Những người tiên phong về quang học thích ứng giành Giải thưởng Xếp hạng cho những đột phá về hình ảnh võng mạc – Vật lý Thế giới

Bốn nhà khoa học đi tiên phong trong việc phát triển công nghệ quang học thích ứng (AO) để chụp ảnh võng mạc con người đã được trao giải thưởng năm 2024 Giải thưởng xếp hạng cho quang điện tử. Người chiến thắng - Quân Trung Lương, Donald Miller, Austin Roorda và David Williams – phát minh ra các công cụ sử dụng AO để ghi lại hình ảnh có độ phân giải cao của võng mạc sống và cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cấu trúc và chức năng của mắt người.

AO ban đầu được phát triển để sử dụng trong thiên văn học nhằm loại bỏ hiện tượng mờ do khí quyển gây ra trong hình ảnh từ kính viễn vọng trên mặt đất. Nó hoạt động bằng cách đo độ biến dạng ở mặt sóng phản xạ bằng cảm biến mặt sóng, sau đó bù những biến dạng này bằng bộ hiệu chỉnh mặt sóng, thường là một tấm gương có thể biến dạng.

Năm 1997, Liang, Williams và Miller đã chứng minh rằng AO cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh các biến dạng gây ra bởi quang học không hoàn hảo trong mắt người. Sử dụng AO, họ đã tạo ra một máy chụp ảnh võng mạc với độ phân giải chưa từng có, cho phép chụp ảnh rõ ràng từng tế bào cảm quang trong võng mạc của con người còn sống. Hai năm sau, Roorda và Williams sử dụng thiết bị này để tạo ra những hình ảnh đầu tiên cho thấy sự phân bố của ba loại hình nón trong võng mạc của con người.

Theo Donal Bradley, chủ tịch Ủy ban Quang Điện tử Giải thưởng Xếp hạng, giải thưởng công nhận những người chiến thắng “đóng góp quan trọng cho việc tạo ảnh trong mắt, mở ra những cơ hội mới để hiểu dụng cụ quang học phức tạp này và cải thiện thị lực thông qua các biện pháp can thiệp chính xác”. Tami Freeman đã nói chuyện với hai trong số những người chiến thắng để tìm hiểu thêm.

Kể từ khi được phát minh, AO đã tác động như thế nào đến lĩnh vực chụp ảnh mắt?

Donald Miller AO là công nghệ duy nhất cho phép hiển thị hình ảnh từng tế bào võng mạc trong mắt sống. Và bởi vì bệnh tật và bệnh lý bắt đầu ở cấp độ tế bào này, đó là cấp độ cuối cùng mà chúng tôi muốn các bác sĩ lâm sàng thực hiện để chẩn đoán sớm hơn và điều trị hiệu quả hơn.

Như một ví dụ từ phòng thí nghiệm của tôi, gần đây chúng tôi đã xem xét tác động của bệnh tăng nhãn áp, một trong những nguyên nhân hàng đầu gây mù lòa không thể chữa khỏi trên thế giới, đối với các tế bào hạch võng mạc - loại tế bào chính chết trong căn bệnh này và là dòng tế bào đỉnh võng mạc. Mặc dù có các phương pháp điều trị hiệu quả nhưng thật không may, căn bệnh này khó được chẩn đoán sớm cho đến khi xảy ra tổn thương đáng kể. Với AO, lần đầu tiên chúng ta có thể theo dõi từng tế bào hạch võng mạc và theo dõi chúng theo thời gian ở những bệnh nhân này.

Sử dụng AO kết hợp với chụp cắt lớp mạch lạc quang học (AO-OCT), chúng tôi nhận thấy rằng, ngay cả ở mắt đang được điều trị, chúng tôi thấy sự mất tế bào cận lâm sàng. Điều đó quan trọng vì giờ đây các bác sĩ lâm sàng có thể sử dụng các phép đo ở cấp độ tế bào này để xác định rõ hơn liệu phương pháp điều trị của họ có hiệu quả hay không. Nó cũng mang lại tiềm năng đáng kể để thử nghiệm tính hiệu quả và an toàn của các chiến lược tái tạo và bảo vệ thần kinh mới. Việc hình dung các tế bào hạch hạch võng mạc ở người chỉ mới có thể thực hiện được trong vài năm gần đây - chúng ta đang bước vào thời kỳ thực sự thú vị.

Austin Roorda Khi các phương pháp điều trị có sẵn cho các bệnh gây mù mắt nghiêm trọng như tiểu đường, tăng nhãn áp và thoái hóa điểm vàng, giờ đây chúng ta có thể sử dụng AO để đánh giá mức độ hiệu quả của chúng. Nhưng còn có những bệnh võng mạc di truyền khác do đột biến gen mà rất ít người biết đến. Trong những căn bệnh hiếm gặp đó, trước đây cách duy nhất để biết điều gì đang xảy ra ở quy mô tế bào là chờ mắt của người hiến tặng và nhìn nó dưới kính hiển vi. AO đã mở ra khả năng kiểm tra võng mạc ở quy mô hiển vi ở những bệnh nhân này. Các phương pháp điều trị như liệu pháp gen đang dần triển khai có khả năng chữa khỏi hoặc ngăn chặn các bệnh di truyền này. AO sẵn sàng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình đó – để hiểu đột biến ảnh hưởng đến võng mạc như thế nào, đánh giá trạng thái của võng mạc, dự đoán tiên lượng nếu bệnh nhân trải qua liệu pháp gen và sau đó đo lường hiệu quả của liệu pháp đó.

