Röntgen-Imaging für biowissenschaftliche Anwendungen

Gewinnen Sie mehr Erkenntnisse aus mineralisierten Gewebeproben

Multiskalare Aufnahmen von Knochen bis in den Nanometerbereich

Röntgen-Imaging ist für die Knochenforschung von unschätzbarem Wert, sowohl für die Probencharakterisierung als auch für die morphometrische Knochenmessung. Insbesondere die Röntgentechnologie MicroCT (µCT) wird häufig für die zerstörungsfreie Erstellung von 3D‑Datensätzen verwendet. Röntgen-Imaging kann im Gegensatz zu anderen Mikroskopietechniken mit intakten Proben durchgeführt werden. Eine Zerkleinerung der Probe oder die Anfertigung von Schnitten ist nicht erforderlich.

Morphometrische Knochenmessungen

Muriner Röhrenknochen mit segmentierter Spongiosa. Bildaufnahme: ZEISS Xradia Versa; Segmentierung und Animation: ORS Dragonfly Pro Bone Analysis-Modul. Probe aus der Sammlung von Daniel Wescott, University of Texas in San Marcos.

Einfache Quantifizierung von Knochenmikrostruktur

Knochenstrukturen und -zustände können mittels Röntgen-Imaging sichtbar gemacht werden, um wichtige Messungen wie die Spongiosadicke, die Knochenvolumenfraktion BV/TV oder das Verhältnis zwischen kortikalem und trabekulärem Knochenanteil durchführen zu können. Morphometrische Knochenmessungen mithilfe von µCT-Datensätzen müssen konsistent und wiederholbar sein und basieren auf Standardverfahren hinsichtlich Probenpräparation, Bildaufnahme und Bildverarbeitung.¹ Die Röntgenmikroskope der ZEISS Xradia-Produktfamilie bieten die hohe Kontrastfähigkeit, die für schnelle und einfache Standardaufnahmen benötigt wird.

Probe mit freundlicher Genehmigung von Daniel Wescott, University of Texas in San Marcos.
Muriner Röhrenknochen, zur Durchführung quantifizierbarer Standardknochenmessungen segmentiert und analysiert. Bildaufnahme: ZEISS Xradia Versa; Segmentierung, Analyse und Berichterstellung: ORS Dragonfly Pro Bone Analysis-Modul.

Muriner Röhrenknochen, zur Durchführung quantifizierbarer Standardknochenmessungen segmentiert und analysiert Probe mit freundlicher Genehmigung von Daniel Wescott, University of Texas in San Marcos. — Probe mit freundlicher Genehmigung von Daniel Wescott, University of Texas in San Marcos.
Muriner Röhrenknochen, zur Durchführung quantifizierbarer Standardknochenmessungen segmentiert und analysiert. Bildaufnahme: ZEISS Xradia Versa; Segmentierung, Analyse und Berichterstellung: ORS Dragonfly Pro Bone Analysis-Modul.

Wertvolle und präzise morphometrische Untersuchung von Knochen

Das ZEISS Xradia Context µCT eignet sich ideal für die Abbildung von Proben mit einer Größe im Millimeter- und Zentimeterbereich und liefert unübertroffene Bildqualität und Kontrast auf höchstem Niveau. Das ZEISS Xradia Versa-Röntgenmikroskop arbeitet mit einer zweistufigen Vergrößerung, um selbst größere Proben in höherer Auflösung abzubilden, und eröffnet somit spannende Möglichkeiten für die Knochenforschung.² Beide Tools können mit dem Dragonfly Pro Bone Analysis-Modul³ zu einer leistungsstarken und robusten Lösung für die Beurteilung und Quantifizierung der Mikrostruktur von Knochen kombiniert werden.

Beurteilung der Qualität von Knochen und der mechanischen Eigenschaften

Kiefer eines Bären, aufgenommen mit mehreren Vergrößerungen mit ZEISS Xradia Versa zur Untersuchung der Schnittstelle zwischen Zähnen und Kiefer.

