Onderzoekers hebben het eerste draagbare oftalmologische instrument ontwikkeld en gedemonstreerd met resolutieverhogende adaptieve optische technologie die individuele fotoreceptoren in het oog kan afbeelden. Het nieuwe draagbare instrument zal een betere diagnose van oogziekten mogelijk maken en vroege detectie van hersengerelateerde ziekten en trauma mogelijk maken.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, de onderzoekers rapporteren hun nieuwe lichtgewicht instrument, die slechts 10 bij 5 bij 14 centimeter meet. Ze testten het apparaat bij kinderen en volwassenen, wat zijn vermogen aantoont om beelden vast te leggen van zelfs de zeer kleine fotoreceptoren dicht bij het midden van het netvlies die een sleutelrol spelen bij het zien.

fotoreceptoren, gespecialiseerde neuronen die licht dat het oog binnenkomt omzetten in signalen die naar de hersenen worden gestuurd, zijn de enige neuronen in het lichaam die niet-invasief kunnen worden afgebeeld. Het in beeld brengen van fotoreceptoren is niet alleen belangrijk voor het diagnosticeren van oogziekten, maar kan ook inzicht verschaffen in processen die plaatsvinden in de hersenen. Voorlopige studies hebben aangetoond dat veranderingen in het netvlies kunnen worden waargenomen tijdens de vroege stadia van ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en na traumatisch hersenletsel zoals hersenschudding.

"Tot nu, de beeldvormingssystemen die nodig waren voor fotoreceptorbeeldvorming met hoge resolutie bestonden uit grote, zware componenten op een optische tafel die alleen gebruikt konden worden met meewerkende volwassenen die rechtop zitten, " zei onderzoeksteamleider Sina Farsiu van de afdelingen Biomedische Technologie en Oogheelkunde aan de Duke University, Noord Carolina. "Ons draagbare handheld-systeem zou deze belangrijke beeldvormingstechniek kunnen uitbreiden naar kinderen en zuigelingen, evenals voor volwassenen die misschien niet rechtop kunnen zitten en recht voor zich uit kunnen staren."

Het systeem kan worden gebruikt bij mensen die in een achteroverleunende positie liggen terwijl ze een operatie ondergaan, bijvoorbeeld, Dat meldt het team van Farsiu. Het kan artsen ook helpen om snel mogelijk hersentrauma te beoordelen, zoals bij voetballers die van het veld komen met hoofdletsel.

"Vanwege de beperkte resolutie van MRI - de standaardmethode voor het afbeelden van de hersenen bij levende mensen - kan een MRI-gebaseerde beoordeling van ziekte of trauma aan de hersenen niet worden gedaan op het niveau van individuele cellen, " zei Farsiu. "In het netvlies echter, individuele fotoreceptoren kunnen worden afgebeeld met een 100 keer hogere resolutie dan met beeldvorming van de hersenen, waardoor zeer subtiele veranderingen te zien zijn."

De optiek verkleinen

Voor het afbeelden van fotoreceptoren gebruiken artsen tegenwoordig gewoonlijk een apparaat dat bekend staat als een adaptieve optica scanning laser oftalmoscope (AOSLO). Hoewel adaptieve optica de resolutie aanzienlijk verbetert in vergelijking met een standaard scanninglaseroftalmoscoop, de vereiste optische componenten vergroten ook de grootte, gewicht en kosten van het totale systeem.

Adaptieve optische technologie verhoogt de beeldkwaliteit door gebruik te maken van een optische component, een zogenaamde wavefront-sensor, om door het oog veroorzaakte lichtvervorming te detecteren. Een vervormbare spiegel die snel van vorm verandert, wordt vervolgens gebruikt om de gedetecteerde lichtvervorming te compenseren, wat leidt tot duidelijkere beelden.

Om de componenten binnen een AOSLO te verkleinen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw algoritme om golffrontdetectie uit te voeren. "Andere onderzoekers hebben aangetoond dat de golffrontsensor kan worden vervangen door een algoritme, maar deze algoritmen waren niet snel genoeg om te worden gebruikt in een handheld-apparaat, " zei Farsiu. "Het algoritme dat we hebben ontwikkeld is veel sneller dan eerder gebruikte technieken en net zo nauwkeurig."

De onderzoekers gebruikten ook een in de handel verkrijgbare op MEMS gebaseerde vervormbare spiegel met een diameter van slechts 10,5 millimeter. "Het optische en mechanische ontwerp in combinatie met ons nieuwe algoritme maakte het mogelijk om het draagbare apparaat te maken, "Zei Duke optica-expert en teamlid Joseph Izatt. "Adaptieve optische systemen zijn erg gevoelig voor lichte trillingen of bewegingen, maar we hebben ons systeem zo ontworpen dat het erg stabiel is. De optiek blijft uitgelijnd wanneer het systeem wordt vervoerd, en het kan ook handbewegingen tijdens gebruik compenseren."

Beeldvorming bij mensen

Ze gebruikten hun nieuwe systeem, genaamd HAOSLO voor handheld AOSLO, om het netvlies van 12 gezonde volwassen vrijwilligers en twee kinderen onder narcose in beeld te brengen. De toepassing van het systeem op een kind van 31 maanden is het eerste gebruik van adaptieve optica om fotoreceptoren in beeld te brengen bij kinderen.

Fotoreceptoren in volwassen ogen worden geleidelijk kleiner naar een gebied in het midden van het netvlies dat bekend staat als de fovea. Het HAOSLO-systeem was in staat om fotoreceptoren af ​​te beelden tot op 1,4 graden excentrisch ten opzichte van de fovea, waar fotoreceptoren een gemiddelde afstand van slechts 4,5 micron hebben. Het dichtst dat was bereikt zonder adaptieve optica was 3,9 graden. Voordat grootschalige klinische proeven met het instrument worden gestart, de onderzoekers zijn van plan om aanvullende beeldvormende modaliteiten op te nemen die nuttig zijn voor het opsporen van ziekten.

Om andere wetenschappers te helpen hun systeem aan te passen voor specifieke toepassingen, de onderzoekers maakten de optische en mechanische ontwerpen, rekenalgoritmen en besturingssoftware voor het nieuwe HAOSLO-systeem gratis online beschikbaar.