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Von Röntgenstrahlen zum Phasenkontrast: Wie verbessern Wissenschaftler den Bildkontrast?
Mit der Weiterentwicklung der medizinischen Bildgebung wird die Anwendung der Röntgentechnologie immer häufiger. Herkömmliche Röntgenbildgebung basiert auf der Intensitätsabschwächung des Röntgenstrahls, um Bilder zu erzeugen. Diese Methode kann jedoch kleine Unterschiede im Gewebe nicht effektiv unterscheiden. Allerdings haben Wissenschaftler kürzlich die Phasenkontrast-Röntgenbildgebungstechnologie entdeckt, die durch Beobachtung der Phasenänderungen des Röntgenstrahls nach dem Durchgang durch das Objekt Bilder mit höherem Kontrast erzeugen kann, insbesondere bei der Erkennung von Proben mit Elementen mit niedriger Ordnungszahl .
Die Entwicklung der Phasenkontrast-Bildgebungstechnologie entstand aus der Beobachtung von Interferenzmustern. Diese Technologie ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Kontrasts von Bildern.
Das Grundprinzip der Phasenkontrast-Röntgenbildgebung besteht darin, dass Röntgenstrahlen, wenn sie eine Substanz durchdringen, nicht nur ihre Intensität ändern, sondern auch ihre Phase beeinflussen. Obwohl diese Phasenänderung nicht einfach direkt zu messen ist, kann sie in Änderungen der Bildintensität umgewandelt und aufgezeichnet werden. Daher kann die Phasenkontrasttechnologie nicht nur Projektionsbilder erzeugen, sondern auch mit anderen Technologien kombiniert werden, um reichhaltigere dreidimensionale Bildinformationen zu erhalten.
Pionierleistungen in der Geschichte dieser Technologie reichen bis ins Jahr 1895 zurück, als Wilhelm Conrad Röntgen Röntgenstrahlen entdeckte und erstmals Bilder menschlicher Knochen aufnahm. In den folgenden Jahrzehnten verbesserten Wissenschaftler die Röntgentechnologie weiter, doch erst Mitte des 20. Jahrhunderts gelang es Frits Zernike, das Prinzip des Phasenkontrasts erfolgreich auf die Mikroskopie mit sichtbarem Licht anzuwenden. Zernikes Entdeckung brachte ihm 1953 den Nobelpreis ein, aber die Übertragung des Konzepts auf die Röntgenbildgebung dauerte länger.
Der Erfolg der Phasenkontrast-Röntgenbildgebungstechnologie zeigt deutlich das komplexe Verhalten von Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Materie, das nicht so einfach ist wie die geometrische Optik.
In den 1970er Jahren erkannten Wissenschaftler mit dem Aufkommen der Synchrotronstrahlungstechnologie allmählich, dass diese Strahlung leistungsfähiger und flexibler war als herkömmliche Röntgenröhren. Diese Entdeckung löste eine Weiterentwicklung der Phasenkontrast-Röntgenbildgebung aus. Im Jahr 1965 entwickelten Ulrich Bangs und Michael Hart das Kristallinterferometer, das die Grundlage für die spätere biologische Bildgebung bildete. Allerdings können herkömmliche Röntgenröhren die Anforderungen dieser Kristalle nicht erfüllen.
Im Jahr 2012 durchbrachen die Forschungen von Han Wen und seinem Team die traditionellen Beschränkungen, indem sie nanoskalige Phasengitter als Ersatz für Kristalle verwendeten, und konnten in biologischen Proben erfolgreich Brechungskrümmungen von mehreren Grad nachweisen. Mit dem Aufkommen dieser neuen Technologien haben Wissenschaftler auch damit begonnen, effizientere Bildgebungsmethoden zu erforschen, einschließlich der auf Beugungsgittern basierenden Bildgebungstechnologie.
Wissenschaftler setzen sich dafür ein, die Phasenkontrast-Bildgebungstechnologie für klinische Anwendungen zu fördern, damit diese Technologie eine größere Rolle in der täglichen medizinischen Versorgung spielen kann.
Bei ihrer Forschung entdeckten die Wissenschaftler mehrere unterschiedliche Phasenkontrast-Bildgebungstechniken, wie etwa Ausbreitungsbildgebung und analysatorbasierte Bildgebung. Die Ausbreitungsbildgebungstechnologie basiert hauptsächlich auf der Erkennung von Fresnel-Streifen und erfordert keine optischen Komponenten. Das Aufkommen dieser Methode vereinfacht den Bildgebungsprozess erheblich. Bei der analysatorbasierten Bildgebung wird ein Bragg-Kristall als Winkelfilter verwendet, um nur einen Teil der Röntgenstrahlen zu reflektieren, die die Bragg-Bedingungen erfüllen, wodurch das Bild klarer wird.
Mit der Entwicklung dieser innovativen Technologien hat das Forschungsteam auch neue Methoden wie Kantenbeleuchtung und Gitterinterferenz entwickelt. Diese Technologien haben erhebliche Ergebnisse bei der Verbesserung des Bildkontrasts, insbesondere in der medizinischen Bildgebung, und machen die medizinische Behandlung präziser und detaillierter. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass sich diese Fortschritte nicht auf grundlegende pathologische Tests beschränken, sondern auch auf die Analyse komplexer Gewebeproben ausgerichtet sind und sich darüber hinaus auf präklinische Studien und praktische Anwendungen erstrecken.
Es ist erwähnenswert, dass einige der neuesten Forschungsergebnisse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zeigen, dass die Entwicklungsaussichten der Phasenkontrast-Bildgebungstechnologie, insbesondere im Bereich der Biomedizin, vielversprechend sind und ein wichtiges Instrument sein wird, um Ärzte bei der Erkennung von Krankheiten oder der Analyse pathologischer Veränderungen zu unterstützen früher. Darüber hinaus könnten diese strengen Bildgebungsmethoden mit zunehmender Weiterentwicklung der Technologie zum Standard in der Diagnostik werden und nicht nur die Genauigkeit der Diagnose verbessern, sondern auch den Behandlungseffekt für Patienten verbessern.
Die Phasenkontrast-Röntgenbildgebung reift allmählich heran. Wie wird sich die Bildgebungsmedizin in Zukunft weiterentwickeln und Details offenbaren, die noch nicht verstanden wurden?
