Ein weltweites Problem
Physik und Medizin
Multifunktionale Brille, die gleichzeitig den Lichteinfluss und die Augenbewegungen misst.
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Kurzsichtigkeit im Fokus

Die Kurzsichtigkeit nimmt pandemische Züge an, die Ursachen dafür bleiben jedoch unklar. In einem Forschungsprojekt des FreeNovation-Programms der Novartis-Stiftung testen zwei Wissenschaftler aus Basel eine innovative Form der Datenerhebung, um das Phänomen zu beleuchten.

Text von Goran Mijuk, Fotos von Jan Räber

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Roman Schmied und Vanessa Leung.

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Publiziert am 26/10/2020

Vanessa Leung und ihr Mann Roman Schmied lieben ausgiebige Wanderungen. Nach einer harten Arbeitswoche an der Universität Basel können die beiden Physiker auf diese Weise entspannen und ihren Gedanken freien Lauf lassen.

Vor etwa vier Jahren, bevor ihre Tochter zur Welt kam, diskutierten sie auf einer dieser Touren die rapide Zunahme der Kurzsichtigkeit. Denn es wird befürchtet, dass heute weltweit jeder Dritte davon betroffen ist.

Da Leung und Schmied selbst kurzsichtig sind, fragten sie sich, ob man die Ursachen dieser Augenerkrankung nicht aufklären und mit innovativen Methoden helfen könnte, die Myopiekrise einzudämmen.

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Die Forschung an der mit Sensoren besetzten Brille erfordert viel harte Arbeit und akribische Präzision. Vanessa Leung und Roman Schmied haben ein einzigartiges Gerät entwickelt, das Aufschluss über die Ursachen des Myopiebooms geben kann.

Ein welt­wei­tes Pro­blem

Die ersten Alarmglocken läuteten bereits 2015. Damals berichtete die Fachzeitschrift Nature, der «Myopie-Boom» betreffe zunehmend junge Menschen, besonders in Südostasien.

Laut den Studienergebnissen in Nature sind in China heute bis zu 90 Prozent aller jungen Erwachsenen kurzsichtig, während nach dem Zweiten Weltkrieg nur rund 10 bis 20 Prozent der gesamten chinesischen Bevölkerung davon betroffen waren. Auch Untersuchungen im benachbarten Südkorea zeigten, dass ein Grossteil aller 19-Jährigen an Myopie leidet.   

In anderen Teilen der Welt ist die Lage ebenfalls düster. In den USA ist die Betroffenenquote nach Angaben des US-amerikanischen National Eye Institute in den letzten 40 Jahren auf fast die Hälfte der Gesamtbevölkerung angestiegen. Ähnliche Trends zeichnen sich auch in Europa ab.

Ursachenforschung

Die Gründe für dieses Phänomen sind alles andere als klar. Während man die Myopie lange Zeit für eine genetische Veranlagung hielt, legten spätere Erkenntnisse nahe, dass die Augen beispielsweise durch langes Lesen ermüden und die Sehschärfe deshalb nicht mehr richtig anpassen können, sodass die Betroffenen Gegenstände in der Ferne nur noch unscharf erkennen.  

In den letzten Jahren wurde aber auch diese weitverbreitete Ansicht verworfen. Um das Jahr 2000 kamen Augenärzte erstmals auf die Idee, die Kurzsichtigkeit könnte daher rühren, dass Menschen zu wenig Zeit im Freien verbringen.

In zwei unabhängigen Studien in den USA und Australien fanden Forscher heraus, dass Kinder genau dann anfälliger für Kurzsichtigkeit waren, wenn sie sich weniger im Freien aufhielten und deshalb weniger Licht ausgesetzt waren. Einige Ärzte empfahlen daraufhin, das Myopierisiko zu senken, indem man die Kinder mindestens drei Stunden täglich draussen verbringen lässt, wo sie mindestens 10 000 Lux ausgesetzt sind. Die in der Einheit Lux angegebene Beleuchtungsstärke reicht von 0,0001 Lux in einer mondlosen Nacht bis zu 100 000 Lux bei direkter Sonneneinstrahlung.

