Współczesne metody obrazowania siatkówki są dziś na tyle czułe, że pozwalają zobaczyć struktury na poziomie pojedynczych komórek. To ogromna szansa dla medycyny, ponieważ siatkówka jest jedną z bardzo nielicznych części układu nerwowego, które można badać nieinwazyjnie przez przezroczyste struktury oka. Jej mikrostruktura może ujawniać nie tylko choroby okulistyczne, takie jak zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem (AMD) czy retinopatia cukrzycowa, ale także schorzenia ogólnoustrojowe i neurodegeneracyjne. Obrazowanie oka staje się coraz ważniejszym narzędziem we wczesnym wykrywaniu patologii i monitorowaniu przebiegu choroby.

Im dokładniej chcemy oglądać ludzką siatkówkę, tym wyraźniej widać jedno z podstawowych ograniczeń fizyki. W obrazowaniu komórkowym od lat obowiązuje ten sam kompromis: można zobaczyć drobne struktury z imponującą ostrością, ale tylko w bardzo cienkiej warstwie tkanki. Żeby obejrzeć całą siatkówkę, trzeba zwykle wielokrotnie przestawiać ostrość i wykonywać kilka osobnych skanów. Ten sekwencyjny proces wydłuża badanie, zwiększa złożoność całej procedury i podnosi ryzyko powstawania artefaktów, na przykład wskutek drobnych ruchów oka.

Międzynarodowy zespół naukowców z udziałem Dawida Boryckiego i Macieja Wojtkowskiego z ICTER i Instytutu Chemii Fizycznej PAN oraz Zhoulin Liu i Daniela X. Hammera z FDA Center for Devices and Radiological Health (CDRH) pokazał właśnie, że ten problem można obejść. Zamiast dalej komplikować aparaturę, badacze połączyli procedury. „To ważny krok nie tylko dla fizyki obrazowania, ale także dla przyszłej diagnostyki chorób oka i schorzeń neurologicznych” - inforuje w prasowym komunikacie Instytut Chemii Fizycznej PAN.

Szczegóły opisano w pracy opublikowanej na łamach Biocybernetics and Biomedical Engineering. 

Kluczową rolę w tym badaniu odgrywa AO-OCT, czyli optyczna tomografia koherencyjna połączona z optyką adaptacyjną, rozwijana w grupie dr. Hammera w CDRH. Łączy ona dwie technologie. OCT to dobrze ugruntowana technika w okulistyce - w istocie optyczny odpowiednik ultrasonografii, wykorzystujący światło podczerwone zamiast fal dźwiękowych i oferujący znacznie wyższą precyzję. Z kolei optyka adaptacyjna (AO) poprawia obraz OCT poprzez korekcję zniekształceń optycznych wprowadzanych przez samo oko oraz układ obrazujący. Dzięki tej korekcji można znacząco zwiększyć ostrość obrazu, zbliżając się do fizycznych granic możliwości układów optycznych.

AO-OCT umożliwia uzyskiwanie trójwymiarowych obrazów siatkówki żywego oka z rozdzielczością komórkową. Pozwala to zobaczyć fotoreceptory, niektóre przezroczyste neurony, takie jak komórki zwojowe siatkówki, naczynia włosowate oraz wiele innych drobnych struktur, które jeszcze niedawno pozostawały poza zasięgiem nieinwazyjnych metod obrazowania. Dlatego AO-OCT uznawane jest za jedną z najbardziej zaawansowanych i obiecujących technik we współczesnej diagnostyce okulistycznej i badaniach nad siatkówką.

Jednak wysoka rozdzielczość AO-OCT ma swoją cenę.

Wysoka apertura numeryczna stosowana w AO-OCT ogranicza głębię ostrości do zaledwie kilkudziesięciu mikrometrów. To bardzo niewiele, jeśli weźmiemy pod uwagę, że siatkówka jest tkanką wielowarstwową o grubości ok. 300 mikrometrów, a z punktu widzenia biologii i medycyny często chcemy jednocześnie obserwować struktury położone na różnych głębokościach - tak jak ma to miejsce w klasycznym OCT. To ograniczenie, między innymi, utrudniało dotąd wdrożenie AO-OCT do praktyki klinicznej na szerszą skalę i ograniczało dostęp lekarzy do bardziej szczegółowego obrazu chorób oka. Dlatego badacze od lat poszukują sposobów na "rozciągnięcie" zakresu ostrego obrazowania bez utraty wysokiej rozdzielczości.

