18.11.2021

Nieinwazyjna optoretynografia (ORG)

Od wielu lat wizualna inspekcja fotografii dna oka oraz badanie obrazów uzyskanych za pomocą optycznej tomografii OCT są wykorzystywane przez okulistów do diagnostyki chorób oczu i monitorowania postępów terapii dzięki możliwości wykrywania morfologicznych biomarkerów patofizjologii. Jednakże, wczesne zwyrodnienie siatkówki może wpływać na fizjologię fotoreceptorów i ich funkcjonalną odpowiedź na bodźce świetlne na długo przed zaburzeniem morfologii siatkówki w skali widocznej przez instrumenty kliniczne. 

Anomalie w odpowiedzi fizjologicznej mogą być mierzone za pomocą elektroretinografii (ERG), poprzez rejestrację prądów elektrycznych generowanych bezpośrednio przez neurony siatkówki w połączeniu z wkładem pochodzącym z glii siatkówki. Wadą ERG jest to, że mierzy ona średnią odpowiedź z dużych obszarów siatkówki i może nie zauważyć zmian fizjologicznych występujących tylko w małych obszarach. Problem ten może być częściowo rozwiązany przez wieloogniskowe ERG, które mierzy odpowiedź z określonych regionów siatkówki. Problemem pozostaje jednak odróżnienie degeneracji fotoreceptorów od degeneracji neuronów siatkówki. 

Ostatnio opracowano nową technikę zwaną optoretynografią (ORG). W technice tej fizjologiczna odpowiedź na pojedynczy impuls świetlny jest mierzona za pomocą OCT. W naszej pracy skupiamy się na opracowaniu ORG, która może mierzyć odpowiedź na bodziec migotania. Podobne pomiary były już wielokrotnie wykonywane za pomocą ERG i okazały się kluczowe w analizie adaptacji świetlnej siatkówki oraz krytycznej częstotliwości migotania (CFF) pomiędzy plamką żółtą a peryferiami. 

Nasze wyniki pokazały, że jesteśmy w stanie wykryć odpowiedź fotoreceptorów na różne częstotliwości migotania w sposób powtarzalny. Wykazaliśmy również zdolność do przestrzennego wykrywania odpowiedzi na bodziec z paskami światła migoczącymi z różnymi częstotliwościami. Wyniki te podkreślają perspektywę bardziej obiektywnego badania zmian CFF w całej siatkówce lub pełnej charakterystyki przestrzennie rozdzielczej czasowej odpowiedzi częstotliwościowej siatkówki za pomocą perymetrii migotania ORG i innych nowych dokładnych badań funkcjonalnych siatkówki dla wczesnego wykrywania zwyrodnienia siatkówki i monitorowania terapii.

Tekst: dr Sławomir Tomczewski, e-mail: stomczewski@ichf.edu.pl

15.11.2021

Nowatorska, połączona makro- i mikroskopowa metodologia wykrywania stożka rogówki

Poniższe informacje opracowano na podstawie artykułu: „Wykrywanie subklinicznych zmian sztywności rogówki  za pomocą metody alternatywnej do densytometrii rogówki” autorstwa Alejandra Consejo; Marta Jiménez-García; Ikram Issarti & Jos J. Rozema.

Stożek rogówki jest chorobą oczu, która dotyka rogówki, najbardziej zewnętrznej, przezroczystej części soczewkę naszych oczu. Jest postępującą chorobą, która dotyczy 1 na 1000 osób i jeśli nie jest leczona, może prowadzić do ślepoty. Wczesne wykrywanie stożka rogówki jest wyzwaniem klinicznym.

Prezentowana praca została opracowana w ramach projektu MAiCRO wykonywanego w ICTER, a finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Projekt jest wynikiem współpracy z kolegami z Volantis, ze Szpitala Uniwersyteckiego w Antwerpii w Belgii.

W niniejszej pracy zaproponowano reinterpretację już dostępnych danych klinicznych w celu poprawy wczesnego wykrywania stożka rogówki. Podczas standardowego badania okulistycznego lekarze skupiają się głównie na analizie danych makroskopowych: kształtu rogówki, jej grubości, promienia krzywizny oraz innych parametrów geometrycznych. Analiza takich danych pozwala okulistom na rozpoznanie różnych chorób oczu, ale wielokrotnie okazywało się, że nie wystarcza to do postawienia właściwej diagnozy, zwłaszcza na wczesnym etapie rozwoju schorzenia.

