Forschung & Entwicklung

Laserbasiertes Röntgenbild im Eiltempo

Mihilfe einer laserbasierten Röntgentechnik konnte erstmals eine Knochenprobe innerhalb weniger Minuten rekonstruiert werden. Dadurch rückt eine medizinische Anwendung der neuen Technologie näher.

Einen wichtigen Schritt zur medizinischen Anwendung einer neuen laserbasierten Röntgenquelle haben Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der TU München (TUM) zurückgelegt. Mithilfe der durch einen Laser erzeugten Röntgenstrahlung ist es den Physikern gelungen, eine vollständige, dreidimensionale Rekonstruktion der Feinstruktur einer Knochenprobe, eine Tomografie, innerhalb weniger Minuten durchzuführen. Bisher dauerten vergleichbare laserbasierte Messungen mehrere Stunden. Den Durchbruch ermöglichte die Weiterentwicklung des Hochleistungslasers ATLAS im neuen Laboratory for Extreme Photonics (LEX Photonics) der LMU auf dem Forschungscampus Garching. Erleichtert hat die Messungen zudem die Rekonstruktion der Probe aus den Rohdaten mittels speziell entwickelter Computerprogramme.

In der Wissenschaft wird eine besondere Art von Röntgenstrahlung bevorzugt, die sogenannte Synchrotronstrahlung. Sie ermöglicht deutlich detailliertere Strukturanalysen. Synchrotronlichtquellen sind jedoch nicht sehr verbreitet. Sie beruhen auf der Beschleunigung von Teilchen mittels elektrischer Felder. Dazu ist der Bau von sehr großen und immens teuren Teilchenbeschleunigern notwendig.

Um Patienten trotzdem die Vorteile von Synchrotronstrahlung zu bieten, erforschen die Physiker an der LMU, am MPQ und an der TUM auf Hochleistungslasern basierende Röntgenquellen. Dabei treffen extrem intensive Laserpulse auf Wasserstoffatome. Deren elektrische Felder entreißen den Atomen die Elektronen und beschleunigen sie bis fast auf Lichtgeschwindigkeit. Währenddessen sorgen die starken Plasmafelder dafür, dass die Elektronen entlang ihrer Beschleunigungsstrecke oszillieren und somit Strahlung emittieren. Das alles passiert auf wenigen Millimetern Weglänge. Dementsprechend sind laserbasierte Röntgenquellen bei vergleichbarer Qualität der Strahlung um ein Vielfaches kleiner und daher deutlich günstiger als konventionelle Synchrotrons.

In den neuen Experimenten am Laboratory for Extreme Photonics verbesserten die Forscher um Prof. Stefan Karsch nun ihren experimentellen Aufbau und analysierten erstmals eine menschliche Knochenprobe. Dank fortgeschrittener Computer-Rekonstruktionsverfahren des Teams von Prof. Franz Pfeiffer von der TUM konnten die Forscher zudem mit einem deutlich kleineren Rohdatensatz arbeiten. Hierdurch konnte eine vollständige Tomografie innerhalb von drei Minuten aufgenommen werden.

Die Arbeiten entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), und werden am neuen Center for Advanced Laser Applications in Garching weitergeführt. Dessen Lasersysteme sollen die Effizienz und Qualität der Röntgenquelle nochmals deutlich steigern und somit diese neue Art der Tomografie erstmals medizinisch anwendbar machen.

Originalveröffentlichungen:

[A. Döpp, L. Hehn, J. Götzfried, J. Wenz, M. Gilljohann, H. Ding, S. Schindler, F. Pfeiffer, S. Karsch, Quick X-ray microtomography using a laser-driven betatron source, Optica 5 (2018) DOI: 10.1364/OPTICA.5.000199]

von mn

www.mpq.mpg.de

www.uni-muenchen.de

www.tum.de

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