Mikro-CT-Bildgebung erklärt: Ein vollständiger Leitfaden für Einsteiger

Der Begriff Mikro-CT (Mikro-Computertomographie) bezieht sich auf die Röntgen-Computertomographie im mikroskopischen Maßstab. Einfach ausgedrückt, ermöglicht ein Mikro-CT-Scanner eine 3D-Röntgenansicht mikroskopischer Details im Inneren von Objekten – ohne diese aufschneiden zu müssen! Bei diesem Verfahren werden Hunderte oder Tausende von 2D-Röntgenprojektionsbildern einer kleinen Probe aus verschiedenen Winkeln aufgenommen und daraus ein detailliertes digitales 3D-Modell des Objekts rekonstruiert. Der resultierende Datensatz stellt die innere Struktur des Objekts mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich dar, typischerweise im Bereich von 5 bis 200 µm (0,05 bis 0,2 mm).

In der Forschung und Forschung bestimmen interne Merkmale wie Poren, Risse oder Faserausrichtungen häufig die Leistung eines Materials. Viele dieser Merkmale lassen sich mit Oberflächentechniken oder zerstörenden Prüfungen nicht analysieren. Die Mikro-CT-Bildgebung ermöglicht eine zerstörungsfreie, quantitative 3D-Charakterisierung dieser inneren Strukturen. Dies ist nützlich für zerstörungsfreie Tests in industriellen Umgebungen und für detailliertere Materialuntersuchungen in Forschungs- und Entwicklungslabors sowie an Universitäten.

Die Computertomographie wurde erstmals in den 1970er Jahren für medizinische Anwendungen entwickelt, was Hounsfield und Cormack 1979 den Nobelpreis für diese Erfindung einbrachte. In den folgenden Jahrzehnten wurde die Technologie für den Laborgebrauch in kleinerem Maßstab angepasst, was zur Entwicklung spezieller nicht-medizinischer Mikro-CT-Systeme für Materialien und biologische Proben führte.

Frühe Systeme waren durch die verfügbare Technologie eingeschränkt: Quellgeräte und Detektoren ermöglichten keine hohe Auflösung und keinen hohen Kontrast, die mechanische Hardware und die Systemintegration ermöglichten keine Rekonstruktion scharfer Bilder, und die Computerhardware stellte einen großen Engpass dar. Im Laufe der Zeit ermöglichten Fortschritte bei Hardware und Software immer leistungsfähigere Systeme, sodass heute eine Vielzahl hochwertiger Mikro-CT-Systeme im Handel erhältlich ist.

Mikro-CT bezieht sich auf die nichtmedizinische mikroskopische Computertomographie. Es gibt auch andere Begriffe, die synonym verwendet werden können (Synonyme für Mikro-CT). Einige davon beziehen sich auf spezielle Formen der Mikro-CT. Diese anderen Begriffe für dieselbe Technologie sind nachfolgend aufgeführt:

• MicroCT/Mikro-CT/Mikro-CT/Mikrotomographie = Röntgen-Computertomographie mit Voxeln im Bereich von 1–1000 µm.
• NanoCT/Nano-CT/Nano-CT/Nanotomographie/Submikron-CT = Röntgen-Computertomographie mit Voxeln im Bereich von 1–1000 nm (unter 1 µm).
• Synchrotron-CT/Synchrotron-Tomographie = Tomographie unter Verwendung von Synchrotronstrahlung, nicht einer Labor-Röntgenquelle.
• Röntgenmikroskopie/XRM = Röntgen Tomographie bei der Röntgenstrahlen durch einen Szintillator in sichtbares Licht umgewandelt werden und dann durch Optiken vergrößert, um hohe Auflösungen zu erreichen.
• Röntgen-CT/XCT/Makro-CT/Meso-CT = andere Bezeichnungen für dieselbe Technologie mit etwas größeren Voxelgrößen.
• Industrielle CT = bezieht sich auf CT für zerstörungsfreie Prüfungen (NDT), für F&E-Labore in der Industrie oder für Anwendungen im industriellen Maßstab.
• Wissenschaftliche/Labor-CT = bezieht sich auf Labor-CT für wissenschaftliche Forschung.

