Die Anwendung der Brillouin-Spektroskopie in der Ophthalmologie. rheologischen Eigenschaften der Augenlinsen

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1 Die Anwendung der Brillouin-Spektroskopie in der Ophthalmologie zur Mit ortsaufgelösten warmem non-invasiven Licht gegen in-vivo die Alterssichtigkeit Bestimmung essc ge der rheologischen Eigenschaften der Augenlinsen Stephan Reiß a,b, Oliver Stachs b, Rudolf Guthoff b, Heinrich Stolz a a Institut für Physik, AG Halbleiteroptik, Universität Rostock, Universitätsplatz 3, Rostock b Medizinischeinische Fakultät, Augenklinik, Universität Rostock, Doberaner Str. 140, Rostock Fakultätstag der Interdisziplinären Fakultät der Universität Rostock

2 Motivation Akkommodation: Linse Objekte in unterschiedlicher Entfernung werden scharf gesehen Alterssichtigkeit (Presbyopie): Verlust der viskoelastischen Eigenschaften der Linse Cornea Suche nach der Ursache : Räumlich aufgelöste Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften der Linse Von Erik Hermans, VUMC Amsterdam 1

3 Motivation Spinning Lens Experiment Rheometer Experiment R. F. Fisher, The elastic constants of the human lens, The Journal of physiology (1971) 212: H. Weeber et al., Stiffness gradient in the crystalline lens, Graefe s Arch Clin Exp Ophthalmol (2007) 245:

4 Brillouin-Streuung Brillouin-Spektroskopie bietet die Möglichkeit der in-vivo Messung longitudinale Λ Schallwellenlänge Schallwelle V Schallgeschwindigkeit Λ=V/ν S n n Brechungsindex ν S Schallfrequenz ν L Laser-Frequenz θ ν R Frequenz des Rayleigh Laser (ν Brillouin Rayleigh-Signals L ) Signal (ν R =ν ν L ) Signal (ν B =ν L ±Δν B ) ν B Frequenz des Brillouin-Signals Δν B Brillouin-Versatz c Lichtgeschwindigkeit ρ Dichte θ Streuwinkel K Kompressionsmodul 3 4

5 Streuprozesse Photon Rayleigh-Streuung Teilchen Brillouin-Streuung (Stokes) Schallteilchen Brillouin-Streuung (Anti-Stokes) Schallteilchen 4

6 Brillouin-Streuung 0,6 0,5 Rayleigh-Signal I /n.u. 0,4 0,3 02 0,2 Stokes Brillouin- Signal Δν B Δν B Anti-Stokes Brillouin-Signal 0, ν / GHz Brillouin-Frequenzversatz von 3,1 GHz in Methanol. 5

7 Virtually Imaged Phased Array (VIPA) virtuelles Bild einfallender Strahl AR R=100% Glas R=98% Austritt Um das Brillouin-Signal vom intensivem Rayleigh-Signal zu trennen, wurde ein hochdispersives Element verwendet: Virtually Imaged Phased Array (VIPA). 6

8 Experimenteller Aufbau Dioden-Laser: 780nm (Laserklasse 1) Leistung: 12mW EM CCD: DU888 DC-BV (kurze Belichtungszeit: e 0,3s) 7

9 Ex-vivo Messung Ortsaufgelöster Brillouin-Versatz (Δν B B) einer ex-vivo Messung durch die Linse eines Schweins 7,00 6,50 6,00 Δυ B / GHz 5,50 5,00 4,50 4,00 Linse 3,50 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Abstand von der vorderen Linsenfläche zum Messpunkt / mm 8

10 Konfokale Reflektionsmikroskopie Detektor Lochblende Strahlteiler Laser x / y Scanner Linse Verschiebetisch RCM Vidisic Linse 9

11 Postmortale Gewebeveränderungen 0 h 3 h 15.5 h a a a b b b c c c I/ w. E. 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 t / h 21.5 h d d d Die Intensität des Brillouin-Signals verringert sich signifikant mit Zunahme der postmortalen Zeit..5 h 25. e e e 100 µm Nur in vivo Messungen sind geeignet, die viskoelastischen Eigenschaften der Augenlinse darzustellen. 10

12 In vivo Messung 7,50 White New Zealand 7,00 - Kaninchen ca. 1Jahr alt - Narkose: 45 min - linkes Auge gemessen Δν B / GHz 6,50 6, ,50 Linse Kammer- Wasser Glaskörper 5,00 4,50 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 realer Fokusort/ mm Wellenlänge 780nm Messvolumen 3x10-4 mm³ Messzeit 1s Laser-Leistung 12mW 11

13 Kalibrierkurve K Modul ν L Laser-Frequenz c Lichtgeschwindigkeit θ Streuwinkel Δν B Brillouin-Versatz n ρ Brechungsindex Dichte Standard Protein Albumin Fraction 6,52 V 6,02 1,4400 1, ,4000 Δν B / GHz 5,52 5,02 1,3800 1, ,3400 1,3200 n Abbe-Refraktometer 4,52 1,3000 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Albumin-Proteinkonzentration / % 12

14 Resultate der in vivo Messung n 1,493 1,473 1,453 1, ,413 1,393 1,373 1,353 1,333 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 Δν B / GHz Δν B / GHz 7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 Kammer- Wasser Kammerwasser: Δν B = 5,04GHz n = 1,336 Hughes (1972): n = 1,337 Linse Glaskörper 4,50 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 realer Fokusort/ mm Nakao et al. (1968): n = 1,335 n = 1,336 Linsenkern: Δν B =7,0 GHz n = 1,472 Hughes (1972): n = 1,465 B, Nakao et al. (1968): n = 1,465 13

15 Resultate der in vivo Messung Brechungsindex-Profil 1,5000 1,4800 Gladstone-Dale Formel 1,4600 1,3800 1,3600 1,3400 1,3200 1,4400 Kammerwasser 1,4200 nlinse 1,4000 Glaskörper 1,3000 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 realer Fokusort/ mm C Protein-Konzentration n Brechungsindex n m Brechungsindex Wasser (1,333) α Spezifische Konstante (0,180cm 3 /g) [a] [a] Philipson,B.,"Distribution of protein within the normal rat lens," Invest. Ophthalmol. 8, (1969) 15

16 Protein-Konzentrations-Profil Resultate der in vivo Messung 0,90 0,80 C/ (g/cm m³) 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 realer Fokusort/mm [b] Randall et al. [a] Latina et al. Linsenrinde: ρ = 1100kg/m³ [b] Randal et al. ρ = 1100kg/m³ Linsenkern: ρ = 1270kg/m³ [b] Randal et al. ρ = 1200kg/m³ [a] Latina, M., Chylack, L. T., Fagerholm, P., Nishio, I., Tanaka, T. and Palmquist, B. M., "Dynamic light scattering in the intact rabbit lens. Its relation to protein concentration," ti Investigative ophthalmology l & visual science 28, , 183 (1987) [b] Randall, J. and Vaughan, J. M., "The measurement and interpretation of Brillouin scattering in the lens of the eye," Proceedings of Royal Society of London, Biological Science 214, 1197, (1982). 16

17 Resultate der in vivo Messung 5,00 4,50 4,00 K/ GPa 3,50 3,00 Linse Kammerwasser Glaskörper 2,50 2,00 1,50 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 realer Fokusort/ mm 17

18 Zusammenfassung Brillouin-Spektroskopie Brechungsindex Proteinkonzentration Dichte Kompressionsmodul Diese Methode kann einfach für in-vivo Studien in der Augenheilkunde angepasst werden. 18

19 Vielen Dank! 19