Cała siatkówka w jednym badaniu. Naukowcy ICTER uprościli obrazowanie oka

Nowa metoda rozwijana z udziałem naukowców ICTER pokazuje, że w obrazowaniu siatkówki mniej może znaczyć więcej - mniej ustawień, mniej komplikacji, więcej informacji.

Im dokładniej chcemy oglądać ludzką siatkówkę, tym wyraźniej widać jedno z podstawowych ograniczeń fizyki. W obrazowaniu komórkowym od lat obowiązuje ten sam kompromis: można zobaczyć drobne struktury z imponującą ostrością, ale tylko w bardzo cienkiej warstwie tkanki. Żeby obejrzeć całą siatkówkę, trzeba zwykle wielokrotnie przestawiać ostrość i wykonywać kilka osobnych skanów. Międzynarodowy zespół naukowców z udziałem Dawida Boryckiego i Macieja Wojtkowskiego z ICTER oraz Zhoulin Liu i Daniela X. Hammera z FDA Center for Devices and Radiological Health (CDRH) pokazał właśnie, że ten problem można obejść.

Zamiast dalej komplikować aparaturę, badacze połączyli procedury. To ważny krok nie tylko dla fizyki obrazowania, ale także dla przyszłej diagnostyki chorób oka i schorzeń neurologicznych. Szczegóły opisano w pracy zatytułowanej "Computational aberration correction enables full-thickness retinal imaging with adaptive optics optical coherence tomography", opublikowanej na łamach Biocybernetics and Biomedical Engineering.

Im większa precyzja, tym trudniejsze badanie

Współczesne metody obrazowania siatkówki są dziś na tyle czułe, że pozwalają zobaczyć struktury na poziomie pojedynczych komórek. To ogromna szansa dla medycyny, ponieważ siatkówka jest jedną z bardzo nielicznych części układu nerwowego, które można badać nieinwazyjnie przez przezroczyste struktury oka. Jej mikrostruktura może ujawniać nie tylko choroby okulistyczne, takie jak zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem (AMD) czy retinopatia cukrzycowa, ale także schorzenia ogólnoustrojowe i neurodegeneracyjne. Obrazowanie oka staje się coraz ważniejszym narzędziem we wczesnym wykrywaniu patologii i monitorowaniu przebiegu choroby.

Problem pojawia się wtedy, gdy chcemy zbadać "zbyt wiele" jednocześnie. Im wyższa rozdzielczość, tym węższy zakres, w którym obraz pozostaje ostry, czyli ograniczona jest tzw. głębia ostrości. W praktyce oznacza to, że aparat może idealnie wyostrzyć jedną warstwę siatkówki, podczas gdy warstwy położone nieco bliżej lub dalej od płaszczyzny obrazowania zaczynają się rozmywać. To ograniczenie sprawia, że jeśli chcemy zobrazować całą siatkówkę wyraźnie - od warstw wewnętrznych aż po fotoreceptory - zwykle trzeba wykonać kilka oddzielnych pomiarów przy różnych ustawieniach ostrości, a następnie cyfrowo je ze sobą połączyć. Ten sekwencyjny proces wydłuża badanie, zwiększa złożoność całej procedury i podnosi ryzyko powstawania artefaktów, na przykład wskutek drobnych ruchów oka. Właśnie tę złożoność udało się zespołowi rozwiązać.

AO-OCT, czyli jak zajrzeć w głąb siatkówki z dokładnością do pojedynczych komórek

Kluczową rolę w tym badaniu odgrywa AO-OCT, czyli optyczna tomografia koherencyjna połączona z optyką adaptacyjną, rozwijana w grupie dr. Hammera w CDRH. Łączy ona dwie technologie. OCT to dobrze ugruntowana technika w okulistyce - w istocie optyczny odpowiednik ultrasonografii, wykorzystujący światło podczerwone zamiast fal dźwiękowych i oferujący znacznie wyższą precyzję. Z kolei optyka adaptacyjna (AO) poprawia obraz OCT poprzez korekcję zniekształceń optycznych wprowadzanych przez samo oko oraz układ obrazujący. Dzięki tej korekcji można znacząco zwiększyć ostrość obrazu, zbliżając się do fizycznych granic możliwości układów optycznych. Efekt jest imponujący.

AO-OCT umożliwia uzyskiwanie trójwymiarowych obrazów siatkówki żywego oka z rozdzielczością komórkową. Pozwala to zobaczyć fotoreceptory, niektóre przezroczyste neurony, takie jak komórki zwojowe siatkówki, naczynia włosowate oraz wiele innych drobnych struktur, które jeszcze niedawno pozostawały poza zasięgiem nieinwazyjnych metod obrazowania. Dlatego AO-OCT uznawane jest za jedną z najbardziej zaawansowanych i obiecujących technik we współczesnej diagnostyce okulistycznej i badaniach nad siatkówką. Jednak wysoka rozdzielczość AO-OCT ma swoją cenę.

