Perfektes Sehen für jedermann

"Würde mir jemand ein optisches Gerät mit solchen Fehlern anbieten, würde ich es in aller Deutlichkeit zurückweisen." So beurteilte der berühmte Physiker Hermann von Helmholtz die Qualität des menschlichen Auges. Josef Bille vom Kirchoff-Institut für Physik erläutert, wie es möglich werden könnte, die Schwächen des menschlichen Auges zu überwinden. Eine 200-prozentige Sehkraft ist das ehrgeizige Ziel der Heidelberger Wissenschaftler. Ein neues Mess-System und ultrakurze Laserstrahlen sollen das "perfekte Sehen für jedermann" bald Realität werden lassen.

Etwa jeder zweite Mensch ist auf Grund von Fehlsichtigkeiten in seiner optischen Wahrnehmung beeinträchtigt. Weit verbreitet ist beispielsweise die Kurzsichtigkeit (Myopie). Weil der Augapfel zu lang ist, wird ein betrachteter Gegenstand nicht auf, sondern vor der Netzhaut abgebildet. Die Folge: Der Betroffene nimmt die Ferne unscharf wahr. Diese einfachen Fehlsichtigkeiten des menschlichen Auges werden heute noch überwiegend mit Hilfe der im Jahr 1750 erfundenen Brille oder mit Kontaktlinsen korrigiert. In jüngster Zeit erfährt jedoch auch eine chi-rurgische Methode, die so genannte refraktive Hornhaut-Chirurgie mit Excimer-UV-Lasern, wachsende Verbreitung. Dabei wird mit Hilfe eines Laserstrahls direkt von der Hornhaut-Oberfläche Gewebe abgetragen (Laser Assisted In Situ Keratomileusis = Lasik). Ob Brille, Kontaktlinse oder Hornhaut-Chirurgie: Alle Korrekturen der Fehlsichtigkeit beschränken sich auf die Kurz- und Weitsichtigkeit sowie den Astigmatismus (eine krankhafte Veränderung der Hornhautkrümmung).

Unser Sehen – und damit die Fehlsichtigkeit – ist aber weitaus komplexer. Denn wie jedes optische Abbildungssystem weist auch unser Auge Refraktionsfehler (Aberrationen) höherer Ordnung auf. Als Refraktion bezeichnet man den in Dioptrien gemessenen Brechungswert der Augenlinse, der sich aus dem Abstand zwischen vorderem Hauptpunkt und Fernpunkt des Auges ergibt. Bei einer optischen Abbildung wird eine ideal ebene "Wellenfront" durch ein reales optisches System – das menschliche Auge – sehr komplex verzerrt. Einfache Fehler wie Kurz- oder Weitsichtigkeit haben eine einfache, schüsselförmige symmetrische Verzerrung zur Folge. Aberrationen höherer Ordnung erzeugen dagegen komplexe, unsymmetrische Verzerrungen der ursprünglich ebenen Wellenfront. Diese Verzerrungen sind einzigartig für das Auge des jeweiligen Patienten. Die Verzerrungen führen zu einer unscharfen optischen Abbildung der betrachteten Bilder.

Diese Störungen machen sich umso deutlicher bemerkbar, je mehr das optische System ausgeleuchtet wird. Bei hellem Tageslicht ist unsere Pupille klein, und das Licht fällt hauptsächlich entlang der optischen Achse in das Auge. Bei diesem zentralen Durchgang sind höhere Refraktionsfehler schwächer ausgeprägt. Bei schlechten Lichtverhältnissen, etwa in der Dämmerung, weitet sich die Pupille. Dann führen höhere Refraktionsfehler zu sehr starken Beeinträchtigungen, weil das Licht jetzt auch durch abseits der optischen Achse liegende Randbereiche in das Auge gelangt. Die dabei auftretenden Störungen führen dazu, dass die Sehschärfe selbst bei normal sehenden Patienten (Visus 1,0 beziehungsweise 20/20) stark beeinträchtigt ist, sobald sich die Lichtverhältnisse verschlechtern.

