Femtolaser-Sicht

Ziele niemals mit Laserlicht auf Augen, deine Sicht könnte irreparabel beeinträchtigt werden! Es sei denn du stellst ein Team aus Ingenieuren, Informatikern, Physikern, Medizinern und anderen Expertinnen und Experten zusammen und baust eines der besten Lasergeräte für refraktive Augenchirurgie und Katarakt-Operationen auf dem weltweiten Markt. Dann tue genau das.

Ziemer Ophthalmic Systems AG

Die Schweizer Firma Ziemer Ophthalmic Systems wurde 1998 gegründet und ist in Port nahe Biel anzutreffen. Ursprünglich bestand sie aus zwei Personen, mittlerweile sind es Hunderte. Die Ziemer AG stellt Augenlasersysteme her, welche Ärztinnen und Ärzte bei der Diagnose und Korrektur von Fehlsichtigkeiten und Augenkrankheiten unterstützen. Während fünf Wochen darf ich dort ein Praktikum machen und die Firma besser kennen lernen.

Femto LDV Z8

Das aktuelle Aushängeschild der Firma ist das System Femto LDV Z8. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Femtosekundenlaser. Eine Femtosekunde entspricht 0.000000000000001 Sekunden,

Um eine Vorstellung von der Grössenordung zu bekommen: Während Licht für die Distanz von der Erde zum Mond eine Zeit in der Grössenordnung von einer Sekunde benötigt, legt es in einer Femtosekunde gerade einmal eine Distanz in der Grössenordnung von der Dicke eines menschlichen Haares zurück.
Femtolaser werden ihrem Namen gerecht, da ihre Laserpulse nur gerade eine Femtosekunde lang andauern. Das bringt entscheidende Vorteile in der Anwendung, auf die ich später zurückkommen werde.

Femto LDV Z8
Femto LDV Z8

Der Femto LDV Z8 kann unter anderen in sogenannten LASIK- und Katarakt-Operationen eingesetzt werden. Bei der LASIK-Operation geht es darum, die Form der Hornhaut zu verändern, um Fehlsichtigkeiten zu korrigieren. Tatsächlich macht nämlich die Brechung des Lichts durch die Hornhaut den grössten Teil der Refraktionsstärke des Auges aus, die Linse sorgt dann nur noch für das anpassungsfähige „Fine-Tuning“. Bei der LASIK-Operation wird mit dem Femto LDV Z8 ein sogenannter „Flap“ gelasert, eine dünne Lamelle in den oberen Schichten der Hornhaut, die weggeklappt werden kann (der „Flap“ ist an einer Stelle immer noch fest mit dem Auge verbunden). Mit einem anderen Laser, einem sogenannten Excimer-Laser, kann dann Gewebe in den tiefer liegenden Schichten der Hornhaut abgetragen werden. Je nachdem ob der Patient kurz- oder weitsichtig ist, wird Gewebe in der Mitte oder aussen am Auge abgetragen, um die Hornhaut flacher oder stärker gekrümmt zu machen. Dann wird der Flap wieder zurückgeklappt und das Auge ist gewöhnlich nach kurzer Zeit und ganz ohne Schmerzen wieder vollständig verheilt, da die äusseren Schichten der Hornhaut intakt gelassen werden. Die Katarakt-Operation (auch „Grauer Star“) ist etwas aufwändiger. Mit dem Femtolaser wird erst ein Loch in die Linsenkapsel gelasert. Dann wird die getrübte Linse mit dem Laser in mehrere Stücke geteilt, um das anschliessende Herausnehmen zu erleichtern. Schliesslich fertigt der Laser noch mehrere Kanäle ins Innere des Auges an, welche der Chirurgin oder dem Chirurgen Zugang zur zerschnittenen Linse gewähren. Anschliessend wird die alte Linse aus dem Auge gesaugt und durch eine Kunstlinse ersetzt. Ich habe am Ende dieses Beitrages Videos verlinkt, welche die Operationen modellhaft veranschaulichen. Für Unerschrockene gibt es zudem Videos von echten Operationen, man bekommt durch sie eine völlig neue Sicht auf’s Auge (pun intended).

Hohe Leistung, niedrige Energie

Wie man sich nun vorstellen kann, soll der Femtolaser sehr präzise und nur ganz lokal Gewebe abtragen. Indem man die Dauer eines Laserpulses so kurz hält, kann die Energie eines Laserpulses niedrig gehalten werden und man erreicht dennoch sehr hohe Leistungen (da Leistung = Energie pro Zeit). Eine hohe Leistung konzentriert auf einen sehr kleinen Bereich wird benötigt, um im Gewebe ein Plasma zu bilden (stark vereinfacht gesagt ist ein Plasma wie ein vierter Aggregatszustand, ein Gas mit ionisierten Atomen und freien Elektronen¹). Das zusammenhängende Gewebe wird lokal aufgelöst. Die durch die Plasmabildung entstehende Schockwelle und die in der Folge entstehende Kavitation („Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen in Flüssigkeiten“²) tragen zudem zur Auflösung des Gewebes bei. Da das Licht des Augenlasers im für die Netzhaut nicht wahrnehmbaren Bereich der Infrarotstrahlung liegt, werden die Sehnerven durch den Augenlaser nicht beeinträchtigt. Zudem können die Laserpulse während der Operation von der Patientin oder dem Patienten nicht wahrgenommen werden.
Nun zurück zur Frage, warum die kurz gehaltenen Femtosekundenpulse einen entscheidenden Vorteil bringen: Die Energie der Laserpulse muss niedrig gehalten werden, da mit zunehmender Energie die ungewollten sekundären Effekte zunehmen, so etwa die Erwärmung des Gewebes. Der Effekt des Pulses verliert dadurch die gewollte Lokalität. Um dennoch bei niedriger Pulsenergie auf die erforderliche Leistung für die Plasmabildung zu kommen, muss die Dauer des Pulses gesenkt werden. Der Femtolaser ward geboren.

