Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej opracowują innowacyjną metodę wykrywania zonulopatii – groźnego schorzenia aparatu więzadłowego oka. Tworzą urządzenie do badania kołysania soczewki, wykorzystujące zaawansowaną optykę, a AI pomoże analizować wyniki.

Projekt „Budowa interdyscyplinarnego zespołu badawczego w obszarze optycznych metod w diagnostyce medycznej: badania kołysania soczewki ocznej pod kątem zonulopatii” otrzymał dofinansowanie w wysokości ponad 400 tys. zł w ramach II edycji prowadzonego na naszej uczelni programu „Wsparcie zespołów badawczych”.

W prace będą zaangażowani naukowcy z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki i Wydziału Medycznego, a badaniami kieruje dr hab. inż. Damian Siedlecki, prof. uczelni z Katedry Optyki i Fotoniki.

Od biomechaniki oka do diagnozy aparatu więzadłowego

Od wielu lat zajmuje się on badaniem oscylacyjnych ruchów bezwładnościowych soczewki ocznej. W 2020 r. otrzymał na ten cel grant Narodowego Centrum Nauki w programie Opus, co pozwoliło na zbudowanie odpowiedniego układu pomiarowego i bezpośrednią obserwację tego zjawiska.

– Chociaż powiązanie ruchu kołyszącego z ciśnieniem wewnątrzgałkowym nie dało jednoznacznych wyników, to badania te przyniosły bezcenną wiedzę o biomechanice oka – podkreśla naukowiec. 

Udało się potwierdzić wcześniejsze doniesienia o istotnym wpływie akomodacji na parametry tego ruchu. Akomodacji, czyli zdolności oka do zmiany kształtu soczewki, by wyraźnie widzieć odległe i bliskie przedmioty. Tradycyjne pomiary okulistyczne wykonuje się zazwyczaj przy wyłączonej akomodacji. Tymczasem badania pokazały, że ruch oscylacyjny soczewki staje się bardziej wyraźny i łatwiejszy do obserwacji przy maksymalnej akomodacji. Wtedy mięsień rzęskowy kurczy się, a więzadełka ulegają maksymalnemu poluzowaniu, dając soczewce większą swobodę do drgania.

Zupełnie nowym odkryciem był wpływ fizycznego kontaktu, jaki zazwyczaj istnieje pomiędzy soczewką a tęczówką. Okazało się, że jest to czynnik, który znacznie wpływa na naturalne drgania soczewki, w sposób istotny zmieniając ich parametry. Udało się pokazać, że farmakologiczne rozszerzenie źrenicy zmniejsza rozmiar samej tęczówki, co w dużym stopniu eliminuje kontakt pomiędzy soczewką a tęczówką i pozwala na rejestrację swobodnego ruchu kołyszącego soczewki.

– Gdy zaprezentowaliśmy nasze wyniki dr Agnieszce Kowal-Lange z Wydziału Medycznego PWr, natychmiast powiązała to zjawisko z zonulopatią. To spotkanie uświadomiło nam, że wykrywanie patologii aparatu więzadłowego oka stanowi znacznie bardziej obiecujący kierunek kliniczny niż wcześniejsze próby pośredniego pomiaru ciśnienia wewnątrzgałkowego. Tak narodził się obecny projekt – dodaje prof. Siedlecki.

Na tropie schorzenia

W zdrowym oku soczewka jest zawieszona za tęczówką za pomocą sieci mikroskopijnych włókien białkowych, zwanych więzadełkami rzęskowymi lub aparatem więzadłowym. Stabilizuje on soczewkę w osi optycznej i pośredniczy w akomodacji. Podczas ruchu obrotowego oka soczewka wykonuje minimalny, naturalny ruch bezwładnościowy, który u osób zdrowych jest na tyle szybki, że praktycznie niezauważalny.

Zonulopatia to stan polegający na osłabieniu, degeneracji lub uszkodzeniu tych więzadełek. W jej przebiegu ruch oscylacyjny soczewki staje się nadmierny i nienaturalnie wydłużony – soczewka drga wyraźnie po zatrzymaniu obrotu gałki ocznej. 

– Konsekwencje takiego stanu mogą być poważne. Początkowo choroba powoduje drgania obrazu lub niewyraźne widzenie, jednak jej postęp grozi całkowitym zerwaniem więzadełek. Skutkuje to drastycznym upośledzeniem wzroku, a nawet jego utratą – wyjaśnia prof. Siedlecki. – Wyleczenie zerwanego aparatu więzadłowego nie jest możliwe i konieczny staje się skomplikowany zabieg chirurgiczny polegający na zastąpieniu naturalnej soczewki implantem, co nieodwracalnie pozbawia oko zdolności akomodacji – dodaje.

Wykres przedstawiający sygnały pozyskiwane z zarejestrowanych sekwencji badań

Cukrzyca, zespół PEX i ciche zagrożenie przed operacją zaćmy

Zonulopatia może być wywołana przez urazy, starzenie, cukrzycę bądź zespół pseudoeksfoliacji (PEX), rozwijający się bezobjawowo przez wiele lat.

