Physik und Diagnostik

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Fragen Sie die Experten, welche trickreichen physikalischen Methoden die Forscher zur Diagnose von Erkrankungen anwenden. Finden Sie heraus, warum dazu heute mitunter kilometerlange Beschleuniger und hausgroße Apparaturen notwendig sind, und warum die Zukunft der medizinischen Diagnostik vielleicht trotzdem im Nanolabor stattfindet.

Themen:

B1 - Sagen Sie mal A – Klassische medizinische Geräte, Blutdruckmessung, Stethoskop
Fakultät Physik, Technische Universität Dortmund

Wie funktioniert eine Blutdruckmessung? Die physikalischen Grundprinzipien des Druckes werden mit einfachen Experimenten verdeutlicht. Außerdem gibt es ein Experiment zur Dopplersonographie, mit der Untersuchungen des Blutflusses möglich sind.

B2 - Ich kann Deinen Herzschlag sehen – EKG, EEG und Co.
Fakultät Physik, Technische Universität Dortmund

Ausgewählte Experimente zu elektrischen Feldern und Ionentransport veranschaulichen die physikalischen Grundlagen von EEG und EKG.

B3 - Schau mir in die Augen, Kleines – Methoden der Ophthalmologie
Fakultät Informatik und Automatisierung, Technische Universität Ilmenau

Unser Sehsystem ist das mit Abstand wichtigste der fünf Sinnessysteme des Menschen. Dreiviertel aller Informationen aus der umgebenden Umwelt werden damit wahrgenommen und verarbeitet. Damit das Sehen bis ins hohe Alter gut funktioniert, ist die optimale Versorgung des Auges mit Blut besonders wichtig. Wie man diese überprüfen kann, wird hier gezeigt.

B4 - Punkt für Punkt zu mehr Auflösung – Photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie eröffnet neue Dimensionen
Carl Zeiss AG, Jena

Auf einer optischen Bank im Wohnzimmer von Eric Betzig erlaubte die photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie (PALM) erstmals, lebende Zellen und Gewebe bis zu 10 Nanometer aufzulösen. Nach intensiver Entwicklungsarbeit entstand aus dieser Idee ein robustes Mikroskopsystem: ZEISS ELYRA. Heute nutzen viele Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in der biomedizinischen Grundlagenforschung die Umsetzung dieser brillanten Idee, für die Betzig zusammen mit Kollegen 2014 den Nobelpreis für Chemie erhielt.

B5 - Atome sichtbar gemacht – Transmissionselektronenmikroskopie
Experimentalphysik, Universität Duisburg-Essen

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie werden durch ihre atomare Zusammensetzung bestimmt. Wie und welche Atome in unterschiedlichsten Materialien (Festkörper, biologische Systeme) angeordnet sind, ist daher eine zentrale Frage. Eine Antwort darauf leistet die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Das Exponat bietet faszinierende Einblicke in die atomare Welt der Materie und erläutert in verständlicher Weise die Funktion und Wirkungsweise eines TEMs.

B6 - Einblicke in geheimnisvolle Nanowelten – Mit einem Tisch-Rasterelektronenmikroskop TM4000
Hitachi High-Technologies Europe GmbH, Krefeld

Selber einmal ein Rasterelektronenmikroskop mit 15.000 Volt Beschleunigungsspannung bedienen und die Geheimnisse der Nanowelt in und um uns herum entdecken. Das kann man an diesem Stand nach einer kurzen Einweisung mit dem Hitachi Tisch-Rasterelektronenmikroskop TM4000.

B7 - Kräftemessen zwischen körpereigenen Zellen und Bakterien – Einzelzellkraftspektroskopie auf Implantatoberflächen
Institut für Biowissenschaften, Lehrstuhl für Biophysik, Universität Rostock

Mit Hilfe von Einzelzellkraftspektroskopie kann man Kräfte zwischen einzelnen Zellen und Oberflächen messen. So kann man z.B. vergleichen, wie fest sich Knochenzellen im Vergleich zu Bakterien auf Implantatoberflächen halten.

B8 - Ich sehe was, was Du nicht siehst - Wärmestrahlung sichtbar gemacht
Carl-Messtechnik, Dinslaken

Das elektromagnetische Spektrum, zu dem auch Licht gehört, geht vom langwelligen Radiobereich bis hin zu den kurzwelligen Röntgenstrahlen und darüber hinaus. Die Radiowellen, mit denen man UKW-Sender hören kann, liegen bei 3 Metern Wellenlänge, das Mobiltelefon nutzt Zentimeterwellen. Auch in der Nähe des mit dem Auge sichtbaren Lichts gibt es längere und kürzere Wellenlängen – die längeren sind das Infrarotlicht, die kürzeren das Ultraviolett, das man mit Sonnencremes vom Körper fern hält. Jeder Körper gibt elektromagnetische Strahlung ab – sichtbar und unsichtbar. Je wärmer er ist, desto kürzer sind die meisten abgegebenen Lichtwellen. Es gilt näherungsweise: Die maximale Wellenlänge beträgt 3 Millimeter geteilt durch die Temperatur in Kelvin (genauer: 2,8978 mm).