Jaką innowację wnosi podejście zaproponowane przez Consejo, Jiménez-García, Issarti & Rozema? Autorzy definiują narzędzie diagnostyczne oparte nie tylko na tradycyjnych parametrach makroskopowych, ale również na danych mikroskopowych opisujących rogówkę, łącząc oba podejścia (informacje makro- i mikroskopowe) w metodologii nazwanej MAiCRO. W szczególności, w prezentowanym artykule,  analizowano obrazy tomograficzne rogówki sześćdziesięciu prawych oczu uzyskane z Kliniki Okulistyki Szpitala Uniwersyteckiego w Antwerpii. Pacjenci zostali podzieleni na trzy grupy: grupa kontrolna (20 oczu), grupa z rogowaceniem klinicznym (20 oczu) i grupa z rogowaceniem subklinicznym (20 oczu) – rogowacenie subkliniczne to oczy, w których nie doszło jeszcze do rozwoju choroby. W badaniu zdefiniowano biomarkery, które odpowiadają za przejrzystość tkanki i porównano je między grupami badanymi. Do zdefiniowania tych biomarkerów zastosowano różne techniki przetwarzania obrazu i statystycznego modelowania rozkładu natężenia światła (innymi słowy, wykorzystano informacje o tym jak światło zmienia się przechodząc przez warstwy rogówki).

Wyniki badania zweryfikowane za pomocą analizy ROC potwierdziły sukces dyskryminacyjny na poziomie 97% w różnicowaniu pomiędzy subklinicznym stożkiem rogówki a oczami kontrolnymi, co odpowiada znacznie większej skuteczności  diagnostycznej niż oferowana przez standardy kliniczne.

Istotną zaletą opracowanej metodologii jest analiza powszechnie dostępnych danych szpitalnych uzyskanych za pomocą nieinwazyjnej tomografii okulistycznej opartej na technologii Scheimpflug. Stosując metodologię MAiCRO, lekarze nie muszą wykonywać dodatkowych pomiarów, ani dodatkowych badań, aby móc skuteczniej niż dotychczas diagnozować stożek rogówki.

Dr Alejandra Consejo jest postdoktorantką współpracującą z ICTER.

Powyższe informacje opracowano na podstawie artykułu: „Wykrywanie subklinicznych zmian sztywności rogówki  za pomocą metody alternatywnej do densytometrii rogówki” autorstwa Alejandra Consejo; Marta Jiménez-García; Ikram Issarti & Jos J. Rozema.

Wsparcie finansowe Narodowego Centrum Nauki (Polska) w ramach programu finansowania OPUS 19 (projekt nr 2020/37/B/ST7/00559).

07.11.2021

Mikroperymetria dwufotonowa

Mikroperymetria jest subiektywną metodą badania pola widzenia, która umożliwia ocenę funkcji siatkówki w różnych jej miejscach. Mikroperymetria dwufotonowa jest rozwinięciem tej techniki. W przeciwieństwie do tradycyjnej mikroperymetrii, która wykorzystuje bodziec widzialny, mikroperymetria dwufotonowa wykorzystuje impulsowe lasery podczerwone jako źródło promieniowania optycznego. Osoba badana postrzega taki bodziec jako kolorowy dzięki zjawisku widzenia dwufotonowego [1].

Możliwość zastosowania mikroperymetrii dwufotonowej zależy w dużej mierze od parametrów lasera użytego do eksperymentów. Dlatego w ICTER prowadzimy szeroko zakrojone badania nad wpływem parametrów impulsowego lasera podczerwonego, takich jak: czas trwania impulsu, częstotliwość powtarzania impulsów, długość fali, na percepcję przez człowieka [2, 3]. Ponadto, prowadzimy kliniczną ocenę przydatności mikroperymetrii dwufotonowej do wcześniejszego i skuteczniejszego wykrywania zaburzeń funkcji wzrokowych oka [4]. Wierzymy, że głębsze zrozumienie zjawiska widzenia dwufotonowego, optymalizacja procedur badania pola widzenia oraz testy kliniczne pozwolą nam na dostarczenie użytecznego narzędzia dla okulistów na całym świecie.

Tekst: mgr inż. Marcin Marzejon

mmarzejon@ichf.edu.pl

[1] Ruminski et al., BOE 10(9), pp. 4551-4567 (2019). DOI: 10.1364/BOE.10.004551

[2] Marzejon et al., BOE 12(2), pp. 462-479 (2021). DOI: 10.1364/BOE.411168

[3] Marzejon et al., Proc. SPIE 11623, 116231N (2021). DOI: 10.1117/12.2582735

[4] Komar et al., AOVS 62(8), 2009 (2021)

Mikroperymetria dwufotonowa z impulsami pikosekundowymi

Marcin J. Marzejon, Łukasz Kornaszewski, Jakub Bogusławski, Piotr Ciąćka, Miłosz Martynow, Grażyna Palczewska, Sebastian Maćkowski, Krzysztof Palczewski, Maciej Wojtkowski & Katarzyna Komar

