Phase-Locked Time-Stretch Optical Coherence Tomography for Contrast-Enhanced Retinal Microangiography

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Foto von den Flügeln eines Kolibris zu machen, während er durch einen Sturm fliegt. Sie benötigen eine Kamera, die schnell genug ist, um die Bewegung einzufrieren, scharf genug, um jedes einzelne Federkleid zu sehen, und stabil genug, damit der Wind das Bild nicht verwischt. Dies ist die Herausforderung, vor der Ärzte stehen, die die winzigen Blutgefäße im Inneren des menschlichen Auges sehen wollen. Jahrelang haben sie eine spezielle Art von „Lichtradar“ namens Optische Kohärenztomographie-Angiographie (OCTA) verwendet. Betrachten Sie diese Technologie als eine superstarke Taschenlampe, die Licht von den Schichten des Auges reflektiert, um eine 3D-Karte zu erstellen. Es ist erstaunlich, weil es den Blutfluss sehen kann, ohne dass ein Farbstoff injiziert werden muss. Die alten Kameras waren jedoch ein wenig so, als würde man ein Foto mit einer langsamen Verschlusszeit aufnehmen: Wenn der Patient blinzelte oder sich das Auge auch nur minimal bewegte, wurde das Bild unscharf und die winzigen Gefäße sahen aus wie ein unordentliches Gekritzel. Das Ziel war es schon immer, eine Kamera zu bauen, die schnell genug ist, um die winzigen Bewegungen des Auges einzufangen, tief genug, um die Schichten ganz hinten im Auge zu sehen, und stabil genug, um die Farben echt zu halten.

Dieses Paper stellt eine neue, supergeladene Version dieser Augenkamera vor. Die Forscher haben ein System entwickelt, das wie ein Hochgeschwindigkeitszug agiert und mit einer Rate von 5 Millionen Linien pro Sekunde durch die Daten des Auges rast. Um das Bild vor Unschärfe zu bewahren, verwendeten sie einen „phasengekoppelten“ Trick, der wie ein Dirigent mit einem perfekten Metronom ist, der sicherstellt, dass jede einzelne Lichtnote das Detektionsgerät zum exakt richtigen Zeitpunkt trifft. Sie haben die Lichtpulse zudem gestreckt, wie das Dehnen eines Gummibandes, um die Daten leichter erfassbar zu machen. Das Ergebnis ist ein System, das die Blutgefäße des Auges mit unglaublicher Klarheit sehen kann und eine Tiefe von 2 Millimetern in der Luft (etwa 1,5 Millimeter im Inneren des Auges) erreicht. Sie testeten dies an gesunden Freiwilligen und fanden heraus, dass ihre neue Methode die winzigen vaskulären Netzwerke des Auges – wie die superfiellen und tiefen Kapillarplexus sowie die Choriocapillaris – viel besser abbilden konnte als aktuelle kommerzielle Maschinen. Das Paper legt nahe, dass dieser klarere, schnellere und tiefere Blick Ärzten helfen könnte, Krankheiten wie diabetische Retinopathie, Makuladegeneration und sogar Alzheimer früher zu erkennen, wobei die Autoren anmerken, dass es sich bei dem System noch um einen Prototyp handelt, der kleiner und schneller für den alltäglichen Einsatz im Krankenhaus werden muss.

Die Geschichte der Super-Augenkamera

Das Problem: Der unscharfe Kolibri
Das menschliche Auge ist eine komplexe Stadt aus Blutgefäßen, von denen einige so dünn sind, dass sie nur wenige Mikrometer breit sind. Um sie zu sehen, nutzen Ärzte eine Technik namens OCTA. Stellen Sie sich vor, Sie leuchten mit einer Taschenlampe in einen nebligen Raum; das Licht prallt an Staubpartikeln (oder in diesem Fall an Blutzellen) ab und kommt zurück, um Ihnen zu sagen, wo sich die Dinge befinden. Das Problem ist, dass das Auge niemals perfekt stillsteht. Es zuckt, blinzelt und driftet. Wenn Ihre Kamera zu langsam ist, verschwimmt das Bild. Wenn sie nicht stabil ist, vermischen sich die Farben. Frühere Versuche, die Kamera zu beschleunigen, machten das Bild oft flacher (man konnte nicht den hinteren Teil des Raumes sehen) oder weniger stabil (das Bild wackelte). Es war ein klassischer Kompromiss: Man konnte entweder schnell sein oder tief blicken, aber man konnte nicht beides mit hoher Qualität erreichen.

Die Lösung: Das Gummiband und der Metronom
Das Team in diesem Paper entschied sich, dies zu beheben, indem es eine neue Art von Lichtquelle und eine neue Art, dieses Licht einzufangen, baute. Sie verwendeten einen Laser, der „gestreckte Pulse“ erzeugt. Stellen Sie sich einen kurzen, scharfen Snap eines Gummibandes vor. Stellen Sie sich nun vor, Sie dehnen diesen Snap zu einer langen, glatten Welle aus. Diese „Zeitdehnungs“-Technik ermöglicht es der Kamera, mehr Informationen zu erfassen, ohne überfordert zu werden.

