Pelopor optik adaptif memenangkan Hadiah Peringkat untuk terobosan pencitraan retina – Dunia Fisika

Empat ilmuwan yang memelopori pengembangan teknologi optik adaptif (AO) untuk pencitraan retina manusia telah dianugerahi Penghargaan 2024 Hadiah Peringkat untuk Optoelektronik. Pemenang - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda dan David Williams – menemukan instrumen yang menggunakan AO untuk menangkap gambar retina hidup beresolusi tinggi dan memberikan wawasan baru tentang struktur dan fungsi mata manusia.

AO awalnya dikembangkan untuk digunakan dalam astronomi, untuk menghilangkan keburaman yang disebabkan oleh atmosfer pada gambar dari teleskop berbasis darat. Ia bekerja dengan mengukur distorsi pada muka gelombang yang dipantulkan menggunakan sensor muka gelombang, dan kemudian mengkompensasi distorsi tersebut dengan korektor muka gelombang, yang seringkali merupakan cermin yang dapat dideformasi.

Pada tahun 1997, Liang, Williams dan Miller menunjukkan bahwa AO juga dapat digunakan untuk mengoreksi distorsi yang disebabkan oleh ketidaksempurnaan optik pada mata manusia. Menggunakan AO, mereka menciptakan a kamera pencitraan retina dengan resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya, memungkinkan pencitraan yang jelas dari masing-masing sel fotoreseptor di retina manusia yang hidup. Dua tahun kemudian, Roorda dan Williams menggunakan instrumen ini untuk menghasilkan gambar pertama yang menunjukkan distribusinya tiga jenis kerucut di retina manusia.

Menurut Donal Bradley, ketua Komite Optoelektronik Rank Prize, penghargaan ini mengakui para pemenang “kontribusi penting terhadap pencitraan di mata yang membuka peluang baru untuk memahami instrumen optik kompleks ini dan untuk meningkatkan penglihatan melalui intervensi yang tepat”. Tami Freeman berbicara dengan dua pemenang untuk mengetahui lebih lanjut.

Sejak penemuannya, bagaimana pengaruh AO pada bidang pencitraan mata?

Donald Miller AO adalah satu-satunya teknologi yang memungkinkan visualisasi sel retina individual pada mata hidup. Dan karena penyakit dan patologi dimulai pada tingkat sel ini, pada tingkat itulah kita ingin dokter melakukan operasi, untuk diagnosis dini dan pengobatan yang lebih efektif.

Sebagai salah satu contoh dari laboratorium saya, baru-baru ini kami melihat dampak glaukoma, salah satu penyebab utama kebutaan permanen di dunia, terhadap sel ganglion retina – jenis sel utama yang mati akibat penyakit ini dan yang melapisi penyakit ini. bagian atas retina. Meskipun terdapat pengobatan yang efektif, sayangnya penyakit ini sulit didiagnosis sejak dini sampai terjadi kerusakan yang signifikan. Dengan AO, untuk pertama kalinya, kami dapat memantau sel ganglion retina individual dan melacaknya dari waktu ke waktu pada pasien tersebut.

Dengan menggunakan AO yang dikombinasikan dengan tomografi koherensi optik (AO-OCT), kami menemukan bahwa, bahkan pada mata yang menjalani perawatan, kami melihat hilangnya sel secara subklinis. Hal ini penting karena dokter sekarang dapat menggunakan pengukuran pada tingkat sel untuk menentukan dengan lebih baik apakah pengobatan mereka berhasil atau tidak. Hal ini juga menawarkan potensi besar untuk menguji kemanjuran dan keamanan strategi neuroprotektif dan regeneratif baru. Visualisasi sel ganglion retina pada subjek manusia baru dapat dilakukan dalam beberapa tahun terakhir – kita sedang memasuki masa yang sangat menarik.

Austin Roorda Seiring dengan tersedianya pengobatan untuk penyakit mata utama yang membutakan, seperti diabetes, glaukoma, dan degenerasi makula, kini kita dapat menggunakan AO untuk menilai seberapa efektif pengobatan tersebut. Namun ada penyakit retina bawaan lainnya akibat mutasi gen yang hanya sedikit diketahui. Pada penyakit langka tersebut, sebelumnya satu-satunya cara untuk melihat apa yang terjadi pada skala sel adalah dengan menunggu donor mata dan melihatnya di bawah mikroskop. AO telah membuka kemampuan untuk memeriksa retina dalam skala mikroskopis pada pasien ini. Perawatan seperti terapi gen akan segera dilakukan dan berpotensi menyembuhkan atau menghentikan penyakit bawaan ini. AO siap memainkan peran kunci dalam proses tersebut – untuk memahami bagaimana mutasi mempengaruhi retina, menilai kondisi retina, memprediksi prognosis jika pasien menjalani terapi gen, dan kemudian mengukur efektivitas terapi tersebut.

