Pionirji prilagodljive optike so prejeli nagrado za napredek pri slikanju mrežnice – Physics World

Štirje znanstveniki, ki so bili pionirji razvoja tehnologij prilagodljive optike (AO) za slikanje človeške mrežnice, so prejeli nagrado 2024 Razredna nagrada za optoelektroniko. Zmagovalci – Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda in David Williams – izumili instrumente, ki uporabljajo AO za zajemanje visokoločljivih slik žive mrežnice in omogočajo nov vpogled v zgradbo in delovanje človeškega očesa.

AO je bil prvotno razvit za uporabo v astronomiji za odpravo zamegljenosti, ki jo povzroča atmosfera, na slikah zemeljskih teleskopov. Deluje tako, da meri popačenja v odbiti valovni fronti s pomočjo senzorja valovne fronte in nato kompenzira ta popačenja s korektorjem valovne fronte, ki je pogosto deformabilno ogledalo.

Leta 1997 so Liang, Williams in Miller dokazali, da se AO lahko uporablja tudi za popravljanje popačenj, ki jih povzroča nepopolna optika v človeškem očesu. Z uporabo AO so ustvarili a kamera za slikanje mrežnice z izjemno ločljivostjo, ki omogoča jasno slikanje posameznih fotoreceptorskih celic v živi človeški mrežnici. Dve leti pozneje sta Roorda in Williams uporabila ta instrument za izdelavo prvih slik, ki prikazujejo porazdelitev tri vrste stožcev v človeški mrežnici.

Po besedah ​​Donala Bradleyja, predsednika odbora za optoelektroniko Rank Prize, nagrada zmagovalcem priznava "osnovni prispevek k slikanju v očesu, ki odpira nove priložnosti za razumevanje tega kompleksnega optičnega instrumenta in izboljšanje vida z natančnimi posegi". Tami Freeman se je pogovarjala z dvema zmagovalcema, da bi izvedela več.

Kako je AO od svojega izuma vplival na področje slikanja oči?

Donald Miller AO je edina tehnologija, ki omogoča vizualizacijo posameznih celic mrežnice v živem očesu. In ker se bolezen in patologija začneta na tej celični ravni, je to raven, na kateri končno želimo, da kliniki delujejo, za zgodnejšo diagnozo in učinkovitejše zdravljenje.

Kot primer iz mojega lastnega laboratorija, nedavno smo preučevali vpliv glavkoma, enega glavnih vzrokov nepopravljive slepote na svetu, na ganglijske celice mrežnice – primarno celično vrsto, ki umre pri tej bolezni in ki povezuje vrh mrežnice. Čeprav obstajajo učinkovita zdravljenja, je bolezen na žalost težko diagnosticirati zgodaj, dokler ne pride do znatnih poškodb. Z AO lahko zdaj pri teh bolnikih prvič spremljamo posamezne ganglijske celice mrežnice in jih spremljamo skozi čas.

Z uporabo AO v kombinaciji z optično koherentno tomografijo (AO-OCT) smo ugotovili, da tudi v očeh, ki jih zdravimo, vidimo subklinično izgubo celic. To je pomembno, ker lahko kliniki zdaj uporabljajo te meritve na celični ravni, da bolje ugotovijo, ali njihovo zdravljenje deluje ali ne. Ponuja tudi velik potencial za testiranje učinkovitosti in varnosti novih nevroprotektivnih in regenerativnih strategij. Vizualizacija ganglijskih celic mrežnice pri ljudeh je postala mogoča šele v zadnjih nekaj letih – vstopamo v res razburljiv čas.

Austin Roorda Ko so na voljo zdravljenja za glavne očesne bolezni, ki povzročajo slepitev, kot so sladkorna bolezen, glavkom in makularna degeneracija, lahko zdaj z AO ocenimo, kako učinkoviti so. Obstajajo pa tudi druge dedne bolezni mrežnice zaradi genskih mutacij, o katerih je zelo malo znanega. Pri teh redkih boleznih je bil prej edini način, da vidimo, kaj se dogaja na celičnem merilu, počakati na oko darovalca in ga pogledati pod mikroskopom. AO je pri teh bolnikih omogočil pregled mrežnice v mikroskopskem merilu. Na obzorju so zdravljenja, kot je genska terapija, ki bi potencialno lahko pozdravila ali zaustavila te podedovane bolezni. AO je pripravljen igrati ključno vlogo v tem procesu – razumeti, kako mutacija vpliva na mrežnico, oceniti stanje mrežnice, predvideti prognozo, če bo bolnik podvržen genski terapiji, in nato izmeriti učinkovitost te terapije.

