ArchivDeutsches Ärzteblatt11/2003Supernormales Sehvermögen
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LNSLNS Zusammenfassung
Neben den refraktiven Fehlern des menschlichen Auges wie Myopie, Hyperopie und Astigmatismus existieren auch optische Fehler höherer Ordnung wie Koma und sphärische Aberration. Diese optischen Aberrationen verschlechtern die optische Qualität des Bildes, das in der Netzhaut entworfen wird und können mit herkömmlichen optischen Hilfsmitteln (Brille und Kontaktlinse) nicht oder nur schlecht korrigiert werden. In vielen Fällen begrenzen sie die Qualität des Sehens und so wird der maximal mögliche Visus von 2,0 und mehr nur selten erreicht. Mithilfe neuer Excimer-Laser und der wellenfrontgeführten Ablation sind die Aberrationen des menschlichen Auges nun ebenfalls korrigierbar. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, führt aber auch zu einem Paradigmenwechsel in der refraktiven Chirurgie.

Schlüsselwörter: Excimer-Laser, Lasertherapie, Sehstörung, Aberration, Ophthalmochirurgie


Summary
Supernormal Visual Acuity
Aside from refractive errors like myopia, hyperopia, and astigmatism the human eye also suffers from optical errors of higher order such as coma and spherical aberration. These optical aberrations may deteriorate the optical quality of the retinal image and cannot be corrected by means of spectacles and contact lenses. In many cases, optical aberrations limit the quality of vision and, therefore, the maximal visual acuity of 20/10 and better is not obtained. With the advent of new excimer laser systems and wavefront-guided ablation, however, optical aberrations of the individual eye can be also corrected. This opens new horizons in refractive surgery.

Key words: excimer laser, laser therapy, visual disturbance, aberration, ophthalmic surgery


