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Optik

Mit dem Blick durch die Wand

Eine neue Technik erlaubt es, durch eigentlich undurchsichtige Materialien hindurchzuschauen. Vom Blick unter die Haut könnten Medizin und Forschung profitieren.
Laser im Labor

Es schien zu gut, um wahr zu sein, erinnert sich Allard Mosk. Der Physiker von der niederländischen Universität Twente in Enschede und sein Student Ivo Vellekoop leuchteten 2007 mit einem Lichtstrahl durch eine "Wand" – ein mit weißer Farbe bestrichenes Glasplättchen – und fokussierten ihn anschließend auf der gegenüberliegenden Seite. Dabei hatten sie keine bestimmte Anwendung im Sinn. "Ich wollte es nur einmal ausprobieren, weil es noch niemand zuvor getan hatte", erzählt Mosk. Und tatsächlich hatten die beiden Forscher hinter dem Glasplättchen nicht viel mehr erwartet als einen blassen und verschwommenen Lichtfleck.

Doch es kam anders: Gleich beim ersten Versuch zeigte sich ein scharfer Lichtpunkt – 100-mal heller, als die beiden erhofft hatten. "So etwas passiert nicht einfach zufällig am ersten Tag deines Experiments", kommentiert Mosk. "Wir dachten, uns wäre ein Fehler unterlaufen und es müsse eine Lücke in unserem Glasplättchen geben, durch die Licht dringen konnte!"

Es gab aber keine durchlässige Stelle. Stattdessen mündete ihr Experiment in die erste von zwei voneinander unabhängigen Forschungsarbeiten über Ansätze, durch eigentlich lichtundurchlässige Materialien hindurchzublicken. Bisher handelt es sich zwar noch um Laborversuche, doch die Wissenschaftler machen rasante Fortschritte. Aufnahmen durch dünnes Gewebe, wie etwa in Mäuseohren, gelingen inzwischen in guter Qualität. Nun geht es darum, auch dickere Gewebeschichten zu durchleuchten. Und sollten die Forscherteams eines Tages die großen Herausforderungen – wie den Umgang mit Geweben, die sich bewegen oder dehnen – meistern, gäbe es reichlich Anwendungsmöglichkeiten. Auf sichtbarem Licht basierende Aufnahmen aus dem Inneren des Körpers könnten beispielsweise eine Biopsie ersetzen. Mit Hilfe von entsprechend fokussiertem Laserlicht ließen sich aber auch Aneurysmen im Gehirn oder Tumoren behandeln, ohne zum Messer greifen zu müssen.

"Noch vor zehn Jahren waren Aufnahmen des Körperinneren mit einer Auflösung von nur einem Zentimeter im optischen Bereich unvorstellbar. Doch nun ist genau das Realität geworden", berichtet Lihong Wang von der Washington University in St. Louis, Missouri. "Nennen Sie mich verrückt, aber ich glaube, dass wir irgendwann den gesamten Körper im sichtbaren Licht abbilden werden", so der Ingenieur für Biomedizin.

Die Technik könnte den Blick ins Körperinnere gestatten

Mit Röntgenstrahlen und Ultraschall blicken Mediziner bereits seit vielen Jahren ins Körperinnere. Doch verglichen mit dem, was mit sichtbarem Licht möglich sein sollte, dürften die mit diesen Verfahren gewonnenen Aufnahmen primitiv wirken. Denn einerseits besitzen optische Aufnahmen tendenziell eine höhere Auflösung, erläutert Wang. Andererseits treten Wellenlängen in diesem Spektralbereich stark mit organischen Molekülen in Wechselwirkung, und so trägt das zurückgeworfene Licht wertvolle Informationen mit sich – über biochemische Veränderungen, Zellanomalien sowie den Glukose- und Sauerstoffgehalt im Blut.

Licht und Schall
Licht und Schall | Eine Möglichkeit, um durch nicht transparente Materialien zu blicken, ist die Kombination aus Ultraschall und einem speziellen Spiegel, der jeden Lichtstrahl dazu zwingt, exakt den gleichen Weg zurück zu nehmen.

Gleichzeitig machen diese Wechselwirkungen das sichtbare Licht aber auch anfällig für Streuung und Absorption im durchlaufenen Material. Absorption lässt jeden Abbildungsversuch scheitern: Die von den Photonen transportierte Information geht verloren, sobald das Material die Lichtteilchen absorbiert. Nach Streuprozessen besteht dagegen noch Hoffnung, die Informationen retten zu können. Viele Materialien – etwa Haut, weiße Farbe oder Nebel – sind nur deshalb "undurchsichtig", weil auftreffende Photonen darin so oft abgelenkt werden, bis sie schließlich gehörig durcheinandergewirbelt sind. Verloren gehen sie dabei allerdings nicht – im Prinzip ließe sich das Durcheinander also wieder ordnen.

