Titelaufnahme

Titel
Micro x-ray fluorescence analysis and micro-tomography of human bone and tissue / Norbert Zöger
VerfasserZöger, Norbert
Begutachter / BegutachterinMantler, Michael ; Wobrauschek, Peter
Erschienen2005
UmfangVIII, 122 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Knochen / Chemisches Element / Verteilung / Röntgenfluoreszenzspektroskopie / Synchrotronstrahlung / Gehirn / Chemisches Element / Verteilung / Röntgenfluoreszenzspektroskopie / Synchrotronstrahlung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-18498 Persistent Identifier (URN)
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Micro x-ray fluorescence analysis and micro-tomography of human bone and tissue [5.26 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Verteilung der chemischen Elemente in menschlichem Gewebe (Knochen und Gehirn) mittels Synchrotronstrahlungsinduzierter Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (SR -RFA) untersucht. Diesbezüglich wurden Scan- und Tomographieexperimente an Mikrofokus beamlines von drei verschiedenen Synchrotronstrahlungseinrichtungen (HASYLAB, Hamburg, ANKA, Karlsruhe, ESRF, Grenoble), wo der Fragestellung angepasster Photonenfluss als auch geeignete Röntgenoptiken zur Verfügung standen, durchgeführt. Im Fall von Knochen konnten durch Überlagern von Bildern, generiert aus der Messung rückgestreuter Elektronen (backscattered electron images (BEI)), die über die strukturellen Eigenschaften des Gewebes Auskunft geben, und Resultaten von ortsaufgelösten -RFA Messungen Knochenzonen identifiziert werden, an denen sich die verschiedenen Elemente unterschiedlich anlagern. Bei allen Messungen wurde dabei spezielles Augenmerk auf das Schwermetall Blei (Pb) gelegt, das aufgrund seiner toxischen Wirkung auf den menschlichen Organismus von größtem medizinischen Interesse ist. Beginnend mit Messungen an 4mm dicken Kochenschnitten wurde die örtliche Auflösung und somit die Genauigkeit der Analysemethode durch Verringern der Probendicke und letztendlich durch Verwenden einer sogenannten konfokalen Messgeometrie über die Projektdauer stetig verbessert. Aus dem Vergleich von Ergebnissen von zweidimensionalen ortsaufgelösten -RFA mit BEI, konnte festgestellt werden, dass Pb vornehmlich an der sogenannten "tidemark", eine Linie, die kalzifizierts und nichtkalzifiertes Gewebe trennt und als Zone mit hoher metabolischer Aktivität eingestuft wird, akkumuliert. Zusätzlich wurde eine Korrelation zwischen Pb und Zn an dieser Knochenzone gefunden. Bei der Untersuchung von Knochen mit doppelter tidemark wurde festgestellt, dass möglicherweise ein Zeitunterschied zwischen der Anlagerung von Pb und jener von Zn besteht. Ähnliche Ergebnisse konnten aus kombinierten Absorptions- und Fluoreszenztomographie Experimenten abgeleitet werden, die ebenfalls die Akkumulation von Pb und Zn in mikroskopischen Strukturen des Knochens zeigten. Weiters wurde die Elementverteilung im menschlichen Gehirn untersucht, um festzustellen, ob in diesem Gewebe Zonen erhöhter Pb Anlagerung vorliegen. Obwohl sich in Gehirnproben die Zuordnung der elementspezifischen Bilder aus -RFA Messungen ungleich schwieriger gestaltet als im Knochen, konnte in allen untersuchten Proben von Frontal Cortex, Hippocampus und Thalamus eine inhomogene Bleiverteilung nachgewiesen werden.

Zusammenfassung (Englisch)

The distribution of various chemical elements in human tissue (bone and brain) has been studied by synchrotron radiation induced micro X-ray fluorescence analysis (SR-XRF) in scanning and in tomographic mode. Experiments have been performed at three different synchrotron radiation facilities, HASYLAB, Hamburg, ANKA, Karlsruhe, ESRF, Grenoble where dedicated micro-focus beamlines, offering sufficient photon flux and adequate X-ray optics for the different analytical tasks, were used.

In case of bone the matching of elemental maps from spatially resolved -XRF measurements with backscattered electron images, providing information on the bone structure, allows to assign fluorescence intensities to the features of the calcified tissue and therefore the identification of zones of increased accumulation for the different elements. Especially for lead (Pb) -a toxic metal -, which resorbs into circulation when an increased amount of Ca is needed or in times of metabolic changes of the tissue due to bone diseases, the knowledge of the Pb storage sites in bones are of great medical importance.

Starting from conventional -XRF measurements on 4mm thick samples the spatial resolution and therefore the accuracy of the method has been steadily enhanced by reduction of the sample thickness to 200m and finally employing -XRF in the confocal mode. From comparison of the determined elemental maps with backscattered electron images from the analyzed bone areas (prepared by a group from the Ludwig Boltzmann-Institut of Osteology, Vienna, Austria), it could be shown that the accumulation of Pb in bone is mostly restricted to the so called tidemark which divides noncalcified from calcified tissue and is considered as a metabolically active zone. Furthermore a strong correlation between Zn and Pb was found on this calcification front.

Results from confocal -XRF on bones with duplicated tidemarks exhibit the eventuality of a time delay in the metabolism of Pb compared to Zn.

When applying combined X-ray absorption and fluorescence tomography, similar results were obtained showing also the restriction of highest Zn and Pb intensities to small zones of the analyzed bone. Elemental mapping has been performed on various slices from different areas of human brain at ESRF, ID-22. Whereas the assignment of the maps to different structures of the brain is much more difficult than it is for bone tissue, an inhomogeneous distribution of Pb was found in all analyzed samples from frontal cortex, hippocampus and thalamus.