Przebić się przez optyczny szum. Dokładniejsza metoda obrazowania oka

Nowoczesne aparaty OCT potrafią zajrzeć do oka bez skalpela - ale nie zawsze widzą wszystko, co ważne. Część informacji po prostu ginie, rozmyta przez rozproszone fotony. Technologia STOC-T, rozwijana od lat przez prof. Macieja Wojtkowskiego z ICTER, próbuje temu zaradzić - nie przez późniejszą korektę obrazu, lecz przez fundamentalną zmianę sposobu, w jaki dane są zbierane.

Badanie OCT stało się jednym z fundamentów współczesnej okulistyki. Pacjent siada przy aparacie, patrzy w punkt, a po chwili lekarz widzi precyzyjny przekrój siatkówki - warstwę po warstwie, bez kontaktu fizycznego z okiem. To jedna z największych zmian, jakie dokonały się w tej dziedzinie medycyny w ciągu ostatnich trzech dekad. OCT pozwala śledzić jaskrę, zwyrodnienie plamki, retinopatię cukrzycową czy obrzęk plamki żółtej - zanim wzrok pacjenta zacznie się wyraźnie pogarszać.

Ale za pozornie prostym badaniem stoi trudna fizyka. Światło wpadające do oka nie wraca do detektora w idealnym porządku. Część fotonów niesie użyteczną informację o badanej tkance. Inne po drodze rozpraszają się, odbijają w przypadkowych kierunkach i mieszają z właściwym sygnałem. Efektem jest obraz, który traci kontrast, robi się ziarnisty, mniej czytelny. A właśnie w tych szczegółach - tam, gdzie obraz się rozmywa - mogą kryć się pierwsze oznaki choroby.

Tym problemem od lat zajmuje się prof. Maciej Wojtkowski z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER), działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. W publikacji Spatio-temporal optical coherence imaging and tomography for in vivo applications, opublikowanej w Journal of Biomedical Optics, opisuje szczegółowo technologię STOC i jej trójwymiarową wersję STOC-T. To metoda, która ma nie tylko poprawić jakość obrazów oka, ale - co ważniejsze - umożliwić lepsze oddzielanie prawdziwego sygnału od zakłóceń już na etapie akwizycji danych.

Dlaczego obraz oka bywa niepełny?

Siatkówka jest cienka, złożona i delikatna. Naczyniówka - warstwa naczyń krwionośnych leżąca bezpośrednio pod nią - jest jeszcze trudniejsza do uchwycenia w pełnej rozdzielczości. A fotoreceptory, czyli komórki bezpośrednio odpowiedzialne za widzenie, mają rozmiary liczone w mikrometrach. Dlaczego?

Problemem jest natura światła. Kiedy foton z jednego punktu tkanki trafia do wielu punktów detektora zamiast do jednego właściwego, obraz przestaje być wierną mapą badanej struktury. W publikacji prof. Wojtkowski nazywa to przesłuchem optycznym (optical-crosstalk, OC). Dla fizyka to kwestia koherencji i interferencji. Dla lekarza - utrata informacji diagnostycznej. Dla pacjenta - ryzyko, że wczesne zmiany chorobowe zostaną przeoczone.

"W obrazowaniu żywych tkanek nie chodzi o to, żeby zebrać jak najwięcej światła. Trzeba jeszcze wiedzieć, które światło mówi nam coś prawdziwego o tkance, a które tylko psuje obraz" - mówi prof. Maciej Wojtkowski.

Co zmienia STOC-T?

STOC-T to nie kolejny filtr na gotowy obraz. Metoda zmienia sam sposób zbierania danych. Układ pomiarowy wielokrotnie modyfikuje fazę światła oświetlającego tkankę, posługując się różnymi wzorami przestrzennymi - tzw. maskami fazowymi. Zarejestrowane sygnały są następnie porównywane i uśredniane. Światło, które uległo rozproszeniu, zachowuje się chaotycznie i niepowtarzalnie przy każdej masce - jego wkład do obrazu stopniowo się znosi. Natomiast światło niosące rzetelną informację o strukturze tkanki pozostaje stabilne i po uśrednieniu wyraźnie dominuje.

To trochę jak próba usłyszenia konkretnej rozmowy w głośnym, pełnym ludzi pomieszczeniu. Jeżeli hałas tła jest przypadkowy, a właściwy głos powtarza się konsekwentnie - dobry system nagrywający może go wydobyć. STOC-T robi coś podobnego, tylko ze światłem i w czasie rzeczywistym.