Eine intensive Wanderung

«Es gibt immer mehr Literatur über den Vormarsch der Myopie», erklärt Vanessa Leung, als wir das Ehepaar in ihrem Labor vor den Toren Basels besuchen, wo die Universität im Industrieviertel von Allschwil einige Räume angemietet hat. «Viele dieser Studien legen sich aber nicht auf eine Ursache für die Kurzsichtigkeit fest. Ausserdem gibt es zu wenig Daten, um die verschiedenen möglichen Ursachen miteinander in Korrelation zu setzen.»

Ist nur ein einziger Faktor dafür verantwortlich, dass die Augen das Gesehene nicht mehr richtig scharf stellen, oder gibt es mehrere Gründe? Wie könnte man diese Ursachen nachweisen? Welche Daten wären der Aufklärung dienlich, und wie könnte man diese erheben? Über diese und viele weitere Fragen diskutierten Vanessa Leung und ihr Mann auf ihrer langen Wanderung, bei der sie oberhalb des Genfersees das atemberaubende Alpenpanorama genossen.

Ihr Gedankenaustausch war besonders intensiv, weil sie erst kurz zuvor von der Forschungsplattform FreeNovation erfahren hatten. Diese Plattform wurde 2016 von Novartis geschaffen, damit junge Wissenschaftler innovative Ideen verfolgen können, die sonst keiner zu denken wagt.

Raum für unorthodoxe Ideen

Solche Start-up-ähnlichen Plattformen, die Wissenschaftlern Raum für «verrückte» Ideen geben, gewinnen immer mehr an Bedeutung. Es werden immer dringender bahnbrechende Innovationen benötigt, und viele Branchenführer erkennen heute, dass die klassischen Forschungsansätze keinen ausreichenden Nährboden für revolutionäre Ideen bieten.  

«In der Schweiz gibt es ein starkes Ausbildungs- und Forschungsnetzwerk, vor allem im Bereich der Biowissenschaften», erklärt Hans Widmer, Leiter des FreeNovation-Programms von Novartis. «Besonders wichtig sind aber Investitionen in unorthodoxe Grundlagenprojekte, wobei genau für solche Themen wegen ihrer unsicheren Erfolgsaussichten kaum Gelder zu bekommen sind.» 

Jedes Jahr werden in der Schweiz rund 16 Milliarden Franken in die Forschung und Entwicklung investiert. Mehr als die Hälfte dieser Gelder stammt von der einheimischen Industrie, gefolgt vom öffentlichen Sektor, gemeinnützigen Organisationen und Universitäten. Weil der Druck zur Erzielung greifbarer Ergebnisse aber so hoch ist, werden unkonventionelle Ideen normalerweise nur spärlich oder überhaupt nicht finanziert.   

«Angesicht der soliden Forschungslandschaft in der Schweiz hat Novartis einen Bedarf gesehen, auf institutionalisierte Weise Projekte zu finanzieren, die nur aufgrund ihrer Originalität und unabhängig vom Karriererang des Urhebers ausgewählt werden», erläutert Widmer. «Deshalb hat die Novartis-Stiftung das Programm FreeNovation ins Leben gerufen.»

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FreeNovation - Kurzsichtigkeit als Volkskrankheit
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Die intelligente Brille erfasst Augenbewegungen des Trägers sowie das Umgebungslicht. Die gesammelten Daten werden sicher an einen Computer oder ein Handgerät übertragen und dort von einer leistungsfähigen Software analysiert.

Phy­sik und Me­di­zin

FreeNovation bietet ein perfektes Umfeld für wissenschaftliche Ideen jenseits der ausgetretenen Pfade − für Leung und Schmied ebenso wie für andere Forscher aus diversen Gebieten, von Digital Health und Glykobiologie bis hin zu Gewebe-Engineering und Biomaterialforschung.

Unter normalen Umständen hätte das Physiker-Ehepaar äusserst geringe Chancen gehabt, Finanzmittel für ein medizinisches Projekt zu erhalten. Nicht nur, weil sie relativ unerfahren auf diesem Gebiet waren, sondern auch weil ihr unorthodoxer Ansatz beim Establishment vermutlich für Stirnrunzeln gesorgt hätte.   

