Nowy sposób badania rogówki. Dziewięć punktów naraz

Naukowcy z ICTER opracowali prototyp, który potrafi jednocześnie śledzić reakcję rogówki w dziewięciu punktach. To ważny krok w stronę dokładniejszej, bezkontaktowej oceny biomechaniki oka i wcześniejszego wykrywania chorób takich jak stożek rogówki.

Rogówka jest przezroczystą, zewnętrzną częścią oka. To ona jako pierwsza załamuje światło wpadające do gałki ocznej i ma ogromny wpływ na ostrość widzenia. Zwykle myślimy o niej jak o cienkiej "szybce", ale z punktu widzenia medycyny i fizyki jest czymś znacznie bardziej złożonym: elastyczną, warstwową strukturą, która reaguje na siły mechaniczne, ciśnienie i drobne zmiany swojej geometrii.

Właśnie tę reakcję postanowili zmierzyć naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER), działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN. W pracy "Single-shot, depth-encoded multiplexed OCT for multi-spot tracking of induced transient corneal dynamics", opublikowanej w czasopiśmie "Biomedical Optics Express", opisali system tomografii optycznej OCT, który w pojedynczym pomiarze obserwuje, jak rogówka ugina się po krótkim podmuchu powietrza.

Autorami publikacji z ramienia ICTER, obecnymi i byłymi, są Karol Karnowski, Jadwiga Milkiewicz, Onur Cetinkaya, Angela Pachacz, Andrea Curatolo, Kamil Liżewski, Dawid Borycki i Maciej Wojtkowski. W badaniach uczestniczyli także naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, Collegium Medicum UMK w Bydgoszczy, University of Liverpool, Instituto de Óptica Daza de Valdés w Madrycie oraz University of Rochester.

Dlaczego zwykły pomiar rogówki to za mało?

W diagnostyce okulistycznej od lat wykorzystuje się urządzenia, które badają kształt rogówki, jej grubość, krzywiznę i reakcję na bodziec mechaniczny. Jednym z klasycznych przykładów jest bezkontaktowe badanie z użyciem podmuchu powietrza. To standardowe badanie wykonywane w gabinetach okulistycznych na całym świecie w celu pomiaru ciśnienia wewnątrzgałkowego. Aparat wypuszcza krótki strumień powietrza, a oko reaguje na niego minimalnym odkształceniem.

Jest jedno "ale": rogówka nie zawsze osłabia się równomiernie. W stożku rogówki, czyli chorobie prowadzącej do ścieńczenia i uwypuklenia rogówki, zmiany mogą mieć charakter miejscowy. Fragment tkanki może być bardziej podatny na odkształcenie niż reszta rogówki, zanim będzie to łatwe do uchwycenia standardowymi metodami obrazowania. To ważne, bo stożek rogówki może powodować narastające zniekształcenie widzenia, astygmatyzm, nadwrażliwość na światło i problemy z dobraniem okularów lub soczewek kontaktowych. W zaawansowanych przypadkach pacjent może wymagać specjalistycznego leczenia, a czasem nawet przeszczepu rogówki.

Dotychczasowe metody często analizują globalną reakcję rogówki albo śledzą jej zachowanie w jednym przekroju. To daje cenne informacje, ale może nie wystarczyć, gdy zmiana jest ogniskowa, asymetryczna i pojawia się poza centralnym punktem pomiaru. Innymi słowy: jeżeli badamy tylko jeden punkt lub jeden kierunek, możemy przeoczyć to, co dzieje się obok.

Nowe rozwiązanie opracowane przez zespół ICTER odpowiada właśnie na ten problem. System nie obserwuje rogówki punkt po punkcie, lecz mierzy jej reakcję jednocześnie w dziewięciu miejscach: jednym centralnym i ośmiu obwodowych. Dzięki temu pozwala zobaczyć nie tylko, jak mocno rogówka się ugina, ale też gdzie jej reakcja jest największa i czy wskazuje na miejscową biomechaniczną słabość.

"Rogówka to jeden z głównych elementów oka skupiających światło na siatkówce, dlatego ważny jest nie tylko jej kształt, ale i właściwości mechaniczne. Uważa się, że to właśnie stan mechaniczny rogówki zmienia się w niektórych schorzeniach – jak stożek rogówki – zanim dojdzie do zmiany kształtu. Nasz system, mierząc jednocześnie odpowiedź rogówki na pobudzenie strumieniem powietrza, pozwala oszacować tę asymetrię, co daje nadzieję na wcześniejsze wykrywanie zmian niż w przypadku metod czysto geometrycznych" - mówi dr Karol Karnowski z ICTER.

Dziewięć punktów naraz

Podstawą opracowanej technologii jest tomografia optyczna OCT. To metoda obrazowania używana w okulistyce na co dzień, szczególnie w diagnostyce siatkówki i przedniego odcinka oka. Działa trochę jak optyczny odpowiednik ultrasonografii, ale zamiast fal dźwiękowych wykorzystuje światło. Pozwala oglądać struktury oka z bardzo wysoką rozdzielczością i bez kontaktu z tkanką.

