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Zusammenfassung Hintergrund Zur quantitativen und qualitativen Bewertung der Abbildungseigenschaften von IOLs können mittels einer optischen Bank axiale Querschnittsbilder aus der 3-dimensionalen Lichtverteilung erstellt werden, wie sie von Lichtblattaufnahmen in Fluoresceinbädern bekannt sind. In dieser Arbeit wird ein neuer Bildverarbeitungsalgorithmus zur Verbesserung der Qualität solcher generierten axialen Querschnittsbilder vorgestellt und beide Methoden werden miteinander verglichen. Material und Methoden Die 3-dimensionale Punktspreizfunktion einer diffraktiven trifokalen IOL (AT LISA tri 839MP, Carl Zeiss Meditec AG, Jena, Deutschland) wurde an einer in Rostock entwickelten optischen Bank für unterschiedliche Pupillendurchmesser aufgenommen. Anschließend wurde ein speziell angepasster Bildverarbeitungsalgorithmus auf die Messungen angewandt, der die Generierung von Durchfokuskurven erlaubt. Zusätzlich wurden Querschnittsbilder der untersuchten IOL unter Verwendung der Lichtblattmethode in einem Fluoresceinbad aufgenommen. Ergebnisse Die Studie zeigt deutlich die Überlegenheit der neu entwickelten Methode in Bezug auf die Bildqualität gegenüber der Lichtblattmethode. Neben den einzelnen Fokuspunkten können in den Querschnittsbildern der neuen Methode sowohl feine Fokusstrukturen als auch Halos sichtbar gemacht werden. In den generierten Durchfokuskurven lassen sich 3 Intensitätsspitzen erkennen, die den Nah-, Intermediär- und Fernfokus der getesteten MIOL darstellen und mittels Lichtblattmethoden nicht darstellbar sind. Schlussfolgerung Das Zusammenspiel der optischen Bank mit dem entwickelten Bildverarbeitungsalgorithmus ermöglicht ein detaillierteres Verständnis der Bildentstehung und Falschlichterscheinungen von IOLs, was mit der bisherigen Lichtblattmethode aufgrund technischer Beschränkungen nur begrenzt möglich war. Darüber hinaus lassen sich weitere Größen wie z. B. die Durchfokuskurve quantitativ ableiten.

Confocal in vivo microscopy is an established method in ophthalmology research. As it requires contact coupling and calibration of the instruments is suboptimal, this method has been only rarely used in clinical routine work. As a result of close collaboration between physicists, information scientists and ophthalmologists, confocal laser scanning microscopy (CLSM) of the eye has been developed in recent years and a prototype can now be used in patients. The present study evaluates possible clinical uses of this method.The essential innovations in CLSM are (1) a newly designed coupling element with superficial adaptation to corneal curvature and (2) the use of a dual computerised piezo drive for rapid and precise focusing. In post-processing and after elastic imaging registration of the individual images parallel to the surface, it is also possible to produce sagittal sections resembling a split lamp and with resolution in the micrometer range. The concept was tested on enucleated pig bulbi and tested on normal volunteers and selected patients with diseases of the cornea.Simultaneous imaging in planes parallel to the surface and in sagittal planes provided additional information that can help us to understand the processes of wound healing in all substructures of the cornea and the role of immune competent cells. Possible clinical uses were demonstrated in a volunteer with healthy eyes and several groups of patients (keratoconus after CXL, recurrent keratitis, status after PRK). These show that this new approach can be used in morphological studies at cellular level in any desired and appropriate test plane.It could be shown that this new concept of CLSM can be used clinically. It can provide valuable and novel information to both preclinical researchers and to ophthalmologists interested in corneal disease, e.g. density of Langerhans cells and epithelial stratification in ocular surface diseases.Die konfokale In-vivo-Mikroskopie hat sich in der Augenheilkunde als Forschungsmethode etabliert. Wegen der Notwendigkeit einer Kontaktankopplung bei suboptimalen Justierungshilfen der Geräte wird die Methode bisher wenig im klinischen Routinebetrieb eingesetzt. Die konfokale Laserscanning-Mikroskopie (CLSM) des Auges konnte in den letzten Jahren durch die enge Zusammenarbeit von Physikern, Informatikern und Augenärzten weiterentwickelt werden und steht nun als ein am Patienten einsetzbarer Prototyp zur Verfügung. Im Rahmen dieser Studie wurden die Möglichkeiten der Methode im klinischen Einsatz evaluiert.Wesentliche Neuerungen der CLSM stellen (1) ein neugestaltetes Koppelelement mit einer der Hornhautkrümmung angepassten Oberfläche und (2) der Einsatz eines dualen computergestützen Piezoantriebs für eine schnelle präzise Fokusführung dar. Im Postprocessing und nach einer elastischen Bildregistrierung der oberflächenparallelen Einzelbilder gelingt es auch, sagittale, spaltlampenähnliche Schnitte mit einer Auflösung im Mikrometerbereich zu erzeugen. Die an enukleierten Schweinebulbi erprobte Konzeption wird bei Normalprobanden und ausgewählten Patienten mit Hornhauterkrankungen eingesetzt.Durch die simultane Darstellung von oberflächenparallelen und sagittalen Untersuchungsebenen können Zusatzinformationen zum Verständnis von Wundheilungsvorgängen aller Hornhautsubstrukturen und die Rolle von immunkompetenten Zellen zur Verfügung gestellt werden. Die klinischen Einsatzmöglichkeiten werden an einem Augengesunden und mehreren Beispielen (Keratokonus nach CXL, rezidivierende Keratitis, Zustand nach PRK) demonstriert. Diese zeigen, dass die morphologische Untersuchung der Hornhaut mit dem neuen Ansatz in jeder gewünschten und der Fragestellung angepassten Untersuchungsebene bei zellulärer Auflösung möglich ist.Es konnte gezeigt werden, dass die neue Konzeption der CLSM klinisch einsetzbar ist und sowohl den tierexperimentell arbeitenden Forschenden als auch dem an Hornhauterkrankungen interessierten Augenarzt bisher nicht verfügbare Informationen, wie z. B. die Langerhans-Zelldichte und die Epithelschichtung bei Oberflächenerkrankungen des Auges, zur Verfügung stellen kann.

