Renaissance des Röntgenlichts

Es sind dreidimensionale und extrem hochaufgel?ste Bewegtbilder des Flugapparats von Schmeissfliegen, die Marco Stampanoni, Professor an der ETH Z¨¹rich und Gruppenleiter am externe Seite Paul Scherrer Institut (PSI) im aargauischen Villigen, zusammen mit Forschungskollegen des Imperial College London und der Universit?t Oxford pr?sentierte. F¨¹r Stampanoni war es eines seiner pers?nlichen Forschungshighlights des vergangenen Jahres.

Die bewegten dreidimensionalen Aufnahmen mit der Aufl?sung von wenigen Mikrometern sind ein gutes Beispiel daf¨¹r, wie viel Wissenschaftler heute, 120 Jahre nachdem Wilhelm Conrad R?ntgen die nach ihm benannte Strahlung entdeckte, damit erreichen k?nnen. Marco Stampanoni geh?rt zu jenen Wissenschaftlern, die in den vergangenen Jahren die R?ntgenmikroskopie massgeblich weiterentwickelt haben. Was auch immer der 41-j?hrige Tessiner an seinem Hauptarbeitsplatz, der externe Seite Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI, heute unter sein Mikroskop legt, er kann hochaufl?sende dreidimensionale Bilder des Innern seiner Untersuchungsobjekte herstellen.

M?glich sind solche pr?zisen Messungen und selbst Filme von bewegten Objekten wie den Schmeissfliegen, weil die SLS sehr intensives Licht, sogenannte Synchrotronstrahlung, produziert. ?Pro Sekunde f?llt sehr viel R?ntgenlicht auf das Untersuchungsobjekt?, erkl?rt der ETH-Professor, ?dies erlaubt uns, mit extrem kurzen Belichtungszeiten zu messen. Wenige Millisekunden reichen uns f¨¹r ein hochaufgel?stes Bild.?

Um die Synchrotronstrahlung zu gewinnen, ist eine Grossanlage wie etwa die SLS erforderlich. ?Diese Strahlung entsteht beispielsweise auch beim bekannten Teilchenbeschleuniger LHC am Cern in Genf. Dort ist sie allerdings ein Abfallprodukt, das nicht genutzt wird, weil der LHC f¨¹r einen anderen Zweck gebaut wurde?, erkl?rt ETH-Professor Stampanoni. ?Die SLS hingegen ist speziell gebaut worden, um die Synchrotronstrahlung zu nutzen.?

Obschon diese Strahlung sehr intensiv ist, f¨¹r das menschliche Auge ist sie nicht sichtbar ¨C sie liegt im Wellenl?ngenbereich von R?ntgenstrahlung und von kurzwelliger UV-Strahlung. Dass Wissenschaftler diese Strahlung Licht nennen und folglich auch SLS f¨¹r ?Synchrotron Lichtquelle Schweiz? steht, hat historische und physikalische Gr¨¹nde. Denn mit R?ntgenstrahlung lassen sich Objekte durchleuchten. Ausserdem ist elektromagnetische Strahlung im ganzen Spektrum von Gammastrahlung und R?ntgenstrahlung ¨¹ber das sichtbare Licht bis hin zu Mikrowellen und Radiowellen im Wesentlichen ein und dasselbe. Diese Strahlung unterscheidet sich einzig in ihrer Wellenl?nge.

Klassisches R?ntgen weiterentwickelt

Neben ihrer Intensit?t hat die in der Synchrotron Lichtquelle entstehende R?ntgenstrahlung noch einen weiteren Vorteil: Sie ist so genannt koh?rent, das heisst, sie besteht aus Wellen mit einem einheitlichen Schwingungsmuster. Diese Koh?renz ist eine wichtige Voraussetzung f¨¹r das so genannte Phasenkontrast-R?ntgen, eine derzeit intensiv erforschte Weiterentwicklung des klassischen R?ntgens, die noch mehr Details im Innern von Untersuchungsobjekten offenbart. Das Phasenkontrast-R?ntgen ist ein weiteres Forschungsstandbein von ETH-Professor Marco Stampanoni.

Vereinfacht gesagt wird beim herk?mmlichen R?ntgen Strahlung auf einen K?rper geschickt und dahinter gemessen, wie viel davon den K?rper durchdringen konnte. Knochen beispielsweise absorbieren die R?ntgenstrahlung, Weichteile hingegen werden vom R?ntgenlicht durchdrungen. Mit konventionellem R?ntgen k?nnen im Innern eines K?rpers also Strukturen sichtbar gemacht werden, die sich in ihren Absorptionseigenschaften wesentlich von ihrer Umgebung unterscheiden.

Beim Phasenkontrast-R?ntgen hingegen zeichnen Detektoren nicht nur die Intensit?t des nicht absorbierten R?ntgenlichts auf. Zus?tzlich messen sie auch, ob die Strahlung im Innern des Objekts wegen der beiden physikalischen Ph?nomene der Beugung und Brechung geringf¨¹gig abgelenkt wurde. ?Daraus k?nnen wir sehr scharfe und kontrastreiche Bilder berechnen und im Gewebe Strukturen abbilden, die mit der herk?mmlichen R?ntgentechnik nicht oder nur unscharf zu erkennen sind?, sagt Stampanoni.

