Jedna z głównych inicjatyw realizowanych przez grupę IDoc koncentruje się na opracowywaniu bezpieczniejszych i bardziej efektywnych narzędzi do chirurgii oka. To przedsięwzięcie stanowiło dla nas wyzwanie, ponieważ wykracza poza nasze tradycyjne obszary ekspertyzy. Niemniej jednak, to, że udało nam się zgromadzić zespół, który w ciągu niecałych trzech lat skutecznie zintegrował różnorodne kompetencje i zaawansował projekt do obecnej fazy trzeba uznać za naprawdę duże osiągnięcie.
Nasza podróż, polegająca na stopniowym gromadzeniu wiedzy i doświadczenia, pozwoliła w końcu na integrację wszystkich kluczowych komponentów. Cieszymy się niezmiernie, że możemy pochwalić się przeprowadzeniem pierwszych eksperymentów, w których wykorzystano manipulator robotyczny do usprawnienia procedur stosowanych w chirurgii oka. Działanie naszego układu wspomagane jest przez precyzyjne śledzenie pozycji narzędza chirurgicznego, aby w czasie rzeczywistym wyświetlać odpowiadające tej pozycji przekroje OCT.
Kolejny projekt, w który zaangażowane było laboratorium IDoc od początku swojej działalności, dotyczy jednego z głównych celów ośrodka badawczego ICTER, czyli opracowania metod i narzędzi do obiektywnego wykrywania struktury i funkcji oka oraz ich zmian w przypadku chorób. Realizowaliśmy to we współpracy z grupą POB, wprowadzając nowatorską technikę zwaną optoretinografią. Łączymy ją z narzędziami biologii strukturalnej opracowanymi przez grupę ISB w celu analizy układu komórkowego i jego złożonych zmian podczas cyklu wzrokowego, aby zweryfikować nasze hipotezy dotyczące źródła sygnału funkcjonalnego, który mierzymy. We współpracy z grupą OBi weryfikujemy nasze wyniki z obrazowania funkcjonalnego metodami elektrofizjologii.
Dzięki współpracy to ambitne wyzwanie udało się zrealizować. W trakcie ostatnich eksperymentów obserwowaliśmy w sposób powtarzalny i po raz pierwszy, zmniejszone reakcje funkcjonalne u myszy poddanych czasowemu hamowaniu wzroku w porównaniu do ich reakcji na kilka godzin przed podaniem leku. Za pomocą optoretinografii udało nam się obiektywnie wykazać, że gdy centralne białko z rodziny PDE, które odgrywa rolę w fototransdukcji, zostaje zahamowane fotoreceptory w siatkówce myszy nie wydłużają się tak znacząco podczas ekspozycji na krótki błysk światła, jak w przypadku zdrowego oka.
Pomiar tak niewielkiej zmiany długości fotoreceptorów in vivo, a mówimy tu tylko o kilkudziesięciu nanometrach, może mieć ogromne znaczenie dla nauki o wzroku oraz okulistyki, dostarczając obiektywnego testu funkcjonalnego zdolności wzrokowej i zdrowia fotoreceptorów. To z kolei może przyspieszyć wybór terapii i badania jej skuteczności.
Mikroendoskopy to podstawa nowoczesnej diagnostyki medycznej – pozwalają dostrzec to, czego jeszcze dwie dekady temu nie potrafiliśmy nawet opisać. Technologia ta jest ciągle ulepszana, a do rozwoju sond przyczyniają się naukowcy z ICTER.
Mikroendoskopy wykorzystujące światłowody stają się coraz ważniejszymi narzędziami do obrazowania, ale mają swoje ograniczenia fizyczne. Są one szczególnie istotne w przypadku zastosowań wymagających dużej odległości roboczej, wysokiej rozdzielczości i/lub minimalnej średnicy sondy. Praca badawcza, zatytułowana „Superior imaging performance of all-fiber, two- focusing-element microendoscopes„, autorstwa dr Karola Karnowskiego z ICTER, dr Gavrielle Untracht z Technical University of Denmark (DTU), dr Michaela Hackmanna z University of Western Australia (UWA), Onura Cetinkayi z ICTER i prof. Davida Sampsona z University of Surrey, rzuca nowe światło na nowoczesne mikroendoskopy. Warto podkreślić, że prace badawcze zostały rozpoczęte w czasie, gdy autorzy pracowali w jednej grupie badawczej na UWA.