Wysoka apertura numeryczna stosowana w AO-OCT ogranicza głębię ostrości do zaledwie kilkudziesięciu mikrometrów. To bardzo niewiele, jeśli weźmiemy pod uwagę, że siatkówka jest tkanką wielowarstwową o grubości ok. 300 mikrometrów, a z punktu widzenia biologii i medycyny często chcemy jednocześnie obserwować struktury położone na różnych głębokościach - tak jak ma to miejsce w klasycznym OCT. To ograniczenie, między innymi, utrudniało dotąd wdrożenie AO-OCT do praktyki klinicznej na szerszą skalę i ograniczało dostęp lekarzy do bardziej szczegółowego obrazu chorób oka. Dlatego badacze od lat poszukują sposobów na "rozciągnięcie" zakresu ostrego obrazowania bez utraty wysokiej rozdzielczości.

Jak zobaczyć całą siatkówkę bez ciągłego przestawiania ostrości?

Naukowcy z ICTER i CDRH postawili sobie za cel znalezienie sposobu, aby zobaczyć całą siatkówkę wyraźnie bez konieczności wykonywania wielu oddzielnych skanów na różnych głębokościach. Do tej pory jedynym rozwiązaniem było tzw. focus stitching. W praktyce polega ono na kolejnym ustawianiu ostrości - najpierw na jednej warstwie, potem na następnej i kolejnych - a następnie na rejestracji, wyrównaniu i połączeniu wszystkich uzyskanych obrazów w jeden wolumen. Takie łączenie obrazów działa, ale jest kosztowne zarówno pod względem sprzętu, jak i czasu. Technika wymagająca dużych nakładów czasu i zasobów może być wartościowa w badaniach eksperymentalnych, ale nie jest praktyczna w zastosowaniach klinicznych, dlatego kluczowe jest uproszczenie całej procedury.

Autorzy zaproponowali podejście hybrydowe, w którym optyka adaptacyjna koryguje główne aberracje oka i zapewnia wysoką jakość danych wejściowych dla wielu warstw jednocześnie, a następnie całość danych przetwarzana jest przez algorytm tzw. obliczeniowej korekcji aberracji (Computational Aberration Correction, CAC), który rozszerza zakres ostrego obrazowania.

"W tym badaniu skupiliśmy się przede wszystkim na korekcji defocusu zależnego od głębokości - czyli rozogniskowania wynikającego z tego, że różne warstwy siatkówki nie znajdują się w tej samej płaszczyźnie ostrości. Jeśli aparat jest idealnie ustawiony na jedną warstwę, ostrość pozostałych warstw staje się suboptymalna. Algorytm CAC ma za zadanie odzyskać ostrość tych warstw, które podczas akwizycji nie znajdowały się w najlepszym położeniu ogniskowania" - powiedział dr hab. Dawid Borycki, kierownik Grupy PICO w ICTER i pierwszy autor publikacji.

Nie jest to prosty filtr upiększający ani cyfrowa sztuczka, która "dodaje" brakujące szczegóły. Korekcja obliczeniowa działa tylko dlatego, że niezbędne informacje fazowe i amplitudowe są już zawarte w danych wejściowych. Algorytm porządkuje je i przelicza, aby przywrócić ostrość struktur znajdujących się poza pierwotną płaszczyzną ogniskowania. Innymi słowy, nie tworzy nowego sygnału, lecz pełniej wykorzystuje ten, który został już zarejestrowany. Dlatego wysoka jakość danych wejściowych pozostaje kluczowa.

Nie każdą nieostrość da się naprawić komputerowo

Korekcja obliczeniowa nie działa w próżni. Jeśli sygnał z danej warstwy jest zbyt słaby, algorytm nie ma czego odzyskiwać. W badaniu pokazano, że dla skutecznej korekcji ważny jest odpowiednio wysoki stosunek sygnału do szumu. Empirycznie granicą użyteczności okazała się wartość ok. 25 dB. Poniżej tego poziomu komputerowa korekcja nie potrafi już wiarygodnie oszacować potrzebnych parametrów fazowych, a poprawa obrazu staje się wyraźnie ograniczona.

"Wysoka rozdzielczość w AO-OCT zawsze wiązała się z bardzo małą głębią ostrości. W tej pracy pokazaliśmy, że przy odpowiednio dobranym ustawieniu ostrości można odzyskać szczegóły z wielu warstw siatkówki obliczeniowo, bez konieczności wykonywania kilku osobnych akwizycji" - powiedział dr Zhuolin Liu.

To ma bardzo praktyczne znaczenie. Oznacza bowiem, że nie można ustawić ostrości gdziekolwiek i liczyć na to, że komputer zrobi resztę. Trzeba znaleźć taki kompromisowy punkt ogniskowania, przy którym sygnał z różnych części siatkówki będzie nadal wystarczająco dobry, aby algorytm mógł skutecznie działać. Właśnie znalezienie tego "najlepszego środka" było jednym z najważniejszych elementów badania.