W tej pracy OCT wykorzystano jednak w szczególny sposób. Naukowcy zbudowali układ, w którym kilka wiązek światła pada na rogówkę jednocześnie. Każda wiązka odpowiada innemu punktowi pomiarowemu. Sygnały z tych punktów są rozdzielane nie przez wykonywanie kolejnych skanów, lecz przez tzw. kodowaniem głębi. Oznacza to, że informacje z różnych miejsc rogówki zostają zapisane w różnych "segmentach" głębokości w jednym sygnale OCT.

Wbrew pozorom, sens tego jest prosty: zamiast wykonywać pomiar po kolei w różnych miejscach i ryzykować, że oko w tym czasie minimalnie się poruszy, urządzenie rejestruje wszystko naraz. To szczególnie ważne w badaniu bardzo szybkich, niepowtarzalnych zjawisk. Reakcja rogówki na podmuch powietrza trwa zaledwie dziesiątki milisekund. W tak krótkim czasie nawet mikroruch oka, mrugnięcie, zmiana filmu łzowego albo opóźnienie wynikające z sekwencyjnego skanowania może zniekształcić wynik.

System opisany w publikacji działa bardzo szybko. W czasie jednego badania obserwuje, jak rogówka ugina się w dziewięciu miejscach naraz. Robi to co 10 µs, czyli z szybkością 100 tys. odczytów na sekundę. Naukowcy sprawdzili też, co stałoby się, gdyby dane były zbierane wolniej. Gdy rozdzielczość czasową pogorszono do 250 µs, błąd w ocenie wielkości tzw. wektora asymetrii sięgał 20 proc. Przy 1 ms mógł zbliżać się już do 70 proc. Jeszcze wyraźniej było to widać przy ocenie kierunku tej asymetrii. Przy 250 µs błąd dochodził do 17,5 stopnia, a przy 1 ms aż do 47,5 stopnia.

W praktyce oznacza to, że wolniejszy pomiar mógłby nie tylko zaniżyć lub zawyżyć skalę problemu, ale też gorzej wskazać miejsce, w którym rogówka jest najbardziej podatna na odkształcenie. Dlatego w tej technologii szybkość nie jest technicznym szczegółem. To warunek, by wiarygodnie ocenić biomechanikę rogówki.

"Ponieważ odkształcenie rogówki, które chcemy uchwycić, żeby oszacować jej asymetrię, trwa około 20 milisekund i pomiaru nie da się powtórzyć, kluczowe w naszej metodzie jest jednoczesne mierzenie odpowiedzi rogówki w wielu miejscach. Wymaga to dużej rozdzielczości czasowej – tak jak w aparacie, który potrafi zrobić bardzo dużo zdjęć na sekundę. Dotychczasowe techniki albo nie zapewniały takiej rozdzielczości czasowej, albo oferowały pomiar ograniczony przestrzennie" - wyjaśnia dr Karol Karnowski.

Wektor asymetrii jak kompas

Czym jednak jest wspomniany wektor asymetrii? To sposób przedstawienia złożonego wyniku w formie łatwiejszej do interpretacji. Urządzenie mierzy, jak bardzo rogówka odkształca się w ośmiu punktach obwodowych oraz w punkcie centralnym. Następnie porównuje reakcje przeciwległych punktów. Jeżeli jeden obszar ugina się bardziej niż drugi, może to wskazywać na biomechaniczną nierównowagę.

Wektor asymetrii ma długość i kierunek. Długość pokazuje, jak silna jest różnica w reakcji rogówki, a kierunek wskazuje obszar, w którym odkształcenie jest największe. Można więc potraktować go jak kompas: nie tylko mówi, że rogówka zachowuje się asymetrycznie, ale także pokazuje, gdzie ta asymetria jest najbardziej widoczna.

To może być szczególnie przydatne w stożku rogówki. W tej chorobie osłabienie tkanki, ścieńczenie i uwypuklenie zwykle nie są idealnie centralne. Zmiany często pojawiają się lokalnie. Dlatego sama informacja o średniej reakcji rogówki może nie wystarczyć. Lekarz potrzebuje wiedzieć, czy tkanka ugina się bardziej w konkretnym sektorze, i czy ten sektor odpowiada miejscu podejrzanemu w badaniach topograficznych lub tomograficznych.

Naukowcy pokazali, że wektor asymetrii dobrze wskazywał miejsce, w którym rogówka była zmieniona chorobowo. U pacjentów ze stożkiem rogówki kierunek wektora prowadził w stronę obszaru związanego ze stożkiem. To właśnie tam rogówka była cieńsza, bardziej zakrzywiona i nieprawidłowo uwypuklona od tylnej strony.

Wynik nie pokrywał się idealnie z mapami uzyskanymi w komercyjnym urządzeniu, ale nie jest to zaskoczeniem. Takie mapy pokazują przede wszystkim kształt i budowę rogówki. Nowa metoda pokazuje coś innego: jak rogówka reaguje na krótki podmuch powietrza, czyli jak zachowuje się mechanicznie. To dwa różne rodzaje informacji, które mogą się wzajemnie uzupełniać.

