1 miesiąc temu
Badanie OCT stało się jednym z fundamentów współczesnej okulistyki. Pacjent siada przy aparacie, patrzy w punkt, a po chwili lekarz widzi precyzyjny przekrój siatkówki – warstwę po warstwie, bez kontaktu fizycznego z okiem. To jedna z największych zmian, jakie dokonały się w tej dziedzinie medycyny w ciągu ostatnich trzech dekad. OCT pozwala śledzić jaskrę, zwyrodnienie plamki, retinopatię cukrzycową czy obrzęk plamki żółtej – zanim wzrok pacjenta zacznie się wyraźnie pogarszać.
Ale za pozornie prostym badaniem stoi trudna fizyka. Światło wpadające do oka nie wraca do detektora w idealnym porządku. Część fotonów niesie użyteczną informację o badanej tkance. Inne po drodze rozpraszają się, odbijają w przypadkowych kierunkach i mieszają z adekwatnym sygnałem. Efektem jest obraz, który traci kontrast, robi się ziarnisty, mniej czytelny. A właśnie w tych szczegółach – tam, gdzie obraz się rozmywa – mogą kryć się pierwsze oznaki choroby.
Tym problemem od lat zajmuje się prof. Maciej Wojtkowski z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER), działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. W publikacji Spatio-temporal optical coherence imaging and tomography for in vivo applications, opublikowanej w Journal of Biomedical Optics, opisuje szczegółowo technologię STOC i jej trójwymiarową wersję STOC-T. To metoda, która ma nie tylko poprawić jakość obrazów oka, ale – co ważniejsze – umożliwić lepsze oddzielanie prawdziwego sygnału od zakłóceń już na etapie akwizycji danych.
Dlaczego obraz oka bywa niepełny?
Siatkówka jest cienka, złożona i delikatna. Naczyniówka – warstwa naczyń krwionośnych leżąca bezpośrednio pod nią – pozostało trudniejsza do uchwycenia w pełnej rozdzielczości. A fotoreceptory, czyli komórki bezpośrednio odpowiedzialne za widzenie, mają rozmiary liczone w mikrometrach. Dlaczego?
Problemem jest natura światła. Kiedy foton z jednego punktu tkanki trafia do wielu punktów detektora zamiast do jednego adekwatnego, obraz przestaje być wierną mapą badanej struktury. W publikacji prof. Wojtkowski nazywa to przesłuchem optycznym (optical-crosstalk, OC). Dla fizyka to kwestia koherencji i interferencji. Dla lekarza – utrata informacji diagnostycznej. Dla pacjenta – ryzyko, iż wczesne zmiany chorobowe zostaną przeoczone.
– W obrazowaniu żywych tkanek nie chodzi o to, żeby zebrać jak najwięcej światła. Trzeba jeszcze wiedzieć, które światło mówi nam coś prawdziwego o tkance, a które tylko psuje obraz – mówi prof. Maciej Wojtkowski.
Co zmienia STOC-T?
STOC-T to nie kolejny filtr na gotowy obraz. Metoda zmienia sam sposób zbierania danych. Układ pomiarowy wielokrotnie modyfikuje fazę światła oświetlającego tkankę, posługując się różnymi wzorami przestrzennymi – tzw. maskami fazowymi. Zarejestrowane sygnały są następnie porównywane i uśredniane. Światło, które uległo rozproszeniu, zachowuje się chaotycznie i niepowtarzalnie przy każdej masce – jego wkład do obrazu stopniowo się znosi. Natomiast światło niosące rzetelną informację o strukturze tkanki pozostaje stabilne i po uśrednieniu wyraźnie dominuje.
To trochę jak próba usłyszenia konkretnej rozmowy w głośnym, pełnym ludzi pomieszczeniu. o ile hałas tła jest przypadkowy, a adekwatny głos powtarza się konsekwentnie – dobry system nagrywający może go wydobyć. STOC-T robi coś podobnego, tylko ze światłem i w czasie rzeczywistym.
– Nie traktujemy szumu jako czegoś, co trzeba później kosmetycznie poprawić. Staramy się tak poprowadzić pomiar, żeby sygnał zakłócający nie zdążył zbudować obrazu – dodaje prof. Maciej Wojtkowski.