Für ein ähnliches Problem haben Astronomen bereits eine Lösung gefunden: Durch Turbulenzen in der Atmosphäre können Aufnahmen von Sternen, Planeten und Galaxien nämlich ebenfalls verzerrt wirken. Und diese Störeffekte lassen sich mit Hilfe einer adaptiven Optik kompensieren. Dazu beobachten die Himmelsforscher das Licht eines hellen Referenzsterns und berechnen mit einem Algorithmus, wie die Atmosphäre dessen punktförmiges Abbild verschmiert und verzerrt hat. Per Computer wird dann ein spezieller "verformbarer" Spiegel angesteuert, der die atmosphärischen Störeffekte ausgleicht – bis die Aufnahme des Leitsterns eine Punktquelle zeigt. Dadurch bildet das Teleskop nun auch andere, weit entfernte Objekte scharf ab.

Übertragung auf die Medizin ist schwierig

Leider lässt sich dieses Verfahren nicht einfach auf die Medizin übertragen. Zum einen leuchten die in biologischem Gewebe abzubildenden Objekte natürlich nicht wie Sterne – sie müssen also von außen angestrahlt werden –, und zum anderen liegen die Streuzentren viel dichter zusammen als in der Erdatmosphäre. "Um die Lichtstreuung in einer Eierschale auszugleichen, bräuchte man das Pendant zu einem deformierbaren Spiegel mit Milliarden von beweglichen Teilen", erklärt der Physiker Ori Katz vom Institut Langevin in Paris. Genau aus diesem Grund rechneten Mosk und Vellekoop zunächst auch nicht wirklich mit Erfolg. Der schnelle Fortschritt in der Technik machte ihnen jedoch Mut. "Eine Million Bildpunkte anzusteuern, schien bis vor Kurzem noch absurd. Doch schon 2007 war jedes Smartphone dazu in der Lage", sagt Mosk.

Die beiden Wissenschaftler setzten bei ihren Experimenten einen so genannten räumlichen Lichtmodulator ein. Mit diesem Gerät lässt sich die Transmission verschiedener Teile eines Laserstrahls regulieren, indem ein Teil relativ zu einem anderen verzögert wird. Nachdem das Laserlicht den Modulator durchquert hatte, schickten es Mosk und Vellekoop auf das angemalte Glasplättchen und überwachten mit einem Computer, wie viel Licht auf einen Detektor hinter dem Hindernis traf. Mit einer speziellen Software variierten die Forscher anschließend zufällig die in jedem Pixel des Modulators induzierte Verzögerung und versuchten so dem einfallenden Licht ein Muster aufzuprägen, das durch die undurchsichtige Barriere exakt kompensiert würde. Mosk und Vellekoop ließen ihren Algorithmus über eine Stunde laufen und näherten sich dabei schrittweise einer Konfiguration, in der das Laserlicht nur minimal gestreut wurde. Das Resultat übertraf all ihre Erwartungen: Das Signal war 1000-mal stärker als das Hintergrundsignal.

"Das Experiment von Mosk war ein Aha-Erlebnis", sagt Katz. "Es änderte alle Vorstellungen darüber, was man mit sichtbarem Licht anstellen kann."

Kurz nach seinem Triumph erfuhr Mosk von ähnlichen Experimenten, durchgeführt von Bioingenieur Changhuei Yang und dessen Team am California Institute of Technology in Pasadena.

Quer durch eine Scheibe Hähnchenbrust

Die Gruppe setzte nicht nur ein anderes Verfahren ein, um gestreutes Licht wieder zu fokussieren, sondern verwendete auch ein anderes undurchsichtiges Material: eine dünne Scheibe Hähnchenbrust. Doch die Forscher waren ebenso überrascht, wie einfach das Vorhaben glückte. "Wir verbringen sechs Monate damit, hatte ich mir überlegt, und wenn es nicht funktioniert, dann verbuchen wir es als Lernerfahrung", erinnert sich Yang. "Aber dann war es gar nicht so schwer."

Die beiden Teams berichteten in Fachzeitschriften über ihre Arbeiten, und schon wenig später widmeten sich viele weitere Physiker dieser Forschung. Einer von ihnen war Jacopo Bertolotti, der 2010 nach Enschede kam, um dort mit Mosk und seinen Kollegen zusammenzuarbeiten. Gelockt habe ihn damals sowohl die "Schönheit des Experiments" als auch das Potenzial für die medizinische Bildgebung, so Bertolotti, der inzwischen an der University of Exeter in Großbritannien forscht. Auch wenn ihm klar war, dass dieses Ziel noch in weiter Ferne liegt.