Bagaimana kemajuan teknologi AO selama 25 tahun terakhir?

AR AO awalnya terkendala oleh teknologi yang tersedia, yang sebagian besar dikembangkan untuk bidang astronomi. Jadi cermin yang dapat dideformasi itu besar dan tidak cocok untuk dilihat mata. Selama bertahun-tahun, ketika perusahaan mulai mengenali potensi AO di bidang lain, termasuk oftalmoskopi, mereka mulai membangun perangkat penginderaan muka gelombang dan korektor muka gelombang (cermin yang dapat dideformasi) yang jauh lebih cocok untuk diterapkan pada mata manusia.

DM Ketika kami pertama kali mengembangkan sistem AO, kami membuat banyak tebakan: jenis koreksi muka gelombang apa yang akan digunakan, sensor muka gelombang apa, kecepatan loop, dan sebagainya. Dalam lima sampai 10 tahun ke depan ada banyak perbaikan dalam pemahaman kita tentang sifat spasial dan dinamika temporal dari penyimpangan mata. Ini kemudian menentukan komponen AO: berapa banyak aktuator yang Anda perlukan dalam korektor muka gelombang, berapa langkah [perpindahan aktuator] yang seharusnya, berapa banyak titik pengambilan sampel yang Anda perlukan di seluruh pupil, dan seberapa cepat sistem AO harus bekerja. Semuanya telah dioptimalkan selama bertahun-tahun.

Misalnya, korektor muka gelombang yang kami gunakan pada tahun 1997 memiliki 37 aktuator yang mendorong dan menarik permukaan belakang cermin untuk membengkokkan bentuknya, dan akan menghasilkan goresan sebesar empat mikron. Yang digunakan saat ini memiliki hampir 100 aktuator dan memberikan pukulan yang lebih besar, yang penting karena mata memiliki penyimpangan yang parah; itu membuat perbedaan besar.

AR Sekarang, ketika Anda menggunakan AO, Anda menekan sebuah tombol dan itu berjalan secara otomatis pada puluhan hingga ratusan hertz. Sebelumnya kami harus mengambil gambar, peta penyimpangan mata, dan menelitinya untuk memastikan tidak ada kesalahan pada analisis gambar awal. Kemudian Anda akan menekan tombol berikutnya untuk menerapkan bentuk itu ke cermin. Jadi pengguna adalah bagian integral dari sistem AO loop tertutup. Itu menyenangkan, tapi lambat.

Awalnya, Don, David, dan Junzhong membuat kamera penerangan banjir standar yang akan melihat retina melalui sistem AO untuk mengungkap struktur mikroskopis. Kemudian, saya memasukkan AO ke dalam sistem pemindaian untuk membuat AO scanning laser oftalmoskop (AOSLO) yang dapat merekam video retina dan melakukan pemotongan kedalaman. Itu adalah platform pencitraan AO yang sepenuhnya baru. Peneliti lain telah memasukkan jenis pencitraan kontras fase yang dapat memvisualisasikan sel-sel transparan di retina, dan dalam kelompok David mereka melakukan pencitraan fluoresensi pada mata hewan.

Apa bidang penelitian utama Anda saat ini?

AR Jika ada tema untuk apa yang saya lakukan selama 15 tahun terakhir ini, maka itu adalah struktur dan fungsinya. Ternyata imager AOSLO kami juga merupakan pelacak mata terbaik di dunia. Anda dapat melacak pergerakan mata dengan sangat cepat dan akurat karena Anda dapat melihat pergerakan sel tunggal di bagian belakang mata. Kami mengambil langkah lebih jauh, menggunakan sistem laser pemindaian tidak hanya untuk mengambil gambar retina, namun juga untuk mengontrol penempatan gambar pada retina pada skala kerucut tunggal.

