenige Minuten abhängig vom Umfang der Volumendaten. Die gewonnenen Volumendaten werden in tomographischen Schnitten in x-, y- und z-Richtung oder in einem 3D-Bild dargestellte, dessen Darstellung auf verschiedenste Weise, etwa durch stoffliche oder farbliche Segmentierung oder das Anwenden spezieller Filter, optimiert werden kann. Möglich sind halbtransparente Darstellungen zur Analyse der im Objekt vorhandenen Poren oder virtuelle Schnitte in beliebige Richtungen einfach per Mausklick. Dies ist einer der Gründe, warum diese Technik mechanische Schliffe zunehmend ersetzt.

Hochauflösende CT-Untersuchungen von Biomaterialien

Jeder Unterschied innerhalb des Untersuchungsobjektes bezüglich Materialzusammensetzung, Dichte oder Porosität, der sich auf die Absorption der Röntgenstrahlung auswirkt, kann mittels hochauflösender Computertomographie im 3D-Volumenbild visualisiert und einfach per Mausklick am Bildschirm analysiert werden. Dies ermöglicht exakte Aussagen über die räumliche Verteilung unterschiedlicher Stoffe, die Materialdichte oder die Porennetzwerkes mit höchster Vergrößerung und bester Bildqualität, ohne das Untersuchungsobjekt zu zerstören. Die mit dem nanotom erzielbaren CT-Ergebnisse erlauben die Analyse der räumlichen Mikrostruktur von Materialien mit Submikrometer-Auflösung. Die folgenden Abbildungen zeigen lediglich zwei der möglichen nanotom Anwendungen für hochauflösende Untersuchungen von Biomaterialien. Eine sehr wichtige Eigenschaft von Materialien, die als Knochenersatzstoffe eingesetzt werden, ist neben dem mechanischen Verhalten das Porennetzwerk, welches das Nachwachsen körpereigener Knochenzellen ermöglichen soll. Daher ist es für grundsätzliche Untersuchungen zur Knochenneubildung von hoher Relevanz genau die Ausgangsparameter zu kennen und damit die Eigenschaften der Knochenersatzstoffe im Hinblick auf eine schnellere Heilung von Knochendefekten zu optimieren (Abb. 3). Dabei sind auch einfache Vergleiche mit natürlichem Knochenmaterial möglich (Abb. 4).

Ausblick

Die Entwicklung hochauflösender nanoCT zeigt, dass diese Technik das Spektrum erkennbarer Mikrostrukturen deutlich erweitert und für vielerlei Anwendungen eine wirtschaftliche und leicht verfügbare Alternative zu klassischen Untersuchungsmethoden darstellt. Das nanotom eröffnet damit ganz neue Möglichkeiten in der 3D-Mikrostrukturanalyse und wird dazu beitragen, viele zerstörende Prüfmethoden zu ersetzen und dabei zugleich Zeit und Kosten zu sparen.

Literatur
[1] Bonse U. (Hrsg.): SPIE Conference Proceedings: Developments in X-Ray Tomography IV, SPIE Press (2004)
[2] Kak A.C. und Slaney M.: Principles of Computerized Tomographic Imaging, IEEE Press (1999)
[3] Feldkamp L.A. et al.: Practical Cone Beam Algorithm. Journal of the Optical Society of America, 1, 612-619 (1984)
[4] Brunke O. et al: Comparison between x-ray tube-based and synchrotron radiation-based μCT. Developments in X-Ray Tomography VI, edited by Stuart R. Stock, Proceedings of SPIE Vol. 7078 (2008)

Kontaktieren

Universität Hannover
Callinstr. 3 - 5
30167 Leibniz
Germany
Telefon: +49 511 762 2967
Telefax: +49 511 762 3004

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.