Adaptive Optics Pioneers vinner rankingpris för retinal imaging genombrott

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

**Vinnarna av Rank Prize 2024** Från vänster till höger: Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda och David Williams. (Med tillstånd: Rank Prize)

Fyra forskare som banat väg för utvecklingen av adaptiv optik (AO)-teknik för att avbilda den mänskliga näthinnan har tilldelats 2024 års pris. Rankpris för optoelektronik. Vinnarna - Junzhong Liang, Donald Miller, Austin Roorda och David Williams – uppfann instrument som använder AO för att fånga högupplösta bilder av den levande näthinnan och ge ny insikt om det mänskliga ögats struktur och funktion.

AO utvecklades ursprungligen för användning inom astronomi, för att eliminera atmosfärinducerad oskärpa i bilder från markbaserade teleskop. Det fungerar genom att mäta förvrängningar i en reflekterad vågfront med hjälp av en vågfrontssensor, och sedan kompensera för dessa förvrängningar med en vågfrontskorrigerare, som ofta är en deformerbar spegel.

1997 visade Liang, Williams och Miller att AO också kan användas för att korrigera för snedvridningar orsakade av ofullständig optik i det mänskliga ögat. Med hjälp av AO skapade de en retinal bildkamera med oöverträffad upplösning, vilket möjliggör tydlig avbildning av individuella fotoreceptorceller i den levande mänskliga näthinnan. Två år senare använde Roorda och Williams detta instrument för att producera de första bilderna någonsin som visar distributionen av tre typer av koner i den mänskliga näthinnan.

Enligt Donal Bradley, ordförande för Rank Prize Optoelectronics Committee, uppmärksammar priset vinnarnas "framkallande bidrag till bildbehandling i ögat som öppnar nya möjligheter att förstå detta komplexa optiska instrument och förbättra synen genom exakta ingrepp". Tami Freeman pratade med två av vinnarna för att få veta mer.

Sedan dess uppfinning, hur har AO påverkat området för ögonavbildning?

Donald Miller AO är den enda teknologin som tillåter visualisering av enskilda retinala celler i ett levande öga. Och eftersom sjukdom och patologi börjar på den här cellnivån, är det den nivå vi i slutändan vill att läkare ska operera på, för tidigare diagnos och mer effektiva behandlingar.

Som ett exempel från mitt eget labb har vi nyligen tittat på effekterna av glaukom, en av de främsta orsakerna till irreversibel blindhet i världen, på retinala ganglieceller – den primära celltypen som dör i denna sjukdom och som kantar toppen av näthinnan. Medan effektiva behandlingar finns, är sjukdomen tyvärr svår att diagnostisera tidigt tills betydande skada har inträffat. Med AO kan vi nu för första gången övervaka individuella retinala ganglieceller och spåra dem över tid hos dessa patienter.

Genom att använda AO i kombination med optisk koherenstomografi (AO-OCT) har vi funnit att även i ögon under behandling ser vi subklinisk förlust av celler. Det är viktigt eftersom läkare nu kan använda dessa mätningar på cellnivå för att bättre fastställa om deras behandling fungerar eller inte. Det erbjuder också avsevärd potential för att testa effektiviteten och säkerheten hos nya neuroprotektiva och regenerativa strategier. Visualiseringen av retinala ganglieceller hos människor har bara blivit möjlig under de senaste åren – vi går en riktigt spännande tid in.

Austin Roorda När behandlingar blir tillgängliga för de stora blindande ögonsjukdomarna, som diabetes, glaukom och makuladegeneration, kan vi nu använda AO för att bedöma hur effektiva de är. Men det finns andra ärftliga retinala sjukdomar på grund av genmutationer som mycket lite är känt om. I dessa sällsynta sjukdomar var det tidigare enda sättet att se vad som hände på cellulär skala att vänta på ett donatoröga och titta på det under ett mikroskop. AO har öppnat upp möjligheten att undersöka näthinnan i mikroskopisk skala hos dessa patienter. Behandlingar som genterapi är i horisonten som potentiellt skulle kunna bota eller stoppa dessa ärftliga sjukdomar. AO är redo att spela en nyckelroll i den processen – att förstå hur mutationen påverkar näthinnan, bedöma näthinnans tillstånd, förutsäga prognosen om patienten genomgår genterapi och sedan mäta effektiviteten av den terapin.

