Digitaler Wellenfrontsensor zur tiefenaufgelösten volumetrischen Abberationsmessung

Das Ziel der hier vorgestellten Forschungsarbeit ist es, einen Wellenfrontsensor (WFS) basierend auf einer neuen teilkohärenten guide-star-Technik zu entwickeln, der es erlaubt schnelle, verlässliche und automatisierte tiefenaufgelöste volumetrische Aberrationsmessungen des menschlichen Auges in-vivo durchzuführen. In der hier vorgestellten Methode wird ein physikalischer teilkohärenter guide-star durch Fokussierung des Lichtes in die Retina bei geringer numerischer Apertur erzeugt. Das zurück reflektierte Licht, welches üblicherweise durch die unterschiedlichen Tiefenschichten in der Retina sowie der Augenoptik selbst eine Defokussierung und Aberrationen höherer Ordnung erfahren hat, wird dann mit hoher numerischer Apertur detektiert. Die Detektion erfolgt interferometerbasiert mit Swept Source Optischer Kohärenztomographie (SSOCT), welches Punkt für Punkt durch Durchstimmen der Lichtquelle im Wellenlängenraum und anschließender Fourier Analyse des spektralen Interferogramms ein Tiefenprofil eines Objektes erzeugt. Im speziellen wird dadurch die Lichtverteilung im Fokus (Pointspread-Funktion (PSF)) mit Amplituden- und Phaseninformationen tiefenaufgelöst in den verschiedenen Schichten der Retina messbar. Diese Information erlaubt die Nutzung von sub-Apertur basierten digitalen adaptiven Optik (DAO) Techniken um tiefenaufgelöste Messungen der Wellenfrontaberrationen zu liefern. Diese Technik erfolgt automatisiert, nicht-iterativ, erfordert kein a- priori Wissen über Systemparameter oder der gemessenen Probe und benötigt keine zusätzliche Hardware, wie beispielsweise einen Shack-Hartmann WFS, verformbare Spiegel etc. wodurch das System kompakt und kostengünstig ist. Darüber hinaus wird eine neuartige Methode zur Abtastung der PSF mittels Pinhole und Photodiode während die Laserbandbreite durchgestimmt wird, vorgestellt. Diese Methode macht den Wellenfrontsensor mit sehr schnellen durchstimmbaren swept-source Lasern die im kHz-Bereich arbeiten kompatibel, und ist nicht limitert durch eine geringe Bildfrequenz oder geringe Quanteneffizienz von CCD/CMOS Flächenkameras die bei herkömmlichen WFS zum Einsatz kommen. Der vorgestellte WFS kann Daten mit einer Rate bis zu ~86 Volumen pro Sekunde liefern, wodurch akkurat und verlässlich die zeitliche und räumliche Bewegung von okularen Aberrationen in 3D gemessen werden kann. Messung und genaues Verständnis von zeitlicher und räumlicher Variation der okularen Aberration ist ausschlaggebend für die Entwicklung von patientenspezifischer refraktiven Chirurgie, besserem Design von Aberrometern und adaptiven Optiken, speziell für die Bildgebung mit großem Bildbereich und individuell angepassten Kontaktlinsen. Der Wellenfrontsensor wird im weiteren kombiniert mit einem bewegungsstabilisierten SSOCT System um digitale aberrationskorrigerte OCT Bilder der menschlichen Retina in vivo aufzunehmen. Eine Kombination von OCT mit digitalem WFS kann eine Auflösung auf zellulärem Niveau liefern um Zapfen der Fotorezeptoren, das retinale Pigmentepithel, die retinale Nervenfaserschicht, retinale Gefäßwände und lamina cribrosa in 3D darzustellen. Dies kann bei einer frühzeitigen Diagnose verschiedenster Augenkrankheiten wie der retinalen Dystrophie, der altersbedingten Makulardegeneration, Glaukom, der diabetischen Retinopathie etc. hilfreich sein. Das Forschungsprojekt wird am Zentrum für medizinische Physik und biomedizinische Technik an der Medizinischen Universität Wien durchgeführt. Prof. Dr. Rainer Leitgeb wird der Leiter des Projektes sein und Dr. Abhishek Kumar wird als Postdoktorand verantwortlich dafür sein die geplanten Systeme aufzubauen und die Experimente durchzuführen.

Die Strukturen im menschlichen Auge welche für die klare Abbildung der Umgebung auf unsere Netzhaut sorgen, sind die Hornhaut sowie die Augenlinse. Die Qualität der Bildentstehung ist jedoch oft durch Sehfehler (Aberrationen) oder Linsentrübungen (Katarakt) verringert. Diese Fehler können mittels einen Wellenfrontsensors gemessen werden, um z.B. die chirurgischen Korrektur der Hornhaut (LASIK) präzise zu planen um Sehfehler zu verringern, oder um eine optimale künstliche Augenlinse bei Kataraktoperationen auszuwählen. Im Projekt wurde eine neue Methode zur Wellenfrontmessung entwickelt, welche mit höhere Präzision als konventionelle Verfahren arbeitet. Diese Methode beruht auf dem Prinzip der Optischen Kohärenztomographie (OCT), eine Methode, welche berührungsfrei ein dreidimensionales Bild der Netzhaut liefert, bzw. mit hoher Genauigkeit die Augenlänge vermisst. Die Augenlänge ist ein wichtiger Parameter für die korrekte Auswahl der Brechkraft der künstlichen Augenlinse bei Kataraktoperationen. Das neue Verfahren zu Wellenfrontmessung berechnet digital die Aberrationen aus gemessenen OCT Daten. Es kann damit direkt in einer OCT Plattform integriert werden und damit das Auge optimal vermessen. Damit kann potenziell die Korrektur von Sehfehlern oder die Auswahl von Linsen präziser erfolgen, was letztlich die Lebensqualität der Patienten verbessern kann. Au der anderen Seite ermöglicht die digitale Berechnung der Wellenfront auch eine Korrektur dieser Fehler bei der OCT Bildgebung in der Bildnachbearbeitung. Diese Methode wird Digitale Aberrationskorrektur genannt und erlaubt kleinste zelluläre Strukturen der Netzhaut wie z.B. einzelne Sehzellen abzubilden. Ein solches Verfahren ist für die Früherkennung von Augenkrankheiten sowie für das generelle Verständnis von schweren Erkrankungen wie alternsbedingte Makuladegeneration (AMD), diabetische Retinopathie, oder Glaukom wichtig. Zusätzlich kann diese Methode auch neuartige Therapieverfahren wie Zell-und Gentherapien unterstützen. Im Rahmen des Projektes wurden diese Verfahren entwickelt, und müssen nun in Folgeprojekten in klinischen Studien validiert werden.