Aeskulap-Stab
Einleitung
Luminanz-Kontrast
Relief-
Phasenkontrast
Abgeblendeter 
Phasenkontrast
Abgeblendetes 
Dunkelfeld
Digitaler
Phasenkontrast
Mikrofotografie
und Analyse
Zytometrie im
Reflexionskontrast
Kapillaroskopie
Video-Endoskopie
Kardiovaskuläre
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Verhaltensbezogenes 
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Effizienz der
Rehabilitation
Diagnostik in der
Rehabilitation
Komplementäre
Medizin
Publikationen
Lebenslauf
Universität
Oradea
U.N.E. Brüssel
Luminanz-Kontrast

Luminanz-Kontrast stellt eine neu entwickelte lichtmikroskopische Beleuchtungsart dar, welche insbesondere native Strukturen im biologisch-medizinischen Bereich verbessert zur Darstellung bringen kann.

Solche ungefärbten transparenten Objekte (sog. Phasen-Objekte), beispielsweise lebende Zellen, Chromosomen und Bakterien, werden lichtmikroskopisch üblicherweise im Phasenkontrast, Interferenz-Kontrast oder in Dunkelfeld-Beleuchtung untersucht.

Diese Beleuchtungsverfahren haben verschiedene, jeweils typische Limitierungen. Im Dunkelfeld sind manche transparenten Objekte, z. B. kleine Bakterienzellen, nur in ihren Randbereichen kontrastiert; feine Strukturen im Inneren dieser Zellen sind daher oft nicht erkennbar. Die Randkontur solcher Objekte zeigt zudem oft helle Überstrahlungseffekte. Im Phasenkontrast kann die Erkennbarkeit feiner struktureller Details in Folge von Halo-Effekten herabgesetzt sein. Die Intensität des Kontrastes, d. h. das Ausmaß der jeweiligen Hell-Dunkel-Kontraste, ist gleichbleibend und kann nicht während der Untersuchung verändert werden. Mikroskopische Bilder im Interferenz-Kontrast sind frei von Halo-Artefakten, aber ihr Kontrast kann insgesamt niedriger liegen als in vergleichbaren Phasenkontrast - oder Dunkelfeld-Bildern. Zusätzlich weisen Interferenzkontrast-Bilder aus technisch-physikalischen Gründen eine besonders geringe Tiefenschärfe auf, so dass Objekte mit höherer Schichtdicke und komplexer dreidimensionaler Struktur nicht in hoher Raumtiefe dargestellt werden können. Bei allen erwähnten Beleuchtungsverfahren ist die erhältliche Auflösung abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes und der numerischen Apertur des Objektivs; die übliche physikalisch bedingte Grenze des lichtmikroskopischen Auflösungsvermögens liegt bei etwa 0,2 µm.

Luminanz-Kontrast bietet als neue Beleuchtungsmethode im Vergleich zu den vorerwähnten herkömmlichen Verfahren verschiedene Vorteile. Der Strahlengang ist bei dieser Beleuchtungstechnik grundlegend anders als im Dunkelfeld, Phasen- und Interferenz-Kontrast. Im Luminanz-Kontrast können Phasen-Objekte in sehr unterschiedlichen Kontrastierungseffekten untersucht werden, welche herkömmlichem Dunkelfeld, Phasenkontrast und Indifferenz-Kontrast ähneln. Diese verschiedenen Beleuchtungsvarianten können bei laufender Untersuchung stufenlos ineinander übergeführt werden; sie wurden mit den Begriffen Luminanz-Dunkelfeld, Luminanz-Phasenkontrast und Luminanz-Interferenzkontrast belegt.

Im Unterschied zu herkömmlicher Dunkelfeldbeleuchtung werden Objekte im Luminanz-Kontrast wesentlich homogener ausgeleuchtet. Zentral gelegene Binnenstrukturen im Inneren der Objekte sind daher auch in hohem Kontrast sichtbar. Im Unterschied zu herkömmlichem Phasen- und Interferenzkontrast kann die Intensität des Kontrastes bei laufender Untersuchung stufenlos variiert werden; Halo-Artefakte sind nur sehr gering ausgeprägt oder fehlen gänzlich. Bei allen Varianten des Luminanz-Kontrastes präsentiert sich das Objekt, obgleich es beleuchtet wird, wie ein selbstleuchtender Körper; die hieraus resultierende Objektdarstellung erinnert an Fluoreszenz-Mikroskopie. Wahrscheinlich aus diesem Grund, können im Luminanz-Kontrast auch sehr kleine Strukturen sichtbar werden, deren Größe deutlich unter der üblichen Auflösungsgrenze des jeweiligen optischen Systems liegt. Hieraus resultieren weitreichende Verbesserungen des Auflösungsvermögens.

Die Bildqualität des Luminanz-Kontrastes ist im direkten Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungsmethoden oftmals deutlich gesteigert, vor allem aufgrund eines außergewöhnlich hohen Kontrastes, einer exzellenten Schärfe und supramikroskopischen Detailauflösung. Diese Vorteile kommen vor allem bei Dünnschichtpräparationen zum Tragen.