Strukturanalyse im Mikro- und Nanobereich

Die mehrskalige Bildgebung von Knochen liefert eine Fülle an Informationen über die Knochenarchitektur auf verschiedenen Längenskalen. Das Röntgenmikroskop ZEISS Xradia Versa ist mit mehreren Objektiven ausgestattet, um die Charakterisierung von Knochen entlang dieser Längenskalen zu ermöglichen und Details der hierarchischen Struktur sichtbar zu machen.²

Erwachsener Zebrafisch, aufgenommen mit zwei Auflösungen zur Visualisierung der Osteozytenlakunen in der intakten Probe bei hoher Auflösung. Datensatz erfasst mit ZEISS Xradia Versa. Animation von S. Suniaga et al (2018)⁴.

Beurteilung der Knochengesundheit und -struktur anhand der Osteozytenlakunen

Die Lokalisation, Orientierung und das Volumen der Osteozytenlakunen kann mithilfe hochauflösender Röntgen-Imaging-Daten quantifiziert werden.⁴ Die für diese Untersuchungen erforderliche Qualität ist jedoch aufgrund der Einschränkungen bezüglich Auflösung und Kontrast mit traditioneller µCT teilweise nur schwer zu erreichen.⁵

Vergleich zwischen trabekulärem und Magnesium-basiertem Biomaterial mit In-situ-XRM, Röntgen-CT-Mechanik und DVC. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Roxane Bonithon, Zeiss Global Lab, Future Technology Center, School of Mechanical and Design Engineering, University of Portsmouth.

In-situ-Messung der Belastungsverteilung in Knochengewebe

Untersuchungen der Belastungsverteilung bilden die Grundlage für das weitere Verständnis der Beziehung zwischen Struktur und Funktion von Knochen. Hierzu zählen die Auswirkungen der Veränderungen von Knochengewebe oder der Architektur eines Biomaterials auf seine mechanischen Eigenschaften und die Lastübertragung im Knochen, Gelenk und umgebendem Gewebe. In-situ-Imaging ist für diese 4D-Untersuchungen besonders gut geeignet. Die Proben können in einer In-situ-Vorrichtung in hoher Auflösung mit dem Xradia Versa XRM abgebildet und dann komprimiert werden, bevor der Arbeitsablauf wie erforderlich wiederholt wird. Die 3D‑Vollfeld-Belastungsverteilung und die Größenordnung der einzelnen Proben kann anschließend mit digitaler Volumenkorrelation (DVC) beurteilt werden.⁵

Höherer Durchsatz bei der 3D‑Knochenanalyse

Kortikaler Mausknochen, aufgenommen mit ZEISS Xradia Versa, DeepRecon-Rekonstruktion mit 751 Projektionen

Kortikaler Mausknochen, aufgenommen mit ZEISS Xradia Versa, FDK-Rekonstruktion mit 3001 Projektionen (links) und DeepRecon-Rekonstruktion mit 751 Projektionen (rechts). Probe mit freundlicher Genehmigung von D. Rowland, University of California, Davis, USA.

Deep-Learning-Rekonstruktion für weniger Rauschen und schnellere Aufnahmen

Das 3D‑Röntgen-Imaging von Knochenmikrostruktur erfordert eine hohe Anzahl an Datenpunkten, um Reproduzierbarkeit und Robustheit sicherzustellen. Die meisten kommerziellen 3D‑Röntgensysteme nutzen den Feldkamp-Davis-Kress (FDK)‑Algorithmus, der zwar Bilder in hoher Qualität erzeugt, jedoch eine relativ hohe Anzahl an Projektionen und/oder lange Belichtungszeiten erfordert, um Rauschen und Artefakte zu minimieren. DeepRecon, die Deep-Learning-Rekonstruktion von ZEISS, benötigt deutlich weniger 2D‑Projektionsbilder. Hierdurch wird die Datenerfassung reduziert und der µCT‑Durchsatz bis um das 10‑fache gesteigert.

Mit DeepRecon können Sie den Durchsatz Ihrer 3D‑Analysen von Muskelskelettsystemen erheblich steigern und Rauschen reduzieren, um Strukturen und kleinste Unterschiede in Graustufen sichtbar zu machen – ohne zusätzliche Röntgenhardware.

  
      Bildverarbeitung im Einsatz
      
    Future Technology Centre, University of Portsmouth

Erfahren Sie, wie die ZEISS Xradia Versa-Röntgenmikroskope genutzt werden, um die Mikrostruktur biologischer Gewebe zu untersuchen und In-situ-Vergleiche und Interaktionsprüfungen von Knochen und Biomaterialien im Makro- und Nanobereich durchzuführen.

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