The purpose of the present proof-of-concept study was to use large-areaThree healthy individuals were examined roughly weekly over a total period of six weeks by large-areaTotal investigation times of 10 minutes maximum per participant were used to generate mosaic images with an average size of 3.61 mmThe results of this proof-of-concept study have demonstrated the feasibility of using

The morphometric assessment of the corneal subbasal nerve plexus (SNP) by confocal microscopy holds great potential as a sensitive biomarker for various ocular and systemic conditions and diseases. Automated wide-field montages (or large-area mosaic images) of the SNP provide an opportunity to overcome the limited field of view of the available imaging systems without the need for manual, subjective image selection for morphometric characterization. However, current wide-field montaging solutions usually calculate the mosaic image after the examination session, without a reliable means for the clinician to predict or estimate the resulting mosaic image quality during the examination. This contribution describes a novel approach for a real-time creation and visualization of a mosaic image of the SNP that facilitates an informed evaluation of the quality of the acquired image data immediately at the time of recording. In cases of insufficient data quality, the examination can be aborted and repeated immediately, while the patient is still at the microscope. Online mosaicking also offers the chance to identify an overlap of the imaged tissue region with previous SNP mosaic images, which can be particularly advantageous for follow-up examinations.

ZusammenfassungDer Einsatz von Tiefen Neuronalen Netzen (Deep Learning) eröffnet neue Möglichkeiten in der digitalen Bildverarbeitung. Auch für die Auswertung von Bilddaten in der Ophthalmologie wird diese Methode erfolgreich eingesetzt und findet weite Verbreitung. In diesem Artikel wird die methodische Vorgehensweise beim Deep Learning betrachtet und der klassischen Vorgehensweise für die Entwicklung von Methoden für die digitale Bildverarbeitung gegenübergestellt. Dabei wird auf Unterschiede eingegangen und die wichtiger werdende Rolle von Trainingsdaten für die Modellbildung erklärt. Weiterhin wird die Vorgehensweise des Transfer-Lernens (Transfer Learning) für Deep Learning am Beispiel eines Datensatzes aus der kornealen Konfokalmikroskopie vorgestellt. Dabei wird auf die Vorteile der Methode und auf Besonderheiten beim Umgang mit medizinischen Mikroskopdaten eingegangen.

