Klin Monbl Augenheilkd 2011; 228(12): 1079-1085
DOI: 10.1055/s-0031-1281952
Experimentelle Studie
© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Non-invasive, ortsaufgelöste Bestimmung von Gewebeeigenschaften der Augenlinse hinsichtlich Rheologie, Brechungsindex, Dichte und Proteinkonzentration unter Anwendung der Brillouin-Spektroskopie

Non-Invasive, Spatially Resolved Determination of Tissue Properties of the Crystalline Lens with regard to Rheology, Refractive Index, Density and Protein Concentration by using Brillouin Spectroscopy
S. Reiß
1   Institut für Physik, Universität Rostock
,
O. Stachs
2   Augenklinik, Universität Rostock
,
R. Guthoff
2   Augenklinik, Universität Rostock
,
H. Stolz
1   Institut für Physik, Universität Rostock
› Author Affiliations
Further Information

Publication History

13 July 2011

11 November 2011

Publication Date:
13 December 2011 (online)

Zusammenfassung

Die konfokale Brillouin-Spektroskopie stellt ein Messverfahren dar, mit dessen Hilfe es möglich ist, die rheologischen Eigenschaften von Materialien non-invasiv zu bestimmen. Ihre Anwendung in der Augenheilkunde kann die Möglichkeit bieten, in vivo die Verformungseigenschaften transparenter biologischer Gewebeabschnitte wie Hornhaut oder Augenlinse ortsaufgelöst zu ermitteln. Dies scheint hinsichtlich der aktuellen Presbyopieforschung ein vielversprechender Ansatz. Durch die ortsaufgelöste Erfassung der viskoelastischen Eigenschaften der Augenlinse ist ein besseres Verständnis des natürlichen Alterungsprozesses der Linse sowie der Einflüsse unterschiedlicher Linsentrübungen auf deren Steifigkeit zu erwarten. Aus den gewonnenen spektralen Daten kann zusätzlich auf die relativen Proteinkonzentrationen, den relativen Brechungsindexverlauf sowie den relativen Dichteverlauf innerhalb des Linsengewebes geschlossen werden. Das Prinzip der konfokalen Brillouin-Mikroskopie auf Grundlage der spektralen Auswertung spontaner Brillouin-Streusignale unter Verwendung hochauflösender dispersiver Bauelemente wird vorgestellt. Eigene In-vitro-Messergebnisse an tierischen und menschlichen Linsen werden präsentiert und hinsichtlich ihrer rheologischen Aussagekraft bewertet. Diese Daten werden bekannten Forschungsergebnissen gegenübergestellt.

Abstract

The confocal Brillouin spectroscopy is an innovative measurement method that allows the non-invasive determination of the rheological properties of materials. Its application in ophthalmology can offer the possibility to determine in-vivo the deformation properties of sections of transparent biological tissue such as the cornea or eye lens with spatial resolution. This seems to be a promising approach concerning current presbyopia research. Due to the spatially resolved detection of the viscoelastic lens properties, a better understanding of the natural aging process of the lens and the influences of different lens opacities on the stiffness is expected. From the obtained spectral data the relative protein levels, the relative refractive index profile and the relative density profile within the lens tissue can be derived in addition. A measurement set-up for confocal Brillouin microscopy based on spectral analysis of spontaneous Brillouin scattering signals by using a high-resolution dispersive device is presented. First in-vitro test results on animal and human lenses are presented and evaluated concerning their rheological significance. These data are compared with known research results.