Im ursprünglichen Versuchsaufbau von Mosk befindet sich die Kamera hinter dem undurchsichtigen Material – und das stellt ein großes Problem für medizinische Anwendungen dar. Schließlich müsste die Kamera unter die Haut eines Patienten gebracht werden, und das erfordert eine Operation, die nur selten das Risiko wert sein dürfte. 2012 entwickelte das Team um Bertolotti und Mosk jedoch einen Ansatz, bei dem sowohl Laserlichtquelle als auch Detektor vor der Barriere platziert werden.

Als Testobjekt wählten sie einen nur 50 Mikrometer großen, fluoreszierenden griechischen Buchstaben – ein π –, den sie hinter einem dünnen, undurchsichtigen Schirm versteckten. Der abzubildende Gegenstand besaß damit nicht nur in etwa die gleiche Größe wie eine Zelle, bei einigen etablierten bildgebenden Verfahren setzen Mediziner ebenfalls Fluoreszenzfarbstoffe ein, die in lebendes Gewebe injiziert werden. Kaum hatten die Forscher den Laser eingeschaltet, bahnten sich die Photonen schon ihren Weg durch den Schirm und tauchten das fluoreszierende π in ein diffuses Licht. Die am Buchstaben reflektierten Photonen schlängelten sich dann zurück durch den Schirm und riefen auf der anderen Seite ein verschwommenes Fleckenmuster hervor – als würde man den Buchstaben durch einen Duschvorhang sehen.

Rückschluss auf das verborgene π

Trotzdem war die exakte Form des Buchstabens noch im Streulicht enthalten. Um diese Information zu rekonstruieren, schoss das Team den Laserstrahl aus verschiedenen Winkeln auf den Schirm und erfasste jeweils das beobachtete Lichtmuster. Nach vielen Durchgängen und durch einen detaillierten Abgleich der Muster – Punkt für Punkt – konnte ein Computer berechnen, wie die Muster untereinander korreliert sind – und anhand dieser Daten auf den verborgenen Buchstaben π rückschließen.

Das war zwar ein Fortschritt, sagt Bertolotti, reichte aber noch nicht. "Es funktioniert nur, wenn sich das abzubildende Objekt auf der anderen Seite des streuenden Mediums befindet", erklärt der Physiker. Doch bei vielen medizinischen Anwendungen, wie beispielsweise einem Blick ins Gehirn oder in ein Blutgefäß, liegt das Zielobjekt innerhalb des Gewebes.

Eine Reihe von Gruppen, einschließlich derjenigen von Yang und Wang, arbeitet daran, auch Objekte innerhalb eines streuenden Mediums abzulichten. Yang und seinen Kollegen gelang dieses Kunststück beispielsweise 2013: Mit bisher unerreichter Auflösung bildeten sie ein nur einen Mikrometer dickes, fluoreszierendes Kügelchen ab, das zwischen zwei undurchsichtigen Schichten eingeklemmt war.

Ein "Zeitumkehrspiegel" lenkt das Licht zurück

Dazu beleuchteten Yang, der Biologe Benjamin Judkewitz und das restliche Team das blickdichte Material und reflektierten Licht, das es auf die andere Seite geschafft hatte, mit einem "Zeitumkehrspiegel". Durch diesen besonderen Spiegel wird jeder einzelne Lichtstrahl auf dieselbe Weise durch das Material zurückgeschickt, wie er gekommen ist. Würde man diese Prozedur nun jedoch auf alle Lichtstrahlen anwenden, würden schlicht alle Streuprozesse rückgängig gemacht. Um das zu verhindern, fokussierte das Team Ultraschallwellen – die sich nicht so einfach streuen lassen – auf einen Punkt im Medium. Passierten nun Lichtwellen diese Stelle, verschob sich deren Frequenz geringfügig.

Den Zeitumkehrspiegel auf der gegenüberliegenden Seite stellten die Forscher so ein, dass er nur die leicht in der Frequenz veränderten Lichtwellen zurückwarf. Das Resultat war ein dünner, zeitumgekehrter Lichtstrahl, der erneut durch den Ultraschallfokus lief und sich dort mit den aus der entgegengesetzten Richtung einfallenden Lichtwellen überlagerte. Dadurch erhöhte sich die Lichtintensität an dieser Stelle – "wie eine kleine Lampe in der Wand", kommentiert Judkewitz, der inzwischen an der Charité in Berlin arbeitet. Der Ultraschallfokus ließ sich sogar innerhalb des Mediums bewegen, und sobald er über die Kugel streifte, fluoreszierte diese.

