Сканирующая лазерная офтальмоскопия и адаптивная оптика в диагностике сетчатки

Введение

Сканирующая лазерная офтальмоскопия (SLO) – это метод обследования глаза, использующий технику конфокальной лазерной сканирующей микроскопии для диагностической визуализации сетчатки или роговицы человеческого глаза. Благодаря высокой пространственной разрешающей способности, метод полезен для диагностики глаукомы, возрастной макулярной дегенерации и других заболеваний сетчатки. Кроме того, он был усовершенствован с помощью технологии адаптивной оптики для получения более четких изображений сетчатки.

Сканирующая лазерная офтальмоскопия

SLO использует горизонтальные и вертикальные сканирующие зеркала для сканирования определенного участка сетчатки и создания растровых изображений, которые можно просматривать на телевизионном мониторе. Несмотря на возможность визуализации сетчатки в режиме реального времени, прибор испытывает трудности из-за отражений от астигматизма и роговицы глаза. Движения глаз также могут искажать данные, полученные с помощью SLO.

Лазерная офтальмоскопия с адаптивной оптикой

Лазерная офтальмоскопия с адаптивной оптикой (AOSLO) – это метод, используемый для исследования живых клеток сетчатки. Он применяет адаптивную оптику для коррекции оптических аберраций в изображениях, полученных с помощью сканирующей лазерной офтальмоскопии сетчатки.

История

Сканирующая лазерная офтальмоскопия была разработана как метод визуализации отдельных слоев живого глаза на микроскопическом уровне. Использование конфокальных методов для уменьшения постороннего света путем фокусировки детектированного света через небольшое отверстие позволило получить изображения отдельных слоев сетчатки с большей четкостью, чем когда-либо ранее. Однако применение SLO для мониторинга отдельных клеток сетчатки оказалось затруднительным из-за оптических аберраций, создаваемых тканями переднего отдела глаза (в частности, роговицей и хрусталиком). Эти аберрации (усугубляемые астигматизмом и другими факторами, влияющими на положение глаза) снижали поперечное разрешение и были трудно поддающимися коррекции. Адаптивная оптика впервые была применена к SLO в 1980-х годах. Эта первая попытка не использовала технологию детектирования волнового фронта с деформируемым зеркалом, а оценивала аберрации на основе предварительно измеренных параметров, таких как астигматизм. Однако это не устраняло небольшие монохроматические аберрации, возникающие при прохождении света через передний отдел глаза как при входе, так и при выходе из зрачка во время сканирования. Изобретение и адаптация волнового сенсора Shack–Hartmann для данного аппарата позволили получить изображения сетчатки с гораздо более высоким поперечным разрешением. Добавление микроэлектромеханических (МЭМС) зеркал вместо более крупных и дорогих систем деформируемых зеркал сделало AOSLO более доступным для широкого спектра исследований и применения у пациентов.

