Nowy sposób monitorowania mikrokrążenia oka. Spektralna laserowa holografia dopplerowska (MLDH) w czasowo-częstotliwościowej tomografii optycznej OCT (STOC-T)

Aby oczy działały prawidłowo, muszą być odpowiednio ukrwione, a występowanie nieprawidłowości w obrębie mikrokrążenia może świadczyć o dysfunkcjach w innych tętnicach, które są trudne w badaniu. Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka ICTER, działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk,  po raz pierwszy wykorzystali spektralną laserową holografię dopplerowską do oceny przepływu krwi w różnych warstwach ludzkiej siatkówki in vivo, co może mieć realny wpływ na diagnostykę zaburzeń krążenia.

Czasowo-częstotliwościowa tomografia optyczna OCT (STOC-T) to nowatorska metoda szybkiego i wolnego od aberracji trójwymiarowego obrazowania siatkówki in vivo. W poprzednich badaniach naukowcy ICTER wykorzystali światłowód wielomodowy, czyli taki, który na swoim końcu emituje kilkaset niepowtarzających się wzorów przestrzennych w przekroju wiązki (tzw. modów poprzecznych) do uzyskania setek obrazów OCT, które po dodaniu do siebie redukują niepożądane efekty, m.in. szum plamkowy.

Okazuje się, że zbiór danych uzyskany podczas badania STOC-T można przetwarzać w taki sposób, aby ujawnić przepływ krwi w ludzkiej siatkówce. Klasycznie, wizualizacja naczyń krwionośnych wymaga con najmniej dwóch wolumenów. Ich odjęcie od siebie pozwala wyznaczyć woksele, których natężenie uległo zmianie w czasie pomiaru, a stąd generuje się obrazy naczyń krwionośnych. Jednak takie podejście wymaga bardzo szybkich czasów repetycji, które nie są dostępne w STOC-T. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy ICTER opracowali nową metodę, zwaną spektralną laserowa holografią dopplerowska (MLDH), która pozwala generować obrazy przepływów z jednego wolumenu, co może zrewolucjonizować sposób monitorowania nie tylko mikrokrążenia oka, ale i kondycji całego organizmu.

Badania zostały przeprowadzone przez Dawida Boryckiego, Egidijusa Auksoriusa, Piotra Węgrzyna, Kamila Liżewskiego, Sławomira Tomczewskiego, Karola Karnowskiego i Macieja Wojtkowskiego z ICTER, a wyniki opublikowano w czasopiśmie Biocybernetics and Biomedical Engineering w pracy zatytułowanej "Multiwavelength laser doppler holography (MLDH) in spatiotemporal optical coherence tomography (STOC-T)".

Czym jest mikrokrążenie?

Mikrokrążenie to część układu sercowo-naczyniowego, znajdująca się między układem tętniczym a żylnym. Na mikrokrążenie składają się naczynia o średnicy mniejszej niż 150 μm, nazywane kapilarami. Elementy tętnicze i żylne są łączone przez "mosty" zwane metarteriolami, od których to odchodzi część naczyń włosowatych. Zawierają one tzw. zwieracze przedwłośniczkowe, które regulują przepływ krwi przez włośniczki. Zadaniem mikrokrążenia jest dostarczanie substancji odżywczych, wymiana gazów i metabolitów, a także regulacja procesów termicznych i humoralnych.

Dzięki swojej unikatowej dostępności, tętnice siatkówki umożliwiają łatwą ocenę wcześnie pojawiających się zmian naczyniowych in vivo. Zmiany w mikrokrążeniu siatkówki oznaczają globalne zmiany w układzie krążenia, a więc i potencjalne zaburzenia kardiologiczne. Dodatkowo zmiany patologiczne stwierdzane podczas oceny mikrokrążenia siatkówkowego są jednymi z pierwszych oznak uszkodzenia narządowego, które mogą poprzedzać np. proteinurię.

Siatkówka jest unaczyniona przez dwa systemy naczyniowe: naczyniówkę, która zaopatruje przede wszystkim czopki i pręciki; a także tętnicę środkową siatkówki, głównie odżywiającą tkankę nerwową w warstwach wewnętrznych. Oba systemy różnią się pod względem wartości przepływu krwi, który jest znacznie wyższy w naczyniówce niż w naczyniach siatkówki. Co więcej, w naczyniówce występują również istotnie niższe różnice w utlenowaniu krwi między naczyniami tętniczymi i żylnymi. Oceniając mikrokrążenie siatkówkowe bardzo ważne jest dokładne określenie miejsca pomiaru.

Już od czasów wynalezienia pierwszego oftalmoskopu w 1851 r. przez Helmholtza wykonuje się ocenę dna oka. Mimo iż było to badanie mało dokładne, pozwalało w niewielkim stopniu ocenić uszkodzenie mikrokrążenia siatkówkowego w przebiegu różnych chorób. W 1939 r. przedstawiono choćby 4-stopniową klasyfikację angiopatii nadciśnieniowej i związek między kolejnymi stadiami naczyń siatkówki a zwiększonym ryzykiem zdarzenia sercowo-naczyniowego.

Badania naczyń siatkówki przeszły ogromną rewolucję, zauważalną zwłaszcza w ostatnich 30 latach. Obecnie do dyspozycji jest wiele narzędzi umożliwiających ocenę średnicy naczynia, grubości jego ściany czy prędkości przepływu krwi na podstawie oceny przepływających erytrocytów lub leukocytów. Właśnie pojawiła się kolejna.

