WGKT-Innovationspreis 2018

Im Rahmen der Arbeit entwickelte Ole Thomsen, in Kooperation des Instituts für Medizinische Elektrotechnik der Universität zu Lübeck und des Medizinischen Laserzentrums Lübeck (MLL), eine Regelung zur Verbesserung der retinalen Photokoagulation, einer Standardtherapie in der Augenheilkunde. Bei dieser werden mit gezielter Laserbestrahlung Läsionen auf der Netzhaut gesetzt. In der gängigen Praxis, stellt der Ophthalmologe dabei die Leistung mittels Rückschluss aus der letzten sichtbaren Läsion ein. Die Absorptions- und Lichttransmissionseigenschaften des Auges variieren jedoch stark, weshalb es bei gleicher Leistung zu unterschiedlichen Temperaturerhöhungen und daher unter­schiedlich starken Läsionen kommen kann. Das Verfahren liefert daher nur wenig reproduzierbare Ergebnisse und kann zu Unter- und Überbehandlung führen. Eine exakte Regelung der Temperatur unter Rückführung der gemessenen Temperaturerhöhung an den einzelnen Bestrahlungsorten erlaubt es daher, diese Punkte zu adressieren. Ein Therapiesystem mit einem zweiten, gepulsten Laser zur nichtinvasiven Temperaturbestimmung, ent­wickelt am MLL ist die Kerntechnologie, auf der Regelungskonzepte aufsetzen. Die Temperaturbestimmung basiert dabei auf der Temperaturabhängigkeit des thermischen Expansionskoeffizienten. Ein vom Messlaser erzeugtes Drucksignal wird von einem Piezoelement im Kontaktglas, aufgesetzt auf die Hornhaut, detektiert und per Software auf die Temperatur zurückgerechnet. So kann das Signal für eine Regelung genutzt werden, die der Gegenstand der Abschlussarbeit von Ole Thomsen war. Kurze Behandlungszeiten unter 100?ms, eine asymptotische Anregelung beliebiger Solltemperaturen, sowie Garantien an die Regelgüte und Stabilität des Regelkreises trotz unbekannter Absorptionskoeffizienten, stellten die Herausforderung an das Konzept dar.

Durch fortgeschrittene modellbasierte Methoden der Regelungstechnik konnte in der Arbeit ein Regler synthetisiert werden der diese Bedingungen erfüllt. Systematische Entwurfsmethodiken erlauben zudem eine reproduzierbare Auslegung der Reglerparameter, die zudem eine sehr effiziente Implementierung erlauben. Messungen an ex-vivo Schweineaugen zeigten, dass das Regelungskonzept alle Anforderungen erfüllt. Online Schätzverfahren zur Überwachung der Parameter wurden ebenfalls entwickelt.

Eine sicherere und reproduzierbare Therapie sollte somit erreicht werden können. Mit dem Verfahren ist es auch möglich nicht sichtbare, nur hyperthermisch wirkende Temperaturen gezielt anzusteuern, die derzeit im Fokus der Forschung stehen. Die Regelung eröffnet somit auch ganz neue Möglichkeiten für präzise und sichere Behandlung der Retina.