Kontrast erweiterte AOOCT für die retinale Bildgebung

Die menschliche Netzhaut besteht aus unterschiedlichen Schichten welche die komplexe Aufgabe übernehmen, sowohl das einfallende Licht in elektrische Signale umzuwandeln, als auch die entstehende Information aufzubereiten bevor diese zum Gehirn weitergeleitet wird. Augenkrankheiten reduzieren die Funktionalität der Netzhaut, wodurch es, ohne Behandlung, zu einem Verlust des Sehvermögens beziehungsweise im Endstadium zur Erblindung kommen kann. In den vergangen Jahrhunderten sind unterschiedlichste optische Techniken entwickelt worden um die Netzhaut in vivo zu untersuchen. Die direkte Funduskopie und in weiterer Folge die Fundusphotographie gelten dabei immer noch als "Gold Standard" in der Diagnostik der Netzhauterkrankungen. Allerdings liefern diese Techniken nur oberflächliche Bilder ohne Tiefenauflösung. In den letzten Jahren entwickelten sich zwei unterschiedliche Techniken, Scanning Laser Ophthalmoskopie (SLO) und optische Kohärenztomographie (OCT), zu leistungsstarken modernen klinischen Untersuchungsmethoden. Hervorzuheben wäre hierbei die einzigartige Tiefenauflösung von OCT welche die Unterscheidung von den einzelnen retinalen Schichten erlaubt und daher eine verbesserte Diagnose verglichen mit anderen Methoden ermöglicht. Mit kommerziell erhältlichen OCT Systemen ist es allerdings derzeit nicht möglich i) einzelne Zellen auf der Netzhaut zu visualisieren, ii) zusätzlichen Bildkontrast zu erzeugen oder iii) funktionelle Eigenschaften der Retina zu untersuchen. Ad i) Imperfektionen der abbildenden Optik des Auges limitieren die erreichbare transversale Auflösung und damit die Möglichkeit eines Geräts einzelne Zellen zu visualisieren. Mit Hilfe von adaptiver Optik (AO) können diese Imperfektionen korrigiert werden, um eine Auflösung entsprechend dem Diffraktionslimit des Auges zu erreichen. Ad ii) Diverse Techniken wurden für die OCT entwickelt um zusätzlichen Bildkontrast zu erreichen; Doppler OCT detektiert und misst die Geschwindigkeiten von bewegten Teilchen, polarisationssensitive OCT (PS-OCT) nützt die Polarisationseigenschaften des Lichtes um zusätzliche Informationen (z.B. Doppelbrechung, Depolarisation) über das Objekt zu sammeln, Phasenkontrast OCT verwendet die Phaseninformation des Lichtes um einen zusätzlichen Kontrast (basierend auf unterschiedlicher optischer Länge) zu erzeugen. Ad iii) Erste Experimente untersuchten die Möglichkeiten mittels SLO und OCT retinale Funktion zu messen. Vielversprechende Ergebnisse wurden mit SLO und AO-SLO erzielt, allerdings mit einer geringen Tiefenauflösung. Bis jetzt wurde die retinale Funktion mit Hilfe von OCT auf zellulärer Ebene noch nicht untersucht. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen diagnostischen Gerätes welches AO mit einem simultanen SLO/OCT Bildgebungssystem kombiniert. In einer Pilotstudie konnten wir die Vorteile eines solchen Systems verglichen mit anderen AO-OCT Systemen hervorheben. Darüber hinausgehend sollen unterschiedliche Kontrastmechanismen (Doppler OCT, PS-OCT, Phasenkontrast OCT) in dieses Gerät implementiert werden. Zusätzlich soll die Möglichkeit bestehen mit diesem Gerät Autofluoreszenz Bilder aufzunehmen um auch einen molekularen Kontrast zu generieren. Das neu entwickelte Gerät soll Bilder der menschlichen Retina mit zellulärer Auflösung und erweitertem Kontrast liefern, und soll sowohl an Freiwilligen als auch an Patienten mit unterschiedlichsten Netzhauterkrankungen getestet werden. In der letzten Phase des Projekts soll die retinale Funktionalität (Veränderung der Retina nach Lichtstimulation) untersucht werden. Die mit dem Gerät gesammelten Daten könnten neue Einblicke in den Status und den Verlauf von diversen Netzhauterkrankungen liefern. Das Messen der retinalen Funktion liefert zusätzliche Informationen und könnte in Kombination mit den strukturellen Messungen zu einer genaueren Diagnose der zugrundeliegenden Krankheit führen. Längerfristig ist es denkbar, dass mit dem neuen Gerät der Verlauf einer Krankheit bzw. der Erfolg einer Therapie besser als bisher beobachtbar wäre und damit verbunden eine Optimierung der Behandlung möglich wäre.

