Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
transparant1

Hoe kijk je dwars door de huid of door kleren heen? Scan het met een laserstraal, registreer het verstrooide licht, en laat er een computer op los.

Het lijkt wel toveren: dwars door ondoorzichtige materialen als de huid of kleding een haarscherp beeld krijgen van wat zich daarachter verschuilt, gewoon met licht. Deze Nederlandse technologie opent de weg naar een compleet nieuwe manier om onder meer medische scans te maken.

Laserstraal
De door het MESA+ instituut voor nanotechnologie van de Universiteit Twente ontwikkelde technologie staat deze week beschreven in Nature. Een voorwerp dat verscholen ligt achter een laag materiaal die wel doorschijnend, maar niet doorzichtig is, wordt indirect gescand met een laserstraal. Dat wil zeggen: de laserstraal schijnt op een vast punt van de doorschijnende laag, die deze wel doorlaat maar ook verstrooit. Het voorwerp wordt daarom verlicht door een chaotisch spikkelpatroon van laserlicht (zo'n spikkelpatroon is bijvoorbeeld ook te zien als je met een laserpointer op een stuk wit papier schijnt).
Om het voorwerp zichtbaar te maken moet het wel fluoresceren: het moet oplichten in een andere kleur dan het opvallende laserlicht. Dit is niet een hele zware eis: veel materialen vertonen enige fluorescentie, al valt dit voor het blote oog vaak niet op omdat het gereflecteerde licht in de oorspronkelijke kleur overheerst.
Het licht dat terugkomt van het voorwerp gaat terug door de doorschijnende laag en wordt opgevangen door een sensor die de hoeveelheid licht meet. Tot zover geeft het licht dat in de sensor terecht komt nog geen enkele informatie over de vorm van het voorwerp; het is als het ware een afbeelding van het voorwerp van één pixel.

Scharnieren
Om toch een afbeelding van het voorwerp te verkrijgen zijn twee slimme technieken nodig. Ten eerste wordt de hoek waaronder de laserstraal de doorschijnende laag raakt, systematisch gevarieerd. De laserstraal 'scharniert' als het ware van links naar rechts en van boven naar beneden terwijl hij al die tijd hetzelfde punt van de doorschijnende laag belicht.
Dat levert voor elke hoek een verschillend spikkelpatroon op, en telkens ook een andere totale intensiteit van het fluorescentielicht dat terugkomt naar de sensor. Al die intensiteiten, afhankelijk van de twee onafhankelijke hoeken (links-recht en hoog-laag) kun je afbeelden als een twee-dimensionaal plaatje.
Dit plaatje lijkt nog helemaal niet op een afbeelding van het voorwerp, al zit de informatie over de vorm ervan wel op een gecompliceerde manier erin verscholen. Lange tijd hadden ook de onderzoekers geen idee hoe ze die informatie eruit moesten halen, en of het überhaupt wel mogelijk was.
'Dat was echt een eureka!-moment', herinnert teamlid Willem Vos zich. 'Onze twee jongste onderzoekers, Jacopo Bertolotti en Elbert van Putten, kwamen hier op een middag naar binnen stormen, terwijl ze riepen: 'Het kan wél!''
Het terugtransformeren van het schijnbaar chaotische fluorescentiebeeld naar een beeld van het voorwerp staat bekend als 'inverteren van de autocorrelatie-functie'.
De achterliggende wiskunde is ingewikkeld, maar het komt er op neer, dat de computer telkens een beredeneerde gok doet hoe het voorwerp er uit gezien kan hebben, daarvan het fluorescentiepatroon uitrekent, dit vergelijkt met het werkelijke patroon, het verschil gebruikt om zijn gok te verbeteren, en dit net zo vaak herhaalt tot er nauwelijks nog verschil is tussen het berekende en waargenomen patroon.

Beperkingen
Als demonstratie zette het team een piepkleine Griekse letter pi achter matglas, en reconstrueerde met deze techniek tot in de kleinste details het beeld. Ook lieten ze zien dat een echt biologisch preparaat – een dun schijfje van de stam van een lelietje van dalen – vrij nauwkeurig is af te beelden.
Desondanks kent deze doorkijktechniek beperkingen: het verschil tussen een vorm en diezelfde vorm ondersteboven is niet te zien. Ook is de techniek weinig gevoelig voor vormen die op een cirkel lijken. Vos: 'Het verschil tussen bijvoorbeeld een regelmatige zeshoek en een achthoek is al snel niet meer te zien.'

Het grote voordeel van deze techniek is, dat je met gewoon licht in allerlei levende materialen kunt kijken. Die hoeven dus niet belast te worden met röntgenstraling of extreme magnetische velden, zoals in een MRI-scan. Dat opent allerlei nieuwe mogelijkheden voor medisch en biologisch onderzoek. Volgens Mosk kun je met deze techniek in principe ook door iemands kleding heen kijken, wat misschien voor beveiliging interessant is. Stiekem gluren is er overigens niet bij: de techniek maakt gebruik van zeer intens laserlicht. 
 

Non-invasive imaging through opaque scattering layers,

J. Bertolotti e.a., Nature, 8 november 2012