Diese komplexen Refraktionsfehler des Auges konnten bislang weder gemessen noch korrigiert werden. Doch nicht nur solch komplexe Fehler, selbst die Erfassung der "klassischen" Fehlsichtigkeiten hat noch immer subjektiven Charakter. Üblicherweise wird die Fehlsichtigkeit des Patienten zuerst mit einem so genannten Autorefraktor grob klassifiziert (Defokus, Astigmatismus). Dazu ist die Kooperation des Patienten nötig, der ein Ziel fixieren muss. Ist die grobe Einstufung erfolgt, wird in einem subjektiven Verfahren die Dioptrien-Zahl und der vorliegende Astigmatismus für den Patienten ermittelt, indem der Augenarzt dem Patienten die entsprechenden Korrektionsgläser vorhält.

Ziel unserer Arbeitsgruppe am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg ist die minimal-invasive, bildgesteuerte Laserchirurgie. Grundlage der technischen Innovation sind neu entwickelte medizinische Ultrakurzpuls-Laser, so genannte Femtosekunden-Laser. Die Pulslängen, die der Femtosekunden-Laser erzielt, sind etwa einhunderttausend Mal kürzer als die der Excimer-Laser, die heute in der refraktiven Chirurgie (der laserchirurgischen Behandlung von Fehlsichtigkeiten) eingesetzt werden. Mit den neuen Ultrakurzpuls-Lasern ist es möglich, Gewebe "kalt" abzutragen, das heißt, ohne thermische Belastung angrenzenden Gewebes. Eine weitere Voraussetzung sind hochpräzise Messtechniken, beispielsweise die Wellenfront-Messtechnik und die adaptive Optik. Schlüsselelemente der adaptiven Optik sind mikromechanische Spiegel. Sie bestehen aus bis zu 100 000 Mikrospiegeln, deren Durchmesser nicht größer ist als der eines menschlichen Haares.

Zur Zeit am weitesten fortgeschritten ist die Anwendung dieser Technik in der Augenheilkunde, insbesondere in der refraktiven Hornhaut-Chirurgie. Unserer Arbeitsgruppe ist es gelungen, für diesen Bereich ein neuartiges Verfahren zu entwickeln, mit dem die optische Qualität des menschlichen Auges verbessert und ein "perfektes Sehen für jedermann" erzielt werden kann. Schon vor 150 Jahren bemängelte der Naturwissenschaftler Hermann von Helmholtz (1824 bis 1891) die optische Qualität des menschlichen Auges: "Wollte mir jemand ein optisches Gerät mit solchen Fehlern anbieten, würde ich es in aller Deutlichkeit zurückweisen." Tatsächlich ist das Auflösungsvermögen der Netzhaut für kleinste, kontrastschwache Hell-Dunkel-Strukturen im Mittel etwa doppelt so gut wie das Auflösungsvermögen der optischen Medien des Auges (beispielsweise Hornhaut und Augenlinse). Bemerkbar macht sich das vor allen Dingen in der Dämmerung und in der Dunkelheit.

In Heidelberg wurde auf Basis der Wellenfront-Messtechnik ein augenoptisches Instrument entwickelt, mit dem "Landkarten" der Sehschärfe des menschlichen Auges vermessen werden können. Die ermittelten optischen Unregelmäßigkeiten können mit Hilfe des Femtosekunden-Lasers durch die Mikroverdampfung von Hornhautgewebe präzise kompensiert werden. Der Eingriff dauert weniger als eine Minute und ist für den Patienten schmerzfrei und schonend.

Zur Umsetzung der technischen Innovation entstand Anfang 1999 die Firma "20/10 Perfect Vision GmbH, Heidelberg". Das Unternehmen hat das Wellenfront-Diagnostikgerät im Oktober als Weltneuheit auf der Jahrestagung der "American Academy of Ophthalmology" in Orlando, Florida, vorgestellt. Erste klinische Versuche mit der Laserkorrektur zur Erzielung "Perfekten Sehens" sind für den Anfang des Jahres 2000 geplant.

Die neue Wellenfront-Messtechnik macht es möglich, selbst kleine Abbildungsfehler des Auges höherer Ordnung mit Hilfe einer objektiven und quantitativen Prozedur zu messen. Anschließend erfolgt ein Ausgleich der ermittelten Refraktionsfehler mit neuen Techniken, zum Beispiel der Anpassung patientenspezifischer Kontaktlinsen oder der minimal invasiven Refraktionskorrektur mit Hilfe des Ultrakurzpuls-Lasers.

