Funktionelle Anwendungen der optischen Kohärenztomografie

Funktionelle Anwendungen der Optischen Kohärenztomografie (OCT) in der Ophthalmologie bilden einen Forschungsschwerpunkt der AG Hüttmann. Am Institut selbst und den mit der AG Hüttmann kooperierenden Firmen Heidelberg Engineering GmbH, Thorlabs GmbH und Optomedical Technologies GmbH, welche OCT-Technologien unseres Institutes kommerzialisiert haben, wird modernste OCT-Technologie entwickelt, die eine sehr schnelle tomographische Bildgebung der menschlichen Retina ermöglicht.

Für eine funktionelle Bildgebung werden kleinste Veränderungen des Brechungsindex oder Bewegungen im Nanometerbereich visualisiert. Realisiert wird dies durch eine phasensensitive Auswertung der Messdaten, bei der nicht nur die Intensitäten, sondern auch die Phasen der komplexen OCT-Daten ausgewertet werden.

Visualisierung der Photokoagulation

Ein Anwendungsbeispiel der funktionellen OCT ist die Beobachtung der während der Photokoagulation stattfindenden Prozesse. Insbesondere die thermische Ausdehnung des Gewebes und die anschließend stattfindende Denaturierung lassen sich mit wenigen Millisekunden Zeitauflösung genau verfolgen. Dies ermöglicht einen einzigartigen Zugang zum Verständnis der Photokoagulation und wird möglicherweise zu einer Optimierung oder sogar Echtzeit-Steuerung der Behandlung beitragen.

Tomografische Darstellung der thermischen Ausdehnung einer Retina während der Photokoagulation.
En-face-Projektion der thermischen Ausdehnung einer Retina während der Photokoagulation.

Analyse der Pulsation von retinalen Gefäßen

Durch Einsatz der extrem schnellen Holoskopie, die von der AG Hüttmann in Kooperation mit der Thorlabs GmbH entwickelt wurde, lassen sich ganze 3D-Volumen der Retina phasenstarr aufzeichnen. Dies ermöglicht beispielsweise eine Visualisierung der Bewegung von retinalen Blutgefäßen und dem umliegenden Gewebe beim Auftreffen der durch den Herzschlag ausgelösten Pulswelle. Durch eine Messung der Pulswellengeschwindigkeit können biomechanische Parameter des Gefäßnetzwerks nicht-invasiv bestimmt werden.

Pulsation von zwei Gefäßen in der menschlichen Retina. Man erkennt, wie die Pulswelle zuerst die Arterie (rechts) und anschließend die Vene (links) durchläuft. Dabei nimmt die Dicke der Retina lokal um 1 bis 2 Mikrometer zu; das ist eine Änderung um weniger als 1 Prozent. Obwohl die Effekte so klein sind, können wir sie mit hoher Genauigkeit messen.

Messung der Reaktion von Photorezeptoren auf Licht

Aber auch noch wesentlich kleinere Veränderungen lassen sich mit Hilfe der phasensensitiven Holoskopie detektieren. Im Jahr 2015 ist es uns weltweit zum allerersten Mal gelungen, den Sehprozess in der Retina eines lebenden Menschen räumlich aufgelöst sichtbar zu machen. In der klassischen OCT verhindern Abbildungsfehler des Auges, dass einzelne Photorezeptoren dargestellt werden können. Durch eine numerische Aberrationskorrektur können in unseren Aufnahmen die Abbildungsfehler des Auges jedoch nachträglich kompensiert werden, so dass einzelne Photorezeptoren auflösbar werden. Kombiniert mit einer phasensensitiven Auswertung der komplexen OCT-Daten ermöglicht dies, die Reaktion einzelner Photorezeptoren auf einfallendes Licht direkt zu visualisieren

Reaktion der Photorezeptoren in einer menschlichen Retina auf zwei unterschiedliche Muster, die in das Auge eines Probanden projiziert wurden.
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