Dwoje oczu, różne warunki, jeden cel

Eksperymenty przeprowadzono w CDRH, gdzie zebrano dane od dwóch ochotników: zdrowego 39-latka oraz 53-letniej osoby ze stwardnieniem rozsianym (SM) i przebytym zapaleniem nerwu wzrokowego. Taki dobór nie był przypadkowy. Badacze chcieli sprawdzić, jak metoda działa zarówno w zdrowej siatkówce, jak i w oku dotkniętym zmianami chorobowymi. Porównanie pozwoliło ocenić nie tylko jakość samego obrazowania, ale także to, czy podejście ma potencjał zastosowania w przyszłej diagnostyce klinicznej. Stwardnienie rozsiane zwykle wpływa na tarczę nerwu wzrokowego i komórki zwojowe siatkówki w jej wewnętrznych warstwach, natomiast znacznie mniej wiadomo o tym, jak choroba oddziałuje na fotoreceptory (czopki i pręciki) w warstwach zewnętrznych. Połączenie AO-OCT i CAC umożliwia teraz jednoczesne badanie obu tych obszarów.

Obrazowanie przeprowadzono w różnych odległościach od centrum plamki (dołka środkowego, fovea). Ma to znaczenie, ponieważ warunki obrazowania zmieniają się wraz z odległością od tego punktu. Im bliżej dołka, tym gęściej upakowane są fotoreceptory i tym trudniej je od siebie odróżnić. Dodatkowo grubość siatkówki osiąga maksimum w obszarze parafovealnym, co stanowi największe wyzwanie dla algorytmów rozszerzających głębię ostrości. Jeśli metoda działa również w tych wymagających warunkach, jest to silna przesłanka jej rzeczywistej wartości.

Autorzy sprawdzili, co się dzieje, gdy ostrość ustawiana jest kolejno na różne warstwy siatkówki: warstwę komórek zwojowych, warstwę splotowatą wewnętrzną oraz warstwę fotoreceptorów. Następnie w każdym przypadku zastosowano CAC, aby ocenić, na ile można odzyskać ostrość pozostałych warstw. Okazało się, że ani ustawienie ostrości na najgłębsze warstwy zawierające fotoreceptory, ani na najbardziej wewnętrzne warstwy neuronalne nie pozwala uzyskać dobrej rozdzielczości w całym zakresie głębokości.

Najlepszą rozdzielczość wielowarstwową uzyskano przy ustawieniu ostrości na warstwę splotowatą wewnętrzną (IPL), czyli w przybliżeniu w środkowej części siatkówki. W tym ustawieniu sygnał pozostawał wystarczająco silny zarówno dla struktur położonych głębiej, jak i dla tych bliższych wnętrzu oka, co pozwalało algorytmowi CAC przywracać ostrość w obu kierunkach. Przy takim ustawieniu stosunek sygnału do szumu w warstwach siatkówki wynosił ok. 33-39 dB, czyli wyraźnie powyżej progu niezbędnego do skutecznej korekcji. Obecnie proces ten zajmuje ok. 3,4 sekundy na jeden skan. Autorzy zaznaczają jednak, że dzięki wykorzystaniu akceleracji GPU czas ten można skrócić do milisekund.

"Staramy się wykorzystać nowe podejścia, aby rozwiązać wieloletnie problemy związane z optyką adaptacyjną, które ograniczały szersze zastosowanie tej ważnej technologii obrazowania. Najważniejsze było dla nas nie tylko poprawienie jakości obrazu, ale uproszczenie całego badania pacjenta. Jeśli z jednego ustawienia ostrości można uzyskać wiarygodne informacje z całej grubości siatkówki, otwieramy drogę do bardziej praktycznego i klinicznie użytecznego obrazowania oka z rozdzielczością komórkową" - podsumował dr Daniel Hammer.

Co to oznacza dla pacjenta?

Choć publikacja dotyczy bardzo zaawansowanej techniki obrazowania, jej praktyczne znaczenie jest proste. Celem jest przyspieszenie i uproszczenie szczegółowych badań siatkówki oraz zmniejszenie ich zależności od wielokrotnych akwizycji. Dla pacjentów może to w przyszłości oznaczać wizytę nawet 3-5 razy krótszą niż w przypadku dzisiejszych, bardziej złożonych procedur badawczych. Im krótsze i prostsze badanie, tym mniejsze ryzyko pogorszenia jakości obrazu przez naturalne ruchy oka, zmęczenie czy trudności w utrzymaniu stabilnego spojrzenia.

Z medycznego punktu widzenia uzyskiwanie obrazów oka o wysokiej rozdzielczości ma ogromne znaczenie, ponieważ w diagnostyce chorób siatkówki oraz niektórych schorzeń neurologicznych kluczowe jest nie tylko wykrywanie zaawansowanych zmian, ale także uchwycenie najwcześniejszych, subtelnych oznak uszkodzenia. Jeśli lekarze będą mogli szybciej uzyskać bardzo szczegółowy obraz całej siatkówki, zwiększy to ich szanse na wcześniejsze rozpoznanie choroby i dokładniejsze monitorowanie jej przebiegu.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Źródło: Dawid Borycki, Zhuolin Liu, Daniel X. Hammer, Maciej Wojtkowski (2025). Computational aberration correction enables full-thickness retinal imaging with adaptive optics optical coherence tomography. Biocybernetics and Biomedical Engineering.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbe.2026.02.002

Autor: Redaktor Naukowy Marcin Powęska