Abstract

Two-photon vision is a phenomenon associated with the perception of short pulses of near-infrared radiation (900-1200 nm) as a visible light. It is caused by the nonlinear process of two-photon absorption by visual pigments. Here we present results showing the influence of pulse duration and repetition rate of short pulsed lasers on the visual threshold. We compared two-photon sensitivity maps of the retina obtained for subjects with normal vision using a cost-effective fiber laser (λc = 1028.4 nm, τp = 12.2 ps, Frep = 19.17 MHz) and a solid-state laser (λc = 1043.3 nm, τp = 0.253 ps, Frep = 62.65 MHz). We have shown that in accordance with the description of two-photon absorption, the average optical power required for two-photon vision for a fiber laser is 4 times greater than that for a solid-state laser. Mean sensitivity measured for the first one is 5.9 ± 2.8 dB lower than for the second but still 17 dB away from the safety limit, confirming that picosecond light sources can be successfully applied in microperimetry. This development would dramatically reduce the cost and complexity of future clinical devices.

Link do publikacji

https://doi.org/10.1364/BOE.411168

03.11.2021

Obrazowanie STOC

Konwencjonalna skaningowa tomografia optyczna z detekcją w dziedzinie Fourierowskie (ang. Fourier-Domain Optical Coherence Tomography, FD-OCT) łączy bramkowanie czasowe z konfokalnym, umożliwiając szybkie, wysokiej rozdzielczości obrazowanie przekrojów siatkówki ludzkiej. Klasyczna FD-OCT nie zapewnia jednak wysokiej rozdzielczości obrazów zewnętrznych warstw siatkówki ze względu na aberracje oka i zasadniczy kompromis pomiędzy głębokością obrazowania a rozdzielczością poprzeczną.

Ten kompromis jest redukowany przez metodę pełno-polowej OCT (FF-OCT), która wykorzystuje dwuwymiarową kamerę zamiast jednoelementowej fotodiody. Jednak próba zwiększenia szybkości obrazowania FF-OCT poprzez detekcję w domenie Fouriera (FD) spowodowała kolejne poważne ograniczenie – spójność przestrzenna lasera generuje artefakty koherentne, co zmniejsza rozdzielczość przestrzenną.

Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy nowy sposób kontroli fazy optycznej o nazwie STOC (Spatio-Temporal Optical Coherence). Zastosowanie STOC do pełnopolowej optycznej koherentnej tomografii Fouriera (FD-FF-OCT) nazywane jest tomografią STOC (STOC-T) lub obrazowaniem STOC i umożliwiło uzyskanie in vivo wysokorozdzielczych, wolumetrycznych obrazów skóry [1], siatkówki [2] i rogówki [3]. Dodatkowo, w naszej metodzie aberracje geometryczne są usuwane numerycznie, dzięki czemu uzyskujemy wysokorozdzielcze trójwymiarowe obrazy obiektów biologicznych na poziomie pojedynczych komórek [4,5].

Fig. 1. STOC imaging enables high-resolution imaging of the retina by spatial phase modulation (a). Computational aberration correction enables to correct the data in post-processing to remove aberrations (b). By repeating measurements at different locations, and stitching together the resulting images we obtain high fidelity wide area retinal images (c).

Tekst: dr Dawid Borycki, e-mail: dborycki@ichf.edu.pl

Referencje:

  1. Borycki, D., et al., Spatiotemporal optical coherence (STOC) manipulation suppresses coherent cross-talk in full-field swept-source optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2019. 10(4): p. 2032-2054.
  2. Stremplewski, P., et al., In vivo volumetric imaging by crosstalk-free full-field OCT. Optica, 2019. 6(5): p. 608-617.
  3. Auksorius, E., D. Borycki, and M. Wojtkowski, Crosstalk-free volumetric in vivo imaging of a human retina with Fourier-domain full-field optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2019. 10(12): p. 6390-6407.
  4. Auksorius, E., et al., In vivo imaging of the human cornea with high-speed and high-resolution Fourier-domain full-field optical coherence tomography. Biomed Opt Express, 2020. 11(5): p. 2849-2865.
  5. Borycki, D., et al., Computational aberration correction in spatiotemporal optical coherence (STOC) imaging. Opt Lett, 2020. 45(6): p. 1293-1296.
21.10.2021

Mikrofluidyczne układy kroplowe

Mikrofluidyczne układy kroplowe pozwalają na manipulowanie małymi objętościami cieczy o dwóch niemieszających się fazach, np. wody i oleju. W efekcie powstaje mały reaktor, w którym można przeprowadzać i obserwować w czasie reakcję chemiczną lub proces biologiczny. Mikrokropelki mogą być mieszane, sortowane, inkubowane i analizowane. Operacje te mogą być wykonywane w specjalnie zaprojektowanych układach mikrofluidycznych, tworząc małe urządzenie typu „lab-on-a-chip”. Dodatkową zaletą, oprócz miniaturyzacji, jest to, że można bardzo szybko wykonać wiele powtórzeń jednego eksperymentu.

