Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Diagnostyka okulistyczna jutra

obrazek: Zespół Biooptyki i Inżynierii Optycznej 2019 fot.nadesłana]
Zespół Biooptyki i Inżynierii Optycznej 2019 fot. nadesłana

Oko ludzkie, jako narząd zmysłu wzroku, umożliwia człowiekowi podstawowy kontakt ze światem zewnętrznym. Pogorszenie jakości widzenia, bądź całkowita jego utrata, znacząco wpływa na jakość życia, ponieważ zdecydowaną większość informacji zmysłowej odbieramy drogą wzrokową. Starzenie się powoduje, iż coraz więcej ludzi boryka się z problemami związanymi z widzeniem. Ze względu na wydłużający się wiek życia, utrata widzenia staje się zatem problemem globalnym, ponieważ liczba osób z zaburzeniami ostrości widzenia będzie się znacznie powiększać.

Obecnie do głównych powodów ślepoty i zaburzeń widzenia należą: nieskorygowane wady refrakcyjne oka (krótkowzroczność, dalekowzroczność, astygmatyzm), zaćma (nieprzeźroczystość soczewki oka), jaskra (uszkodzenie nerwu wzrokowego wskutek podwyższonego ciśnienia wewnątrz gałki ocznej), retinopatia cukrzycowa oraz zwyrodnienie plamki żółtej.

W ogólności do oceny stanu zdrowia oka wykorzystuje się różne techniki pomiarowe, które są zarazem specyficzne dla konkretnej części oka (przedni bądź tylny odcinek oka) ze względu na własności refrakcyjne układu optycznego oka. Badanie przedniego odcinka oka, jest podstawowym elementem każdego standardowego badania okulistycznego. Najczęściej przeprowadzane jest za pomocą lampy szczelinowej. Uzupełnienie standardowych procedur stanowią różne metody obrazowania, np. biomikroskopia ultradźwiękowa, mikroskopia konfokalna, topografia rogówki za pomocą kamery Scheimpfluga, keratoskopia, gonioskopia, tomografia optyczna OCT. Badanie tylnego odcinka, w szczególności siatkówki, wykonywane jest za pomocą oftalmoskopu, fundus fotografii, skaningowej oftalmoskopii laserowej czy angiografii z użyciem barwników (fluoresceiny lub zieleni indocyjaninowej) do diagnozowania układu naczyniowego siatkówki.

Zaćma jest schorzeniem, dotykającym połowę populacji w wieku powyżej 75 lat. Soczewka, która jest strukturą na ogół dość przeźroczystą, wraz z wiekiem może tracić swoje własności ze względu na mikrozmiany w organizacji wydłużonych komórek (włókien) soczewki oraz zmiany biochemiczne w tychże komórkach. Prowadzą one wówczas do stopniowego zmętnienia soczewki, objawiającego się zwiększonym rozpraszaniem światła. W zaawansowanych stadiach tego schorzenia światło jest tak mocno rozpraszane w soczewce, że nie dociera do komórek światłoczułych siatkówki – prowadzi to do całkowitej ślepoty. Standardowo zaćmę można wykryć w gabinecie okulistycznym przy użyciu lampy szczelinowej. Jednakże ocena obrazu ma charakter subiektywny, co znacznie ogranicza możliwości wczesnego wykrywania zaćmy. Obiektywny pomiar wewnątrzgałkowego rozpraszania światła stanowiłby efektywny sposób określenia stopnia zmętnienia soczewki.