«Uns war von Anfang an klar, dass wir quantitative Daten darüber brauchten, wie das Auge auf modernes Kunstlicht und verschiedene Umgebungen reagiert», erklärt Leung. «So kam uns auf der Wanderung die Idee einer intelligenten Brille, die es in dieser Form noch nicht gab.»   

Ihre Idee war, dass diese Brille die Augenbewegungen des Trägers misst und gleichzeitig die Umgebung erfasst. Sie sollte mit Hilfe von Sensoren reale Daten sammeln, die anschlies­send von einer intelligenten Software verarbeitet werden, um neue Erkenntnisse über die Auslöser der Myopie zu gewinnen und so den Weg für neue Ansätze zur Eindämmung der Erkrankung zu ebnen.

Datensammlung

Nachdem sie ihre Idee zu Papier gebracht hatten, sendeten Leung und Schmied genauso wie viele andere Bewerber aus der ganzen Schweiz, die von FreeNovation gehört hatten, eine anonymisierte dreiseitige Zusammenfassung ihres Projekts an die Jury des Programms.   

Nach einer relativ schnellen Prüfung erhielten die beiden zusammen mit einem Dutzend anderer Forschergruppen die Zusage zur Aufnahme in das Programm. «Wir hatten nicht damit gerechnet», erinnert sich Schmied. «Als aber plötzlich die Chance vor uns lag, haben wir Vollgas gegeben.»   

Mit einem Forschungsstipendium und einer 18-monatigen Beurlaubung von ihrem regulären Job begannen die Eheleute, ihre intelligente Brille zu entwickeln.   

Anfangs nutzten sie einen am Markt verfügbaren Eyetracker, der normalerweise im Marketing eingesetzt wird, um die Augenbewegungen von Kunden beim Lesen von Zeitschriften oder Betrachten von Schaufenstern aufzuzeichnen. Anschliessend integrierten sie zusätzliche Sensoren zur Messung des Umgebungslichts und entwarfen eine spezielle Software. Diese sollte analysieren, in welchem Zusammenhang die Augenbewegungen und die Reaktion des Auges auf künstliche Lichtquellen und visuelle Umgebungen stehen.

Zusammenarbeit

Nicht lange nach dem Projektstart hatte das Paar schon die ersten Prototypen fertig. Unterdessen war kurz nach Erhalt des Stipendiums Ende 2016 ihre gemeinsame Tochter zur Welt gekommen.   

Im nächsten Schritt erhielten sie die Möglichkeit, in Zusammenarbeit mit dem Augenarzt Peter Maloca vom Moorfields Eye Hospital in London ihre etwas klobige, aber technisch extrem leistungsfähige Brille an erwachsenen Probanden zu testen.   

In einer Pilotstudie wurde die Brille von jeweils 15 normal- und kurzsichtigen Personen rund eine Stunde lang getragen, während diese umhergingen, lasen und in die Ferne blickten.    

Das Ergebnis war vielversprechend. «Wir stellten fest, dass wir die meisten Parameter wie Lichtstärke, Pupillengrösse und Lidschlagrate mit akzeptabler Genauigkeit messen konnten», berichtet Leung.  

 Über welche Distanz die Träger der Brille jeweils in die Ferne blickten, konnten sie hingegen noch nicht zuverlässig messen. Deshalb integrierten sie einen Laser-Distanzsensor in die Brille, der die Blickdistanz viel genauer ermitteln konnte.

Nächste Schritte

Diese verbesserte Brille haben Vanessa Leung und Roman Schmied in einer Studie mit Kindern in Hongkong getestet.   

«Wir haben dank FreeNovation schon viel geschafft. Wir konnten auf einem wichtigen medizinischen Gebiet arbeiten, das uns persönlich und gleichzeitig Millionen anderer Menschen betrifft», resümiert Schmied. «Wir sind als Team und als Ehepaar gewachsen und hoffen, unsere Arbeit jetzt auf die nächste Stufe zu heben.»   

Wie Vanessa Leung berichtet, wurden bereits 55 Kinder in die Studie aufgenommen. "Wir sind zur Zeit dabei, die Daten auszuwerten."

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