OCT: Technologischer Fortschritt legt Grundstein für den Einsatz zu Hause

Ein kostengünstiger Laser könnte den Zugang zur optischen Kohärenztomographie(OCT)-Bildgebung erleichtern.

Forscher der Medizinischen Universität (MedUni) Wien in Österreich haben gezeigt, dass eine Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)-Diode, die üblicherweise in der Telekommunikation und bei Lidar-Anwendungen eingesetzt wird, eine kostengünstigere Lichtquelle für die OCT mit gekrümmter Quelle sein könnte. Dieser Fortschritt könnte ophthalmologische OCT-Systeme ermöglichen, die auch außerhalb der Augenklinik oder sogar zu Hause einsetzbar wären.

„OCT ist in der Augenheilkunde zu einem Standard-Bildgebungsinstrument für die Diagnose und Überwachung von Krankheiten wie Glaukom, Makuladegeneration und diabetesbedingter Retinopathie geworden“, sagt Milana Kendrisic, Mitglied des Forschungsteams von der MedUni. „Der Preis der Laserquellen und die Komplexität der OCT-Systeme erschweren jedoch den Zugang außerhalb von Kliniken und Krankenhäusern, insbesondere für die häusliche Pflege oder den Einsatz am Ort der Behandlung.“

Obwohl Singlemode-VSCELs in der Regel mit einem konstanten Strom betrieben werden, variierten die Forscher den Strom, um die für die Swept-Source-OCT erforderlichen Änderungen der Wellenlänge beziehungsweise Farbe zu erreichen. In der Fachzeitschrift “Optics Letters” der Optica Publishing Group beschreiben die Forscher ihren OCT-Aufbau, der einen VCSEL und fortschrittliche Nachbearbeitungsalgorithmen umfasst. Mit diesem Aufbau haben sie Scans des gesamten Auges eines gesunden Probanden erstellt.

Die Forscher wollen ein kostengünstiges OCT-Gerät entwickeln, um die Patientenversorgung in Bereichen zu verbessern, in denen herkömmliche OCT-Systeme möglicherweise nicht verfügbar oder nicht erschwinglich sind. Kendrisic: „Es könnte auch die Überwachung der Behandlung von Patienten mit altersbedingter Makuladegeneration oder der Augengesundheit von Diabetikern zu Hause ermöglichen. Das Gerät könnte die Behandlung überwachen oder abnormale Veränderungen frühzeitig erkennen, um den Verlust des Sehvermögens zu vermeiden und letztlich die Lebensqualität zu erhalten. Dies könnte zum Beispiel durch die Anmietung eines einfach zu bedienenden Geräts durch die Krankenkasse geschehen.“

Suche nach einem preiswerteren Laser

Das Swept-Source-OCT, so heißt es, sei seit 2010 für die Augenbildgebung klinisch verfügbar und koste in der Regel Zehntausende von Dollar respektive Euro. Es werde ein Laser verwendet, der die Wellenlänge im Laufe der Zeit ändere, um eine hochwertige Visualisierung mehrerer Teile des Auges zu ermöglichen.

In der neuen Arbeit untersuchten die Forscher, ob eine billigere VCSEL-Diode anstelle des teuren Swept-Source-Lasers verwendet werden könnte. Während VCSEL-Dioden in der Regel einen Laserausgangsstrahl mit einer bestimmten, genau definierten Wellenlänge erzeugen, ändert sich bei einer Änderung der Betriebstemperatur der Diode auch die Ausgangswellenlänge.

„Unsere Idee war es, einen unerwünschten Effekt der Wellenlängenverschiebung mit der Temperatur auszunutzen, um diese Dioden für OCT nutzbar zu machen“, so Kendrisic. „Wir induzieren absichtlich eine Temperaturänderung, indem wir den Treiberstrom in kurzer Zeit auf hohe Werte über die ursprünglichen Spezifikationen hinaus erhöhen. Danach folgt eine Abkühlungsphase, um eine Verschlechterung des Diodenmaterials zu vermeiden, wodurch wir die Diode über eine breitere Bandbreite abstimmen können, als dies sonst möglich wäre.“

Zwar haben andere Gruppen gezeigt, dass VCSELs für OCT eingesetzt werden können, doch waren diese Systeme nicht für die Bildgebung im Auge konzipiert. Da das Auge größtenteils mit Wasser gefüllt ist, verwendeten die Forscher einen VCSEL, der bei 850 nm arbeitet – einer Wellenlänge, die von Wasser nicht stark absorbiert wird. Dadurch kann das Laserlicht durch das Auge zur Netzhaut und zurück zum Detektor wandern, ohne dass das Signal durch Absorption verloren geht.

„Obwohl kommerzielle Swept-Quellen größere spektrale Bandbreiten haben, haben wir gezeigt, dass selbst der kleine Bereich, den wir mit einem VCSEL erreicht haben, für die OCT ausreicht“, so Kendrisic. „Diese Laserdioden könnten nur wenige Dollar pro Stück kosten, wenn man sie in großen Mengen kauft, und sie ermöglichen auch eine große Reichweite, die erforderlich ist, um die gesamte Länge des menschlichen Auges von der Hornhaut bis zur Netzhaut zu erfassen.“

Test-Aufnahmen am Probanden-Auge

Nachdem die Forscher herausgefunden hatten, wie sie den Strom zum VCSEL am besten erhöhen können, ohne den Laser zu beschädigen, und gleichzeitig die bestmögliche Auflösung für die Bildgebung gewährleisten können, bauten sie ihn in ein optisches System für die OCT-Bildgebung des Auges ein. Dieses System, das einige zusätzliche Komponenten zur Aufrechterhaltung der Systemleistung und fortschrittliche Nachbearbeitungsalgorithmen enthielt, zeigte laut Mitteilung sehr gute Leistungen, insbesondere in Bezug auf Empfindlichkeit und Abbildungstiefe.

Anschließend testeten sie das System, indem sie das Auge eines gesunden Probanden abbildeten, und konnten biometrische Informationen, wie die axiale Augenlänge und die Tiefe der vorderen Augenkammer mit einer axialen Präzision extrahieren, die mit der kommerzieller OCT-Systeme vergleichbar ist. Die Ergebnisse, so heißt es, hätten auch das Potenzial der Technologie für den Einsatz in biometrischen Augenscanner-Systemen für Sicherheitszwecke gezeigt.

Obwohl VSCEL-basierte Systeme einige Einschränkungen in Bezug auf die Bildqualität aufwiesen, hätten sie dennoch das Potenzial, den Zugang zur diagnostischen Bildgebung zu erweitern, meint Kendrisic. „Unsere Arbeit legt den Schwerpunkt auf den Einsatz dieser Technologie in der Augenheilkunde, aber eine Senkung des Preises für OCT-Geräte wird die Einführung der OCT-Technologie auch in anderen Bereichen – sowohl in der Medizin als auch in der Technik – erleichtern.“

Bevor ein VSCEL-basiertes System für Augenuntersuchungen kommerzialisiert werden könnte, müssten jedoch groß angelegte klinische Studien und Tests zur Lebensdauer der Quelle durchgeführt werden, um die klinische Relevanz und Langlebigkeit des Systems zu beweisen.