Процедура

Испытуемый помещается в стоматологическую модель, зафиксированную таким образом, чтобы обеспечить возможность манипулирования головой в трех измерениях. Зрачки испытуемого расширяются с помощью мидриатика для минимизации флуктуаций, вызванных аккомодацией. После достаточного расширения зрачков испытуемому предлагается зафиксировать взгляд на цели, находясь в модели. После правильного позиционирования испытуемого выполняется коррекция волнового фронта и визуализация. Лазер коллимируется, а затем отражается от полупрозрачного зеркала. Как и в конфокальной SLO, свет должен проходить через горизонтальное и вертикальное сканирующие зеркала до и после сканирования глаза для выравнивания движущегося луча и получения более быстрых изображений сетчатки. Кроме того, свет отражается от деформируемого зеркала до и после воздействия на глаз для коррекции диффузных оптических аберраций. Лазер входит в глаз через зрачок, освещая область, на которую он сфокусирован, и отраженный свет покидает глаз тем же путем. Свет, возвращающийся от зеркал, проходит через первое полупрозрачное зеркало на другое, где он одновременно направляется в фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и в матрицу датчиков волнового фронта Shack–Hartmann. Свет, направляемый в ФЭУ, фокусируется через конфокальную диафрагму для удаления света, не отраженного от интересующей плоскости, и затем регистрируется в ФЭУ. Свет, направляемый в матрицу датчиков волнового фронта, разделяется линзочками в матрице и затем регистрируется на ПЗС-камере (CCD) для обнаружения оптических аберраций. Эти аберрации затем вычитаются из изображений, зарегистрированных в ФЭУ, для значительного увеличения бокового разрешения. AOSLO также выявила значительное снижение плотности упаковки колбочек в ямке для близоруких глаз по сравнению с эметропическими глазами. Предполагается, что это различие связано с естественным снижением плотности колбочек при увеличении осевой длины глаза, характерном для близорукости. Аномалии в структуре фоторецепторов в областях, поврежденных макулярной дистрофией, также были визуализированы с помощью AOSLO. У этих пациентов была визуализирована темная область внутри макулярного поражения, а на периферии поражения были видны морфологически аномальные фоторецепторы. Кроме того, сканирование пациентов с конусной дистрофией и пигментным ретинитом (RP) показало значительные изменения плотности упаковки колбочек у этих пациентов по сравнению с пациентами с нормальной сетчаткой. Это открывает возможности для будущего использования AOSLO в отслеживании и подтверждении фенотипов у пациентов с генетическими заболеваниями. Визуализация клеток пигментного эпителия сетчатки (РПЭ) у пациентов с и без заболеваний сетчатки также стала возможной с использованием AOSLO. С потерей фоторецепторных клеток уменьшается рассеянный фоновый свет, и свет, сфокусированный на РПЭ, можно анализировать более четко. Поскольку потеря клеток РПЭ является основной патологией дегенерации желтого пятна, это предоставляет потенциальную возможность для отслеживания деградации РПЭ in vivo. Это было дополнительно подтверждено анализом аутофлуоресценции гранул липофусцина в нормальных сетчатках человека и макак-резус с помощью AOSLO. Сравнение этой флуоресценции в нормальных и пораженных сетчатках с одновременной визуализацией структуры колбочек и анализом соотношения колбочек/пигментных клеток РПЭ оказалось возможным и в будущем может позволить отслеживать повреждение сетчатки при дистрофиях сетчатки. AOSLO уже использовалась у макак-резус для отслеживания светового повреждения макулы при определенных длинах волн. Кроме того, AOSLO обеспечивает более высокую точность отслеживания глаз, чем другие методы. Из-за короткого времени сканирования, необходимого при AOSLO, движение глаз само по себе является препятствием для получения изображений сетчатки. Вычислительные корректировки и моделирование позволили скорректировать аберрации, вызванные движением глаз между кадрами. Однако, отслеживая эти аберрации на основе изменений сетчатки между изображениями, можно отслеживать влияние света на индивидуальную ориентацию колбочек. Исследования с использованием визуального стимула и отслеживания глаз AOSLO предоставили данные о том, как сетчатка отслеживает движение на микроскопическом уровне.

