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Gold macht im CT unsichtbare Oberflächen sichtbar

Neue Methode zur Darstellung von bisher unsichtbaren Oberflächendetails mittels Computertomographie

Universität zu Köln

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10.05.2019: Während die dreidimensionale Darstellung und Analyse von biologischen Proben mit Hilfe von Computertomographie (CT) heute Routine sind, stellten gerade die feinen Oberflächendetails vieler Organismen bisher große Schwierigkeiten an die Visualisierung. Wissenschaftler der Universitäten Köln und Bonn sowie des Zoologischen Forschungsmuseums Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere, Bonn, haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der sich erstmals feinste Oberflächenstrukturen digital erfassen und darstellen lassen. Sie bedampfen hierfür die Präparate mit Gold, eine Technik, die bisher nur bei der Rasterelektronenmikroskopie angewendet wurde. Das Potential der neuen Anwendung erstreckt sich dabei auch auf angewandte Bereiche wie Materialwissenschaften oder die Qualitätskontrolle in produzierenden Unternehmen.

„Bislang ließen sich die feinsten Oberflächenstrukturen unserer Forschungsobjekte mittels computertomographischer Analysen schlicht nicht vernünftig darstellen“, erklärt Peter Rühr, M.Sc., Doktorand am Zoologischen Institut der Universität zu Köln. Gemeinsam mit Dr. Markus Lambertz, Zoologe an der Universität Bonn und am Museum Koenig, entwickelte er das neue Verfahren, um diese kontrastarmen Strukturen dennoch in den digitalen Scans sichtbar zu machen. Schlüssel zum Erfolg war dabei die Kombination der modernen röntgenbasierten Computertomographie und der traditionellen Probenvorbereitungen der Rasterelektronenmikroskopie.

Um Strukturen wie Borsten oder Schuppen auf der Körperoberfläche digital erfassen zu können, musste deren Röntgenkontrast selektiv, d.h. im Oberflächenbereich, erhöht werden. Die Lösung war letztlich recht schnell gefunden: Gold. Dieses Verfahren wird auch zur Vorbereitung der Rasterelektronenmikroskopie verwendet. Dort werden Proben gewöhnlich mit einer hauchdünnen Goldschicht bedampft. Bislang hatte jedoch noch niemand versucht, diese Methode auf die Computertomographie zu übertragen.

Der direkte Vergleich nicht behandelter Proben mit denen, die vor der Tomographie mit Gold bedampft wurden, brachte tatsächlich die erhofften Ergebnisse: Oberflächenstrukturen, die zuvor im Scan unsichtbar waren, waren nun deutlich zu erkennen. Gleichzeitig ließen sich aber auch die inneren anatomischen Details nach wie vor ohne Einschränkung rekonstruieren.

Um die Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten zu demonstrieren, wählten die Forscher daraufhin eine ganze Reihe verschiedener Objekte mit delikaten Oberflächenstrukturen aus, um ihre Methode breit zu testen. Peter Rühr erklärt: „Wir wollten zeigen, dass unser neuer Ansatz nicht nur für gewisse Organismengruppen funktioniert, sondern eine ganz grundsätzliche Methodenerweiterung der modernen Morphologie darstellt.“ So wurden unter anderem verschiedene Insekten, Vogelfedern, Pflanzenteile und sogar Spinnenseide untersucht. „Die nun darstellbaren morphologischen Details lassen sich zudem für zahlreiche Fragestellungen von der Taxonomie über funktionelle Betrachtungen bis hin zu museumspädagogischen Kontexten verwenden“, ergänzt Dr. Lambertz.

Für Markus Lambertz liegt die Eleganz in diesem neuen Verfahren besonders darin, dass es leicht zugänglich und kostengünstig, dabei aber dennoch extrem leistungsstark ist. Peter Rühr ergänzt: „Wir haben durch die erstmalige Kombination von zwei für sich bereits bestens etablierten Methoden etwas völlig Neues geschaffen, das uns nun eine Reihe von zuvor fest verschlossenen Türen in der dreidimensionalen Auswertung auch der feinsten Strukturen eröffnet.“

Originalveröffentlichung:
Peter T. Rühr, Markus Lambertz; "Surface contrast enhancement of integumentary structures in X‐ray tomography"; Journal of Anatomy; 2019

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