31.10.2023

Osiągnięcia grupy IDoc w perspektywie trzech lat

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. 

Czekamy na kolejne wyniki w tej dziedzinie. 

Autorzy:

dr Karol Karnowski & dr Andrea Curatolo

16.08.2023

Nowy artykuł naukowców IDoc, zagranicznych badaczy i spółki spin-off opublikowany w magazynie „Biomedical Optics Express”

Optyczna tomografia koherencyjna (ang. optical coherence tomography, OCT) całego oka stanowi obiecujące narzędzie w biometrii oka do planowania operacji zaćmy, diagnozowania jaskry oraz badania postępu krótkowzroczności. Konwencjonalne systemy OCT są skonfigurowane do przeprowadzania skanów albo przedniego, albo tylnego segmentu oka i nie mogą łatwo przełączać się między tymi dwiema konfiguracjami skanowania bez dodawania lub wymiany komponentów optycznych, dopasowanych do toru optycznego oka. W niniejszej pracy przedstawiamy projekt, proces optymalizacji oraz eksperymentalną walidację rekonfigurowalnego i niskokosztowego optycznego skanera wiązki opartego na trzech soczewkach sterowanych elektrycznie, zdolnych do niemechanicznego sterowania położeniem, kątem i ogniskowaniem wiązki. Proponowane rozwiązanie jest prostsze i tańsze niż inne skanery całego oka i doskonale nadaje się do biometrii oka w 2D. Dodatkowo, dzięki wszechstronności płynnej rekonfiguracji skanowania, jego funkcjonalność można łatwo rozszerzyć na inne zastosowania okulistyczne i nie tylko.

Tekst: dr Andrea Curatolo – lider grupy IDoc w ICTER.

Tłumaczenie: mgr Maciej Wielgo – doktorant w grupie IDoc.

Publikacja:

María Pilar Urizar, Enrique Gambra, Alberto de Castro, Álvaro de la Peña, Onur Cetinkaya, Susana Marcos, and Andrea Curatolo, „Optical beam scanner with reconfigurable non-mechanical control of beam position, angle, and focus for low-cost whole-eye OCT imaging,” Biomed. Opt. Express 14, 4468-4484 (2023)

Link: https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-14-9-4468&id=535917

20.06.2023

Nieinwazyjna optoretinografia (ORG)

Od wielu lat okuliści wykorzystują wizualną kontrolę fotografii dna oka [1] oraz obrazów uzyskanych za pomocą optycznej tomografii koherencyjnej (ang. Optical Coherence Tomography – OCT) [2] do diagnozowania chorób oczu i monitorowania postępów terapii dzięki ich zdolności do wykrywania zmian morfologicznych w siatkówce oka. Jednak samo obrazowanie morfologicznych objawów chorób nie dostarcza wystarczających informacji na temat utraty funkcji fotoreceptorów.

Ponad dekadę temu wykazano, że optyczna tomografia koherencyjna może wykrywać niewielkie zmiany intensywności światła podczerwonego odbitego od siatkówek zwierzęcych in vitro [3,4] i in vivo [5] występujące po jednoczesnej stymulacji światłem widzialnym. Odkrycia te stworzyło podwaliny pod rozwój optoretinografii (ang. optoretinography – ORG) [6], metody, która mierzy odpowiedź siatkówki oka na światło, dając tym samym możliwość uzyskania informacji o działaniu neuronów siatkówki (fotoreceptorów).

W ICTER pracujemy nad rozwojem ORG ze stymulacją siatkówki pojedynczym impulsem światła, jak światłem migoczącym [7]. Aby uzyskać dane ORG, używamy tomografii STOC (ang. Spatio-Temporal Optical Coherence-Tomography) [8], która pozwala nam rejestrować trójwymiarowe objętościowe obrazy siatkówki w ciągu kilku milisekund. Po przetworzeniu danych wyodrębniamy sygnały ORG, śledząc zmiany w siatkówce zachodzące między błoną graniczną (ang. inner and outer photoreceptor junction – IS/OS) a końcówkami zewnętrznego segmentu czopków (ang. cone outer segment tips – COST). Rysunek (a) pokazuje lokalizację źródła sygnału ORG na tomograficznym obrazie siatkówki oka ludzkiego.

