Pionerer med adaptiv optikk vinner rangeringsprisen for netthinneavbildningsgjennombrudd – Physics World

Fire forskere som var banebrytende i utviklingen av adaptiv optikk (AO) teknologier for å avbilde den menneskelige netthinnen har blitt tildelt 2024 Rangeringspris for optoelektronikk. Vinnerne - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda og David Williams – oppfunnet instrumenter som bruker AO til å fange høyoppløselige bilder av den levende netthinnen og gi ny innsikt i strukturen og funksjonen til det menneskelige øyet.

AO ble opprinnelig utviklet for bruk i astronomi, for å eliminere atmosfæreindusert uskarphet i bilder fra bakkebaserte teleskoper. Den fungerer ved å måle forvrengninger i en reflektert bølgefront ved hjelp av en bølgefrontsensor, og deretter kompensere for disse forvrengningene med en bølgefrontkorrektor, som ofte er et deformerbart speil.

I 1997 demonstrerte Liang, Williams og Miller at AO også kan brukes til å korrigere for forvrengninger forårsaket av ufullkommen optikk i det menneskelige øyet. Ved å bruke AO opprettet de en retinal bildekamera med enestående oppløsning, som muliggjør klar avbildning av individuelle fotoreseptorceller i den levende menneskelige netthinnen. To år senere brukte Roorda og Williams dette instrumentet til å produsere de første bildene som viser distribusjonen av tre typer kjegler i den menneskelige netthinnen.

I følge Donal Bradley, leder av Rank Prize Optoelectronics Committee, anerkjenner prisen vinnerne "fremme bidrag til bildebehandling i øyet som åpner nye muligheter til å forstå dette komplekse optiske instrumentet og forbedre synet gjennom presise intervensjoner". Tami Freeman snakket med to av vinnerne for å finne ut mer.

Siden oppfinnelsen, hvordan har AO påvirket feltet for øyeavbildning?

Donald Miller AO er den eneste teknologien som tillater visualisering av individuelle netthinneceller i et levende øye. Og fordi sykdom og patologi starter på dette cellenivået, er det nivået vi til slutt ønsker at klinikere skal operere på, for tidligere diagnose og mer effektive behandlinger.

Som et eksempel fra mitt eget laboratorium har vi nylig sett på virkningen av glaukom, en av de viktigste årsakene til irreversibel blindhet i verden, på retinale ganglieceller – den primære celletypen som dør i denne sykdommen og toppen av netthinnen. Selv om det finnes effektive behandlinger, er sykdommen dessverre vanskelig å diagnostisere tidlig før betydelig skade har oppstått. Med AO kan vi nå for første gang overvåke individuelle retinale ganglionceller og spore dem over tid hos disse pasientene.

Ved å bruke AO kombinert med optisk koherenstomografi (AO-OCT) har vi funnet at selv i øyne under behandling ser vi subklinisk tap av celler. Det er viktig fordi klinikere nå kan bruke disse cellenivåmålingene for å bedre fastslå om behandlingen deres virker eller ikke. Det gir også et betydelig potensial for å teste effektiviteten og sikkerheten til nye nevrobeskyttende og regenerative strategier. Visualisering av retinale ganglionceller hos mennesker har først blitt mulig i løpet av de siste årene – vi går en virkelig spennende tid i møte.

Austin Roorda Etter hvert som behandlinger blir tilgjengelige for de store blendende øyesykdommene, som diabetes, glaukom og makuladegenerasjon, kan vi nå bruke AO for å vurdere hvor effektive de er. Men det er andre arvelige netthinnesykdommer på grunn av genmutasjoner som svært lite er kjent for. I disse sjeldne sykdommene var tidligere den eneste måten å se hva som skjedde på cellulær skala å vente på et donorøye og se på det under et mikroskop. AO har åpnet for muligheten til å undersøke netthinnen i mikroskopisk skala hos disse pasientene. Behandlinger som genterapi er i horisonten som potensielt kan kurere eller stoppe disse arvelige sykdommene. AO er klar til å spille en nøkkelrolle i den prosessen – for å forstå hvordan mutasjonen påvirker netthinnen, vurdere tilstanden til netthinnen, forutsi prognosen hvis pasienten gjennomgår genterapi, og deretter måle effektiviteten av den terapien.

