CSS-CCM – Chromatisches Swept-Source-Laserscanning für eine konfokale 3D-Spaltlampenmikroskopie der Kornea

• Antragsteller: Dr.-Ing. Stephan Allgeier; Dr. Karsten Sperlich
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469107515

Im Rahmen des Projektes soll eine neuartige Methode zur in vivo Bildgebung der zellulären Morphologie der Kornea entwickelt werden. Die Motivation – und die Expertise – für das beantragte Vorhaben basieren auf den im DFG-Projekt 3D-CCM gewonnenen Erkenntnissen, in welchem Methoden für eine dreidimensionale in vivo Konfokalmikroskopie der Kornea mit zellulärer Auflösung entwickelt wurden. Die Projektergebnisse haben gezeigt, dass Volumendaten die Möglichkeiten und Standards einer visuellen bzw. quantitativen Exploration der zellulären Morphologie der Kornea wesentlich erhöhen. Basis für die 3D-Datenakquisition in dem oben genannten Vorhaben war das definierte Verschieben eines Mikroskopobjektivs mit einem Piezoaktuator. In Verbindung mit der Bildwiederholrate des Scanners beträgt die Aufnahmezeit bis zu 20 s für einen Tiefenscan durch die gesamte Kornea. Bewegungsartefakte in den Aufnahmen müssen für eine Rekonstruktion des Volumens aufwendig korrigiert werden. Die hohe Betriebsspannung des Piezoaktuators ist eine weitere Hürde für eine klinische Anwendung.Das beantragte Vorhaben adressiert diese Defizite und setzt dabei den Fokus der 3D-Datenakquisation – in völlig neuer Art und Weise – auf die gezielte Ausnutzung induzierter chromatischer Aberration in Verbindung mit einem Swept-Source Laser. Diese schmalbandigen Laser verändern periodisch ihre Zentralwellenlänge innerhalb eines großen Wellenlängenbereichs mit Frequenzen von einigen kHz bis hin zu aktuell etwa 4 MHz.In Abhängigkeit von der genutzten aberrativen Optik sowie der oszillierenden Wellenlänge des Swept-Source Lasers verändert sich die Fokustiefe in wohldefinierter Weise. Somit kann vollständig auf mechanische Aktuatoren zur Fokuspositionierung verzichtet werden. Dieser Ansatz ist extrem schnell und ermöglicht in Verbindung mit einem dedizierten x-y-Scanning die Aufnahme eines Volumenausschnitts der Kornea mit voller Tiefenausdehnung in etwas weniger als einer Sekunde. Perspektivisch erlaubt diese Technologie auch die Aufnahme von mehreren solcher Volumina pro Sekunde und damit eine volumetrische Exploration des kornealen Gewebeverbundes mittels beliebig orientierter Schnittbilder unmittelbar während des Aufnahmeprozesses. Dediziertes Line-Scanning anstelle von x-y-Scanning verbessert die Bildwiederholrate nochmals um ein Vielfaches. So können Aufnahmen ohne Bewegungsartefakte in Bildebenen analog zur Spaltlampe erzeugt werden, jedoch mit zellulärer Auflösung.Dieses Projekt legt damit die Grundlagen für eine völlig neuartige Methode der hochauflösenden quantitativen Spaltlampenmikroskopie, mit großem Potential für eine verbesserte Diagnostik von Oberflächenerkrankungen des Auges. Eine Translation der Technologie in andere medizinische Fachgebiete wie die Dermatologie zur Charakterisierung von epithelialem Gewebe ist möglich. Aufgrund des großen und weitreichenden Potentials dieser Technologie ist eine entsprechende Patentschrift in Vorbereitung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen