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ABOVE: Mikro-CT gescanntes Bild des Piranhas Catoprion mento. Die blau gefärbten Segmente im Inneren des Skeletts sind vom Piranha gefressene Fischschuppen (auch vergrößert neben dem Fisch dargestellt). Credit: University of Washington.

• Was ist ein Mikro-CT-Scan?
• Wie funktioniert ein Mikro-CT-Scanner?
• Was bedeutet zerstörungsfreie Prüfung?
• Was sind die Vorteile des Mikro-CT-Scans?
• Was ist der Unterschied zwischen medizinischen CT- und Mikro-CT-Scans?
• Was ist der Unterschied zwischen in vivo und ex vivo Mikro-CT-Scans?
• Was ist Nanotomographie oder Nano-CT-Scans?
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Was ist Mikro-CT-Scannen?

Mikro-CT ist eine 3D-Bildgebungstechnik, die Röntgenstrahlen verwendet, um das Innere eines Objekts Schicht für Schicht zu sehen. Mikro-CT, auch Mikrotomographie oder Mikro-Computertomographie genannt, ähnelt der CT- oder CAT-Bildgebung in Krankenhäusern, allerdings in kleinerem Maßstab und mit wesentlich höherer Auflösung. Proben können mit einer Pixelgröße von bis zu 100 Nanometern abgebildet werden, und Objekte können mit einem Durchmesser von bis zu 200 Millimetern gescannt werden.

Mikro-CT-Scanner nehmen eine Reihe von planaren 2D-Röntgenbildern auf und rekonstruieren die Daten in 2D-Querschnittsschichten. Diese Schnitte können zu 3D-Modellen weiterverarbeitet und sogar als physische 3D-Objekte zur Analyse ausgedruckt werden. Mit 2D-Röntgensystemen kann man durch ein Objekt hindurchsehen, aber mit der Leistung von 3D-Mikro-CT-Systemen kann man in das Innere des Objekts sehen und seine inneren Merkmale erkennen. Es liefert volumetrische Informationen über die Mikrostruktur, und zwar zerstörungsfrei.

Wie funktioniert ein Mikro-CT-Scanner?

Die Röntgenstrahlen werden in einer Röntgenquelle erzeugt, durch die Probe übertragen und vom Röntgendetektor als 2D-Projektionsbild aufgenommen. Anschließend wird die Probe auf dem Drehtisch um einen Bruchteil eines Grades gedreht, und es wird ein weiteres Röntgenprojektionsbild aufgenommen. Dieser Schritt wird über eine 180-Grad-Drehung (oder manchmal 360 Grad, je nach Probentyp) wiederholt. Die Serie von Röntgenprojektionsbildern wird dann durch einen Rechenprozess, der „Rekonstruktion“ genannt wird, in Querschnittsbilder umgewandelt. Diese Schnitte können analysiert, zu 3D-Modellen weiterverarbeitet, gefilmt, als 3D-Objekte gedruckt und vieles mehr werden.

Lesen Sie mehr über die Funktionsweise eines Mikro-CT-Scanners.

Was bedeutet zerstörungsfreie Prüfung?

Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) bedeutet, dass die gescannte Probe oder der Prüfling während der Prüfung oder bei der Vorbereitung der Prüfung nicht verändert oder zerstört wird. Auf diese Weise kann die Probe für historische Aufzeichnungen aufbewahrt, zu einem späteren Zeitpunkt erneut geprüft, für eine andere Prüfung verwendet oder in die Endproduktion gegeben werden. Bei einigen anderen Techniken müssen die Proben gefärbt, geschnitten oder beschichtet werden, was die Struktur der Probe, ihre weitere Verwendbarkeit oder ihre Verwendung in späteren Studien beeinträchtigen kann. Es gibt mehrere Techniken, die es ermöglichen, Proben in ihrem ursprünglichen Zustand abzubilden, darunter Lichtmikroskopie, Laserscanning, Fotografie im sichtbaren und anderen Spektralbereich und mehr. Mikro-CT ist eine dieser Techniken, bei der die meisten der untersuchten Proben in unverändertem Zustand gescannt werden.

Welche Vorteile bietet das Mikro-CT-Scannen?

Mikro-CT liefert hochauflösende 3D-Bildinformationen, die mit keiner anderen zerstörungsfreien Technik gewonnen werden können. Es kann zur Untersuchung der inneren Struktur von materiellen und biologischen Proben verwendet werden, ohne dass die Proben aufgeschnitten werden müssen, so dass die Proben für künftige Untersuchungen erhalten bleiben. Die quantitativen Informationen, die aus dem Mikro-CT-Scannen gewonnen werden, können nur aus 3D-Bildern gewonnen werden, und digitale 3D-Modelle, die aus virtuellen Mikro-CT-Schnitten erstellt werden, ermöglichen es den Wissenschaftlern, beliebige Parameter für den Vergleich in Vorher-Nachher-Studien zu messen.

