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Fallstudien / Eine kostengünstige, tragbare Netzhautkamera zur Vorsorgeuntersuchung bei Frühgeborenen in ressourcenarmen Regionen
FALLSTUDIE:
Von Teo Kakabadze, Samer Marmash, Clin Vadakkal Shaiju und Alisha Sankhe
Team Retinex, Rice University | [email protected]
Kostengünstiges Screening: ein Zukunftstrend
Jedes Jahr kommen etwa 15 Millionen Babys zu früh zur Welt. Da sich die Neugeborenenversorgung weltweit verbessert hat, überleben immer mehr Babys, insbesondere in Regionen, in denen diese Babys zuvor nur begrenzte Überlebenschancen hatten. Infolgedessen ist die Frühgeborenen-Retinopathie (ROP), eine Erkrankung, die außerhalb von hochentwickelten Ländern einst selten war, mittlerweile weltweit zu einer der Hauptursachen für Erblindung im Kindesalter geworden. Die ROP wird durch abnormes Blutgefäßwachstum in der Netzhaut eines Frühchens verursacht. In schweren Fällen können diese Gefäße an der Netzhaut ziehen und diese ablösen, was zu einer dauerhaften Erblindung führt. Die Erkrankung lässt sich mit einer Lasertherapie behandeln, allerdings nur, wenn sie rechtzeitig erkannt wird, in der Regel innerhalb weniger Wochen im entscheidenden Entwicklungszeitraum. Danach ist der Schaden irreversibel.
In Kenia ergab eine Krankenhausstudie, dass 41,7% der untersuchten Frühgeborenen an ROP1 leiden – eine Prävalenz, die mit derjenigen in wohlhabenden Ländern vergleichbar ist, während die Infrastruktur für vorsorgende Screening-Untersuchungen kaum vorhanden ist. Forscher, die sich mit Subsahara-Afrika befassen, haben vor einer umfassenden ROP-Epidemie in diesem Jahrzehnt gewarnt.2 Das Problem ist nicht mangelndes Wissen. Es geht um den Zugang zu Vorsorgeuntersuchungen. Die Entwicklung unserer tragbaren Netzhautkamera „Retinex“ zielt darauf ab, die Netzhautuntersuchung von Fachkliniken in die Neugeborenen-Versorgung am Krankenbett zu verlagern und so frühzeitigere Maßnahmen in Regionen zu ermöglichen, in denen Augenärzte und Netzhautbildgebungssysteme rar sind. Standardgeräte für das ROP-Screening – Weitwinkel-Netzhautkameras wie die RetCam – kosten ab 125.000 US-Dollar3. Für den Betrieb dieser Geräte sind ausgebildete Augenärzte erforderlich. In Kenia gibt es davon bei einer Bevölkerung von über 55 Mio.4 etwa 115, von denen mehr als die Hälfte in Nairobi tätig ist. Außerhalb der Hauptstadt ist der Zugang zu fachärztlicher Augenversorgung äußerst eingeschränkt. Und wenn Geräte vorhanden sind, werden sie gemeinsam genutzt: Krankenhäuser, die über Netzhautkameras verfügen, teilen sich oft ein Gerät unter mehreren Einrichtungen. Die indirekte Ophthalmoskopie, das zweite Standardverfahren zur ROP-Früherkennung, erfordert praktische Fachkenntnisse, die noch schwerer zu finden sind. In den allermeisten Neugeborenen-Intensivstationen in Kenia und in vielen ähnlichen Ländern wird keine ROP-Früherkennung durchgeführt, sodass viele Frühchen möglicherweise nie einer Netzhautuntersuchung unterzogen werden, bevor ein irreversibler Sehverlust eintritt. Durch die Einführung einer von Pflegekräften bedienbaren Bildgebungstechnik am Krankenbett könnte Retinex dazu beitragen, eine entscheidende Versorgungslücke im Gesundheitswesen zu schließen und die langfristigen Behandlungsergebnisse für gefährdete Säuglinge in unterversorgten Regionen zu verbessern.
Entwicklung eines tragbaren, von Pflegekräften bedienbaren Geräts zur Netzhautuntersuchung für Krankenhäuser mit begrenzten Ressourcen.
Das Team Retinex hat es sich zum Ziel gesetzt, ein kostengünstiges, tragbares Handgerät zum Netzhaut-Screening auf ROP zu entwickeln, das auch in Krankenhäusern mit begrenzten Ressourcen eingesetzt werden kann – ein Gerät, das von Pflegekräften ohne Fachausbildung bedient werden kann, weniger als 500 Dollar kostet und kompakt genug ist, um am Krankenbett transportiert und verwendet zu werden.
