PRECYZYJNIE NA OKO
Z dr. hab. Ireneuszem Grulkowskim z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK rozmawia Winicjusz Schulz
Fot. Andrzej Romański

- Pański artykuł zatytułowany Swept source optical coherence tomography and tunable lens technology for comprehensive imaging and biometry of the whole eye, opublikowany w prestiżowym czasopiśmie "Optica" wydawanym przez Optical Society of America (OSA) wywołał spore poruszenie w naukowym świecie. Fizycy, a zwłaszcza optycy, już zapewne wiedzą, w czym rzecz. Spróbujmy jednak wytłumaczyć innym, na czym polega propozycja Pańskiego zespołu?

- Z punktu widzenia optyka oko ludzkie jest złożonym układem, którego celem jest projekcja obrazu na siatkówce. Dzieje się tak, ponieważ oko zawiera załamujące światło, takie jak rogówka czy soczewka. Ma to podstawowe znaczenie, jeżeli chcemy opracować wielofunkcyjne urządzenie, łączące możliwość obrazowania przedniego i tylnego odcinka oka ludzkiego. Głowice instrumentów różnią się w zależności od tego, na którą część oka są nacelowane. Zaproponowaliśmy prosty układ optyczny, pozwalający na stosunkowo proste przełączanie pomiędzy sposobami obrazowania. Pokazaliśmy również, w jaki sposób można poprawić jakość obrazów OCT. Należy podkreślić, iż przedstawione rozwiązanie nie musi być wykorzystywane tylko w tomografach optycznych, ale też w innych urządzeniach okulistycznych.

- Jak się rozpoczęła Pańska "przygoda" z tomografią optyczną? Studia ukończył Pan w Gdańsku, tam też obronił doktorat, ale habilitację uzyskał Pan już na UMK. To tomograf optyczny - najszybszy na świecie, a skonstruowany właśnie na toruńskim uniwersytecie - był tym magnesem, no i oczywiście grono uczonych, które przyczyniło się do powstania i rozwoju tego wynalazku?

- O tematyce i osiągnięciach Zespołu Fizyki Medycznej prof. Andrzeja Kowalczyka i prof. Macieja Wojtkowskiego czytałem już w trakcie studiów z fizyki biomedycznej na Uniwersytecie Gdańskim. Po obronie doktoratu z dziedziny akustooptyki chciałem zająć się dziedziną obrazowania biomedycznego. Widziałem potencjał do wykorzystania zdobytej wiedzy w różnego rodzaju współczesnych metodach obrazowania. Jeden z profesorów podrzucił mi ulotkę o stażu podoktorskim w Instytucie Fizyki UMK w Toruniu w ramach rozpoczynającego się wtedy projektu EURYI (wtedy jeszcze) dr. Macieja Wojtkowskiego. Mając do wyboru staż w Wiedniu i w Toruniu, wybrałem dynamiczną grupę w Toruniu. W ten sposób trafiłem do Torunia i tak się zaczęła moja przygoda z OCT.

- A sam tomograf optyczny, o którym miałem przyjemność swego czasu pisać na łamach "Polityki", stał się urządzeniem o wielorakich zastosowaniach. Nie tylko trafił do urządzeń okulistycznych, ale znalazł także zastosowanie w innych dziedzinach.

- Faktycznie, zalety OCT zostały dostrzeżone w różnych dziedzinach nauki, techniki i przemysłu, co można również zauważyć w tematyce podejmowanej także w Instytucie Fizyki UMK. W głównej mierze dzięki intensywnym badaniom aplikacyjnym tomografia OCT znalazła zastosowanie w badaniach narządu wzroku. Zaawansowane sposoby analizy danych pomiarowych pozwoliły na opracowanie nowoczesnych podejść, takich jak angiografia OCT czy mikroskopia OCT, które są z sukcesami rozwijane w grupie prof. Macieja Szkulmowskiego.