Die Abbildungen auf Seite 12 zeigen eine Übersicht des Mess- und Korrekturprozesses. Im oberen Teil ist die prinzipielle Wirkung eines optischen Systems auf die Übertragung eines Bildes dargestellt. Aufgrund der Abbildungsfehler ergibt sich eine komplex verzerrte Abbildung ("Wellenfront"). Die sphärischen Abbildungsfehler (Kurzsichtigkeits-, Weitsichtigkeitskorrektur) und der zylindrische Abbildungsfehler (Zylinder, Achse des Zylinders; Astigmatismus-Korrektur) werden mit Hilfe von Brillen, Kontaktlinsen oder einer laserrefraktiven Korrektur ausgeglichen. Tatsächlich handelt es sich jedoch nicht um einfache, sondern komplexe Abbildungsfehler, die bisher unter dem Begriff "irregulärer Astigmatismus" zusammengefasst wurden und als nicht korrigierbar gelten.

Der rechte Teil der oberen Abbildung zeigt das Ergebnis der Wellenfront-Messung. Die Wellenfront-Messtechnik macht es möglich, die Sehschärfen-Landkarte ("Acuity Map") der komplexen Abbildungsfehler des menschlichen Auges auszumessen. Die in grüner Farbe dargestellten Bereiche entsprechen dem "idealen" Auge, in blauer beziehungsweise roter Farbe sind örtliche Abweichungen vom idealen Auge gekennzeichnet. Die Unregelmäßigkeiten, die im normalen Auge auftreten, entsprechen lokalen optischen Dicke-Unterschieden innerhalb der verschiedenen Abschnitte des Auges im Bereich von tausendstel Millimetern.

Der rechte Teil der Abbildung auf Seite 12 veranschaulicht die Kompensation der komplexen Abbildungsfehler des menschlichen Auges durch chirurgische Veränderungen der Hornhaut. Ein präzise arbeitender infraroter Femtosekunden-Laser gleicht die lokalen optischen Dicke-Unterschiede im Innern der Hornhaut durch die Mikroverdampfungen von Gewebe aus. Das Resultat der Prozedur: eine ideale Abbildung auf der Netzhaut des menschlichen Auges.

Die Abbildungen auf Seite 14 zeigen Sehschärfe-Landkarten für das normale Auge beziehungsweise für ein Auge nach der oberflächlichen Gewebeabtragung mit dem Excimer-Laser. Es handelt sich um die Computerdarstellung der Messergebnisse des Wellenfront-Messgerätes. In der linken unteren Seite ist die gemessene Wellenfront über eine Fünf-Millimeter-Pupille in farbcodierter Darstellung wiedergegeben. Die Farbskala umfasst zum Beispiel in der rechten Abbildung einen Bereich von -2,0 (blau) bis 2,0 Mikrometer (rot). In der Darstellung in der unteren Mitte des Computerbildschirms sind die optischen Aberrationen höherer Ordnung wiedergegeben. Im Beispiel von Abbildung 2 liegt der Messbereich bei -1,0 (blau) bis +1,0 Mikrometer (rot). Im Falle eines optisch perfekten Auges würde sich über die gesamte Pupille von fünf Millimetern Durchmesser eine einheitliche grüne Färbung ergeben – entsprechend einer mittleren quadratischen Abweichung der Wellenfront von etwa 0,1 Mikrometer über die gesamte Pupille.

Im rechten unteren Teil der Darstellung sind die equivalenten Brechkraftwerte zusammengefasst, zum Beispiel: Sphärischer Fehler
(- 0.6 dpt), Astigmatismus (-0,5 dpt), astigmatische Achse (24°). Es ist zu beachten, dass es sich bei diesen Werten um Mittelwerte über eine fünf Millimeter Pupille handelt; die "klassische" Refraktionsbestimmung erfolgt in der Regel bei kleineren Pupillen. Es zeigt sich, dass die hochaufgelöste Darstellung der "höheren" Aberrationen in den Sehschärfe-Landkarten Anteile von irregulärem Astigmatismus erkennen lässt. Laser-refraktive Kompensationen dieser Aberrationen können aus normalsichtigen Augen "perfekte Augen" machen.

