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26.08.2015

Hochaufgelöste 3D-Darstellung durch neue Röntgenquelle möglich


Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Technischen Universität München haben mit Röntgenlicht, das sie mithilfe eines Lasers erzeugen, feinste dreidimensionale Strukturen aufgenommen. Die hohe Auflösung erreichen die Forscher, indem sie ihre besonders brillante Röntgenstrahlung in der Phasenkontrast-Röntgentomographie einsetzen. Die neue Röntgenquelle könnte in der Medizin Anwendung finden und dort detaillierte Aufnahmen vor allem von Weichteilen liefern, als sie heute mit praktikablem Aufwand möglich sind. So könnten sich Tumore künftig in einem Stadium aufspüren lassen, wenn ein Krebs noch gut zu bekämpfen ist.

Selbst feinste Härchen auf den Flügeln einer winzigen Fliege werden sichtbar, wenn die Physiker aus Garching und München ein Insekt mit Röntgenlicht durchleuchten. Das Experiment 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 viele Details sichtbar gemacht hat.

Das brillante Röntgenlicht, das bis jetzt nur in Beschleunigeranlagen von der Größe einer Sporthalle entstand, erzeugen Forscher um Stefan Karsch, Professor an Der Ludwig-Maximilians-Universität München und Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, indem sie Elektronen mit rund 25 Femtosekunden kurzen Laserpulsen auf einer Strecke von etwa einem Zentimeter fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten. Die Laserpulse brachten es dabei auf eine Leistung von rund 80 Terawatt. Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk verfügt über etwa 1,5 Gigawatt.

Elektronen surfen auf einem elektrischen Feld

Wie ein Schiff durchs Wasser pflügt ein Laserpuls mit dieser geballten Leistung zunächst durch ein Plasma, das aus positiv geladenen Atomrümpfen und deren Elektronen besteht. Dabei erzeugt er eine Kielwelle aus schwingenden Elektronen. 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 auf diese Weise einen Röntgenpuls. Die Röntgenstrahlung hat spezielle Eigenschaften: Ihre Wellenlänge liegt bei rund 0,1 Nanometer, ein einzelner Blitz der Strahlung dauert nur circa fünf Femtosekunden und ist räumlich kohärent, das heißt, die elektromagnetischen Wellen scheinen von einem Punkt auszugehen.

Röntgenlicht mit solchen Eigenschaften ließ sich bis dato nur in Beschleunigern erzeugen, die mehr Platz brauchen als ein Fußballfeld. Die experimentelle Röntgenquelle der Max-Planck-Forscher passt dagegen in ein Labor.

Die lasergetriebene Röntgenstrahlung setzten die Forscher erstmals in einer Röntgen-Methode namens Phasenkontrast-Röntgentomographie des Teams von Franz Pfeiffer an der TU München ein. Dabei nutzt man nicht wie üblich die Absorption, sondern die Brechung von Strahlung an Objekten, um deren Form exakt abzubilden. So wird auch weiches Gewebe sichtbar. Das funktioniert aber nur mit kohärentem Licht, wie es die Physiker um Stefan Karsch erzeugen.

Tumore unter einem Millimeter Durchmesser könnten sich aufspüren lassen

Mit der Kombination aus dieser Methode und brillantem Röntgenlicht bilden die Wissenschaftler Strukturen von zehn bis einem Mikrometer Größe - das entspricht einem Zehntel beziehungsweise einem Hunderstel des Durchmessers eines menschlichen Haares - ab. Und sie können mit dem neuen Verfahren sogar dreidimensionale Bilder eines Körpers erzeugen. Denn die Röntgenpulse können ein Objekt Stück für Stück abtasten. So entstanden beispielsweise von der Fliege rund 1500 Einzelbilder, die dann zu einem 3D-Datensatz zusammengesetzt wurden.

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 ist die Technik für medizinische Anwendungen interessant. Nicht zuletzt, weil sich mit ihr Unterschiede in der Dichte von Gewebe erkennen lassen. Tumorgewebe etwa ist weniger dicht als gesundes Gewebe. So könnte es die hohe Auflösung der besonders brillanten Röntgenquelle künftig ermöglichen, Tumore, die kleiner als ein Millimeter sind, in einem sehr frühen Stadium aufzuspüren. Bis es soweit ist, müssen die Physiker jedoch noch weiter an ihrer Röntgenquelle feilen: Sie müssen die Wellenlänge der Röntgenstrahlung nämlich noch weiter verkürzen, um dickere Gewebeschichten als bisher durchdringen zu können.

—> Originalpublikation

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft




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