In Toruń (Polen), hoffen Wissenschaftler den Ärzten ein Instrument zur schnellen Diagnose menschlicher Krankheiten an die Hand geben zu können. Aus diesem Grund bauen sie ein Gerät, dass das Bild der Augen „einfriert”.
– Das Auge ist ein einzigartiges Organ. Es ist der einzige Ort im gesamten menschlichen Körper, an dem ein direkter und nicht-invasiver Zugang zu den Blutgefäßen über die Netzhaut besteht. Daher kann das Auge ein guter Ort für eine frühzeitige und nicht-invasive Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Atherosklerose und Bluthochdruck sein – erklärt Dr. Anna Szkulmowska, CEO und Mitbegründerin der AM2M Company, einem Spin-off der Nikolaus-Kopernikus-Universität in Toruń. Und das ist nicht das Einzige, es gibt auch wissenschaftliche Beweise dafür, dass wir den Beginn neurodegenerativer Erkrankungen durch die Beobachtung der Augenbewegungen sehen können, fügt sie hinzu.
Damit diese Diagnose jedoch im Krankenhaus alltäglicher Gebrauch wird, müssen die Ärzte Zugang zu qualitativ hochwertigen Bildern dieses Organs haben. Genau wie ein Orthopäde ein gebrochenes Bein mit einem Röntgenbild beurteilt, könnte ein Kardiologe so beurteilen, ob Patient A bald einen Herzinfarkt erleiden würde, und ein Neurologe würde sehen, ob Patient B an Alzheimer leidet. Dr. Anna Szkulmowska möchte ein Werkzeug für die Erstellung dieser Bilder zur Verfügung stellen. Zusammen mit ihren Mitarbeitern und medizinischen Physikern von der Nikolaus-Kopernikus-Universität, arbeitet sie am FreezEye Tracker, einem ultraschnellen biomedizinischen Bildstabilisierungssystem.
Eingefrorene Netzhaut
Eye Tracker sind seit fast einem Jahrhundert im Einsatz. Meistens handelt es sich um eine Art Kamera oder einen anderen Sensor, der die Position der Pupille oder Hornhaut, also die äußeren Teile des Auges, beobachtet. Sie werden von Spezialisten aus vielen Bereichen genutzt, wie etwa von Marketingspezialisten, um zu beurteilen, ob der Zielgruppe die neue Werbung gefällt, bis hin zu Neurologen, um mit schwer gelähmten Patienten zu kommunizieren.
FreezEye Tracker hat noch einen weiteren Job zu erledigen. Zuerst wird die Netzhaut beobachtet, welche der tiefste Teil des Augapfels ist. Zweitens soll das Gerät eine Lösung für das Hauptproblem all jener sein, die sich mit der visuellen Bildgebung beschäftigen. Dies betrifft die schlechte Bildqualität, die durch natürliche Augenbewegungen verursacht wird. Diese subtilen Bewegungen, die das Auge ständig macht und die uns nicht einmal bewusst sind, führen dazu, dass Bilder von optischen Geräten mit Fehlern behaftet sind. Das macht es schwierig, eine Diagnose zu stellen.
– „Während unseres letzten Projekts haben wir uns gefragt, was passieren würde, wenn wir das Auge für eine Weile „einfrieren” würden, damit die physiologischen Bewegungen die Registrierung des Fotos nicht stören. Daher die Idee für FreezEye, denn das Gerät „friert” das Bild ein”, sagt Dr. Szkulmowska.
Die Wissenschaftler aus Toruń erreichten den Effekt des “Einfrierens” durch die Kombination zweier Bildgebungsverfahren. Zunächst bestimmt FreezEye die Trajektorie der Augenbewegung. Dazu nimmt es 1200 Netzhautbilder in einer Sekunde auf. Zum Vergleich: Ähnliche Geräte, die auf dem Markt für Augenuntersuchungen erhältlich sind, erzeugen 20-30 Bilder pro Sekunde. FreezEye Tracker produziert auch viele Bilder, ist aber auch sehr klein. Es sind nur Fragmente.