Die Konturen und oberflächlichen Differenzierungen von Zellmembranen und Zellwänden kommen in außergewöhnlicher Klarheit kontrastreich zur Darstellung. Konturunterbrechungen wie Poren oder Perforationen in Kernmembranen oder Zellwänden können ebenso deutlich erkannt werden wie verschiedene intrazelluläre Strukturen. Auch feine Nuancen und regionäre Dichteuntersiede im Zytoplasma von Bakterien und anderen Zellen werden erkennbar, speziell im Luminanz-Dunkelfeld.

Neben einer hohen lateralen Auflösung liegt auch die vertikale Auflösung (Tiefenschärfe) deutlich höher als bei herkömmlichen Beleuchtungsverfahren. Gemäß durchgeführter Vergleichsmessungen ergibt sich bei vergleichbarer Endvergrößerung im Luminanzkontrast eine Tiefenschärfe, welche circa 10 fach höher liegt als bei Anwendung herkömmlicher Techniken. Speziell aus diesen Gründen ist Luminanzkontrast auch sehr gut einsetzbar, um feine dreidimensionale Strukturen in Kristallisationen und anderen Materialien zu untersuchen, welche nicht unter Deckglas präpariert sind. Auch komplex strukturierte filigrane Mikro-Skelette, beispielsweise von Diatomeen und Radiolarien können in überlegener Qualität dargestellt werden.

Luminaz-Kontrast erfordert einen geeignet modifizierten Kondensor und modifizierte Linsenobjektive oder Spiegelobjektive, z.B. vom Cassegrain-Schwarzschild-Typ. Speziell Spiegelobjektive führen systembedingt zu einer besonders ausgeprägten Planität des Bildes und einer sehr hohen Sättigung und Reinheit der Farben; die Farbtreue solcher Spiegeloptiken liegt über derjenigen von apochromatischen Linsensystemen. Zusätzlich gewährleisten Spiegelobjektive signifikant höhere Arbeitsabstände als vergleichbare Linsenobjektive. Da Objekte in überdurchschnittlicher Auflösung wie selbstleuchtend erscheinen, kann Luminanz-Kontrast auch in Kombination mit Fluoreszenz-Techniken eingesetzt werden (Floureszenz-Luminanzkontrast). Unter diesem Aspekt kann Luminanz-Kontrast daher auch der Fluoreszenz-Mikroskopie neue Impulse geben.

Da neben modifizierten Linsenobjektiven insbesondere auch Spiegelobjektive mit hervorragenden Erfolgen eingesetzt werden können, war naheliegend, im Rahmen der Entwicklung und Evaluation des Luminanzkontrastes auch die insgesamt bestehenden Vorteile von Spiegeloptiken für lichtmikroskopische Applikationen systematisch zu untersuchen. Auch diese Ergebnisse wurden publiziert.

Diese neue Beleuchtungsmethode wurde vom Autor zum Patent angemeldet. Weitergehende Informationen über alle relevanten technischen Einzelheiten finden sich auf den Internetseiten: www.luminanz-kontrast.de (in Deutsch) bzw. www.luminace-contrast-com (in Englisch).

In 2010 wurde der Luminanzkontrast als Neuentwicklung auf dem M&M-Kongress mit dem Microscopy Today Innovation Award (Microscopy Society of America, MSA) ausgezeichnet.

 

Nativer Bazillus aus der dentalen Flora im Luminanz-Kontrast
Luminanz-Dunkelfeld, Weißlicht, Spiegelobjektiv 125x, horizontale Feldweite: 80 µm
Detailansicht im Luminanz-Dunkelfeld, Weißlicht, Spiegelobjektiv 125x, horizontale Feldweite: 20 µm
Detail im Luminanz-Phasenkontrast, Grünlicht, Linsenobjektiv 45x, horizontale Feldweite: 15 µm
Sichtbare Unterschiede der zytoplasmatischen Dichte,
Breite der Wandbegrenzungslinie der Bakterienzelle: ca. 200 nm
 

Native Epithelzelle im Luminanz-Interferenzkontrast, Weißlicht,
Spiegelobjektiv 125x, horizontale Feldweite: 100 µm


Publikationen:

Piper, J.: Luminance-contrast - a new visible light technique for examining transparent specimens
(eingereicht: 07.06.2007, angenommen: 08.06.2007)
Microscopy Today 15 / 4, 26-34, 2007
(Organ der Microscopy Society of America / MSA)

Piper, J.: Luminance contrast, a new illumination technique in light miroscopy: optical basics, practical evaluations, further developements
(eingereicht: 03.11.2007, ohne Änderungen angenommen: 30.03.2008)
Opt. Int. J. Light Electron. Opt. (2008) doi: 10.1016/j.ijleo.2008.03.032, Elsevier, 2008
http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2008.03.032
Opt. Int. J..Light Electron. Opt. 120, 963-975, Elsevier, 2009

Piper, J.: Spiegelobjektive in der Mikroskopie – ein Plädoyer für “optische Dinosaurier”
(eingereicht: 12.09.2009, angenommen: 14.09.2009)
Mikrokosmos

Piper, J.: Mirror lenses in light microscopy – theoretical considerations and practical implications
(eingereicht: 06.10.2009, ohne Änderungen angenommen: 20.10.2009)
Microscopy Research and Technique, Wiley-Blackwell, 2010

 

Copyright: Joerg Piper, Bad Bertrich, Germany, 2010

 

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