Von Sascha Ott
Die Hologramme der Münchener Chemiker haben nicht viel gemeinsam mit den bekannten dreidimensionalen Bildern, die sich je nach Betrachtungswinkel zu verändern scheinen - außer den Weg der Herstellung. Dabei überlagern sich zwei Laserstrahlen, die unterschiedlich lange Wege zurückgelegt haben: Der eine kommt direkt aus dem Laser, der andere macht einen Umweg über das Objekt, das abgebildet werden soll. Wo sich die Strahlen treffen entsteht dann ein Bild des Objekts, zum Beispiel eines kleinen Hautabschnitts. Der Leiter der Forschungsgruppe Klaus Meerholz:
Für die Haut bedeutet das zum Beispiel, dass wir immer, immer tiefer reinzoomen, wobei wir am Ende begrenzt sind dadurch, dass die wenigen Photonen, je tiefer wir reinkommen, dann wird deren Zahl eben so klein, dass man nach ein, zwei Millimeter nichts mehr sehen kann. Das heißt, das ist eine oberflächensensitive Methode, mit der man beispielsweise die braunen Flecke anschauen könnte, ob die gegebenenfalls irgendwelche Krebsrisiken haben oder eben nicht.
In dieser geringen Zahl der Lichtteilchen, die von der Haut kommen, liegt bisher das große Problem, das einen Einsatz der Holographie in der Medizin verhindert. Die Laserstrahlen erzeugen das Hologramm auf einem lichtempfindlichen Material, das die Abbildung aber nur für Bruchteile einer Sekunde speichert. In dieser Zeit muss das Bild mit einer Kamera aufgenommen werden, um es zu sichern. Die wenigen Lichtteilchen erzeugten aber bisher nur ein so schwaches Hologramm, dass die Belichtungszeit der Kamera sehr lang sein musste - ZU lang für eine sinnvolle medizinische Untersuchung. Meerholz:
Wenn Sie sich jetzt vorstellen, sie würden jetzt ihren braunen Fleck am Arm angucken wollen, dann können Sie das meinetwegen ein, zwei Minuten lang ruhig halten, aber keine Stunden. Und wenn man die ganze Information, wir reden hier über Mikrometerauflösung von einem Fleck der sagen wir mal fünf mal fünf Millimeter groß ist, aufnehmen will, dann darf das nicht Stunden dauern, sondern es muss in zehn Sekunden passiert sein. Damit wir aber in zehn Mikrometerschritten alles aufnehmen können, kann man sich ausrechnen, dass man dann einfach schnell sein muss, damit der Patient in der Zeit nicht gewackelt hat.
Die Chemiker um Klaus Meerholz machten sich also auf die Suche nach einer Möglichkeit, ihre Bilder schneller zu bekommen. Dazu musste das Hologramm heller werden, also das lichtempfindliche Material sensibler auf die Lichtteilchen reagieren. Bei dieser Suche stießen die Forscher auf den entscheidenden Trick, der der Holographie-Methode zum Durchbruch verhelfen könnte: Sie fanden heraus, dass ihr lichtempfindliches Material mehr Ladungsträger, also hellere Lichtpunkte erzeugt, wenn man ihm eine Art Vorwarnung gibt. Meerholz:
Dann haben wir uns ganz einfach gedacht, dass wir die Ladungsträger nicht erst beim Schreiben des Hologramms erzeugen, sondern sie vor dem Experiment vorgeben. Und das ist also ein kurzer intensiver Lichtpuls, der der eigentlichen Aufgabe vorhergeht und dann gelingt es das ganze fast hundert mal schneller zu betreiben, als wenn man das nicht tun würde.
Das Prinzip funktioniert also ähnlich wie das zweistufige Blitzlicht bei einem modernen Fotoapparat: Der erste Blitz bereitet die Augen der Fotografierten vor, damit später auf dem Bild nicht der unschöne Rote-Augen-Effekt zu sehen ist. Entsprechend bereiten die Chemiker auch das Holographie-Material mit einem kurzen Lichtblitz vor, damit Sekundenbruchteile später ein besonders lichtintensives Hologramm entsteht. Das verwendete Laserlicht ist von geringer Energie und daher ungefährlich für die Haut. Das lichtempfindliche Holographie-Material haben die Münchener Chemiker zusammen mit Kollegen von der Universität Jena entwickelt: ein kostengünstiges Polymer mit besonders vielen freien Ladungen für ein besonders effektives Bild. In der Frage, ob die Fortschritte, die jetzt im Fachblatt "Nature" erscheinen, tatsächlich die Tür zu einem neuen Abbildungsverfahren für die Medizin aufstoßen, gibt sich Klaus Meerholz vorsichtig optimistisch:
Es bringt sie in jedem Fall entscheidend näher, ob es ausreicht, wird, denke ich erst die Zukunft zeigen können. Wir haben das Material entwickelt, haben ein Experiment gezeigt unter Bedingungen im klinischen Einsatz, die dem sehr nahe kommen, aber wir haben das eigentliche Experiment nicht machen können.
Bisher haben die Forscher ihre Methode nicht an menschlicher Haut, sondern nur an einem Logo der Münchener Universität vorgeführt. Im Sommer ist die Gruppe um Klaus Meerholz nach Köln gewechselt. Hier wollen sie nun die erste medizinische Anwendung der Holographie in Angriff nehmen.