Kako je tehnologija AO napredovala v zadnjih 25 letih?

AR AO je bil prvotno omejen s tehnologijo, ki je bila na voljo in je bila v veliki meri razvita za področje astronomije. Torej je bilo deformabilno ogledalo veliko in ni bilo primerno za oko. Z leti, ko so podjetja začela prepoznavati potencial AO na drugih področjih, vključno z oftalmoskopijo, so začela izdelovati naprave za zaznavanje valov in korektorje valov (deformabilno ogledalo), ki so bili veliko bolj primerni za aplikacije v človeškem očesu.

DM Ko smo prvič razvili sistem AO, smo veliko ugibali: kakšno vrsto korekcije valovne fronte uporabiti, kateri senzor valovne fronte, hitrost zanke in tako naprej. V naslednjih petih do desetih letih je bilo veliko izboljšav v našem razumevanju prostorskih lastnosti in časovne dinamike očesnih aberacij. Ti so nato določili komponente AO: koliko aktuatorjev potrebujete v svojem korektorju valovne fronte, kakšen mora biti hod [premik aktuatorja], koliko točk vzorčenja potrebujete čez zenico in kako hitro naj deluje sistem AO. Vsi so bili z leti optimizirani.

Na primer, korektor valovne fronte, ki smo ga uporabili leta 1997, je imel 37 aktuatorjev, ki potiskajo in vlečejo zadnjo površino zrcala, da ukrivijo njegovo obliko, in dal bi štiri mikrone giba. Tisti, ki se uporabljajo danes, imajo skoraj 100 aktuatorjev in dajejo za red velikosti večji hod, kar je pomembno, ker imajo oči resne aberacije; to je velika razlika.

AR Zdaj, ko uporabljate AO, pritisnete gumb in samodejno se zažene pri kjer koli od deset do sto hercev. Prej smo morali posneti sliko, zemljevid očesnih aberacij, in jo natančno pregledati, da smo se prepričali, da ni nobenih napak v začetni analizi slike. Nato bi pritisnili naslednji gumb, da bi to obliko uporabili na ogledalu. Uporabnik je bil torej sestavni del zaprtozančnega AO sistema. Bilo je zabavno, a počasi.

Na začetku so Don, David in Junzhong izdelali standardno kamero s poplavno osvetlitvijo, ki bi opazovala mrežnico skozi sistem AO, da bi razkrila mikroskopsko strukturo. Kasneje sem vključil AO v sistem za skeniranje, da sem ustvaril laserski oftalmoskop za skeniranje AO (AOSLO), ki lahko snema video mrežnice in izvaja globinske reze. To je povsem nova platforma za slikanje AO. Drugi raziskovalci so vključili vrsto slikanja s faznim kontrastom, ki lahko vizualizira sicer prozorne celice v mrežnici, v Davidovi skupini pa izvajajo fluorescenčno slikanje v očeh živali.

Katero je vaše trenutno glavno področje raziskovanja?

AR Če obstaja tema za to, kar sem počel zadnjih 15 let, sta to struktura in funkcija. Izkazalo se je, da je naš posnetek AOSLO tudi najboljši sledilnik oči na svetu. Gibanje oči lahko spremljate zelo hitro in natančno, saj lahko vidite gibanje posameznih celic v ozadju očesa. Naredili smo še korak dlje in uporabili skenirni laserski sistem ne le za slikanje mrežnice, ampak tudi za nadzor postavitev slik na mrežnico na lestvici enega stožca.