Naukowcy pokazali w niej, że endoskopowe sondy obrazujące, w szczególności te do tzw. obrazowania bocznego, łączące soczewki światłowodowe (GRIN) z soczewkami kulistymi, oferują doskonałe parametry pracy w całym zakresie apertur numerycznych i otwierają drogę do szerszego zakresu zastosowań obrazowania. W publikacji wydajność endoskopowych sond obrazujących jest porównywalna z powszechnie stosowanymi sondami z pojedynczymi elementami ogniskującymi.
Zdjęcie: Karol Karnowski
Czym są mikroendoskopy?
Miniaturowe sondy światłowodowe, czyli mikroendoskopy, umożliwiają obrazowanie mikrostruktur tkankowych w głębi próbki lub pacjenta. Szczególnie obiecująca jest endoskopowa tomografia optyczna OCT (Optical Coherence Tomography), która nadaje się do obrazowania objętościowego zarówno do tkanek zewnętrznych, jak i wnętrza organów (np. górnych dróg oddechowych, przewodu pokarmowego, czy kanalików w płucach).
Można wyróżnić trzy główne zakresy pracy sond światłowodowych. Badania dużych, pustych narządów (np. jak wspomniane górne drogi oddechowe) wymagają największych zakresów głębokości obrazowania (do 15 mm lub więcej od powierzchni sondy), które zwykle można osiągnąć dzięki wiązkom gaussowskim o niskiej rozdzielczości (rozmiar plamki w ognisku w zakresie 30-100 μm). Pośredni zakres rozdzielczości (10-30 μm) przydaje się do szerszego zakresu zastosowań, np. obrazowania przełyku, mniejszych dróg oddechowych, naczyń krwionośnych, pęcherza moczowego, jajników czy przewodu słuchowego. Największym wyzwaniem jest uzyskanie wiązek o rozdzielczości lepszej niż 10 μm, które są potencjalnie użyteczne w badaniach z użyciem modelach zwierzęcych.
Zdjęcie: Karol Karnowski
Przy tworzeniu sondy, trzeba pamiętać, by zachować kompromis między parametrami konstrukcyjnymi a ich wpływem na wydajność obrazowania. Układy optyczne o dużej aperturze numerycznej (wysokiej rozdzielczości) mają zwykle krótszą odległość roboczą (WD). Ponadto lepsza rozdzielczość i większa odległość robocza są trudniejsze do osiągnięcia w miarę zmniejszania średnicy sondy. Może to być szczególnie problematyczne w przypadku sond do obserwacji bocznej – w porównaniu z ich odpowiednikami obrazującymi w przód, wymagana jest większa minimalna odległość robocza. Jeżeli sonda jest zamknięta w cewniku lub igle, powoduje to wydłużenie wymaganej minimalnej odległości roboczej – w wielu przypadkach to właśnie ona jest czynnikiem ograniczającym w odniesieniu do minimalnej osiągalnej rozdzielczości lub średnicy sondy.
Warto podkreślić, że inżynierom zazwyczaj zależy na minimalizacji średnicy sondy ze względu na zmniejszenie perturbacji dla próbki i/lub komfort pacjenta. Mniejsza sonda to bardziej elastyczny cewnik, a więc i lepsza tolerancja badania przez pacjenta. Dlatego jednym z najlepszych rozwiązań jest stosowanie monolitycznych sond światłowodowych, których średnica jest ograniczona przez grubość włókien optycznych. Sondy takie charakteryzują się łatwością wytwarzania, dzięki technologii spawania światłowodów, co pozwala uniknąć konieczności żmudnego ustawiania i łączenie (zazwyczaj klejenia) poszczególnych elementów mikrooptycznych.
