Forskare har utvecklat och demonstrerat det första handhållna oftalmologiska instrumentet med upplösningsförstärkande adaptiv optiksteknik som kan avbilda enskilda fotoreceptorer i ögat. Det nya bärbara instrumentet kommer att möjliggöra förbättrad diagnos av ögonsjukdomar och kan möjliggöra tidig upptäckt av hjärnrelaterade sjukdomar och trauma.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskarna rapporterar sitt nya lättviktiga instrument, som mäter bara 10 gånger 5 gånger 14 centimeter. De testade enheten hos barn och vuxna, demonstrerar dess förmåga att ta bilder av även de mycket små fotoreceptorerna nära näthinnans centrum som spelar en nyckelroll i synen.

Fotoreceptorer, specialiserade neuroner som omvandlar ljus som kommer in i ögat till signaler som skickas till hjärnan, är de enda neuronerna i kroppen som kan avbildas icke-invasivt. Fotografering av fotoreceptorer är inte bara viktigt för att diagnostisera ögonsjukdomar utan kan också ge insikter om processer som sker i hjärnan. Preliminära studier har visat att förändringar i näthinnan kan observeras under de tidiga stadierna av sjukdomar som Alzheimers och efter traumatiska hjärnskador som hjärnskakningar.

"Tills nu, bildsystemen som krävs för högupplöst fotoreceptoravbildning bestod av stora, tunga komponenter på ett optiskt bord som bara kunde användas med kooperativa vuxna som sitter upprätt, "sade forskargruppsledaren Sina Farsiu från avdelningarna för biomedicinsk teknik och oftalmologi vid Duke University, Norra Carolina. "Vårt bärbara handhållna system kan utöka denna viktiga bildteknik till barn och spädbarn, såväl som för vuxna som kanske inte kan sitta upprätt och stirra rakt fram. "

Systemet kan användas på personer som ligger i vilande läge när de genomgår operation, till exempel, Farsius team rapporterar. Det kan också hjälpa läkare att snabbt utvärdera möjliga hjärntrauma, som i fotbollsspelare som kommer från planen med huvudskador.

"På grund av den begränsade upplösningen av MRI-standardmetoden för avbildning av hjärnan hos levande människor-kan MR-baserad bedömning av sjukdom eller trauma i hjärnan inte göras på nivån för enskilda celler, "sa Farsiu." I näthinnan dock enskilda fotoreceptorer kan avbildas med 100 gånger högre upplösning än att använda hjärnbildning, så att mycket subtila förändringar kan ses. "

Minskar optiken

Till fotoreceptorer idag använder läkare vanligtvis en enhet som kallas ett adaptivt optiskt skanningslaser -oftalmoskop (AOSLO). Även om adaptiv optik förbättrar upplösningen kraftigt jämfört med ett vanligt skanninglaseroftalmoskop, de optiska komponenterna som krävs ökar också storleken, vikt och kostnad för det övergripande systemet.

Adaptiv optikteknologi ökar bildkvaliteten genom att använda en optisk komponent som kallas en vågfrontssensor för att upptäcka ljusförvrängning orsakad av ögat. En deformerbar spegel som snabbt ändrar form används sedan för att kompensera för den upptäckta ljusförvrängningen, vilket leder till tydligare bilder.

För att krympa komponenterna i en AOSLO, forskarna utvecklade en ny algoritm för att utföra vågfrontsavkänning. "Andra forskare har visat att vågfrontssensorn kan ersättas av en algoritm, men dessa algoritmer har inte varit tillräckligt snabba för att användas i en handhållen enhet, "sade Farsiu." Algoritmen vi utvecklade är mycket snabbare än tidigare använda tekniker och lika exakt. "

Forskarna införlivade också en kommersiellt tillgänglig MEMS-baserad deformerbar spegel som bara mäter 10,5 millimeter i diameter. "Den optiska och mekaniska designen i kombination med vår nya algoritm gjorde det möjligt att skapa den handhållna enheten, "sa Duke optiksexpert och teammedlem Joseph Izatt." Adaptiva optiksystem är mycket känsliga för små vibrationer eller rörelser, men vi konstruerade vårt system för att vara mycket stabilt. Optiken förblir i linje när systemet transporteras, och det kan också kompensera för handrörelser under användning. "

Imaging hos människor

De använde sitt nya system, kallad HAOSLO för handhållen AOSLO, för att avbilda näthinnan hos 12 friska vuxna volontärer och två barn under narkos. Systemets tillämpning på ett 31 månader gammalt barn representerar den första användningen av adaptiv optik för bildfotoreceptorer hos barn.

Fotoreceptorer i vuxna ögon blir gradvis mindre mot ett område i mitten av näthinnan som kallas fovea. HAOSLO -systemet kunde avbilda fotoreceptorer så nära som 1,4 grader excentriska till fovea, där fotoreceptorer har ett genomsnittligt avstånd på endast 4,5 mikron. Det närmaste som hade uppnåtts utan adaptiv optik var 3,9 grader. Innan du påbörjar storskaliga kliniska prövningar med instrumentet, forskarna planerar att införliva ytterligare avbildningsmetoder som är användbara för att upptäcka sjukdom.

För att hjälpa andra forskare att anpassa sitt system för specifika applikationer, forskarna gjorde den optiska och mekaniska konstruktionen, beräkningsalgoritmer och styrprogramvara för det nya HAOSLO -systemet som är tillgängligt online gratis.