Công nghệ AO đã phát triển như thế nào trong 25 năm qua?

AR AO ban đầu bị hạn chế bởi công nghệ sẵn có, phần lớn được phát triển cho lĩnh vực thiên văn học. Vì vậy, chiếc gương biến dạng có kích thước lớn và không vừa với mắt. Trong những năm qua, khi các công ty bắt đầu nhận ra tiềm năng của AO trong các lĩnh vực khác, bao gồm cả soi đáy mắt, họ bắt đầu chế tạo các thiết bị cảm biến mặt sóng và bộ hiệu chỉnh mặt sóng (gương biến dạng) phù hợp hơn rất nhiều với các ứng dụng trong mắt người.

DM Khi lần đầu tiên phát triển hệ thống AO, chúng tôi đã phải phỏng đoán rất nhiều: nên sử dụng loại hiệu chỉnh mặt sóng nào, cảm biến mặt sóng nào, tốc độ vòng lặp, v.v. Trong vòng 10 đến XNUMX năm tới, hiểu biết của chúng ta đã có rất nhiều tiến bộ về các đặc tính không gian và động lực học thời gian của quang sai ở mắt. Sau đó, chúng xác định các thành phần AO: bạn cần bao nhiêu bộ truyền động trong bộ hiệu chỉnh mặt sóng, hành trình [độ dịch chuyển của bộ truyền động] phải là bao nhiêu, bạn cần bao nhiêu điểm lấy mẫu trên đồng tử và hệ thống AO sẽ chạy với tốc độ như thế nào. Tất cả đều đã được tối ưu hóa qua nhiều năm.

Ví dụ, bộ hiệu chỉnh mặt sóng mà chúng tôi sử dụng năm 1997 có 37 bộ truyền động đẩy và kéo trên mặt sau của gương để làm cong hình dạng của nó và nó sẽ tạo ra một hành trình bốn micron. Những cái được sử dụng ngày nay có gần 100 bộ truyền động và đưa ra mức hành trình lớn hơn, điều này rất quan trọng vì mắt có quang sai nghiêm trọng; điều đó đã tạo nên sự khác biệt lớn.

AR Bây giờ, khi bạn sử dụng AO, bạn nhấn một nút và nó sẽ tự động chạy ở bất kỳ đâu từ hàng chục đến hàng trăm hertz. Trước đây, chúng tôi phải chụp ảnh, lập bản đồ quang sai của mắt và xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo không có sai sót nào trong phân tích hình ảnh ban đầu. Sau đó, bạn nhấn nút tiếp theo để áp dụng hình dạng đó vào gương. Vì vậy, người dùng là một phần không thể thiếu của hệ thống AO vòng kín. Nó rất vui, nhưng nó rất chậm.

Ban đầu, Don, David và Junzhong chế tạo một camera chiếu sáng tiêu chuẩn có thể quan sát võng mạc thông qua hệ thống AO để phát hiện cấu trúc hiển vi. Sau đó, tôi kết hợp AO vào hệ thống quét để tạo ra kính soi đáy mắt bằng laser quét AO (AOSLO) có thể quay video võng mạc và thực hiện phân tích độ sâu. Đó là một nền tảng hình ảnh AO hoàn toàn mới. Các nhà nghiên cứu khác đã kết hợp một loại hình ảnh tương phản pha có thể hình dung được các tế bào trong suốt ở võng mạc và trong nhóm của David, họ đang thực hiện hình ảnh huỳnh quang trong mắt động vật.

Lĩnh vực nghiên cứu chính hiện tại của bạn là gì?

AR Nếu có chủ đề cho những gì tôi đã làm trong hơn 15 năm qua thì đó chính là cấu trúc và chức năng. Hóa ra máy chụp ảnh AOSLO của chúng tôi cũng là công cụ theo dõi mắt tốt nhất thế giới. Bạn có thể theo dõi chuyển động của mắt rất nhanh và chính xác vì bạn có thể nhìn thấy chuyển động của từng tế bào ở phía sau mắt. Chúng tôi đã tiến thêm một bước nữa bằng cách sử dụng hệ thống quét laser không chỉ để chụp ảnh võng mạc mà còn kiểm soát vị trí của hình ảnh trên võng mạc theo tỷ lệ của một hình nón.