In tiefe Gewebeschichten ließ sich mit dieser Technik allerdings noch nicht blicken. Denn durch die stetige Bewegung infolge von Blutfluss und Atmung stellen solche Bereiche eine weitaus größere Herausforderung dar. "Von medizinischen Anwendungen sind wir noch immer weit entfernt, da die Verfahren meist nur funktionieren, wenn das Streumedium absolut stillsteht", sagt Mathias Fink vom Institut Langevin. Der Physiker forschte in den 1990er Jahren an einer Variante der Zeitumkehrmethode, die nur auf Ultraschall basierte. Während die gesamte Prozedur bei Mosk ursprünglich noch etwa eine Stunde dauerte, benötigen laut Katz inzwischen viele Gruppen nur noch einige Dutzend Sekunden dafür. Um eine Kugel oder den Buchstaben π abzubilden, sei das zwar akzeptabel, nicht aber zur Aufnahme eines Tumors im menschlichen Körper.

Sylvain Gigan vom Kastler-Brossel-Laboratorium in Paris und seinem Team – zu dem auch Katz und Fink gehörten – gelang es im vergangenen Jahr schließlich, das Abbild eines verdeckten Objekts anhand nur einer einzigen Kameraaufnahme zu rekonstruieren. "Es ist ein bisschen wie Magie, wenn sich der Algorithmus dem endgültigen Bild annähert," beschreibt der Physiker.

Geschwindigkeit sei von entscheidender Bedeutung, stimmt Wang zu. "Alles ist in Bewegung, und uns bleibt nur ein Zeitfenster im Bereich von Millisekunden, um ein Bild zu machen", so der Ingenieur. Tatsächlich konnten Wang und seine Kollegen die Dauer auf 5,6 Millisekunden reduzieren, wie sie im Januar in einem wissenschaftlichen Artikel berichteten. "Das erlaubt ausgewählte In-vivo-Aufnahmen", erläutert der Forscher. Ihr Zielobjekt bestand aus angefärbter Gelatine, die zwischen dem Ohr einer narkotisierten Maus und einer Licht streuenden Mattglasscheibe eingeklemmt war. Dieses erfolgreiche Experiment mit einer lebendigen Maus sei beeindruckend, sagt Bertolotti. Gleichzeitig weist der Physiker aber darauf hin, dass "der Weg von einem Mäuseohr, das relativ dünn ist, zur Bildgebung in menschlicher Haut und menschlichem Fleisch noch erheblich mehr Arbeit erfordern wird".

Kein Verfahren hebt sich derzeit von den anderen ab

Momentan hebe sich kein bildgebendes Verfahren von den anderen ab, ergänzt Bertolotti. Jedes hat seine Vor- und Nachteile. "Anstatt eine Methode zu entwickeln, die sich für alles eignet, werden wir, denke ich, eine Reihe von Techniken entwickeln, die eines Tages in einem Gerät kombiniert werden könnten", sagt der Wissenschaftler. "Wie schnell das passieren wird, weiß ich zwar nicht, aber es handelt sich um eine junge und dynamische Forschergemeinde – es könnte also schon in ein paar Jahren so weit sein."

Die von Bioingenieuren und Physikern gegenwärtig für die Medizin erkundeten Verfahren könnten sich auch in anderen Einsatzgebieten bewähren. Laut Mosk ließen sich diese Methoden beispielsweise bei der Restauration von Kunstwerken einsetzen. "Die meisten Maler bauen ihre Werke aus mehreren Schichten auf, wobei die unteren Schichten die chemische und physikalische Alterung des Gemäldes beeinflussen können. Daher ist es nicht ganz unerheblich, zu wissen, was drinsteckt, wenn man das Bild erhalten will", so Mosk. Vielleicht wären die neuen Konzepte auch für die Telekommunikationsindustrie interessant, um mit dem durch Streulicht verursachten Rauschen in Lichtwellenleitern umzugehen.

Ein weiterer naheliegender Abnehmer ist das Militär, sagt Fink. Denn mit Hilfe der neuen Techniken könnten Soldaten durch einen tragbaren Schild sehen – entweder einen physikalischen Schutzschirm oder einen künstlichen Nebel –, der sie vor dem Blick des Feindes versteckt. "Man ist zwar nicht wirklich unsichtbar, aber man kann andere beobachten, ohne dabei selbst gesehen zu werden", erläutert der Physiker.

Fast alle Wissenschaftler in diesem jungen Forschungsgebiet bekommen leuchtende Augen, wenn sie von potenziellen Anwendungen schwärmen. Für Gigan ist dabei vor allem wichtig, jeden Einsatz auch moralisch vertreten zu können. "Wenn wir Leuten erzählen, was wir tun, fragt immer jemand, ob wir eine App für Smartphones entwickeln werden, mit der man durch Duschvorhänge hindurchsehen kann", berichtet der Physiker. "Tatsächlich ließe sich das mit unserem Verfahren bewerkstelligen – aber wir haben nicht vor, das auch zu tun."

Dieser Artikel erschien unter dem Titel "Optics: Super Vision" bei "Nature".

23/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 23/2015

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