Bildgebung mit Röntgenstrahlen: Neues Verfahren ermöglicht ultraschnelle 3-D-Bilder von Nanostrukturen

Linsenlose Mikroskopie mit Röntgenstrahlen, oder coherent diffractive imaging, ist in der Bildgebung ein vielversprechender Ansatz. Sie bietet die Möglichkeit, komplexe dreidimensionale Strukturen, wie sie in der Natur häufig vorkommen, dynamisch zu untersuchen.

“Während zweidimensionale Aufnahmen bereits schnell und effizient erstellt werden können, sind 3-D-Aufnahmen bisher noch eine Herausforderung”, betont die Leibniz Universität Hannover. In der Regel werde von einem Objekt aus hunderten Einzelaufnahmen rechnerisch ein dreidimensionales Bild erzeugt. Dies bedeute einen hohen zeitlichen Aufwand, große Datenmengen und hohe Strahlungssummen.

Ein Impuls, zwei Aufnahmen, ein räumliches Bild
Einem Team aus Forschenden unter Beteiligung der Leibniz Universität Hannover sei  es nun gelungen, diesen Prozess deutlich zu beschleunigen. Sie entwickelten ein Verfahren, bei dem von einem Objekt mit einem einzelnen Laserimpuls zwei Aufnahmen aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen werden könnten, welche dann zu einem räumlichen Bild zusammengesetzt würden. “Ähnlich wie das menschliche Gehirn aus den zwei leicht unterschiedlichen Bildern der beiden Augen ein Stereobild formt”, verdeutlicht die Universiät. Das Verfahren des computergestützten räumlichen Sehens sei im Bereich des maschinellen Sehens und der Robotik bereits etabliert. Hier werde es nun erstmals im Bereich der Bildgebung mit Röntgenstrahlen eingesetzt. Beispielsweise Proteinstrukturen könnten so deutlich schneller analysiert werden.

„Unser Verfahren ermöglicht 3-D-Rekonstruktionen im Nanometerbereich mit einer einzigen Aufnahme, welche sich aus zwei Bildern mit unterschiedlichem Blickpunkt zusammensetzt“, erläutert Prof. Milutin Kovacev vom Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover und einer der Mitautoren der Studie.
Die Autorinnen und Autoren erwarten, dass das Verfahren großen Einfluss auf die 3-D-Strukturabbildung von einzelnen Makromolekülen haben wird und sehen Anwendungsmöglichkeiten in Biologie, Medizin und Industrie.

Seine Ergebnisse hat das Team aus Frankreich, Deutschland und Portugal im Fachmagazin “Nature Photonics” veröffentlicht. Die Arbeit wurde von Laserlab Europe gefördert, einem Konsortium europäischer Labore zur Stärkung der interdisziplinären Laserforschung.

Originalartikel:
J. Duarte, R. Cassin, J. Huijts, B. Iwan, M. Kholodtsova, F. Fortuna, L. Delbecq, H. Chapman, M. Fajardo, M. Kovacev, W. Boutu and H. Merdji. Computed stereo lensless X-ray imaging. Nature Photonics 13.
doi: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0419-1

Quelle: Leibnitz Universität Hannover