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.
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