Animationen der Operationen

   

Aufnahmen der Operationen (graphic content)
   

Quellen

Ziemer Ophthalmic Systems AG: ziemergroup.com

¹Wikipedia: Plasma (Physik)

²Wikipedia: Kavitation

Beitragsbild: vision.beye.com

Bild Femto LDV Z8: rocol.com.co

Eckige Sterne

Zeichen der Sterne

Wie stellt man einen Stern bildlich dar? Die Mehrheit der Menschen würde wohl zu einem gelben, orangen oder goldenen Stift greifen und eine zackige Form mit mehreren Ecken zeichnen. Woher kommt das? Sterne sind ja eigentlich (als bekanntestes Beispiel unsere Sonne) Ellipsoide, sollten also aus grosser Entfernung betrachtet rund erscheinen. Weshalb zeichnen wir also Zacken?

Weil wir die Dinge nicht so wiedergeben, wie wir sie sind, sondern wie wir sie wahrnehmen. In der Linse unseres Auges gibt es kleine Nahtlinien, die während der Entwicklung des Auges entstanden sind. Betrachten wir eine kleine aber helle Lichtquelle (wie eine Strassenlaterne, Kerze oder eben einen Stern), so machen sich diese kleinen Mängel in unserem Auge bemerkbar. Das physikalische Phänomen nennt sich Beugung und lässt sich mit der Wellennatur des Lichts erklären. Durch das Fehlen der Lichtstrahlen, die durch die Nahtlinien in der Linse aufgehalten werden, entstehen auf der Netzhaut nebst dem Hauptmaximum (dort, wo eigentlich das Bild des Sterns sein sollte) mehrere Nebenmaxima (dort wo es wieder eine positive Interferenz gibt, weil mehrere Lichtstrahlen jeweils genau um eine oder mehrere Phasen verschoben sind). Wir nehmen dieses Hauptmaximum und alle Nebenmaxima als sternförmiges Bild wahr.

Dabei sieht der Stern für beide Augen ein bisschen anders aus, da in beiden Linsen die Nahtlinien ein bisschen anders liegen. Betrachtet man  den Nachthimmel jedoch nur mit einem Auge, so sehen alle Sterne genau gleich aus, da alle Zacken durch die gleichen Nahtlinien im Auge entstehen. Bei ganz genauem Hinschauen kann man sogar Farbverläufe erkennen. Dies liegt daran, dass die Nebenmaxima der unterschiedlichen Wellenlängen (und damit die unterschiedlichen Farben) nicht an den gleichen Stellen liegen, da die Phasenverschiebung von der Wellenlänge abhängt.

Es macht also Sinn Sterne mit Ecken zu zeichnen, da wir sie wegen den Nahtlinien in den Linsen unserer Augen tatsächlich so wahrnehmen (der wissenschaftliche Beweis dafür wurde 1997 in der unten verlinkten Arbeit geliefert). Will man wissenschaftlich ganz korrekt sein, so sollte man aber nicht mehr als zwei verschiedene Sterne zeichnen (da wir nur zwei Augen haben) und sie sollten einen regenbogenfarbigen Verlauf aufweisen.

Übrigens: das Beitragsbild ist eine Aufnahme des Hubble-Teleskops. Auch hier sind Sterne mit vier Ecken (und einem Farbverlauf) erkennbar. Warum ist das der Fall?

 

Quellen

MinutePhysics: Why are Stars Star-Shaped?
Wissenschaftliche Arbeit: R. Navarro and M. Angeles Losada, „Shape of stars and optical quality of the human eye„, J. Opt. Soc. Am. A  14, 353-359 (1997).
Beitragsbild: desktopwallpaperhd.net

Von Bäumen und Holzköpfen

Gepäckrückgabe am Flughafen: Es herrscht ein Gedränge am Fliessband. Jeder möchte möglichst weit vorne sein, um sein Gepäck sehen zu können. Dabei hätten alle eine viel bessere Übersicht, wenn jeder zwei Schritte vom Fliessband zurücktreten würde. Die ganze Gepäckrückgabe würde schneller und angenehmer verlaufen. Warum ist dies aber in der Realität nicht umsetzbar (wie täglich in Flughäfen bewiesen wird)?

