Eine neue Methode zur besseren Erkennung von Augenkrankheiten

Weltweit leiden bis zu 285 Millionen Menschen an schweren Augenerkrankungen oder erblinden. Leider haben die meisten von ihnen keinen Zugang zu modernen Behandlungsmethoden, sodass Hilfe oft zu spät kommt. Diese Situation könnte sich mit dem Aufkommen einer sehr bedeutenden Verbesserung eines diagnostischen Instruments ändern, das seit drei Jahrzehnten zur Erkennung von Augenpathologien verwendet wird – der optischen Kohärenztomographie (OCT).

OCT ist einer der grundlegendsten und genauesten Tests zur Diagnose von Augenkrankheiten. Es ermöglicht eine detaillierte Betrachtung einzelner Augenstrukturen und ermöglicht so die Erkennung von Makulaerkrankungen, diabetischen Netzhautveränderungen, Glaukom, Augentumoren und vielen anderen Erkrankungen. Leider ist das OCT-Verfahren mit Mängeln behaftet, da natürlich auftretendes Rauschen während der Augenuntersuchung die Genauigkeit der Bildgebung verringert. Ein Forscherteam des International Centre for Translational Eye Research (ICTER) hat sich vorgenommen, dieses Problem zu beheben und die OCT-Methode durch die Einführung der räumlich-zeitlichen OCT-Tomographie (STOC-T) zu revolutionieren.

Die Forschung wurde von Dr. Edgidijus Auksorius, Dr. David Borycki, Piotr Węgrzyn und Prof. Maciej Wojtkowski vom ICTER durchgeführt, und die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Optik Buchstaben in einem Bericht mit dem Titel „Multimode-Faser als Werkzeug zur Verringerung des Übersprechens in der optischen Vollfeld-Kohärenztomographie im Fourier-Bereich“.

Wie läuft die OCT-Prüfung ab?

Das OCT-Verfahren ist aufgrund seiner hohen Auflösung eine der am häufigsten eingesetzten ophthalmologischen Untersuchungen. Es ist völlig schmerzlos und sicher – es gibt keine medizinischen Kontraindikationen für seine Anwendung (die Untersuchung kann auch bei schwangeren Frauen durchgeführt werden). OCT funktioniert am besten bei der Diagnose von Augenerkrankungen wie progressivem Glaukom, diabetischer Retinopathie oder altersbedingter Makuladegeneration (AMD), die die häufigsten Ursachen für zentralen Sehverlust bei älteren Menschen sind. Beispielsweise sind in den frühen Stadien der AMD mittels OCT einzelne Pigmentablagerungen oder Pigmentcluster und subtile atrophische Veränderungen auf dem Fundus sichtbar; Mit der Entwicklung von Diabetes werden auf OCT-Bildern Veränderungen in der mikrovaskulären Struktur der Netzhaut beobachtet. Die OCT-Untersuchung selbst dauert einige Minuten. Der Patient sitzt vor einem speziellen Gerät und muss sich auf einen vom Arzt angegebenen Punkt konzentrieren, um das Blinzeln zu begrenzen. Der Messkopf ist 2-3 cm vom Augapfel entfernt angebracht, so dass kein Kontakt mit dem Patientenauge möglich ist. In den meisten Fällen erfordert die OCT-Untersuchung keine besondere Vorbereitung – der Patient kann alleine mit dem Auto kommen. Die Interpretation der Ergebnisse ist jedoch kompliziert und sollte daher von einem erfahrenen Augenarzt durchgeführt werden.

Biophysik des OCT

Die physikalischen Grundlagen der OCT-Untersuchung zu verstehen, ist nicht einfach. Diese Technik entspricht der Durchführung einer nicht-invasiven „optischen Biopsie“ in Echtzeit, um die Mikrostruktur des Gewebes sichtbar zu machen und mögliche pathologische Veränderungen zu diagnostizieren. Bei der optischen Tomographie werden alle Daten über die Struktur des Objekts anhand der Intensität des Interferenzsignals (entstanden durch die Überlagerung zweier Laserstrahlen) gewonnen. Die optische OCT-Tomographie, die jetzt in Augenarztpraxen auf der ganzen Welt verwendet wird, nutzt eine interessante Eigenschaft des Lichts, die als Kohärenz bezeichnet wird, in den Dimensionen Zeit und/oder Raum. Die klassische OCT verwendet teilkohärente Lichtquellen (zeitlich, aber nicht räumlich kohärent) – der Detektor misst die Differenz der optischen Wege zwischen dem Spiegel im Interferometer und aufeinanderfolgenden Schichten des Probenobjekts (Auge).