Doch das Dehnen des Lichts allein reicht nicht aus; man muss es perfekt einfangen. Die Forscher fügten ein „phasengekoppeltes“ System hinzu. Betrachten Sie dies als einen Chefdirigenten mit einem Rubidium-Atomuhren-System (der präziseste Zeitmesser, den wir haben). Dieser Dirigent sagt dem Laser, wann er feuern soll, und der Kamera, wann sie „schnappen“ soll, wodurch sichergestellt wird, dass sie perfekt synchronisiert sind. Da sie miteinander gekoppelt sind, wird die Kamera nicht durch winziges Zittern verwirrt. Dies ermöglicht es ihnen, eine „Sub-nm-Phasensensitivität“ zu erreichen, was eine komplizierte Art zu sagen, dass sie Bewegungen detektieren können, die kleiner als die Breite eines einzelnen Atoms sind.

Das Ergebnis: Eine kristallklare Karte
Mit diesem neuen Aufbau erzielte das Team beeindruckende Zahlen. Ihr Laser scannt mit 5 MHz (5 Millionen Mal pro Sekunde), was unglaublich schnell ist. Sie erreichten eine Tiefe von 2 mm in der Luft (was im Auge, da es mit Flüssigkeit gefüllt ist, etwa 1,5 mm entspricht). Ihr Laser hat zudem eine Bandbreite von 102 nm, was hilft, feine Details zu sehen.

Als sie dies an menschlichen Freiwilligen testeten, stellten sie fest, dass ihr System in nur 2 Sekunden eine 3D-Karte der Blutgefäße der Retina erstellen kann. Das ist viel schneller als kommerzielle Maschinen, die etwa 5 bis 6 Sekunden für ein kleineres Gebiet benötigen. Da es so schnell geht, hat das Auge keine Zeit sich zu bewegen, wodurch das Bild scharf bleibt.

Was sie sahen: Die Schichten des Auges
Die Forscher nutzten ihre neue Kamera, um verschiedene Schichten der Blutversorgung des Auges zu betrachten:

• Die superfiellen und tiefen Kapillarplexus: Dies sind die oberen und unteren Schichten winziger Gefäße nahe der Oberfläche. Ihre Kamera zeigte diese Netzwerke mit einer viel höheren Klarheit als Standardmaschinen und enthüllte „spinnenförmige“ Vortex-Muster, die zuvor schwer zu sehen waren.
• Die Choriocapillaris: Dies ist eine Schicht winziger Gefäße tief im Auge, direkt neben der Retina. Diese Schicht zu sehen, ist notorisch schwierig, da sie so tief liegt und die Gefäße so klein sind. Das neue System gelang es, diese Schicht klar zu visualisieren und eine dichte, netzartige Struktur zu zeigen.

Wie es im Vergleich zum Wettbewerb abschneidet
Das Team verglich sein neues System mit zwei hochmodernen kommerziellen Maschinen (dem Topcon DRI Triton und dem Zeiss PLEX Elite 9000).

• Geschwindigkeit: Das neue System scannte ein Gebiet von 4,1 × 4,4 mm in 2 Sekunden. Die kommerziellen Maschinen benötigten 5 bis 7 Sekunden für ein kleineres 3 × 3 mm Gebiet.
• Auflösung: Das neue System konnte Details sehen, die nur 7,4 μm (Mikrometer) breit und 5,8 μm tief sind. Die kommerziellen Maschinen waren auf etwa 20 μm in der Breite und 6,3 bis 8,0 μm in der Tiefe begrenzt.
• Klarheit: In den neuen Bildern sahen die Blutgefäße kontinuierlich und scharf aus. In den kommerziellen Bildern sahen die Gefäße oft unterbrochen oder verschwommen aus, insbesondere in den tieferen Schichten.

Das Urteil: Ein leistungsstarker Prototyp
Das Paper kommt zu dem Schluss, dass dieses neue „Phase-Locked Time-Stretch“-System ein großer Schritt nach vorn ist. Es beweist, dass man hohe Geschwindigkeit, Tiefenbildgebung und hohe Stabilität gleichzeitig haben kann. Der von ihnen verwendete komplexe Varianz-Algorithmus (CV), der sowohl die Helligkeit als auch die Phase (den Zeitpunkt) des Lichts betrachtet, erwies sich als überlegen gegenüber älteren Methoden, die nur die Helligkeit oder nur die Phase betrachteten.

Die Autoren weisen jedoch vorsichtig darauf hin, dass es sich derzeit um einen Prototyp handelt. Er erzeugt eine enorme Menge an Daten (12,5 GB pro Scan), deren Verarbeitung auf einem Standardcomputer etwa 1 Stunde dauert. Damit das System in einem echten Krankenhaus eingesetzt werden kann, muss die Datenverarbeitung beschleunigt und die Maschine kleiner und einfacher zu bedienen gemacht werden. Sie erwähnen auch, dass das aktuelle System zwar 2 mm tief sieht, zukünftige Verbesserungen der Detektoren dies jedoch noch weiter steigern könnten.

Kurz gesagt zeigt dieses Paper uns einen neuen Weg, ein „Superfoto“ der Blutgefäße des Auges zu machen. Es ist schneller, schärfer und tiefer als das, was wir heute haben, und bietet einen vielversprechenden neuen Werkzeugkasten für Ärzte, um Augenerkrankungen und sogar systemische Zustände wie Alzheimer zu erkennen, bevor sie schweren Schaden anrichten. Aber wie jede große Erfindung muss es noch etwas geschliffen werden, bevor es bereit für die reale Welt ist.