Von Teleskopen bis zu biologischem Gewebe

Forscher des Andrew and Peggy Cherng Department of Medical Engineering des Caltech haben einen großen Schritt nach vorne in der medizinischen Bildgebung gemacht, indem sie sich von der Astronomie inspirieren ließen.

Das Papier, das diese Forschung beschreibt, wurde in veröffentlicht Naturphotonik am 23. Januar und trägt den Titel „High-Gain and High-Speed ​​Wavefront Shaping through Scattering Media“.

In der Astronomie wird das Licht, das Teleskope erreicht, durch die Erdatmosphäre verzerrt, was zu verschwommenen Bildern von Planeten, Satelliten und anderen kosmischen Objekten führt. Die Erdatmosphäre ist ein sogenanntes Streumedium; es streut das Licht und lässt Bilder unscharf und wolkig erscheinen. Die Wellenfrontformung ist eine Methode zur Erzeugung von fokussiertem Licht durch Umkehrung der durch die Atmosphäre verursachten optischen Verzerrung. Bei dieser Methode „formt“ ein reflektierendes Gerät, wie ein Spiegel, Lichtwellen, um Verzerrungen auszugleichen. Es ist vergleichbar mit einer Person, die Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung trägt, um Umgebungsgeräusche zu bekämpfen.

Auch biologisches Gewebe ist ein streuendes Medium. Die Bewegung des Blutes, die Bewegung des Atmens und das konstante Pumpen des Herzens erzeugen schnell wechselnde Verzerrungen oder Trübungen, wenn mikroskopische Bilder von Blutgefäßen, Nerven und sogar Krebszellen aufgenommen werden. So wie ein Astronom die Wellenfrontformung verwenden könnte, um die durch die Erdatmosphäre verursachte Verzerrung aufzuheben, haben Forscher in der Medizintechnik die Verwendung der Wellenfrontformung untersucht, um die durch biologisches Gewebe verursachte Verzerrung aufzuheben.

„Wenn Licht durch ein gestreutes Medium wie ein Stück Gewebe geht, wird es einfach überall gestreut. Das bedeutet, dass wir Licht nicht direkt tief im Gewebe fokussieren können“, sagt Lihong Wang, Bren-Professor für Medizintechnik und Elektrotechnik. und korrespondierender Autor des Artikels. „Streuung hat einen kumulativen Effekt. Je mehr streuende Photonen durchgehen, desto mehr Verzerrung sehen wir. Durch die Verwendung von Wellenfrontformung können wir den Streueffekt abschwächen und tiefer in biologisches Gewebe fokussieren.“

Wangs Labor verwendet einen lichtbrechenden Kristall, der als „magischer Spiegel“ fungiert, der die durch Gewebe verursachte Lichtverzerrung aufhebt.

Der Prozess funktioniert so: Wenn Sie in einen normalen Badezimmerspiegel starren, sehen Sie ein klares, unverzerrtes Bild von sich. Halten Sie zwischen sich und dem Spiegel eine Glasflasche an Ihr Auge, und Sie werden ein verzerrtes, verschwommenes Bild von sich selbst sehen. Das liegt daran, dass die Flasche die Lichtwellen auf ihrem Weg zum Spiegel und auf ihrem Weg zurück vom Spiegel in Ihre Augen verzerrt. Die „Magie“ im „Zauberspiegel“ ist die Fähigkeit, die Wellenform (Wellenfront genannt) beizubehalten, indem die Verzerrung, die sie erfahren hat, umgekehrt wird. Mit anderen Worten, das zurückgeworfene Licht erfährt sowohl auf dem Weg zum Spiegel als auch auf dem Rückweg zu Ihnen die gleiche Verzerrung, jedoch in umgekehrter Richtung, wodurch sich die Verzerrung selbst aufhebt. Wenn diese Wellenfronten erneut durch die Flasche gehen, ist das Ergebnis ein klares Bild von Ihnen, als ob die Flasche nicht da wäre.

Die Verwendung von Wellenfrontformung zur Erfassung klarerer Bilder von biologischem Gewebe muss jedoch drei Schlüsselmetriken erfüllen. Bisherige Verfahren waren nicht in der Lage, allen dreien gerecht zu werden.

Die erste Schlüsselmetrik ist die Geschwindigkeit. Da biologisches Gewebe lebt und sich bewegt, muss der gesamte Prozess der Wellenfrontformung innerhalb einer Millisekunde erfolgen. „Nur wenn Sie während des Zeitumkehrprozesses dasselbe Objekt im selben Zustand am selben Ort haben, können wir die Wellenfrontverzerrung aufheben“, sagt Wang, der auch der Andrew and Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair ist.

Die zweite Schlüsselmetrik sind die sogenannten „Steuerungsfreiheitsgrade“. Anstelle eines herkömmlichen Spiegels, den Sie vielleicht morgens zum Anziehen verwenden, besteht der „Zauberspiegel“, der bei der Wellenfrontformung verwendet wird, aus vielen kleinen Spiegelplatten. Je mehr Panels, desto mehr Kontrolle haben die Forscher, um Lichtwellen abzustimmen und zu formen, um Verzerrungen auszugleichen.

Die dritte Schlüsselmetrik, die für Wang und das Team am herausforderndsten ist, ist die Helligkeit oder das Reflexionsvermögen des Spiegels – der sogenannte „Energiegewinn“. Mit dem „magischen Spiegel“, der bei der Hochgeschwindigkeits-Wellenfrontformung mit hohen Steuerungsfreiheitsgraden verwendet wird, ist das Reflexionsvermögen oft zu schwach, um effektiv zu sein. Das Forschungsteam fand eine Lösung, wie ein Laser hergestellt wird.

Wenn Lichtwellen durch ein Material mit lichtverstärkenden Eigenschaften – auch Gain-Medium genannt – geleitet werden, setzen die Elektronen im Gain-Medium Energie in Form von zusätzlichem Licht frei. Dieser Prozess verstärkt die Lichtwellen und bildet Licht, das sich in einer geraden Linie ausbreitet – bekannt als Laser. In ähnlicher Weise wird ein Laserverstärkungsmedium verwendet, um die gestreuten Lichtwellen zu verstärken, die zum magischen Spiegel gelangen und von ihm reflektiert werden. „Metaphorisch erlaubt uns dieses Gain-Medium, den Zauberspiegel glänzender zu machen, es poliert sozusagen den Spiegel“, sagt Wang. Der magische Spiegel selbst bleibt derselbe, während das Licht, das sich zum und vom Spiegel bewegt, verstärkt und heller wird.

In der Astronomie kann die Wellenfrontformung einen unscharfen Fleck in ein klareres Bild eines fernen Planeten verwandeln. Übertragen auf die Medizintechnik hat dieser neue Prozess der medizinischen Wellenfrontformung das Potenzial, sich scharf auf Gewebe zu konzentrieren, um Krebs unter der Haut zu erkennen.

„Wir berichten über diese Technik, die gleichzeitig eine Hochgeschwindigkeits-, Hochenergieverstärkung – das heißt ein hohes Reflexionsvermögen – und hohe Steuerungsfreiheitsgrade erreicht. Das bedeutet, dass alle drei Metriken zum ersten Mal erfüllt wurden“, sagt Wang. „Das ist ein großer Schritt nach vorne.“