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OPT – 3D Visualisierung mit sichtbarem Licht

Die Optische Projektionstomografie (OPT) ist eine relativ neuartige Technik zur volumetrischen Darstellung von transparenten und leicht opaken Objekten auf zellulärer Ebene bis hin zu Kleinstorganismen. Das grundlegende Prinzip ähnelt dem der Computertomographie (CT) – nur mit sichtbarem Licht statt mit Röntgenstrahlung. Die Probe wird aus verschiedenen Winkeln durchleuchtet, so dass viele Einzel-Projektionen entstehen, welche anschließend über eine gefilterte Rücktransformation wieder zu einem volumetrischen Datensatz zurückgerechnet werden (siehe Abb. 1).

Abb.1.: Prinzip der Optischen Projektionstomografie, b.) Rohdaten einer einzelnen Projektion eines Parhyale hawaiensis, c.) - h.) gefilterte Rückprojektion der markierten Ebene (rote Linie in den Darstellung b.)) für 0°(c.), 0-45° (d.), 0-90°(e.), 0-180°(f.), 0-270°(g.) und 0-360°(h.) (eine volle Umdrehung besteht aus 500 Einzelprojektionen.

Verschiedene Techniken zur dreidimensionalen Erfassung von Fluoreszenzexpressionen sind mittlerweile entwickelt, etabliert und weitestgehend automatisiert, wie z.B. die Konfokale Laser Scanning Mikroskopie (CLSM), Multiphotonen Mikroskopie, u.v.m. Bei der Rekonstruktion von biologischen Proben in der Größenordnung einiger Millimeter erfordern diese Techniken jedoch die Aufnahme hunderter Einzelschichten. Selbst in der konfokalen Mikroskopie sowie der Zwei- und Mehrphotonen Mikroskopietechnik sind daher nur Probendicken von bis zu etwa 1mm möglich. Die Optische Projektionstomografie bietet hier den Vorteil auch größere Proben, wie beispielsweise die biologischen Modellorganismen Drosophila melanogaster oder Parhyale hawaiensis, darstellen zu können (siehe Abb. 2).

Abb.2.: Links: Superposition von anatomischer Rekonstruktion (orange-rot) und Fluoreszenz (grün) der Speicheldrüsen (Salivary glands) in-vivo einer Drosophila melanogaster im prepupalen Stadium, a) anteriorale, b) laterale, c) axiale und d) perspektivische Ansicht.

Des Weiteren ist die Darstellung von Farbstoffen und deren Absorption, wie zum Beispiel in der in-situ Hybridisierung verwendet, mittels konfokaler und auch Zwei- oder Mehrphotonenmikroskopie nicht möglich. Hier hat die Optische Projektionstomografie neue Möglichkeiten zur hochauflösenden Darstellung von eingefärbten Gewebsarten aus der Immunohistochemie, der Fluoreszenzexpression sowie anatomische Information eröffnet.

In der Gruppe Biophotonik wird sich sowohl mit der Auflösungsverbesserung der Optischen Projektionstomografie durch die Implementierung spezieller optischer Elemente, der Anwendung der Technik an verschiedenen biologischen Proben, sowie der Kombination der OPT mit Ultrakurzpulslasern befasst.


Ansprechpartner:

Dipl.-Phys. Raoul-Amadeus Lorbeer

Dipl.-Phys. Marko Heidrich

Dr.-Ing. Heiko Meyer