20.04.2018

Vom Labor in den OP

Laserbasierte Röntgentomographie macht wichtigen Schritt zur medizinischen Anwendung.

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. Mit Hilfe der durch einen Laser erzeugten Röntgen­strahlung ist es den Physikern gelungen, eine voll­ständige, drei­dimensionale Rekonstruktion der Fein­struktur einer Knochen­probe, eine Tomographie, 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.

Abb.: Die Weiterentwicklung des Hoch­leistungs­lasers ATLAS ermöglichte die zügige Rekonstruktion der Fein­struktur einer Knochen­probe. (Bild: T. Naeser)

Synchrotronstrahlung ist um ein Vielfaches heller als normale Röntgen­strahlung und ermöglicht es, deutlich detailliertere Struktur­analysen durchzuführen. Synchrotron-Licht­quellen sind jedoch nicht sehr verbreitet. Sie beruhen auf sehr großen und teuren Teilchenbeschleunigern. 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 ersten Messungen am Max-Planck-Institut zeigten die Forscher 2015 bereits eine drei­dimensionale Rekonstruktion eines Insekts. In den neuen Experimenten am Laboratory for Extreme Photonics verbesserten die Forscher um Stefan Karsch nun ihren experimentellen Aufbau und analysierten erstmals eine menschliche Knochen­probe. Dank fortgeschrittener Computer-Rekonstruktions­verfahren des Teams von Franz Pfeiffer von der TUM konnten die Forscher zudem mit einem deutlich kleineren Roh­daten­satz arbeiten. Hierdurch konnten sie eine voll­ständige Tomographie innerhalb von drei Minuten aufnehmen.

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.

MPQ / DE

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