Forschung und Entwicklung an der Universität von Michigan
U-M verlässt sich in seiner Forschung und Entwicklung auf die Phoenix-Produktlinie
Bild
Die University of Michigan (U-M) führt eine Vielzahl von Forschungsarbeiten durch, von der Untersuchung von Gesundheitsergebnissen bis hin zu Forschungsarbeiten, die die Qualität von Implantaten verbessern sollen. Das breit gefächerte Forschungsprogramm der medizinischen Fakultät der Universität wird zum Teil vom stellvertretenden Dekan für Forschung, Dr. Karl Jepsen, geleitet. Er ist auch Professor für orthopädische Chirurgie an der U-M. Ein Schwerpunkt seines Labors ist es daher, besser zu verstehen, wie das Skelettsystem während des Wachstums seine Funktion aufbaut und während des Alterungsprozesses aufrechterhält, um Knochenbrüchigkeit zu verhindern: von Osteoporose über Skoliose bis hin zu pädiatrischer Fragilität und Stressfrakturen. Neben der internen Forschung bietet Dr. Jepsen die Einrichtungen, Geräte und das Fachwissen seines Labors auch als Dienstleistung für die breitere Forschungsgemeinschaft an. Zu den Kooperationspartnern gehören andere medizinische und Forschungsinstitute wie Harvard, Yale und die Ohio State University, aber auch das US-Verteidigungsministerium.
Fast die gesamte Forschung (95 %) wird ex-vivo durchgeführt, was den Einsatz der Mikro-CT- und Nano-CT-Technologie bei höheren Kilovoltagen für die höchstmögliche Auflösung ermöglicht. Neben dem traditionellen Einsatz der CT-Technologie zum Scannen von Knochen und anderem mineralisiertem Gewebe wird die CT derzeit auch zur Untersuchung von Weichteilen und Blutgefäßen eingesetzt, für die eine höhere Detailgenauigkeit in Bereichen von Interesse bis zu 5 Mikrometern und darunter erforderlich ist. Dieses insgesamt sehr breite Spektrum der U-M-Forschung erfordert daher flexible Analysegeräte und -methoden, die sich schnell an die unterschiedlichen Herausforderungen und Bedürfnisse des Labors anpassen können.
Kurz gesagt, die drei wichtigsten Herausforderungen, denen sich das CT-Forschungslabor der Universität stellen muss, sind:
- große Mengen an Proben, die innerhalb kurzer Zeit gescannt werden müssen
- Unterschiedliche Analyseanforderungen, die von ein und demselben Gerät abgedeckt werden müssen
- Komplexe Proben, die eine hohe Detailerkennbarkeit erfordern, um die benötigten Erkenntnisse zu gewinnen
Um diese Herausforderungen zu meistern, setzt Karl Jepsen in seinem Labor schon seit langem CT-Systeme von Waygate Technologies ein.
"Wir müssen mit den modernsten Geräten Schritt halten, damit wir die Grenzen der Entdeckungsforschung verschieben und uns um Bundesmittel bewerben können, womit wir unser Unternehmen weitgehend unterstützen. Dazu brauchen wir ein CT-System, das die Fähigkeit besitzt, große Probenvolumina mit einer hochdetaillierten Detektion und einem breiten Spektrum an Durchdringungsleistung vom Nanofokus- bis zum Mikrofokus-CT zu bedienen, um jeder Aufgabe mit großer Flexibilität gerecht zu werden, und das für uns entscheidend ist. Das haben wir mit den Phoenix CT-Systemen von Waygate Technologies gefunden."
Um schnell hochauflösende Bilder zu erhalten und andere Forschungsgruppen auszustechen, hat Karl Jepsens Team sowohl ein Phoenix Nanotom S als auch ein Nanotom M eingesetzt. Das Phoenix Nanotom S, das 2005 eingeführt wurde, war das erste nanoCT®-Forschungssystem. Noch wichtiger ist jedoch, dass die nanoCT®-Technologie der Phoenix-Produktreihe neue Forschungsbereiche eröffnet. Neben Knochen und Implantaten werden zunehmend auch weiche, nicht-mineralische Gewebe wie Gefäß- oder Herzgewebe untersucht. Bei der herkömmlichen Mikro-CT für Proben mit höherer Absorption, wie z. B. größere Knochen, kann die Bildgebung jedoch nicht unter 6 Mikrometer gehen, was für Forscher, die auch kleine Proben mit geringer Absorption mit höchster Detailerkennbarkeit scannen möchten, nicht ausreicht, um kleine Strukturen darin zu quantifizieren. Das Phoenix Nanotom M wurde im Hinblick auf eine höhere Flexibilität für einen größeren Proben- und Anwendungsbereich und eine wesentlich bessere Orts- und Kontrastauflösung weiter optimiert. Die in beiden Systemen eingesetzte 180 kV / 20 W Röntgenröhre bietet mehrere Betriebsmodi, vom nanoCT bis zum Hochleistungs-MikroCT.