Merili smo funkcionalne lastnosti pri živih ljudeh. Če bi bili v napravi, bi lahko v posamezne stožce oddajal bliskavice svetlobe in vprašal, ali jih vidite ali kakšno barvo vidite. Zgodaj smo preslikali stožčasti mozaik, to je bilo eno od velikih odkritij, ki jih omogoča AO. Zdaj lahko vzamemo ta stožčasti mozaik in začnemo postavljati vprašanja o osnovnih vezjih mrežnice ali temeljnih lastnostih človeškega barvnega vida. Enako delamo pri očesnih boleznih. Če pogledamo niz celic pri pacientu in ni videti normalno, nas zanimajo funkcionalne posledice – ne samo da vidimo strukturo te obolele mrežnice, ampak se sprašujemo o vizualnih rezultatih.

DM Osredotočeni smo tudi na strukturo in funkcijo, vendar z uporabo AO-OCT. Velika prednost OCT je njegova aksialna ločljivost, ki vam omogoča, da izrežete poljubno globino plasti mrežnice, ki jo želite vizualizirati. Stožci so zelo svetli in imajo velik kontrast, vendar je druge celice veliko težje prikazati, saj odbijajo veliko manj svetlobe. Z AO-OCT smo precej napredovali pri slikanju teh drugih nevronov v mrežnici na različnih globinah. To je bil velik korak, da smo lahko slikali ganglijske celice mrežnice, saj so zelo prosojne in imajo zelo nizek kontrast.

Uporabili smo tudi AO-OCT za pregledovanje delovanja fotoreceptorjev. Leta 2000 sta Austin in David razvila svojo pionirsko metodo AO retinalne denzitometrije za klasifikacijo stožcev. Dvajset let kasneje lahko uporabimo podatke o fazi, ki jih zagotavlja AO-OCT, da izmerimo subtilne spremembe v raztezku teh fotoreceptorskih celic, ko jih stimulirajo različne barve svetlobe. Izkazalo se je, da je to veliko bolj natančen in veliko manj zamuden način za klasifikacijo stožcev in je dober primer razvoja tehnologije slikanja AO.

Kako vidite razvoj področja AO v prihodnje?

AR V mojem laboratoriju se veliko osredotočamo na subjektivna merila delovanja, kot so gibanje oči, ostrina in barvni vid. Predvideval pa bi, da bomo z razvojem tehnik AO lahko izmerili funkcionalne lastnosti večine razredov celic v mrežnici. Trenutno je Don ustvaril čudovite slike ganglijskih celic z uporabo AO-OCT. To so zadnje celice, preden signali iz mrežnice dosežejo možgane, torej gre za razred nevronov, katerih delovanje nas zelo zanima. Z uporabo faznih metod ali metod, ki si jih trenutno niti zamisliti ne moremo za merjenje funkcionalnih lastnosti teh in drugih nevronov v mrežnici.

Poddifrakcijsko slikanje človeškega očesa vizualizira fotoreceptorje z izjemno podrobnostjo

David, Don in jaz smo potopljeni v temeljne raziskave, vendar veliko drugih ljudi razmišlja o tem, kako te sisteme uvesti v kliniko. AO ni enostavno in ni poceni, je zapletena tehnologija, zato pot do klinike ni lahka. Zdaj obstaja nekaj podjetij, ki bodo prodajala naprave za slikanje AO, vendar se te ne uporabljajo rutinsko.

DM Področje AO narašča in bledi med poskusi izboljšanja delovanja AO v primerjavi s tem, da bi AO postal bolj dostopen in komercialno uspešen. V naših laboratorijih poskušamo doseči najboljšo zmogljivost, popravljamo aberacije in pridobivamo ostrejše slike za raziskovalne ali klinične namene. Toda obstaja povsem druga stran, ki spodbuja to tehnologijo, da postane bolj kompaktna, cenejša in bolj avtomatizirana. Pravi potencial je združitev AO s SLO in ČDO za komercialno uporabo. Mislim, da je samo vprašanje časa.

• Nagrado Rank, ki jo je leta 1972 ustanovil britanski industrialec in filantrop Lord J Arthur Rank, podeljujejo vsaki dve leti na področju prehrane in optoelektronike. Nagrada bo uradno podeljena 1. julija 2024.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/