Новый метод компьютерной томографии визуализирует наноструктуру костей
Опубликовано lana в 25 сентября, 2010 - 00:08
Новый метод нанотомографии, разработанный группой
ученых из Технического университета Мюнхена (Technische Universitaet
Muenchen – TUM), Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute – PSI)
и Федеральной политехнической школы Цюриха (Eidgenössische Technische
Hochschule Zürich – ETH Zurich), открывает двери исследованиям
мельчайших структур с наномасштабным разрешением с помощью компьютерной
томографии. Становится возможным получение детального трехмерного
изображения тонких костных структур. Первое изображение, полученное
исследователями с помощью КТ-визуализации, опубликовано в журнале Nature. Новый метод будет способствовать прогрессу как в биологических науках, так и в материаловедении.
Остеопороз, заболевание, при котором кости становятся ломкими и
хрупкими из-за потери плотности, одно из самых распространенных
заболеваний, связанных с процессом их старения. В Германии оно
затрагивает состояние здоровья около четверти населения старше 50 лет.
Количество костного вещества у таких больных быстро уменьшается, приводя
к значительному повышению риска переломов. Сегодня остеопороз
диагностируется почти исключительно путем установления общего снижения
костной плотности. Такой подход, однако, дает мало информации о не менее
важной характеристике – локальной структуре и изменениях плотности
кости. Франц Пфайфер (Franz Pfeiffer), профессор кафедры биомедицинской физики TUM и руководитель группы исследователей, разрешил эту дилемму:
 Профессор доктор Франц Пфайфер (Franz Pfeiffer).
(Фото: portal.mytum.de)
«Использование нашего нового метода компьютерной нанотомографии
делает возможным визуализировать структуру кости и изменения в плотности
с высоким разрешением и в 3D. Это позволяет нам исследовать связанные с
остеопорозом структурные изменения в наномасштабе и, таким образом,
разрабатывать более эффективные терапевтические подходы».
Группа Пфайфера создала компьютерный томограф (КТ), основанный на
рентгеновском излучении. Принцип работы компьютерного томографа хорошо
известен – каждый день КТ-сканеры используются в больницах для
диагностического скрининга организма человека. В процессе такого
исследования организм пациента подвергается облучению рентгеновскими
лучами, в то время как детектор под разными углами записывает, какое
количество излучения было поглощено. В принципе это не что иное, как
получение многочисленных рентгеновских снимков, сделанных с различных
направлений. После обработки большое количество таких снимков
используется для создания цифровых 3D-изображений.
Новый метод измеряет не только общую интенсивность излучения, которое
было поглощено объектом исследования под каждым углом, но и
рентгеновские лучи, отраженные в разных направлениях –
«дифрагированные», говоря языком физики. Такая дифракционная картина
создается для каждой точки образца. Это дает дополнительную информацию о
точной наноструктуре, так как рентгеновское излучение особенно
чувствительно к мельчайшим структурным изменениям.
«Так как нам нужно получить и обработать очень большое количество
отдельных изображений с чрезвычайной точностью, для реализации метода
было особенно важно использование рентгеновского излучения высокой
яркости и высокочувствительных детекторов с низким уровнем шума» –
говорит один из авторов разработки Оливер Бунк (Oliver Bunk).
И то, и другое оказалось доступным в Швейцарском источнике синхротронного излучения (Swiss Light Source) в PSI.
Полученные дифракционные картины затем обрабатываются с помощью разработанного учеными алгоритма. Мартин Дирольф (Martin Dierolf) из TUM, ведущий автор статьи в Nature
«Мы разработали алгоритм реконструкции изображения, создающий
трехмерное изображение образца с высоким разрешением, используя свыше
ста тысяч дифракционных картин. Этот алгоритм учитывает не только
классическое поглощение, но и значительно более чувствительный фазовый
сдвиг рентгеновского излучения».
Показательным примером использования нового метода было исследование
25-ти микрометрового тончайшего образца кости лабораторной мыши – с
удивительно точными результатами. Так называемые фазово-контрастные
КТ-изображения показывали даже самый малый разброс плотности костного
образца с чрезвычайно высокой точностью: были отчетливо видны поперечные
срезы полостей с находящимися в них костными клетками и примерно
100-нанометровая сеть их взаимосвязей.
 Схематическое изображение нового метода нанотомографии, открывающего двери исследованиям
мельчайших структур с нанометровым разрешением с помощью компьютерной томографии.
(Credit: Image courtesy of Technische Universitaet Muenchen)
«Несмотря на то, что новый нано-КТ-метод не достигает
пространственного разрешения, доступного электронной микроскопии, он
может – благодаря высокой проникающей способности рентгеновских лучей –
создавать трехмерные томографические изображения образцов кости», –
комментирует Роджер Вепф (Roger Wepf), директор Центра
электронной микроскопии (Electron Microscopy Center) Федеральной
политехнической школы Цюриха. «Более того, новый нано-КТ-метод
отличается высокой точностью измерения плотности костной ткани, что
особенно важно при исследовании костей».
В частности, метод открывает двери более точному изучению ранних
стадий развития остеопороза и оценке терапевтических результатов
различных методов лечения при клинических исследованиях».
Новый метод очень интересен и для не медицинского использования.
Другие области его применения включают в себя разработку новых
материалов в материаловедении или характеристику полупроводниковых
компонентов.
Аннотация к статье: Martin Dierolf, Andreas Menzel, Pierre Thibault,
Philipp Schneider, Cameron M. Kewish, Roger Wepf, Oliver Bunk, Franz
Pfeiffer. Ptychographic X-ray computed tomography at the nanoscale
Пожалуйста, оцените статью:
- Источник(и):
http://portal.mytum.de/…article_view
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/novyi-metod-kompyuternoi-tomografii-vizualiziruet-nanostrukturu-kostei
|
