In den Vereinigten Staaten leiden mehr als ein Viertel der Erwachsenen über 40 an einer Augenerkrankung, einschließlich Glaukom, Katarakt oder altersbedingter Makuladegeneration, oder an einer chronischen Erkrankung, die die Augen betrifft, wie etwa diabetische Retinopathie. Diese Erkrankungen stellen eine Belastung für die Gesundheit des Einzelnen und auch für das Gesundheitssystem dar. Eine frühzeitige Diagnose und Behandlung können jedoch dazu beitragen, mehr als 90 % des schweren Sehverlusts zu verhindern.
Chao Zhou, Professor für Biomedizintechnik an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, hat an der Verbesserung von Systemen für die optische Kohärenztomographie (OCT) gearbeitet, die eine hochauflösende Bildgebung der Augen ermöglichen können. Mit einem Vertrag über bis zu 20 Millionen US-Dollar von der Advanced Research Projects Agency for Health (ARPA-H) plant er nun die Entwicklung eines tragbaren OCT-Systems auf Basis photonischer integrierter Schaltkreise (PIC) und maßgeschneiderter elektronischer integrierter Schaltkreise, das fortschrittliche Funktionen bieten könnte Augenuntersuchungen für viel mehr Patienten und zu geringeren Kosten möglich. Die Technologie könnte auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Kardiologie, Dermatologie, Zahnmedizin, Endoskopie und Urologie.
Der Vertrag ist Teil der ersten Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen von ARPA-H für unkonventionelle Ansätze zur Verbesserung der Gesundheitsergebnisse bei Patientenpopulationen, Gemeinschaften, Krankheiten und Gesundheitszuständen durch bahnbrechende Forschung und technologische Fortschritte. Es ist der erste ARPA-H-Auftrag, der an die Washington University vergeben wurde.
Herkömmliche OCT-Systeme sind teuer, komplex, sperrig und arbeitsintensiv in der Montage und Kalibrierung. Das vorgeschlagene System würde ein paar Pfund wiegen, hochauflösende 3D-Scans der Netzhaut in weniger als einer Sekunde erstellen und einen Bruchteil der Kosten herkömmlicher Systeme ausmachen.
Die Integration photonischer und elektronischer integrierter Schaltkreise vereinfacht den Montageprozess und senkt die Produktionskosten, wodurch OCT für ein breiteres Spektrum von Gesundheitseinrichtungen und Patienten zugänglicher wird. Die Integration von Komponenten auf einem photonischen Chip erhöht zudem die allgemeine Stabilität und Robustheit, wodurch diese Systeme weniger anfällig gegenüber Umwelteinflüssen und Verschleiß sind, was eine längere Lebensdauer und geringere Wartungskosten gewährleistet.“
Chao Zhou, Professor für Biomedizintechnik, McKelvey School of Engineering, Washington University in St. Louis
Zhous Gruppe erfand die optische Kohärenztomographie im Raummultiplexverfahren (SDM-OCT), eine Technik, die mehrere hochauflösende OCT-Bilder gleichzeitig mit einem einzigen Detektor aufnimmt und mindestens zehnmal schneller als bestehende OCT-Scanner ist, wodurch weniger Fehlermöglichkeiten entstehen von Patientenbewegungen. Allerdings erforderte die Montage der Komponenten für jeden Kanal bei diesen Systemen viel Zeit und Arbeit, was ihre breite Einsatzmöglichkeit einschränkte.
Mit der ARPA-H-Finanzierung werden Zhou und seine Mitarbeiter die Komponenten in einem photonischen Chip zusammenbauen und dabei Fortschritte bei komplementären Metalloxid-Halbleiterprozessen (CMOS) nutzen, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Dies wird die Herstellung rationalisieren und die Kosten senken. Sobald das Gerät funktioniert, werden sie Studien mit erwachsenen und pädiatrischen Patienten durchführen.
Die Entwicklung eines vollständig integrierten Photonic-Integrated-Chip (PIC)-OCT-Systems sei sehr wirkungsvoll, aber auch sehr anspruchsvoll, so die Forscher. Daher habe das Team seine Arbeit in acht Teile unterteilt, die von der Entwicklung der Komponenten bis zum Test reichen. Am Ende des fünfjährigen Projekts geht das Team davon aus, photonische und elektronische Chips sowie tragbare PIC-OCT-Prototypen speziell für die ophthalmologische Bildgebung entwickelt zu haben.
