3D-Röntgenfilme in Echtzeit

Ein Verfahren zur Aufnahme von 3D-Röntgenfilmen, das die Bewegungen im Inneren eines Objektes oder Lebewesens sichtbar macht, haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie entwickelt und an einem lebenden Käfer veranschaulicht: Aus bis zu hunderttausend zweidimensionalen Röntgenaufnahmen pro Sekunde konnten sie ganze 3D-Filmsequenzen in Echtzeit oder in Zeitlupe erstellen. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.

Oben eine 3D-Röntgenaufnahme, auf der sich die inneren Strukturen – darunter die Hüftgelenke – des Kornkäfers als Konturen abzeichnen. Unten ein Filmstreifen mit Lochrand, der in mehreren Röntgenbildern von links nach rechts den Bewegungsablauf eines krabbelnden Kornkäfers zeigt.
3D-Röntgenfilm

Tomy dos Santos Rolo und seinen Kollegen gelang der Röntgenfilm in mikroskopischer Vergrößerung, indem sie die 3D-Bildfrequenzen den von 2D-Kinofilmen bekannten Bildraten annäherten. Dabei rekonstruierten sie jedes einzelne dreidimensionale Bild, ein sogenanntes Tomogramm, aus Hunderten zweidimensionaler Röntgenaufnahmen. „Um mit einer derartigen Aufnahmegeschwindigkeit hoch aufgelöste Tomogramme zu produzieren, mussten wir an jeder verfügbaren Stellschraube von der Röntgenquelle bis zum Pixeldetektor drehen und alle Prozessschritte optimal aufeinander abstimmen“, erklärt dos Santos Rolo. Auf diese Weise konnten die Forscher die schnelle Bewegung der Hüftgelenke eines krabbelnden Kornkäfers filmen.

3D-Darstellung eines rundlichen Körperteils des Käfers, aus dem ein Hüftgelenk ragt. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Gelenks ist rundherum mit vielen, kleinen Pfeilen markiert.
Hüftgelenk eines Kornkäfers

Für die wissenschaftliche Auswertung ist es wesentlich, dass sich die dreidimensionalen Umrisse der anatomischen Strukturen klar abzeichnen. Das wird durch den sogenannten Phasenkontrast ermöglicht: Durchleuchten hochparallele Röntgenstrahlen das biologische Untersuchungsobjekt, kommt es zu wellenoptischen Phänomenen, die zu einer deutlichen Betonung der inneren und äußeren Konturen führen. „Auf genau diese Umrisse kommt es uns an. Wir wollen einzelne funktionale Elemente unterscheiden, die sich bei Bewegungen gegeneinander verschieben. Dafür sind wir in erster Linie auf scharfe Konturen angewiesen“, so Koautor Alexey Ershov. Von der Röntgenquelle bis zur fertigen Bewegungsanalyse sind daher alle Prozessstufen auch darauf ausgelegt, Bildrauschen herauszufiltern, ohne die Kontraste zu entschärfen.

In Anlehnung an die ersten Bewegtbilder – die Cinematografie – nennen die Wissenschaftler ihr Verfahren „Cinetomografie“. Im ausgehenden 19. Jahrhundert standen die Bewegungen von Großtieren im Fokus. Heute können Forscher die inneren biologischen Prozesse von Kleinorganismen analysieren, wie sie am kürzlich entdeckten Schraubengelenk des Kornkäfers demonstrieren. Die Cinetomografie kann aber nicht nur biologische oder biotechnologische Vorgänge vierdimensional abbilden, sondern beispielsweise auch für die Industrie relevante Verbrennungsprozesse.