Hvordan har AO-teknologien utviklet seg de siste 25 årene?

AR AO ble opprinnelig begrenset av teknologien som var tilgjengelig, som i stor grad ble utviklet for feltet astronomi. Så det deformerbare speilet var stort og passet ikke for øyet. I løpet av årene, da selskaper begynte å erkjenne potensialet til AO på andre felt, inkludert oftalmoskopi, begynte de å bygge bølgefrontsensorer og bølgefrontkorrektorer (det deformerbare speilet) som var mye bedre egnet for bruk i det menneskelige øyet.

DM Da vi først utviklet AO-systemet, gjorde vi mange gjetninger: hvilken type bølgefrontkorreksjon vi skulle bruke, hvilken bølgefrontsensor, sløyfehastigheten og så videre. I løpet av de neste fem til ti årene var det mange forbedringer i vår forståelse av de romlige egenskapene og den tidsmessige dynamikken til okulære aberrasjoner. Disse definerte deretter AO-komponentene: hvor mange aktuatorer du trenger i bølgefrontkorrektoren din, hva slaget [aktuatorforskyvning] skal være, hvor mange prøvetakingspunkter du trenger over pupillen, og hvor raskt AO-systemet skal gå. De har alle blitt optimalisert gjennom årene.

For eksempel hadde bølgefrontkorrektoren vi brukte i 1997 37 aktuatorer som skyver og drar på baksiden av speilet for å forvrenge formen, og det ville gi fire mikrometer slag. De som brukes i dag har nærmere 100 aktuatorer og gir en størrelsesorden mer slag, noe som er viktig fordi øynene har alvorlige aberrasjoner; det har gjort en stor forskjell.

AR Nå, når du bruker AO, trykker du på en knapp og den kjører automatisk på alt fra titalls til hundrevis av hertz. Før måtte vi ta et bilde, et kart over øyets aberrasjoner, og granske det for å være sikker på at det ikke var noen feil i den første bildeanalysen. Deretter trykker du på neste-knappen for å bruke den formen på speilet. Så brukeren var en integrert del av AO-systemet med lukket sløyfe. Det var gøy, men det gikk sakte.

Opprinnelig bygde Don, David og Junzhong et standard flombelysningskamera som ville se på netthinnen gjennom et AO-system for å avsløre den mikroskopiske strukturen. Senere inkorporerte jeg AO i et skanningssystem for å lage et AO-scanning laser oftalmoskop (AOSLO) som kan ta opp video av netthinnen og utføre dybdeseksjonering. Det er en helt ny AO-bildeplattform. Andre forskere har innarbeidet en type fasekontrastavbildning som kan visualisere ellers gjennomsiktige celler i netthinnen, og i Davids gruppe utfører de fluorescensavbildning i dyreøyne.

Hva er ditt nåværende hovedområde for forskning?

AR Hvis det var et tema for det jeg har holdt på med de siste 15 årene eller så, så er det struktur og funksjon. Det viser seg at vår AOSLO imager også er verdens beste eyetracker. Du kan spore øyebevegelser veldig raskt og nøyaktig fordi du kan se bevegelsen til enkeltceller bak i øyet. Vi tok dette et skritt videre, ved å bruke skanningslasersystemet ikke bare til å avbilde netthinnen, men for å kontrollere plasseringen av bilder på netthinnen på skalaen til en enkelt kjegle.