 
  • Literatur

  • 1 Brillouin L. Diffusion de la lumiere et des rayonnes X par un corps transparent homogene influence delàgitation thermique. Ann Phys 1922; 17: 88-122
  • 2 Bailey ST, Twa MD, Gump JC et al. Light scattering study of the normal human eye lens: elastic properties and age dependence. IEEE Transaction on biomedical engineering 2010; 57: 2910-2917
  • 3 Scarcelli G, Yun SH. Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging. Nature Photonics 2007; 2: 39-43
  • 4 Mezger T. Das Rheologie-Handbuch. Hannover: Vincentz 2000
  • 5 Young T. On the mechanism of the eye. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 1801; 91: 23-88
  • 6 Urs R. Investigation of accommodation and presbyopia using ultrasound imaging during ex vivo simulated accommodation [Dissertation]. Coral Gables, Florida: University of Miami; 2010 http://scholarlyrepository.miami.edu/oa_dissertatinons/360
  • 7 Barer R, Joseph S. Refractometry of living cells. Quarterly Journal Microscopy in Science 1954; 95: 399-423
  • 8 Pierscionek B, Smith G, Augusteyn RC. The refractive increments of alpha, beta and gamma crystallins. Vision Research 1987; 27: 1539-1541
  • 9 De Korte CL, Van der Steen AFW, Thijssen JM et al. Relation between local acoustic parameters and protein distribution in human and porcine eye lenses. Experimental Eye Research 1994; 59: 617-627
  • 10 Vaughan JM, Randall JT. Brillouin scattering, density and elastic properties of the lens and cornea of the eye. Nature 1980; 284: 489-491
  • 11 Goss SA, Dunn F. Concentration Dependence of Ultrasonic Absorption in Aqueous Solutions of Bovine Serum Albumin. Ultrasonics Symposium 1974; 65-68
  • 12 Goss SA, Frizzell LA, Dunn F et al. Dependence of the ultrasonic properties of biological tissue on constituent proteins. Journal of the Acoustical Society of America 1980; 67: 1041-1044
  • 13 Shirasaki M. Virtually Imaged Phased Array. FUJITSU Sci Tech J 1999; 35: 113-125
  • 14 Shirasaki M. Large angular dispersion by a virtually imaged phased array and ist application to a wavelength demultiplexer. Optics Letters 1996; 21: 366-368
  • 15 Minsky M. Memoir on inventing the confocal scanning microscope. Scanning 1988; 10: 128-138
  • 16 Reiß S, Burau G, Stachs O et al. Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens. Biomedical Optics Express 2011; 2: 2144-2159
  • 17 Scarcelli G, Yun SH. Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy. Optics Express 2011; 19: 10913-10922
  • 18 Ulrich K. Linsenproteine (Kristalline). Hrsg. Vergleichende Biochemie der Tiere. Jena: Fischer; 1990: 322-332
  • 19 Dillingham AK, Deuring H, Hilborn GJ et al. DE Patent No DE 000060113085 T2. 2006
  • 20 Vilupuru AS, Glasser A. Optical and biometric relationship of the isolated pig crystalline lens. Ophthalmic & physiological optics: the journal of the British College of Ophthalmic Opticians (Optometrists) 2001; 21: 296-311
  • 21 Hughes A. A schematic eye for the rabbit. Vision Res 1972; 12: 123-138
  • 22 Jones CE, Atchison DA, Meder R et al. Refractive index distribution and optical properties of the isolated human lens measured using magnetic resonance imaging (MRI). Vision Res 2005; 45: 2352-2366
  • 23 Scarcelli G, Yun SH. Brillouin microscopy for ocular biomechanics. Lasers and Electro-Optics (CLEO) and Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS); 2010
  • 24 Kasthurirangan S, Markwell EL, Atchison DA et al. In vivo study of changes in refractive index distribution in the human crystalline lens with age and accommodation. Invest Ophthalmol Vis Sci 2008; 49: 2531-2540
  • 25 Fisher RF, Pettet BJ. Presbyopia and the water content of the human crystalline lens. J Physiol 1973; 234: 443-447
  • 26 Samuelson DA. Embryology and anatomy. In: Gelatt KN, (Hrsg) Veterinary Ophthalmology. 2. Aufl. Philadelphia: Lea und Febinger; 1991: 75-84
  • 27 Gum GG. Physiology of the eye. In: Gelatt KN, (Hrsg) Veterinary Opthalmology. 2. Aufl. Philadelphia: Lea und Febiger; 1991: 138-143
  • 28 Wileke K. Morphologische und physiologische Untersuchungen an transparenten und katarktösen Linsen von Farm- und Wildlachsen (Dissertation). Berlin: Freie Universität Berlin; 2008
  • 29 Görig C, Varghese T, Stiles T et al. Evaluation of acoustic wave propagation velocities in the cular lens and vitreous tissues of pig, dog and rabbits. American Journal of Veterinary Research 2003; 67: 288-295
  • 30 Latina M, Chylack LT, Fagerhom P et al. Dynamic light scattering in the intact rabbit lens. Its relation to protein concentration. Investigative ophthalmology & visual science 1987; 28: 175-183