Rogówka jest przezroczystą, zewnętrzną częścią oka. To ona jako pierwsza załamuje światło wpadające do gałki ocznej i ma ogromny wpływ na ostrość widzenia. Zwykle myślimy o niej jak o cienkiej szybce, ale z punktu widzenia medycyny i fizyki jest czymś znacznie bardziej złożonym: elastyczną, warstwową strukturą, która reaguje na siły mechaniczne, ciśnienie i drobne zmiany swojej geometrii.

Właśnie tę reakcję postanowili zmierzyć naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER), działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN. W pracy opublikowanej w czasopiśmie „Biomedical Optics Express”, opisali system tomografii optycznej OCT, który w pojedynczym pomiarze obserwuje, jak rogówka ugina się po krótkim podmuchu powietrza.

W diagnostyce okulistycznej od lat wykorzystuje się urządzenia, które badają kształt rogówki, jej grubość, krzywiznę i reakcję na bodziec mechaniczny. Jednym z klasycznych przykładów jest bezkontaktowe badanie z użyciem podmuchu powietrza. To standardowe badanie wykonywane w gabinetach okulistycznych na całym świecie w celu pomiaru ciśnienia wewnątrzgałkowego. Aparat wypuszcza krótki strumień powietrza, a oko reaguje na niego minimalnym odkształceniem.

Rogówka nie zawsze jednak osłabia się równomiernie. W stożku rogówki, czyli chorobie prowadzącej do ścieńczenia i uwypuklenia rogówki, zmiany mogą mieć charakter miejscowy. Fragment tkanki może być bardziej podatny na odkształcenie niż reszta rogówki, zanim będzie to łatwe do uchwycenia standardowymi metodami obrazowania. To ważne, bo stożek rogówki może powodować narastające zniekształcenie widzenia, astygmatyzm, nadwrażliwość na światło i problemy z dobraniem okularów lub soczewek kontaktowych. W zaawansowanych przypadkach pacjent może wymagać specjalistycznego leczenia, a czasem nawet przeszczepu rogówki.

Dotychczasowe metody często analizują globalną reakcję rogówki albo śledzą jej zachowanie w jednym przekroju. To daje cenne informacje, ale może nie wystarczyć, gdy zmiana jest ogniskowa, asymetryczna i pojawia się poza centralnym punktem pomiaru. Nowe rozwiązanie opracowane przez zespół ICTER odpowiada właśnie na ten problem. System nie obserwuje rogówki punkt po punkcie, lecz mierzy jej reakcję jednocześnie w dziewięciu miejscach: jednym centralnym i ośmiu obwodowych. Dzięki temu pozwala zobaczyć nie tylko, jak mocno rogówka się ugina, ale też, gdzie jej reakcja jest największa i czy wskazuje na miejscową biomechaniczną słabość.

„Rogówka to jeden z głównych elementów oka skupiających światło na siatkówce, dlatego ważny jest nie tylko jej kształt, ale i właściwości mechaniczne. Uważa się, że to właśnie stan mechaniczny rogówki zmienia się w niektórych schorzeniach, jak stożek rogówki, zanim dojdzie do zmiany kształtu. Nasz system, mierząc jednocześnie odpowiedź rogówki na pobudzenie strumieniem powietrza, pozwala oszacować tę asymetrię, co daje nadzieję na wcześniejsze wykrywanie zmian niż w przypadku metod czysto geometrycznych” - mówi dr Karol Karnowski z ICTER, cytowany w prasowym komunikacie.