Laserowa przepływometria dopplerowska i jej modyfikacje

Jedną z pierwszych nieinwazyjnych metod oceny mikrokrążenia siatkówki była laserowa przepływometria dopplerowska (LDF). Na początku lat 80. ubiegłego wieku rozpoczęto jej powszechniejsze wykorzystywanie w badaniach przepływów w tkankach i narządach. W metodzie tej wykorzystuje się laser helowo-neonowy o długości fali 632,8 nm.

Światło odbija się od przemieszczających się w naczyniach erytrocytów oraz stałej, nieruchomej powierzchni skóry. Wyniki LDF są przedstawiane jako wartości przepływu erytrocytów wyrażone w arbitralnych jednostkach perfuzji (PU), gdyż nie ma możliwości kalibracji pomiaru do jednostek fizjologicznych. Nie jest to metoda idealna, bo zakłada, że badany obszar powinien pozostawać w całkowitym bezruchu, w przeciwnym razie powstaną artefakty, które wpływają na wynik.

Rozwinięciem LDF jest skaningowa laserowa przepływometria dopplerowska (SLDF), która pozwala nie tylko na ocenę parametrów mikrokrążenia siatkówki, ale także morfologii samych tętniczek. Z kolei laserowa dopplerowska przepływometria dwukierunkowa (BLDV) polega na całkowitej ocenie prędkości przepływu erytrocytów w siatkówce.

Widmo Dopplera lasera można rozłożyć w celu uzyskania rozkładu prędkości poruszających się komórek. Niedawno zastosowano podobne podejście, aby uzyskać wizualizację obrazów przepływu krwi w ludzkiej siatkówce in vivo z rozdzielczością prędkości. W tym celu wprowadzono i zastosowano laserową holografię dopplerowską (LDH), w której przesunięte dopplerowskie pole optyczne, rozproszone wstecz z siatkówki, jest wykrywane za pomocą holograficznego lub interferometrycznego układu optycznego pełnego pola.

Nowa technika do obrazowania mikrokrążenia oka

Zarówno LDF, jak i LDH wykorzystują światło o stałej długości fali. Z tego powodu obie techniki w swojej pierwotnej realizacji nie dostarczają szczegółowej informacji o przepływie krwi zakodowanej w polu optycznym, które zmienia się w czasie pod wpływem ruchu. Bardzo ciekawym podejściem jest połączenie dwuwiązkowego Dopplera z tomografią optyczną OCT, która umożliwia obrazowanie i ocenę warstw siatkówki. To z kolei pozwala na jednoczesną ocenę prędkości i przepływu krwi w naczyniach siatkówki.

Naukowcy ICTER niedawno wykazali, że stosując przestrzenną modulację fazy padającego światła, można zmniejszyć spójność przestrzenną lasera. Stosując technikę zwaną czasowo-częstotliwościową tomografią optyczną OCT (STOC-T) możliwe jest uzyskanie wielu różnych obrazów OCT, które po uśrednieniu pozwalają na usunięcie szumów i zniekształceń. Takie podejście pozwala na obrazowanie naczyniówki in vivo z dużą rozdzielczością przestrzenną.

Okazuje się, że te sam zestaw danych można również wykorzystać do wyodrębnienia dynamicznych obrazów przepływu krwi w ludzkiej siatkówce. Poszczególne dwuwymiarowe obrazy STOC-T, po odpowiedniej korekcji cyfrowej, można wykorzystać do zwiększenia rozdzielczości czasowej i uzyskania obrazów przepływów. Teraz zespół kierowany przez dr Dawida Boryckiego opracował i przetestował nowatorską metodę wykorzystującą tomografię STOC-T do poprawy wizualizacji przepływu krwi w ludzkiej siatkówce in vivo za pomocą tzw. spektralnej laserowej holografii dopplerowskiej (MLDH). Łączy ona przepływometrię laserową z holograficzną detekcją spektralną, pozwalając na nieinwazyjną wizualizację i ocenę ilościową przepływu krwi w różnych warstwach siatkówki. Jest to możliwe przy dużych prędkościach przepływu krwinek i z zachowaniem wysokiej rozdzielczości. Takie połączone podejście umożliwia efektywną ocenę mikrokrążenia oka, a docelowo także ekstrapolację uzyskanych wyników na cały układ krążenia.

- Nasza metoda umożliwia pozyskiwanie dwuwymiarowych obrazów przepływu krwi en face ze stosu obrazów interferometrycznych o różnych długościach fali zarejestrowanych w czasie ~8,5 ms. Czas ten jest porównywalny z czasem potrzebnym w przypadku konwencjonalnej tomografii optycznej OCT (przy założeniu częstotliwości skanowania 100 kHz) do zarejestrowania pary powtarzanych skanów przekrojów poprzecznych, z których można uzyskać jednowymiarowy obraz przepływu krwi - mówi dr Dawid Borycki z ICTER, jeden z autorów nowo opublikowanej pracy.

Warto dodać, że wdrożenie MLDH nie wymaga żadnej modyfikacji standardowego protokołu tomografii STOC-T, ponieważ metoda ta wykorzystuje informacje o przepływie krwi z tego samego zbioru danych. W związku z tym MLDH można traktować jako cenne rozszerzenie tomografii STOC-T, które daje pełniejszy obraz tego, co dzieje się w naszej siatkówce.

Publikacja:

Autorzy pracy "Multiwavelength laser doppler holography (MLDH) in spatiotemporal optical coherence tomography (STOC-T)": dr Dawid Borycki, dr Egidijus Auksorius, Piotr Węgrzyn, dr inż. Kamil Liżewski, dr inż. Sławomir Tomczewski, dr Karol Karnowski i prof. Maciej Wojtkowski.