Neue Augenbildgebungstechnologie erfasst klarere Details der Netzhaut

Moderne OCT-Geräte können ohne Skalpell ins Auge blicken – allerdings erfassen sie nicht immer alles Wesentliche. Einige wichtige Informationen gehen einfach verloren und werden durch gestreute Photonen verwischt. Die über Jahre von Prof. Maciej Wojtkowski und seinem Team am ICTER entwickelte STOC-T-Technologie zielt darauf ab, dieses Problem zu lösen – nicht durch Nachbearbeitung, sondern durch eine grundlegende Änderung der Art und Weise, wie Bilddaten erfasst werden.

Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist zu einer der Grundlagen der modernen Augenheilkunde geworden. Ein Patient sitzt vor dem Gerät und konzentriert sich auf ein Ziel. Augenblicke später kann der Arzt einen detaillierten Querschnitt der Netzhaut sehen – Schicht für Schicht, ohne physischen Kontakt mit dem Auge. Es handelt sich um einen der bedeutendsten Fortschritte in der Augenheilkunde der letzten drei Jahrzehnte. OCT ermöglicht es Ärzten, Glaukom, altersbedingte Makuladegeneration, diabetische Retinopathie und Makulaödeme zu erkennen, bevor ein Patient einen merklichen Sehverlust erfährt.

Doch hinter dieser scheinbar einfachen Untersuchung verbirgt sich eine komplexe Physik. Licht, das in das Auge eindringt, kehrt nicht in perfekter Ordnung zum Detektor zurück. Einige Photonen tragen nützliche Informationen über das untersuchte Gewebe. Andere werden gestreut, springen in zufällige Richtungen und vermischen sich mit dem gewünschten Signal. Das Ergebnis ist ein Bild mit verringertem Kontrast, erhöhter Körnigkeit und geringerer Klarheit. Ironischerweise verbergen sich in diesen verschwommenen Details oft die ersten Anzeichen einer Krankheit. Prof. Maciej Wojtkowski, Leiter des International Center for Translational Eye Research (ICTER) am Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau, beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dieser Herausforderung. Im Artikel „Räumlich-zeitliche optische Kohärenzbildgebung und Tomographie für In-vivo-Anwendungen“, veröffentlicht in der Zeitschrift für biomedizinische Optikbeschreibt er die STOC-Technologie und ihre dreidimensionale Umsetzung, STOC-T. Die Methode soll nicht nur die Bildqualität verbessern, sondern, was noch wichtiger ist, bereits in der Datenerfassungsphase echte Gewebesignale vom Rauschen trennen.

Warum sind Augenbilder manchmal unvollständig?

Die Netzhaut ist dünn, komplex und empfindlich, und die Aderhaut – die direkt darunter liegende Gefäßschicht – ist bei voller Auflösung noch schwieriger darzustellen. Photorezeptoren, die direkt für das Sehen verantwortlichen Zellen, sind nur wenige Mikrometer groß. All diese Eigenschaften der Bestandteile des Auges machen die Bildgebung zu einer großen Herausforderung, insbesondere angesichts der Eigenschaften des stimulierenden Lichts.

Wenn ein Photon, das von einem einzelnen Punkt im Augengewebe ausgeht, auf mehrere Detektorpixel trifft und nicht nur auf das richtige, ist das resultierende Bild keine getreue Darstellung der untersuchten Struktur mehr. Prof. Wojtkowski bezeichnet dieses Phänomen als „optisches Crosstalk“ (OC). Für einen Physiker geht es bei OC um Interferenz und Kohärenzverlust. Für einen Arzt führt OC zu einem Verlust diagnostischer Informationen. Für einen Patienten kann OC das Risiko erhöhen, dass frühe pathologische Veränderungen unentdeckt bleiben.

„Bei der Abbildung lebenden Gewebes besteht das Ziel nicht nur darin, so viel Licht wie möglich zu sammeln. Wir müssen auch wissen, welches Licht uns etwas Sinnvolles über das Gewebe sagt und welches Licht das Bild lediglich verschlechtert.“ sagt Prof. Maciej Wojtkowski.

Wie verbessert STOC-T das Bild?

STOC-T ist kein weiterer Bildverarbeitungsfilter, der nach der Signalerfassung angewendet wird. Stattdessen ändert sich die Art und Weise, wie Daten erfasst werden. Das System modifiziert wiederholt die Phase des das Gewebe beleuchtenden Lichts mithilfe verschiedener räumlicher Muster, die als Phasenmasken bekannt sind. Anschließend werden die aufgezeichneten Signale verglichen und gemittelt. Gestreutes Licht verhält sich für jede Maske chaotisch und unterschiedlich, sodass sein Beitrag zum Bild allmählich aufgehoben wird. Im Gegensatz dazu bleibt Licht, das verlässliche Strukturinformationen trägt, stabil und wird nach der Mittelung immer dominanter.

Eine nützliche Analogie ist der Versuch, ein bestimmtes Gespräch in einem überfüllten, lauten Raum zu hören. Wenn das Hintergrundgeräusch zufällig ist, die gewünschte Stimme jedoch konsistent bleibt, kann ein gut konzipiertes Aufnahmesystem es isolieren. STOC-T konzentriert sich ebenfalls auf die gewünschten Signale, jedoch mit Licht statt Ton und in Echtzeit.