Naukowcy z ICTER i CDRH postawili sobie za cel znalezienie sposobu, aby zobaczyć całą siatkówkę wyraźnie bez konieczności wykonywania wielu oddzielnych skanów na różnych głębokościach. Do tej pory jedynym rozwiązaniem było tzw. focus stitching. W praktyce polega ono na kolejnym ustawianiu ostrości - najpierw na jednej warstwie, potem na następnej i kolejnych - a następnie na rejestracji, wyrównaniu i połączeniu wszystkich uzyskanych obrazów w jeden wolumen. Takie łączenie obrazów działa, ale jest kosztowne zarówno pod względem sprzętu, jak i czasu. Technika wymagająca dużych nakładów czasu i zasobów może być wartościowa w badaniach eksperymentalnych, ale nie jest praktyczna w zastosowaniach klinicznych, dlatego kluczowe jest uproszczenie całej procedury.

Autorzy zaproponowali podejście hybrydowe, w którym optyka adaptacyjna koryguje główne aberracje oka i zapewnia wysoką jakość danych wejściowych dla wielu warstw jednocześnie, a następnie całość danych przetwarzana jest przez algorytm tzw. obliczeniowej korekcji aberracji (Computational Aberration Correction, CAC), który rozszerza zakres ostrego obrazowania.

„W tym badaniu skupiliśmy się przede wszystkim na korekcji defocusu zależnego od głębokości - czyli rozogniskowania wynikającego z tego, że różne warstwy siatkówki nie znajdują się w tej samej płaszczyźnie ostrości. Jeśli aparat jest idealnie ustawiony na jedną warstwę, ostrość pozostałych warstw staje się suboptymalna. Algorytm CAC ma za zadanie odzyskać ostrość tych warstw, które podczas akwizycji nie znajdowały się w najlepszym położeniu ogniskowania” - powiedział dr hab. Dawid Borycki, kierownik Grupy PICO w ICTER i pierwszy autor publikacji, cytowany w prasowym komunikacie.

„Najważniejsze było dla nas nie tylko poprawienie jakości obrazu, ale uproszczenie całego badania pacjenta. Jeśli z jednego ustawienia ostrości można uzyskać wiarygodne informacje z całej grubości siatkówki, otwieramy drogę do bardziej praktycznego i klinicznie użytecznego obrazowania oka z rozdzielczością komórkową” - podsumował dr Daniel Hammer.

Choć publikacja dotyczy bardzo zaawansowanej techniki obrazowania, jej praktyczne znaczenie jest proste. Celem jest przyspieszenie i uproszczenie szczegółowych badań siatkówki oraz zmniejszenie ich zależności od wielokrotnych akwizycji. Dla pacjentów może to w przyszłości oznaczać wizytę nawet 3-5 razy krótszą niż w przypadku dzisiejszych, bardziej złożonych procedur badawczych. Im krótsze i prostsze badanie, tym mniejsze ryzyko pogorszenia jakości obrazu przez naturalne ruchy oka, zmęczenie czy trudności w utrzymaniu stabilnego spojrzenia.

Z medycznego punktu widzenia uzyskiwanie obrazów oka o wysokiej rozdzielczości ma ogromne znaczenie, ponieważ w diagnostyce chorób siatkówki oraz niektórych schorzeń neurologicznych kluczowe jest nie tylko wykrywanie zaawansowanych zmian, ale także uchwycenie najwcześniejszych, subtelnych oznak uszkodzenia. Jeśli lekarze będą mogli szybciej uzyskać bardzo szczegółowy obraz całej siatkówki, zwiększy to ich szanse na wcześniejsze rozpoznanie choroby i dokładniejsze monitorowanie jej przebiegu.

Nauka w Polsce

ekr/ zan/