Nowoczesne aparaty OCT potrafią zajrzeć do oka bez skalpela – ale nie zawsze widzą wszystko, co ważne. Część informacji po prostu ginie, rozmyta przez rozproszone fotony. Technologia STOC-T, rozwijana od lat przez prof. Macieja Wojtkowskiego z ICTER, próbuje temu zaradzić.
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 jeszcze 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 właściwym 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. Opracowana przez niego technologia STOC i jej trójwymiarowa wersja STOC-T 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 – jest jeszcze 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 właściwego, obraz przestaje być wierną mapą badanej struktury. Prof. Wojtkowski nazywa to przesłuchem optycznym (optical-crosstalk, OC). Dla fizyka to kwestia koherencji i interferencji. Dla lekarza – utrata informacji diagnostycznej. Dla pacjenta – ryzyko, że 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. Jeżeli hałas tła jest przypadkowy, a właściwy 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 – tłumaczy 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?
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 najnowszej publikacji zespołu 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, że 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 zmaga się z zaburzeniami widzenia. W ponad miliardzie przypadków pogorszeniu wzroku można było zapobiec albo nadal 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 jest jeszcze gotowym produktem klinicznym. Publikacja jasno wskazuje ograniczenia: metoda wymaga szybkiej kamery CMOS (512 × 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 jest jeszcze 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.
Metodę opracowaną w ICTER szczegółowo opisano w „Journal of Biomedical Optics”.
źródło: ICTER