Chúng tôi đã đo lường các đặc tính chức năng ở người sống. Nếu bạn ở trong thiết bị, tôi có thể chiếu các tia sáng vào từng hình nón riêng lẻ và hỏi liệu bạn có thể nhìn thấy chúng hay bạn nhìn thấy màu gì không. Ngay từ đầu, chúng tôi đã lập bản đồ khảm hình nón, đó là một trong những khám phá lớn được hỗ trợ bởi AO. Bây giờ chúng ta có thể lấy bức tranh khảm hình nón đó và bắt đầu đặt câu hỏi về các mạch cơ bản của võng mạc hoặc các đặc tính cơ bản của khả năng nhìn màu sắc của con người. Chúng tôi đang làm điều tương tự với bệnh về mắt. Nếu chúng ta nhìn vào một loạt tế bào ở một bệnh nhân và nó trông không bình thường, chúng ta sẽ quan tâm đến những hậu quả về mặt chức năng - không chỉ nhìn thấy cấu trúc của võng mạc bị bệnh mà còn hỏi về kết quả thị giác.

DM Chúng tôi cũng tập trung vào cấu trúc và chức năng nhưng sử dụng AO-OCT. Ưu điểm lớn của OCT là độ phân giải dọc trục, cho phép bạn phân chia bất kỳ độ sâu nào trong lớp võng mạc mà bạn muốn hình dung. Các tế bào hình nón rất sáng và có độ tương phản cao, nhưng các tế bào khác có xu hướng khó chụp ảnh hơn nhiều vì chúng phản chiếu lại ít ánh sáng hơn. Chúng tôi đã đạt được nhiều tiến bộ khi sử dụng AO-OCT để ghi lại hình ảnh các tế bào thần kinh khác này trong võng mạc ở các độ sâu khác nhau. Đó là một bước tiến lớn để có thể chụp ảnh các tế bào hạch võng mạc vì chúng có độ trong suốt cao và có độ tương phản rất thấp.

Chúng tôi cũng đang sử dụng AO-OCT để xem xét chức năng bên trong các tế bào cảm quang. Năm 2000, Austin và David đã phát triển phương pháp đo mật độ võng mạc AO tiên phong để phân loại hình nón. Hai mươi năm sau, chúng ta có thể sử dụng thông tin pha do AO-OCT cung cấp để đo những thay đổi tinh tế trong độ giãn dài của các tế bào cảm quang này khi bị kích thích bởi các màu ánh sáng khác nhau. Điều đó hóa ra lại là một cách phân loại hình nón chính xác hơn và ít tốn thời gian hơn và là một ví dụ điển hình về sự phát triển của công nghệ hình ảnh AO.

Bạn thấy lĩnh vực AO sẽ phát triển như thế nào trong tương lai?

AR Trong phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi tập trung rất nhiều vào các thước đo chủ quan về chức năng, chẳng hạn như chuyển động của mắt, thị lực và khả năng nhận biết màu sắc. Nhưng tôi hình dung rằng khi kỹ thuật AO phát triển, chúng ta sẽ có thể đo được các đặc tính chức năng của hầu hết các lớp tế bào trong võng mạc. Hiện tại, Don đã tạo ra những hình ảnh đẹp về tế bào hạch bằng AO-OCT. Đây là những tế bào cuối cùng trước khi tín hiệu từ võng mạc đến não, vì vậy đây là loại tế bào thần kinh có chức năng mà chúng tôi rất quan tâm. Sử dụng các phương pháp pha hoặc các phương pháp mà chúng tôi thậm chí không thể hình dung được ngay bây giờ, chúng tôi có thể để đo lường các đặc tính chức năng của chúng và các tế bào thần kinh khác trong võng mạc.

Hình ảnh nhiễu xạ phụ của mắt người hiển thị các tế bào cảm quang với độ chi tiết chưa từng có

David, Don và tôi đang đắm chìm trong nghiên cứu cơ bản, nhưng có rất nhiều người khác đang suy nghĩ về cách đưa những hệ thống này vào phòng khám. AO không hề dễ dàng và cũng không hề rẻ, nó là một công nghệ phức tạp nên con đường đến với phòng khám cũng không hề dễ dàng. Hiện nay có một số công ty sẽ bán thiết bị chụp ảnh AO, nhưng chúng không được sử dụng thường xuyên.

DM Lĩnh vực AO thăng trầm giữa việc cố gắng cải thiện hiệu suất AO và làm cho AO dễ tiếp cận hơn và khả thi hơn về mặt thương mại. Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi đang cố gắng đạt được hiệu suất tốt nhất, sửa quang sai và thu được hình ảnh sắc nét hơn cho mục đích nghiên cứu hoặc lâm sàng. Nhưng có một mặt hoàn toàn khác đang thúc đẩy công nghệ này làm cho nó nhỏ gọn hơn, rẻ hơn và tự động hơn. Tiềm năng thực sự là việc kết hợp AO với SLO và OCT để sử dụng cho mục đích thương mại. Tôi nghĩ đó chỉ là vấn đề thời gian.

• Được thành lập vào năm 1972 bởi nhà công nghiệp và nhà từ thiện người Anh Lord J Arthur Rank, Giải thưởng Rank được trao hai năm một lần trong lĩnh vực dinh dưỡng và quang điện tử. Giải thưởng sẽ được trao chính thức vào ngày 1 tháng 2024 năm XNUMX.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/adaptive-optics-pioneers-win-rank-prize-for-retinal-imaging-breakthroughs/