S c h w e r p u n k t Ein Ziel Wenn ich 60 bin, möchte ich gerne erleben, dass mich beispielsweise eine Glaukom-Frühdiagnostik davor bewahrt, am grünen Star zu erkranken. Diese Vision von MIntEye-Chef Prof. Dr. Jens Haueisen zeigt deutlich, was ihn und das gesamte Team motiviert: Am ältesten Institut für Biomedizinische Technik in Deutschland entwickeln die Wis sen schaftler modernste Diagnosetechnologien für die Augenheil kunde. Seit drei Jahren arbeiten Informatiker und Biomedizin tech niker gemeinsam mit Augenärzten und medizintechnischen Unternehmen daran, Augenkrankheiten früher zu erkennen und besser zu therapieren. Das Auge ist das wichtigste Sinnesorgan des Menschen. 70 Pro zent aller Informationen nehmen wir über das Auge wahr. Wird unser Augenlicht durch Krankheiten getrübt oder erlischt es sogar ganz, bedeutet das eine große Einschränkung der Lebensqualität. Die Verbesserung der Diagnose solcher Erkrankungen ist wichtig, allerdings nicht einfach, denn das Sehen ist ein sensibler und hoch komplexer Vorgang: Sobald Licht auf die Hornhaut trifft, durchquert es die Linse und den Glaskörper und wird in der Netzhaut in Nervenimpulse umgewandelt. Diese werden zu einer bestimmten Hirnregion, dem visuellen Cortex, weitergeleitet und dort zu optischen Wahrnehmungen verarbeitet. Die Netzhaut, auch Retina oder Fundus genannt, ist also ein sehr wichtiger Teil des Auges und steht deshalb im Mittelpunkt der Untersuchungen des MIntEye-Teams. Beim Fluoreszenz-Lifetime-Imaging (FLIM) werden Stoffe im Augenhintergrund über extrem kurze Laserimpulse zum Fluoreszieren gebracht. Die Fluoreszenzzeit gibt Auskunft über den Stoffwechsel. Wenn die Menschen alt genug werden, wird im Prinzip jeder an einer degenerativen Augenerkrankung leiden, meint Dr. Uwe Grai chen, Informatiker und Koordinator des MIntEye-Projektes. Die Wissenschaftler beschäftigen sich mit den drei häufigsten Augenkrankheiten: dem Glaukom, auch grüner Star genannt, der Altersbedingten Makuladegeneration, kurz AMD, und der diabetischen Retinopathie, einer Begleiterscheinung von Diabetes. Die AMD ist in den Industriestaaten die Hauptursache für Erblin- 26
vor Augen Wie die InnoProfile-Initiative MIntEye an der Technischen Universität Ilmenau die Diagnostik von Augenkrankheiten verbessern will dungen von Menschen, die über 65 Jahre alt sind. Sie verursacht 32 Prozent der Neuerblindungen, gefolgt von Glaukom und diabetischer Retinopathie mit je 16 Prozent. Durch die steigende Lebens er war tung können diese Erkrankungen in Zukunft dramatisch zunehmen. Das Problem ist, dass diese Krankheiten schwer therapierbar sind, erläutert Dr. Uwe Graichen. Sie können nur auf dem Status, auf dem sie sind, gehalten werden. Deswegen ist es wichtig, dass man sie sehr frühzeitig erkennt. Meist werden Krankheiten wie das Glaukom erst diagnostiziert, wenn sie schon weit fortgeschritten sind. So beginnt der grüne Star sehr schleichend mit einem leicht erhöhten Augeninnendruck, der keine Beschwerden verursacht. Dabei wird der Sehnerv jedoch stark geschädigt und stirbt langsam ab. Das kann Jahre oder gar Jahrzehnte dauern. Die Betroffenen merken erst etwas, wenn sie schlechter sehen können. Dann ist es für eine Therapie oft schon zu spät. An der Altersbedingten Makuladegeneration erkranken 30 Prozent aller Menschen über 75 Jahre, die Tendenz ist weltweit steigend. Die Krankheit ist nach der Makula lutea, dem Gelben Fleck, dem Punkt des schärfsten Sehens benannt. Die Funktion des Gewebes lässt hier allmählich nach. Bei fortschreitender Krankheit sterben die Netzhautzellen und die Sehfähigkeit im zentralen Gesichtsfeld wird stark beeinträchtigt. Während die Altersbedingte Makuladegeneration erst im höheren Alter auftritt, ist die diabetische Retinopathie die häufigste Erblindungsursache bei Menschen zwischen 20 und 65 Jahren. Im Verlauf der Erkrankung kommt es zur Schädigung der kleinen Blutgefäße in der Netzhaut, dies verursacht eine Minderung der Sehschärfe sowie die Einschränkung des Gesichtsfeldes und kann ebenfalls zur Erblindung führen. Vernetzung statt Insellösungen Im