Innowacyjną metodę wykrywania zonulopatii, czyli groźnego schorzenia aparatu więzadłowego oka, opracowują naukowcy z Politechniki Wrocławskiej. Powstanie urządzenie do badania kołysania soczewki, wykorzystujące zaawansowaną optykę, zaś AI pomoże analizować wyniki.
W prace zaangażowani są naukowcy z dwóch wydziałów: Podstawowych Problemów Techniki i Medycznego. Kierownik projektu – dr hab. inż. Damian Siedlecki z Katedry Optyki i Fotoniki – od wielu lat zajmuje się badaniem oscylacyjnych ruchów bezwładnościowych soczewki ocznej. Wcześniejsze wyniki przyniosły bezcenną wiedzę o biomechanice oka. Udało mu się potwierdzić doniesienia o istotnym wpływie akomodacji na parametry tego ruchu. Tradycyjne pomiary okulistyczne wykonuje się zazwyczaj przy wyłączonej akomodacji. Tymczasem badania pokazały, że ruch oscylacyjny soczewki staje się bardziej wyraźny i łatwiejszy do obserwacji przy maksymalnej akomodacji. Wtedy mięsień rzęskowy kurczy się, a więzadełka ulegają maksymalnemu poluzowaniu, dając soczewce większą swobodę do drgania.
Całkiem nowym odkryciem był wpływ fizycznego kontaktu, jaki zazwyczaj istnieje pomiędzy soczewką a tęczówką. Okazało się, że jest to czynnik, który znacznie wpływa na naturalne drgania soczewki, w sposób istotny zmieniając ich parametry. Naukowiec z PWr pokazał, że farmakologiczne rozszerzenie źrenicy zmniejsza rozmiar samej tęczówki, co w dużym stopniu eliminuje kontakt pomiędzy soczewką a tęczówką i pozwala na rejestrację swobodnego ruchu kołyszącego soczewki.
Gdy zaprezentowaliśmy nasze wyniki dr Agnieszce Kowal-Lange z Wydziału Medycznego PWr, natychmiast powiązała to zjawisko z zonulopatią. To spotkanie uświadomiło nam, że wykrywanie patologii aparatu więzadłowego oka stanowi znacznie bardziej obiecujący kierunek kliniczny niż wcześniejsze próby pośredniego pomiaru ciśnienia wewnątrzgałkowego. Tak narodził się obecny projekt – dodaje dr hab. inż. Damian Siedlecki.
Na tropie schorzenia
W zdrowym oku soczewka jest zawieszona za tęczówką za pomocą sieci mikroskopijnych włókien białkowych, zwanych więzadełkami rzęskowymi lub aparatem więzadłowym. Stabilizuje on soczewkę w osi optycznej i pośredniczy w akomodacji. Podczas ruchu obrotowego oka soczewka wykonuje minimalny, naturalny ruch bezwładnościowy, który u osób zdrowych jest na tyle szybki, że praktycznie niezauważalny.
Zonulopatia to stan polegający na osłabieniu, degeneracji lub uszkodzeniu tych więzadełek. W jej przebiegu ruch oscylacyjny soczewki staje się nadmierny i nienaturalnie wydłużony – soczewka drga wyraźnie po zatrzymaniu obrotu gałki ocznej.
Konsekwencje takiego stanu mogą być poważne. Początkowo choroba powoduje drgania obrazu lub niewyraźne widzenie, jednak jej postęp grozi całkowitym zerwaniem więzadełek. Skutkuje to drastycznym upośledzeniem wzroku, a nawet jego utratą – wyjaśnia lider projektu. – Wyleczenie zerwanego aparatu więzadłowego nie jest możliwe i konieczny staje się skomplikowany zabieg chirurgiczny polegający na zastąpieniu naturalnej soczewki implantem, co nieodwracalnie pozbawia oko zdolności akomodacji – dodaje.
Zonulopatia może być wywołana przez urazy, starzenie, cukrzycę bądź zespół pseudoeksfoliacji (PEX), rozwijający się bezobjawowo przez wiele lat.
PEX to przewlekłe schorzenie metaboliczne, w którym na soczewce, tęczówce i ciele rzęskowym odkładają się patologiczne złogi białkowe. Złogi te zmieniają właściwości biomechaniczne więzadełek, osłabiając je i czyniąc je podatnymi na uszkodzenia – wyjaśnia naukowiec.
Szczególnym wyzwaniem są również tzw. stany subkliniczne zonulopatii. Okazuje się bowiem, że zdarzają się sytuacje, w których zewnętrznie narząd wzroku może wyglądać pozornie zdrowo, jednak podczas rutynowej operacji usunięcia zaćmy, osłabione więzadełka rzęskowe mogą nagle pęknąć i rozsypać się.
Chirurg zmuszony jest wtedy podejmować nagłe, ryzykowne decyzje operacyjne. Możliwość nieinwazyjnego zdiagnozowania takiego subklinicznego stanu przed operacją pozwoliłaby chirurgowi zaplanować odpowiednie procedury i narzędzia zabezpieczające, eliminując groźne niespodzianki – tłumaczy dr hab. inż. Damian Siedlecki.
Innowacyjne rozwiązania technologiczne i diagnostyczne
W ramach projektu nasi naukowcy chcą opracować nieinwazyjne urządzenie do diagnostyki aparatu więzadłowego soczewki. Fundamentem badań jest budowa mobilnego układu do bezdotykowego pomiaru kołysania soczewki przy użyciu analizy ruchu obrazów Purkinjego.
Obrazy Purkinjego to refleksy świetlne powstające na granicach struktur oka (rogówki i soczewki) o różnych współczynnikach załamania światła, działających jak zwierciadła. Powstają cztery takie obrazy: od przedniej i tylnej powierzchni rogówki oraz przedniej i tylnej powierzchni soczewki. Poprzez analizę mikroruchów tych refleksów można precyzyjnie scharakteryzować ruch samej soczewki – tłumaczy naukowiec.
Podstawowy układ optyczny tego typu jest znany w fizyce, jednak jego komercyjne i diagnostyczne wdrożenie wymaga wprowadzenia innowacyjnych rozwiązań. W ramach projektu planowana jest rozbudowa dotychczasowego urządzenia. Kluczową zmianą będzie wyposażenie go w moduł korekcji refrakcji i kontroli akomodacji. Taki moduł z jednej strony umożliwi eliminację indywidualną wadę wzroku pacjenta, co zapewni powtarzalność i porównywalność pomiarów, a z drugiej – da możliwość precyzyjnego sterowania stanem napięcia mięśnia rzęskowego oka osoby badanej.
Cały układ zostanie wyposażony w szybką kamerę wideo o wysokiej rozdzielczości oraz precyzyjny obiektyw telecentryczny, zapewniający stałe powiększenie niezależnie od odległości – wyjaśnia naukowiec. – Z racji tego, że ruch kołyszący występuje po każdym obrocie oka, badanie generuje ogromną ilość danych wideo. W ciągu zaledwie kilku chwil rejestruje się kilkadziesiąt takich zdarzeń. Analiza tak wielkich zbiorów danych wymaga automatyzacji, dlatego planujemy w tym zakresie wykorzystać algorytmy sztucznej inteligencji – dodaje.
Badania potrwają 12 miesięcy, w trakcie których naukowcy chcą przygotować prototyp urządzenia wraz z odpowiednim oprogramowaniem oraz opracować stabilny protokół badawczy. Następnie planowane są wstępne badania na grupie kilkudziesięciu zdrowych osób, co pozwoli zebrać dane referencyjne dla zdrowej populacji.
MK, źródło: PWr