DE4001893A1 - Infrarot-ophthalmoskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Untersuchung des zellulären Aufbaus vitaler biologischer Objekte bis zu einer gewissen Tiefe. Das Prinzip dieser Erfindung beruht darauf, daß die Eindringtiefe von Infrarotstrahlung in Materie größer ist, als die sichtbaren Lichtes, was z. B. in der Infrarotastronomie angewandt wird. Um nicht nur an dünnen Schnittpräparaten, sondern auch an intakten biologischen Systemen arbeiten zu können, muß man Auflichtmikroskopie anwenden, d. h. das Objektiv wird gleichzeitig als Kondensor benutzt und das Objekt wird im reflektierten Licht dargestellt. Aus der Metallmikroskopie ist bekannt, daß Differential- Interferenz-Kontrast (DIK), Hoffman-Modulationskontrast (HMK) und Polarisationsmikroskopie auch in der Auflichtmikroskopie anwendbar sind. Weiterhin ist bekannt, daß Zellmembranen und die Sklera einen Teil des auffallenden Lichtes reflektieren. Dieses Prinzip wird seit 100 Jahren beim Augenspiegeln in der Ophthalmologie ausgenutzt, wo im auffallenden Licht der Augenhintergrund beobachtet wird. Da bislang aber nur im einfachen Hellfeld bei geringer Vergrößerung beobachtet wurde, war es nicht möglich die Nervenzellen der Netzhaut, die ja Phasenobjekte sind, darzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun die Darstellung dieser Nervenzellen zu ermöglichen, um dem Augenarzt ein Gerät an die Hand zu geben, mit dessen Hilfe frühzeitig zellularpathologische Veränderungen der Netzhaut erkannt werden können. Dies ist bislang absolut unmöglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Der Beleuchtungsstrahlengang geht von einer infrarotintensiven Strahlungsquelle (L) aus. Der Kollektor formt ein paralleles Lichtbündel, das einen Interferenzfilter (IF) passiert. Beim DIK tritt die Strahlung daraufhin durch eine (optianale) Zentralblende (ZB), was hinter dem Objektiv einen kontrasterhöhenden Lichtkonus zur Beleuchtung ergibt. Das Licht wird weiter durch einen Polarisator (P) polarisiert und durchsetzt dann Nomarskiprisma (N), Objektiv (O) und Kontaktglas (K). Beim HMK wird die Zentralblende durch eine Spaltblende und das Nomarskiprisma durch den Hoffmanmodulator ersetzt. Zur Theorie der Kontrasterzeugung von Phasenobjekten mit DIK oder HMK siehe die einschlägige Literatur z. B. Allen, R. D. et al., Z. wiss. Mikr. Mikrotech. 69 193-224 (1968) und Hoffman, R., J. Microsc., 110, 205-222 (1977). Auch singlesideband edgeenhancement nach Ellis könnte angewandt werden. Da Infrarotstrahlung das Pigmenentepithel der Netzhaut durchdringt, wird sie erst von der weißlichen Sklera (S) reflektiert und passiert rückwärts nochmals die Netzhaut, wodurch das Auflichtmikroskop letztlich wie ein Durchlichtmikroskop mit gespiegeltem Kondensor arbeitet.