Mikro-CT-Scanner kombinieren heute hochauflösende Bildgebungshardware, automatisierte Arbeitsabläufe und fortschrittliche Softwareintegration. Sie sind Standardwerkzeuge sowohl in akademischen als auch in industriellen Forschungs- und Entwicklungsumgebungen und finden in einer Vielzahl von Anwendungen Einsatz. Es gibt regelmäßig internationale Konferenzen, die sich dieser Technologie widmen, sowie eine Fachzeitschrift (Tomography of Materials and Structures).

Kommerzielle Mikro-CT-Systeme werden von einer Reihe von Anbietern verkauft, darunter

• Tescan 
• Bruker 
• Zeiss 
• Nikon Metrology 
• Rigaku  
• RX Solutions 
• Diondo 
• Neoscan 
• Comet 
• VJ Technologies 
• North Star Imaging 
• Pinnacle X-ray solutions
• Waygate Technologies
• Procon X-ray

Die Funktionsweise von Mikro-CT zu verstehen, ist wichtig, um die Möglichkeiten und verfügbaren Optionen für Hardware und Software besser zu verstehen.

Der typische Arbeitsablauf besteht aus vier Hauptschritten:

1. Röntgenstrahlen - Generierung – Eine Mikrofokus-Röntgenquelle sendet Strahlung aus, die die Probe durchdringt. Die Probe absorbiert dabei Teile der Strahlung, wodurch das Bild auf dem Detektor erzeugt wird.
2. Projektionserfassung – Ein Detektor auf der gegenüberliegenden Seite zeichnet die durchgelassenen Röntgenstrahlen als 2D-Projektionsbilder auf.
3. Rotation der Probe – Die Probe (oder die Quelle/der Detektor) dreht sich schrittweise, um Projektionen aus mehreren Winkeln zu erfassen.
4. 3D-Rekonstruktion – Rekonstruktionsalgorithmen rekonstruieren die 3D-Innenstruktur aus den Projektionsdaten.

Wichtige Begriffe

• Voxelgröße: Das 3D-Äquivalent eines Pixels. Kleinere Voxel bedeuten (in der Regel) eine bessere räumliche Auflösung.
• Auflösung: Die kleinste unterscheidbare Strukturgröße; in der Regel das 2- bis 3-fache der Voxelgröße.
• Absorption: Die Verringerung der Röntgenintensität durch die Probe, bestimmt durch die Materialdichte und die chemische Zusammensetzung. Dichtere Objekte absorbieren mehr Röntgenstrahlen, und höhere Atomgewichte absorbieren mehr Röntgenstrahlen.
• Sichtfeld (FOV): Das maximale Volumen, das in einem Scan abgebildet werden kann.
• Geometrie: Die Abstände zwischen Quelle, Probe und Detektor bestimmen die Vergrößerung und Auflösung.

Ein typisches Mikro-CT-Gerät umfasst eine Mikrofokus-Röntgenquelle (z. B. 80–225 kV), einen Präzisionsrotationstisch, einen Flachbilddetektor, eine Abschirmung und eine Rekonstruktionssoftware. Eine schematische Darstellung ist in Abbildung 1 zu sehen.

Mikro-CT-Systeme gibt es in vielen Varianten, die auf bestimmte Anwendungsbereiche zugeschnitten sind. Die besten Desktop-CT-Systeme für kleine biologische Proben unterscheiden sich in Bezug auf Leistung und Spezifikationen von den großformatigen CT-Systemen, die für zerstörungsfreie Prüfungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt werden. Die physikalischen Prinzipien sind dieselben, aber die Hardware-Spezifikationen sind optimiert und auf den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmt. Das „Standard“-CT-System für wissenschaftliche oder industrielle Anwendungen verfügt über eine 225-kV-Mikrofokus-Röntgenquelle, einen Präzisionsrotationstisch für Proben und einen Flachbilddetektor mit mindestens 1000 x 1000 Detektorpixeln. Varianten von CT-Systemen können mehrere Röntgenquellen, unterschiedliche Präzisionsstufen bei Rotationstisch- und Linearbewegungen, verschiedene Detektortypen, darunter auch solche mit einer höheren Pixelanzahl, und vieles mehr umfassen.

