Optische Messtechnik Mehrpunkt-OCT erfasst Hornhautverformung an neun Stellen zugleich

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Ein international zusammengesetztes Forschungsteam hat ein OCT-System entwickelt, das die Reaktion der Hornhaut auf einen kurzen Luftstoß an neun Positionen gleichzeitig aufzeichnet. Ziel der Parallelmessung ist es, lokale biomechanische Unterschiede zu erfassen, die üblicherweise bei zentralen oder zeitlich versetzten Aufnahmen unentdeckt bleiben könnten.

Die mechanische Reaktion der Hornhaut kann Hinweise auf krankhafte Veränderungen geben. Beim Keratokonus etwa wird das Gewebe örtlich dünner und wölbt sich zunehmend nach vorn. Da diese Veränderungen nicht gleichmäßig über die Hornhaut verteilt sein müssen, haben Forschende des International Centre for Translational Eye Research (ICTER) in Warschau einen Prototyp entwickelt, der ihre schnelle Verformung an mehreren Stellen gleichzeitig misst.Grundlage ist die optische Kohärenztomografie (OCT). Das berührungslose Verfahren arbeitet mit Licht und lässt sich vereinfacht als optisches Gegenstück zum Ultraschall beschreiben Bei der OCT wird zurückgestreutes Messlicht wird mit einem Referenzstrahl überlagert. Aus den dabei entstehenden Interferenzsignalen lässt sich ableiten, aus welcher Tiefe das Licht stammt. Auf diese Weise erzeugt die OCT hochaufgelöste Schnittbilder, etwa von der Netzhaut oder vom vorderen Augenabschnitt.

Neun Messkanäle, ein Detektor 

Im neuen Aufbau dient die OCT nicht allein der Darstellung anatomischer Strukturen. Sie verfolgt auch, wie sich die Hornhautoberfläche nach einem kurzen Luftstoß bewegt. Der Luftimpuls verformt das Gewebe nur für wenige Millisekunden. Bisherige Verfahren beobachten diese Reaktion häufig lediglich im Zentrum, entlang einer Schnittlinie oder nacheinander an verschiedenen Stellen. Eine solche Abfolge hat jedoch einen Nachteil: Der Vorgang lässt sich nicht unter exakt denselben Bedingungen wiederholen. Bereits kleine Augenbewegungen, Veränderungen des Tränenfilms oder zeitliche Unterschiede im Scanablauf können die Messwerte beeinflussen.

 Der Prototyp teilt das Messlicht deshalb in neun Strahlen auf. Ein Strahl trifft auf das Zentrum der Hornhaut, acht weitere sind ringförmig darum angeordnet. Alle neun Kanäle erfassen denselben Luftstoß zur selben Zeit. Damit sich ihre Signale auf einem gemeinsamen Detektor auseinanderhalten lassen, erhält jeder Kanal eine geringfügig andere optische Weglänge. In den OCT-Daten erscheinen die neun Messstellen dadurch in getrennten Tiefenbereichen. Die Forschenden nutzen den verfügbaren Tiefenmessbereich des Systems somit nicht nur für die Darstellung des Gewebes, sondern auch zur Trennung der Messkanäle. Zusätzliche Detektoren sind dafür nicht erforderlich.

 Das faseroptische Swept-Source-OCT arbeitet bei einer Wellenlänge von 1310 Nanometern. Bei diesem OCT-Typ wird die Wellenlänge der Lichtquelle fortlaufend und mit hoher Geschwindigkeit durchgestimmt. Das System erreicht 100.000 Abtastungen pro Sekunde und erfasst die Bewegung der Hornhaut damit in Abständen von zehn Mikrosekunden.Nach Angaben der Autoren dauert die relevante Verformung etwa 20 Millisekunden. Wie wichtig die hohe Messgeschwindigkeit ist, zeigte eine nachträgliche rechnerische Verringerung der zeitlichen Auflösung: Bei langsamerer Erfassung veränderten sich sowohl die ermittelte Stärke als auch die Richtung der räumlichen Unterschiede deutlich.

Asymmetrie statt zentralem Einzelwert

Für die Auswertung vergleicht das Team die Verformungsamplituden von vier gegenüberliegenden Punktpaaren. Aus den jeweiligen Differenzen wird ein sogenannter Asymmetrievektor berechnet. Seine Länge beschreibt das Ausmaß der räumlichen Asymmetrie, seine Richtung weist auf den Bereich mit der stärkeren Verformung. Dieser Parameter ist allerdings nicht mit einer unmittelbaren Messung der lokalen Gewebesteifigkeit gleichzusetzen. Wie stark sich die Hornhaut unter dem Luftstoß bewegt, hängt neben ihren mechanischen Eigenschaften auch von der Dicke und Geometrie des Gewebes sowie vom Augeninnendruck ab.

Erprobt wurde das System zunächst an einem ex vivo untersuchten Schweineauge, dessen Hornhaut lokal enzymatisch geschwächt worden war. Hinzu kamen Messungen an 13 gesunden Probanden und drei Patienten mit Keratokonus. Ergebnis: Bei den drei erkrankten Augen zeigte der Asymmetrievektor ungefähr in die Richtung jener Region, die auch in klinischen Hornhautkarten auffällig war. Dort fanden sich eine lokale Ausdünnung, eine stärkere Krümmung oder Veränderungen an der hinteren Hornhautoberfläche. Eine genaue räumliche Übereinstimmung bestand jedoch nicht.

Vom Versuchsaufbau zum Medizinprodukt

Forschung stößt an Grenzen: Eine diagnostische Leistungsbewertung lässt die kleine Zahl der untersuchten Keratokonusaugen nicht zu. Die Studie zeigt daher zunächst vor allem, dass das technische Prinzip funktioniert. Ob die Mehrpunktmessung einen diagnostischen Vorteil gegenüber etablierten Verfahren bietet, muss in größeren klinischen Untersuchungen geklärt werden. Auch der Prototyp selbst ist noch nicht für den Einsatz im Praxisalltag ausgelegt. Die vordere Hornhautoberfläche wurde in den OCT-Aufnahmen bislang manuell abgegrenzt. Zudem muss das Auge sehr genau zum Messsystem positioniert werden; unzureichend ausgerichtete Aufnahmen wurden verworfen und wiederholt.

 Für ein klinisch nutzbares System müssten diese Arbeitsschritte weitgehend automatisiert werden. Die Autoren nennen insbesondere eine automatische Bildsegmentierung, eine Ausrichtung in Echtzeit und Eye-Tracking. Für die Medizintechnik liegt der Reiz des Ansatzes vor allem in der Messarchitektur: Neun räumlich getrennte Kanäle werden synchron ausgelesen, ohne neun vollständige Detektoreinheiten aufbauen zu müssen.

Referenz

Karnowski K, Milkiewicz J, Cetinkaya O, et al. Single-shot, depth-encoded multiplexed OCT for multi-spot tracking of induced transient corneal dynamics. Biomed Opt Express. 2026;17(5):2715–2733. doi:10.1364/BOE.596342.