Röntgenmikroskopie

„Ich sehe was, was du nicht siehst“ - dieses Kinderspiel wird bei der Gepäckkontrolle am Flughafen, für jeden Zahnarzt vor einer Wurzelbehandlung und für jede Radiologin bei der Auswertung von CT-Aufnahmen zum Alltagserlebnis. Mit Röntgenstrahlung kann man zerstörungsfrei ins Innere von Gegenständen oder Patienten schauen.

Heute gibt es etwa 1500 Computertomographen in deutschen Kliniken mit denen Medizinerinnen dreidimensionale Bilder mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm vom Körperinneren gewinnen. Diese Auflösung ist ausreichend für die meisten medizinischen Anwendungen. Im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung und der biomedizinischen Forschung ist man aber auf wesentlich schärfere Bilder angewiesen.

Im Röntgenlabor des MIBE befinden sich dazu zwei kommerzielle microCT Anlagen (versaXRM 500 der Firma ZEISS und v|tome|x s 240 der Firma GE) und ein nanoCT Aufbau, der vom Lehrstuhl für Biomedizinische Physik für extrem hohe räumliche Auflösungen entwickelt wurde. Diese Geräte decken zusammen einen Auflösungsbereich von etwa 0,1 µm (nanoCT) über 1 µm (Gerät „versaXRM“) bis 3 µm (Gerät „v|tome|x“) ab.

Die hohe räumliche Auflösung wird durch geometrische Vergrößerung mit einem divergenten Röntgenstrahl erreicht. Dazu wird die Probe möglichst nahe an einem sehr kleinen Fokuspunkt vor der Röntgenröhre platziert.

Die Röntgenstrahlen werden in der Probe je nach räumlich variierender Materialzusammensetzung unterschiedlich stark abgeschwächt und erzeugen so ein Projektionsbild auf einem zweidimensionalen Detektor. Während die Probe um 360° rotiert, werden etwa 1500 solcher Projektionsbilder aufgenommen und anschließend zu einem dreidimensionalen Bild umgerechnet.

Die Dauer einer Messung hängt von der Probengröße, dem Material und der benötigten räumlichen Auflösung ab und kann zwischen einigen Minuten bis wenigen Tagen betragen.

Blick in die Abschirmkabine des microCT Geräts „vltomelx“, mit dem Röntgen-Flächendetektor zur Linken, einer Probe in der Mitte und zwei Röntgenröhren rechts. Bild: Klaus Achterhold / TUM
Blick in die Abschirmkabine des microCT Geräts „vltomelx“, mit dem Röntgen-Flächendetektor zur Linken, einer Probe in der Mitte und zwei Röntgenröhren rechts.
Bild: Klaus Achterhold / TUM
Blick vom Detektor (nicht zu sehen) auf die Röntgenröhre gegen die Röntgenstrahlrichtung am nanoCT. Eine hängende Probe befindet sich sehr nah am Fokus der Röhre. Das Mikroskop rechts hilft bei der genauen Positionierung der Probe. Bild: Klaus Achterhold / TUM
Blick vom Detektor (nicht zu sehen) auf die Röntgenröhre gegen die Röntgenstrahlrichtung am nanoCT. Eine hängende Probe befindet sich sehr nah am Fokus der Röhre. Das Mikroskop rechts hilft bei der genauen Positionierung der Probe.
Bild: Klaus Achterhold / TUM

Weiterführende Informationen

nanoCT
[1] M. Müller, I. de Sena Oliveira, S. Allner, S. Ferstl, P. Bidola, K. Mechlem, A. Fehringer, L. Hehn, M. Dierolf, K. Achterhold, B. Gleich, J. U. Hammel, H. Jahn, G. Mayer, and F. Pfeiffer, Myoanatomy of the velvet worm leg revealed by laboratory-based nanofocus X-ray source tomography, PNAS (2017) 114 (47) 12378-12383, https://doi.org/10.1073/pnas.1710742114

[2] S. Ferstl, T. Schwaha, B. Ruthensteiner, L. Hehn, S. Allner, M. Müller, M. Dierolf, K. Achterhold, and F. Pfeiffer, Nanoscopic X-ray tomography for correlative microscopy of a small meiofaunal sea-cucumber, Scientific Reports (2020) 10:3960, https://doi.org/10.1038/s41598-020-60977-5

microCT (versaXRM)
[3] M. Busse, M. Müller, M. A. Kimm, S. Ferstl, S. Allner, K. Achterhold, J. Herzen, and Franz Pfeiffer, PNAS 115 (10) (2018) 2293-2298, Three-dimensional virtual histology enabled through cytoplasm-specific X-ray stain for microscopic and nanoscopic computed tomography, https://doi.org/10.1073/pnas.1720862115

[4] P. Bidola, K. Morgan, M. Willner, A. Fehringer, S. Allner, F. Prade, F. Pfeiffer, and K. Achterhold, Application of sensitive, high-resolution imaging at a commercial lab-based X-ray micro-CT system using propagation-based phase retrieval, Journal of Microscopy, Vol. 266, Issue 2 2017, pp. 211–220, https://doi.org/10.1111/jmi.12530

microCT (v|tome|x)
[5] D. Petz, M.J. Mühlbauer, A. Schökel, K. Achterhold, F. Pfeiffer, T. Pirling, M. Hofmann, A. Senyshyn, Heterogeneity of graphite lithiation in state-of-the-art cylinder- type Li-ion cells, Batteries & Supercaps; https://doi.org/10.1002/batt.202000178

[6] H. My Bui, R. Fischer, N. Szesni, M. Tonigold, K. Achterhold, F. Pfeiffer, O. Hinrichsen, Development of a manufacturing process for Binder Jet 3D printed porous Al2O3 supports used in heterogeneous catalysis, Additive Manufacturing 50 (2022) 102498, https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102498