Moment werden diese Krankheiten mithilfe verschiedener technologischer Verfahren untersucht. Daraus ergeben sich etliche einzelne Resultate. Der Arzt steht dann vor der Aufgabe, aus den Ergebnissen der vielen Diagnostik-Arten eine Schluss folge rung zu ziehen, erklärt Professor Haueisen. Die Datenintegration findet im Kopf des Arztes statt und nicht unterstützt durch einen Computer. Das ist genau der Ansatz für das MIntEye-Projekt, dass man dem Arzt diese Unterstützung gibt, die Daten zu kombinieren und aus der Kombination der einzelnen Aussagen mehr Information gewinnt. Die Informatiker nennen das Super addition. Die Verbindung der Daten ergibt nicht nur eine Summe, sondern einen zusätzlichen Informationsgewinn. Damit der Arzt diese Informationen nutzen kann, haben die Wissenschaftler ein spezielles Koordinatensystem für das Auge entwickelt, auf dem die einzelnen Untersuchungsdaten registriert werden. Bestim m- te Parameter, die die Krankheit möglichst kompakt beschreiben, werden herausgezogen, aufbereitet und für den Arzt in ge - eigneter Weise visualisiert. Ursprünglich war die Kombination der Diagnosedaten das einzige Ziel von MIntEye. Doch im Laufe der Zeit haben die Wissenschaftler erkannt, dass es bei bestimmten Technologien auch wichtig ist, Verfahren und Geräte zu kombinieren. So haben die MIntEye-Wissenschaftler erstmals die Elektrodiagnostik mit der Mikrozirkulationsdiagnostik verknüpft. Auf diese Weise können sie den Durchmesser der kleinsten Blutgefäße der Netzhaut messen und gleichzeitig die neuronale Tätigkeit untersuchen. Dafür haben die MIntEye-Wissenschaftler verschiedene Technologien, die auf der Funktionsweise einer Netzhautkamera basieren, mit einer Farbprojektionstechnik zusammengebracht. Mit einem Gerät wird die Summe von Messfehlern minimiert und damit die Genauigkeit erhöht. Außerdem verringert sich die Patientenbelastung, weil ich nahezu zeitgleich verschiedene Parameter erfassen kann, erklärt der Optik-Ingenieur Dietmar Link. Und Jens Haueisen ergänzt: Die Vision ist, irgendwann von den maximal 30 Geräten, die in einem Augendiagnose-Labor stehen, auf zwei bis drei Geräte runterzukommen, die die gesamte Funktionalität erledigen. Leuchten im Auge Neben der Kombination bereits vorhandener Diagnoseverfahren will das MIntEye-Team auch neue Ideen entwickeln, immer mit u 27
S c h w e r p u n k t MIntEye-Wiossenschaftler haben Netzhautkamera- Technologien und Farbprojektionstechnik vereint, um den Durchmesser kleinster Blutgefäße und die neuronale Tätigkeit gleich zeitig messen zu können. dem Ziel, Augenkrankheiten so früh wie möglich zu erkennen und zu behandeln. Eines dieser neuen Verfahren ist das so - genannte Fluoreszenz-Lifetime-Imaging, kurz FLIM. Die Technik ist von einer Forschungsgruppe um Dr. Dietrich Schweitzer an der Augenklinik in Jena entwickelt worden und weltweit einmalig. Bisher gibt es nur zwei dieser Geräte; eins steht bei den Entwicklern in Jena und eins bei MIntEye in Ilmenau. FLIM ist ein Verfahren aus der Mikroskopie. Damit lässt sich ermitteln, wie lange verschiedene Stoffe im Augenhintergrund nach Anregung mit extrem kurzen Laserpulsen fluoreszieren. Die Ilmenauer Wissenschaftler beobachten, wie sich die Intensität des Fluoreszenzlichtes über die Zeit verhält. Dieses Verhalten wird Lifetime genannt und ist eine bestimmte Eigenschaft, mit der man Stoffe unterscheiden kann, die fluoreszieren. Wir möchten gerne die Verteilung von diesen Stoffen am Augenhintergrund messen. Die Idee ist, dass wir Stoffe nachweisen können, die am Stoffwechsel beteiligt sind, erklärt Matthias Klemm von MIntEye, der mit dieser Methode arbeitet. