WELT Wissen_2015_8

die nicht so leicht gestreut werden – auf einen Punkt im Medium.
Passierte nun Licht diese Stelle, verschob sich dessen
Frequenz geringfügig.
Den Zeitumkehrspiegel auf der gegenüberliegenden Seite
stellten die Forscher so ein, dass er nur die leicht abgeänderten
Lichtwellen zurückwarf. Das Resultat war ein dünner Strahl,
der erneut durch den Ultraschallfokus lief und sich dort mit
den Lichtwellen aus der ursprünglichen Einfallsrichtung überlagerte.
Dadurch erhöhte sich die Intensität an dieser Stelle –
»wie eine kleine Lampe in der Wand«, kommentiert Judkewitz,
der inzwischen an der Charité in Berlin arbeitet. Der Ultraschallfokus
ließ sich sogar innerhalb des Mediums bewegen,
und sobald er die Kugel streifte, fluoreszierte diese.
Aus dem Labor in die Praxis
In tiefe Gewebeschichten lässt sich mit dieser Technik allerdings
noch nicht blicken. Obendrein bewegen Blutfluss und
Atmung diese Bereiche, was eine weitaus größere Herausforderung
darstellt. »Von medizinischen Anwendungen sind
wir noch immer weit entfernt, da die Verfahren meist nur
funktionieren, wenn das Streumedium absolut still steht«,
sagt Mathias Fink vom Institut Langevin. Der Physiker forschte
in den 1990er Jahren an einer Variante der Zeitumkehrmethode,
die nur auf Ultraschall basierte.
Indessen gelingen die Aufnahmen immer schneller. Während
die gesamte Prozedur bei Mosk ursprünglich etwa eine
Stunde dauerte, benötigen laut Ori Katz viele Teams dafür inzwischen
weniger als eine Minute. Das ist gut, wenn man
eine Kugel oder den Buchstaben π abbilden will, aber für eine
Untersuchung im menschlichen Körper noch immer zu
langsam. Einer Forschergruppe um Katz gelang es 2014
schließlich, das Abbild eines verdeckten Objekts anhand nur
einer einzigen Kameraaufnahme zu rekonstruieren. »Es ist
ein bisschen wie Magie, wenn sich der Algorithmus dem endgültigen
Bild annähert«, beschreibt der Physiker Sylvain Gigan
aus dem Team.
Auch Wang misst Geschwindigkeit eine entscheidende
Bedeutung zu: »Alles ist in Bewegung, und uns bleibt nur ein
Zeitfenster im Bereich von Millisekunden, um ein Bild zu
machen.« Tatsächlich reduzierten Wang und seine Kollegen
in ihrer Veröffentlichung von Anfang 2015 diese Dauer auf
5,6 Millisekunden. »Das erlaubt Aufnahmen in einigen lebenden
Geweben«, erläutert der Forscher. Ihr Zielobjekt bestand
aus angefärbter Gelatine, die zwischen dem Ohr einer
narkotisierten Maus und einer Licht streuenden Mattglasscheibe
eingeklemmt war. Dieses erfolgreiche Experiment
mit einem lebendigen Tier sei beeindruckend, sagt Bertolotti.
Gleichzeitig weist er aber darauf hin, dass der Weg von
einem dünnen Mäuseohr bis zur Bildgebung in menschlichem
Fleisch noch erheblich mehr Arbeit erfordern werde.
Momentan hebe sich kein bildgebendes Verfahren von
den anderen ab, ergänzt der Physiker. Jedes habe Vor- und
Nachteile. »Anstatt eine Methode zu entwickeln, die sich für
alles eignet, werden sich vermutlich verschiedene Techniken
etablieren, die eines Tages in einem Gerät kombiniert wer-
den könnten«, sagt Bertolotti. »Ich kann nicht abschätzen,
wie schnell das passieren wird, aber es handelt sich um eine
junge, umtriebige Forschergemeinde – es könnte also schon
in wenigen Jahren so weit sein.«
Diese Verfahren hätten auch zahlreiche Einsatzgebiete
jenseits der Medizin. Mosk nennt als Beispiel die Restauration
von Kunstwerken. »Die tiefer liegenden Schichten eines
Gemäldes haben Einfluss auf dessen chemische und physikalische
Alterung. Daher wäre es wichtig zu wissen, was drinsteckt,
wenn man das Bild erhalten will.« Auch in der Telekommunikationsindustrie
dürften sich die Methoden als
nützlich erweisen, etwa um das störende Streulicht in Lichtwellenleitern
zu beseitigen. Ein weiterer naheliegender Abnehmer
ist das Militär. Fink zufolge könnten Soldaten mit
Hilfe der neuen Techniken durch einen tragbaren Schild sehen
– entweder einen physikalischen Schutzschirm oder einen
künstlichen Nebel –, der sie ihrerseits vor dem Blick des
Feindes versteckt. »Man könnte andere beobachten, ohne dabei
selbst gesehen zu werden.« Zumindest bis der Gegner
ebenfalls solche Technologien entwickelt.
Fast alle Wissenschaftler in diesem jungen Forschungsgebiet
schwärmen aufgeregt von den potenziellen Anwendungen.
Für Gigan ist dabei vor allem wichtig, jeden Einsatz auch
moralisch vertreten zu können. »Immer wenn wir erzählen,
woran wir arbeiten, fragt irgendwann jemand nach einer
App, um mit dem Smartphone durch Duschvorhänge zu sehen«,
berichtet er. »Das wäre prinzipiell sogar möglich – aber
wir haben nicht vor, das zu tun.« Ÿ
DIE AUTORIN
Zeeya Merali ist freie Wissenschaftsjournalistin in London.
QUELLEN
Bertolotti, J. et al.: Non-Invasive Imaging through Opaque
Scattering Layers. In: Nature 491, S. 232 – 234, 2012
Cassereau, D., Fink, M.: Time-Reversal of Ultrasonic Fields – Part III:
Theory of the Closed Time-Reversal Cavity. In: IEEE Ultrasonics,
Ferroelectrics, and Frequency Control 39, S. 579 – 592, 1992
Judkewitz, B. et al.: Speckle-Scale Focusing in the Diffusive Regime
with Time Reversal of Variance-Encoded Light (TROVE). In: Nature
Photonics 7, S. 300 – 305, 2013
Katz, O. et al.: Non-Invasive Single-Shot Imaging through
Scattering Layers and around Corners via Speckle Correlations. In:
Nature Photonics 8, S. 784 – 790, 2014
Liu, Y. et al.: Optical Focusing Deep inside Dynamic Scattering
Media with Near-Infrared Time-Reversed Ultrasonically Encoded
(TRUE) Light. In: Nature Communications 6, 5904, 2015
Vellekoop, I. M., Mosk, A. P.: Universal Optimal Transmission of
Light Through Disordered Materials. In: Physical Review Letters 101,
120601, 2008
Yaqoob, Z. et al.: Optical Phase Conjugation for Turbidity Suppression
in Biological Samples. In: Nature Photonics 2, S. 110 – 115,
2008
Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1351072
© Nature Publishing Group
www.nature.com
Nature 518, S. 158–160, 12. Februar 2015
40 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2015