自适应光学先驱因视网膜成像突破而荣获 Rank 奖

由柏拉图重新发布

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**2024 年排名奖获得者** 从左到右：梁俊中、唐纳德·米勒、奥斯汀·鲁达和大卫·威廉姆斯。（由：排名奖提供）

率先开发用于人类视网膜成像的自适应光学 (AO) 技术的四位科学家荣获 2024 年光电类排名奖。获奖者—— 梁俊忠, 唐纳德米勒, 奥斯汀·鲁达和大卫·威廉姆斯 – 发明了使用 AO 捕捉活体视网膜高分辨率图像的仪器，并为人眼的结构和功能提供了新的见解。

AO 最初是为天文学而开发的，旨在消除地面望远镜图像中大气引起的模糊。它的工作原理是使用波前传感器测量反射波前的畸变，然后使用波前校正器（通常是可变形镜）补偿这些畸变。

1997 年，Liang、Williams 和 Miller 证明 AO 还可用于校正因人眼光学器件不完善而造成的失真。他们使用 AO 创建了视网膜成像相机具有前所未有的分辨率，能够对活人视网膜中的单个感光细胞进行清晰成像。两年后，罗达和威廉姆斯使用该仪器拍摄了第一张显示分布的图像人类视网膜中的三种视锥细胞.

Rank 奖光电委员会主席 Donal Bradley 表示，该奖项旨在表彰获奖者“对眼内成像的开创性贡献，为了解这种复杂的光学仪器并通过精确干预改善视力提供了新的机会”。塔米·弗里曼采访了两位获奖者以了解更多信息。

自发明以来，AO 对眼部成像领域产生了怎样的影响？

唐纳德米勒 AO 是唯一能够实现活体眼睛中单个视网膜细胞可视化的技术。由于疾病和病理学始于细胞水平，因此我们最终希望临床医生能够在这个水平上进行操作，以实现更早的诊断和更有效的治疗。

作为我自己实验室的一个例子，我们最近一直在研究青光眼（世界上导致不可逆性失明的主要原因之一）对视网膜神经节细胞的影响，视网膜神经节细胞是在这种疾病中死亡的主要细胞类型，它排列在视网膜神经节细胞上。视网膜顶部。尽管存在有效的治疗方法，但不幸的是，在发生重大损害之前，很难及早诊断出这种疾病。借助 AO，我们现在首次可以监测这些患者的个体视网膜神经节细胞并随时间推移对其进行跟踪。

使用 AO 与光学相干断层扫描 (AO-OCT) 相结合，我们发现，即使在接受治疗的眼睛中，我们也看到细胞的亚临床损失。这很重要，因为临床医生现在可以使用这些细胞水平的测量来更好地确定他们的治疗是否有效。它还为测试新的神经保护和再生策略的有效性和安全性提供了巨大的潜力。人类受试者视网膜神经节细胞的可视化直到最近几年才成为可能——我们正在进入一个真正令人兴奋的时代。

奥斯汀·鲁达 随着糖尿病、青光眼和黄斑变性等主要致盲眼病的治疗方法出现，我们现在可以使用 AO 来评估它们的效果。但还有其他由基因突变引起的遗传性视网膜疾病，人们对此知之甚少。在这些罕见疾病中，以前观察细胞尺度上发生的情况的唯一方法是等待捐赠的眼睛并在显微镜下观察。 AO 开启了在显微镜下检查这些患者视网膜的能力。基因疗法等治疗方法即将出现，有可能治愈或阻止这些遗传性疾病。 AO 准备在这一过程中发挥关键作用——了解突变如何影响视网膜，评估视网膜的状态，预测患者接受基因治疗的预后，然后测量该治疗的有效性。

过去 25 年来，AO 技术取得了怎样的进展？

AR AO 最初受到可用技术的限制，该技术主要是为天文学领域开发的。所以变形镜太大了，不适合眼睛。多年来，当公司开始认识到 AO 在其他领域（包括检眼镜）的潜力时，他们开始构建更适合人眼应用的波前传感设备和波前校正器（可变形镜）。

DM 当我们第一次开发AO系统时，我们做了很多猜测：使用什么类型的波前校正、什么波前传感器、循环速度等等。在接下来的五到十年中，我们对眼像差的空间特性和时间动态的理解有了很大的进步。然后定义了 AO 组件：波前校正器中需要多少个致动器、行程 [致动器位移] 应该是多少、瞳孔上需要多少个采样点以及 AO 系统应该运行多快。多年来，这些都已得到优化。

第一个眼睛 AO 系统 — **时光倒流** 1997 年，大卫·威廉姆斯 (David Williams)、唐纳德·米勒 (Donald Miller) 和梁俊中 (Junzhong Liang) 在罗彻斯特围绕第一个眼部自适应光学系统进行研究。（由大卫·威廉姆斯提供）