For corneal confocal microscopy (CCM) we use the Heidelberg Retina Tomograph (HRT) and the Rostock Cornea Module (RCM; both Heidelberg Engineering GmbH, Heidelberg, Germany). A modification of the HRT software enables the recording of focal image stacks by continually oscillating the focus depth within up to 80 μm. To align the CCM images for volume reconstruction we developed special purpose image registration algorithms, which also correct the motion induced distortions in the CCM images.

Cross-sectional images of three-dimensional point spread functions of intraocular lenses are used to study their image formation. To obtain those, light sheet-based methods are established. Due to the non-negligible thicknesses of the light sheets, the image quality of the cross-sectional images is constrained. To overcome this hurdle, we present a dedicated evaluation algorithm to increase image quality in the post-processing step. Additionally, we compare the developed- with the light sheet method based on our own investigations of a multifocal diffractive intraocular lens conducted in an in-house designed optical bench. The comparative study showed the clear superiority of the newly developed method in terms of image quality, fine structure visibility, and signal-to-noise ratio compared to the light sheet based method. However, since the algorithm assumes a rotationally symmetrical point spread function, it is only suitable for all rotationally symmetrical lenses.

ZusammenfassungDie Entwicklung neuer optischer Designs für Intraokularlinsen (IOL) ist eine große Herausforderung für die Linsenhersteller, da die postoperative Patientenzufriedenheit mit neuen Konzepten a priori schwer abzuschätzen ist. Bislang werden dazu invasive klinische Untersuchungen durchgeführt. Im Gegensatz dazu erlaubt die simulierte Implantation von IOLs eine risikofreie Bestimmung der erreichbaren Sehleistungen und eine subjektive Bewertung des Seheindrucks neuer optischer Konzepte. Für die Intraokularlinsenhersteller schafft dies die Möglichkeit, während der Entwicklung und Optimierung von neuartigen Linsendesigns einerseits die subjektive Wahrnehmung von Probanden zu berücksichtigen und andererseits schon vor der ersten Implantation vergleichende Leistungsuntersuchungen mit bekannten Produkten durchzuführen. Mittels simulierter Implantation können subjektiv optimierte IOLs zu einer besseren postoperativen Sehqualität für die Patienten führen und das Risiko einer kostenintensiven Entwicklung von Produkten mit klinisch nicht akzeptablen visuellen Wahrnehmungsleistungen, beispielsweise durch optische Nebeneffekte, minimieren. Die Anwendung der simulierten Implantation während der präoperativen Patientenkonsultation kann die Ermittlung der subjektiven Sehpräferenzen der Patienten und eine darauf zielgerichtete IOL-Auswahlempfehlung ermöglichen. Neben der verbesserten Auswahlmöglichkeit aus einem bestehenden IOL-Portfolio könnten IOL-Hersteller auch individualisierte, multifokale IOLs anbieten, die dem zuvor erhobenen Präferenzmuster der Patienten entsprechen. Dieser Artikel erläutert die technischen Hintergründe und Anwendungsszenarien der simulierten Implantation und stellt aktuelle Verfahren und Geräte vor.

ZusammenfassungDer intraokulare Druck (IOP) wird als wichtigster modifizierbarer Risikofaktor für eine Glaukomerkrankung angesehen. Die IOP-Bestimmung durch eine Applanationstonometrie wird aufgrund der individuellen Variation der zentralen Hornhautdicke (CCT) mittels entsprechender Korrekturtabellen korrigiert. Dagegen werden andere Fehler, beispielsweise hervorgerufen durch altersabhängige Veränderung des Elastizitätsmoduls (EM) der Kornea, ignoriert. Ausgehend von Formeln der experimentellen Physik wird im Rahmen dieser Arbeit ein numerisches analytisches Modell entwickelt, welches die Wirkung bekannter Einflussgrößen auf die IOP-Bestimmung insbesondere unter Einbeziehung der elastischen Eigenschaften berücksichtigt. Dabei werden die für die Modellentwicklung notwendigen erforderlichen Annahmen eingeführt und begründet sowie die für eine korrekte IOP-Bestimmung notwendigen Korrekturwerte berechnet. Unsere Korrekturwerte stimmen für CCT-Werte bis 650 µm und einem mittleren kornealen Elastizitätsmodul von 0,29 MPa gut mit der Dresdner Tabelle überein. Eine Variation des EM von 0,2 – 0,5 MPa, was einem EM vom Kindesalter bis zum Alter von 90 Jahren entspricht, verursacht eine Abweichung des IOP von bis zu 10 mmHg. Eine Variation des Krümmungsradius der Hornhaut von 7,4 – 8,0 mm entspricht dagegen einer IOP-Änderung von nur 3 mmHg und kann vernachlässigt werden. Das entwickelte Modell zeigt, dass etablierte Korrekturformeln für eine zuverlässige Bestimmung des IOP unzureichend sein können. In vielen Fällen ist die gängige Praxis der IOP-Bestimmung zuverlässig, aber die durch CCT und EM möglicherweise induzierten Messunsicherheiten liegen etwa im gleichen Größenbereich. Den IOP durch Applanationsmethoden unter Nutzung von etablierten Korrekturformeln zu bestimmen, sollte daher nicht überbewertet werden, ohne den EM der Kornea zu berücksichtigen.

