Weiterentwicklungen in der Röntgentechnik ermöglichen künftig eine bessere Diagnostik und damit bessere Therapiemöglichkeiten. Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge haben gezeigt, wie man die Effizienz jener Materialien mindestens um das Zehnfache, wenn nicht sogar um das Hundertfache steigern kann, die in den Systemen einen wesentlichen Part einnehmen. Darüber berichten sie im Fachblatt "Science".

Es handelt sich um die sogenannten Szintillatoren. Treffen die hochenergetischen Teilchen oder Röntgenstrahlen auf dieses Material, emittieren sie Licht. In medizinischen Röntgensystemen wandeln sie die einfallende Strahlung in sichtbares Licht um, das dann mit Hilfe von Filmen oder Fotosensoren aufgezeichnet werden kann. Szintillatoren werden ebenso für Nachtsichtsysteme und in der Grundlagenforschung eingesetzt.

Die MIT-Forscher haben nun die Oberfläche des Materials so verändert, dass bestimmte nanoskalige Konfigurationen entstehen. Sie haben darauf Muster mit einer Längenskala erzeugt, die mit den Wellenlängen des emittierten Lichts vergleichbar ist. Damit konnten die optischen Eigenschaften des Materials drastisch verändert werden.

Geringere Dosisbelastung

Szintillatoren werden zwar schon seit ungefähr 70 Jahren verwendet, doch ein Großteil der Forschung auf diesem Gebiet konzentrierte sich bisher auf die Suche und Entwicklung ganz neuer Materialien, die hellere oder schnellere Lichtemissionen erzeugen. Der aktuelle Ansatz könnte im Prinzip bei jedem der vorhandenen Materialien funktionieren, schreiben die Forscher in der Publikation.

Obwohl es mehr Zeit und Aufwand erfordert, das Material in bestehende Röntgengeräte zu integrieren, glaubt das Wissenschafterteam um Marin Rivera, Steven Johnson und John Joannopoulos, dass diese Methode zu Verbesserungen in der medizinischen Röntgendiagnostik oder bei CT-Scans führen könnte, um die Dosisbelastung zu verringern und die Bildqualität zu verbessern. Bei anderen Anwendungen, wie der Röntgeninspektion von Werkstücken zur Qualitätskontrolle, könnten die neuen Szintillatoren genauere und schnellere Inspektionen ermöglichen.

Die Experimente zeigten eine zehnfache Verbesserung der Emission des behandelten Szintillators. "Das ist also etwas, das sich in Anwendungen für die medizinische Bildgebung umsetzen lässt, bei denen die Umwandlung von Röntgenstrahlen in optisches Licht die Bildqualität begrenzt. In der medizinischen Bildgebung möchte man seine Patienten nicht mit zu viel Röntgenstrahlen bestrahlen, insbesondere bei Routineuntersuchungen und vor allem auch bei jungen Patienten", erklärt der Physiker Charles Roques-Carmes. Er glaubt auch, dies könnte ein neues Forschungsgebiet im Bereich der Nanophotonik eröffnen.

Mit den Techniken der Nanophotonik "kann man das Verhalten des Lichts ultimativ maßschneidern und verbessern", beschreibt Physiker und Elektroingenieur Marin Soljacic. Generell glaubt das Team, dass die Kombination von Nanophotonik und Szintillatoren letztlich eine höhere Auflösung, eine geringere Röntgendosis und eine wesentlich verbesserte Röntgenbildgebung ermöglichen könnte.

Große praktische Bedeutung

Zwar sei das Konzept noch in keinem praktischen Gerät erprobt worden, doch: "Nach jahrelanger Forschung an photonischen Kristallen in der optischen Kommunikation und anderen Bereichen ist es längst überfällig, dass photonische Kristalle auf Szintillatoren angewendet werden, die von großer praktischer Bedeutung sind, aber bis zu dieser Arbeit übersehen wurden", so der Physiker Eli Yablonovitch von der University of California in Los Angeles.