Interessant f¨¹r Mammografie

Bis vor Kurzem waren Wissenschaftler f¨¹r die f¨¹r das Phasenkontrast-R?ntgen so zentrale koh?rente Strahlung auf Synchrotron-Grossforschungsanlagen angewiesen. Forschenden des PSI ist es vor wenigen Jahren jedoch gelungen, auch herk?mmliche R?ntgenr?hren, wie es sie zum Beispiel in Arztpraxen und Spit?lern gibt und die nichtkoh?rente Strahlung herstellen, f¨¹r diese Zwecke zu nutzen. Die Wissenschaftler benutzen dazu einen Trick und eine Anordnung von mehreren speziell angefertigten Gittern mit einer Abfolge von ?usserst d¨¹nnen, parallel angeordneten Stegen und Schlitzen. Ein erstes solches Mikrogitter aus Gold zwischen R?ntgenr?hre und Untersuchungsobjekt macht die R?ntgenstrahlung koh?rent, ein zweites Gitter aus Silizium teilt die elektromagnetischen Wellen auf in mehrere, sich ¨¹berlagernde Wellen. Ein drittes Mikrogitter aus Gold hilft den Wissenschaftlern, im entstandenen ?berlagerungmuster ?nderungen festzustellen und daraus zu berechnen, wie stark die Strahlung gebeugt und gebrochen wurde.

?Interessant ist diese Technik unter anderem in der Mammografie zur Fr¨¹herkennung von Brustkrebs?, so Stampanoni. Erste Tests der Forschenden mit Proben von Brustgewebe weisen darauf hin, dass sich damit verschiedene Arten von Mikroverkalkungen in der weiblichen Brust unterscheiden lassen, die sich bisher mit konventionellem R?ntgen nicht unterscheiden liessen. Diese Mikroverkalkungen sind ein Hinweis auf einen Tumor im Fr¨¹hstadium, weshalb die Technik ?rzten k¨¹nftig helfen k?nnte, auf nichtinvasive Weise b?sartige Brustver?nderungen besser zu erkennen. Diese Arbeit bezeichnet der Physiker als sein zweites Forschungshighlight des letzten Jahres: ?Es ist ein sehr sch?nes Beispiel, wie man Know-how aus der Grundlagenforschung an einer Forschungsgrossanlage nehmen und jedem Menschen zur Verf¨¹gung stellen kann.?

Bislang arbeiteten die Wissenschaftler um Stampanoni mit einem Prototyp, der f¨¹r den Einsatz in der Klinik nicht geeignet ist. Ausserdem untersuchten sie vorerst Proben von Brustgewebe, nicht aber direkt Patientinnen. ?Zu unseren n?chsten Zielen geh?rt jedoch, ein spitaltaugliches Ger?t zu entwickeln und damit auch erste klinische Studien durchzuf¨¹hren?, so Stampanoni.

Plastiksprengstoff erkennen

Auch f¨¹r weitere Anwendungen k?nnte das Phasenkontrast-R?ntgen dereinst infrage kommen, etwa f¨¹r verbesserte Flughafen-Gep?ck-Scanner. Bisherige Scanner k?nnen beispielsweise nicht zwischen Plastiksprengstoff und K?se unterscheiden, da diese beiden Stoffe vergleichbare Absorptionseigenschaften haben. Die Beugungs- und Brechungseigenschaften dieser Stoffe unterscheiden sich jedoch, weshalb das Phasenkontrast-R?ntgen Vorteile bringen w¨¹rde.

Marco Stampanoni arbeitet derweil an seinen n?chsten Mikroskopieprojekten: Er m?chte einerseits das Gehirn einer Maus nichtinvasiv dreidimensional mit allen, selbst kleinsten Blutgef?ssen in einer bisher nie erreichten Aufl?sung von weniger als einem Mikrometer kartieren. Zum Vergleich: Bei heutigen, mit einem herk?mmlichen Computertomografen erstellten Gehirnbildern ist die Aufl?sung rund tausendmal schlechter. Eine grosse Herausforderung wird es dabei sein, ein Bild mit so grossen Datenmengen in vern¨¹nftiger Zeit aufzunehmen. Andererseits ist Stampanoni daran, die Lunge einer lebenden und atmenden Maus inklusive der kleinsten Lungenver?stelungen zu mikroskopieren. Wegen der Lungenbewegungen ist dort speziell die Geschwindigkeit seiner Methode gefragt. ?Die Zeit ist reif f¨¹r solche Weiterentwicklungen?, so Stampanoni, ?denn wir erleben derzeit eine Renaissance des R?ntgenlichts.? Beim Phasenkontrast-R?ntgen seien die Fortschritte der letzten Jahre so gross, dass sie nun auch f¨¹r die medizinische Diagnostik interessant werde. Ausserdem existierten heute sehr schnell messende Detektoren.

H?tte man vor zehn Jahren ein vergleichbar hochaufl?sendes dreidimensionales Bild des K?rperinneren einer Schmeissfliege erstellen wollen, h?tte eine Messung mehrere Stunden gedauert, sagt Stampanoni. An einen Film mit zehn dreidimensionalen Bildern pro Sekunde w?re noch nicht zu denken gewesen.