– „Die größte Herausforderung bestand darin, festzustellen, wie viel kleiner und qualitativ schlechter diese Bilder sein könnten, so dass sie noch für weitere Berechnungen der Bewegungen geeignet wären” – ergänzt Dr. Szkulmowska.
Anschließend werden die aus den kleinen Bildern generierten Bewegungsdaten in den Algorithmus für die Entwicklung eines großen Bildes einbezogen. Das Endergebnis ist ein “eingefrorenes” Netzhautbild, d.h. ein großes, hochwertiges und diagnosefähiges Bild, das die Augenbewegungen berücksichtigt.
Krankheiten im Augen Entdecken
Die Bildstabilisierung ist so hoch, dass auch einzelne Blutgefäße sichtbar sind. Deshalb hoffen die Wissenschaftler, dass dies nun ein weiterer Schritt in Richtung der Möglichkeit ist, Krankheiten in einem sehr frühen Stadium zu erkennen, wenn sie sich gerade erst zu entwickeln beginnen.
– „Wenn Ärzte in der Lage sind, ein bestimmtes Gefäß in der Netzhaut zu untersuchen und nach einiger Zeit an die gleiche Stelle zurückzukehren, können sehr kleine Veränderungen beobachtet werden, z.B. Elastizitätsänderungen, Wanddickenänderungen. Das könnte ein Hinweis darauf sein, dass mit dem Patienten etwas nicht stimmt”, erklärt der Wissenschaftler.
Auch neurodegenerative Erkrankungen wie Multiple Sklerose oder Alzheimer können von Anfang an erkannt werden. Nach einigen Hypothesen ist das Auge eine Art Braindrain. Wenn sich die Myelinhüllen im Gehirn zu verschlechtern beginnen, könnte sich das Auge anders bewegen. Die medizinischen Physiker von Toruń hoffen, dass der FreezEye Tracker helfen wird, diese Eigenschaften von Augenbewegungen zu beobachten. „ – Dann wird es möglich sein, anhand der Bewegungsbahn zu klassifizieren, ob der Patient gesund ist. Wenn sich die Trajektorie ändert, bedeutet das, dass beim Patienten eine neurodegenerative Erkrankung beginnt”, sagt Dr. Szkulmowska.
Nächstes Jahr in Echtzeit
FreezEye Tracker befindet sich noch in der Entwicklung, aber die Wissenschaftler haben bereits das Wichtigste erreicht. – Wir haben gezeigt, dass unsere Idee die richtige war: „Das Gerät funktioniert, wir fotografieren bereits damit”, sagt der Physiker.
Zurzeit muss man noch eine Weile auf die Netzhautbilder warten, da das Gerät noch nicht in Echtzeit funktioniert. Die Wissenschaftler aus Toruń müssen zunächst mehr forschen, und das fertige Bild wird in der Postproduktion entwickelt. Es gibt noch einige andere technologische Arbeiten zu erledigen, aber das alles wird im nächsten Jahr enden.
– „Wir gehen davon aus, dass das Gerät bis Ende 2020 in Echtzeit arbeiten wird. Auf der Grundlage von vorläufigen Analysen der Daten von Patienten, wenn auch nur von gesunden Menschen, werden wir wissen oder zumindest vermuten, welche Eigenschaften des Blutgefäßes wir beobachten wollen“ – sagt Dr. Szkulmowska.
Und dann?
– „Ich stelle mir vor, dass wir eine Reihe dieser Geräte herstellen und in mehreren guten Kliniken platzieren sollten, um so viele Daten wie möglich zu sammeln. Um zu sehen, welche Parameter des Bildes mit den medizinischen Bedingungen kombiniert werden sollten, und um in der Praxis zu bestimmen, welche Anwendung die nützlichste sein wird”, – sagt Dr. Szkulmowska.
Aber das ist ein Job für die Ärzte.
Einen Überblick über alle unsere Artikel zu diesem Thema finden Sie hier.