Przykładowe wyniki pokazujące odpowiedzi siatkówki zaadaptowanej do ciemności na pojedynczy impuls światła pokazano na rys. (b) i (c). Rysunek (b) przedstawia uśredniony przestrzennie sygnał ORG w funkcji czasu zarejestrowany dla równomiernie rozłożonego bodźca. Natomiast rys. (c) pokazuje maksymalną amplitudę sygnału ORG na obrazowanej części powierzchni siatkówki w odpowiedzi na stymulację wzorem zawierającym literę E.

W eksperymentach f-ORG (ang. Flicker ORG), które są główną tematyką naszych prac, do stymulacji siatkówki wykorzystywane jest migoczące światło. Po raz pierwszy takie badanie przeprowadzili Schmoll i wsp. i zmierzyli oni odpowiedź fotoreceptorów na migotanie o częstotliwości 5 Hz [9], W ostatnim czasie, natomiast grupa z Lübeck zmierzyła odpowiedź na różne częstotliwości migotania (od 1 Hz do 6,6 Hz) [10]. Nasza metodologia f-ORG pozwala na pomiar odpowiedzi siatkówki w szerszym zakresie częstotliwości i mapowanie odpowiedzi fotoreceptorów na migoczące światło na powierzchni siatkówki. Przykładowe wyniki zmierzonych charakterystyk częstotliwościowych odpowiedzi u czterech zdrowych osób przedstawiono na rys. (d). Natomiast przykład przestrzennie wykrytej odpowiedzi siatkówki na bodziec projektowany przy użyciu DMD z paskami światła migoczącymi z różnymi częstotliwościami przedstawiono na rys. (e).

Tekst: dr Sławomir Tomczewski, PhD,

Zespół:

dr Sławomir Tomczewski

mgr Piotr Węgrzyn

dr habil. Dawid Borycki

dr Egidijus Auksorius

mgr Maciej Wielgo

Prof. Maciej Wojtkowski

dr Andrea Curatolo

Słowa kluczowe: Optyczna Tomografia Koherencyjna, STOC-T, OCT, Optoretinografia, Migotanie, f-ORG.

Publikacje:

  1. V. J. Srinivasan, M. Wojtkowski, J. G. Fujimoto, and J. S. Duker, „In vivo measurement of retinal physiology with high-speed ultrahigh-resolution optical coherence tomography,” Opt. Lett. 31, 2308 (2006).
  2. S. Tomczewski, P. Węgrzyn, D. Borycki, E. Auksorius, M. Wojtkowski, and A. Curatolo, „Light-adapted flicker optoretinograms captured with a spatio-temporal optical coherence-tomography (STOC-T) system,” Biomed. Opt. Express 13, 2186 (2022).
  3. E. Auksorius, D. Borycki, P. Wegrzyn, B. L. Sikorski, K. Lizewski, I. Zickiene, M. Rapolu, K. Adomavicius, S. Tomczewski, and M. Wojtkowski, „Spatio-Temporal Optical Coherence Tomography provides full thickness imaging of the chorioretinal complex,” iScience 25, 105513 (2022).
24.03.2023

Wielopunktowe pomiary deformacji rogówki indukowane impulsem powietrza (projekt IMCUSTOMEYE)

Projekt IMCUSTOMEYE obejmuje współpracę 10 partnerów, zarówno akademickich, jak i przemysłowych, która rozpoczęła się w 2018 roku. Od pierwszego dnia, jako konsorcjum, skupiamy się na opracowaniu nowych, nieinwazyjnych, opartych na obrazowaniu metod, które zmienią paradygmat w diagnostyce i leczeniu różnych chorób oczu.