Hur har AO-tekniken utvecklats under de senaste 25 åren?

AR AO var ursprungligen begränsad av den teknik som fanns tillgänglig, som till stor del utvecklades för området astronomi. Så den deformerbara spegeln var stor och passade inte ögat. Under åren, när företag började inse potentialen hos AO inom andra områden, inklusive oftalmoskopi, började de bygga vågfrontsavkänningsenheter och vågfrontskorrigerare (den deformerbara spegeln) som var mycket bättre lämpade för tillämpningar i det mänskliga ögat.

DM När vi först utvecklade AO-systemet gjorde vi många gissningar: vilken typ av vågfrontskorrigering som ska användas, vilken vågfrontssensor, loophastigheten och så vidare. Under de kommande fem till 10 åren skedde en hel del förbättringar i vår förståelse av de rumsliga egenskaperna och den tidsmässiga dynamiken hos okulära aberrationer. Dessa definierade sedan AO-komponenterna: hur många ställdon du behöver i din vågfrontskorrektor, vad slaglängden [aktuatorns förskjutning] ska vara, hur många provtagningspunkter du behöver över pupillen och hur snabbt AO-systemet ska gå. De har alla optimerats under åren.

Det första AO-systemet för ögat — **Gå tillbaka i tiden** David Williams, Donald Miller och Junzhong Liang kring det första adaptiva optiksystemet för ögat i Rochester 1997. (Med tillstånd: David Williams)

Till exempel hade vågfrontskorrigeraren som vi använde 1997 37 ställdon som trycker och drar på baksidan av spegeln för att förvränga dess form, och det skulle ge fyra mikrometers slaglängd. De som används idag har närmare 100 ställdon och ger en storleksordning mer slag, vilket är viktigt eftersom ögonen har svåra aberrationer; det har gjort stor skillnad.

AR Nu, när du använder AO, trycker du på en knapp och den körs automatiskt på allt från tiotals till hundratals hertz. Förut var vi tvungna att ta en bild, en karta över ögats avvikelser, och granska den för att säkerställa att det inte fanns några fel i den inledande bildanalysen. Sedan skulle du trycka på nästa knapp för att applicera den formen på spegeln. Så användaren var en integrerad del av det slutna AO-systemet. Det var kul, men det gick långsamt.

Inledningsvis byggde Don, David och Junzhong en standardkamera för översvämningsbelysning som skulle titta på näthinnan genom ett AO-system för att avslöja den mikroskopiska strukturen. Senare införlivade jag AO i ett skanningssystem för att skapa ett AO-scanning laseroftalmoskop (AOSLO) som kan spela in video av näthinnan och utföra djupsnitt. Det är en helt ny AO-bildplattform. Andra forskare har införlivat en typ av faskontrastavbildning som kan visualisera annars genomskinliga celler i näthinnan, och i Davids grupp utför de fluorescensavbildning i djurögon.

Vilket är ditt nuvarande huvudsakliga forskningsområde?

AR Om det fanns ett tema för det jag har gjort de senaste 15 åren eller så, så är det struktur och funktion. Det visar sig att vår AOSLO imager också är världens bästa eyetracker. Du kan spåra ögonrörelser mycket snabbt och exakt eftersom du kan se rörelsen av enstaka celler i baksidan av ögat. Vi tog detta ett steg längre och använde det skanande lasersystemet inte bara för att avbilda näthinnan, utan för att kontrollera placeringen av bilder på näthinnan i skalan av en enda kon.