Podstawą opracowanej technologii jest tomografia optyczna OCT. To metoda obrazowania używana w okulistyce na co dzień, szczególnie w diagnostyce siatkówki i przedniego odcinka oka. Działa trochę jak optyczny odpowiednik ultrasonografii, ale zamiast fal dźwiękowych wykorzystuje światło. Pozwala oglądać struktury oka z bardzo wysoką rozdzielczością i bez kontaktu z tkanką. W tej pracy OCT wykorzystano jednak w szczególny sposób. Naukowcy zbudowali układ, w którym kilka wiązek światła pada na rogówkę jednocześnie. Każda wiązka odpowiada innemu punktowi pomiarowemu. Sygnały z tych punktów są rozdzielane nie przez wykonywanie kolejnych skanów, lecz przez tzw. kodowanie głębi. Oznacza to, że informacje z różnych miejsc rogówki zostają zapisane w różnych segmentach głębokości w jednym sygnale OCT.

Zamiast wykonywać pomiar po kolei w różnych miejscach i ryzykować, że oko w tym czasie minimalnie się poruszy, urządzenie rejestruje wszystko naraz. To szczególnie ważne w badaniu bardzo szybkich, niepowtarzalnych zjawisk. Reakcja rogówki na podmuch powietrza trwa zaledwie dziesiątki milisekund. W tak krótkim czasie nawet mikroruch oka, mrugnięcie, zmiana filmu łzowego albo opóźnienie wynikające z sekwencyjnego skanowania może zniekształcić wynik.

„Ponieważ odkształcenie rogówki, które chcemy uchwycić, żeby oszacować jej asymetrię, trwa około 20 milisekund i pomiaru nie da się powtórzyć, kluczowe w naszej metodzie jest jednoczesne mierzenie odpowiedzi rogówki w wielu miejscach. Wymaga to dużej rozdzielczości czasowej, tak jak w aparacie, który potrafi zrobić bardzo dużo zdjęć na sekundę. Dotychczasowe techniki albo nie zapewniały takiej rozdzielczości czasowej, albo oferowały pomiar ograniczony przestrzennie” - wyjaśnia dr Karol Karnowski.

W praktyce taki system mógłby wspierać wcześniejsze wykrywanie stożka rogówki, zwłaszcza w przypadkach, w których zmiany są jeszcze subtelne. Może też pomóc w monitorowaniu postępu choroby oraz ocenie skuteczności leczenia, np. po zabiegu cross-linkingu, którego celem jest wzmocnienie rogówki. Potencjalnie mógłby być również przydatny przed zabiegami chirurgii refrakcyjnej, takimi jak laserowa korekcja wzroku, gdzie prawidłowa ocena biomechaniki rogówki ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa pacjenta.

Autorzy podkreślają, że obecna praca ma charakter techniczny i demonstracyjny. Zebrano już osobny zestaw danych klinicznych obejmujący grupę kontrolną, pacjentów z wczesną lub skąpoobjawową postacią choroby. Wyniki tej walidacji mają zostać przedstawione w oddzielnej publikacji.

W aktualnej wersji analiza wymagała ręcznej segmentacji przedniej powierzchni rogówki na obrazach OCT. To metoda przejrzysta i dobra do pracy badawczej, ale zbyt czasochłonna dla rutynowej diagnostyki. Zespół pracuje nad automatyzacją, w tym nad algorytmami opartymi na uczeniu maszynowym. Kolejnym wyzwaniem jest precyzyjne ustawienie oka. Niepełne wycentrowanie układu, mikroruchy gałki ocznej czy mrugnięcie mogą pogorszyć jakość sygnału i wpłynąć na wynik. Przyszłe wersje urządzenia mogłyby więc korzystać z dodatkowego monitorowania źrenicy, sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym i systemów śledzenia ruchów oka.

Choć badanie dotyczy rogówki, sama koncepcja może mieć szersze zastosowanie. Zespół ICTER pokazał, że wielopunktowy pomiar OCT może służyć do obserwacji bardzo szybkich, niepowtarzalnych zdarzeń mechanicznych w ośrodkach rozpraszających światło. Takimi ośrodkami są nie tylko tkanki oka, ale także inne tkanki miękkie, w których klasyczne skanowanie sekwencyjne może generować błędy.

Nauka w Polsce

ekr/ agt/