(Wien, 20-03-2025) Eine Proof-of-Concept-Studie der MedUni Wien hat gezeigt, dass sich gedruckte Buchstaben auf übereinanderliegenden Papierblättern mithilfe hochauflösender Magnetresonanz-Mikroskopie (MRM) sichtbar machen lassen. Die aktuell in Nature Communications Engineering publizierten Ergebnisse könnten langfristig neue Perspektiven für die Kulturwissenschaft, aber auch für die Medizin eröffnen.
Konventionelle klinische Magnetresonanztomographie (MRT) erreicht eine räumliche Auflösung im Bereich von etwa einem Kubikmillimeter. Gedruckte Pigmentschichten sind jedoch nur wenige Mikrometer, also tausendstel Millimeter, dick und erzeugen zudem selbst kein verwertbares MR-Signal. Vor diesem Hintergrund stellte sich Andreas Berg vom Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik der MedUni Wien, der Frage, ob sich mit Hilfe von hoch-Orts-auflösender MR-Bildgebung (MRM) Buchstaben in geschlossenen Büchern entziffern lassen.
Die gemeinsam mit Alexander Seewald (Seewald Solutions GmbH) publizierten Versuche mit adaptierter Datenprozessierung wurden an einem Forschungs-Magnetresonanz-Tomographen für Humanuntersuchungen (B = 7T) am Hochfeld MR-Center der MedUni Wien durchgeführt. Zusätzlich kam ein Prototyp Mikroskopie-Gradienten-Aufsatz auf der Patientenliege zum Einsatz, mit dessen Hilfe Gewebe – oder in diesem Fall im Papierstapel – kleinste Details nicht nur in Schichten (2D), sondern auch räumlich (in 3D) bildlich dargestellt werden können. In den Experimenten wurden dreidimensionale Bildpunkte, sogenannte Voxel, mit einer Kantenlänge von rund 20 Mikrometern (0,02 Millimeter) erzeugt.
Da trockenes Papier und trockene Druckfarbe kein MR-taugliches Signal liefern, wurde ein chemisch-inertes Silikonöl zwischen die Papierlagen eingebracht. Dieses Öl erzeugt ein starkes MR-Signal, wird aber von den minimalen Erhebungen der Druckfarbe verdrängt. Dadurch entsteht ein sogenannter Negativkontrast: Die Buchstaben erscheinen im dreidimensionalen Datensatz als signalärmere Strukturen vor dem hellen Hintergrund der Flüssigkeit.
Positives Ergebnis mit Einschränkungen
„Natürlich haben wir für unsere Untersuchungen keine historisch wertvollen Originaldokumente, sondern speziell vorbereitete bedruckte Seiten verwendet“, berichtet Andreas Berg. Einzelne Buchstaben sowie kurze Textpassagen wurden auf neun übereinandergelegten Papierblättern gedruckt. Um unterschiedliche Schichtdicken zu erzeugen, erfolgte der Farbdruck mehrfach übereinander – zwei-, vier- und achtfach. Die resultierenden Druckschichtdicken lagen bei etwa 14, 28 und 56 Mikrometern. Lesbare Ergebnisse wurden insbesondere bei einer Druckdicke ab rund 30 Mikrometern erzielt, wenn die Voxelgröße in einer der Drucker-Tintendicke vergleichbaren Größenordnung lag.
Die dreidimensionalen Messungen dauerten bis zu 37 Stunden. Da Papierseiten leicht gebogen sein können, entwickelten die Forscher zusätzlich ein mathematisches Datenauswertungsverfahren zur Rekonstruktion der Seitenform. Dabei wird die gekrümmte Oberfläche rechnerisch modelliert und virtuell „geglättet“, sodass Text entlang der tatsächlichen Seitenoberfläche berechnet und besser lesbar dargestellt werden kann.
Die Studie zeigt somit, dass MR-Mikroskopie tatsächlich Text in geschlossenen Papierstapeln bzw. Büchern prinzipiell sichtbar machen kann. Die Methode ist in ihrer jetzigen Form aber mit Einschränkungen verbunden und noch nicht für den Einsatz etwa an historisch wertvollem Schriftgut geeignet: „Zum einen war die Papiergröße durch die zur Detektion der MR-Signale verwendete Hochfrequenzspule auf etwa zwei Zentimeter Durchmesser begrenzt. Zum anderen kann es sein, dass sich die eingebrachte Flüssigkeit nicht wieder vollständig entfernen lässt“, so Berg.
Mögliche Perspektiven zur Untersuchung von Gewebeproben
Mögliche Perspektiven könnten sich durch die Studienergebnisse nicht nur für die Kulturwissenschaft, sondern auch für die Medizin ergeben: Die hochauflösende MR-Mikroskopie könnte beispielsweise zur detaillierten Darstellung kleiner Gewebestrukturen genutzt werden, z. B. zur Erfassung ihrer mikroskopischen 3D-Morphologie, ohne diese zu zerstören (MR-basierte Histologie). Hochauflösende MR-Bilder winziger Pathologien werden zudem für die radiologische Diagnose im Frühstadium sich entwickelnder Pathologien unerlässlich sein. Das Training von KI-basierten radiologischen Diagnoseverfahren auf der Grundlage von MR-mikroskopischen Bildern ex vivo (MR-basierte Histologie) wird die diagnostische Interpretation von MR-Mikrobildern in vivo am Menschen unterstützen, die in Zukunft verfügbar sein werden. Der Vorteil der Verwendung einer MR-Mikroskopieeinheit an einem Human-Scanner (anstelle beispielsweise eines Tier-MR-Scanners) liegt in der Möglichkeit, zunächst In-vivo-Messungen an Patienten durchzuführen und anschließend Ex-vivo-Messungen an kleinen Gewebeproben unter Verwendung derselben Kontrastgewichtung und derselben MR-Messprotokolle im Mikroskopie-Einsatz auf der Patientenschicht durchzuführen. Verbesserte Methoden zur Oberflächenmodellierung und dreidimensionalen Rekonstruktion könnten auch bei der Analyse komplexer anatomischer Strukturen zum Einsatz kommen.
Magnetresonanz-Bildgebung wird in der Medizin vor allem zur Darstellung von Weichteilgewebe eingesetzt. In der Kulturgutforschung sind röntgenbasierte Verfahren wie die Absorptions-basierte Mikro-Computertomographie (µ-CT) derzeit weiter verbreitet. Diese liefert jedoch nur guten Kontrast bei metallhaltigen Tinten. Die nun vorgestellte MR-basierte Herangehensweise nutzt ein anderes physikalisches Prinzip und zeigt, dass sich selbst nicht-metallische Druckfarben unter geeigneten Bedingungen indirekt darstellen lassen. Weitere technische Entwicklungen sind nötig, um Reichweite, Anwendungsbreite und Praktikabilität der MRM als nicht-zerstörendes Bild-gebendes Verfahren zu erweitern.
Publikation: Nature Communications Engineering
Visualization of text on bowed sheets via High-resolution 3D-Magnetic Resonance Micro-imaging for potential reading of closed books: the proof-of-Concept.
Andreas Berg, Alexander Seewald.
https://doi.org/10.1038/s44172-026-00614-7