Tomografia optyczna – przełom w badaniach wzroku

Wyobrażacie sobie metodę, dzięki której można bezinwazyjnie badać środek oka z taką dokładnością, jaką uzyskuje się zwykle tylko, badając próbki pod mikroskopem? Dzisiaj opowiem wam o takiej metodzie. 

Problemy ze wzrokiem – plaga naszych czasów

Po raz pierwszy na większą skalę zauważono jak szkodliwe jest patrzenie tylko na obiekty, które znajdują się blisko naszych oczu podczas zimnej wojny, gdy załogi ogromnych atomowych okrętów podwodnych całymi tygodniami znajdowały się pod wodą. Na okręcie podwodnym oko nie ma szans spoglądania na obiekty, które znajdują się daleko.

Myślę, że wtedy nikt nawet by nie przypuszczał, że w przyszłości ten problem będzie dotyczył nie tylko marynarzy, ale całkiem sporej części społeczeństwa. 

Oczy odpowiadają za odbiór ponad 80% informacji o otaczającym nas świecie. Pochłaniając coraz to nowe obrazy, nasz wzrok jest codziennie atakowany milionami bodźców i bardzo obciążony choćby wpatrywaniem się w ekrany rozmaitych urządzeń elektronicznych. Praca zdalna sprawę dodatkowo pogarsza. 

Jak badać oczy?

Wbrew pozorom wcale nie jest łatwo badać oko. Jego dotykanie jest wykluczone. Badanie USG jest możliwe, ale jak to z USG bywa, nie jest zbyt dokładne. I to jest kwestia nie tylko technologii, ale także fizyki. Fala dźwiękowa ma stosunkowo dużą długość fali, a to znaczy, że, korzystając z niej, nie zobrazujemy małych obiektów czy małych zmian.

Byłoby optymalnie, gdyby do badania oka dało się zastosować falę o znacznie, znacznie mniejszej długości. I tutaj wchodzi światło. Światło ma bardzo ograniczone zastosowanie do badania wnętrza naszego organizmu, bo nie jesteśmy (np. jak niektóre ryby) przeźroczyści. Ale oko w dużej części jest przeźroczyste.

To też Cię zainteresuje: Biodruk 3D: Bioniczna trzustka szansą dla tysięcy chorych. Polacy pracują nad rewolucją

Dodatkowo długość fali świetlnej jest nieporównywalnie, o rzędy wielkości, mniejsza niż długość fali dźwiękowej, a to znaczy, że dzięki użyciu światła można odwzorować mniejsze detale. Jak małe? Wielkości mikrometrów, czyli milionowych części metra, albo tysięcznych części milimetra. To wielkości o kilkaset razy mniejsze od tych, które widzi USG. 

Jasne, można skorzystać z fali elektromagnetycznej jeszcze krótszej niż fala świetlna, np. z promieniowania RTG, ale gdy pójdziemy w te części widma, wchodzimy na dość niebezpieczny teren. Fale o takich małych długościach niosą za dużą energię, a to może być dla żywych komórek szkodliwe.

Z RTG korzysta się tylko wtedy, gdy nie ma wyjścia, gdy innymi sposobami nie da się zobrazować wnętrza ciała. Robimy to, wiedząc, że ta metoda choć bezinwazyjna, to jednak ma skutki uboczne. USG też jest bezinwazyjne i nie ma skutków ubocznych, ale po pierwsze nie zawsze można z niego skorzystać, a po drugie nie jest zbyt dokładne.

Wszystkie zalety jednego i drugiego, bez wad jednego i drugiego ma tomografia optyczna OCT. I po tym przydługim wstępie dzisiaj właśnie o niej chcę Wam opowiedzieć. 

Tomografia optyczna

Zacznę może od samego światła. To wykorzystywane w tomografii optycznej jest z samego zakresu światła widzialnego lub podczerwieni. Dzięki niemu można nieinwazyjnie zobaczyć struktury z dokładnością podobną do tego, co widzimy pod mikroskopem optycznym. Oczywiście z tą różnicą, że po to, żeby skorzystać z mikroskopu, trzeba tkankę wyciąć i przygotować, a tutaj o żadnym wycinaniu nie ma nawet mowy.

Przeczytaj też: E-Health Hackathon – programiści tworzyli rozwiązania dla kardiologii

W rzeczywistości dopiero po wprowadzeniu tej metody można było z tak dużą dokładnością badać oko. Wcześnie, by tę dokładność uzyskać, trzeba było poczekać na śmierć pacjenta albo badać oko, które np. w wyniku wypadku zostało stracone albo w wyniku jakiejś choroby, musiało zostać usunięte. 