Der Sehsinn gehört zu den komplexesten Sinnen des Menschen. Krankheiten können die Funktionalität des Auges herabsetzen, wodurch es, ohne Behandlung, zu Sehverlust und sogar Erblindung kommen kann. Ein wesentlicher Bestandteil des Sinnesorgans Auge ist die Netzhaut, die das in das Auge einfallende Licht in elektrische Signale umwandelt. Diese Signale werden noch innerhalb der Netzhaut vorverarbeitet bevor die entsprechende Information dann in das visuelle Zentrum des Gehirns weitergeleitet wird. Für eine genauere Diagnose und eine Optimierung der derzeitigen Therapien benötigt man nicht invasive bildgebende Verfahren die möglichst viele Details der Netzhaut in vivo erfassen können. Im Rahmen dieses Projektes wurden Geräte entwickelt die sogar winzigste Strukturen (etwa einzelne lichtempfindliche Zellen wie Zapfen oder Stäbchen) auf der Netzhaut darstellen können. Um die dafür nötige Auflösung zu erzielen wurde die sogenannte adaptive Optik eingesetzt, ein Verfahren welches schon in der Astronomie erfolgreich angewandt wird um noch schärfere Bilder zu bekommen. Um zusätzlich die Tiefenauflösung der Bilder zu steigern wurde die adaptive Optik mit der optischen Kohärenztomographie kombiniert. Die optische Kohärenztomographie ist ein mittlerweile insbesondere in der Augenheilkunde etabliertes Verfahren mit dessen Hilfe Schnittbilder der Netzhaut mit einer Tiefenauflösung von wenigen Mikrometern aufgenommen werden können. Durch die Kombination dieser beiden Verfahren ist es nun möglich Strukturen der Netzhaut mit bis dato unerreichbarer Schärfe und Detailtreue abzubilden. Das Verfahren ist nicht-invasiv und wurde in vivo an Freiwilligen und Patienten angewandt. Desweitern können mit dieser Technik Abläufe innerhalb der Netzhaut auf zellulärer Ebene beobachten werden. Ein Beispiel für diese Abläufe ist die Erneuerung von Teilen der lichtempfindlichen Zellen. Diese Erneuerung ist extrem wichtig um zellulären Schaden durch die Lichteinstrahlung vorzubeugen. Dieser Prozess ist zwar bekannt aus Experimenten in unterschiedlichsten Tiermodellen, eine Anwendung der verwendeten Techniken am menschlichen Auge ist aber unmöglich da die Daten nur ex-vivo erfasst werden können. Im Rahmen dieses Projektes konnte nun zum ersten Mal dieser Erneuerungsprozess direkt am Menschen in vivo beobachtet werden. Dies ist ein wesentlicher Schritt für ein besseres Verständnis dieser Prozesse die wahrscheinlich mit fortschreitendem Alter gestört werden und dadurch die Entstehung von Erkrankung der Netzhaut, etwa durch die altersbedingten Makula Degeneration, begünstigen.