Tomografia optyczna OCT

Wśród metod optycznych szczególną rolę odgrywa tomografia optyczna OCT (ang. optical coherence tomography). Zasada działania OCT jest analogiczna jak w ultrasonografii, z tą różnicą, że OCT jest techniką interferencyjną, wykorzystującą światło częściowo spójne z zakresu podczerwieni (w odróżnieniu od fali mechanicznej w ultrasonografii). Pomiarowi podlega światło rozproszone w obiekcie (wskutek niejednorodności własności optycznych). Otrzymywane obrazy przekrojowe reprezentują rozpraszanie światła w obiekcie, tym samym informują o przestrzennej strukturze wewnętrznej obiektu. Szczególnie przydatną do obrazowania elementów przedniego odcinka oka jest najnowsza (trzecia już) generacja instrumentów OCT, z użyciem tzw. laserów strojonych jako źródła światła (ang. Swept Source OCT, SSOCT). Laser strojony generuje promieniowanie o długości fali zmieniającej się cyklicznie w czasie z bardzo dużą częstotliwością (~1 MHz). Rozwiązanie to umożliwia detekcję prążków widmowych w dziedzinie czasu za pomocą punktowego detektora światła (fotodiody). Wprowadzenie powyższych modyfikacji, uczyniło ten wariant techniki OCT, szybszym i bardziej czułym, co znacząco przełożyło się na poprawę jakości wizualizacji struktur oka, szczególnie tych najbardziej przeźroczystych. Metoda ta została uznana jako skuteczne narzędzie diagnostyczne w okulistyce ze względu na możliwość nieinwazyjnego i bezkontaktowego uzyskania obrazów przekrojowych o mikrometrowej rozdzielczości. Dodatkową jej zaletą jest to, że stanowi ono dość uniwersalne narzędzie, pozwalającym badać zarówno przedni jak i tylny odcinek oka.

Wyzwania technologiczne

Postęp w technologiach fotonicznych (lasery strojone, szybkie układy akwizycji danych) pozwala uzyskać już zakres obrazowania OCT rzędu dziesiątków milimetrów, a zatem umożliwiający pomiar całego oka (przedni i tylny odcinek oka). Technicznym ograniczeniem jest jednak odmienna konfiguracja tych urządzeń, która uniemożliwia równoczesny pomiar tych dwóch odcinków oka. W układach do obrazowania przedniego odcinka oka, płaszczyzna ogniskowa wiązki światła znajduje się na przednim odcinku oka. W układach do obrazowania siatkówki, równoległa wiązka światła pada na oko i wykorzystuje naturalną optykę oka do zogniskowania światła na siatkówce, co pozwala na uzyskanie pomiaru struktury o grubości ok. 0.3 mm. W celu pomiaru całego oka (przedni oraz tylny odcinek) problemem jest konieczność uzyskania wysokiej czułości detekcji dla nieproporcjonalnie większego rozmiaru obiektu badanego (długość gałki ocznej: ~25 mm).

Jednym z innowacyjnych rozwiązań, wykorzystanych przez Zespół Biooptyki i Inżynierii Optycznej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, jest wykorzystanie aktywnych elementów optycznych, umożliwiających dynamiczną zmianę pozycji ogniska układu obrazującego. Odbywa się to za pomocą tzw. soczewki przestrajalnej (np. strojonej elektrycznie) umieszczonej w głowicy pomiarowej tomografu OCT. Tego typu aktywne elementy optyczne umożliwiają sterowanie położeniem ogniska światła w zakresie kilkunastu dioptrii oraz są wykorzystywane również np. we współczesnych aparatach fotograficznych.

Seria kolejnych pomiarów dla różnych głębokości obrazowania pozwala połączyć obrazy w jeden wynikowy przekrój o zwiększonej czułości obrazowania i objąć cały przedni i tylny odcinek. Układ taki pozwala zatem na zobrazowanie znacznie większego obszaru, niż te badane dotychczas. Ponadto, rozwiązanie takie umożliwia przeprowadzenie dokładniejszej analizy biometrycznej (czyli pomiaru odległości wewnątrzgałkowych) w stosunku do standardowego badania ultrasonograficznego oka. Ocena rozpraszania wewnątrzgałkowego oraz biometria oka są niezwykle ważne w diagnostyce zaćmy oraz w przypadku operacyjnego wszczepienia implantu soczewkowego, którego parametry określa się na podstawie wyników biometrii.