Dzięki tomografii optycznej tniemy oko wirtualnie, tak jak tniemy wirtualnie promieniami RTG w tomografii RTG. Tworzymy trójwymiarowy obraz, który następnie możemy na ekranie obracać, przybliżać, pociąć, zajrzeć do środka.

Tomografem optycznym możemy badać nie tylko oko, ale też na przykład naskórek palca. Głębiej w ciało nie zajrzymy, bo promienie światła są zatrzymywane przez tkanki. Wszędzie, ale nie w oku. Żeby to zaglądanie do jego środka było łatwiejsze, czasami konieczne jest podanie kropli po to, by rozszerzyć źrenicę. Ale to jedyna ingerencja w oko. 

Jak działa tomografia optyczna OCT?

No dobra. Jak to działa? Bardzo analogicznie do USG, tyle tylko, że ze światłem. Wiązka światła pada na tkankę i niewielka część tej wiązki odbija się od jej powierzchni, ale także od kolejnych jej głębszych warstw. To, co się odbije, jest rejestrowane.

Przeprowadzając dość skomplikowane wyliczenia matematyczne, można zrekonstruować strukturę powierzchni, od której fala się odbija. Przy okazji tą metodą można bezinwazyjnie badać obrazy. Można bez dotykania płótna sprawdzić, co było namalowane pod główną warstwą farby. W przeszłości, gdy płótna były bardzo drogie, często kolejny obraz malowano na poprzednim. No ale to tylko taka ciekawostka. 

W tomografii optycznej oka badamy siatkówkę, analizując współczynnik odbicia światła od poszczególnych jej warstw. OCT umożliwia wykrywanie chorób siatkówki takich jak zwyrodnienia plamki żółtej i zmiany jaskrowe, a także do oceny nerwu wzrokowego.

Tak jak przed chwilą pokazywałem wam trójwymiarowy obraz, a w zasadzie rekonstrukcję naskórka palca, tak samo możemy uzyskać trójwymiarowy obraz siatkówki oka z dokładnością do detali, które normalnie widzimy tylko pod mikroskopem. Po to, by obraz był wyraźny i pełen detali, wiązka światła musi być odpowiednio przygotowana. W rzeczywistości w badaniu OCT wykorzystuje się wiązkę lasera. I to jeden z wielu przykładów współpracy fizyków i lekarzy albo przykład pracy fizyków medycznych. ​​

Urządzenia do tomografii OCT nie powstałyby bez fizyków czy fizyków medycznych właśnie. Dziś trudno sobie bez nich wyobrazić okulistykę, bo kto zna się na laserach lepiej od nich? Nad takimi badaniami pracują zespoły związane z PAN, m.in. Instytut Chemii Fizycznej, którego częścią jest Międzynarodowe Centrum Badań Oka ICTER. 

A co to ma wspólnego z okrętami podwodnymi, od których zacząłem? Każdego dnia, przez wiele godzin patrzymy w kolorowe, migające i świecące ekrany, które znajdują się zaledwie kilkadziesiąt centymetrów od naszych oczu. Z powodu technologii więcej pracujemy w bliży, co jest jedną z przyczyn pogarszania się naszego wzroku i ogólnie mniejszej higieny wzroku.

Na naszej stronie jakiś czas temu pisaliśmy o wadach wzroku u dzieci i te teksty cieszyły się ogromną popularnością. Przeczytasz je tutaj:

Krótkowzroczność – konsekwencja cyfrowego życia?

Krótkowzroczność – istotne fakty i szkodliwe mity 

Krótkowzroczność to nie wyrok – wywiad z optometrystką Sylwią Kijewską

Widzicie i wy, że wzrok wasz i waszych dzieci jest poddawany ogromnym przeciążeniom. Temat jest bardzo ważny i dlatego postanowiłem zrobić o tym odcinek na kanał Nauka. To Lubię. A samą technologią koherentnej tomografii optycznej zainteresowałem się po rozmowie z Fundacją Candela, działającą na rzecz rozwoju optyki i fotoniki w Polsce.

• Źródła:
• M. Gora, K. Karnowski, M. Szkulmowski, B. J. Kaluzny, R. Huber, A. Kowalczyk, and M. Wojtkowski, „Ultra high-speed swept source OCT imaging of the anterior segment of human eye at 200 kHz with adjustable imaging range,” Opt. Express 17, 14880-14894 (2009)
• Międzynarodowe Centrum Badań Oka