Im Inneren des Interferometers befindet sich eine spezielle Platte, die die Strahlen in zwei Teile teilt und die Interferenz des von den Gewebestrukturen reflektierten Strahls und des einfallenden Strahls aufzeichnet. In Kenntnis der Unterschiede der Strahlengänge kann die Position der analysierten Augenstrukturen bestimmt werden. Die Daten werden von einem Computer verarbeitet und anschließend in Form von zweidimensionalen Schnittbildern (Tomogrammen) dargestellt. Gewebe sind Mehrkomponentenstrukturen, die Licht auf unterschiedliche Weise streuen. Je nach Reflexions- oder Absorptionsgrad wird ein Graustufen- oder Farbbild dargestellt. Objekte mit dem höchsten Reflexionsgrad werden in Rot oder Weiß gesehen, und die mit dem schwächsten Signal erscheinen in dunklen Farben oder Dunkelgrau. Gewebe mit mittleren Reflexionswerten sind in Gelbgrün oder Grautönen vorhanden. OCT verwendet die Low-Coherence-Interferometrie, bei der Interferenzen im Mikrometerbereich auftreten (durch den Einsatz von Superlumineszenzdioden oder Kurzpulslasern). Üblicherweise werden Infrarotstrahlungsquellen verwendet. Inkohärente Lichtquellen (z. B. Halogen-, LED- oder Glühlampen) können bei der klassischen OCT-Untersuchung nicht verwendet werden. Ein Team von Wissenschaftlern des ICTER hat als weltweit erstes die Eigenschaften der Lichtkohärenz in Zeit und Raum kombiniert, was genauere diagnostische Bilder des Auges ermöglicht.

Wie kann OCT verbessert werden?

Die räumlich-zeitliche optische Kohärenztomographie (STOC-T) ist ein besonders effektives Werkzeug zur Abbildung des Auges aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Fähigkeit, stabile Phaseninformationen über das gesamte Gesichtsfeld zu erfassen (im Gegensatz zum fokussierten Strahlscannen). Bisher war das Hauptproblem bei der Verwendung der OCT-Methode das Rauschen (Speckle genannt), das es schwierig machte, die Aderhaut, einen lebenswichtigen Teil des Auges, der die Photorezeptoren mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt und folglich an der Augenheilkunde beteiligt ist, genau darzustellen Pathogenese vieler Krankheiten. ICTER-Forscher fanden heraus, dass die Verwendung einer Multimode-Glasfaser mit geeigneter Länge die Abbildung des Auges verbessert.

Multimode-Lichtwellenleiter emittieren an ihrem Ende im Querschnitt des Strahls mehrere hundert einzigartige räumliche Muster (sogenannte transversale elektromagnetische Moden (TEM)). Bislang wurden solche Geräte immer wieder zur Datenübertragung eingesetzt, aber niemand hat bedacht, dass jedes der räumlichen Muster zu unterschiedlichen Zeiten aus den mehreren hundert Metern solcher Glasfasern herauskommt. Diese Zeitabhängigkeit führt dazu, dass während einer einzigen Messung mehrere hundert OCT-Bilder aufgenommen werden; Wenn sie zusammengefügt werden, reduziert das zusammengesetzte Muster unerwünschte Effekte wie Speckle-Rauschen auf völlig passive Weise. Durch Anwendung dieser Idee auf OCT hat ein Forscherteam am ICTER eine neue Methode zur Steuerung der optischen Phase von STOC-T entwickelt, um hochauflösende Bilder der Netzhaut und Hornhaut in vivo zu erhalten. Mit dieser Methode lassen sich nun wesentlich bessere Schnittbilder der Aderhautschicht unter der Netzhaut gewinnen, was vorher nicht möglich war.

OCT ist eine der weltweit eingesetzten routinemäßigen Augenuntersuchungen. Dank der Verbesserungen des ICTER-Teams wird die fortschrittliche STOC-T-Technik die Identifizierung von Veränderungen im Auge auf zellulärer Ebene ermöglichen, was zu besseren Diagnosen und einem besseren Verständnis des Beginns und Fortschreitens verschiedener Erblindungskrankheiten führen wird.