– PEX to przewlekłe schorzenie metaboliczne, w którym na soczewce, tęczówce i ciele rzęskowym odkładają się patologiczne złogi białkowe. Złogi te zmieniają właściwości biomechaniczne więzadełek, osłabiając je i czyniąc je podatnymi na uszkodzenia – wyjaśnia naukowiec.

Szczególnym wyzwaniem są również tzw. stany subkliniczne zonulopatii. Okazuje się bowiem, że zdarzają się sytuacje, w których zewnętrznie narząd wzroku może wyglądać pozornie zdrowo, jednak podczas rutynowej operacji usunięcia zaćmy, osłabione więzadełka rzęskowe mogą nagle pęknąć i rozsypać się.

– Chirurg zmuszony jest wtedy podejmować nagłe, ryzykowne decyzje operacyjne. Możliwość nieinwazyjnego zdiagnozowania takiego subklinicznego stanu przed operacją pozwoliłaby chirurgowi zaplanować odpowiednie procedury i narzędzia zabezpieczające, eliminując groźne niespodzianki – tłumaczy prof. Siedlecki.

Innowacyjne rozwiązania technologiczne i diagnostyczne

W ramach projektu nasi naukowcy chcą opracować nieinwazyjne urządzenie do diagnostyki aparatu więzadłowego soczewki. Fundamentem badań jest budowa mobilnego układu do bezdotykowego pomiaru kołysania soczewki przy użyciu analizy ruchu obrazów Purkinjego.

– Obrazy Purkinjego to refleksy świetlne powstające na granicach struktur oka (rogówki i soczewki) o różnych współczynnikach załamania światła, działających jak zwierciadła. Powstają cztery takie obrazy: od przedniej i tylnej powierzchni rogówki oraz przedniej i tylnej powierzchni soczewki. Poprzez analizę mikroruchów tych refleksów można precyzyjnie scharakteryzować ruch samej soczewki –  tłumaczy prof. Siedlecki.

Podstawowy układ optyczny tego typu jest znany w fizyce, jednak jego komercyjne i diagnostyczne wdrożenie wymaga wprowadzenia innowacyjnych rozwiązań. W ramach projektu naukowcy z PWr planują rozbudowę dotychczasowego urządzenia. Kluczową zmianą będzie wyposażenie go w moduł korekcji refrakcji i kontroli akomodacji. Taki moduł ten z jednej strony umożliwi eliminację indywidualną wadę wzroku pacjenta, co zapewni powtarzalność i porównywalność pomiarów. Z drugiej strony da możliwość precyzyjnego sterowania stanem napięcia mięśnia rzęskowego oka osoby badanej.

– Cały układ zostanie wyposażony w szybką kamerę wideo o wysokiej rozdzielczości oraz precyzyjny obiektyw telecentryczny, zapewniający stałe powiększenie niezależnie od odległości – wyjaśnia naukowiec. – Z racji tego, że ruch kołyszący występuje po każdym obrocie oka, badanie generuje ogromną ilość danych wideo. W ciągu zaledwie kilku chwil rejestruje się kilkadziesiąt takich zdarzeń. Analiza tak wielkich zbiorów danych wymaga automatyzacji, dlatego planujemy w tym zakresie wykorzystać algorytmy sztucznej inteligencji – dodaje.

Interdyscyplinarny zespół i akademicka współpraca

W skład zespołu badawczego, poza prof. Damianem Siedleckim, wchodzą dr n. med. Agnieszka Kowal-Lange (Wydział Medyczny), dr inż. Agnieszka Boszczyk, dr inż. Agnieszka Jóźwik, dr inż. Agnieszka Salamaga (wszystkie z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki), Weronika Pytlos ze Szkoły Doktorskiej PWr oraz Estera Dyrcz, studentka na W11. Nie jest również wykluczone, że w projekcie wezmą udział naukowcy z Wydziału Informatyki i Telekomunikacji.

Badania ruszą wraz z rozpoczęciem nowego roku akademickiego i potrwają 12 miesięcy, w trakcie których naukowcy chcą przygotować prototyp urządzenia wraz z odpowiednim oprogramowaniem oraz opracować stabilny protokół badawczy. Następnie planowane są wstępne badania na grupie kilkudziesięciu zdrowych osób, co pozwoli zebrać dane referencyjne dla zdrowej populacji.

– Równolegle ubiegamy się o dalsze finansowanie. Złożyliśmy już wniosek do NCN w programie Opus na badania kliniczne pacjentów chorych, m.in. z jaskrą i zespołem PEX. Efektem prac będzie unikatowa wiedza i stworzenie wysokospecjalistycznej grupy badawczej – zapowiada prof. Siedlecki.

Dalsze badania kliniczne prowadzone będą we współpracy z Centrum Wsparcia Badań Klinicznych i Medycyny Translacyjnej PWr.

mic