Nową metodę obrazowania obiektów biologicznych – przestrzenno-czasową tomografię optyczną – stworzyli naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN.
Techniki obrazowania biomedycznego, czyli metody fotografowania wewnętrznych i zewnętrznych struktur komórek, tkanek czy złożonych układów biologicznych na żywo, są jednym z głównych źródeł pozyskiwania informacji we współczesnej biologii i medycynie. W przypadku gdy używamy światła, struktura tkanek biologicznych silnie deformuje oświetlającą wiązkę. Dlatego obrazowanie optyczne jest dużym wyzwaniem, gdy chcemy zobaczyć żywą komórkę lub strukturę tkankową, które znajdują się głęboko pod skórą w ich naturalnym otoczeniu.
Struktura biologiczna, z punktu widzenia fali światła, jest bardzo nieuporządkowana. W przybliżeniu to tak, jakby wiązka światła podróżowała przez folię bąbelkową, stosowaną przy pakowaniu kruchych przedmiotów. Taką deformację fali światła można, do pewnej granicy „wygniecenia”, skorygować za pomocą znanej techniki optyki adaptacyjnej. W metodzie tej zaburzenie fali światła musi być bardzo dokładnie zmierzone i odtworzone w pamięci komputera. Następnie, posługując się już fizycznymi urządzeniami tzw. zwierciadłami deformowalnymi i znając skalę deformacji, możemy to zaburzenie skorygować. Niestety, w przypadku obiektów biologicznych skala zaburzeń fali światła jest znacznie większa i bezpośrednie ich zmierzenie i skorygowanie staje się niemożliwe – przyznaje prof. Maciej Wojtkowski, założyciel Międzynarodowego Centrum Badań Oka.
Naukowcy tej jednostki zaproponowali nowe podejście do kontroli spójności światła używanego w obrazowaniu. Ten nowatorski pomysł, który zweryfikowano eksperymentalnie, został wykorzystany do obrazowania skóry, rogówki i siatkówki ludzkiego oka in vivo. W efekcie powstała nowa metoda obrazowania obiektów biologicznych – przestrzenno-czasowa tomografia optyczna (ang. spatio-temporal optical coherence tomography, STOC-T).
W naszych pracach przeprowadziliśmy badania podstawowe wprowadzając specyficzny opis zjawiska rozpraszania światła z wykorzystaniem jego własności statystycznych (spójność przestrzenna i czasowa). Zaproponowaliśmy eksperymenty weryfikujące poprawność wprowadzonego modelu. Z układu eksperymentalnego powstał również układ laboratoryjny demonstrujący możliwości nowej metody w obrazowaniu biomedycznym. Pokazaliśmy możliwości zastosowania nowej metody do obrazowania przyżyciowego, co potwierdziło poprawność tez postawionych w tym projekcie – raportują badacze.
Praktyczne skutki badań zademonstrowali na przykładzie obrazowania oka ludzkiego. W przypadku obrazowania rogówki dzięki STOC-T mogli znacząco wydłużyć czas ekspozycji nie narażając położonej głębiej, delikatnej siatkówki. Jednocześnie pozwoliło to na zachowanie wysokiej wartości mocy światła, która umożliwia zobaczenie bardzo słabego rozproszenia wstecznego od rogówki. Dodatkowo objętościowy charakter zbieranych danych pozwolił na optyczne „spłaszczenie” krzywizny rogówki i uzyskanie wyjątkowo ostrych obrazów wszystkich tworzących ją warstw w całym przekroju. To niełatwa sztuka, bo przejrzystość rogówki, choć pozwala na zaglądanie do wnętrza oka, wcale nie ułatwia badania jej samej.
W przypadku obrazowania siatkówki pokazaliśmy, że możemy przeniknąć głębiej do obszarów pod siatkówką, których nie można było dotąd obrazować. Zastosowanie STOC-T do obrazowania siatkówki pozwoliło nam w szczególności na rekonstrukcję morfologii czopków w ludzkim oku. Ponadto, dzięki zastosowaniu superszybkiej kamery rejestrującej dziesiątki tysięcy klatek na sekundę, możemy błyskawicznie rejestrować obrazy. Nasza metoda STOC-T pozwala na uchwycenie siatkówki w ułamku sekundy i zarejestrowanie całej jej głębi w niezwykle wysokiej, niespotykanej dotąd rozdzielczości. Pacjent nie zdąży nawet mrugnąć, a jego oko już jest zobrazowane i to z dokładnością pozwalającą oglądać nawet pojedyncze komórki. A gdyby nawet poruszył okiem, urządzenie, a raczej komputer, skompensuje ten ruch, wciąż dając ostry obraz. Do tego nasz aparat nie ma ruchomych części, a dzięki modulacji fazy wiązki laserowej możemy wykorzystywać większe moce bez szkody dla głębiej położonych tkanek oka – tłumaczy kierownik projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu MAESTRO.
Międzynarodowe Centrum Badań Oka (ICTER) jest podjednostką Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Ośrodek został utworzony w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Strategicznym partnerem zagranicznym ICTER jest Institute of Ophthalmology, University College London, zaś międzynarodowym partnerem naukowym – Uniwersytet Kalifornijski w Irvine (USA). Priorytetem naukowym jest dogłębne zbadanie dynamiki i plastyczności ludzkiego oka w celu opracowania nowych terapii i narzędzi diagnostycznych. Badania prowadzone są na różnych poziomach rozdzielczości: od pojedynczych cząsteczek do całej architektury i funkcji oka. W ICTER funkcjonuje pięć grup badawczych:
Dawid Borycki, Kamil Liżewski, MK, źródło: IChF PAN