Austin Roorda arbetar på AOSLO — **Struktur och funktion** Austin Roorda arbetar med det adaptiva optikens scanning ljus oftalmoskop (AOSLO) vid UC Berkeley. (Med tillstånd: Austin Roorda)

Vi har mätt funktionella egenskaper hos levande människor. Om du var i enheten skulle jag kunna leverera ljusblixtar till enskilda koner och fråga om du kunde se dem eller vilken färg du ser. Tidigt kartlade vi konmosaiken, det var en av de stora AO-aktiverade upptäckterna. Nu kan vi ta den konmosaiken och börja ställa frågor om grundläggande retinala kretsar eller de grundläggande egenskaperna hos mänskligt färgseende. Vi gör samma sak vid ögonsjukdomar. Om vi tittar på en rad celler i en patient och det ser inte normalt ut, är vi intresserade av de funktionella konsekvenserna – inte bara att se strukturen på den sjuka näthinnan utan att fråga om de visuella resultaten.

DM Vi är också fokuserade på struktur och funktion, men använder AO-OCT. Den stora fördelen med OCT är dess axiella upplösning, som låter dig sektionera ut vilket djup i näthinnan du vill visualisera. Koner är mycket ljusa och har hög kontrast, men andra celler tenderar att vara mycket svårare att avbilda eftersom de reflekterar mycket mindre ljus tillbaka. Vi har gjort en hel del framsteg med AO-OCT för att avbilda dessa andra neuroner i näthinnan på olika djup. Det var ett stort steg att kunna avbilda retinala ganglieceller, eftersom de är mycket transparenta och har mycket låg kontrast.

Vi har också använt AO-OCT för att titta på funktion inom fotoreceptorer. År 2000 hade Austin och David utvecklat sin banbrytande AO retinal densitometrimetod för konklassificering. Tjugo år senare kan vi använda fasinformationen från AO-OCT för att mäta subtila förändringar i förlängningen av dessa fotoreceptorceller när de stimuleras av olika ljusfärger. Det visade sig vara ett mycket mer exakt och mycket mindre tidskrävande sätt att göra konklassificering och är ett bra exempel på utvecklingen av AO-bildteknik.

Hur ser du på att AO-området utvecklas i framtiden?

AR I mitt labb fokuserar vi mycket på subjektiva mått på funktion, såsom ögonrörelser, skärpa och färgseende. Men jag skulle föreställa mig att när AO-tekniker utvecklas, kommer vi att kunna mäta funktionella egenskaper hos de flesta cellklasser i näthinnan. Just nu har Don genererat vackra bilder av ganglionceller med hjälp av AO-OCT. Det här är de sista cellerna innan signalerna från näthinnan når hjärnan, så det är en klass av neuroner vars funktion vi är väldigt intresserade av. Genom att använda fasmetoder, eller metoder som vi inte ens kan tänka oss just nu, kanske vi kan för att mäta de funktionella egenskaperna hos dessa och andra neuroner i näthinnan.

Sub-diffraktionsavbildning av det mänskliga ögat visualiserar fotoreceptorer med oöverträffad detalj

David, Don och jag är fördjupade i grundforskning, men det finns många andra som funderar på hur man får in dessa system på kliniken. AO är inte lätt och det är inte billigt, det är en komplicerad teknik så vägen till kliniken är inte enkel. Det finns ett fåtal företag nu som kommer att sälja AO-avbildningsenheter, men de används inte rutinmässigt på något sätt.

DM Området för AO växer och avtar mellan att försöka förbättra AO-prestanda kontra att göra AO mer tillgänglig och kommersiellt gångbar. I våra labb försöker vi uppnå den allra bästa prestandan, korrigera aberrationer och få skarpare bilder för forskning eller kliniska ändamål. Men det finns en helt annan sida som driver den här tekniken för att göra den mer kompakt, billigare och mer automatiserad. Den verkliga potentialen är att gifta AO med SLO och OCT för kommersiellt bruk. Jag tror att det bara är en tidsfråga.

Rank Prize grundades 1972 av den brittiske industrimannen och filantropen Lord J Arthur Rank och delas ut vartannat år inom områdena nutrition och optoelektronik. Priset delas ut formellt den 1 juli 2024.