I ricercatori hanno sviluppato e dimostrato il primo strumento oftalmologico portatile con tecnologia ottica adattiva che aumenta la risoluzione in grado di visualizzare i singoli fotorecettori nell'occhio. Il nuovo strumento portatile consentirà una migliore diagnosi delle malattie degli occhi e potrebbe consentire la diagnosi precoce di malattie e traumi correlati al cervello.

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori segnalano il loro nuovo strumento leggero, che misura solo 10 x 5 x 14 centimetri. Hanno testato il dispositivo su bambini e adulti, dimostrando la sua capacità di catturare immagini anche dei piccolissimi fotorecettori vicini al centro della retina che svolgono un ruolo chiave nella visione.

fotorecettori, neuroni specializzati che convertono la luce che entra nell'occhio in segnali inviati al cervello, sono gli unici neuroni del corpo che possono essere visualizzati in modo non invasivo. I fotorecettori di imaging non sono importanti solo per la diagnosi delle malattie degli occhi, ma potrebbero anche fornire informazioni sui processi che si verificano nel cervello. Studi preliminari hanno dimostrato che i cambiamenti nella retina possono essere osservati durante le prime fasi di malattie come l'Alzheimer e dopo lesioni cerebrali traumatiche come le commozioni cerebrali.

"Fino ad ora, i sistemi di imaging necessari per l'imaging dei fotorecettori ad alta risoluzione consistevano in grandi, componenti pesanti su un tavolo ottico che potrebbero essere utilizzati solo con adulti cooperativi seduti in posizione eretta, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Sina Farsiu dei dipartimenti di ingegneria biomedica e oftalmologia della Duke University, Carolina del Nord. "Il nostro sistema portatile portatile potrebbe espandere questa importante tecnica di imaging a bambini e neonati, così come agli adulti che potrebbero non essere in grado di stare seduti in posizione eretta e guardare dritto davanti a sé".

Il sistema potrebbe essere utilizzato su persone che si trovano in posizione reclinata mentre si sottopongono a un intervento chirurgico, Per esempio, I rapporti della squadra di Farsiu. Potrebbe anche aiutare i medici a valutare rapidamente possibili traumi cerebrali, come nei giocatori di football che escono dal campo con lesioni alla testa.

"A causa della risoluzione limitata della risonanza magnetica, il metodo standard per l'imaging del cervello nelle persone viventi, la valutazione basata sulla risonanza magnetica di malattie o traumi al cervello non può essere eseguita a livello delle singole cellule, " disse Farsiu. "Nella retina invece, i singoli fotorecettori possono essere visualizzati con una risoluzione 100 volte superiore rispetto all'utilizzo di immagini cerebrali, permettendo di vedere cambiamenti molto sottili."

Ridurre l'ottica

Per visualizzare i fotorecettori oggi i medici usano comunemente un dispositivo noto come oftalmoscopio laser a scansione ottica adattiva (AOSLO). Sebbene l'ottica adattiva migliori notevolmente la risoluzione rispetto a un oftalmoscopio laser a scansione standard, i componenti ottici necessari aumentano anche le dimensioni, peso e costo dell'intero sistema.

La tecnologia dell'ottica adattiva aumenta la qualità dell'immagine utilizzando un componente ottico chiamato sensore del fronte d'onda per rilevare la distorsione della luce causata dall'occhio. Uno specchio deformabile che cambia rapidamente forma viene quindi utilizzato per compensare la distorsione della luce rilevata, portando a immagini più nitide.

Per ridurre i componenti all'interno di un AOSLO, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo algoritmo per eseguire il rilevamento del fronte d'onda. "Altri ricercatori hanno dimostrato che il sensore del fronte d'onda può essere sostituito da un algoritmo, ma questi algoritmi non sono stati abbastanza veloci da essere utilizzati in un dispositivo portatile, " ha detto Farsiu. "L'algoritmo che abbiamo sviluppato è molto più veloce delle tecniche utilizzate in precedenza e altrettanto preciso".

I ricercatori hanno anche incorporato uno specchio deformabile basato su MEMS disponibile in commercio che misura solo 10,5 millimetri di diametro. "Il design ottico e meccanico combinato con il nostro nuovo algoritmo ha permesso di creare il dispositivo portatile, ", ha affermato l'esperto di ottica Duke e membro del team Joseph Izatt. "I sistemi di ottica adattiva sono molto sensibili a leggere vibrazioni o movimenti, ma abbiamo progettato il nostro sistema per essere molto stabile. Le ottiche rimangono allineate durante il trasporto del sistema, e può anche compensare i movimenti della mano durante l'uso."

Imaging nelle persone

Hanno usato il loro nuovo sistema, chiamato HAOSLO per AOSLO portatile, per visualizzare le retine di 12 volontari adulti sani e due bambini sotto anestesia. L'applicazione del sistema su un bambino di 31 mesi rappresenta il primo utilizzo dell'ottica adattiva per i fotorecettori di immagine nei bambini.

I fotorecettori negli occhi degli adulti diventano gradualmente più piccoli verso un'area al centro della retina nota come fovea. Il sistema HAOSLO è stato in grado di visualizzare fotorecettori fino a 1,4 gradi eccentrici rispetto alla fovea, dove i fotorecettori hanno una spaziatura media di soli 4,5 micron. Il più vicino che era stato realizzato senza l'ottica adattiva era di 3,9 gradi. Prima di avviare sperimentazioni cliniche su larga scala con lo strumento, i ricercatori prevedono di incorporare ulteriori modalità di imaging utili per rilevare la malattia.

Per aiutare altri scienziati ad adattare il loro sistema per applicazioni specifiche, i ricercatori hanno realizzato i progetti ottici e meccanici, algoritmi di calcolo e software di controllo per il nuovo sistema HAOSLO disponibili online gratuitamente.