Forskere satte ny opløsningsrekord for billeddannelse af det menneskelige øje

Forskere har udviklet en ikke-invasiv teknik, der kan tage billeder af stav- og keglefotoreceptorer med hidtil usete detaljer. Fremgangen kan føre til nye behandlinger og tidligere opdagelse af nethindesygdomme såsom makuladegeneration, en førende årsag til synstab.

"Vi håber på, at denne teknik bedre vil afsløre subtile ændringer i størrelsen, form og fordeling af stav- og keglefotoreceptorer ved sygdomme, der påvirker nethinden, " sagde forskerholdsleder Johnny Tam fra National Eye Institute. "At finde ud af, hvad der sker med disse celler, før de går tabt, er et vigtigt skridt i retning af at udvikle tidligere interventioner til at behandle og forebygge blindhed."

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidsskrift, forskerne viser, at deres nye billeddannelsesmetode overvinder opløsningsbegrænsninger pålagt af lysets diffraktionsbarriere. Forskerne opnår denne bedrift, mens de bruger lys, der er sikkert til at afbilde det levende menneskelige øje.

"Diffraktionsgrænsen for lys kan nu rutinemæssigt overgås i mikroskopi, som har revolutioneret biologisk forskning, " sagde Tam. "Vores arbejde repræsenterer et første skridt mod rutinemæssig sub-diffraktionsbilleddannelse af celler i den menneskelige krop."

Bruger mindre lys til at se mere

At opnå billeder i høj opløsning af fotoreceptorer bag i øjet er udfordrende, fordi øjets optiske elementer (såsom linse og hornhinde) forvrænger lyset på en måde, der kan reducere billedopløsningen væsentligt. Lysets diffraktionsbarriere begrænser også optiske instrumenters evne til at skelne mellem to objekter, der er for tæt på hinanden. Selvom der er forskellige metoder til billeddannelse ud over diffraktionsgrænsen, de fleste af disse tilgange bruger for meget lys til sikkert at afbilde levende menneskelige øjne.

For at overkomme disse udfordringer, forskerne forbedrede en retinal billeddannelsesteknik kendt som adaptiv optik scanning lys oftalmoskopi, som bruger deformerbare spejle og beregningsmetoder til at korrigere for optiske ufuldkommenheder i øjet i realtid.

"Man kan tro, at der skal mere lys til for at få et bedre billede, men vi demonstrerer, at vi kan forbedre opløsningen ved strategisk at blokere lys forskellige steder i vores instrument, " sagde Tam. "Denne tilgang reducerer den samlede kraft af lys, der leveres til øjet, gør den ideel til live billedbehandlingsapplikationer."

For den nye tilgang, forskerne genererede en ringformet, eller hul, lysstråle. Brug af denne type stråle forbedrede opløsningen på tværs af fotoreceptorerne, men på bekostning af dybdeopløsningen. For at genvinde den tabte dybdeopløsning, forskerne brugte et lille nålehul kaldet en sub-Airy disk til at blokere lys, der kommer tilbage fra øjet. De viste, at denne billeddannende tilgang kunne bruges til at forbedre en mikroskopiteknik kaldet ikke-konfokal split-detektion, som bruges til at erhverve komplementære visninger af fotoreceptorerne.

Test i klinikken

Efter at have demonstreret, at billedopløsning blev forbedret i teoretiske simuleringer, forskerne bekræftede deres simuleringer ved hjælp af forskellige testmål. De brugte derefter den nye metode til at afbilde stav- og keglefotoreceptorer hos fem raske frivillige ved National Institutes of Health's Clinical Center.

Den nye tilgang gav omkring en 33 procent stigning i tværgående opløsning og 13 procent forbedring i aksial opløsning sammenlignet med traditionel adaptiv optik scanning lys oftalmoskopi. Ved at bruge deres optimerede tilgang, forskerne var i stand til at se en cirkulært formet subcellulær struktur i midten af ​​keglefotoreceptorer, som ikke tidligere klart kunne visualiseres.

"Evnen til ikke-invasivt at afbilde fotoreceptorer med subcellulær opløsning kan bruges til at spore, hvordan individuelle celler ændrer sig over tid, " sagde Tam. "F.eks. at se en celle begynde at degenerere, og derefter muligvis komme sig, vil være et vigtigt fremskridt for at teste nye behandlinger for at forhindre blindhed."

Forskerne planlægger at afbilde flere patienters øjne med den nye teknik og bruge billederne til at begynde at besvare grundlæggende spørgsmål knyttet til stang- og keglesundhed. For eksempel, de er interesserede i at visualisere stang- og keglesundhed hos mennesker, der har sjældne genetiske sygdomme. De siger, at deres billedbehandlingstilgang kunne anvendes til andre punktscanningsbaserede mikroskopi- og billedbehandlingsmetoder, hvor det er vigtigt at tage billeder med lave lysniveauer.