11.06.2018

Scharfe Bilder mit flexiblen Fasern

Endoskopie mit multimodalen optischen Fasersonden.

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 Team um Leibniz-IPHT Wissen­schaftler Tomáš imár 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.

Abb.: Gradientenindexfasern mit einem nahezu perfekt parabolischen Brechungsindexprofil sind nahezu unempfindlich gegenüber Bewegung oder Verbiegen. Die übertragenen Bildinformationen bleiben erhalten. (Bild: Leibniz-IPHT)

Bereits seit einigen Jahren sucht imár 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 Lichtleiung in der Faser vorhersagen und so die Bilder wieder­herstellen können. Das ist ein aufwendiges Verfahren bei dem wir die Deformation der Faser genau kennen müssen“, erklärt Tomáš imár, der Leiter der Abteilung Faseroptik am Leibniz-IPHT. Einen neuen, einfacheren Ansatz fanden die Forscher jetzt in Form von Fasern mit besonderen Brechungs­indexprofil.

„Wir sind auf die Idee gekommen, Gradienten­indexfasern für die Bildüber­tragung zu nutzen. Im Unterschied zu herkömm­lichen Fasern ändert sich hier die Licht­brechung über den Faserquer­schnitt nicht abrupt, sondern allmählich in Form einer Kurve“, so imár. 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 Experiment konnten wir unsere 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 wir auf das nicht perfekt para­bolische Brechungs­indexprofil der kommer­ziellen Fasern zurück“, erklärt Dirk Boonzajer Flaes die unge­wöhnlichen Ergeb­nisse. Die Forschungs­arbeiten der Wissen­schaftler konzen­trieren sich nun darauf, Gradienten­indexfasern mit verbesserten optischen Eigen­schaften herzu­stellen und sie für die medi­zinische Bildgebung zu testen.

IPHT / JOL

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