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, 18055 Rostock b Medizinischeinische Fakultät, Augenklinik, Universität Rostock, Doberaner Str. 140, 18055 Rostock 25.06.2012 Fakultätstag der Interdisziplinären Fakultät der Universität Rostock
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
Motivation Spinning Lens Experiment Rheometer Experiment R. F. Fisher, The elastic constants of the human lens, The Journal of physiology (1971) 212: 147-180 H. Weeber et al., Stiffness gradient in the crystalline lens, Graefe s Arch Clin Exp Ophthalmol (2007) 245:1357 1366 2
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
Streuprozesse Photon Rayleigh-Streuung Teilchen Brillouin-Streuung (Stokes) Schallteilchen Brillouin-Streuung (Anti-Stokes) Schallteilchen 4
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 0,1 0-20 -10 0 10 20 ν / GHz Brillouin-Frequenzversatz von 3,1 GHz in Methanol. 5
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
Experimenteller Aufbau Dioden-Laser: 780nm (Laserklasse 1) Leistung: 12mW EM CCD: DU888 DC-BV (kurze Belichtungszeit: e 0,3s) 7
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
Konfokale Reflektionsmikroskopie Detektor Lochblende Strahlteiler Laser x / y Scanner Linse Verschiebetisch RCM Vidisic Linse 9
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
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 6,00 550 5,50 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
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 1,4200 14000 1,4000 Δν B / GHz 5,52 5,02 1,3800 1,3600 13400 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
Resultate der in vivo Messung n 1,493 1,473 1,453 1,433 1413 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
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, 258 270 270 (1969) 15
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, 175-183, 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, 449-470 (1982). 16
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
Zusammenfassung Brillouin-Spektroskopie Brechungsindex Proteinkonzentration Dichte Kompressionsmodul Diese Methode kann einfach für in-vivo Studien in der Augenheilkunde angepasst werden. 18
Vielen Dank! 19