Håndholdt billedkamera klar til at give ny indsigt i øjen- og hjernesygdomme

Forskere har udviklet og demonstreret det første håndholdte oftalmologiske instrument med opløsningsfremmende adaptiv optik-teknologi, der kan forestille individuelle fotoreceptorer i øjet. Det nye bærbare instrument vil muliggøre forbedret diagnose af øjensygdomme og kunne muliggøre tidlig påvisning af hjernerelaterede sygdomme og traumer.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskerne rapporterer deres nye letvægtsinstrument, som kun måler 10 x 5 x 14 centimeter. De testede enheden hos børn og voksne, demonstrerer dets evne til at tage billeder af selv de meget små fotoreceptorer tæt på nethinden, der spiller en central rolle i synet.

Fotoreceptorer, specialiserede neuroner, der konverterer lys ind i øjet til signaler sendt til hjernen, er de eneste neuroner i kroppen, der kan afbildes ikke-invasivt. Billedfotoreceptorer er ikke kun vigtige for diagnosticering af øjensygdomme, men kan også give indsigt i processer, der forekommer i hjernen. Foreløbige undersøgelser har vist, at ændringer i nethinden kan observeres i de tidlige stadier af sygdomme som Alzheimers og efter traumatiske hjerneskader som hjernerystelse.

"Indtil nu, de billeddannelsessystemer, der kræves til fotoreceptorbilleder i høj opløsning, bestod af store, tunge komponenter på et optisk bord, der kun kunne bruges sammen med voksne voksne, der sad oprejst, "sagde forskningsteamleder Sina Farsiu fra afdelingerne for biomedicinsk teknik og oftalmologi ved Duke University, North Carolina. "Vores bærbare håndholdte system kunne udvide denne vigtige billeddannelsesteknik til børn og spædbørn, såvel som til voksne, der muligvis ikke kan sidde oprejst og stirre lige frem. "

Systemet kan bruges på mennesker, der er i en tilbagelænet stilling, når de skal opereres, for eksempel, Farsius hold rapporterer. Det kan også hjælpe læger med hurtigt at vurdere mulig hjernetraume, såsom i fodboldspillere, der kommer af banen med hovedskader.

"På grund af den begrænsede opløsning af MR-standardmetoden til billeddannelse af hjernen hos levende mennesker-kan MR-baseret vurdering af sygdom eller traumer i hjernen ikke udføres på niveau med individuelle celler, "sagde Farsiu." I nethinden dog individuelle fotoreceptorer kan afbildes med 100 gange højere opløsning end ved hjælp af hjernebilleddannelse, så meget subtile ændringer kan ses. "

Skrumper optikken

Til billedfotoreceptorer i dag bruger læger almindeligvis en enhed kendt som et adaptivt optisk scanningslaser -oftalmoskop (AOSLO). Selvom adaptiv optik i høj grad forbedrer opløsningen i forhold til et standard scanningslaser -oftalmoskop, de nødvendige optiske komponenter øger også størrelsen, vægt og omkostninger ved det samlede system.

Adaptiv optik -teknologi øger billedkvaliteten ved at bruge en optisk komponent kaldet en bølgefrontsensor til at registrere lysforvrængning forårsaget af øjet. Et deformerbart spejl, der hurtigt ændrer form, bruges derefter til at kompensere for den registrerede lysforvrængning, fører til klarere billeder.

For at krympe komponenterne i en AOSLO, forskerne udviklede en ny algoritme til at udføre bølgefrontmåling. "Andre forskere har vist, at bølgefrontsensoren kan erstattes af en algoritme, men disse algoritmer har ikke været hurtige nok til at blive brugt i en håndholdt enhed, "sagde Farsiu." Den algoritme, vi udviklede, er meget hurtigere end tidligere anvendte teknikker og lige så præcis. "

Forskerne indarbejdede også et kommercielt tilgængeligt MEMS-baseret deformerbart spejl, der kun måler 10,5 millimeter i diameter. "Det optiske og mekaniske design kombineret med vores nye algoritme gjorde det muligt at oprette den håndholdte enhed, "sagde Duke optikekspert og teammedlem Joseph Izatt." Adaptive optiksystemer er meget følsomme over for små vibrationer eller bevægelser, men vi designede vores system til at være meget stabilt. Optikken forbliver på linje, når systemet transporteres, og det kan også kompensere for håndbevægelser under brug. "

Billeddannelse hos mennesker

De brugte deres nye system, kaldet HAOSLO for håndholdt AOSLO, at forestille nethinden hos 12 raske voksne frivillige og to børn under bedøvelse. Anvendelsen af ​​systemet på et 31 måneder gammelt barn repræsenterer den første brug af adaptiv optik til billedfotoreceptorer hos børn.

Fotoreceptorer i voksne øjne bliver gradvist mindre mod et område i midten af ​​nethinden, kendt som fovea. HAOSLO -systemet var i stand til at fotografere fotoreceptorer så tæt som 1,4 grader excentrisk på fovea, hvor fotoreceptorer har en gennemsnitlig afstand på kun 4,5 mikron. Det nærmeste, der var opnået uden adaptiv optik, var 3,9 grader. Inden der startes store kliniske forsøg med instrumentet, forskerne planlægger at indarbejde yderligere billeddannelsesmetoder, der er nyttige til påvisning af sygdom.

For at hjælpe andre forskere med at tilpasse deres system til specifikke applikationer:forskerne lavede de optiske og mekaniske designs, beregningsalgoritmer og kontrolsoftware til det nye HAOSLO -system tilgængeligt online gratis.