Das Projekt wird an der Rice University im Rahmen des Ingenieurdesign-Kurses EDES 200 entwickelt und knüpft an die Arbeit eines früheren Studententeams (IRIS) an. Das derzeitige Team, bestehend aus zwei Studienanfängern und zwei Studenten im zweiten Studienjahr, hat in diesem Semester den ersten funktionsfähigen Prototypen gebaut, wobei es auf handelsübliche Bauteile zurückgriff und die Gesamtkosten für den Bau unter 200 Dollar hielt.
Die Bildgebung der Netzhaut bei Neugeborenen bringt mehrere technische Herausforderungen gleichzeitig mit sich: die geringe Pupillengröße der Säuglinge, Reflexionen an der Hornhaut, thermische Sicherheitsgrenzen, kurze Arbeitsabstände, Bewegungen des Patienten während der Bildgebung, Anforderungen an die Tragbarkeit sowie die Notwendigkeit, dass das Gerät in ressourcenarmen Umgebungen auch von nichtärztlichem Personal bedient werden kann. Die Gerätearchitektur wurde so konzipiert, dass unter Berücksichtigung dieser Rahmenbedingungen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Bildqualität, Sicherheit, Benutzerfreundlichkeit und kostengünstiger Herstellung entsteht.
Unsere Lösung ist ein handgeführtes, zylindrisches Bildgebungsgerät mit vier wesentlichen Systemen: Beleuchtung, Vergrößerung, Bildaufnahme und Steuerung. Das Design sorgt für eine kompakte Bauform und eine geringe Anzahl an Bauteilen und berücksichtigt gleichzeitig die spezifischen Anforderungen der Netzhautbildgebung bei Neugeborenen. Diese Aufgabe erfordert eine hohe Bildqualität, eine sichere Belichtung und eine einfache Handhabung im klinischen Umfeld.
Die Beleuchtung der Netzhaut eines Frühgeborenen ist mit einer Reihe miteinander konkurrierender Anforderungen verbunden. Man benötigt ausreichend Licht, um durch die Pupille eines Säuglings aufzunehmen und feine Gefäßdetails im Augenhintergrund abzubilden. In der Nähe des Gesichts des Säuglings verbietet sich eine Wärme abgebende Lichtquelle. Und spiegelnde Reflexionen von der Hornhaut oder der Linse führen, wenn sie nicht entsprechend behandelt werden, dazu, dass genau die Strukturen, die Sie eigentlich sehen möchten, überbelichtet werden.
Die Beleuchtung des Geräts nutzt eine leistungsstarke, warmweiße LED als Lichtquelle. Das Licht wird über einen faseroptischen Lichtleiter, der großzügigerweise von Edmund Optics® gespendet wurde, zum Abbildungskopf geleitet. Das Glasfaserkabel trennt die wärmeerzeugende LED physisch von der Vorderseite des Geräts, sodass der Lichtaustritt keine Wärme am Gesicht des Säuglings produziert. Am Abbildungskopf gelangt das Licht über eine koaxiale Anordnung, die auf die Abbildungsachse ausgerichtet ist, in den Strahlengang, wodurch Reflexionen an Hornhaut und Linse, die andernfalls den Bildkontrast beeinträchtigen würden, weitgehend vermieden werden. Zur präzisen Einstellung der Lichtstärke wird eine PWM-Lichtkontrolle (Pulsweitenmodulation) in das Design integriert; eine freihändige Fußpedalsteuerung für den Einsatz während der Bildaufnahme befindet sich derzeit in der Entwicklung.
Der faseroptische Lichtleiter von Edmund Optics war eine entscheidende Schlüsselkomponente für unser Gerät. Eine Lichtleitfaser dieser Qualität und mit diesem Kerndurchmesser macht die koaxiale Bauweise kostengünstig praktikabel – sie bietet eine ausreichende Transmission, um die Pupille effizient zu beleuchten, und sorgt gleichzeitig dafür, dass die gesamte Assemblierung kompakt bleibt. Ohne diese Lösung wäre für eine sichere thermische Trennung und eine effektive Beleuchtung auf der Achse entweder ein deutlich komplexeres optisches Design oder ein wesentlich größeres Gerät erforderlich.