Ze względu na swoją bezinwazyjność tomografia optyczna OCT znalazła także zastosowanie w innych działach medycyny, jak choćby kardiologia, dermatologia, gastroenterologia itp. Inne badania kliniczne skupiają się na wykrywaniu różnego rodzaju zmian nowotworowych. OCT została użyta jako metoda monitoringu procedur chirurgicznych podczas operacji w chorobach oka i sercowo-naczyniowych. Oprócz zastosowań stricte biomedycznych, mamy do czynienia z szeroko rozumianą gałęzią nieniszczących badań wewnętrznej struktury materiałów. Zastosowania rozpinają się od badań dzieł sztuki, takie jak te prowadzone w grupie prof. Piotra Targowskiego, do monitorowania jakości produktu czy procesów w przemyśle farmaceutycznym, elektronicznym itd.

- I tu znów przydałaby się odrobina "korepetycji" dla mniej wtajemniczonych. Na jakich zasadach działa tomograf optyczny, co i jak pozwala badać?

- Tomograf działa na zasadzie podobnej do ultrasonografu z tym, że tutaj wykorzystujemy światło zamiast fali ultradźwiękowej. W przypadku ultrasonografii, impulsy ultradźwięków wysyłane w głąb ciała ulegają odbiciu na strukturach wewnętrznych. Mierząc czas przelotu i amplitudę impulsu powracającego, ultrasonograf jest w stanie zrekonstruować obraz struktury wewnętrznej ciała. W przypadku OCT, światło padające na badany obiekt ulega rozproszeniu wstecz lub odbiciu. Te niewielkie natężenia odbitego bądź rozproszonego światła jesteśmy w stanie mierzyć tylko za pomocą interferometru. Pojedynczy pomiar zawiera zatem rozkład rozproszenia światła z głębokością. Skanując obiekt wiązka światła, możemy dokonywać "cięcia" obiektu, czyli uzyskać obraz przekrojowy. Ponieważ światło nie penetruje tkanki tak głęboko jak ultradźwięki, technika OCT nadaje się do badań obiektów półprzezroczystych, jak na przykład oko. Zaletą OCT jest możliwość uzyskania obrazów dwuwymiarowych i trójwymiarowych tkanek o wysokiej zdolności rozdzielczej w sposób bezkontaktowy i mało inwazyjny.

- Tomograf optyczny z UMK, choć okazał się najszybszym tego typu urządzeniem na świecie, miał też swoje słabsze strony. Jedną z nich zajął się Pan i Pański zespół. Na jaki problem zwróciliście szczególną uwagę?

- Rzeczywiście technologia tomografu optycznego opracowana na UMK była w praktyce pierwszym i bardzo dobrym rozwiązaniem, na której podstawie działa wiele współczesnych urządzeń dostępnych komercyjnie.

W Zespole Biooptyki i Inżynierii Optycznej zajęliśmy się ograniczeniem wszystkich urządzeń tomograficznych OCT. Okazuje się, że zazwyczaj instrumenty projektowane są pod konkretne zastosowanie, związane z obrazowaniem albo przedniej albo tylnej części oka, ponieważ obie te części wymagają odmiennych konfiguracji głowicy skanującej. Własności optyczne oka nie pozwalają na uzyskanie prostego rozwiązania przy wykorzystaniu standardowych elementów optycznych.

- Jak rozwiązaliście ten problem?

- Wykorzystaliśmy tutaj technologię soczewek strojonych. Zazwyczaj wyobrażamy sobie soczewkę jako kawałek odpowiednio oszlifowanego szkła, który ogniskuje światło w konkretnym punkcie. Soczewki przestrajalne są elementami aktywnymi, pozwalającymi na zmianę swoich parametrów, np. długości ogniskowej. Tego typu elementy w zminiaturyzowanej formie możemy znaleźć np. w kamerach telefonów komórkowych. Zmiany mocy optycznej takiej soczewki pozwalają na ogniskowanie światła albo na przedniej części oka albo na tylnej części. Pokazaliśmy, że jedna konfiguracja z soczewką o zmiennej odległości ogniskowej pozwala na uzyskanie obrazów obu części oka za pomocą tego samego instrumentu. Co więcej, uzyskane obrazy oka posłużyły nam do wydobycia informacji biometrycznej, czy na pomiar odległości elementów składowych w oku. Pomiary te są niezwykle ważne np. przy operacji zaćmy, gdy lekarz musi dobrać parametry implantu wewnątrzgałkowego po usunięciu zmętnionej soczewki.

