Das virtuelle Mikroskop:
Synchrotron-basierte Computertomographie
Synchrotronstrahlung ist die beste und hellste Röntgenstrahlung. In den letzten Jahrzehnten hat sie sich sehr weiterentwickelt. Die erste Beschreibung von Synchrotronstrahlung stammt aus dem Jahr 1947. Seitdem ist das Interesse daran gewachsen, vor allem in der Physik und bei der Forschung mit Festkörpern. In den letzten Jahrzehnten gab es neue Möglichkeiten in der Forschung und Diagnostik.
Das Prinzip der Synchrotronstrahlung beruht auf der Bewegung von Elektronen. Wenn sich die Elektronen schnell genug bewegen, senden sie Energie aus, die größer ist als die von Röntgenwellen. Die Elektronen werden in das Booster-Synchrotron eingebracht und auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht. Dabei werden sie auf bis zu 6 Giga-Elektronenvolt (GeV) gebracht.
Wenn sich der Strahl ändert, verliert er Energie. Diese Energie wird als Synchrotronstrahlung genutzt, um Bilder zu machen. Spezielle Magnete sorgen dafür, dass die Strahlung kohärent und hell ist. Sie ist damit so gut wie eine moderne Laserstrahlung. Die Synchrotronstrahlung ist hundertmilliardenmal heller als eine gewöhnliche Röntgenquelle, wie sie in der medizinischen Bildgebung verwendet wird. Das bedeutet, dass man besser sehen kann als bei einer normalen Computertomografie. Die meisten konventionellen, klinisch genutzten Bildgebungsverfahren nutzen den Effekt, dass Röntgenstrahlung bei Durchdringung des Gewebes abgeschwächt wird.
Bei dem Verfahren der hierarchischen Phasenkontrasttomografie werden Dämpfungseffekte zusätzlich genutzt. Die Phasenverschiebungen von elektromagnetischer Strahlung werden in Intensitätsschwankungen umgewandelt. Diese werden vom Detektor aufgezeichnet und in hoher Kantenschärfe dreidimensional rekonstruiert. 2020 wurde die ESRF zu einer Röntgenquelle der „vierten Generation“ aufgerüstet. Dadurch wurde eine „hierarchische“ Phasenkontrast-CT (HiP-CT) möglich.
Hierarchische Phasenkontrasttomographie (HiP-CT)
Die hierarchische Phasenkontrasttomographie ist eine fortschrittliche bildgebende Methode, die insbesondere in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung feiner Gewebestrukturen eingesetzt wird. Sie basiert auf der Erfassung von Phasenverschiebungen des Röntgenstrahls, die durch Unterschiede im Brechungsindex der Gewebe entstehen, und ermöglicht so eine hochauflösende Darstellung von Strukturen mit geringem Kontrast, wie z.B. Weichgewebe, ohne den Einsatz von Kontrastmitteln.
Durch die hierarchische Anwendung werden die Proben auf verschiedenen räumlichen Skalen untersucht, was eine detaillierte und umfassende Analyse von Mikro- bis Makrostrukturen ermöglicht. Diese Technik ist besonders nützlich in der Früherkennung und Charakterisierung von pathologischen Veränderungen, wie Tumoren oder Gefäßanomalien.