Die hervorragende Detailerkennbarkeit von bis zu 200 Nanometern der nanoCT-Systeme von Waygate Technologies ist auch bei traditionelleren Forschungen und Proben von großem Nutzen. In der pädiatrischen Forschung der U-M zum Knochenwachstum zum Beispiel lieferten die modernen Mikro-CT-Scans von kleinen postnatalen Mäuseknochen keine quantifizierbaren Bilder. Mit dem Phoenix Nanotom M hingegen konnten die Forscher den Knochen von Geburt an quantifizieren.
Karl Jepsen sieht mehrere Vorteile für die Nanofokus-Röntgenröhren: "Der Qualitätsunterschied zwischen einem Mikro-CT-System und dem Nanotom ist wie Tag und Nacht, selbst wenn man ein Bild mit derselben Auflösung betrachtet. Das ist der Punkt, an dem andere Forscher auf dem Gebiet eine zusätzliche Aufklärung über den Wert dieser Technologie benötigen. Selbst bei einer geringeren Auflösung ist die Erkennung von Merkmalen wesentlich besser.
In seiner Studie über Osteoporose ist die Untersuchung der Porosität in Abhängigkeit vom Alter von zentraler Bedeutung. Um die notwendigen Erkenntnisse zu diesem Aspekt zu erhalten, muss das Labor menschliche proximale Oberschenkelknochen in einem einzigen Bild betrachten. Mit dem Nanotom oder V|tome|x von Waygate Technologies kann ein ganzer menschlicher Oberschenkelknochenquerschnitt mit einer Auflösung von 5-10 Mikrometern abgebildet werden. Die hochauflösende Qualität dieser Bilder liefert neue Erkenntnisse und ermöglicht es den Forschern, neue Folgefragen zu stellen, die ihre Forschung vorantreiben und es ihnen ermöglichen, neue Zuschüsse zu erhalten.
In ähnlicher Weise befasst sich die Forschung des Labors über Skoliose mit Explantatstäben, die Kindern und Jugendlichen zur Stabilisierung für 3-4 Jahre implantiert wurden. Da die Stäbe der wachsenden Knochenstruktur der Kinder ausgesetzt sind, besteht die Sorge, dass sich Ablagerungen ansammeln. Bei den Explantaten ist es daher entscheidend, sie nichtinvasiv zu untersuchen, um sicherzustellen, dass die entdeckten Ablagerungen nicht durch das Öffnen des Implantats verursacht wurden. Die hochauflösende CT, für beste Bildqualität die nanoCT-Technologie, macht dies möglich.
Bild
Eine überlegene Detektor- und Bildgebungstechnologie kann auch eine andere Herausforderung der U-M lösen: Das Volumen. Das Scannen eines gesamten Oberschenkelquerschnitts dauert z. B. vier bis acht Stunden. Mit dem Phoenix V|tome|x M beispielsweise könnte das Labor die Scanzeit auf höchstens ein bis zwei Stunden reduzieren. Bei Weichgewebe ist die Zeit von entscheidender Bedeutung, da die Scanzeit in der Regel noch länger ist und es eine Herausforderung ist, eine Vorrichtung über einen Scanzeitraum von bis zu 46 Stunden stabil zu halten, damit die Auflösung nicht aufgrund von Vibrationen oder thermischen Bewegungen verloren geht. In solchen Fällen, in denen sich leichte Bewegungsunschärfen nicht vermeiden lassen, sind hohe Leistung und Auflösung sowie hochdynamische Detektoren der Schlüssel.
Insbesondere mit Blick auf das Auftragsgeschäft bedeutet die Bedienung hoher Volumina direktes Geld. Dank der erhöhten Volumenkapazität kann das Labor mehr Massendienste für externe Forscher anbieten und mehr Einnahmen erzielen. Die Nachfrage nach dem "Plug-and-Chug-Service" ist groß. "Die Leute kommen mit 200 Knochen und wollen sie bis morgen gescannt haben", sagt Jepsen. Der "heilige Gral der Forschung", wie Jepsen es nennt, ist es, die erforderliche Qualität bei hoher Geschwindigkeit zu erreichen. Die gewünschte Lösung für das U-M-Labor ist ein Phoenix V|tome|x M von Waygate Technologies, das zwei Röntgenröhren enthält, die per Knopfdruck gewechselt werden können: Für höchstauflösende Scans eine 180 kV / 20 W Nanofokusröhre wie im Nanotom, für Hochleistungs-MikroCT-Scans von größeren oder stark absorbierenden Proben eine 300 kV / 500 W Mikrofokus-Röntgenröhre: "Mit dieser Doppelröhrenkombination können wir beides machen: MikroCT, was für Explantate mehr als ausreichend ist, und dann können wir für Gefäßuntersuchungen auf die Nanofokusröhre umschalten, weil wir dabei bis auf 5 Mikrometer heruntergehen müssen.