„Wir betrachten Rauschen nicht als etwas, das später kosmetisch korrigiert werden sollte. Stattdessen versuchen wir, den Messvorgang so zu gestalten, dass die Störsignale überhaupt keine Chance haben, das Bild zu verunreinigen.“ fügt Prof. Maciej Wojtkowski hinzu.

In stark streuenden Geweben kann ein Teil der Informationen im Moment der Erfassung unwiederbringlich verloren gehen. Daher kann kein Post-Akquisitionsalgorithmus aus einem bereits verzerrten Bild ein genaues Bild vollständig rekonstruieren. STOC-T behebt das Problem früher – bevor das Bild erstellt wird.

Was hat das Team gezeigt?

Die Veröffentlichung präsentiert Ergebnisse, die sowohl in Labormodellen als auch in lebenden biologischen Geweben erzielt wurden. In einem Experiment bildete das Team von Prof. Wojtkowski ein Ziel mit Standardauflösung ab, das zunächst mit einer stark streuenden künstlichen Schicht und dann mit einer 100 Mikrometer dicken Schicht Rattenhaut bedeckt war, die natürliches Gewebe darstellt. Ohne STOC-T war das Bild in beiden Fällen stark verzerrt. Nach Anwendung der Phasenmodulation wurden die Zielstrukturen wieder deutlich sichtbar. Das Experiment verdeutlicht das Ausmaß der Herausforderung: Das Objekt war immer vorhanden, aber ohne STOC-T gingen die Informationen darüber auf dem Weg zum Detektor praktisch verloren.

Die bedeutendsten Ergebnisse ergeben sich jedoch aus der Anwendung der Technik auf die Netzhautbildgebung. STOC-T ermöglicht die Visualisierung von Netzhautschichten, Photorezeptoren, Ganglienzellen und der Mikrostruktur der Aderhaut mit einer lateralen Auflösung von etwa 5 Mikrometern – was nahezu dem Maßstab einzelner Zellen entspricht.

Darüber hinaus erleichtert STOC-T die Optoretinographie (ORG), die die Reaktionen von Photorezeptoren auf Licht aufzeichnet. Zu wissen, wie diese lichtempfindlichen Zellen aussehen, ist von Vorteil, aber zu wissen, ob sie richtig funktionieren, ist oft die klinisch relevantere Frage. Der Zeitschriftenartikel beschreibt Messungen der Zapfen-Photorezeptor-Reaktionen auf flackerndes Licht bei Frequenzen zwischen 1,5 und 45 Hz. Die abgeleiteten Zeitkonstanten betrugen ungefähr 398 ms und 43 ms. Diese Werte stimmen gut mit Messungen der Photorezeptoraktivität überein, die mithilfe von Patch-Clamp-Aufzeichnungen in der Netzhaut von Primaten ermittelt wurden, was darauf hindeutet, dass STOC-T-basiertes ORG tatsächlich lokale Zapfenreaktionen widerspiegeln könnte. Solche Informationen sind besonders wertvoll bei Krankheiten, bei denen sich die Zellfunktion zu verschlechtern beginnt, bevor strukturelle Veränderungen sichtbar werden. In diesen Fällen kann das Auge noch normal erscheinen, während sich die Zellen bereits anders verhalten.

Wer profitiert von einer verbesserten Bildgebung?

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation leben weltweit mindestens 2,2 Milliarden Menschen mit einer Sehbehinderung. In mehr als einer Milliarde Fällen hätte ein Sehverlust verhindert oder noch behandelt werden können, wenn die Diagnose früher und genauer gestellt worden wäre. Beim Glaukom ist es schwierig, verlorene Nervenfasern wiederherzustellen. Bei der diabetischen Retinopathie können zu spät erkannte Gefäßveränderungen zu schwerwiegenden Komplikationen führen. Bei Makulaerkrankungen kann durch eine schnelle Diagnose und eine präzise Therapieüberwachung festgestellt werden, ob ein Patient das zentrale Sehvermögen behält.

STOC-T ist noch kein klinisches Produkt. Der Bericht zeigt deutlich die derzeitigen Grenzen auf. Die Methode erfordert eine Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera (512 x 512 Pixel mit 60.000 Bildern pro Sekunde) und einen abstimmbaren Laser, der den Wellenlängenbereich von 800–870 nm abdeckt; und es erzeugt enorme Datenmengen. Eine einzelne Erfassung kann 8,5 GB überschreiten, was erhebliche Rechenherausforderungen mit sich bringt.

Großes Potenzial sehen die Forscher auch im Einsatz von Multimode-Lichtwellenleitern als alternativen Phasenmodulationsmechanismus. Beispielsweise können bei Verwendung einer Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 μm und einer Länge von 300 m etwa 800 Ausbreitungsmodi unterstützt werden. Theoretisch könnte dadurch das optische Übersprechrauschen um fast das 29-fache reduziert werden, ohne dass eine aktive Steuerelektronik erforderlich wäre.

„Dies ist nicht das Ende der Reise. Wir wissen bereits, was verbessert werden muss: Geschwindigkeit, Datenvolumen, Phasenkodierung und Rekonstruktionsautomatisierung. Das zugrunde liegende Konzept und die Art und Weise, wie wir das Phänomen beschreiben, bieten jedoch enorme Chancen für die Entwicklung sowohl neuer bildgebender Geräte als auch weiterer Innovationen der Methode selbst.“ schließt Prof. Maciej Wojtkowski.

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