Die Hologramme der Münchener Chemiker haben nicht viel gemeinsam mit den bekannten dreidimensionalen Bildern, die sich je nach Betrachtungswinkel zu verändern scheinen - außer den Weg der Herstellung. Dabei überlagern sich zwei Laserstrahlen, die unterschiedlich lange Wege zurückgelegt haben: Der eine kommt direkt aus dem Laser, der andere macht einen Umweg über das Objekt, das abgebildet werden soll. Wo sich die Strahlen treffen entsteht dann ein Bild des Objekts, zum Beispiel eines kleinen Hautabschnitts. Der Leiter der Forschungsgruppe Klaus Meerholz:
Für die Haut bedeutet das zum Beispiel, dass wir immer, immer tiefer reinzoomen, wobei wir am Ende begrenzt sind dadurch, dass die wenigen Photonen, je tiefer wir reinkommen, dann wird deren Zahl eben so klein, dass man nach ein, zwei Millimeter nichts mehr sehen kann. Das heißt, das ist eine oberflächensensitive Methode, mit der man beispielsweise die braunen Flecke anschauen könnte, ob die gegebenenfalls irgendwelche Krebsrisiken haben oder eben nicht.
In dieser geringen Zahl der Lichtteilchen, die von der Haut kommen, liegt bisher das große Problem, das einen Einsatz der Holographie in der Medizin verhindert. Die Laserstrahlen erzeugen das Hologramm auf einem lichtempfindlichen Material, das die Abbildung aber nur für Bruchteile einer Sekunde speichert. In dieser Zeit muss das Bild mit einer Kamera aufgenommen werden, um es zu sichern. Die wenigen Lichtteilchen erzeugten aber bisher nur ein so schwaches Hologramm, dass die Belichtungszeit der Kamera sehr lang sein musste - ZU lang für eine sinnvolle medizinische Untersuchung. Meerholz:
Wenn Sie sich jetzt vorstellen, sie würden jetzt ihren braunen Fleck am Arm angucken wollen, dann können Sie das meinetwegen ein, zwei Minuten lang ruhig halten, aber keine Stunden. Und wenn man die ganze Information, wir reden hier über Mikrometerauflösung von einem Fleck der sagen wir mal fünf mal fünf Millimeter groß ist, aufnehmen will, dann darf das nicht Stunden dauern, sondern es muss in zehn Sekunden passiert sein. Damit wir aber in zehn Mikrometerschritten alles aufnehmen können, kann man sich ausrechnen, dass man dann einfach schnell sein muss, damit der Patient in der Zeit nicht gewackelt hat.
Die Chemiker um Klaus Meerholz machten sich also auf die Suche nach einer Möglichkeit, ihre Bilder schneller zu bekommen. Dazu musste das Hologramm heller werden, also das lichtempfindliche Material sensibler auf die Lichtteilchen reagieren. Bei dieser Suche stießen die Forscher auf den entscheidenden Trick, der der Holographie-Methode zum Durchbruch verhelfen könnte: Sie fanden heraus, dass ihr lichtempfindliches Material mehr Ladungsträger, also hellere Lichtpunkte erzeugt, wenn man ihm eine Art Vorwarnung gibt. Meerholz:
Dann haben wir uns ganz einfach gedacht, dass wir die Ladungsträger nicht erst beim Schreiben des Hologramms erzeugen, sondern sie vor dem Experiment vorgeben. Und das ist also ein kurzer intensiver Lichtpuls, der der eigentlichen Aufgabe vorhergeht und dann gelingt es das ganze fast hundert mal schneller zu betreiben, als wenn man das nicht tun würde.
Das Prinzip funktioniert also ähnlich wie das zweistufige Blitzlicht bei einem modernen Fotoapparat: Der erste Blitz bereitet die Augen der Fotografierten vor, damit später auf dem Bild nicht der unschöne Rote-Augen-Effekt zu sehen ist. Entsprechend bereiten die Chemiker auch das Holographie-Material mit einem kurzen Lichtblitz vor, damit Sekundenbruchteile später ein besonders lichtintensives Hologramm entsteht. Das verwendete Laserlicht ist von geringer Energie und daher ungefährlich für die Haut. Das lichtempfindliche Holographie-Material haben die Münchener Chemiker zusammen mit Kollegen von der Universität Jena entwickelt: ein kostengünstiges Polymer mit besonders vielen freien Ladungen für ein besonders effektives Bild. In der Frage, ob die Fortschritte, die jetzt im Fachblatt "Nature" erscheinen, tatsächlich die Tür zu einem neuen Abbildungsverfahren für die Medizin aufstoßen, gibt sich Klaus Meerholz vorsichtig optimistisch:
Es bringt sie in jedem Fall entscheidend näher, ob es ausreicht, wird, denke ich erst die Zukunft zeigen können. Wir haben das Material entwickelt, haben ein Experiment gezeigt unter Bedingungen im klinischen Einsatz, die dem sehr nahe kommen, aber wir haben das eigentliche Experiment nicht machen können.
Bisher haben die Forscher ihre Methode nicht an menschlicher Haut, sondern nur an einem Logo der Münchener Universität vorgeführt. Im Sommer ist die Gruppe um Klaus Meerholz nach Köln gewechselt. Hier wollen sie nun die erste medizinische Anwendung der Holographie in Angriff nehmen.