Das vorgeschlagene System sei mehr als 50-mal schneller als bestehende hochmoderne kommerzielle OCT-Systeme und das zu einem Bruchteil der Kosten, sagten die Forscher. Durch die Optimierung und Integration der photonischen und elektronischen Schaltkreise können die Forscher eine integrierte Bilderfassungs- und Signalverarbeitungs-Engine schaffen, deren Vorteile sich auch auf andere Bereiche des Gesundheitswesens erstrecken, beispielsweise auf die Glukosemessung und tragbare Hautbildgeräte.
Mit Zhou zusammenarbeiten:
- Shu-Wei Huang, Assistenzprofessor für Elektrotechnik, Computer- und Energietechnik sowie Biomedizintechnik an der University of Colorado Boulder;
- Aravind Nagulu, Assistenzprofessor für Elektro- und Systemtechnik an der McKelvey School of Engineering;
- Rithwick Rajagopal, MD, PhD, außerordentlicher Professor für Augenheilkunde und visuelle Wissenschaften an der Washington University School of Medicine;
- Margaret Reynolds, MD, Assistenzprofessorin für Augenheilkunde und visuelle Wissenschaften an der Washington University School of Medicine; Und
- Lan Yang, Edwin H. & Florence G. Skinner Professor für Elektro- und Systemtechnik an der McKelvey School of Engineering.
Yang sagte, es liege in ihrem langfristigen Interesse, Wissen in der Photonikforschung in Technologien und greifbare Produkte mit weitreichenden gesellschaftlichen Auswirkungen umzuwandeln, wobei Anwendungen im Gesundheitswesen ganz oben auf ihrer Agenda stünden.
„Ich freue mich, Teil dieses multidisziplinären Teams zu sein, das darauf abzielt, ein neues OCT-System mit Fähigkeiten und Merkmalen zu entwickeln, die durch Fortschritte bei Nanofabrikationsprozessen für optoelektronische Geräte ermöglicht werden, die von verschiedenen Branchen vorangetrieben werden, von der Telekommunikation über Rechenzentren bis hin zur Unterhaltungselektronik“, sagte Yang . „Unser vorgeschlagenes tragbares OCT-System, das auf photonischen integrierten Schaltkreisen (PIC) basiert, wird ein fortschrittliches und kostengünstiges Augenscreening ermöglichen und seine Vorteile auf andere medizinische Bereiche ausweiten.“
Rajagopal sagte, dass Augenärzte seit 15 Jahren von den diagnostischen Erkenntnissen der OCT-Technologie profitieren, die Systeme jedoch durch Scangeschwindigkeit und Sichtfeld begrenzt sind.
Die meisten modernen Scanner können nur die Mitte der Netzhaut abbilden. die Makula -; und erfordern kooperative Patienten, die die Mobilität haben, sich in ein Desktop-System zu manövrieren und dort mindestens 30–60 Sekunden (oder länger) stabil zu bleiben, sagte Rajagopal.
„Ich bin begeistert von den potenziellen klinischen Vorteilen, die das neue System von Dr durch derzeit verfügbare Systeme“, sagte Rajagopal. „Wir können daher möglicherweise Patienten scannen, die bei der herkömmlichen Augenbildgebung nicht mitarbeiten können, darunter kleine Kinder und Erwachsene mit Behinderungen, ohne dass eine Pupillenerweiterung oder sedierte Untersuchungen erforderlich sind.“
Das Team wird mit kommerziellen Gießereien zusammenarbeiten, um die photonischen und elektronischen integrierten Schaltkreise herzustellen.
„Dieses vollständig integrierte PIC-OCT-System übertrifft nicht nur herkömmliche OCT-Systeme, sondern zeichnet sich auch durch eine hervorragende Herstellbarkeit und Robustheit aus und reduziert den Platzbedarf der Geräte“, sagte Zhou. „Außerdem würde die Massenproduktion die Herstellungskosten erheblich senken und den Weg für eine weite Verbreitung in der Zukunft ebnen.“
Während das Team bereits über mehrere US-amerikanische und internationale Patente im Zusammenhang mit dem SDM-OCT verfügt, arbeitet es mit dem Office of Technology Management der Washington University an Patentanträgen für das verbesserte Design. Sie werden außerdem mit dem ARPA-H Project Accelerator Transition Innovation Office und der Food & Drug Administration an regulatorischen Überlegungen zusammenarbeiten, um den Weg für die zukünftige klinische Umsetzung zu ebnen.
„Ich freue mich sehr, Teil dieses Weltklasse-Teams zu sein und dieses ehrgeizige Projekt zu verfolgen, das OCT zu einer echten Point-of-Care-Lösung macht“, sagte Huang. „Es ist ein perfektes Beispiel dafür, wie die PIC-Technologie auch andere Bereiche als Kommunikation und Computer verändern kann.“
Quelle:
Washington University in St. Louis