Diese einzigartigen Eigenschaften des Mikro-CT-Scannens ermöglichen es den Wissenschaftlern, die Morphologie einer Probe zu betrachten und Merkmale wie Porosität, Struktur / Knochendicke, Volumenanteil, Defektanalyse, Dichte, Partikelgröße, Hohlräume, Faserorientierung usw. zu untersuchen. Forscher verwenden Mikro-CT, um Knochen, Zähne, Gewebe/Organe, Verbundwerkstoffe, medizinische Geräte, Batterien und vieles mehr zu untersuchen.

Lesen Sie mehr über die verschiedenen Arten von Mikro-CT-Scannern.

Was ist der Unterschied zwischen medizinischen CT- und Mikro-CT-Scans?

Mikro-CT-Scans sind Röntgenaufnahmen in 3D, die die gleiche Methode wie medizinische CT- (oder „CAT“-) Scans verwenden, aber Mikro-CT ist in einem viel kleineren Maßstab mit einer wesentlich höheren Auflösung. Medizinische CT-Scans wurden in den 1970er Jahren als Hilfsmittel für die medizinische Bildgebung eingeführt; CT-Scans (oder Computertomografie) sind auf eine Auflösung von 1 Millimeter begrenzt, was für den klinischen Einsatz ausreichend ist. Für die Materialwissenschaft und die Bildgebung von Kleintieren wurde eine viel höhere Auflösung benötigt, und in den 1980er Jahren wurde das Mikro-CT-Scannen eingeführt. Mikro-CT-Scanner können auf der Ebene von einem Mikrometer, also einem Tausendstel Millimeter, und kleiner arbeiten.

Was ist der Unterschied zwischen In-vivo- und Ex-vivo-Mikro-CT-Scans?

In vivo (lateinisch für innerhalb des Lebens) werden lebende Proben gescannt, während sich Ex-vivo (lateinisch für außerhalb des Lebens) in der Regel auf Dinge bezieht, die einmal lebendig waren, oder auf Proben, die aus etwas Lebendigem herausgenommen wurden. Bei der Mikro-CT bezieht sich in vivo auf Systeme, die Mäuse und Ratten und in einigen Fällen Kaninchen scannen, während ex vivo Systeme typischerweise den Rest der Anwendungen abdecken.

Mit in vivo Mikro-CT-Instrumenten können, da das Tier am Leben bleibt, Längsschnittstudien durchgeführt werden, um die Auswirkungen von Medikamenten, Diäten, Hormonbehandlungen und anderen Behandlungen auf Tumore, Knochenwachstum und -qualität, Körpermasse und andere Anwendungen am selben Patienten zu messen. Dadurch kann die Anzahl der für eine Studie benötigten Tiere reduziert werden.

Ex-vivo-Mikro-CT-Instrumente eignen sich in der Regel für die übrigen Anwendungen, wie z. B. Endpunktstudien an bestimmten Regionen eines Tieres, die entfernt werden (Lungen, Knochen, Tumore, Implantate, Transplantate usw.), Biomaterialstudien, Implantate in großen Tieren, Materialstudien, Kompressionsstudien usw. Ex-vivo-Mikro-CT-Geräte ermöglichen eine höhere räumliche Auflösung, längere Scanzeiten (da die Dosis für die Probe nicht von Belang ist), ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und damit bessere Bilder. Ex-vivo-Systeme werden in der Regel für die meisten Anwendungen außerhalb eines lebenden Tieres verwendet.

Lesen Sie mehr über die Unterschiede zwischen In-vivo- und Ex-vivo-Mikro-CT-Scans.

Was ist Nanotomografie oder Nano-CT-Scans?

Nanotomografie (Nano-CT) ist ähnlich wie Mikro-CT und medizinische CT-Scans, jedoch mit Auflösungen in Nanometern statt in Mikrometern oder mm. Bei der Nano-CT wird eine nanofokussierte Röntgenquelle verwendet, um 2D-Bilder während einer 180- oder 360-Grad-Drehung einer Probe aufzunehmen. Mit Hilfe moderner Software werden diese Bilder dann in 2D-Querschnitte oder Schnitte durch die Probe umgewandelt. Diese Querschnitte geben dem Forscher die Möglichkeit, in die Probe hineinzuschauen, ohne sie aufschneiden zu müssen. Je kleiner der Brennpunkt der Quelle ist, desto höher ist die Auflösung, die beim Scannen der Probe erreicht werden kann. Nano-CT ist entscheidend für die Betrachtung feiner Details, die beim Aufschneiden der Probe zerstört würden.

Lesen Sie mehr über die zerstörungsfreie, hochauflösende Multiskalen-Röntgen-Nano-CT-Mikrotomographie.