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass auf der Stoffwechselebene bereits Abweichungen stattfinden, bevor es zu krankhaften Veränderungen und bleibenden Schäden auf der Netzhaut kommt. Mit dem FLIM könnten degenerative Augenerkrankungen künftig sehr früh diagnostiziert werden. Das hilft den Patienten, denn das Ungleichgewicht im Stoffwechsel ist in der Regel noch behandelbar oder umkehrbar. Für die MIntEye-Wissenschaftler ist die Auswertung der Daten, die sie durch diese Technologie erhalten, der wichtigste Teil ihrer Arbeit. Zusammen mit ihren Jenaer Kollegen entwickeln sie dafür neue Methoden. Auch bei der FLIM-Technik kann die Verknüpfung der Diagnosedaten dem Arzt helfen, eine optimale Therapie für den Patienten zu finden. Wenn ich die Aussage kombinieren kann, mit der Information, wo der Stoffwechselvorgang zuerst schiefläuft oder wo zuerst eine Gefäßveränderung auftritt, dann erhalte ich eine Zusatzinformation, die sehr viel mehr wert ist, als das, was ich von einer Einzelmessung erfahren habe, erklärt Professor Haueisen. Abgesehen vom diagnostischen Aspekt ist die Arbeit mit dem FLIM auch für Forschungszwecke wichtig. Denn bisher sind die Ursachen einiger Augenerkrankungen und Funktionsstörungen dieses wichtigen Sinnesorganes noch nicht genau bekannt. Das MIntEye-Team will hier mehr Licht ins Dunkel bringen. Dazu haben die Forscher eine vergleichende Studie mit Probanden, also gesunden Menschen und Patienten durchgeführt, die an der Altersbedingten Makuladegeneration leiden. Um solche Studien realisieren zu können, arbeiten sie momentan mit einem niedergelassenen Augenarzt aus Rudolstadt zusammen. Demnächst will die MIntEye-Gruppe mit weiteren Augenheilkundlern aus Ilmenau kooperieren. Schließlich benötigen die Wissenschaftler so viele Patienten wie möglich, um bei ihren Untersuchungen aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Für manche Tests arbeiten die Wissenschaftler allerdings nur mit gesunden Probanden. So haben sie eine große Reproduzierbarkeitsstudie mithilfe der Optischen Kohärenz Tomografie (OCT) durchgeführt. Mit dieser Studie wurde allein die Zuver lässigkeit der Messergebnisse untersucht. Bei der OCT handelt sich um ein ähnliches Verfahren wie Ultraschall. Statt Schall wird jedoch Licht in einem ganz bestimmten Wellenlängen bereich verwendet. Mit dem Licht können hoch aufgelöste, dreidimensionale Aufnahmen der einzelnen Netzhautschichten gemacht werden. Damit wird das kleinste Gewebe sichtbar, bis hin zu einzelnen Sehsinneszellen. Man kann frühzeitig und objektiv Zell strukturen darstellen und Veränderungen erkennen und damit Krankheiten sehr früh diagnostizieren. Außerdem schont diese Methode die Patienten, geht schnell und ist kontaktlos im Vergleich zum Ultraschall, erklärt Jens Liebermann, der sich in seiner Promotion mit dieser Technik beschäftigt. Die Methode wird zwar schon seit einigen Jahren von Augenärzten angewendet, doch das MIntEye-Team will noch einen Schritt weitergehen. Die Aufnahmen der Optischen Kohärenz Tomografie sollen mit der Diagnose des Stoffwechsels, die mithilfe der FLIM-Technik erstellt wird, verbunden werden. Eine solche Kombination ist bisher weltweit einzigartig. Auf diese Weise können zusätzliche Aussagen für die Diagnose der Augenerkrankungen getroffen werden. Alte Idee neuer Plan Die Doktoranden Patrick Beßler und Sascha Klee haben einen innovativen Ansatz für die Frühdiagnostik von Glaukom, also dem grünen Star, entwickelt. Sie nutzen dafür die Methode der Elektrophysiologie. Damit können Prozesse im Körper, die mit elektrischen oder elektromagnetischen Veränderungen einhergehen, gemessen werden. Durch visuelle Reize geschehen solche u 28
Oben: Die Biomedizintechniker Patrick Beßler und Sascha Klee (v. l. n. r.) entwickelten eine neue Methode zur Früherkennung des grünen Stars. Links: Objektive Diagnose: Welche Signale von der Netzhaut im Gehirn ankommen, zeigt das EEG. Der Arzt ist nicht mehr auf die Auskunft des Patienten angewiesen. 29