Zdjęcie: Karol Karnowski
Różne rodzaje mikroendoskopów
Najpopularniejsze konstrukcje światłowodowych sond obrazujących to te oparte na dwóch typach elementów ogniskujących: sondy z włóknami GRIN (GFP – GRIN fiber probes) oraz sondy z soczewkami kulistymi (BLP – ball lens probes). Sondy GRIN są łatwe do wykonania, a ich moc refrakcyjna GRIN nie jest tracona, gdy współczynnik załamania otaczającego ośrodka jest zbliżony się do współczynnika załamania użytego światłowodu. Możliwe do osiągnięcia konstrukcje są ograniczone przez komercyjnie dostępne włókna GRIN. Szczególnie trudne jest uzyskanie wysokiej rozdzielczości w przypadku włókien GRIN o małej średnicy rdzenia.
W przypadku sond do obserwacji bocznej, zakrzywiona powierzchnia włókna (i potencjalnie cewnika) wprowadza zniekształcenia, które mogą mieć negatywny wpływ na jakość obrazowania. Sferyczne sondy typu BLP nie będą miały tego problemu, ale rozmiar kuli większy niż średnica włókna jest często wymagany do osiągnięcia rozdzielczości porównywalnej z sondami GFP. Siła skupiająca sondy BLP zależy od współczynnika załamania światła otaczającego ośrodka, co jest ważną kwestią podczas pracy w ośrodku o zbliżonym lub w bliskim kontakcie z próbkami biologicznymi.
Jednym z rozwiązań do polepszenia parametrów sond, jest zastosowanie wielu elementów skupiających światło, podobnie jak w przypadku konstrukcji obiektywów o dużej odległości roboczej. Badania wykazały, że połączenie wielu elementów skupiających światło zapewnia lepsze wyniki dla wielu celów obrazowania. Sondy z wieloma elementami ogniskującymi mogą osiągnąć lepszą rozdzielczość przy mniejszej średnicy, jednocześnie oferować większe odległości robocze bez poświęcania rozdzielczości.
Jak ulepszyć sondy?
W swojej najnowszej pracy, naukowcy z dr Karnowskim na czele wykazali, że sondy z dwoma elementami ogniskującymi, w których zastosowano zarówno segmenty GRIN, jak i soczewki kuliste – nazywane sondami GRIN-ball-lens probes (GBLP) – znacznie zwiększają wydajność monolitycznych sond światłowodowych. Ich pierwsze wyniki z modelowania pokazywano już na konferencjach w 2018 i 2019 roku. Sondy GBLP porównano z najczęściej używanymi sondami GFP oraz BLP i wykazano korzyści w zakresie wydajności, szczególnie w przypadku zastosowań wymagających większych odległości roboczych, lepszej rozdzielczości i/lub małych rozmiarów.
Dla intuicyjnej wizualizacji parametrów pracy sondy, naukowcy wprowadzili nowatorski sposób kompleksowej prezentacji wyników symulacji, szczególnie przydatny w przypadku, gdy w symulacji wykorzystywane są więcej niż dwie zmienne. Analiza wpływu długości włókna GRIN i rozmiaru soczewki kulistej doprowadziła do dwóch interesujących wniosków: dla optymalnych wyników zakres długości włókna GRIN może być utrzymana w zakresie 0,25-0,4 długości skoku (tzw. pitch length); nawet jeśli zysk odległości roboczej (WD) nie jest tak znaczący dla sond GBLP o wysokiej aperturze numerycznej, autorzy pokazali, że taka sama lub lepsze wydajność w zakresie odległości roboczej jest osiągana dla sondy ze dwukrotnie mniejszą średnicą. Co więcej, nowatorskie sondy GBLP oferują wyższe rozdzielczość w porównaniu do sond BLP.
