Optik Blick durch feste Objekte und Lebewesen

© Farbexperiment (1) Anja Schweppe-Rahe pixelio.de

18. Juli 2015 07:05 D. Lenz

Wissenschaftler haben an der Universität von Twente in den Niederlanden einen Weg gefunden um durch blickdichte Wände zu sehen. Schlussendlich geschieht dies dadurch, dass Wellenlängen von sichtbarem Licht, welches auch durch feste Materialien wie Haut oder Wandfarbe dringt, aufgenommen werden. Jetzt wollen die Entwickler aber noch einen Schritt weitergehen und arbeiten bereits fieberhaft an Methoden all das verstreute „Licht“ wieder zusammen zu setzen, welches durch dickere Barrieren gedrungen ist, um so ein Bild dessen zu schaffen, was hinter Wänden liegt.

Twente (Niederlande). Im Jahr 2007 versuchten Allard Mosk und seine studentische Hilfskraft im niederländischen Twente einen Strahl aus sichtbarem Licht durch eine mit weißer Farbe bedeckte Glasscheibe zu senden um ihn auf der anderen Seite wieder zu fokussieren. Eigentlich rechneten die beiden Wissenschaftler nicht wirklich mit einem Gelingen ihres Experiments – aber alles lief wie angedacht ab. „Ich wollte das eigentlich nur deswegen versuchen, weil sich noch niemand anderes daran gesetzt hatte“, begründet Mosk seine Idee. Mosk und sein Team nutzen dafür einen räumlichen Modulator für Licht (Spatial Light Modulator oder kurz SLM). Mittels diesem ist es möglich die Übertragung der unterschiedlichen Teile des Lichtstrahles, wenn er durch das bemalte Glas dringt, zu kontrollieren. Ein Detektor auf der anderen Seite empfängt die Licht-Transmission und ein Computer zeichnet die vom Detektor aufgefangenen Wellenlängen auf.

Durch Haut und aus der Tiefe des Universums

Gemäß zweier unabhängiger Studien hatten Wissenschaftler bereits Erfolg mit optischer Fokussierung beim Durchleuchten von Hautmaterial wie den Ohren von Mäusen, aber die meisten organischen Oberflächen, besonders solche, die sich bewegen und ausdehnen können, machen das Vorhaben durch sie hindurch zu blicken extrem schwierig. Aber allein die Möglichkeit die Entdeckung aus Twente in der Medizin anwenden zu können ist beeindruckend. Mittels Licht ein aktuelles Bild der Organe eines Menschen zu erhalten könnte in vielen Fällen Eingriffe deutlich weniger dramatisch und viel zielgerichteter ablaufen lassen.

Durch sichtbares Licht erzeugte Bilder haben zudem eine deutlich höhere Auflösung als Bilder, die mit Röntgenstrahlen geschaffen werden. Dies liegt daran, dass die Wellenlängen mit organischen Molekülen interagieren können. Allerdings ist es genau diese Interaktion, die es auch erschwert sich bisher auf sichtbares Licht in Kombination mit organischen Molekülen zu verlassen. Trifft nämlich sichtbares Licht auf ein solche Molekül, dann können die Photonen des Lichts entweder durch das Molekül verstreut oder absorbiert werden. Geschieht werden die Photonen absorbiert, so wird dadurch das Bild zu einem Zerrbild der Realität, werden die Photonen verstreut, können sie wieder zusammengefügt werden und so ein sauberes Bild zeichnen.

In der Astronomie wurde die Problematik des Zusammenfügens von Photonen bereits mit adaptiver Optik gelöst. Diese Technik nutzt einen Algorithmus um exakt zu berechnen, wie sehr die Atmosphäre das Bild einen bestimmten Sterns verzerrt. Mit dem Ergebnis und einem speziellen deformierbaren Spiegel werden die atmosphärischen Verzerrungen ausgeglichen und der Stern korrekt abgebildet. Der menschliche Körper, im Gegensatz zur Sternen, jedoch leuchtet weder von sich aus, noch in seinem Inneren. Somit lässt sich adaptive Optik leider nicht einfach auf die innere Medizin übertragen.

Noch ein weiter Schritt bis zur praktischen Anwendung

2014 gelang es Sylvain Gigan, Physiker in den Kastler Brossel Laboren in Paris, ein verstecktes Bild mittels einer einzelnen Aufnahme zu rekonstruieren. Lihong Wang, Ingenieur für Biomedizin an der Washingotn University in Saint Louis war es möglich ein Bild innerhalb von 5,6 Millisekunden zu rekonstruieren. Ein gewaltiger Fortschritt, führt man sich vor Augen, dass dies bei Mosks erstem Anlauf noch eine Stunde dauerte. Noch sind aber alle Unternehmungen Laborstudien und Feldversuche noch weit entfernt. Die Wissenschaftler sehen aber auch nicht nur Anwendungsmöglichkeiten für die Medizin, sondern auch für militärische Nutzung und für die Restauration von Kunstgegenständen.