例如，我们在 1997 年使用的波前校正器有 37 个致动器，可以推拉镜子的后表面以扭曲其形状，并且会产生 100 微米的行程。如今使用的驱动器有近 XNUMX 个执行器，行程增加了一个数量级，这一点很重要，因为眼睛有严重的像差；这有很大的不同。

AR 现在，当您使用 AO 时，只需按一下按钮，它就会以数十到数百赫兹的频率自动运行。之前，我们必须拍摄一张照片，一张眼睛像差图，并对其进行仔细检查，以确保最初的图像分析中没有任何错误。然后，您可以按下一个按钮将该形状应用到镜子上。因此，用户是闭环 AO 系统不可或缺的一部分。这很有趣，但速度很慢。

最初，Don、David 和 Junzhong 建造了一个标准的泛光照明相机，可以通过 AO 系统观察视网膜，以揭示微观结构。后来，我将 AO 集成到扫描系统中，创建了 AO 扫描激光检眼镜 (AOSLO)，它可以记录视网膜视频并进行深度切片。这是一个全新的 AO 成像平台。其他研究人员已经采用了一种相差成像技术，可以使视网膜中原本透明的细胞可视化，而在大卫的小组中，他们正在动物眼睛中进行荧光成像。

您目前的主要研究领域是什么？

AR 如果说我过去 15 年左右所做的事情有一个主题的话，那就是结构和功能。事实证明，我们的 AOSLO 成像仪也是世界上最好的眼动仪。您可以非常快速、准确地跟踪眼球运动，因为您可以看到眼睛后部单个细胞的运动。我们更进一步，使用扫描激光系统不仅对视网膜进行成像，而且还以单个锥体的尺度控制图像在视网膜上的放置。

Austin Roorda 致力于 AOSLO — **结构与功能** Austin Roorda 在加州大学伯克利分校研究自适应光学扫描光检眼镜 (AOSLO)。（由奥斯汀·鲁达提供）

我们一直在测量活人的功能特性。如果你在设备中，我可以将闪光传递到各个锥体中，并询问你是否可以看到它们或者你看到什么颜色。早期，我们绘制了锥形镶嵌图，这是启用 AO 的重大发现之一。现在我们可以利用这个锥形马赛克并开始询问有关基本视网膜回路或人类色觉的基本特性的问题。我们在眼科疾病方面也做了同样的事情。如果我们观察患者体内的一系列细胞，发现它看起来不正常，我们就会对功能后果感兴趣——不仅仅是看到患病视网膜的结构，还询问视觉结果。

DM 我们还关注结构和功能，但使用 AO-OCT。 OCT 的一大优点是它的轴向分辨率，它可以让您切出想要可视化的视网膜层中的任何深度。视锥细胞非常明亮且对比度高，但其他细胞往往更难成像，因为它们反射回来的光要少得多。我们在使用 AO-OCT 对视网膜中不同深度的其他神经元进行成像方面取得了相当大的进展。能够对视网膜神经节细胞进行成像是一大进步，因为它们高度透明且对比度非常低。

我们还一直在使用 AO-OCT 来观察光感受器内的功能。 2000 年，Austin 和 David 开发了他们开创性的 AO 视网膜密度测量方法，用于视锥细胞分类。二十年后，我们可以利用AO-OCT提供的相位信息来测量这些感光细胞在受到不同颜色的光刺激时伸长的细微变化。事实证明，这是一种更准确、更省时的锥体分类方法，也是 AO 成像技术发展的一个很好的例子。

您如何看待AO领域未来的发展？

AR 在我的实验室中，我们非常关注主观功能测量，例如眼球运动、敏锐度和色觉。但我预计，随着 AO 技术的发展，我们将能够测量视网膜中大多数细胞类别的功能特性。现在，Don 已经使用 AO-OCT 生成了精美的神经节细胞图像。这些是视网膜信号到达大脑之前的最后一个细胞，因此我们对它们的功能非常感兴趣。使用相位方法，或者我们现在甚至无法想象的方法，我们也许能够测量视网膜中这些神经元和其他神经元的功能特性。

人眼的亚衍射成像以前所未有的细节可视化光感受器

大卫、唐和我都沉浸在基础研究中，但还有很多其他人在思考如何将这些系统引入临床。 AO并不容易，也不便宜，它是一项复杂的技术，因此通往临床的道路并不容易。现在有几家公司会销售 AO 成像设备，但它们并没有被常规使用。

DM AO 领域在尝试提高 AO 性能与使 AO 更容易获得并具有商业可行性之间不断变化。在我们的实验室中，我们正在努力实现最佳性能，校正像差并获得更清晰的图像以用于研究或临床目的。但还有另一面在推动这项技术变得更紧凑、更便宜、更自动化。真正的潜力是将 AO 与 SLO 和 OCT 结合起来用于商业用途。我认为这只是时间问题。