Das menschliche Sehen hat verschiedene Qualitäten: Der Mensch kann Formen erkennen, Farben unterscheiden und Bewegung bemerken. Diese drei Qualitäten des Sehens entsprechen morphologisch drei primär wechselwirkungsfreien Übertragungspfaden für Informationen vom Auge zum visuellen Kortex, wo sie dann zu einer visuellen Wahrnehmung verarbeitet werden.
Bei einem Standardbesuch beim Augenarzt wird über den Visus üblicherweise nur die Formerkennung, von der in diesem Artikel die Rede ist, geprüft. Die Formerkennung selber wird bei der Visuserhebung allerdings auch nur unvollständig untersucht, da üblicherweise nur der Hochkontrastvisus gemessen wird, bei dem Werte um 1,0 (100 Prozent) als normal und gut bewertet werden. Der Visus bei niedrigem Kontrast oder das Dämmerungssehen (mesopisches Sehen) gehören dagegen nicht zur Standarduntersuchung. Andererseits haben viele Patienten zum Beispiel nach refraktiven Eingriffen zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit (beispielsweise Myopie) nach sowie vor der Operation zwar einen vollen Visus, klagen aber über eine schlechtere „Qualität des Sehens“, besonders auffällig in der Dämmerung und bei Nacht. Offensichtlich verschlechtert sich bei Erweiterung der Pupille die optische Qualität des Bildes, das vom optischen Apparat des Auges (Hornhaut und Linse) auf der Netzhaut entworfen wird. Auch mit einer optimalen Brille lässt sich dieser Zustand meist nicht bessern.
Aberrationen des menschlichen Auges
Bei der optischen Korrektur einer Fehlsichtigkeit mittels Brille oder Kontaktlinse wird die Myopie oder Hyperopie (Sphäre) und gegebenenfalls der Astigmatismus (Zylinder, Achse) ausgeglichen. Jedoch hat das menschliche Auge, wie alle optischen Apparate, zusätzlich noch Fehler höherer Ordnung, so genannte optische Aberrationen, wie zum Beispiel die sphärische Aberration und die Koma. Was sind dies für Fehler und wie machen sie sich bemerkbar?
Von den verschiedenen Möglichkeiten optische Aberrationen zu beschreiben sind in der physiologischen Optik zwei besonders nützlich und instruktiv: die Point-spread-Funktion und die Wellenfrontdarstellung. Fallen parallele Lichtstrahlen in ein Auge, dann werden sie im idealen, aberrationsfreien Fall in einem Punkt fokussiert, der im emmetropen (normalsichtigen) Auge in der Netzhaut liegt. Beim Vorliegen einer Koma oder sphärischen Aberration ist der Punkt wie in Grafik 1 dargestellt verzogen beziehungsweise verwischt (point spread). Betrachtet man das Licht dagegen als elektromagnetische Welle, dann liegen im aberrationsfreien Fall die Wellenberge/täler (also die Wellenfronten) auf konzentrischen Kreisen um den Fokus. Beim Auge mit Aberrationen weicht die Wellenfront von der Kreisform ab (Grafik 1) und diese Wellenfrontabweichungen können als Wellenfrontkarten über der Pupille dargestellt werden (Abbildung 1). Der Physiker Frits Zernike hat in den 30er-Jahren des letzten Jahrhunderts eine mathematische Klassifizierung der Wellenfrontaberrationen vorgeschlagen, die seither in der technischen Optik und neuerdings auch in der physiologischen Optik Verwendung findet. Die Aberrationen des menschlichen Auges führen also zu einer Verschlechterung der Qualität des retinalen Bildes, was wegen der Verwischung und Verzerrung der einzelnen Bildpunkte, je nach Ausprägung, zu einer Verschlechterung des Sehvermögens führen kann.
Bereits im 19. Jahrhundert waren die optischen Aberrationen des menschlichen Auges bekannt und wurden unter anderem durch von Helmholtz, von Tscherning und Gullstrand qualitativ untersucht. Seit etwa zehn Jahren ist es klinisch möglich geworden die Aberrationen mit so genannten Aberrometern zu vermessen und seit etwa zwei Jahren ist auch die Korrektur von Aberrationen mittels Laser möglich (1).
Größere Studien an Augen mit normalem Sehvermögen zeigten, dass Standardwerte für „gute“ Optiken (zum Beispiel das Marechal-Kriterium), wie sie in der technischen Optik üblich sind, vom einzelnen menschlichen Auge nicht erreicht werden. Das Durchschnittsauge hingegen genügt ungefähr dem Marechal-Kriterium und zeigt so eine im technisch-optischen Sinne gute Optik. Der prinzipielle Aufbau des menschlichen Auges führt also im Durchschnitt zu einer guten Optik, bei der individuellen Realisierung dagegen hapert es. Insbesondere bei weiten Pupillen spielen die Aberrationen eine gewichtigere Rolle, was dazu führt, dass dann, wenn sich die Pupille erweitert, die größten Einbrüche zu verzeichnen sind. Lichtkränze um Lichtquellen bei Nacht, so genannte Halos, gehören zu üblichen Klagen von Patienten und sind direkte Manifestationen der Point-spread-Funktion. Es wurde auch gezeigt, dass nach refraktiven Eingriffen, zum Beispiel nach Myopiekorrektur, die Aberrationen um Faktoren von 3 bis 10 zunehmen (4), was als Erklärung für die eingangs beschriebene Verschlechterung der „Qualität des Sehens“ herangezogen wird.
Geometrische Grenzen der Auflösung
Die Güte des Sehens hängt aber nicht nur von der Optik alleine ab sondern auch vom Verhältnis der Größe der retinalen Rezeptoren zur Bildgröße. Zur Verdeutlichung kann die Entwicklung der Digitalkameras der letzten Jahre herangezogen werden, wo die Anzahl der Pixels der CCD-Chips die Güte der erhaltenen Bilder bestimmt: Mit der Abnahme der Pixelgröße wurde die Qualität der Digitalfotos besser.
Der Durchmesser der Photorezeptoren in der Makula, und dort wird das scharfe Formensehen geleistet, beträgt etwa 5 mm. Zwei Punkte werden noch als unterschiedlich wahrgenommen, wenn dazwischen mindestens ein Photorezeptor nicht angeregt wird (Grafik 2). Dies entspricht einer maximal erreichbaren Sehschärfe beim Menschen von 2 bis 2,5. Bei Raubvögeln ist ein Visus von 5 bis 10 möglich (Adleraugen), was durch eine andere Struktur der Makula aber auch der Optik des Vogelauges erklärt wird. In der menschlichen Retina wird zusätzlich auch noch eine „subpixel“-Bildverarbeitung in den inneren Netzhautschichten (retinale Ganglienzellen) gewährleistet, was die so genannte Noniussehschärfe ermöglicht, die deutlich höher liegt bei Visuswerten bis 4,0.
