1 Universitäts-augenklinik Universität Rostock 2 Institut für Physik
Universität Rostock
Abbildung 1
n Schematische Darstellung der Brillouin-Streu-ung. νL – Laser-Frequenz; νB – Brillouin-Frequenz;
∆νB – Brillouin-Frequenz versatz; n – Brechungsin-dex des Materials; θ – Streuwinkel.
Abbildung 2
n (a) Typisches CCD-Bild eines Brillouin-Spektrums von Wasser. (b) Brillouin-Spekt-rum basierend auf Messdaten von Wasser. Die Intensität I wurde auf Eins normiert.
Die Frequenzverschiebung des Stokes- und des Anti-Stokes Brillouin- Signals vom zentralen Rayleigh-Signal beträgt je 4,96 GHz.
Hier beschreibt c die Lichtgeschwindigkeit, n den Brechungsindex, ρ die Dichte und θ den Streu-winkel.
Zur Bestimmung des Frequenzversatzes ist ein spektroskopisch hochauflösender experimentel-ler Aufbau notwendig, der eine spektrale Auflö-sung von ca. 3 GHz erreichen muss (Abbildung 3).
Derartige Spektrometer sind nicht Standard, sondern mussten speziell für diese Applikation entwickelt werden [1].
Bei der in Rostock entwickelten Methode wird Laserlicht mit einer Wellenlänge von λ = 780 nm verwendet und beispielsweise in die zu
unter-suchende Augenlinse fokussiert (OL). Das dort gestreute Licht wird konfokal in Rückstreuung abgebildet (L1, LB, L2). So wird die notwendige axiale Auflösung erzielt. Anschließend wird das Streulicht spektral in einem sogenannten Virtually Imaged Phased Array (VIPA1) zerlegt. Im gezeig-ten Aufbau werden zwei dieser sogenanngezeig-ten Vielstrahlinterferometer verwendet, um die spek-trale Auflösung weiter zu verbessern [2]. Ein s pezieller hochempfindlicher Detektor ermöglicht Messzeiten von ca. 0,3 s pro Messpunkt.
Ein derartiger Aufbau wurde an der Universität Rostock im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Institut für Physik und der
Universitäts-Abbildung 3
n Schematische Darstel-lung des experimentellen Aufbaus.
S1: Spiegel; OL: Objektiv-linse; L1: Abbildungs Objektiv-linse;
LB: Lochblende; L2: Linse;
S2: Spiegel; L3: positive Zylinderlinse; VIPA1:
dispersives Element;
L4: Abbildungslinse;
S3: Spiegel; L5: negative Zylinderlinse; VIPA2:
dispersives Element;
L6: Abbildungslinse;
EMCCD: Detektor.
augenklinik realisiert [1, 2, 3]. Mit diesem Aufbau können sowohl ex vivo als auch in vivo Messun-gen durchgeführt werden. Abbildung 4 zeigt beispielsweise das gemessene axiale Profil eines in vivo untersuchten Kaninchenauges, beginnend von der Hornhaut bis zum Glaskörper [4]. Die Ele mente des vorderen Augenabschnittes sind deutlich durch die Höhe des gemessenen Bril-louin-Frequenzversatzes unterscheidbar. Das Kam-merwasser besitzt einen konstanten Brillouin-Fre-quenzversatz von ca. 5,04 GHz. Innerhalb der Linse nimmt der Brillouin-Frequenzversatz von 5,30 GHz auf 7,00 GHz zu, um zum Glaskörper hin wieder abzunehmen.
Um die Volumenelastiziät aus dem gemessenen Brillouin-Frequenzversatz zu berechnen müssen
nach Gleichung (1) zusätzlich der Brechungsindex und die Dichte am Messort bekannt sein. Auf der Basis von Eichmessungen konnte ein Zusammen-hang zwischen Brillouin-Frequenzversatz und Bre-chungsindex abgeleitet werden [4] (Abbildung 5).
Diese Beziehung wurde auf die gemessenen Bril-louin-Frequenzversätze angewandt. So ist es möglich, die Brechungsindexverteilung im unter-suchten Medium zu bestimmen. Für das Beispiel der in vivo Messungen am Kaninchen ergibt sich für den Bereich des Kammerwassers ein Bre-chungsindex von 1,336. Dieses Ergebnis ent-spricht sehr gut den Literaturangaben [5, 6], welche mit 1,337 und 1,335 angegeben werden.
Auch Messungen mittels Abbe-Refraktometer am punktierten Kammerwasser des Kaninchenauges ergaben mit n = 1,336 exakte Übereinstimmun-gen. Ein Vergleich der so bestimmten Refraktions-indices des Linsenbereiches mit der Literatur, führte ebenfalls zu sehr guten Übereinstim-mungen. Für einen Brillouin-Frequenzversatz von 7,00 GHz ergab sich so ein Brechungsindex von 1,472. In der Literatur [5, 6, 7] wird dieser Wert mit n = 1,465 angegeben. Die auftretende Abwei-chung von 0,5 % ist geringer als der Messfehler, welcher 0,8 % beträgt.