• Tisch-Mikro-CT-Scanner: Kompakte Systeme für kleine Proben (z. B. bis zu ~200 mm), typischerweise 30–160 kV.
• Stand- oder Industrie-CT-Scanner: Für größere oder dichtere Proben, oft bis zu 600 mm Durchmesser und 60–225 kV oder höher.
• Biologische und In-vivo-Systeme: Werden für Studien an lebenden Tieren verwendet, mit reduzierter Strahlendosis und kleinerem Sichtfeld.
• Ex-vivo-Systeme: Die Proben werden außerhalb eines lebenden Organismus gescannt. Diese Terminologie wird nur zur Unterscheidung von In-vivo-Systemen verwendet und ist in der kommerziellen Terminologie nicht weit verbreitet.
• Nano-CT: Erreicht eine Auflösung im Submikrometer- oder Nanometerbereich, jedoch mit sehr begrenztem Sichtfeld.

Das Stichwort „Mikro-CT-Auflösung“ bezieht sich häufig auf die erreichbare Voxelgröße und den effektiven Bildkontrast oder die Bildschärfe.

Typische Laborsysteme bieten Voxelgrößen im Bereich von 5 bis 200 µm; die effektive Auflösung hängt von der Systemgeometrie, der Röntgenfleckgröße und der Detektorleistung ab. Kleinere Voxel verbessern die Auflösung, verringern jedoch das Sichtfeld und verlängern die Scanzeit. In der Praxis müssen Auflösung, Probengröße und Scandauer ausgewogen sein, wobei zwischen ihnen ein Kompromiss gefunden werden muss.

Bei der Auswahl eines Systems sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

• Probengröße und Materialdichte
• Erforderliche Auflösung für die kleinsten Strukturen
• Kontrast zwischen den Materialien (möglicherweise sind spezielle Filter oder Kontrastmittel erforderlich)
• Durchsatz und Automatisierungsanforderungen
• Integration mit Analysesoftware

Der Preis für einen Mikro-CT-Scanner variiert stark:

• Tischgeräte: ab einigen hunderttausend US-Dollar
• Hochwertige Industriesysteme: bis zu über 1 Million US-Dollar
• Zusätzliche Kosten: Softwarelizenzen, Wartung, Support, Reparaturen, Garantie

Die Preise für Mikro-CT-Systeme variieren stark und reichen von einigen hunderttausend US-Dollar bis zu über 1 Million US-Dollar. Diese große Bandbreite ist auf die unterschiedlichen Kosten der verschiedenen Komponenten zurückzuführen. Wenn beispielsweise eine Röntgenquelle mit höherer Spannung verwendet wird, ist nicht nur die Quelle teurer, sondern auch die erforderliche Strahlenschutzausrüstung. Die Leistung der Systeme variiert stark je nach Verwendungszweck und den Komponenten, aus denen sie bestehen. Es ist auch wichtig, Reparaturen, Betriebskosten, Wartungsleistungen und Softwarelizenzen sowie deren Wartung im Budget zu berücksichtigen. Neben der Hardware ist die Software fast ebenso wichtig, um das Beste aus der Mikro-CT herauszuholen, und wird bei der Entscheidung über die Investition in ein Mikro-CT-Gerät oft übersehen.

• Zerstörungsfreie Prüfung – Innere Strukturmerkmale werden sichtbar gemacht, ohne dass die Probe zerschnitten oder beschädigt wird. Nützlich für wertvolle Proben, z. B. hochwertige Luft- und Raumfahrtteile oder unbezahlbare archäologische Fundstücke.
• Hochauflösende 3D-Bildgebung – Liefert Volumendaten für quantitative Analysen, z. B. Volumen innerer Komponenten.
• Visualisierung der inneren Struktur – Zeigt Poren, Risse, Einschlüsse oder Beschichtungen. Sehen Sie, wo sich die Merkmale im Objekt befinden und wie sie verteilt sind.
• Quantitative Analyse – Ermöglicht die Messung von Porosität, Konnektivität, Faserausrichtung oder Dicke. Sehen Sie sich beispielsweise die Porengrößenverteilung, die Position der größten Poren oder der kleinsten Fasern an.
• Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten – Von der Materialforschung und -entwicklung bis hin zu biologischen Studien. Die Technologie kann auf vielfältige Weise eingesetzt werden, von schnellen Prüfungen zur Qualitätssicherung bis hin zur detaillierten Materialentwicklung und -analyse.