Naukowcy z grupy POB, mieli za zadanie skonstruować urządzenie do pomiaru dynamicznej deformacji rogówki [publikacje 1-4], które będzie kompaktowe, niedrogie oraz oferowało pomiar 3D in vivo. Jak to w życiu, a zwłaszcza w fizyce bywa, musieliśmy pójść na pewne kompromisy w stosunku do konstruowanego prototypu. Nawet jeśli możliwe jest pełne trójwymiarowe obrazowanie procesu deformacji rogówki trwającego zaledwie 20 ms, wymagałoby to znacznej komplikacji układu pomiarowego i generowało nieakceptowalne koszty. Zaproponowaliśmy rozwiązanie pośrednie polegające na jednoczesnym pomiarze w wielu punktach na rogówce, w tym w centrum rogówki oraz 4 parach punktów rozmieszczonych naprzeciwko siebie wzdłuż 4 kierunków (poziomego, pionowego i odpowiadających im kierunków obróconych o 45 stopni – zwiększając tym samym liczbę analizowanych kierunków w stosunku do naszego wcześniejszego rozwiązania [publikacja 5]). Takie podejście pozwoliło na przygotowanie prototypowego, kompaktowego systemu, który można umieścić w klinice okulistycznej. Ponadto, wstępnie zweryfikowaliśmy możliwość zarówno dalszej miniaturyzacji systemu, jak i potencjał znacznego obniżenia kosztów wytwarzania.

Prototyp kliniczny

Nasz prototyp kliniczny nie tylko przetrwał ponad 300-kilometrową podróż do kliniki w Bydgoszczy, ale także zmierzył do tej pory ponad 100 oczu. Warto podkreślić, że prototyp został przygotowany w taki sposób, aby z powodzeniem mógł być obsługiwany przez personel kliniki okulistycznej, zarówno pod kątem oprogramowania jak i samej konstrukcji układu.

Aby przeanalizować dane, dla każdej plamki wyodrębniamy czasową deformację rogówki. Asymetria biomechaniczna może być oceniona poprzez porównanie przeciwległych plamek. Aby zapewnić bardziej intuicyjną prezentację wyników, wprowadziliśmy „wektor asymetrii”, który można wykreślić dla dowolnego parametru deformacji (np. amplitudy przemieszczeń, obszaru deformacji, nachylenia deformacji). Dla każdej pary przeciwległych punktów tworzymy wektor wskazujący na punkt o większej wartości wybranego parametru o wielkości określonej przez różnice wartości dla obu punktów w parze.

Proces analizy danych

Mając wektory dla wszystkich 4 par punktów możemy obliczyć ogólny wektor, aby pokazać globalny efekt. Podejście to zostało już zastosowane do niektórych z naszych pierwszych danych klinicznych, aby pokazać różnice w asymetrii biomechanicznej pomiędzy rogówkami zdrowymi i tymi z rozwijającym się stożkiem rogówki (przedstawione tutaj dla amplitudy i obszaru przemieszczenia).

Wczesne wyniki kliniczne

Tekst: dr Karol Karnowski

Zespół:

dr Karol Karnowski

mgr Jadwiga Milkiewicz

inż. Angela Pachacz

inż. Onur Cetinkaya

inż. Rafał Pietruch

dr Andrea Curatolo

prof. Maciej Wojtkowski

Publikacje:

  1. D. Alonso-Caneiro, K. Karnowski, B. Kaluzny, A. Kowalczyk, and M. Wojtkowski, “Assessment of corneal dynamics with high-speed swept source Optical Coherence Tomography combined with an air puff system”, Optics Express, Vol. 19, Issue 15, pp. 14188-14199 (2011)
  2. S. Marcos, C. Dorronsoro, K. Karnowski, M. Wojtkowski, „Corneal biomechanics From Theory to Practice: OCT with air puff stimulus”, Kugler Publications 2016, edited by C.J. Roberts, J. Liu
  3. K. Karnowski, E. Maczynska, M. Nowakowski, B. Kaluzny, I. Grulkowski, M. Wojtkowski, “Impact of diurnal IOP variations on the dynamic corneal hysteresis measured with air-puff swept-source OCT”, Photonics Letters of Poland, (2018)
  4. E. Maczynska, K. Karnowski, K. Szulzycki, M. Malinowska, H. Dolezyczek, A. Cichanski, M. Wojtkowski, B. Kaluzny and I. Grulkowski, “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 (2019)
  5. A. Curatolo, J. S. Birkenfeld, E. Martinez-Enriquez, J. A. Germann, G. Muralidharan, J. Palací, D. Pascual, A. Eliasy, A. Abass, J. Solarski, K. 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)
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