Der subbasale Nervenplexus (SNP) der Kornea bietet die Moglichkeit, periphere Nervenstrukturen nichtinvasiv in vivo mithilfe der Konfokalmikroskopie (CCM) zu untersuchen. Morphologische Veranderungen des SNP konnen so unmittelbar detektiert und quantitativ charakterisiert werden. Aufgrund der inhomogenen Verteilung der Nervenfasern reicht eine einzelne CCM-Aufnahme fur eine valide Diagnose nicht aus. Gesucht werden daher Verfahren zur grosflachigen Erfassung des SNP. Dieser Beitrag gibt einen Uberblick uber publizierte Ansatze zur Losung dieses Problems. Aktuelle Entwicklungsarbeiten am Karlsruher Institut fur Technologie und der Universitatsaugenklinik in Rostock lassen zukunftig eine vereinfachte Handhabung der Technologie und eine weitere Verbesserung der Bildqualitat erwarten.

The capability of corneal confocal microscopy (CCM) to acquire high-resolution in vivo images of the densely innervated human cornea has gained considerable interest in using this non-invasive technique as an objective diagnostic tool for staging peripheral neuropathies. Morphological alterations of the corneal subbasal nerve plexus (SNP) assessed by CCM have been shown to correlate well with the progression of neuropathic diseases and even predict future-incident neuropathy. Since the field of view of single CCM images is insufficient for reliable characterisation of nerve morphology, several image mosaicking techniques have been developed to facilitate the assessment of the SNP in large-area visualisations. Due to the limited depth of field of confocal microscopy, these approaches are highly sensitive to small deviations of the focus plane from the SNP layer. Our contribution proposes a new automated solution, combining guided eye movements for rapid expansion of the acquired SNP area and axial focus plane oscillations to guarantee complete imaging of the SNP. We present results of a feasibility study using the proposed setup to evaluate different oscillation settings. By comparing different image selection approaches, we show that automatic tissue classification algorithms are essential to create high-quality mosaic images from the acquired 3D datasets.

Electroless plating of metal films on polymer substrates usually requires the presence of metal particles acting as catalytically active nuclei for the deposition reaction. Herein, we present a novel and versatile approach towards the activation of polycarbonate substrates with metal nanoparticles. It is based on the diffusion of dimethylaminoborane into the polymer matrix, followed by reaction of the sensitized substrates with metal salt solutions. The reducing agent uptake was controlled by changing the duration of the sensitization and the dimethylaminoborane concentration in the sensitization solution. Different seed types (Ag, Au, Pd, Pt and Rh) were deposited by variation of the activation solution. The proposed mechanism was confirmed with FTIR and TEM measurements. In addition, AFM revealed that apart from a slight roughening in the nanometer range, the surface morphology of the polymer remained unchanged, rendering the method viable for template-based nanomaterial fabrication. Due to its pronounced variability, the new technique allows to tailor the activity of polymer substrates for consecutive electroless plating. The feasibility and nanoscale homogeneity of the process were proven by the electroless fabrication of well-defined Au and Pt nanotubes in ion-track etched polycarbonate templates. The combination of features (use of simple and easily scalable wet-chemical processes, facile seed variation, high activation quality on complex surfaces) renders the outlined technique promising for the fabrication of intricate nanomaterials as well as for the metallization of macroscopic work pieces.