• Kompromiss zwischen Probengröße und Auflösung: Je größer eine Probe ist, desto weniger Details sind in Mikro-CT-Scans sichtbar.
• Kompromiss zwischen Bildqualität und Scanzeit: Die Bildqualität verbessert sich mit der Scanzeit, wodurch eine bessere Bildgebung und Analyse möglich wird. In der Regel erfordern detailliertere Analysen und/oder eine bessere Auflösung längere Scanzeiten.
• Begrenzter Kontrast für Materialien mit geringer Dichte ohne Kontrastmittel: Einige Materialarten lassen sich in CT-Bildern nicht gut darstellen, z. B. ist es mit einem typischen CT-Gerät nicht möglich, eine Kunststoffbeschichtung auf einer Stahloberfläche zu erkennen, da der Unterschied zwischen Stahl und Luft sehr groß ist, der Unterschied zwischen Kunststoff und Luft jedoch relativ gering.
• Hohe Kosten für Ausrüstung und Datenverarbeitung: Die Kosten für die Hardware und Software des Geräts sind hoch. Aufgrund der Vielseitigkeit der Technik ist sie nicht standardmäßig automatisiert, was bei den meisten Anwendungen zu Bedienungskosten führt. Eine Automatisierung ist möglich, aber nicht standardmäßig enthalten.
• Große Datenmengen (oft mehrere hundert Gigabyte pro Scan). Vollständige 3D-Datensätze sind sehr groß, was selbst bei Hochleistungscomputern zu langsamen Verarbeitungszeiten und Engpässen bei der Datenverarbeitung führt.
• Nicht ideal für sehr große Objekte oder extrem feine (nanometergroße) Merkmale. Manchmal sind die interessanten Merkmale zu klein und das Objekt zu groß, um brauchbare Mikro-CT-Ergebnisse zu erzielen.

Die Mikro-CT-Bildgebung ist heute eine grundlegende Technologie sowohl in der Forschung als auch in der Industrie. Die folgende Liste ist nicht vollständig, und es werden ständig neue Anwendungen entwickelt.

• Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): Erkennung von Hohlräumen/Porosität, Rissen und Einschlüssen in Gussteilen, Verbundwerkstoffen und 3D-gedruckten Teilen. Wird zur Qualitätssicherung sowie zur Prozessverbesserung und Produktentwicklung eingesetzt.
• Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Quantifizierung der Faserausrichtung, Porennetzwerke und Schadensentwicklung. Wird für die Materialentwicklung und Fehlerprognose verwendet.
• Geologie und digitale Gesteinsphysik: Analyse von Porenstrukturen und Versorgung digitaler Gesteinssimulationen. In Kombination mit Elektronenmikroskopie für mineralogische Untersuchungen.
• Biologie und biomedizinische Forschung: Visualisierung von Weich- und Hartgewebe in 3D. Die Knochenforschung ist ein Beispiel, das seit Jahrzehnten mit dieser Technologie betrieben wird.
• Paläontologie und Archäologie: Aufdeckung innerer Details von Fossilien oder Artefakten ohne Zerstörung. Beispiele hierfür sind die Bildgebung des Inneren von Mumien, ohne diese zu öffnen, oder die Aufdeckung von Details von Fossilien, ohne diese aus dem sie umgebenden Gestein zu entfernen.
• Fehleranalyse: Bildgebung von Objekten zur zerstörungsfreien und forensischen Identifizierung der Fehlerursache.
• Pharmazeutika: Darstellung der Verteilung von Wirkstoffen in pharmazeutischen Tabletten und Kapseln und Bewertung der Produktionsqualität (Vorhandensein von Rissen usw.).
• Neue Anwendungsbereiche:
  • Batteriematerialien: Kartierung von Elektrodenverschleiß und Dendritenwachstum. Wird auch für Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung verwendet.
  • Additive Fertigung: Überprüfung der inneren Geometrie und Prozessintegrität.
  • Filtration und poröse Medien: Zusammenhang zwischen Porengeometrie und Leistungskennzahlen.

Oben sind einige Anwendungsbereiche aufgeführt, weitere finden Sie unter [5]. Eine beliebte Anwendung ist in Abbildung 2 dargestellt: Porositätsanalyse. In diesem Beispiel enthält die additiv gefertigte (3D-gedruckte) Probe Poren, die segmentiert und mit dem PoroDict-Modul in GeoDict analysiert werden. Das farbcodierte Ergebnis zeigt die Poren in 3D und die statistischen Informationen zeigen die Porengrößenverteilung.