B9 - Voller Durchblick – Röntgenstrahlen in der Medizin
Deutsches Röntgen-Museum, Remscheid

Wilhelm Röntgens Entdeckung hat die Welt durchsichtig gemacht. Röntgenstrahlen
erlauben seit über 100 Jahren den Blick in das Innere von Gegenständen und
Lebewesen. In diesem Experiment können mit Röntgenstrahlen in einem
vollständig geschützten Gehäuse kleine Gegenstände wie Überraschungseier,
Chipkarten oder Tierpräparate durchleuchtet werden.

B10 - Am Puls der Nanowelt – Synchrotronstrahlung an PETRA III hilft Medizin und Technik
Forschungszentrum DESY, Hamburg

Synchrotrone wie PETRA III am Hamburger Forschungszentrum DESY sind die hellsten Röntgenquellen der Welt. Diese Supermikroskope erleuchten die Nanowelt mit atomarer Auflösung mit Anwendungen in der Physik, Materialwissenschaft, Chemie, Life Sciences und mehr. Die Erkenntnisse von PETRA III helfen beispielsweise dabei, die Entstehung von Krankheiten zu verstehen, um neue Medikamente zu entwickeln.

B11 - Tanz der Moleküle – Die europäische Röntgenlaseranlage European XFEL
European XFEL GmbH, Hamburg

Der European XFEL ist eine einzigartige Forschungsanlage in der Metropolregion Hamburg. Seit Herbst 2017 arbeiten Forscher hier aus der ganzen Welt mit extrem intensiven Röntgenlaserblitzen, um Einblicke in den Nanokosmos zu gewinnen.

B12 - Kalte Spürnasen für kleinste Magnetfelder – Anwendungen von SQUIDS für neue medizinische Diagnoseverfahren
Physikalisch Technische Bundesanstalt, Berlin

SQUIDs sind sog. Supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren, die auf quantenphysikalischen Effekten der Supraleitung beruhen und kleinste Magnetfelder detektieren können. Sie werden ähnlich wie Computerchips hergestellt und müssen während des Betriebs auf sehr tiefe Temperaturen (ca. 4 K = –269°C und darunter) abgekühlt werden. An diesem Stand kann man etwas über den Einsatz von SQUIDs bei der Entwicklung neuer diagnostischer Methoden in der Medizin erfahren.

B13 - ... hören, wie's drinnen aussieht – Medizinische Ultraschalluntersuchungen
FE Strahlentherapie, Radiologische Universitätsklinik Bonn

Wie funktioniert eine Ultraschallaufnahme, und wie kann man heute sogar 3-dimansionale Bilder aus dem Innern des Körpers aufnehmen? Ultraschall dient nicht nur der bildgebenden Diagnostik, sondern kann auch bei der Therapie eingesetzt werden: Mit Ultraschall lassen sich z.B. Nierensteine zertrümmern. Die Interpretation von Ultraschallbildern will aber auch gelernt sein – davon kann man sich am Ausstellungsstand überzeugen.

B14 - ... bloß nicht bewegen! – Der Kernspintomograph
Beuth University for Applied Sciences Berlin

In der Magnetresonanztomographie mit wird der physikalische Effekt der Kernspinresonanz ausgenutzt. Die Kerne von Wasserstoffatomen verhalten sich durch ihren sogenannten Kernspin wie kleine Kompassnadeln. Legt man von außen ein Magnetfeld an, dann richten sich diese Kernspins aus. Aufgrund quantenphysikalischer Gesetze sind dabei nur zwei verschiedene Einstellungen möglich, die sich durch eine vom Magnetfeld abhängige Energie
unterscheiden. Strahlt man genau diese Energie als magnetisches Wechselfeld in die Probe, dann richten sich die Kernspins auf das höhere Niveau aus. Beim Abschalten des Feldes senden die Kerne wiederum diese Energie aus, die empfangen und ausgewertet werden kann. Im Computer werden aus diesen Informationen die Schnittbilder oder dreidimensionalen Bilder des menschlichen Körpers erstellt.

B15 - Dem Tumor auf der Spur – Positronen-Emissions-Tomographie
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik, TU München

Bei der PET-Methode wird der radioaktive Zerfall bestimmter Stoffe in ein Positron (P) mit anschließender Emission (E) von zwei Gammastrahlungsquenten zur Tomographie (T), also zur dreidimensionalen Bildgebung, verwendet. Wir zeigen, wie Strahlung in der PET-Röhre gemessen wird, um einen Tumor besser zu erkennen und behandeln zu können. Wir zeigen die Technik aus der Kernphysik, auf der die PET-Geräte basieren.

B16 - Das Nanoliterlabor – Blutanalyse im "Lab on a chip"
Technische Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Kleinste Stoffmengen können mit Mikrofluidiksystemen analysiert werden. Wir zeigen in Mitmachexperimenten, wie sich Flüssigkeiten in solchen Systemen verhalten und wie Stoffkonzentrationen mit optischen Detektionsmethoden bestimmt werden können.