Ludwig-Maximilians-Universität München
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Bildgebung

Die Feinheiten der Fliege

München, 14.08.2015

Mit Laserlicht haben Münchner Physiker eine Miniatur-Röntgenquelle gebaut und mit der sogenannten Phasenkontrast-Röntgentomographie kombiniert. Damit lassen sich feinste Strukturen von Lebewesen dreidimensional abbilden.

Zusammengesetzt aus 1500 Einzelbildern: die weltweit erste Aufnahme einer Fliege mit einem rein lasergestützten Phasenkontrast-Röntgentomographie-Bildverfahren. Foto: Karsch/Pfeiffer

Selbst feinste Härchen auf den Flügeln einer winzigen Fliege werden sichtbar, wenn die Physiker von LMU, Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und Technischer Universität München (TUM) ein Insekt mit Röntgenlicht durchleuchten. Das Experiment der Teams um Professor Stefan Karsch (LMU, MPQ) und Professor Franz Pfeiffer (TUM) hat Pioniercharakter. Denn erstmals haben die Wissenschaftler ihre Technik 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 ungeahnte Details sichtbar gemacht hat.

Die dazu notwendigen Röntgenstrahlen wurden 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 (80x1012 Watt). Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk verfügt über 1500 Megawatt (1,5x109 Watt). Bis heute wird eine vergleichbare Strahlung in kilometergroßen, teuren Ringbeschleunigern erzeugt. Das neue kombinierte System hat Platz in einem Universitätslabor.

Surfende Elektronen

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 etwa fünf Femtosekunden und ist räumlich kohärent, das heißt, sie scheint von einem Punkt auszugehen. Bei dem von Franz Pfeiffer entwickelten Phasenkontrast-Bildgebungsverfahren 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.

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, Objekte dreidimensional abzubilden und so quasi in einen Körper einzutauchen. Denn nach jedem Röntgenstrahlungspuls, also nach jedem Einzelbild, kann das zu untersuchende Objekt ein Stück gedreht werden. So entstanden beispielsweise rund 1500 Einzelbilder der Fliege, 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 – wie mit einer Art Femtosekunden-Blitzlicht.

Vor allem interessant aber wird die Technologie für medizinische Anwendungen. Denn sie ist in der Lage, Unterschiede in der Dichte von Geweben sichtbar zu machen. Tumorgewebe etwa haben eine geringere Dichte als gesundes Gewebe. Damit bietet das Verfahren eine Perspektive, selbst 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. (MPQ/LMU)
(Nature Communications 2015)