Nach dem Scannen können die Daten mehrere Verarbeitungsstufen durchlaufen:

1. Rekonstruktion: Umwandlung von 2D-Projektionen in ein 3D-Voxelmodell.
2. Segmentierung: Unterscheidung von Phasen (z. B. Materialien, sowie fest vs. leer) mithilfe von Grauwertschwellen oder KI-Tools.
3. Visualisierung: 3D-Rendering und Slicing zur Inspektion und Berichterstellung.
4. Quantifizierung: Berechnung von Metriken wie Porosität, Tortuosität und Faserlänge.
5. Simulation: Verwendung der Bilder zur Erstellung digitaler Materialsimulationen, um die Materialleistung vorherzusagen.

Die meisten Anbieter von Mikro-CT-Hardware bieten in ihren Systemen einige Funktionen für die Rekonstruktionssoftware (Stufe 1 in der obigen Liste) an. Einige Anbieter arbeiten noch an der Entwicklung von KI-gestützten Rekonstruktionsverfahren und iterativen Rekonstruktionsverfahren.

Die Stufen 2 bis 5 werden durch separate Mikro-CT-Softwaretools abgedeckt, die manchmal zusammen mit der CT-Hardware und manchmal separat verkauft werden. Zu den beliebten Mikro-CT-Softwarelösungen gehören GeoDict, VG Studio MAX und Avizo. Diese Tools ermöglichen die Segmentierung, quantitative Analyse und direkte Simulation oder den Export zu Simulationsplattformen.

Die Segmentierung ist einer der wichtigsten Schritte, bei dem jedem Pixel ein Materialtyp zugewiesen wird. Manchmal erfordert dies eine Bildbearbeitung (z. B. Glättung von Bildrauschen). Die Segmentierung erfolgt oft manuell, es gibt jedoch auch einige automatisierte Tools, die je nach Softwarelösung variieren. Manuelle Segmentierungsmethoden auf der Grundlage von Schwellenwerten sind am weitesten verbreitet und am schnellsten. Die KI-Segmentierung ist besonders leistungsstark bei schwierigen Fällen, in denen manuelle Methoden versagen.

Bei der Visualisierung werden dann die 3D-Bilder erstellt, die das Objekt oder seine inneren Details darstellen. Zu den Visualisierungstools gehören Clipping, Transparenz und Hervorhebung segmentierter Merkmale. Oft werden 3D-Animationen verwendet, um die 3D-Natur der Ergebnisse zu betonen.

Die Quantifizierung wird verwendet, um Werte zu berechnen und nützliche Informationen aus den segmentierten Datensätzen zu extrahieren. Wenn beispielsweise alle Poren segmentiert sind, können das Porenvolumen, die Sphärizität und das Seitenverhältnis für jede Pore einzeln berechnet und für die 3D-Visualisierung farblich gekennzeichnet oder als vollständige Quantifizierung über das Volumen in statistischen Histogrammen dargestellt werden.

Simulationen werden verwendet, um die Materialleistung vorherzusagen. Dies kann sich auf mechanische Simulationen beziehen, z. B. Druckprüfungen. Es kann sich auch auf Strömungssimulationen in porösen Materialien oder auf die thermische oder elektrische Leitfähigkeit beziehen. Die Verwendung von CT-Daten als Eingabe für Simulationen ermöglicht es, die tatsächliche Materialleistung im Vergleich zu idealisierten Konstruktionsmodellen besser zu verstehen und diese Informationen für die Entwicklung besserer Materialien zu nutzen. 

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1. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1979/summary/

2. https://www.sciencedirect.com/journal/tomography-of-materials-and-structures 

3. Du Plessis, A., Yadroitsev, I., Yadroitsava, I. and Le Roux, S.G., 2018. X-ray microcomputed tomography in additive manufacturing: a review of the current technology and applications. 3D Printing and Additive Manufacturing, 5(3), pp.227-247. https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/3dp.2018.0060 

4. Du Plessis, A., le Roux, S.G. and Guelpa, A., 2016. Comparison of medical and industrial X-ray computed tomography for non-destructive testing. Case Studies in Nondestructive Testing and Evaluation, 6, pp.17-25. https://doi.org/10.1016/j.csndt.2016.07.001 

5. Du Plessis et al. (2019). Scientific African, 3:e00061 – Advancing X-ray micro computed tomography in Africa. 10.1016/j.sciaf.2019.e00061