Bauke Tilma opent een klein plastic doosje en haalt daar met duim en wijsvinger het resultaat van vier jaar promotieonderzoek uit: een minuscule chip. Afmetingen: tien bij zes millimeter. Het is moeilijk voor te stellen, maar deze vinding zorgt ervoor dat het maken van 3D-beelden tot een bepaalde diepte in het menselijk lichaam mogelijk is. In millimeters uitgedrukt: volgens Tilma konden artsen tot nu toe tot hoogstens twee millimeter diep kijken en hij heeft dat verruimd tot tweeënhalve millimeter. Hij maakt daarbij gebruik van licht in het golflengtegebied van 1700 nanometer in plaats van de gebruikelijke 1300 nanometer.

Die golflengte rond 1700 nanometer is heel bewust gekozen, legt de promovendus uit, die op 28 juni zijn onderzoek verdedigt. “In principe geldt: hoe langer de golflengte is, hoe dieper je kunt kijken. Lichtbronnen met een golflengte van 1550 nanometer die veel worden gebruikt bij telecommunicatie over glasvezel kunnen helaas niet worden gebruikt doordat dit licht door water in het menselijk lichaam wordt opgenomen. Datzelfde geldt voor licht met een golflengte boven de 1800 nanometer. Met een lichtbron met golflengte rond 1700 nanometer hebben artsen zicht op het trabeculum, dat de oogdruk reguleert. Een hoge oogdruk kan een indicatie zijn voor de oogziekte glaucoom. In de huid kan het duidelijkere beelden opleveren van bijvoorbeeld huidkanker of aderverkalking.”

Tilma startte in 2007 met het promotietraject binnen het project IOP Photonic Devices program van het ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie. Dit programma heeft als doel de samenwerking tussen kennisinstellingen en bedrijven te bevorderen om zo tot relevante en duurzame toepassingen van licht te komen. De Eindhovense onderzoeker ging aan de slag om een laser-lichtbron te maken met een golflengte rond 1700 nanometer om daarmee een dieper 3D-beeld te kunnen maken en werkte daarbij samen met het Academisch Medisch Centrum in Amsterdam.

Met zijn op een chip geïntegreerde laser kunnen 3D-beelden worden gemaakt met de techniek Optische Coherentie Tomografie (OCT). Van deze techniek, waarbij een dwarsdoorsnede van het weefsel afgebeeld wordt met een micrometerresolutie, maken vooral oogspecialisten gebruik. Tilma vergelijkt het met het maken van de echo bij een foetus, alleen worden nu in plaats van geluidsgolven lichtgolven gebruikt.

De oplossing voor het probleem bleek in quantum-dots te zitten - lichtbronnen van een paar nanometer groot die, als je ze op een bepaalde manier maakt, licht uitzenden rond 1700 nanometer. Door deze quantum-dots te integreren in een laser op halfgeleidermateriaal was het mogelijk om een laser-lichtbron te maken met een golflengte rond 1700 nanometer.

Daarbij kreeg Tilma het voor elkaar om de kleur van de laser ‘afstembaar’ te maken rond de 1700 nanometer, zodat een 3D-beeld kan worden gegenereerd. Normaal gesproken is bij lasers één van de kleuren dominant: “The winner takes it all”, verwoordt Tilma. De onderzoeker maakte een afstembaar filter in de laser, waarmee kleuren selectief worden doorgelaten. Hierdoor wordt de gewenste kleur een handje geholpen om ‘the winner’ te worden. Door snel te variëren met de kleur van de laser, kan de arts in korte tijd een dieptebeeld maken van bijvoorbeeld het oog.

De elektrotechnicus maakte een serie chips en probeerde verschillende filters uit. Het werkte boven verwachting goed. Op het oog of op de huid is nog niet getest, maar het lukte in ieder geval goed om als test een diepteplaatje te maken van een glasplaatje, waarbij de boven- en onderkant van het glasplaatje goed zichtbaar waren. Toch zijn er nog verbeterpunten. “De hoeveelheid licht is nog wat te weinig, we moeten dus kijken naar een nog betere versterker en op sommige plekken in de laser ontstaan reflecties, waardoor het beeld niet helemaal scherp is.”

Tilma ziet grote voordelen aan zijn chip, zeker als de lasertechnologie nog wordt geperfectioneerd. “De chip kun je in een handzaam apparaatje verwerken, dan hoeven oogartsen en opticiens niet, zoals ze nu doen, met een grote kast te werken. Doordat de laser snel is, kunnen in minder tijd meer beelden worden gemaakt. De patiënt hoeft dan geen seconden lang z’n ogen stil te hebben. We zitten nu op een dieptebeeld binnen 0,4 seconden, liever nog zouden we naar vier milliseconden gaan.” De Eindhovense onderzoeker gaat binnenkort werken bij de ETH in Zürich, waar hij aan de slag gaat met lasers die zeer korte pulsjes kunnen genereren voor telecommunicatietoepassingen. (JvG)