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Der Informatiker Dr. Uwe Graichen koordiniert das Ilmenauer MIntEye-Projekt zur Früherkennung von Augenkrankheiten. Veränderungen auch auf der Netzhaut. Diese Reize werden in die hintere Hirnregion weitergeleitet und dort verarbeitet. In welcher Weise dies geschieht, wird durch die Messung der Gehirnströme mit einem EEG sichtbar gemacht. Daraus können wiederum Parameter abgeleitet werden, die eine Aussage über bestimmte Erkrankungen zulassen, auch über das Glaukom. Für ihre Studie nutzten Beßler und Klee eine Erkenntnis, die nicht neu ist: Der grüne Star wirkt sich zuerst auf die Sinneszellen im Auge aus, die die Farbe Blau verarbeiten. Ist die Krankheit fortgeschritten, lässt sich dies deutlich nachweisen. Doch die MIntEye- Forscher verfolgten einen neuen Ansatz. Wir haben versucht, das Glaukom mit speziellen Methoden in einem früheren Stadium zu erkennen. Es gibt ganz gute Anzeichen dafür, dass das funktioniert, resümiert Patrick Beßler. Für ihre Studie haben die Biomedizintechniker den visuellen Reiz über spezielle Displays strukturiert. Das bedeutet, die Probanden bekamen verschiedene Muster und Farben zu sehen. Zielvorstellung ist, dass man diese Technik in die normale Funduskamera, die beim Augenarzt steht, integriert und dass der Arzt, wenn Glaukom- Verdacht besteht, den Patienten einfach vor dieses Gerät setzt und eine entsprechende Stimulation durchführt. Hoffentlich sehen wir in 10 Jahren so ein Gerät beim Augenarzt stehen, resümiert Jens Haueisen. Auch diese Methode wollen die Ilmenauer wieder mit anderen Untersuchungen kombinieren. Wenn beispielsweise bei der Mikrozirkulationsdiagnostik, der Messung der kleinsten Blutgefäße im Auge, eine Störung festgestellt würde, könnte genau an dieser Stelle ein visueller Reiz gesetzt werden. Parallel dazu wird ein EEG durchgeführt und der Augenarzt erkennt, was im Gehirn passiert, wie der Reiz verarbeitet wird. So kann er schon sehr früh eine Diagnose stellen. Diese Methode ist ein gutes Beispiel für die objektive Diagnostik, die das MIntEye-Team weiterentwickeln will. Momentan ist es so, dass Ärzte bei vielen Augenuntersuchungen auf die aktive Mitarbeit der Patienten angewiesen sind. Das klappt bei kooperativen Patienten ganz gut, aber insbesondere bei der Unter suchung von psychiatrischen oder an Demenz erkrankten Patien ten, sind die Ergebnisse subjektiver Messverfahren häufig nicht zu verwerten, meint Professor Haueisen. Das heißt, es werden neue Methoden benötigt, die nicht allein von der Unterstützung der Patienten abhängen. Durch die Verknüpfung mit dem EEG ist das möglich. Hier sieht der Arzt sofort, ob Signale von der Netz haut im Sehzentrum des Gehirns ankommen. Auf der Basis solcher objektiven Untersuchungsergebnisse kann er eine wirksame Therapie erstellen. Geballte Kraft Hinter der intensiven Forschungsarbeit des MIntEye-Teams stecken viele kluge Köpfe. Dieses Wissen und die Ideen zu bündeln, über die Fachgrenzen hinauszudenken, ist eine große Herausforderung. Bei MIntEye arbeiten Optik-Ingenieure, Mediziner, Biomedizintechnik-Ingenieure, Elektrotechniker und Informatiker eng zusammen. Wir haben einen sehr regen Austausch. Nur mit dieser Interdisziplinarität, den verschiedenen Kompetenzen kann man so ein Thema vorwärts bewegen, findet Dr. Uwe Graichen. Wie aber funktioniert der Austausch zwischen so unterschiedlichen Disziplinen wie Informatik und Medizin? Es ist zwar schwierig miteinander zu kommunizieren, aber möglich. Man muss auf den anderen eingehen. Ich denke, das Wichtigste ist letztlich die Offenheit, meint Jens Haueisen. Und genau das haben die MIntEye-Forscher geschafft: offen aufeinander zuzugehen, sich auszutauschen; innerhalb des Teams, aber auch nach außen. So arbeiten sie mit regionalen Medi zin technik- Unternehmen wie Zeiss Meditec, IMEDOS Systems UG und NEURO CON zusammen. Zeiss stellt den Wissenschaftlern beispielsweise Geräte als längere Leihgaben zur Ver fü gung. Außerdem hat MInt Eye im Laufe des Projekts bereits vier weitere In dus trie partner gewonnen. Auch international ge winnt das Team um Jens Haueisen und Uwe Grai chen immer mehr Partner und größere Beachtung. So organisiert MIntEye im Sep tember in Ilmenau das erste deutsche Symposium zur Fluoreszenz-Lifetime-Imaging-Technologie am menschlichen Auge. Namhafte Wissenschaftler aus den USA und England werden zu Gast sein. Der gemeinsame Austausch bringt Synergieeffekte und neue Ideen. Genau das hilft den MIntEye-Forschern bei der Verwirklichung ihrer Vision, Menschen mit Augenkrankheiten in Zukunft früher und besser helfen zu können. 31