The subject is placed in a dental impression mount fixed in a way to make it possible to manipulate the head in three dimensions. The subject's pupils are dilated using a dilating agent to minimize fluctuations from accommodation. After the eyes are sufficiently dilated, the subject is told to fixate on a target while in the mount. Once the subject is properly placed, wavefront correction and imaging takes place. A laser is collimated and then reflected off of a beam splitting mirror. As in confocal SLO, light must pass through both a horizontal and a vertical scanning mirror before and after the eye is scanned to align the moving beam for eventual retinal faster images of the retina. Additionally, the light is reflected off of a deformable mirror before and after exposure to the eye to diffuse optical aberrations. The laser enters the eye through the pupil to illuminate the region it has been focused onto and light reflected back leaves the same way. Light returning from the mirrors passes through the first beam splitter onto another beam splitter where it is directed simultaneously toward a photomultiplier tube (PMT) and toward a Shack–Hartmann wavefront sensor array. The light going toward the photomultiplier is focused through a confocal microscopy pinhole to remove light not reflecting off of the plane of interest and then recorded in the PMT. Light directed to the wavefront sensor array is split up by the lenslets in the array and then recorded onto a charge coupled device (CCD) camera for detection of optical aberrations. These aberrations are then subtracted from the images recorded in the PMT to vastly increase lateral resolution. AOSLO has also revealed significant decreases in foveal cone packing density for myopic eyes in comparison to emmetriopic eyes. This difference has been hypothesized to originate from a natural decrease in cone density with the increase in eye axial length associated with myopia. Abnormalities in photoreceptor structure in regions damaged by macular dystrophy have additionally been imaged by AOSLO. In these subjects, a dark area has been visualized within the macular lesion and morphologically abnormal photoreceptors have been visible on the lesion perimeter. Furthermore, scanning of subjects with cone dystrophy and retinitis pigmentosa (RP) has shown significant changes in cone packing density for these subjects compared to those with normal retinas. This presents a possible future use of AOSLO in phenotype tracking and confirmation for subjects with diseased genotypes. The imaging of retinal pigment epithelium (RPE) cells in patients with and without retinal disease has also proved possible with the use of AOSLO. With the loss of photoreceptor cells, background scattered light decreases and the light focused on the RPE can be analyzed more clearly. As the loss of RPE cells represents the primary pathology of macular degeneration, this provides a possible future avenue for tracking RPE degradation in vivo. This has been further proved with the analysis of lipofuscin granule autofluoresence in normal human and rhesus macaque retinas by AOSLO. Comparison of this fluorescence in normal and diseased retinas with simultaneous imaging of cone structure and cone/retinal pigment cell ratio analysis has been shown to be possible and in the future may allow for the tracking of retinal damage from retinal dystrophies. AOSLO has already been used in rhesus macaques to track light damage to the macula from particular wavelengths. Additionally, AOSLO provides a greater degree of accuracy for eye tracking than possible before with other techniques. Because of the short scan time involved in AOSLO, eye motion itself represents an obstacle to taking images of the retina. Computational adjustments and modeling have been able to correct for aberrations caused by eye motion between frames. However, by tracking these aberrations based on changes to the retina between pictures, the effect of light on the individual orientation of the cone can be tracked. Research utilizing a visual stimulus and AOSLO eye tracking have yielded data on how the retina tracks movement at the microscopic level.

Сравнение с диссекцией сетчатки и другими методами визуализации

AOSLO представляет собой выгодную альтернативу диссекции сетчатки по ряду причин. Анализ плотности упаковки колбочек до появления AOSLO был возможен только на энуклеированных глазах из банков донорских тканей. Поскольку этот метод не позволял измерять изменения колбочек в живом глазу, он не мог использоваться для отслеживания изменений сетчатки во времени или при движениях глаз. Использование живых испытуемых позволяет AOSLO проводить эти измерения, а также более эффективно контролировать возраст и другие вмешивающиеся факторы, сохраняя при этом сопоставимые анатомические результаты для плотности упаковки колбочек. Оптическая когерентная томография (ОКТ) является мощным клиническим инструментом для мониторинга физиологии сетчатки у пациентов. ОКТ использует низкокогерентную интерферометрию для дифференциации тканей внутри глаза и создания неинвазивного поперечного сечения сетчатки живого пациента. Фактически, осевое разрешение ОКТ выше, чем у AOSLO. Однако AOSLO обеспечивает гораздо более высокое трансляционное разрешение, чем ОКТ, и поэтому может использоваться для отслеживания незначительных латеральных физических изменений, таких как влияние движений глаз на сетчатку. Недавно была предпринята попытка объединить AOSLO и ОКТ в одном устройстве для получения первых трехмерных изображений отдельных колбочек и визуализации общей мозаики колбочек вблизи ямки с высокой скоростью.