Głównym celem naszych badań jest obserwacja zachowania klinicznie istotnych szczepów bakterii, w szczególności, jak reagują one na antybiotyki. Antybiotykooporność (antimicrobial resistance, AMR) jest jednym z najpilniejszych zagrożeń dla zdrowia na świecie. Występuje ona, gdy bakterie, wirusy, grzyby i pasożyty przekształcają się z czasem i nie reagują już na leki. W rezultacie antybiotyki lub inne leki przeciwdrobnoustrojowe stają się nieskuteczne i nie pozwalają leczyć chorób. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) uznała AMR za jedno z 10 największych zagrożeń dla zdrowia publicznego na świecie.

Monitorowanie zachowania bakterii, tj. ich wzrostu, jest trudnym i czasochłonnym zadaniem, szczególnie gdy musimy śledzić tysiące lub miliony powtórzeń eksperymentów. Metody optyczne w połączeniu z mikrofluidyką pozwalają nam rozwiązać ten problem. Możemy przesuwać krople przed wiązką lasera i analizować światło rozproszone na komórkach bakterii za pomocą specjalnie zaprojektowanych chipów. Intensywność rozproszonego światła jest związana z koncentracją bakterii w kroplach, a my możemy śledzić ją w czasie. Możemy monitorować ponad 1000 kropli na sekundę i analizować je za pomocą dedykowanego oprogramowania. Dodatkowo, możemy również uczynić system bardziej kompaktowym i łatwiejszym w użyciu poprzez zastosowanie optyki światłowodowej.

Natalia Pacocha, Jakub Bogusławski, Michał Horka, Karol Makuch, Kamil Liżewski, Maciej Wojtkowski, and Piotr Garstecki, “High-Throughput Monitoring of Bacterial Cell Density in Nanoliter Droplets: Label-Free Detection of Unmodified Gram-Positive and Gram-Negative Bacteria,” Analytical Chemistry 93(2), 843-850 (2021).

DOI: doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03408

Tekst: dr Jakub Bogusławski

jboguslawski@ichf.edu.pl

21.10.2021

Obrazowanie rogówki In Vivo

Multimode fiber enables control of spatial coherence in Fourier-domain full-field optical coherence tomography for in vivo corneal imaging

Egidijus Auksorius, Dawid Borycki, and Maciej Wojtkowski

Abstract

Fourier-domain full-field optical coherence tomography (FD-FF-OCT) has recently emerged as a fast alternative to point-scanning confocal OCT in eye imaging. However, when imaging the cornea with FD-FF-OCT, a spatially coherent laser can focus down on the retina to a spot that exceeds the maximum permissible exposure level. Here we demonstrate that a long multimode fiber with a small core can be used to reduce the spatial coherence of the laser and, thus, enable ultrafast in vivo volumetric imaging of the human cornea without causing risk to the retina.

Link to publication

https://doi.org/10.1364/OL.417178

21.10.2021

AIR-PUFF OCT – IMCUSTOMEYE

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.

Link to publication

https://doi.org/10.1364/BOE.437981

21.10.2021

Aplikacje telemedyczne

Smartphone-based optical palpation: towards elastography of skin for telehealth applications

Rowan W. Sanderson, Qi Fang, Andrea Curatolo, Aiden Taba, Helen M. DeJong, Fiona M. Wood, and Brendan F. Kennedy

Abstract

Smartphones are now integral to many telehealth services that provide remote patients with an improved diagnostic standard of care. The ongoing management of burn wounds and scars is one area in which telehealth has been adopted, using video and photography to assess the repair process over time. However, a current limitation is the inability to evaluate scar stiffness objectively and repeatedly: an essential measurement for classifying the degree of inflammation and fibrosis. Optical elastography detects mechanical contrast on a micrometer- to millimeter-scale, however, typically requires expensive optics and bulky imaging systems, making it prohibitive for wide-spread adoption in telehealth. More recently, a new variant of optical elastography, camera-based optical palpation, has demonstrated the capability to perform elastography at low cost using a standard digital camera. In this paper, we propose smartphone-based optical palpation, adapting camera-based optical palpation by utilizing a commercially available smartphone camera to provide sub-millimeter resolution imaging of mechanical contrast in scar tissue in a form factor that is amenable to telehealth. We first validate this technique on a silicone phantom containing a 5 × 5 × 1 mm3 embedded inclusion, demonstrating comparative image quality between mounted and handheld implementations. We then demonstrate preliminary in vivo smartphone-based optical palpation by imaging a region of healthy skin and two scars on a burns patient, showing clear mechanical contrast between regions of scar tissue and healthy tissue. This study represents the first implementation of elastography on a smartphone device, extending the potential application of elastography to telehealth.

Link to publication

https://doi.org/10.1364/BOE.424567