Forschung & Entwicklung

Scharfe Endoskopiebilder mit flexiblen Fasern

Bildinformationen können nahezu ohne Verzerrung durch multimodale Fasern übertragen werden – selbst wenn sie die Fasern verbiegen.

Endoskope erlauben Medizinern in das Körperinnere von Patienten wie durch ein Schlüsselloch zu blicken. Gewöhnlich werden die Bilder von ein Bündel aus mehreren hundert optischen Fasern übertragen. Sie bedingen den relativ großen Durchmesser der Endoskope, was ihren Einsatz in empfindlichen Körperregionen wie dem Gehirn erschwert. Ein internationales Wissenschaftlerteam um Prof. Tomáš Čižmár vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena (Leibniz-IPHT) erforscht multimodale optische Fasersonden, die hochaufgelöste Bilder mit nur einer einzelnen haarfeinen Faser liefern. Um zukünftig einzelne Gehirnzellen in einem lebenden Organismus bei ihrer Arbeit beobachten zu können, müssen die Sonden vor allem flexibel sein. Das ist eine Herausforderung, denn beim Verbiegen der Fasern verzerrt das übertragene Bild auf unterschiedliche Weise.

Bereits seit einigen Jahren sucht Čižmár nach einer Lösung, um das Problem der Bildübertragung in multimodalen Fasern zu beheben. „Wir haben gezeigt, dass wir mittels Computerberechnungen den Einfluss des Biegens auf die Lichtleitung in der Faser vorhersagen und so die Bilder wiederherstellen können. Das ist ein aufwändiges Verfahren bei dem wir die Deformation der Faser genau kennen müssen“, erklärt Tomáš Čižmár.

Einen neuen, einfacheren Ansatz fanden die Forscher jetzt in Form von Fasern mit besonderen Brechungsindexprofil. Dazu nutzen die Forscher Gradientenindexfasern für die Bildübertragung. Im Unterschied zu herkömmlichen Fasern ändert sich hier die Lichtbrechung über den Faserquerschnitt nicht abrupt, sondern allmählich in Form einer Kurve. Die Wissenschaftler simulierten zunächst mit theoretischen Modellen die Lichtausbreitung in den Fasern. Die Ergebnisse ließen erwarten, dass die Signalübertragung in den Fasern aufgrund des besonderen Brechungsindexprofils unempfindlich gegenüber Verbiegen und Bewegung ist. Im konnten die Forscher ihre Ideen nur teilweise prüfen. Die Gradientenindexfasern sind beim Biegen tatsächlich wesentlich weniger störanfällig als herkömmliche Stufenindexfasern. Dass die übertragenen Bilder dennoch leicht verzerrt sind, führen sie auf das nicht perfekt parabolische Brechungsindexprofil der kommerziellen Fasern zurück. Die Forschungsarbeiten der Wissenschaftler konzentrieren sich nun darauf, Gradientenindexfasern mit verbesserten optischen Eigenschaften herzustellen und sie für die medizinische Bildgebung zu testen.

Originalveröffentlichung:

[D. E. Boonzajer Flaes, J. Stopka, S. Turtaev, J. F. de Boer, T. Tyc, T. Čižmár, Robustness of Light-Transport Processes to Bending Deformations in Graded-Index Multimode Waveguides, Phys. Rev. Lett. 120 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.233901]

von mn

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