Laserbasierte Röntgen-Bildgebung

Hätte die medizinische Bildgebung Zugriff auf Röntgenstrahlung in Synchrotron-Strahlungsintensität, ließen sich millimeterkleine Krebstumore aufspüren, ehe sie metastasieren. Doch es braucht teure Teilchenbeschleuniger, um Synchrotronstrahlung zu erzeugen. Daher ist sie für eine Röntgen-Bildgebung, die feine Gewebestrukturen sichtbar macht, nicht praktikabel.

Forscher des Center for Advanced Laser Applications (CALA) auf dem Forschungscampus Garching bei München finden sich damit nicht ab. Sie arbeiten daran, brillante Röntgenstrahlung mithilfe von Ultrakurzpuls-(UKP)-Lasern auf engstem Raum zu erzeugen, um sie der medizinischen Diagnostik zugänglich zu machen.

Hightech-Laser erzeugen ultrakurze Petawatt-Pulse

Herzstücke des CALA sind zwei Lasersysteme: Der Advanced Titanium-Sapphire Laser (AT-LAS) und der Petawatt Field Synthesizer (PFS-pro). ATLAS liefert 20 Femtosekunden (fs) kurze Laserpulse, die Leistungsspitzen von bis zu drei Petawatt (3 PW) erreichen. Ein Verstärker von Thales steigert den Energiegehalt der Laserpulse von 2,5 auf 60 Joule. Diese extrem konzentrierte Energie schießen die Forscher auf Wasserstoffatome, entreißen ihnen so Elektronen und beschleunigen diese nahezu auf Lichtgeschwindigkeit. Treffen die rasenden Elektronen nun auf ebenfalls per Laser induzierte starke Plasmafelder, beginnen sie zu oszillieren – und emittieren die brillante Röntgenstrahlung. Weil Licht in 20 fs nur etwa 6 µm Strecke zurücklegt, ist das Freisetzen und Anregen der Elektronen auf engstem Raum machbar. Kompakte Synchrotron-Strahlenquellen für die klinische Diagnostik werden denkbar.

Die Forscher haben bereits Tomographien von Mäusen, Insekten und menschlichen Knochenproben durchgeführt. Dabei haben sie neben ATLAS das PFS-pro Lasersystem eingesetzt, das aus insgesamt drei Ausgangskanälen intensive, ultrakurze Lichtimpulse bereitstellt. Einer davon ist die Röntgenquelle SPECTRE. In einer Vakuumkammer wird per UKP-Laser ein Elektronenpaket erzeugt. Darauf richten die Forscher einen zweiten Laserstrahl, der die Elektronen zum Schwingen und zur Emission der intensiven Röntgenstrahlen anregt.

Neuartige Diagnostik und Therapie

Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), der Technischen Universität (TU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenphysik haben am CALA zudem Zugriff auf die Elektronen- und Thomson-Testanlage ETTF. Darin können sie die Beschleunigung der freigesetzten Elektronen mit dem ATLAS-Laser in den Bereich mehrerer Gigaelektronenvolt (GeV) treiben, und so Elektronenstrahlen mit einer bisher unerreichten Kombination aus Elektronenladung und Phasenraumdichte erzeugen. Diese sind Vorstufen jener brillanten Röntgenstrahlen, die Ärzten künftig vollen Durchblick verschaffen sollen.

Ein zentraler Ansatz ist dabei die Phasenkontrast-Röntgenbildgebung. Diese nutzt statt der Absorption der Röntgenstrahlen im Gewebe den Wellencharakter des hochfrequenten extrem kurzwelligen Lichts: Beim Durchleuchten von Gewebe kommt es zu minimalen spezifischen Phasenverschiebungen. Diese Interferenzen können die Münchener mithilfe von optischen Gittern exakt detektierten und mit eigens entwickelter Imaging-Software in extrem detailreiche Röntgenbilder übersetzten.

Doch die Münchener Hightech-Laseranlage kann mehr: ATLAS und PFS-pro dienen auch als Quellen der „Lasergesteuerten Ionen-Beschleunigung“ (LION), die eine effektivere Bestrahlung von bösartigen Gewebemutationen ermöglichen soll. Dafür lösen die Laser Ionen aus kohlenstoffbasierten Folien und beschleunigen diese bis auf etwa ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit. Auf diese Weise verschaffen sich die Forscher per UKP-Laser Zugang zu Ionenstrahlung. Gelingt es, die laserinduzierte Röntgen- und Ionenstrahlung in die klinische Praxis zu übertragen, könnte die Krebsfrüherkennung mit direkter Bestrahlung verbunden werden, ohne die Patienten zwischendurch bewegen zu müssen. Kombinierte Röntgen- und Ionen-Bestrahlungsgeräte auf Laserbasis könnten Patienten so quälende Wartezeiten und lästige Wege zwischen Diagnose und Therapie ersparen.

Evolution der Röntgentechnik

Nicht nur die CALA-Forscher glauben an ihre Technologie. Auch die französischen UKP-Spezialisten von Amplitude Laser sind überzeugt, dass laserbasierte Röntgenquellen die medizinische Bildgebung revolutionieren werden. Wie schnell das geht, ist ungewiss. Doch auch so entwickeln Hersteller wie Agfa Healthcare, Canon oder Philips die Röntgentechnik rasant weiter. So haben Chirurgen heute mit mobilen C-Bögen während Operationen Zugriff auf hochaufgelöste Röntgenaufnahmen der Patienten. Und kabellose Kompaktgeräte durchleuchten nicht transportfähige Patienten im Krankenbett. Dank digitaler Bildgebung und drahtloser Datenübertragung fügen sich solche Röntgensysteme nahtlos in die vollvernetzte Datenwelt moderner Kliniken ein.

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