"Wektor asymetrii to sposób, by bardzo szybki i złożony ruch rogówki przełożyć na jeden parametr, który można porównywać między pacjentami i kolejnymi badaniami. Klinicznie liczy się przede wszystkim to, czy da się wskazać dominujący kierunek osłabienia biomechanicznego – taki parametr może w przyszłości wspierać ocenę ryzyka i monitorowanie choroby" - wyjaśnia mgr Jadwiga Milkiewicz z ICTER.

Rogówka ugięła się dwa razy po jednym podmuchu

Podczas badań naukowcy zauważyli coś ciekawego. Po jednym krótkim podmuchu powietrza rogówka nie zawsze uginała się tylko raz. W pewnych warunkach pojawiały się dwa oddzielne momenty odkształcenia. Autorzy nazwali to podwójną odpowiedzią rogówki (ang. dual-indentation response).

Skąd to się wzięło? Badacze musieli zmienić układ podający powietrze, aby ich system mógł dobrze obserwować nie tylko środek rogówki, ale też punkty położone bardziej na jej obwodzie. Dlatego zwiększyli średnicę otworu, przez który wydostawało się powietrze, z 1,5 mm do 3,7 mm. Podmuch stał się przez to szerszy, ale jego maksymalna siła spadła mniej więcej dwukrotnie. Sam impuls trwał jednak tyle samo co wcześniej, czyli 8 ms.

Mimo słabszego podmuchu rogówka zachowała się w bardziej złożony sposób. Zamiast jednego prostego ugięcia pojawiły się dwa wyraźne odkształcenia po tym samym impulsie. To sugeruje, że szerszy podmuch rozkłada siłę na rogówce inaczej niż klasyczny, węższy strumień powietrza. Dzięki szybkiemu pomiarowi w kilku punktach naraz udało się zobaczyć szczegół, który w prostszym badaniu mógłby zostać przeoczony.

"Zanim dane trafią do dalszej analizy, muszą zostać odpowiednio przygotowane – oczyszczone, ujednolicone i pozbawione artefaktów pomiarowych. Od jakości tego etapu zależy, czy z pomiarów da się wyciągnąć wiarygodne wnioski, dlatego poświęcamy mu tyle samo uwagi, co samemu pomiarowi" - mówi dr hab. Dawid Borycki.

Co to zmienia dla pacjenta?

Nowa technologia może w przyszłości pomóc lepiej oceniać stan rogówki bez dotykania oka i bez inwazyjnych procedur. Badanie opiera się na tomografii optycznej OCT oraz krótkim podmuchu powietrza, czyli rozwiązaniach dobrze znanych okulistyce. Nowością jest sposób rejestracji i analizy odpowiedzi rogówki.

W praktyce taki system mógłby wspierać wcześniejsze wykrywanie stożka rogówki, zwłaszcza w przypadkach, w których zmiany są jeszcze subtelne. Może też pomóc w monitorowaniu postępu choroby oraz ocenie skuteczności leczenia, np. po zabiegu cross-linkingu, którego celem jest wzmocnienie rogówki. Potencjalnie mógłby być również przydatny przed zabiegami chirurgii refrakcyjnej, takimi jak laserowa korekcja wzroku, gdzie prawidłowa ocena biomechaniki rogówki ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa pacjenta.

Autorzy podkreślają, że obecna praca ma charakter techniczny i demonstracyjny. Zebrano już osobny zestaw danych klinicznych obejmujący grupę kontrolną, pacjentów z wczesną lub skąpoobjawową postacią choroby. Wyniki tej walidacji mają zostać przedstawione w oddzielnej publikacji.

Są też ograniczenia. W aktualnej wersji analiza wymagała ręcznej segmentacji przedniej powierzchni rogówki na obrazach OCT. To metoda przejrzysta i dobra do pracy badawczej, ale zbyt czasochłonna dla rutynowej diagnostyki. Zespół pracuje nad automatyzacją, w tym nad algorytmami opartymi na uczeniu maszynowym. Kolejnym wyzwaniem jest precyzyjne ustawienie oka. Niepełne wycentrowanie układu, mikroruchy gałki ocznej czy mrugnięcie mogą pogorszyć jakość sygnału i wpłynąć na wynik. Przyszłe wersje urządzenia mogłyby więc korzystać z dodatkowego monitorowania źrenicy, sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym i systemów śledzenia ruchów oka.

Choć badanie dotyczy rogówki, sama koncepcja może mieć szersze zastosowanie. Zespół ICTER pokazał, że wielopunktowy pomiar OCT może służyć do obserwacji bardzo szybkich, niepowtarzalnych zdarzeń mechanicznych w ośrodkach rozpraszających światło. Takimi ośrodkami są nie tylko tkanki oka, ale także inne tkanki miękkie, w których klasyczne skanowanie sekwencyjne może generować błędy.