Ultra-kurze Laserpulse erzeugen Röntgenquelle für 3D-Bildgebung von weichem Gewebe

2015-08-26 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) haben eine Miniatur-Röntgenquelle mit Laserlicht entwickelt. Sie nutzten diese lasererzeugte Röntgenstrahlung in Kombination mit der ­Pha­sen­kon­trast-­Rönt­gen­to­mo­gra­phie­ und nahmen erstmals feinste Strukturen einer wenige Millimeter großen Fliege dreidimensional auf. Bisher wird eine vergleichbare Strahlung in ­kilo­me­ter­gro­ßen­, teuren Ringbeschleunigern erzeugt. Die neu entwickelten Geräte beanspruchen dagegen gerade mal ein Universitätslabor.

Das weltweit erste Bild einer Fliege, die mit einem lasergestützten Röntgentomographie-Bildverfahren aufgenommen wurde. Zusammengesetzt ist es aus rund 1500 Einzelbildern. Es werden selbst feinste Details dreidimensional dargestellt. In einem konventionellen Röntgenbild würden sie unsichtbar bleiben. Bild: S. Karsch und F. Pfeiffer / LMU,TUM

Selbst feinste Härchen auf den Flügeln einer winzigen Fliege werden sichtbar, wenn die Physiker um Prof. Stefan Karsch, Wissenschaftler an der Ludwig-Maximilians-Universität München und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, und Prof. Franz Pfeiffer, TUM Professur für Biomedizinische Physik, ein Insekt mit der neuen Technik durchleuchten. Erstmals haben die Wissenschaftler ihre Methode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung aus Laserpulsen gekoppelt mit der sogenannten Phasenkontrast-Röntgentomographie, mit der man Gewebe in Organismen darstellen kann. Herausgekommen ist eine dreidimensionale Ansicht des Tieres, die exakte Details sichtbar gemacht hat.

Kombination aus Laser-Röntgenstrahlen und Phasenkontrast

Die dazu notwendigen Röntgenstrahlen wurden hierbei über Elektronen erzeugt, die von rund 25 Femtosekunden langen Laserpulsen auf einer Strecke von rund einem Zentimeter fast bis auf Lichtgeschwindigkeit gebracht wurden. Eine Femtosekunde dauert ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. Die Laserpulse hatten eine Leistung von rund 80 Terawatt (80 x 10¹² Watt). Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk verfügt über 1500 Megawatt (1,5 x 10⁹ Watt).

Zunächst pflügt der Laserpuls durch ein Plasma, bestehend aus positiv geladenen Atomrümpfen und deren Elektronen, wie ein Schiff durchs Wasser und erzeugt dabei eine Kielwelle, die aus schwingenden Elektronen besteht. Diese Elektronenwelle zieht eine wellenförmig elektrische Feldstruktur nach sich, auf der Elektronen surfen und dadurch beschleunigt werden. Dabei kommen die Teilchen ins Schlingern und emittieren Röntgenstrahlung. Jeder Lichtpuls erzeugt einen Röntgenpuls. Die erzeugte Röntgenstrahlung hat spezielle Eigenschaften: Sie hat eine Wellenlänge von rund 0,1 Nanometer, eine Dauer von nur ca. fünf Femtosekunden und ist räumlich kohärent, das heißt, sie scheint von einem Punkt auszugehen.

Die lasergetriebene Röntgenstrahlung kombinierten die Forscher erstmals mit dem Phasenkontrast-Bildgebungsverfahren des Teams von Prof. Franz Pfeiffer. Dabei nutzt man, im Gegensatz zur üblichen Absorption, die Brechung der Strahlung an Objekten, um deren Form exakt abzubilden. So wird auch weiches Gewebe sichtbar. Damit dies funktioniert, ist die oben erwähnte räumliche Kohärenz Voraussetzung.

Vorteile der neuen Methode

Mit diesem lasergestützten Bildgebungsverfahren sind die Forscher in der Lage, Strukturen von ca. 1/10 bis 1/100 des Durchmessers eines menschlichen Haares sichtbar zu machen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit dreidimensionale Abbildungen eines Objekts zu erschaffen und so quasi in dessen Körper einzutauchen. Denn nach jedem Röntgenstrahlungspuls, also nach jedem Einzelbild, kann das zu untersuchende Objekt ein Stück gedreht werden. So entstanden beispielsweise von der Fliege rund 1500 Einzelbilder, die dann zu einem 3D-Datensatz zusammengesetzt werden konnten.

Aufgrund der Kürze der Röntgenpulse kann diese Technik in Zukunft auch ultraschnelle Vorgänge auf der Femtosekunden-Zeitskala, wie sie etwa in Molekülen vorkommen, erschließen, quasi also durch Belichtung mit einem Femtosekunden-Blitzlicht.

Vor allem aber wird die Technologie für medizinische Anwendungen interessant. Denn sie ist in der Lage, Unterschiede in der Dichte von Gewebe sichtbar zu machen. Tumorgewebe etwa haben eine geringere Dichte als gesundes Gewebe. Damit bietet das Verfahren eine großartige Perspektive Tumore, die kleiner als ein Millimeter sind, lokal in ihrem Frühstadium aufzuspüren, bevor sie in den Körper streuen und ihre tödliche Wirkung entfalten. Dazu müssen die Forscher jedoch die Wellenlänge der Röntgenstrahlung noch weiter verkürzen, um dickere Gewebeschichten als bisher durchdringen zu können. Durch die geringe Größe der Röntgenquelle könnte das neue Bildgebungsverfahren zudem in künftigen medizinischen Anwendungen kostengünstiger und platzsparender als heutige Technologien zum Einsatz kommen.

Redaktion

Thorsten Naeser (MAP) / Dr. Vera Siegler (TUM) / Dr. Johannes Wiedersich (Physik-Department)