Vi har målt funksjonelle egenskaper hos levende mennesker. Hvis du var i enheten, kunne jeg levere lysglimt inn i individuelle kjegler og spørre om du kunne se dem eller hvilken farge du ser. Tidlig kartla vi kjeglemosaikken, som var en av de store AO-aktiverte funnene. Nå kan vi ta den kjeglemosaikken og begynne å stille spørsmål om grunnleggende netthinnekretsløp eller de grunnleggende egenskapene til menneskelig fargesyn. Vi gjør det samme ved øyesykdommer. Hvis vi ser på en rekke celler i en pasient og det ser ikke normalt ut, er vi interessert i de funksjonelle konsekvensene – ikke bare å se strukturen til den syke netthinnen, men å spørre om de visuelle resultatene.

DM Vi er også fokusert på struktur og funksjon, men bruker AO-OCT. Den store fordelen med OCT er dens aksiale oppløsning, som lar deg dele ut hvilken dybde i netthinnen du ønsker å visualisere. Kjegler er veldig lyse og har høy kontrast, men andre celler har en tendens til å være mye vanskeligere å avbilde da de reflekterer mye mindre lys tilbake. Vi har gjort en del fremskritt ved å bruke AO-OCT for å avbilde disse andre nevronene i netthinnen på forskjellige dyp. Det var et stort skritt å kunne avbilde retinale ganglionceller, siden de er svært transparente og har svært lav kontrast.

Vi har også brukt AO-OCT for å se på funksjon innenfor fotoreseptorer. I 2000 hadde Austin og David utviklet sin banebrytende AO retinal densitometrimetode for kjegleklassifisering. Tjue år senere kan vi bruke faseinformasjonen gitt av AO-OCT for å måle subtile endringer i forlengelsen av disse fotoreseptorcellene når de stimuleres av forskjellige lysfarger. Det viste seg å være en mye mer nøyaktig og langt mindre tidkrevende måte å gjøre kjegleklassifisering på, og er et godt eksempel på utviklingen av AO-bildeteknologi.

Hvordan ser du at AO-feltet utvikler seg i fremtiden?

AR I laboratoriet min fokuserer vi mye på subjektive mål på funksjon, som øyebevegelser, skarphet og fargesyn. Men jeg ser for meg at etter hvert som AO-teknikker utvikler seg, vil vi kunne måle funksjonelle egenskaper til de fleste celleklasser i netthinnen. Akkurat nå har Don generert vakre bilder av ganglionceller ved hjelp av AO-OCT. Dette er de siste cellene før signalene fra netthinnen når hjernen, så det er en klasse av nevroner hvis funksjon vi er veldig interessert i. Ved å bruke fasemetoder, eller metoder vi ikke engang kan tenke oss akkurat nå, kan vi kanskje være i stand til å måle de funksjonelle egenskapene til disse og andre nevroner i netthinnen.

Sub-diffraksjonsavbildning av det menneskelige øyet visualiserer fotoreseptorer med enestående detaljer

David, Don og jeg er fordypet i grunnleggende forskning, men det er mange andre som tenker på hvordan de skal få disse systemene inn i klinikken. AO er ikke lett og det er ikke billig, det er en komplisert teknologi så veien til klinikken er ikke enkel. Det er noen få selskaper nå som vil selge AO-bildeenheter, men de brukes ikke rutinemessig.

DM AO-feltet vokser og avtar mellom å prøve å forbedre AO-ytelsen kontra å gjøre AO mer tilgjengelig og kommersielt levedyktig. I laboratoriene våre prøver vi å oppnå den aller beste ytelsen, korrigere aberrasjoner og få skarpere bilder for forskning eller kliniske formål. Men det er en helt annen side som presser denne teknologien for å gjøre den mer kompakt, billigere og mer automatisert. Det virkelige potensialet er å gifte AO med SLO og OCT for kommersiell bruk. Jeg tror at det bare er et spørsmål om tid.

• Rank-prisen ble grunnlagt i 1972 av den britiske industrimannen og filantropen Lord J Arthur Rank, og deles ut hvert annet år innen ernæring og optoelektronikk. Prisen deles ut formelt 1. juli 2024.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/