W silnie rozpraszających tkankach część informacji może bezpowrotnie zginąć już w chwili rejestracji. Żaden algorytm nie odtworzy jej w pełni z gotowego, zniekształconego obrazu. STOC-T rozwiązuje problem wcześniej – zanim obraz w ogóle powstanie.
Co udało się pokazać?
Publikacja dokumentuje wyniki zarówno na modelach laboratoryjnych, jak i na żywych tkankach biologicznych. W jednym z eksperymentów zespół prof. Wojtkowskiego obrazował standardowy test rozdzielczości przykryty warstwą silnie rozpraszającą, a potem 100-mikrometrową warstwą skóry szczura. Bez STOC obraz był mocno zniekształcony. Po włączeniu modulacji fazowej struktury testu stawały się czytelne. To dobry przykład skali wyzwania: obiekt był cały czas na miejscu, ale informacja o nim dosłownie gubiła się w drodze do detektora. Pokazano również lepsze wnikanie światła pod skórę.
Najistotniejsze są jednak wyniki w obrazowaniu oka. STOC-T umożliwia wizualizację warstw siatkówki, fotoreceptorów, komórek zwojowych i mikrostruktury naczyniówki – z rozdzielczością boczną ok. 5 mikrometrów. To skala zbliżona do pojedynczych komórek.
STOC-T otwiera też inny kierunek – optoretinografię (ORG), czyli rejestrowanie reakcji fotoreceptorów na światło. Wiedzieć, jak wyglądają te komórki, to jedno. Wiedzieć, czy działają prawidłowo – to drugie, i często ważniejsze klinicznie pytanie.
W publikacji opisano pomiary odpowiedzi czopków na migoczące światło w zakresie 1,5-45 Hz. Wyznaczone stałe czasowe wyniosły ok. 398 ms i 43 ms. Wyniki te pokrywają się z zapisami aktywności fotoreceptorów uzyskiwanymi metodą patch-clamp w siatkówkach naczelnych – co sugeruje, iż ORG ze STOC-T może faktycznie odzwierciedlać lokalne odpowiedzi czopków. Takie dane są szczególnie cenne w chorobach, w których funkcja komórek zaczyna szwankować wcześniej, niż ujawnia się to w strukturze. Badanie może wyglądać jeszcze normalnie, ale komórki już reagują inaczej.
Dlaczego to ważne?
Według danych WHO co najmniej 2,2 mld ludzi walczy z zaburzeniami widzenia. W ponad miliardzie przypadków pogorszeniu wzroku można było zapobiec albo przez cały czas można je leczyć – gdyby rozpoznanie było szybsze i dokładniejsze. W jaskrze utraconych włókien nerwowych nie da się łatwo odzyskać. W retinopatii cukrzycowej zbyt późno wykryte zmiany naczyniowe mogą prowadzić do poważnych powikłań. W chorobach plamki żółtej szybkie rozpoznanie i precyzyjne monitorowanie leczenia może decydować o tym, czy pacjent zachowa ostre widzenie centralne.
STOC-T nie pozostało gotowym produktem klinicznym. Publikacja jasno wskazuje ograniczenia: metoda wymaga szybkiej kamery CMOS (512 x 512 pikseli, 60 000 kl./s), przestrajalnego lasera w zakresie 800-870 nm, i generuje ogromne ilości danych – pojedyncza akwizycja z 32 wolumenami może przekraczać 8,5 GB. To prawdziwe wyzwanie dla infrastruktury obliczeniowej.
Duże nadzieje wiązane są ze światłowodem wielomodowym jako najprostszym mechanizmem modulacji fazowej: dla rdzenia 50 μm i długości 300 m układ prowadzi ok. 800 modów, co teoretycznie pozwala redukować szum przesłuchu optycznego blisko 29-krotnie – i nie wymaga żadnej aktywnej elektroniki sterującej.
– To nie pozostało koniec drogi. Wiemy jednak, co trzeba poprawiać: szybkość, wolumen danych, kodowanie fazy i automatyzację rekonstrukcji. Sama idea i sposób opisu zjawiska dają bardzo duże możliwości rozwojowe tak dla nowych urządzeń, jak i samej metody – podsumowuje prof. Maciej Wojtkowski.
Źródło i fot.: ICTER
