Endoskopie durch nur eine Faser
Endoskope benötigen bisher ein ganzes Bündel an Lichtfasern. Doch eine einzelne genügt, wenn sich die Bildinformation durch Lichtmoden übertragen lässt.
Um in der Medizin in den Körper des Patienten zu blicken, sind flexible Glasfaser-Endoskope seit den 1960er Jahren Standard. Im besten Fall sind diese nur wenige Millimeter dick – und bestehen doch aus einem ganzen Bündel optischer Fasern. Wie viel dünner könnten die Geräte erst sein, wenn nur eine einzelne Faser nötig wäre? Eine optische Methode, mit der dies gelingt, haben nun Wissenschaftler aus Korea und den USA entwickelt.
Abb.: Schematischer Aufbau der Linsenlosen Mikroendoskopie durch eine Einzelfaser (unten) – die Transmissionsmatrix ist alles. Sobald die Modenverzerrung (links oben) ermittelt ist, lässt sich aus dem detektierten Signal (oben Mitte) mit dem Endoskopie auch bei einer einzelnen Faser ein klares Bild erhalten. (Bild: Y. Choi et al., APS)
In konventionellen Endoskopen liefert jede Einzelfaser ein Pixel des Bildes. Für höhere Auflösung sind daher unweigerlich dickere Kabel nötig, feinere Hohlräume entziehen sich damit der genauen Beobachtung. Eine Faser alleine konnte bisher nicht benutzt werden, denn dann müsste die übertragene Information in den einzelnen Lichtmoden liegen. Doch auf seinem Weg durch die Faser unterliegt das Licht einer Modendispersion: Die Moden werden verzerrt und mischen sich auf unvorhersagbare Weise.
Ist jedoch einmal die Transmissionsmatrix des Systems bekannt, lassen sich die Modenverzerrungen aus dem Bild herausrechnen. Genau dies ist den Wissenschaftlern um Youngwoon Choi gelungen. „Lensless microendoscopy by a single fiber“ (LMSF) nennen sie ihre Methode. Dafür fokussierten sie zunächst kohärentes Laserlicht in der Faser, so dass am anderen Ende das Speckle-Muster zu sehen war, das sich durch die Modeninteraktion ergab. Durch einen Scan über viele verschiedene Laser-Einfallswinkel in die Faser hinein erhielten die Forscher in weniger als 30 Sekunden ein vollständiges Speckle-Bild, aus dem sie die benötigte Trasmissionsmatrix berechneten. Nun ließ sich die Bildinformation tatsächlich durch die unterschiedlichen Lichtmoden übertragen. Für ein klares Abbild per Reflexions-Endoskopie mussten die Wissenschaftler ihre Transmissionsmatrix lediglich zwei Mal anwenden, um Hin- und Rückweg des Lichtes zu berücksichtigen.
Die Forscher demonstrierten ihre Methode mit der erfolgreichen Abbildung der Darmzotte einer Ratte. In nur einer Sekunde erstellten sie per LMSF ein Bild mit 2300 Pixeln. Dies entspricht einer 30fach größeren Pixeldichte als sich mit einem typischen Faserbündel-Mikroskop erzielen lässt. Grundsätzlich, berechneten die Wissenschaftler, ließe sich die Pixeldichte per LMSF gegenüber der konventionellen Endoskopie sogar um ein bis zwei Größenordnungen steigern.
Die neue Methode hat jedoch auch einen Nachteil: Nach der Berechnung der Transmissionsmatrix lässt sich die Faser nur noch wenig biegen, ohne die Lichtmoden und damit die Transmissionsmatrix zu stark zu verändern. LMSF-Endoskopie wird daher vor allem starre Endoskope ersetzen, schreiben die Forscher.
Laura Hennemann
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