Scharfe Bilder mit flexiblen Fasern

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 Prof. Tomáš Čižmár 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.

Bereits seit einigen Jahren sucht Čižmár 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 aufwändiges Verfahren bei dem wir die Deformation der Faser genau kennen müssen“, erklärt Tomáš Čižmár, der seit 2017 die Abteilung Faseroptik am Leibniz-IPHT leitet.

Einen neuen, einfacheren Ansatz fanden die Forscherinnen und Forscher jetzt in Form von Fasern mit besonderen Brechungsindexprofil. „Wir sind auf die Idee gekommen Gradientenindexfasern für die Bildübertragung nutzen. Im Unterschied zu herkömmlichen Fasern ändert sich hier die Lichtbrechung über den Faserquerschnitt nicht abrupt, sondern allmählich in Form einer Kurve“, so Čižmár. 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, Erstautor der Veröffentlichung, 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.

Den Originalartikel mit dem Titel „Robustness of Light-Transport Processes to Bending Deformations in Graded-Index Multimode Waveguides“ publizierten die Wissenschaftler im vielzitierten Fachjournal Physical Review Letters.