- Pańskie odkrycia to efekt współpracy także z naukowcami z Hiszpanii, a konkretnie z Murcji. Czyja to była inicjatywa? Jaki był podział ról?

- Współpracę z prof. Pablo Artalem rozpoczęliśmy w 2016 roku, gdy zwrócił się do nas z prośbą o zbudowanie tomografu do badania zmętnień soczewki oka ludzkiego u pacjentów z zaćmą. Korzystając z wcześniejszych doświadczeń ze stażu na MIT, udało się skonstruować unikatowy instrument do badania pacjentów z zaćmą. W międzyczasie zacząłem realizację projektu w ramach programu Iuventus Plus Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, którego celem było właśnie sprawdzenie pomysłu z soczewka przestrajalną.

Zaproponowałem, aby nasze rozwiązanie przetestować na układzie w Murcji ze względu na dobre parametry instrumentu. Zaprojektowane i przetestowane w Toruniu ramię obiektowe zintegrowaliśmy z układem OCT w Murcji. Przeprowadziliśmy kilka sesji pomiarowych w trakcie wizyt w Hiszpanii, co pozwoliło zebrać dane pomiarowe. W ten sposób nie tylko poszerzyliśmy zakres tematyczny naszej współpracy, ale również osiągnęliśmy dodatkowe niezakładane wcześniej cele badań. Umożliwi nam to realizację kolejnych pomysłów. Efektem współpracy naukowej są już dwie opublikowane prace w 2018 roku, a kolejna czeka na złożenie do czasopisma.

Chciałbym tu dodać, że ostatnio udało nam się uzyskać grant z Narodowego Centrum Nauki na finansowanie badań w ramach współpracy międzynarodowej. Wspólnie z partnerami z Uniwersytetu w Murcji będziemy starali się sprawdzić, czy metoda OCT pozwala na obiektywne określenie rozproszenia światła w soczewce oka ludzkiego, co jest istotne w odpowiedniej klasyfikacji pacjentów z zaćmą.

- Optical Society of America to jedno z czołowych światowych stowarzyszeń skupiających nie tylko naukowców, inżynierów, ale i też ludzi biznesu w zakresie optyki i fotoniki. Z pewnością publikacja w "Optice", zwłaszcza, że nadano jej szczególny status, już musiała zwrócić uwagę. Są już pierwsze efekty, może propozycje?

- Zdecydowanie tak. Co ciekawe, szacuje się, że informacja na temat artykułu dotarła do ponad 10 milionów czytelników, nie tylko z świata naukowego. Potencjał podejścia przedstawionego w artykule z czasopisma "Optica" został zauważony przez środowisko naukowe. Otrzymaliśmy propozycje współpracy od dwóch czołowych zespołów badawczych z dziedziny okulistyki z Niemiec i Stanów Zjednoczonych. Mam nadzieję, że pozwoli to nam na rozwój członków grupy i wzmocnienie rozpoznawalności toruńskiego ośrodka fizyki na arenie międzynarodowej.

- W nauce czasem trudno przewidywać, w biznesie jest to nieco łatwiejsze. Jakiego ciągu dalszego się Pan spodziewa?

- Skupiamy się teraz na wykorzystaniu opracowanego rozwiązania do nieco ambitniejszego celu jakim jest obrazowanie wzdłuż całego ciała szklistego. Ciało szkliste jest uznawane ogólnie za przeźroczyste, jednak pewne choroby w oku są związane z powstawaniem nieprzeźroczystości (zmętnień) w tej części oka. Staramy się zastosować i zoptymalizować nasze rozwiązanie w obrazowaniu ciała szklistego, co jest trudnym zadaniem, ale nie niemożliwym. Tego typu urządzenia nie stworzono dotychczas, zatem możliwość wizualizacji zmian chorobowych w szklistce otwiera nowe tematy badawcze, których wyniki powinny mieć wpływ na poznanie etiologii chorób. Rozwiązanie może mieć potencjał komercyjny. Być może tego typu instrument wypełni również niszę na rynku urządzeń diagnostycznych.

- Dziękuję za rozmowę.