Kami telah mengukur sifat fungsional pada manusia yang hidup. Jika Anda berada di dalam perangkat tersebut, saya dapat mengirimkan kilatan cahaya ke masing-masing kerucut dan menanyakan apakah Anda dapat melihatnya atau warna apa yang Anda lihat. Sejak awal, kami memetakan mosaik kerucut, yang merupakan salah satu penemuan besar yang didukung oleh AO. Sekarang kita dapat mengambil mosaik kerucut itu dan mulai mengajukan pertanyaan tentang sirkuit dasar retina atau sifat dasar penglihatan warna manusia. Kami melakukan hal yang sama pada penyakit mata. Jika kita melihat serangkaian sel pada seorang pasien dan tidak terlihat normal, kita tertarik pada konsekuensi fungsionalnya – tidak hanya melihat struktur retina yang sakit tetapi juga menanyakan hasil visualnya.

DM Kami juga fokus pada struktur dan fungsi, tetapi menggunakan AO-OCT. Keuntungan besar OCT adalah resolusi aksialnya, yang memungkinkan Anda membagi kedalaman apa pun di lapisan retina yang ingin Anda visualisasikan. Kerucut sangat terang dan kontrasnya tinggi, namun sel-sel lain cenderung lebih sulit untuk dicitrakan karena sel-sel tersebut memantulkan kembali cahaya jauh lebih sedikit. Kami telah membuat sedikit kemajuan dengan menggunakan AO-OCT untuk menggambarkan neuron lain di retina pada kedalaman berbeda. Ini merupakan langkah besar untuk dapat menggambarkan sel ganglion retina, karena sel tersebut sangat transparan dan memiliki kontras yang sangat rendah.

Kami juga telah menggunakan AO-OCT untuk melihat fungsi dalam fotoreseptor. Pada tahun 2000, Austin dan David telah mengembangkan metode densitometri retina AO perintis untuk klasifikasi kerucut. Dua puluh tahun kemudian, kita dapat menggunakan informasi fase yang disediakan oleh AO-OCT untuk mengukur perubahan halus dalam pemanjangan sel fotoreseptor ketika distimulasi oleh warna cahaya yang berbeda. Hal ini ternyata merupakan cara yang jauh lebih akurat dan memakan waktu lebih sedikit untuk melakukan klasifikasi kerucut dan merupakan contoh yang baik dari evolusi teknologi pencitraan AO.

Bagaimana Anda melihat bidang AO berkembang di masa depan?

AR Di lab saya, kami banyak fokus pada ukuran fungsi subjektif, seperti pergerakan mata, ketajaman, dan penglihatan warna. Namun saya membayangkan seiring berkembangnya teknik AO, kita akan dapat mengukur sifat fungsional sebagian besar kelas sel di retina. Saat ini, Don telah menghasilkan gambar sel ganglion yang indah menggunakan AO-OCT. Ini adalah sel terakhir sebelum sinyal dari retina mencapai otak, jadi ini adalah kelas neuron yang fungsinya sangat kita minati. Dengan menggunakan metode fase, atau metode yang bahkan tidak dapat kita bayangkan saat ini, kita mungkin bisa untuk mengukur sifat fungsional neuron tersebut dan neuron lain di retina.

Pencitraan sub-difraksi mata manusia memvisualisasikan fotoreseptor dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya

David, Don, dan saya mendalami penelitian dasar, namun ada banyak orang yang memikirkan cara menerapkan sistem ini ke dalam klinik. AO itu tidak mudah dan tidak murah, teknologinya rumit sehingga jalan menuju klinik tidak mudah. Saat ini ada beberapa perusahaan yang akan menjual perangkat pencitraan AO, tetapi perangkat tersebut tidak digunakan secara rutin.

DM Bidang AO bertambah dan berkurang antara upaya meningkatkan kinerja AO versus menjadikan AO lebih mudah diakses dan layak secara komersial. Di laboratorium kami, kami berusaha mencapai kinerja terbaik, mengoreksi penyimpangan dan mendapatkan gambar yang lebih tajam untuk tujuan penelitian atau klinis. Namun ada pihak lain yang mendorong teknologi ini agar lebih ringkas, lebih murah, dan lebih otomatis. Potensi sebenarnya adalah menggabungkan AO dengan SLO dan OCT untuk penggunaan komersial. Menurutku, ini hanya masalah waktu saja.

• Didirikan pada tahun 1972 oleh industrialis dan filantropis Inggris Lord J Arthur Rank, Rank Prize diberikan dua tahun sekali di bidang nutrisi dan optoelektronik. Hadiah akan diberikan secara resmi pada 1 Juli 2024.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/