Optische Kohärenztomografie

An der Medizinischen Universität Wien wurden erstmals in vivo Bilder der menschlichen Netzhaut mittels optischer Kohärenztomografie (kurz OCT, aus dem englischen Optical Coherence Tomography) mit einem Spektrometer auf Chipgröße aufgenommen. Nach ca. zehnjährigen weltweiten Anstrengungen ein miniaturisiertes Spektrometer für die OCT zu entwickeln ist es einem österreichischen Konsortium gelungen ein solches zu realisieren und in einem OCT System zu verbauen – mit einer Bildqualität, die für eine klinische Verwendung ausreichend sein könnte. Diese Ergebnisse stellen einen Meilenstein für die Entwicklung kostengünstiger, miniaturisierter OCT-Geräte dar, der signifikanten Einfluss auf die patientennahe Diagnostik im Bereich der Ophthalmologie haben könnte.

OCT ist ein optisches Bildgebungsverfahren zur kontaktlosen tiefenaufgelösten Visualisierung der Netzhaut des Auges. Die Grundsteine für OCT wurden in den frühen 1990er Jahren unter anderen von Prof. A. Fercher an der Medizinischen Universität Wien gelegt, als er mit seinem Team Interferometrie zur Augenlängenmessung einsetzte. 2017 erhielten er und weitere für ihre Arbeit an OCT dafür den Fritz J. and Dolores H. Russ Prize, der von der amerikanischen National Academy of Engineering (NAE) für „signifikanten Einfluss auf die Gesellschaft und die Hilfe das menschliche Wohlbefinden zu verbessern“. In den frühen 2000er Jahren begannen Firmen sich für diese Technologie zu interessieren - heute ist OCT (Gold-) Standard bei augenärztlichen Untersuchungen. Bei dieser Untersuchung sitzt der Patient vor dem Gerät und stützt sein Kinn auf den dafür vorhergesehenen Platz. Ein Laserstrahl rastert die Netzhaut ab und das geringe von der Netzhaut rückreflektierte Signal wird mittels Interferometrie detektiert und zu einem 3D Bild rekonstruiert. Der Arzt kann somit kontaktlos und in Echtzeit die verschiedenen, teils nur wenige Mikrometer dicken Schichten der Netzhaut auf Erkrankungen untersuchen. So können frühe Anzeichen von Netzhauterkrankungen wie etwa die altersbedingte Makuladegeneration (AMD), Netzhautablösungen oder Schäden am optischen Nerv erkannt und behandelt werden. Auch die Mikrovaskulatur der Retina kann mittels OCT Angiografie (OCTA) tiefenaufgelöst visualisiert werden.

Solche AWG-Spektrometerchips (AWG, aus dem englischen Arrayed Waveguide Grating) wurden in dieser Studie untersucht: Die mit diesen AWG Spektrometern erzielten Tomogramme wurden einem Tomogram, das mit einem kommerziell verwendeten OCT Gerät der Firma Carl Zeiss (Cirrus 4000) aufgenommen wurde, verglichen. Diese weisen große Übereinstimmungen auf. Die Retina des gesunden Probanden wurde auch über eine größere Fläche gerastert, um ein 3D Bild der Netzhaut zu erstellen. Dank ausreichendem Kontrast in den Bildern konnten ebenfalls die Blutgefäße der Netzhaut rekonstruiert werden. In der OCT Erweiterung OCT Angiografie werden mehrere Bilder an derselben Stelle aufgenommen und voneinander abgezogen. Statische Signale, wie etwa die verschiedenen Schichten der Netzhaut, ergeben in dieser Berechnung Null. Bewegte Signale, wie etwa das fließende Blut in der Mikrovaskulatur, tragen zum Signal bei, sodass die Vaskulatur vollständig rekonstruiert werden kann. OCTA hat gegenüber anderen Methoden dadurch den Vorteil die Blutgefäße ohne Verabreichung von Kontrastmittel zu visualisieren.

Ein Schlüssel für diese Ergebnisse war die erfolgreiche Entwicklung eines Chips mit integriert-optischen Wellenleiterkomponenten, welche die sonst üblichen sperrigen faser- bzw. freistrahloptischen Komponenten eines OCT-Geräts ersetzen können. Integriert-optische Wellenleiter funktionieren nach demselben Prinzip wie Glasfasern. Im Gegensatz zu diesen können intergiert-optische Wellenleiter aber wegen der hochpräzisen Fertigungsprozesse und Materialien der Halbleiterindustrie auf kleinstem Raum untergebracht werden. Ein weiterer Unterschied zu Glasfasern ist, dass wegen des äußerst geringen Querschnitts integriert-optischer Wellenleiter von ca. 800 nm x 160 nm und der ebenfalls sehr geringen Abstände zwischen Wellenleiterstrukturen derselben Größenordnung physikalische Effekte ausgenützt werden können, die nur auf dieser Größenskala wirksam sind. Zum Vergleich: Um so etwas „dickes“ wie ein menschliches Haar mit einem Durchmesser von lediglich 0.07 mm zu erhalten, würde ein Bündel aus rund 30.000 dieser Wellenleiter gebraucht. Durch Ausnutzung dieser einzigartigen Eigenschaften wurde auch die Kernkomponente, das hochkompakte Spektrometer, ermöglicht. Wie im Bild zu sehen, ist dieses Spektrometer kleiner als eine Zwei-Euro-Münze und damit ein Bruchteil von den sonst verwendeten Komponenten. Mit weiteren integrierten Strukturen können in Zukunft noch weitere Schlüsselkomponenten eines OCT-Geräts durch einen einzigen Chip ersetzt werden.