Aufgrund solcher geometrischen Betrachtungen sollte beim Menschen also eine Sehschärfe von 2,0 und besser in der Regel möglich sein. Da diese Sehschärfe aber nur sehr selten erreicht wird (und deshalb als supernormaler Visus bezeichnet wird) muss wohl die Qualität des optischen Bildes auf der Netzhaut den Visus begrenzen (3). Mindestens teilweise sind also die optischen Aberrationen des Auges dafür verantwortlich, dass ein supernormaler Visus in der Regel nicht erreicht wird.
Korrektur von Aberrationen
In der technischen Optik können Aberrationen durch asphärische Linsen und vorgeschaltete adaptive Optiken ausgeglichen werden, wie die Abbildung 2 am Beispiel des Hubble Teleskops zeigt. Die Aberrationen des Auges können durch Brillen oder Kontaktlinsen allerdings nicht korrigiert werden, da das Auge beweglich ist und eine Aberrationskorrektur augenzentriert erfolgen muss. Es bleibt als Option also nur die Korrektur mittels refraktiver Hornhautchirurgie, wofür in den letzten Jahren entsprechende Excimer-Lasersysteme, zuerst in Deutschland, entwickelt wurden. Notwendig sind dazu so genannte Scanning-spot-Laser, bei denen ein circa 1 mm großer Laserfleck über die Hornhaut gerastert und dabei selektiv Hornhautgewebe entfernt wird.
Bei einer solchen aberrationsgeführten Operation wird das Auge zuerst mit einem Aberrometer vermessen. Aus dieser Messung kann dann der Betrag des zu entfernenden Hornhautgewebes an jedem Ort der Hornhaut berechnet werden, das so genannte Ablationsprofil, und dann der Gewebeabtrag mittels des Scanning-spot-Lasers erfolgen. Es handelt sich also um eine individuell für jedes Auge „maßgeschneiderte“ (im englischen: customized) Behandlung, die allerdings auch noch die durch die Operation induzierten Aberrationen berücksichtigen muss. Die weltweit ersten wellenfrontgeführten Behandlungen wurden 1999 in Dresden im Rahmen von Kurzsichtigkeitskorrekturen durchgeführt (2) und haben überraschende Ergebnisse gezeigt. So trat in den weitaus meisten Fällen die sonst übliche Verschlechterung des mesopischen Sehens nicht ein. In Einzelfällen war der Visus signifikant erhöht bis auf Werte von 2,0. Diese Ergebnisse wurden im letzten Jahr von verschiedenen Arbeitsgruppen weltweit verifiziert, weshalb die „customized ablation“ inzwischen Thema von ganzen Kongressen wurde. Insbesondere wurden in den USA staatlich kontrollierte Studien durchgeführt und aufgrund der guten Ergebnisse darf eine Freigabe von Seiten der FDA (Food and Drug Administration) in nächster Zukunft erwartet werden.
Die Ergebnisse der wellenfrontgeführten refraktiven Operation sind also durchaus viel versprechend, haben aber auch einige Fragen aufgeworfen, die in den nächsten Jahren mittels prospektiver Langzeitstudien beantwortet werden müssen:
- Eine Verbesserung der optischen Qualität des retinalen Bildes führte nicht zwangsläufig zur Visusverbesserung. Muss das Gehirn erst lernen besser zu sehen oder gibt es in vielen Fällen einfach eine „Amblyopie“ (zentral bedingte Schwachsichtigkeit) bei einem Visus von 1,0 ?
- Gibt es gute und schlechte Aberrationen? Messungen bei amerikanischen Kampfpiloten haben ergeben, dass eine gewisse Koma durchaus mit einem supernormalen Sehvermögen von 2,0 und besser vereinbar oder sogar notwendig ist.
- In wieweit verändert der Alterungsprozess und die Akkommodation die Aberrationen menschlicher Augen?
- Welche Rolle spielt die chromatische Aberration?
Nicht zuletzt ist auch zu fragen, ob ein Sehvermögen von 200 Prozent überhaupt nützlich oder von Vorteil ist.
Obwohl also heute mit der aberrationsgeführten Ablation ein mächtiges optisches Heilmittel zur Verfügung steht, das sogar einen supernormalen Visus erreichbar macht, ist die Tragweite eines solchen Vorgehens noch nicht klar zu ermessen. Es ist zum Beispiel nicht entschieden, ob der wellenfrontgeführten Behandlung in Einzelfällen nicht auch ein kurativer Wert zukommt. Eines ist aber heute schon sicher: Die neue Technologie der Wellenfrontvermessung des menschlichen Auges hat einen Paradigmenwechsel mindestens in der refraktiven Chirurgie herbeigeführt. Stand bisher der Wegfall von Brille oder Kontaktlinse im Vordergrund bei refraktiven Operationen, so verlangen heute Patienten und Ärzte zusätzlich eine Verbesserung oder mindestens aber den Erhalt sowohl des photopischen als auch mesopischen Sehvermögens. Kurzum: Die „Qualität des Sehens“ soll durch refraktive Eingriffe nicht mehr leiden.

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2003; 100: A 700–704 [Heft 11]

Manuskript eingereicht: 14. 10. 2002, angenommen:
21. 10. 2002

Literatur
1. Maeda N: Wavefront technology in ophthalmology. Curr Opin Ophthalmol 2001; 12: 294–299.
2. Mrochen M, Kaemmerer M, Seiler T: Wavefront-guided laser in situ-keratomileusis: early results in 3 eyes.
J Refract Surg 2000; 16: 116–121.
3. Schwiegerling J: Theoretical limits to visual performance. Surv Ophthalmol 2000; 45: 139–146.
4. Seiler T, Kaemmerer M, Mierdel P et al.: Ocular optical aberrations after photorefractive keratectomy for myopia and myopic astigmatism. Arch Ophthalmol 2000; 118: 17–21.

Anschrift für die Verfasser:
Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. Theo Seiler
Institut für Refraktive und Ophthalmo-Chirurgie (IROC)
Zollikerstraße 164, 8008 Zürich, Schweiz
E-Mail: theo.seiler@iroc.ch

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