Eine ophthalmische Linse mit einer Stärke von 28 Dioptrien an der Vorderseite des Geräts erzeugt ein vergrößertes, reales Abbild der Netzhaut. Es handelt sich um denselben Linsentyp, der auch bei der herkömmlichen indirekten Ophthalmoskopie zum Einsatz kommt. Die Wahl fiel darauf, da er innerhalb der kompakten Bauweise des Geräts ein Bildfeld von mehr als 60° bietet. Das Erreichen des für eine umfassende ROP-Diagnose erforderlichen Bildfelds von mehr als 120° ist ein wichtiges Ziel für zukünftige Versionen; derzeit ist geplant, diese Abdeckung durch Stitching mehrerer überlappender Aufnahmen zu erreichen.
Die Arducam OwlSight 64-MP-Kamera mit motorisiertem Autofokus und einstellbarer Belichtung übernimmt die Bildaufnahme. Die hohe Pixelanzahl ist bei dieser Anwendung von Bedeutung, da zur Erkennung der für das Frühstadium einer ROP charakteristischen Gefäßveränderungen – wie Gefäßerweiterungen, Gefäßwindungen und Rippenbildung – die Darstellung feiner Netzhautdetails erforderlich ist, die Sensoren mit geringerer Auflösung insbesondere bei den hier verwendeten Vergrößerungsstufen übersehen würden.
Ein Raspberry Pi Zero 2W steuert alle Subsysteme des Geräts: Belichtung und Fokus der Kamera, Helligkeit der LED sowie die USB-Kommunikation mit der Retinex Screening App. Die App bietet eine Live-Kameraansicht zur Positionierung, Bildaufnahme mit einem Fingertipp, eine übersichtliche Bildergalerie sowie die Verwaltung von Patientendaten. Da das Gerät für den Einsatz in verschiedenen Einrichtungen des Gesundheitswesens vorgesehen ist, ist eine Mehrsprachenunterstützung integriert. Die Benutzeroberfläche ist so konzipiert, dass sie von Pflegekräften ohne Erfahrung im Bereich der Bildgebung nach einer kurzen Einweisung bedient werden kann.
Bei Tests mit einem USAF-1951-Auflösungstestbild erreicht der Prototyp eine Auflösung von 35,9 Linienpaaren pro Millimeter. Zwar legt die Norm ISO 15004-2 für ophthalmologische Bildgebungsgeräte einen Schwellenwert von 60 lp/mm fest, doch dürfte die erzielte Auflösung ausreichen, um die für die Plus-Disease in Zone I charakteristischen Gefäßerweiterungen und ‑windungen zu erkennen. Da Zone I der innerste Bereich der Netzhaut und der Ort der schwersten ROP-Manifestationen ist, birgt sie das höchste Risiko für einen Sehverlust und stellt das wichtigste Ziel für eine frühzeitige Diagnose dar. Das Bildfeld des Prototyps von 60–80°, das anhand eines einzelnen statischen Bildes ermittelt wird, reicht aus, um diesen Bereich abzudecken, und ermöglicht so die Erkennung der klinisch dringlichsten Fälle von ROP. Eine vollständige Abdeckung der Netzhaut im Winkel von 120°, die für eine umfassende Einstufung des Krankheitsstadiums erforderlich ist, wird in einer zukünftigen Version durch Stitching erreicht werden. Dass diese klinisch relevante Diagnosekapazität in einem Prototyp aus dem ersten Semester erreicht wurde, der für weniger als 200 Dollar gebaut wurde, bildet eine solide Grundlage für die weitere Entwicklung und Leistungsverbesserung.
Das Projekt wird von künftigen Studententeams der Rice University weitergeführt, wobei der Schwerpunkt der nächsten Phase darauf liegen wird, das System von einem funktionsfähigen technischen Prototyp zu einer klinisch einsetzbaren Plattform für die Netzhautuntersuchung weiterzuentwickeln.
Wir danken unserem Sponsor, Harrell Huff, sowie der „Oshman Engineering Design Kitchen“ an der Rice University für die Bereitstellung von Ressourcen und die Unterstützung während der gesamten Projektdauer. Wir bedanken uns bei Edmund Optics für die großzügige Spende von Bauteilen, bei Dr. Emmanuel Chang für seine klinischen Anregungen zum Design, beim EDES-120-Team (IRIS) für die Arbeit, die die Grundlage für dieses Projekt bildete, sowie bei unseren Mentoren aus dem Lehrkörper, Dr. Oden, Dr. Hunter und Dr. Ghosn.
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