Mit Hilfe des Gladstone-Dale Verhältnisses (2) [8, 9] ist es möglich ausgehend vom Brechungsindex auf die Proteinkonzentration zu schließen.
Wiederum für das Beispiel Kaninchen ergibt dies für den Linsenkern eine maximale Protein kon-zentration von 0,77 g/cm3. Dieses Ergebnis findet eine sehr gute Übereinstimmung mit den Daten Abbildung 4
n Abhängigkeit des Brillouin-Frequenzversatzes
∆νB vom realen Fokusort im vorderen Augenabschnitt eines Kaninchenauges [4].
KW – Kammerwasser;
L – Linse; GK – Glaskörper.
Abbildung 5
n Brillouin-Frequenzversatz
∆νB und Brechungsindex n in Abhängigkeit zur Albumin-Proteinkonzen-tration [4].
von Latina et al. [10], welche für Messungen an einem 50 Wochen altem Kaninchen einen Maxi-malwert von 0,75 g/cm3 angeben.
Aus dem empirisch gefundenen Zusammenhang (3) von Proteninkonzentration und Dichte der von Randall et al. [11] veröffentlicht wurde, ist es möglich die Dichte zu bestimmen.
Hier ergeben sich für das Beispiel Kaninchen Dich-tewerte im Linsenbereich von 1100 kg/m3 für die Linsenrinde und 1270 kg/m3 für den Linsenkern.
Aufgrund des gefundenen Zusammenhanges zwi-schen Brillouin-Frequenzversatz und Brechungs-index (Abbildung 5) ist es letztendlich möglich die Volumenelastizität aus dem gemessenen Brillouin-Frequenzversatz ohne Annahmen für Brechungindex und Dichte zu berechnen. Die Verteilung der Volumenelastizität durch den vor-deren Augenabschnitt ist in Abbildung 6 darge-stellt [4].
Die Brillouin-Spektroskopie ermöglicht die nicht-invasive Bestimmung unterschiedlichster biophy-sikalischer Parameter, wie Brechungsindex, Dich-te, Poteinkonzentration und Volumenelastizität, die mit anderen Methoden nicht oder nur sehr schwer zugänglich sind (Abbildung 7). Für eine Translation der Technologie vom Experiment in die klinische Anwendung sind noch eine Reihe von Herausforderungen, wie beispielweise eine Minia-turisierung des Aufbaus, zu bewältigen. Bereits jetzt zeichnet sich jedoch ein sehr breites Anwen-dungsspektrum der Methode für die nichtinvasive Diagnostik von gewebespezifischen biomechani-schen Eigenschaften am Auge ab. Hier sind vor allem Erkrankungen der Hornhaut zu nennen. Eine
weitere potentielle Anwendung ist auch im Real-time-Monitoring der Quervernetzung der Horn-haut zu sehen.
Abbildung 6 n Abhängigkeit des Kompressionsmodul K vom realen Fokusort eines Kaninchenauges [4].
KW – Kammerwasser;
L – Linse; GK – Glaskörper.
Abbildung 7
n Parameter, die mit der Brillouin-Spektroskopie gemessen werden können.
(3)
l i t e r at u r
1. Reiß, s., BuRau, g., stachs, O., guthOff, R., stOlZ, h., spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens, Biomedical Optics express 2011; 2: 2144 – 2159.
2. Reiß, s., speRlich, K., hOVaKimYaN, m., maRtius, p., guthOff, R., stOlZ, h., stachs, O., ex Vivo measure-ment of postmortem tissue changes in the crystalline lens by Brillouin spectroscopy and confocal Reflectance microscopy, ieee transactions on bio-medical enginee-ring 2012; 59: 2348 – 2354.
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Dr. rer. nat. Stephan Reiß, Jahrgang 1966, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Physik und der Universitätsaugenklinik der Universität Rostock. An der Fachhochschule
Jena studierte er Augenoptik und beendete dieses Studium 2004 mit dem Abschluss Dipl.-Ing. (FH). 2007 erhielt er nach einem Master-studium im Studiengang Laser- und Optotech-nologien den Abschluss Master of Engineering.
Im Februar 2013 promovierte Herr Stephan Reiß erfolgreich an der Universität Rostock in der Fachrichtung Experimentalphysik. Er ist Mitglied der Deutschen Physikalischen Gesell-schaft sowie der Optometrie/ Vision Science der Fachhochschule Jena.
Der wissenschaftliche Fokus liegt auf dem Ge-biet der ophthalmologischen Spektroskopie.
Dr. rer. nat. Stephan Reiß Universitätsaugenklinik Universität Rostock Doberaner Straße 140 18057 Rostock
E-Mail: stephan.reiss@uni-rostock.de
K O n ta K t
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