Das Projekt COHESION (CMOS Herstellungsverfahren für Siliziumnitridwellenleiter zur Miniaturisierung von optischen Kohärenztomographiegeräten) wurde im Rahmen der nationalen Ausschreibung der FFG, „Produktion der Zukunft“ gefördert (2016-2019). Die Ergebnisse an vorderster wissenschaftlicher Front wurden demnach mit einem rein österreichischen Konsortium erreicht (siehe „Das Konsortium“). Das Projekt hatte das Ziel, einen signifikanten Schritt in Richtung der Miniaturisierung der optischen Kohärenztomographie zu machen. Die Basis bildete die Etablierung neuer und die Nutzung bestehender Herstellungsprozesse in der Halbleiterindustrie für Wellenleiter und optoelektronische Komponenten, wie z.B. integrierte Lichtdetektoren. Damit konnte das Konsortium die wichtigsten Kernkomponenten eines OCT Geräts auf nur einem einzigen Halbleiterchip integrieren. Ein sehr kompaktes und zugleich preisgünstiges, robustes OCT-Gerät ist zukünftig das Ziel, mit dem eine Vielzahl hochattraktiver neuer diagnostischer Anwendungsszenarien erschlossen werden könnten. Herausgestrichen werden muss hier, dass ausschließlich Fertigungsprozesse zum Einsatz kamen, die vollständig mit jenen der Halbleiterindustrie kompatibel sind. Damit stehen in Bezug auf die des Chips einer preisgünstigen Massenfertigung bei ams AG keinerlei grundlegende Hürden mehr im Wege.

Das COHESION Konsortium hat sich rund um den Fabrikationsspezialisten von Halbleiterkomponenten ams AG formiert, der entsprechend auch die Herstellung der Chips übernommen hat. Die beiden forschungsorientierten Einrichtungen AIT Austrian Institute of Technology GmbH (Center for „Health & Bioresources“, Business Unit „Molecular Diagnostics“, „Diagnostic Biosensors“) und Fachhochschule Vorarlberg brachten ihre langjährige Expertise im Design von integriert-optischen Wellenleiterbauteilen. Während die Fachhochschule Vorarlberg für das integrierte Spektrometer verantwortlich zeichnete, war das AIT für die weiteren Wellenleiterkomponenten sowie für das Gesamtdesign des photonisch integrierten Schaltkreises mit OCT Funktionalität zuständig. Die Medizinischen Universität Wien (Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik) übernahm alle OCT-spezifischen Aufgaben, insbesondere die Durchführung der ‚in-vivo‘ OCT Messungen. 

Die Partner dieses Konsortiums besitzen nicht nur national gesehen eine einzigartige Expertise. ams AG ist einer der weltweit führenden Chip-Hersteller für Sensorik, Prof. Wolfgang Drexler der Medizinische Universität Wien gilt als einer der Mitbegründer von OCT und setzt mit seiner Gruppe regelmäßig neue Maßstäbe. Auch die Expertisen der Fachhochschule Vorarlberg und des AIT im Wellenleiterdesign und integriert-optische Wellenleiterbauteilentwicklung waren bereits vor COHESION auf internationalem Top-Niveau. 

Es war ein wichtiges Projektvorhaben, den Experten für die Herstellung von Chips, aber ohne OCT-Expertise (ams AG), mit dem Experten für ophthalmische OCT Anwendung, aber ohne Kenntnis von Halbleiterprozessen bzw. Wellenleitern (MUW), zusammenzubringen. Dabei kam primär dem AIT mit seiner langjährigen interdisziplinären Erfahrung die Rolle des „Klebstoffes“ zwischen den beiden F&E Antipoden zu. Die sehr erfreulichen Ergebnisse belegen nun, dass dies, auch dank des enormen Einsatzes aller Partner, hervorragend funktioniert hat. 

Erwähnenswert ist auch, dass zwei Wissenschaftlerinnen tragende Rollen im Projekt ausfüllten. Elisabet A. Rank, MSc. (Doktorandin der MUW, Erstautorin der Publikation) hat nicht nur die OCT Messungen durchgeführt, sondern avancierte auch innerhalb ihrer Gruppe zur Know-how-Trägerin, wenn es um Chip-integriertes OCT geht. Mit ihrer Kompetenz im Design von Chip-integrierten Spektrometern besitzt auch Dr. Dr. Dana Seyringer in der Tat ein nationales Alleinstellungsmerkmal.
 

 

 

Optische Kohärenztomografie

Kontakt für interessierte Unternehmen:

Dr. habil. Dana Seyringer, PhD
Senior Researcher

+43 5572 792 7208
dana.seyringer@fhv.at

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