Zdjęcie: Bartłomiej Bałamut
W podsumowaniu pracy czytamy:
Zademonstrowaliśmy potencjał konstrukcji sond GBLP dla zastosowań o zwiększonej odległości roboczej, szczególnie ważnych dla sond z obrazowaniem bocznym, z wysoce zredukowanym wpływem współczynnika załamania środowiska, w którym pracuje sonda i znacznie mniejszym rozmiarem w porównaniu z sondami BLP lub GFP. Te zalety czynią sondy GBLP narzędziem wartym rozważenia w wielu zastosowaniach do obrazowania w badaniach biologicznych i biomedycznych, w szczególności w projektach wymagających mikroendoskopów.
Uwaga: Pierwsze wyniki z modelowania „GRIN-ball-lens probes (GBLP)” zostały już zaprezentowane na konferencjach w 2018 i 2019 roku:
– Karol Karnowski, Gavrielle R. Untracht, Michael J. Hackmann, Mingze Yang, Onur Cetinkaya, David D. Sampson, „Versatile, all-fiber, side viewing imaging probe for applications in catheter-based optical coherence tomography”, Photonics West, San Francisco, USA, Feb 2019, prezentacja ustna;
– K. Karnowski, G. Untracht, M. Hackmann, M. Yang, O. Cetinkaya, and D. D. Sampson, „Versatile, monolithic imaging probes for catheter-based OCT,” 15th Conference on Optics Within Life Sciences, Rottnest Island, Australia, Nov. 2018, prezentacja plakatowa.
Zespół odpowiedzialny za te wyniki rozpoczął pracę na University of Western Australia (UWA), a obecnie prace zostały zakończone w ramach następujących instytucji: Instytut Chemii Fizycznej, Polska Akademia Nauk oraz University of Surrey, przy czym tylko jeden z autorów pozostał na UWA.
Komentarz fotografów: Jednym z kluczowych elementów opracowanych sond jest powierzchnia sferyczna powierzchnia wytworzona na końcówce włókna światłowodowego. Na zdjęciach wykorzystaliśmy możliwości obrazowania takich elementów sferycznych (szklana kula).
Cytowana publikacja: K. Karnowski, G. Untracht, M. Hackmann, O. Cetinkaya and D. Sampson, „Superior Imaging Performance of All-Fiber, Two-Focusing-Element Microendoscopes,” in IEEE Photonics Journal, vol. 14, no. 5, pp. 1-10, Oct. 2022, Art no. 7152210, doi: 10.1109/JPHOT.2022.3203219.
Photo: Karol Karnowski
Źródła finansowania:
Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej (NAWA) w ramach programu Polskie Powroty
Dekadę temu dwaj naukowcy z naszego Instytutu – prof. Wojtkowski i dr Karnowski – opublikowali pierwszą na świecie pracę dotyczącą połącznia tomografii optycznej OCT pobudzenie próbki strumieniem powietrza – metodą znaną z pomiarów tonometrycznych [1]. Zaproponowana metoda bezpośredniego pomiaru deformacji wierzchołka rogówki była przedmiotem dalszych badań [2-4].
W ciągu ostatnich 4 lat prof. Wojtkowski i dr Karnowski kierują (w Instytucie Chemii Fizycznej PAN) grupą badaczy w ramach projektu IMCUSTOMEYE – 4-letniego projektu finansowanego z programu Komisji Europejskiej Horizon 2020 w ramach tematu Photonics 2017 KET. Projekt IMCUSTOMEYE koncentruje się na rozwoju metody air-puff OCT w kierunku pomiarów trójwymiarowych [5]. Ostatecznym celem jest umożliwienie charakterystyki zachowania mechanicznego oka in vivo przy użyciu efektywnej kosztowo technologii obrazowania, która dostarcza wyniki w czasie niemal rzeczywistym. Proponowana metoda umożliwi budowę modeli specyficznych dla pacjenta, które będą w stanie przewidzieć z dużą dokładnością mechaniczną odpowiedź oka na chorobę i leczenie.
Naszą rolą jako ekspertów w dziedzinie optyki biomedycznej i fotoniki, jest opracowanie niedrogiego, kompaktowego urządzenia OCT do obrazowania dynamicznej deformacji rogówki w sposób trójwymiarowy.
