Ein Forschungsteam des Peking Union Medical College Hospital und der Tsinghua-Universität hat einen kompakten optischen KI-Chip entwickelt, der die Meibom-Drüsen-Dysfunktion (MGD) – eine Hauptursache für das Trockene Auge – mit einer Genauigkeit von über 96 % durch die Analyse der spektralen Signaturen des Gewebes erkennen kann.
Die in PhotoniX veröffentlichte Studie demonstriert einen neuen Ansatz für die Augendiagnostik, indem sie ein auf Metasurfaces basierendes spektrales Faltungsneuronales Netzwerk (SCNN) direkt in einen Bildsensor integriert, wodurch biochemische Informationen in einer einzigen Messung erfasst werden können.
Eine Hauptursache für trockene Augen, mit begrenzten Diagnosemöglichkeiten
Die Meibom-Drüsen-Dysfunktion (MGD) ist die häufigste Ursache für das evaporative trockene Auge, eine Erkrankung, von der weltweit Hunderte Millionen Menschen betroffen sind. Sie entsteht, wenn die lipidproduzierenden Drüsen in den Augenlidern verstopft oder funktionsunfähig werden und dadurch der Tränenfilm destabilisiert wird. Aktuelle Diagnoseverfahren basieren größtenteils auf klinischer Beobachtung und Funktionstests, die subjektiv sein können und Erkrankungen im Frühstadium möglicherweise nicht erkennen. Bildgebende Verfahren wie die Meibographie liefern zwar strukturelle Informationen, erfassen aber keine molekularen oder kompositionellen Veränderungen im Drüsengewebe.
Erfassung spektraler „Fingerabdrücke“ in Millisekunden
Um diese Lücke zu schließen, entwickelten die Forscher einen miniaturisierten optischen Chip, der Spektralmerkmale direkt am Detektionsort extrahieren kann. Das Gerät integriert ein dichtes Array von Metasurface-Filtern auf einen CMOS-Sensor. Jeder Filter moduliert selektiv das einfallende Licht, sodass das System während der Bildaufnahme optische Berechnungen – anstatt digitaler Nachbearbeitung – durchführen kann. Diese Architektur ermöglicht die gleichzeitige Spektralmessung und Merkmalsextraktion und erzeugt so innerhalb weniger Millisekunden eine vollständige Spektralmerkmalskarte. Im Gegensatz dazu benötigen herkömmliche hyperspektrale Bildgebungssysteme typischerweise mechanisches Scannen und Aufnahmezeiten im Sekundenbereich.
Charakteristische spektrale Signaturen erkrankter Drüsen
Das Team wandte das System auf pathologische Gewebeschnitte von Personen mit und ohne Meibom-Drüsen-Dysfunktion (MGD) an und identifizierte wellenlängenabhängige Unterschiede zwischen den Gruppen. Im sichtbaren Bereich zeigten MGD-Proben höhere spektrale Reaktionen, was mit Veränderungen der hämoglobinbezogenen optischen Eigenschaften übereinstimmt und auf Entzündungen oder eine veränderte Mikrozirkulation hindeuten könnte. Im Nahinfrarotbereich wiesen die Drüsenregionen veränderte Signale auf, die mit der Lipidzusammensetzung und der Gewebestruktur zusammenhängen. Diese spektralen Merkmale korrelierten zudem mit klinischen Indikatoren des Schweregrades der Erkrankung, was auf eine potenzielle Relevanz für die objektive Beurteilung schließen lässt.
Verbesserte Genauigkeit gegenüber Standardbildgebung
Durch die Verwendung dieser spektralen Merkmale zur Klassifizierung erreichte das SCNN-basierte Modell eine durchschnittliche diagnostische Genauigkeit von 96,22 %, vergleichbar mit herkömmlicher Hyperspektralbildgebung und deutlich höher als Modelle, die auf Standard-RGB-Bildern basieren. Im Gegensatz zur RGB-Bildgebung, die lediglich Farbe und Morphologie erfasst, ermöglicht der spektrale Ansatz den Zugriff auf biochemische Informationen und trägt so zu einer verbesserten Unterscheidungsleistung bei. Neben der Genauigkeit bietet der Chip einen signifikanten Geschwindigkeitsvorteil: Die Aufnahmezeiten reduzieren sich im Vergleich zu scannenden Systemen um Größenordnungen.
Auf dem Weg zur Echtzeit-Augendiagnostik
Der Chip wird in CMOS-kompatiblen Prozessen gefertigt und ist kompakt, was sein Potenzial für die Integration in klinische Bildgebungsgeräte wie Spaltlampenmikroskope unterstreicht. Mit weiterer Entwicklung könnte das Verfahren eine schnelle, objektive und quantitative Beurteilung der Meibom-Drüsen-Funktion im Rahmen von Routine-Augenuntersuchungen ermöglichen.
Zeitschrift
PhotoniX