Die Abbildung auf Seite 10 zeigt die Vermessungen des mittleren quadratischen Wellenfront-Fehlers abhängig von der Pupillengröße für die Augen von zwei Versuchspersonen (Probandin JC und Proband FM). Bei der Probandin erhöht sich der mittlere quadratische Wellenfront-Fehler bis zu einer Pupille von sechs Millimetern Durchmesser auf etwa 0,45 Mikrometer. Im Falle des Probanden ergibt sich eine Erhöhung des mittleren quadratischen Wellenfront-Fehlers auf etwa 1,2 Mikrometer bei einer Pupille von sechs Millimetern. In beiden Fällen handelt sich um im Wesentlichen normalsichtige Augen. Es zeigt sich jedoch, dass die Aberrationen höherer Ordnung im peripheren Bereich der Pupille weitgehende Unterschiede aufweisen können.

Am Institut für Angewandte Physik der Universität Heidelberg wurde das Phänomen der so genannten plasma-induzierten Ablation - sie liegt der Gewebeabtragung mit ultrakurzen Laserpulsen zu Grunde - bereits zu einem frühen Zeitpunkt eingehend studiert. Vor allem die theoretische Modellbildung zu experimentell gewonnenen Daten und die Analyse der optimalen Laserparameter für die Abtragung standen dabei im Vordergrund. Ein erstes Modell wurde entwickelt, um die Abhängigkeit des Schwellwertes der Ablation von der Pulsdauer analytisch zu beschreiben. Im Impulsdauer-Regime (über vier Picosekunden) wurde die Wurzelabhängigkeit des Schwellwertes von der Pulsdauer bestätigt; zwischen 100 Femtosekunden und vier Picosekunden wurde eine schwächere Abhängigkeit beobachtet und ebenfalls theoretisch belegt. Mit der technischen Erschließung des unter 100 Femtosekunden liegenden Bereichs bei ausreichend hohen Pulsenenergien wurde schließlich auch dieses Zeitregime für die medizinische Anwendung interessant. Das Modell sagte hier keine weitere Verringerung des Schwellwertes voraus, so dass kürzere Pulse keinen Gewinn für die Applikation erbringen sollten.

Diese Erkenntnisse sind wichtig für die Anwendung in der Laserchirurgie. Die Abbildung auf Seite 11 macht erkenntlich, dass eine Verkürzung der Laserpuls-Dauer von 20 Picosekunden auf 200 Femtosekunden eine Verringerung der Ablationsschwelle um den Faktor fünf bewirkt. Eine weitere zehnfache Verkürzung der Pulsdauer von 200 auf 20 Femtosekunden hat aber nur eine um den Faktor 1,25 niedrigere Schwelle zur Folge. Eine spürbare Reduktion der begleitenden disruptiven Effekte ist somit nur beim Übergang vom Pikosekunden- in das Femtosekunden-Regime gegeben. Für die refraktive Hornhaut-Chirurgie erscheinen demnach Pulsdauern im Bereich von einigen hundert Femtosekunden bis zu etwa einer Pikosekunde sinnvoll.

Das Kirchoff-Institut für Physik in Heidelberg, das "Center for Ultrafast Optical Sciences", Universität von Michigan, und die "IntraLase Inc.", Ann Arbor, können auf eine lange Forschungstätigkeit im Bereich der Anwendung von Femto- und Pikosekunden-Laserpulsen für die refraktive Hornhaut-Chirurgie zurückblicken. In den letzten Jahren wurden von den Kooperationspartnern zahlreiche Techniken zur Veränderung der Refraktion des Auges mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse entwickelt und in Tierversuchen sowie in klinischen Studien mit blinden und sehenden Patienten getestet. Die klinischen Studien zeigen erste Erfolge, weisen aber auch auf den Bedarf einer "In-Line-Strahlanalyse" und Strahlkorrektur hin, um feinste Veränderungen bei der refraktiven Hornhaut-Chirurgie zu erreichen. Mit der neuartigen Wellenfront-Autorefraktortechnik können zuerst die Refraktionsfehler des menschlichen Auges "In-Line" mit dem Ablationslaser erfasst werden. Aus diesen Daten, die direkt in die Applikationseinheit eingespeist werden können, kann dann ein entsprechendes Behandlungsnomogramm gebildet werden.

