Grundlagen zur In-vivo Charakterisierung der Viskoelastizität der menschlichen Augenlinse
Final Report Abstract
Motivation und Ziel der Forschungsarbeiten dieses Projektes war es, ein nichtinvasives bzw. zerstörungsfreies und zudem berührungsloses Verfahren zu entwickeln, das in der Lage ist, elasto-mechanische Eigenschaften der menschliche Augenlinse in-vivo zu charakterisieren und damit die Diagnose physiologischer Veränderungen am Auge zu unterstützen. Besonderes Interesse gilt dabei der presbiopischen Linsenverhärtung, einem irreversiblen und rein altersbedingten Verlust der Akkommodationsstärke des Auges. Grundlage des Verfahrens ist die Kombination von Lasertechnik und ultraschallbasierter Materialanalyse. Dabei werden zwei unterschiedliche Laserquellen für das Anregen sowie Aufzeichnen akustischer Wellen herangezogen. Der Ultraschall wird als eine Art „Sensor“ genutzt, da elastische Wellen einen unmittelbaren Bezug zu den elastischen Eigenschaften eines Mediums besitzen. Neben der Ausbreitung und Interaktion der Schallwellen mit den beteiligten Augengeweben wurden drei unterschiedliche Quellmechanismen in Simulation und Experiment systematisch untersucht. Ausgangspunkt stellte dabei die punktsymmetrische Disruptionsquelle dar, welche als Nebeneffekt der laserbasierten Chirurgie am Auge bereits bekannt ist. Hier zeigte sich als neue Erkenntnis, dass es sich vielmehr um eine akustische Quelle mit Liniencharakter entlang der optischen Achse handelt. Messungen zeigten, dass akustische Disruptionsquellen in ihren Signaleigenschaften stark streuen und damit für ein Messverfahren ausscheiden müssen. Günstiger erwies sich der thermoelastische Quellmechanismus. Zwar sind die Amplituden der emittierten Wellen hierbei deutlich geringer, doch sind sie einerseits stabiler in ihren Quelleigenschaften sowie andererseits verträglicher im Sinn einer patientenschonenden Funktionsweise. Erschwert wurde der Fortgang der experimentellen Arbeiten durch den Ausfall des Lasersystems zur Anregung akustischer Wellen nach etwa der Hälfte der Projektlaufzeit. Erst mit dem Neuerwerb eines Alternativgerätes und der damit verbundenen Umkonstruktion des Messplatzes konnten die Versuche weitergeführt werden. Durch die unplanmäßige Neugestaltung war es jedoch möglich, die Ergebnisse der Simulationsrechnungen in die Versuchsplanung einzubeziehen und den Fokus auf die thermoelastische Anregung zu legen. Als wesentliches Ergebnis der Forschungsarbeiten ist das berührungslose Messen akustischer Transienten und Dämpfungsspektren an gewebeähnlichen Materialien (Phantome) anzusehen. Diese werden bereits seit einigen Jahrzehnten zur medizinischen Gewebeklassifizierung eingesetzt, allerdings unter Nutzung der kontaktbasierten Ultraschalltechnik. Auf Grundlage der laser-akustischen Messtechnik zeigt sich hier ein deutlicher Fortschritt in der medizintechnischen Forschung. Die Überführung der berührungslosen Messung an direkt zugänglichen Geweben in eine praktische Anwendung liegt nahe. Selbiges Prinzip ließe sich ebenso auf tiefer liegende Gewebe übertragen, doch sind hier wegen der vielfach komplexer aufgebauten Quelltherme weiter Forschungsarbeiten notwendig. Bei einer Anwendung als Diagnoseverfahren muss besonders auf das Einhalten der maximal zulässigen Strahlendosis aller beteiligten Gewebe geachtet und zwingend in die Auslegung der Lasertechnik einbezogen werden. Hierfür konnten bereits wichtige Rechenmodelle aufgestellt werden, die in weiteren Entwicklungen direkt zum Einsatz gebracht werden können.
Publications
- "Wave field characterization for nondestructive assessment of elastic properties using laser-acoustic sources in fluids and eye related tissues", Proc. SPIE 7650, 76503J (2010)
T. Windisch, F. Schubert, B. Köhler and E. Spörl
- DE 10 2008 049 692 / WO2010031395 „Laserbasierte Vorrichtung zur Berührungslosen Abtastung von Augen und entsprechendes laserbasiertes Abtastverfahren“, 2010
Windisch, Köhler, Schubert, Haupt
- Jahresbericht IZFP 2009, 2010 Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP), Saarbrücken und Dresden, Dok.-Nr.: izfp09.10.1.1de
- „Anwendung und Vermessung hochfrequenter Ultraschallquellen mit Abmessungen im µm-Bereich“, DGZfP-Berichtsband BB 122 - CD, DGZfP-Jahrestagung 2010
T. Windisch, B. Köhler , F. Schubert, E. Spörl
- „Richtungs- und frequenzaufgelöste Bestimmung laser-akustisch angeregter Schallfelder in Fluiden“, Fortschritte der Akustik - DAGA 2010
Windisch, T., Schubert, F., Koehler, B.
- „Berührungsloser Ultraschall als Diagnosetechnik in der Augenmedizin“, DGZfP-Berichtsband BB 123 - CD, DGZfP-Jahrestagung 2011
T. Windisch, B. Köhler , F. Schubert, E. Spörl
