18.07.2022

Projekt Maestro finansowany przez NCN: odkrycie nowej metody STOC-T do obrazowania

W ramach projektu zaproponowaliśmy nowe podejście do kontroli spójności światła używanego w obrazowaniu. Ten nowatorski pomysł, który zweryfikowaliśmy eksperymentalnie, został wykorzystany do obrazowania skóry, rogówki i siatkówki ludzkiego oka in vivo. W efekcie stworzyliśmy nową metodę obrazowania obiektów biologicznych, którą nazwaliśmy przestrzenno-czasową tomografią optyczną (ang. spatio-temporal optical coherence tomography (STOC-T)).

W naszych pracach przeprowadziliśmy badania podstawowe wprowadzając specyficzny opis zjawiska rozpraszania światła z wykorzystaniem jego własności statystycznych (spójność przestrzenna i czasowa). Zaproponowaliśmy eksperymenty weryfikujące poprawność wprowadzonego modelu. Z układu eksperymentalnego powstał również układ laboratoryjny demonstrujący możliwości nowej metody w obrazowaniu biomedycznym. Pokazaliśmy możliwości zastosowania nowej metody do obrazowania przyżyciowego, co potwierdziło poprawność tez postawionych w tym projekcie. 

Praktyczne skutki naszych badań zademonstrowaliśmy na przykładzie obrazowania oka ludzkiego. W przypadku obrazowania rogówki dzięki STOC-T mogliśmy znacząco wydłużyć czas ekspozycji nie narażając położonej głębiej, delikatnej siatkówki. Jednocześnie pozwala nam to na zachowanie wysokiej wartości mocy światła, która pozwala na zobaczenie bardzo słabego rozproszenia wstecznego od rogówki. Dodatkowo objętościowy charakter zbieranych danych pozwolił na optyczne „spłaszczenie” krzywizny rogówki i uzyskanie wyjątkowo ostrych obrazów wszystkich tworzących ją warstw w całym przekroju. To niełatwa sztuka, bo przejrzystość rogówki, choć pozwala na zaglądanie do wnętrza oka, wcale nie ułatwia badania jej samej.

W przypadku obrazowania siatkówki pokazaliśmy, że możemy przeniknąć głębiej do obszarów pod siatkówką, których nie można było dotąd obrazować. Zastosowanie STOC-T do obrazowania siatkówki pozwoliło nam w szczególności na rekonstrukcję morfologii czopków w ludzkim oku. Ponadto, dzięki zastosowaniu superszybkiej kamery rejestrującej dziesiątki tysięcy klatek na sekundę, możemy błyskawicznie rejestrować obrazy.  Nasza metoda STOC-T pozwala na uchwycenie siatkówki w ułamku sekundy i zarejestrowanie całej jej głębi w niezwykle wysokiej, niespotykanej dotąd rozdzielczości. Pacjent nie zdąży nawet mrugnąć, a jego oko już jest zobrazowane i to z dokładnością pozwalającą oglądać nawet pojedyncze komórki. A gdyby nawet poruszył okiem, urządzenie, a raczej komputer, skompensuje ten ruch, wciąż dając ostry obraz. Do tego nasz aparat nie ma ruchomych części, a dzięki modulacji fazy wiązki laserowej możemy wykorzystywać większe moce bez szkody dla głębiej położonych tkanek oka.

Tekst: prof. Maciej Wojtkowski and dr Dawid Borycki