References
[1] David Alonso-Caneiro, Karol Karnowski, Bartlomiej J. Kaluzny, Andrzej Kowalczyk, and Maciej Wojtkowski, „Assessment of corneal dynamics with high-speed swept source Optical Coherence Tomography combined with an air puff system,” Opt. Express 19, 14188-14199 (2011)
[2] Carlos Dorronsoro, Daniel Pascual, Pablo Pérez-Merino, Sabine Kling, and Susana Marcos, „Dynamic OCT measurement of corneal deformation by an air puff in normal and cross-linked corneas,” Biomed. Opt. Express 3, 473-487 (2012)
[3] Maczynska, E, Karnowski, K, Szulzycki, K, et al. Assessment of the influence of viscoelasticity of cornea in animal ex vivo model using air-puff optical coherence tomography and corneal hysteresis. J. Biophotonics. 2019; 12:e201800154
[4] Karol Marian Karnowski, Ewa Mączyńska, Maciej Nowakowski, Bartłomiej Kałużny, Ireneusz Grulkowski, Maciej Wojtkowski, „Impact of diurnal IOP variations on the dynamic corneal hysteresis measured with air-puff swept-source OCT”, Phot. Lett. Pol., vol. 10, no. 3, pp. 64-66, (2018)
[5] Andrea Curatolo, Judith S. Birkenfeld, Eduardo Martinez-Enriquez, James A. Germann, Geethika Muralidharan, Jesús Palací, Daniel Pascual, Ashkan Eliasy, Ahmed Abass, Jędrzej Solarski, Karol Karnowski, Maciej Wojtkowski, Ahmed Elsheikh, and Susana Marcos, „Multi-meridian corneal imaging of air-puff induced deformation for improved detection of biomechanical abnormalities,” Biomed. Opt. Express 11, 6337-6355 (2020)
Autor: Dr. Karol Karnowski
OCT w podmuchu powietrza
Estimation of scleral mechanical properties from air-puff optical coherence tomography
David Bronte-Ciriza, Judith S. Birkenfeld, Andrés de la Hoz, Andrea Curatolo, James A. Germann, Lupe Villegas, Alejandra Varea, Eduardo Martínez-Enríquez, and Susana Marcos
Abstract
We introduce a method to estimate the biomechanical properties of the porcine sclera in intact eye globes ex vivo, using optical coherence tomography that is coupled with an air-puff excitation source, and inverse optimization techniques based on finite element modeling. Air-puff induced tissue deformation was determined at seven different locations on the ocular globe, and the maximum apex deformation, the deformation velocity, and the arc-length during deformation were quantified. In the sclera, the experimental maximum deformation amplitude and the corresponding arc length were dependent on the location of air-puff excitation. The normalized temporal deformation profile of the sclera was distinct from that in the cornea, but similar in all tested scleral locations, suggesting that this profile is independent of variations in scleral thickness. Inverse optimization techniques showed that the estimated scleral elastic modulus ranged from 1.84 ± 0.30 MPa (equatorial inferior) to 6.04 ± 2.11 MPa (equatorial temporal). The use of scleral air-puff imaging holds promise for non-invasively investigating the structural changes in the sclera associated with myopia and glaucoma, and for monitoring potential modulation of scleral stiffness in disease or treatment.
We use cookies to optimize our website and our service.
Functional
Zawsze aktywne
The technical storage or access is strictly necessary for the legitimate purpose of enabling the use of a specific service explicitly requested by the subscriber or user, or for the sole purpose of carrying out the transmission of a communication over an electronic communications network.
Preferences
The technical storage or access is necessary for the legitimate purpose of storing preferences that are not requested by the subscriber or user.
Statistics
The technical storage or access that is used exclusively for statistical purposes.The technical storage or access that is used exclusively for anonymous statistical purposes. Without a subpoena, voluntary compliance on the part of your Internet Service Provider, or additional records from a third party, information stored or retrieved for this purpose alone cannot usually be used to identify you.
Marketing
The technical storage or access is required to create user profiles to send advertising, or to track the user on a website or across several websites for similar marketing purposes.
31.10.2023 
