Noua tehnologie de imagistică oculară îmbunătățește claritatea detaliilor retinei
Dispozitivele moderne de tomografie în coerență optică (OCT) pot examina interiorul ochiului fără intervenții chirurgicale, însă nu reușesc întotdeauna să capteze toate informațiile esențiale.
Unele informații critice sunt pierdute, fiind estompate de fotonii dispersați. Tehnologia STOC-T, dezvoltată timp de mai mulți ani de Prof. Maciej Wojtkowski și echipa sa de la ICTER, vizează rezolvarea acestei probleme, nu prin post-procesare, ci prin schimbarea fundamentală a modului în care sunt colectate datele de imagistică.
Tomografia în coerență optică (OCT) a devenit o piatră de temelie a oftalmologiei moderne. Pacientul se așază în fața aparatului și se concentrează pe o țintă, iar în câteva momente medicul poate observa o secțiune detaliată a retinei, strat cu strat, fără contact fizic cu ochiul. Aceasta reprezintă unul dintre cele mai semnificative progrese în oftalmologie din ultimele trei decenii. OCT permite medicilor să detecteze glaucomul, degenerescența maculară legată de vârstă, retinopatia diabetică și edemul macular înainte ca pacientul să experimenteze o pierdere vizuală evidentă.
În spatele acestei examinări aparent simple se află o fizică complexă. Lumina care pătrunde în ochi nu se întoarce la detector în mod ordonat. Unele fotoni transportă informații utile despre țesutul examinat, în timp ce alții devin dispersați, ricoșează în direcții aleatorii și se amestecă cu semnalul dorit. Rezultatul este o imagine cu contrast redus, granulație crescută și claritate scăzută. Ironia constă în faptul că adesea semnele timpurii ale bolii pot fi ascunse în aceste detalii estompate. Prof. Maciej Wojtkowski, care conduce Centrul Internațional pentru Cercetări Oculare Translaționale (ICTER) din cadrul Institutului de Chimie Fizică al Academiei Poloneze de Științe din Varșovia, s-a concentrat pe această provocare timp de mulți ani. În articolul „Imaginare și tomografie în coerență optică spatio-temporală pentru aplicații in vivo”, publicat în Journal of Biomedical Optics, el descrie tehnologia STOC și implementarea sa tridimensională, STOC-T. Metoda este concepută nu doar pentru a îmbunătăți calitatea imaginii, ci, mai important, pentru a separa semnalele reale ale țesuturilor de zgomot, încă din etapa de achiziție a datelor.
De ce unele imagini ale ochilor sunt uneori incomplete? Retina este subțire, complexă și delicată, iar coroida – stratul vascular situat direct sub ea – este și mai greu de vizualizat la rezoluție maximă. Fotoreceptorii, celulele direct responsabile pentru vederea noastră, au dimensiuni de doar câțiva micrometri. Toate aceste caracteristici ale componentelor ochiului fac imaginarea foarte provocatoare, mai ales având în vedere proprietățile luminii stimulatoare.
Când un foton provenind dintr-un singur punct al țesutului ocular ajunge la mai mulți pixeli ai detectorului în loc de unul singur, imaginea rezultată nu mai este o reprezentare fidelă a structurii examinate. Prof. Wojtkowski se referă la acest fenomen ca „crosstalk optic” (OC). Pentru un fizician, OC reprezintă o problemă de interferență și pierdere a coerenței. Pentru un medic, OC duce la o pierdere a informațiilor diagnostice. Pentru un pacient, OC poate crește riscul ca modificările patologice timpurii să rămână nedetectate.
„În imaginarea țesuturilor vii, scopul nu este doar să colectăm cât mai multă lumină posibil. Trebuie să știm, de asemenea, care lumină ne oferă informații semnificative despre țesut și care lumină degradează pur și simplu imaginea”, afirmă Prof. Maciej Wojtkowski.
Cum îmbunătățește STOC-T imaginea? STOC-T nu este un alt filtru de procesare a imaginii aplicat după achiziția semnalului. În schimb, schimbă modul în care sunt colectate datele. Sistemul modifică repetat faza luminii care iluminează țesutul, folosind diferite tipare spațiale cunoscute sub numele de măști de fază. Semnalele înregistrate sunt apoi comparate și mediate. Lumina dispersată se comportă haotic și diferit pentru fiecare mască, ceea ce duce la anularea treptată a contribuției sale la imagine. În contrast, lumina care transportă informații structurale fiabile rămâne stabilă și devine din ce în ce mai dominantă după mediere.
O analogie utilă ar fi încercarea de a auzi o conversație specifică într-o cameră aglomerată și zgomotoasă. Dacă zgomotul de fond este aleatoriu, iar vocea dorită rămâne constantă, un sistem de înregistrare bine conceput poate izola conversația. Similar, STOC-T se concentrează pe semnalele dorite, dar cu lumină în loc de sunet, și în timp real.
„Nu tratăm zgomotul ca pe ceva ce ar trebui corectat cosmetic ulterior. În schimb, încercăm să proiectăm procesul de măsurare astfel încât semnalele interferente să nu aibă niciodată șansa de a contamina imaginea în primul rând”, adaugă Prof. Maciej Wojtkowski.
În țesuturile cu dispersie ridicată, o parte a informației poate fi pierdută irevocabil în momentul achiziției. Astfel, niciun algoritm post-achiziție nu poate reconstrui complet o imagine precisă dintr-o imagine deja distorsionată. STOC-T abordează problema mai devreme – înainte ca imaginea să fie construită.
Ce a demonstrat echipa? Publicația prezintă rezultate obținute atât în modele de laborator, cât și în țesuturi biologice vii. Într-un experiment, echipa lui Prof. Wojtkowski a imaginat un obiect standard de rezoluție acoperit mai întâi cu un strat artificial puternic dispersant, iar apoi cu un strat de 100 de micrometri grosime de piele de șobolan, reprezentând un țesut natural. Fără STOC-T, imaginea a fost grav distorsionată în ambele cazuri. Odată ce a fost aplicată modularea fazei, structurile țintă au devenit din nou clar vizibile. Experimentul ilustrează amploarea provocării: obiectul a fost întotdeauna prezent, dar fără STOC-T, informația despre acesta a fost efectiv pierdută pe drumul către detector.
Rezultatele cele mai semnificative, totuși, provin din aplicarea tehnicii la imaginarea retinei. STOC-T permite vizualizarea straturilor retiniene, a fotoreceptorilor, a celulelor ganglionare și a microstructurii coroidei, cu o rezoluție laterală de aproximativ 5 micrometri – apropiindu-se de scala celulelor individuale.
În plus, STOC-T facilitează optoretinografia (ORG), care înregistrează răspunsurile fotoreceptorilor la lumină. Cunoașterea modului în care arată aceste celule senzitive la lumină este avantajoasă, dar adesea întrebarea mai relevantă din punct de vedere clinic este dacă acestea funcționează corect. Articolul descrie măsurătorile răspunsurilor conurilor fotoreceptoare la lumina intermitentă la frecvențe între 1,5 și 45 Hz. Constantele de timp derivate au fost de aproximativ 398 ms și 43 ms. Aceste valori se potrivesc strâns cu măsurătorile activității fotoreceptorilor obținute prin înregistrări patch-clamp în retinele primatelor, sugerând că ORG bazată pe STOC-T ar putea reflecta cu adevărat
