Hoe krijg je licht door lichaamsweefsel en hoeveel licht heb je dan eigenlijk nodig? Per pixel van de camera één foton is wel de ondergrens, zou je zeggen. Opmerkelijk genoeg is dat níet de limiet, laten UT- en Caltech-onderzoekers zien in Physical Review Letters.
Hoewel licht kansrijke biomedische toepassingen heeft, bijvoorbeeld bij het meten van doorbloeding of het opsporen van tumoren, dringt het in menselijk weefsel niet diep door. Het meeste wordt verstrooid. Maar hoeveel licht heb je dan eigenlijk nodig? Het nu gepubliceerde onderzoek, van onderzoekers van de Universiteit Twente en Caltech in Pasadena, laat zien dat het niet begrensd wordt door één foton per pixel. Dankzij onder meer het golfkarakter van licht, blijkt een paar duizendste foton per pixel al genoeg. Dat is goed nieuws, want teveel licht kan het weefsel ook beschadigen.
Terugrekenen
Het weinige licht dat door het weefsel heen komt, heeft een complex pad afgelegd. Het is talloze malen verstrooid, maar vindt toch een weg naar buiten. Lukt het je nu om via diezelfde weg terug te gaan naar de bron, dan weet je welke golfvorm van licht je nodig hebt om licht met succes door het weefsel te sturen. Het exacte pad kom je dan niet te weten, maar wel dát er een pad is. Dit ‘terugrekenen naar de bron’ is ook te gebruiken om licht in weefsel te focusseren, dat maakt het mogelijk om diep in de hersenen of door de huid heen te kijken.
Foton tegelijk verschillende paden
Stel nu dat er niet meer dan 1000 fotonen door het weefsel gaan, terwijl de camera 200.000 pixels heeft. Eerste gedachte is dan dat er 1000 pixels worden belicht, hier en daar een spikkel op het scherm. En toch is dat niet zo. Verschillende pixels kunnen tegelijk de informatie van één foton meten. Omdat licht een golf is, kan zelfs één foton tegelijk verschillende paden afleggen. Omdat de fase van het licht wordt vergeleken met een referentiebron, is het licht dat op een pixel valt altijd een combinatie van het bronsignaal en de referentie. Het golf- en quantumkarakter van het licht maken dat ook bij deze ‘scheve verhouding’ tussen aantal fotonen en pixels, toch het volledige beeld beschikbaar komt en daarmee is terug te rekenen naar de bron. Het beeld is in dit geval wel minder contrastrijk, maar het blijft te reconstrueren. En dat zou je niet verwachten als je fotonen als losse deeltjes ziet. Het maakt in elk geval duidelijk dat je minder licht nodig hebt dan tot nu toe gedacht, en daarmee ook dieper in het weefsel kunt doordringen. Dit vergroot de toepassingsmogelijkheden van nieuwe imaging-technieken op basis van microscopie diep in weefsel op basis van, bijvoorbeeld, hybride technieken die licht en ultrageluid combineren.
ERC Grant ‘Deep Vision’
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Biomedical Photonic Imaging, onderdeel van het MIRA Instituut voor Biomedische Technologie en Technische Geneeskunde van de UT, in samenwerking met Electrical Engineering collega’s van het California Institute of Technology (CalTech) in de VS. Het is mede gefinancierd vanuit Vellekoop's Starting Grant van de European Research Council (ERC).
Het paper ‘Optical Phase Conjugation with Less Than a Photon per Degree of Freedom’, door M. Jang, C. Yang en I.M. Vellekoop, is op 3 maart verschenen in Physical Review Letters