Zrozumienie zjawiska rozproszenia światła w oku ludzkim może stanowić podstawę do rozwoju nowych okulistycznych urządzeń diagnostycznych, a także do badań trudno dostępnych części oka, takich jak ciało szkliste. Obrazowanie tej części oka stawia przed naukowcami nie lada wyzwania, do których przede wszystkim należą detekcja bardzo niskich sygnałów optycznych oraz kompensacja własności refrakcyjnych struktur oka. Uzyskanie przestrzennego rozkładu nieprzeźroczystości (zmętnień) w oku przełoży się w przyszłości na poprawę procedur chirurgicznych.

Toruńska specjalność

Czy możliwa jest dalsza integracja różnych technik okulistycznych w ramach jednego urządzenia? Grupa fizyków z Zakładu Biofizyki i Fizyki Medycznej Instytutu Fizyki UMK wraz ze współpracownikami z Collegium Medicum UMK na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat wykazała wszechstronność zastosowania tomografii OCT, jako metody uzupełniającej do całego wachlarza technik stosowanych dotychczasowo w okulistyce, niejednokrotnie wskazując swoją przewagę.

Po pierwsze, w przypadku badania morfologicznego, OCT pozwala na uzyskanie trójwymiarowych danych na temat morfologii badanych struktur. Po drugie, ocena architektury sieci naczyń krwionośnych za pomocą metody angiografii OCT również uzyskiwana jest w trzech wymiarach w przeciwieństwie do standardowego dwuwymiarowego obrazowania angiograficznego. Dodatkową zaletą OCT jest przeprowadzanie badań bez użycia dodatkowego środka kontrastującego dzięki przepływowi krwi w układach naczyniowych oka. W badaniach funkcjonalnych wykorzystuje się pomiar częstotliwości Dopplera dzięki przepływowi krwi. Po trzecie, pomiar topografii rogówki za pomocą OCT również wykazuje swoje zalety w stosunku do pomiarów z wykorzystaniem kamery Scheimpfluga czy keratometru. Po czwarte, tomograf OCT zintegrowany z tonometrem wykorzystującym podmuch powierza pozwala na dodatkowe bezkontaktowe badania własności biomechanicznych struktur oka oraz na powiązanie mierzonych parametrów z ciśnieniem wewnątrzgałkowym.

Wymienione powyżej funkcjonalności urządzeń OCT z pewnością pozwalają obecnie na przeprowadzenie całościowej diagnostyki tak ważnego dla człowieka organu, jakim jest oko.

Współpraca międzynarodowa

Badania i osiągnięcia Zespołu Biooptyki i Inżynierii Optycznej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK w Toruniu nie byłyby możliwe bez współpracy krajowej i międzynarodowej. Zespół naukowy, kierowany przez dr. hab. Ireneusza Grulkowskiego, prof. UMK, jest finansowany ze środków zewnętrznych dzięki projektom Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (Program TEAM), Narodowego Centrum Nauki (Program SONATA-BIS oraz HARMONIA) oraz funduszom Unii Europejskiej w perspektywie Horyzont 2020 (ITN, konsorcjum BE-OPTICAL). W projekcie „Lenticular and vitreal light scattering and refraction for tomorrow's eye diagnostics” partnerami Zespołu są: Laboratorium Optyki Uniwersytetu w Murcji (Hiszpania, prof. Pablo Artal) oraz Klinika Okulistyki i Optometrii w Katedrze Chorób Oczu Collegium Medicum UMK (prof. dr hab. Bartłomiej Kałużny).

Dr hab. Ireneusz Grulkowski, prof. UMK – Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, kierownik projektu TEAM ‘Lenticular and vitreal light scattering and refraction for tomorrow's eye diagnostics’ 20182021, boelab.org., członek grupy priorytetowej LANCET.

Dr Daniel Rumiński – adiunkt Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

pozostałe wiadomości

galeria zdjęć

Schemat przekroju gałki ocznej. Przedni i tylny odcinek oka ludzkiego. Obrazy przekrojowe soczewki oraz siatkówki. Widoczne zmętnienia ciała szklistego za soczewką oraz przed siatkówką. Projekcje en face zmętnień ciała szklistego (głębokość zakodowana kolorem) [fot.nadesłana]