Ökosysteme

Das System wäre instabil. Genau das gleiche kann man im Wald beobachten. Alle Bäume besitzen hohe Stämme, um mit ihren Blättern ans Sonnenlicht zu kommen. Das Bauen eines solchen Stammes und später das Heraufbefördern von Wasser und Nährstoffen bis zu den Blättern braucht sehr viel Energie. Für das einzelne Baum-Individuum wäre es folglich besser, nur einen kurzen Stamm zu haben. Dann könnte die Energie für Besseres gebraucht werden (mehr Äste beispielsweise). In der Gruppe muss der Baum aber schauen, dass er mit seinen Blättern Sonnenlicht einfangen kann und nicht von seinen Nachbarn „überschattet“ wird. Die langen Baumstämme sind also die Folge der gegenseitigen Konkurrenz. Würden die Bäume eine Art Pakt schliessen, dass jedes Individuum nur einen kurzen Stamm haben darf, so würde es allen besser gehen. Dieses System wäre aber instabil. Eine einzelne Mutation in einem der Bäume reicht aus, dass dieser einen Vorteil über die anderen hat und sich folglich zahlreicher fortpflanzen wird (natürliche Selektion). Die Bäume wachsen mit der Zeit immer weiter an. Irgendwann wird eine Grenze erreicht. Das Wachsen über diese Grenze hinaus würde so viel Energie benötigen, dass das zusätzliche Sonnenlicht, das dadurch eingefangen werden könnte, keinen Vorteil mehr bringt. Dann hat sich das System stabilisiert. Genau das ist heute in den Wäldern der Fall.

Bei der Gepäckrückgabe findet das genau Gleiche statt. Steht nur eine Person etwas weiter vorne, so können diejenigen hinter ihr die Gepäckstücke nicht mehr sehen. Sie müssen also auch weiter nach vorne kommen. Irgendwann drängen sich schliesslich alle um das Fliessband. Alle tun es, niemandem bringt es etwas.

 

Quellen

Quellen: Veritasium: Forest of Friendship, Baggage Carousel of Jerks
Quelle Beitragsbild: Luc Schnell

Der McGurk-Effekt

McGurk-Effekt

Dass man unsere visuelle Wahrnehmung mit zahlreichen Tricks überlisten kann, ist keine Neuheit mehr (siehe Beitrag Mindblow). Auch dem Gehör kann man mit speziellen Tönen Streiche spielen (Shepard Tone Illusion). Was wir wahrnehmen scheint also viel weniger mit „wahr“ zu tun haben, als wir oft denken.

McGurk-Effekt

Ein weiterer Beleg dafür liefert der McGurk-Effekt. Dieser wurde in den 1970er-Jahren eher zufällig von einem Entwicklungspsychologen namens Harry McGurk und seinen Mitarbeitern entdeckt. Der McGurk-Effekt zeigt, dass das Sehen und das Hören Einfluss aufeinander nehmen können. Wenn die Eindrücke der Augen mit denjenigen der Ohren in Konflikt stehen, so scheint sich das Gehirn (jedenfalls in diesem Versuch) für das Sehen zu entscheiden. Man könnte also behaupten, dass Sehen vom Gehirn höher bewertet wird als Hören (und dies ist ein extrem stichfester Beleg, dass BG besser ist als Musik).

Video

Es gibt ein gutes Video von BBC Two, das den McGurk-Effekt zeigt. Man kann ihn so an sich selber testen und erhält weitere Informationen. Ansehen kann man es sich auf Youtube oder direkt hier:

Quellen

Beitragsbild: zeichnen-lernen.markus-agerer.de
Informationen: de.wikipedia.org
Video: youtube.com

Bouba-Kiki

Bouba-Kiki

Im Jahr 2001 führten zwei Neurologen, Vilayanur S. Ramachandran and Edward Hubbard, ein Experiment durch, um mehr über die Entstehung der Sprachen und die Zusammenhänge von Klängen und Formen im menschlichen Gehirn herauszufinden. Dabei mussten Probanden die beiden (frei erfundenen) Namen „Bouba“ und „Kiki“ den beiden unten stehenden Formen zuordnen. Welcher Name passt besser zu welcher Figur?

Bouba-Kiki

95-98% aller Teilnehmer/innen (der Test wurde in der USA und in Indien durchgeführt) nannten die eckige Figur „Kiki“ und die runde „Bouba“. Dies hat durchaus eine gewisse Logik, denn während „Kiki“ hart und kantig klingt, hört sich „Bouba“ sehr weich an. Auch bei sehr jungen Kindern, die noch nicht lesen konnten, kamen diese Ergebnisse heraus. Der Bouba/Kiki-Effekt ist ein interessanter Beleg dafür, dass die Wörter in unseren Sprachen wohl nicht einfach völlig zufällig entstanden sind, sondern doch irgendwo eine gewisse Logik haben.

 

Quellen

Quelle Beitragsbild: pantiasuhanmafaza.org
Quelle Bild Formen: wikipedia.org
Quelle Text: Wikipedia: Bouba/kiki effect (Englisch)