Um die Netzhaut (N) des Auges (A) mit dem Mikroskop beobachten zu können, ist es notwendig die optische Brechkraft des Auges auszugleichen. Dies kann entweder durch eine vorgeschaltete Zerstreuungslinse oder ein Kontaktglas, wie es in der Ophthalmologie auch schon verwandt wird, erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist, mit einer Sammellinse ein relles Bild der Netzhaut zu erzeugen und dieses dann mit dem Mikroskop zu betrachten. Der Einfachheit des Strahlengangs wegen ist die Realisierung mit dem Kontaktglas in der Zeichnung skizziert. Da man mit Objektiven von 20 mm Brennweite arbeiten muß, ist die numerische Apertur auf 0.1-0.2 begrenzt, was eine räumliche Auflösung von etwa 2 um bei einer Wellenlänge von 1000 nm ergibt unter Berücksichtigung des Befundes, daß durch die Kontrastverstärkung in der Videomikroskopie die Auflösung um etwa den Faktor 2 gegenüber herkömmlicher Mikroskopie verbessert wird. Da die Ganglienzellen der Netzhaut um den Faktor 10 größer sind, ist ihre Darstellung möglich. Der mechanische Aufbau des Gerätes ist an die Bauweise einer ophthalmologischen Funduskamera angelehnt, bei der die eigentliche Kamera durch das Videoauflichtmikroskop ersetzt ist. Die aus dem Auge aus­ tretende Strahlung wird von dem auf unendlich koorrigierten Objektiv mit parallelem Strahlengang weitergeleitet. In der Fourierebene hinter dem Objektiv ist das Nomarskiprisma oder der Hoffmanmodulator angebracht. Das Licht passiert dann den dichroitischen Spiegel (DS) und den Analysator (A) um von der Tubuslinse (T) auf dem Target der Fernsehröhre (TV) abgebildet zu werden. Das Bild wird dann mit einem handelsüblichen kontrastverstärkenden Videosystem auf dem Monitor dargestellt.

Es ist bekannt, daß durch Absoptionsmessungen im Infrarot bei 760, 780 und 870 nm eine Aussage über die Konzentrationen von reduziertem und oxygeniertem Hämoglobin und Cytochrom C Oxidase gemacht werden kann (Jöbsis, F. F., Science, Band 198, Seite 1264-1267).

Da die Konzentration dieser Stoffe wichtige Aussagen über die Vitalität der Netzhaut machen kann, wäre deren Messung ein wichtiger diagnostischer Parameter. Benutzung von Infrarotstrahlung der angegebenen Wellenlängen im oben beschriebenen Ophthalmoskop würde verschieden helle Bilder von Gefäßen (Hämoglobin) und Nervenzellen (Cytochrom C Oxidase) liefern. Der Grund ist wiederum, daß ein Teil des detektierten Lichts aus Strahlungsreflektion von hinter den Nervenzellen liegenden Strukturen stammt und beim Durchtritt durch Gefäße und Nervenzellen verschieden stark absorbiert wird, je nach derem metabolischen Zustand.

Eine weitere Verbesserung der Abbildungsqualität für im Gewebe liegende Zellen läßt sich mit dem Prinzip der konfokalen Mikroskopie erreichen. Ein konfokales Mikroskop kann auch im DIK-Modus und mit Infrarotstrahlung betrieben werden. Der konfokale Mikroskopteil könnte somit dem Auflichtmikroskop vorgeschaltet werden. Dies würde es auch erlauben als weiteres kontrastgebendes Verfahren Differentiellen Phasenkontrast zu verwenden.

Das Prinzip des Gerätes ist natürlich nicht auf die Augenheilkunde beschränkt, sondern läßt sich ganz allgemein anwenden, um Zellen in dicken opaken Strukturen sichtbar zu machen. So kann es in der Physiologie verwandt werden, um Zellen in der intakten Hirnrinde von Tieren zu beobachten und in der Inneren Medizin, um über einen endoskopischen Vorsatz die Zellstruktur von verdächtigem Gewebe zu untersuchen, ohne dieses entnehmen zu müssen.

Claims (3)

1. Optisches System zur Abbildung von Nervenzellen in der Augennetzhaut des Menschen, dadurch gekennzeichnet, daß dieses als Auflichtmikroskop mit Infrarotstrahlung arbeitet und die ungefärbten Zellen als Phasenobjekte durch interferenz- oder polarisationsmikroskopische Verfahren sichtbar macht.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikroskop ein konfokales Mikroskop benutzt wird.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlung verschiedener Wellenlängen benutzt wird, um für diese Wellenlängen spezifische Absorptions- oder Reflektionseigenschaften von Netzhautstrukturen zu deren selektiven Darstellung zu nutzen.