Optische Kohärenztomografie und adaptive Optik für die bildgestützte Augenlaserchirurgie

Abstract

In der Ophthalmologie haben sich Femtosekundenlaser von spezialisierten Instrumenten für die LASIK zur Erzeugung von Hornhautlappen zu vielseitigen Werkzeugen für die Hornhaut- und Kataraktchirurgie entwickelt. In naher Zukunft könnten Femtosekundenlaser zur Behandlung von traktiven Vitreoretinopathien oder Glaskörpertrübungen eingesetzt werden und die herkömmliche Vitrektomie ersetzen.

Individuelle anatomische Unterschiede machen die Integration eines Messsystems erforderlich, um die Sicherheit und den Erfolg eines Lasereingriffes sicherzustellen. Optische Kohärenztomografie (OCT) in der Fourierdomäne ist durch ihre hochauflösende und schnelle Bildgebung prädestiniert. Im anterioren Auge sind eine beschränkte Messtiefe, ein tiefenabhängiger Empfindlichkeitsabfall und unerwünschte Spiegelartefakte durch eine komplexe Doppeldeutigkeit bei der Fourieranalyse zu lösende Herausforderungen. Im posterioren Auge wird der Einsatz des Lasers durch Augenaberrationen und einhergehende Verzerrungen des Fokus erschwert.

In dieser Arbeit werden Phaseshift-Techniken und eine dispersionsbasierte Methode für die OCT-Messbereichserweiterung realisiert und hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit zur Spiegelartefaktunterdrückung evaluiert. Die Entwicklungen konzentrieren sich auf spektrometerbasierte Systeme. Alle umgesetzten Techniken sind geeignet, um störende Spiegelartefakte in OCT-Aufnahmen effektiv zu reduzieren. Aus Gründen geringerer Komplexität wird für einen klinischen Prototyp für die Linsenchirurgie die dispersionsbasierte Methode gewählt. Mit dem Applikationssystem des Prototyps wird eine artefaktbefreite Aufnahme der Augenvorderkammer eines Schweineauges demonstriert. Die Beseitigung von Spiegelartefakten ermöglicht einem Operateur, die reale Probenstruktur eindeutig zu ermitteln und eine Laserprozedur zuverlässiger festzulegen.

Darüber hinaus wird im Rahmen dieser Arbeit ein Labordemonstrator für die vitreoretinale Femtosekundenlaserchirurgie realisiert, welcher als Schlüsseltechnologien OCT und adaptive Optik (AO) verwendet. OCT wird primär für die präoperative Planung sowie die intra- und postoperative Kontrolle einer Laserprozedur integriert. Außerdem wird sie für eine indirekte AO-Methode ohne Wellenfrontsensor herangezogen. Mit Hilfe klassischer AO mit Wellenfrontsensor und indirekter AO durch Optimieren einer Bildmetrik für B-Scans können die laterale Auflösung der OCT-Bildgebung verbessert und die Schwellenenergie für einen Laser-induzierten optischen Durchbruch in Wasser reduziert werden. Die Durchbruchschwelle lässt sich zusätzlich durch Komprimierung der Pulsdauer senken. Eine wassergefüllte Kammer dient als einfaches Modellauge. Im aberrationskorrigierten Zustand und nahe der Durchbruchschwelle ließ sich eine Kunststoffmembran schneiden, ohne dass in einem porcinen Netzhautgewebe in 300 µm Abstand Läsionen in anschließenden OCT-Aufnahmen sichtbar waren. Untersuchungen zum Schädigungspotenzial von Laserschnitten in Wasser in direkter Nähe zu retinalem Gewebe vom Schwein deuten darauf hin, dass durch Aberrationskorrektur mittels AO der Sicherheitsabstand einer Laseranwendung zur Netzhaut reduziert werden kann.

Die klinische Anwendung eines Femtosekundenlasers im posterioren Auge besitzt außerordentlich hohes Marktpotenzial und eröffnet eine Vielzahl neuer Behandlungsmöglichkeiten. Für eine klinische Translation sind gründliche Risikoanalysen erforderlich, um die Sicherheit des Verfahrens zu gewährleisten und genaue Werte für sichere Arbeitsabstände zu ermitteln. Als Analysemethoden sind histopathologische Untersuchungen oder neurophysiologische Studien an einem Tiermodell denkbar. Die indirekte AO bietet Vorteile hinsichtlich Systemkosten und -komplexität. Für Strukturen inmitten des Glaskörpers, wo die klassische AO vermutlich nicht anwendbar ist, könnte sie notwendig sein. Ob der Ansatz für die in vivo Anwendung praktikabel ist, ist durch weitere Untersuchungen zur Schnittqualität und Optimierungsgeschwindigkeit festzustellen.

In ophthalmology, femtosecond lasers have evolved from specialized instruments for LASIK to create corneal flaps into versatile tools for corneal and cataract surgery. In the near future, femtosecond lasers could be used for the treatment of tractive vitreoretinopathies or vitreous floaters and may replace conventional vitrectomy.

Individual anatomical differences require the integration of a measuring system to ensure the safety and success of a laser surgery. Optical coherence tomography (OCT) in the Fourier domain is particularly suitable due to its high-resolution and fast imaging. In the anterior eye, a limited measuring depth, a depth-dependent drop in sensitivity and undesired mirror artifacts due to a complex ambiguity in Fourier analysis are challenging issues to solve. In the posterior eye, the use of a femtosecond laser is impeded by individual eye aberrations and associated distortions of the focus.

In this thesis, phaseshift techniques and a dispersion-based method for extending the measuring range of OCT are implemented and evaluated with regard to their performance for mirror artifact suppression in OCT images of the anterior chamber of the eye. The developments focus on spectrometer-based OCT systems. All implemented techniques are suitable for effectively reducing disturbing mirror artifacts in OCT recordings. For reasons of lower complexity, the dispersion-based method is chosen for a clinical prototype for lens surgery. With the application system of the prototype, an artifact-free image of the entire anterior chamber of a porcine eye is demonstrated in the laboratory. The removal of mirror artifacts enables a surgeon to clearly identify the real sample structure and to define a laser procedure more reliably.

In addition, a laboratory demonstrator system for vitreoretinal femtosecond laser surgery, which uses OCT and adaptive optics (AO) as key technologies, is being realized within the scope of this thesis. OCT is primarily integrated for preoperative planning as well as intra- and postoperative control of a laser procedure. It is also used for an indirect wavefront sensorless AO method. Using classical AO with wavefront sensor or indirect AO by optimizing an image metric for B-scans, the lateral resolution of OCT imaging can be improved and the threshold energy for a laser-induced optical breakdown in water can be lowered. The breakdown threshold can be further reduced by compressing the pulse duration. A water-filled chamber serves as a simple model eye. In the aberration-corrected state and near the breakdown threshold, a synthetic membrane could be cut without lesions being visible in subsequent OCT scans in porcine retinal tissue 300 µm apart. Investigations regarding the damage potential of laser cuts in water in close proximity to retinal tissue from pigs indicate that aberration correction using AO may reduce the safety distance to the retina.

The clinical application of a femtosecond laser in the posterior eye has an extraordinarily high market potential and opens up a multitude of new treatment options. Clinical translation requires thorough risk analysis to ensure the safety of the procedure and to determine accurate values for safe working distances. Analysis methods could be histopathological examinations or neurophysiological studies on an animal model. Indirect AO offers advantages in terms of system cost and complexity. It may be necessary for structures amidst the vitreous body, where classical AO is presumably not applicable. Further investigations on cutting quality and optimization speed need to determine whether the indirect approach is feasible for in vivo applications.