"Nie traktujemy szumu jako czegoś, co trzeba później kosmetycznie poprawić. Staramy się tak poprowadzić pomiar, żeby sygnał zakłócający nie zdążył zbudować obrazu" - dodaje prof. Maciej Wojtkowski.

W silnie rozpraszających tkankach część informacji może bezpowrotnie zginąć już w chwili rejestracji. Żaden algorytm nie odtworzy jej w pełni z gotowego, zniekształconego obrazu. STOC-T rozwiązuje problem wcześniej - zanim obraz w ogóle powstanie.

Co udało się pokazać?

Publikacja dokumentuje wyniki zarówno na modelach laboratoryjnych, jak i na żywych tkankach biologicznych. W jednym z eksperymentów zespół prof. Wojtkowskiego obrazował standardowy test rozdzielczości przykryty warstwą silnie rozpraszającą, a potem 100-mikrometrową warstwą skóry szczura. Bez STOC obraz był mocno zniekształcony. Po włączeniu modulacji fazowej struktury testu stawały się czytelne. To dobry przykład skali wyzwania: obiekt był cały czas na miejscu, ale informacja o nim dosłownie gubiła się w drodze do detektora. Pokazano również lepsze wnikanie światła pod skórę.

Najistotniejsze są jednak wyniki w obrazowaniu oka. STOC-T umożliwia wizualizację warstw siatkówki, fotoreceptorów, komórek zwojowych i mikrostruktury naczyniówki - z rozdzielczością boczną ok. 5 mikrometrów. To skala zbliżona do pojedynczych komórek.

STOC-T otwiera też inny kierunek - optoretinografię (ORG), czyli rejestrowanie reakcji fotoreceptorów na światło. Wiedzieć, jak wyglądają te komórki, to jedno. Wiedzieć, czy działają prawidłowo - to drugie, i często ważniejsze klinicznie pytanie.

W publikacji opisano pomiary odpowiedzi czopków na migoczące światło w zakresie 1,5-45 Hz. Wyznaczone stałe czasowe wyniosły ok. 398 ms i 43 ms. Wyniki te pokrywają się z zapisami aktywności fotoreceptorów uzyskiwanymi metodą patch-clamp w siatkówkach naczelnych - co sugeruje, że ORG ze STOC-T może faktycznie odzwierciedlać lokalne odpowiedzi czopków. Takie dane są szczególnie cenne w chorobach, w których funkcja komórek zaczyna szwankować wcześniej, niż ujawnia się to w strukturze. Badanie może wyglądać jeszcze normalnie, ale komórki już reagują inaczej.

Dlaczego to ważne?

Według danych WHO co najmniej 2,2 mld ludzi zmaga się z zaburzeniami widzenia. W ponad miliardzie przypadków pogorszeniu wzroku można było zapobiec albo nadal można je leczyć - gdyby rozpoznanie było szybsze i dokładniejsze. W jaskrze utraconych włókien nerwowych nie da się łatwo odzyskać. W retinopatii cukrzycowej zbyt późno wykryte zmiany naczyniowe mogą prowadzić do poważnych powikłań. W chorobach plamki żółtej szybkie rozpoznanie i precyzyjne monitorowanie leczenia może decydować o tym, czy pacjent zachowa ostre widzenie centralne.

STOC-T nie jest jeszcze gotowym produktem klinicznym. Publikacja jasno wskazuje ograniczenia: metoda wymaga szybkiej kamery CMOS (512 x 512 pikseli, 60 000 kl./s), przestrajalnego lasera w zakresie 800-870 nm, i generuje ogromne ilości danych - pojedyncza akwizycja z 32 wolumenami może przekraczać 8,5 GB. To prawdziwe wyzwanie dla infrastruktury obliczeniowej.

Duże nadzieje wiązane są ze światłowodem wielomodowym jako najprostszym mechanizmem modulacji fazowej: dla rdzenia 50 μm i długości 300 m układ prowadzi ok. 800 modów, co teoretycznie pozwala redukować szum przesłuchu optycznego blisko 29-krotnie - i nie wymaga żadnej aktywnej elektroniki sterującej.

"To nie jest jeszcze koniec drogi. Wiemy jednak, co trzeba poprawiać: szybkość, wolumen danych, kodowanie fazy i automatyzację rekonstrukcji. Sama idea i sposób opisu zjawiska dają bardzo duże możliwości rozwojowe tak dla nowych urządzeń, jak i samej metody" - podsumowuje prof. Maciej Wojtkowski.

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

Źródło: Maciej Wojtkowski (2026). Spatio-temporal optical coherence imaging and tomography for in vivo applications. Journal of Biomedical Optics.

DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.31.11.113504