Der Femtosekunden-Laser ist das ideale Instrument, um diese feinen höheren Aberrationen durch ultrapräzise örtliche Abtragungen der Hornhaut zu korrigieren. Das Ziel künftiger Forschungsarbeiten: Es sollen die Voraussetzungen geschaffen werden, um eine hochautomatisierte refraktive Hornhaut-Chirurgie mit dem Femtosekunden-Laser zu erreichen, die es ermöglichen, höhere Refraktionsfehler des menschlichen Auges zu korrigieren.

Die vier Abbildungen auf Seite 16 fassen die Mess- und Korrekturprozesse zur Vermessung, Demonstration und permanenten Erzeugung von perfektem Sehen ("20/10 Perfect Vision") zusammen. In der ersten Abbildung ist die Wellenfrontmessung für den Fall einer großen Pupille dargestellt. Das in einem parallelen Bündel auf das Auge auftreffende Messlicht wird nicht auf der Netzhaut, sondern vor der Netzhaut in einem diffusen Fokalpunkt vereinigt. Die einzelnen von der Netzhaut reflektierten Lichtstrahlen erfahren unterschiedliche Ablenkungen beim Durchgang durch die Augenmedien und werden durch eine Matrix von 256 Mikrolinsen in ein irreguläres Punktmuster abgebildet. Daraus wird die farbcodierte Landkarte der Sehschärfe rekonstruiert. Das beleuchtende Lichtbündel wird vor dem Eintritt in das Auge von einem Multifacetten-Mikrochip-Spiegel reflektiert, bei dem die Einzelfacetten zunächst gleichmäßig ausgelenkt sind.

In der zweiten Abbildung ist die adaptiv-optische Kompensation der Abbildungsfehler des menschlichen Auges dargestellt. Gezeigt wird, wie nach computergesteuerter Auslenkung der Einzelfacetten des Mikrochip-Spiegels die unregelmäßige Brechung der Einzelstrahlen ausgeglichen wird. Damit wird für den Patienten subjektiv perfektes Sehen ermöglicht. Das Punktmuster des Wellenfront-Sensors wird regularisiert und damit eine im Wesentlichen grün-codierte Landkarte der Sehschärfe erzeugt.

Die dritte Darstellung demonstriert die laserrefraktive Kompensation der optischen Aberration des menschlichen Auges durch die Mikroverdampfung von Gewebearealen. Während des laser-refraktiven Korrekturvorgangs wird das Oberflächenmuster des Multifacetten-Mikrochip-Spiegels verwendet, um die Intensität des Femtosekunden-Lasers zu steuern.

Die vierte Teildarstellung zeigt das Ergebnis der laser-refraktiven Korrektur eines menschlichen Auges. Die Einzelstrahlen des beleuchtenden Lichtbündels werden in regulärer Weise zu einem scharfen Fokalpunkt auf der Netzhaut gebündelt. Das aus dem Auge austretende Messlicht wird durch den Wellenfront-Sensor in ein reguläres System von Bildpunkten abgebildet. Dadurch ergeben sich nahezu ideale Muster bezüglich der Oberflächenstruktur des Multi-Facetten-Mikrochip-Spiegels sowie der Landkarte der Sehschärfe, die vom Wellenfront-Sensor erzeugt wird.

Die neuentwickelte, minimal-invasive Laseroperationstechnik lässt sich in Kombination mit endoskopischen Verfahren über die Augenheilkunde hinaus als intelligentes Mikro-Laserskalpell in vielen chirurgischen Disziplinen anwenden. Vorklinische Untersuchungen erfolgen derzeit gemeinsam mit Universitätskliniken in der Neurochirurgie, Orthopädie und Zahnheilkunde.

Autor:
Prof. Dr. Josef Bille
Kirchhoff-Institut für Physik, Albert-Überle-Straße 3, 69120 Heidelberg,
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