Quantenbildgebung für Anwendungen in Me­di­zin und Biologie

In der Arbeitsgruppe „Quantum Op­tics“ am Institut für Angewandte Phy­sik der FSU Jena versuchen wir, diese besonderen Licht­zu­stände für die Bildgebung nutzbar zu machen. Ziel dieser Arbeiten ist es, die Quan­ten­bildgebung für Anwendungen in der Me­dizin und Biologie zu nutzen und damit neue Möglichkeiten zur Dia­gnostik und Therapie von Krank­heiten zu schaffen.

Die besonderen Eigenschaften von Photonen­paa­ren, die auf fundamentale quanten­me­cha­nische Prinzipien zurückzuführen sind, eröffnen das Potenzial, sehr rausch­arme Bilder mit ei­ner sehr geringen Anzahl von Photonen zu erzeugen. Die Verbindung zwischen den beiden Pho­tonen eines Paares erlaubt dabei, eines davon mit dem Test­objekt interagieren zu lassen, aber nur das an­dere mittels einer Kamera zu detektieren. Da die beiden Photonen dabei auch un­ter­schied­liche Wellenlängen auf­weisen können, ist es auf die­se Weise zum Beispiel mög­lich, Bilder im Infra­roten mit Kameras aufzunehmen, die nur für sicht­bares Licht sensitiv sind. Dies ist ein wesent­licher Vorteil in Anwendungen, da Infrarot­ka­me­ras wesentlich schlechtere Ei­gen­schaften auf­wei­sen als solche für sichtbares Licht, dabei aber um ein Viel­faches teurer sind.

Auf diesen Eigenschaften basieren­de Bildgebungsverfahren können für verschiedene Anwendungen von Vor­teil sein.

Insbesondere dort, wo mit geringen Lichtinten­si­täten und in technisch schlecht erschlos­se­nen Wel­len­län­genbereichen wie dem Infraroten ge­ar­beitet werden muss. Al­ler­dings wurden die grund­legenden Vorteile dieser Verfahren bisher nur an relativ einfachen Laboraufbauten de­mon­striert.

Unsere Arbeit – gefördert durch den Freistaat Thüringen, das Bun­des­mi­nisterium für Bildung und For­schung und die Eu­ro­päische Uni­on – zielt darauf ab, Quantenbildgebungsverfahren so weiterzuentwickeln, dass sie in echten An­wen­dungen in Medizin und Biologie nutzbar sind. Ein besonderes Au­gen­merk liegt bei un­seren Forschungsarbeiten auf der Integration von Quantenbildgebungsverfahren mit hoch­auf­lö­senden Mikroskopen aber auch in der Ent­wicklung neuer Detektions- und Aus­werte­ver­fah­ren, um noch mehr Informationen über die un­tersuchten Objekte zu gewinnen. Auch ar­bei­ten wir gemeinsam mit einer Vielzahl von regio­nalen, nationalen und internationalen Part­nern in­tensiv an der Weiterentwicklung von Sensoren und Detektoren. Die bisher zur Verfü­gung ste­hen­den stellen derzeit eine wesentlich tech­ni­sche Einschränkung dar.

Insgesamt birgt die Quantenbild­ge­bung mit Photonenpaaren großes Po­tenzial für die biomedizinische Bild­gebung.

Durch die enge Zusammenarbeit von Forschern aus verschiedenen Disziplinen und die ge­mein­same Entwicklung neuer Technologien wird es mög­lich sein, dieses Po­ten­zial in den kom­men­den Jahren vollständig auszuschöpfen. (fs)