V tomto rozhovoru se odborník na průmysl Dr. Yifan Jian diskutuje o pokroku v optické koherenční tomografii Ultrawide-Field (OCT), výzvách při zobrazování sítnice, roli AI v biofotonice a budoucnosti vysokorychlostního ovzduchového zobrazování s vysokým rozlišením.
Můžete nám říct o své profesní dráze a co vás vedlo ke specializaci na biofotoniku a optickou koherenční tomografii (OCT)?
Svou akademickou cestu jsem zahájil v Číně, kde jsem dokončil vysokoškolský titul v optice v Šanghaji. Poté jsem se přestěhoval do kanadského Vancouveru pro své PhD, kde jsem se specializoval na biofotoniku. Tehdy jsem byl poprvé představen OCT, jeho aplikace v zobrazování očí a adaptivní optiku. Můj nadřízený byl jedním z prvních vědců v OCT, takže jsem měl příležitost pracovat s různými OCT a zobrazovacími systémy určenými pro přední a zadní segmenty očí.
Po dokončení mého PhD v roce 2014 jsem zůstal ve Vancouveru několik let, než jsem byl přijat Dr. Davidem Huangem-jedním ze spolupracovníků OCT-na Oregonské zdravotnické a vědecké univerzitě (OHSU). Připojil jsem se k fakultě, abych tam pokračoval v rozvoji OCT a dalších systémů zobrazování očí. Moje kariéra zůstala zakořeněna v akademické obci a zaměřila se zcela na rozvoj výzkumu v této oblasti.
Jak se tato pole vyvinula od začátku výzkumu?
OCT měl vždy silné překladatelské zaměření. Od svého vynálezu a včasného patentu byl rychle komercializován, což vedlo k mnoha společnostem, které vyráběly a nasazují OCT systémy po celém světě. Dnes je OCT jedním z nejdůležitějších diagnostických nástrojů v oftalmologii, zejména u onemocnění sítnice. Jeho vzestup se shodoval s vývojem nových léčebných postupů za podmínky sítnice, jako je anti-VEGF terapie. Umožňuje lékařům přesně určit, kdy zahájit tyto vysoce účinné ošetření.
Z technologického hlediska byl jedním z klíčových pokroků dramatický nárůst rychlosti OCT. První systémy by mohly zachytit desítky až stovky skenů za sekundu, zatímco moderní systémy pracují na milionech skenů za sekundu. Vědci také pracovali na axiálně a příčně pomocí technik, jako je adaptivní optika.
Kromě strukturálního zobrazování se objevily nové kontrastní mechanismy, jako je OCT angiografie pro vizualizaci krevních cév a optoretinografie ke studiu, jak fotoreceptory reagují na světlo. Mezi další vznikající techniky patří použití OCT k měření nasycení kyslíkem na kapilární úrovni, zejména s viditelným světlem OCT.
Když jsem se přestěhoval do OHSU, moje zaměření se posunulo na rozšíření zorného pole. Namísto přiblížení k zachycení drobných buněčných detailů jsem pracoval na zobrazování celé sítnice a poskytoval komplexní pohled na zdraví sítnice, který je kritický pro klinické aplikace.
Obrázek kredit: Dr. Jian, OHSU University
Jaké byly některé klíčové výzvy při vývoji systémů OCT ultrawide-field a jak pokročily v zobrazování složitých podmínek sítnice?
Vývoj OCT ultrawide-pole OCT přichází s několika výzvami. Prvním je doba skenování – se zvyšováním zorného pole potřebuje systém více času na skenování celé oblasti a shromažďování dat. To prodlužuje zobrazovací relace a zvyšuje pravděpodobnost artefaktů pohybu a nepohodlí pacienta. Řešením je systémy OCT s vyšší rychlostí, kterých dosáhneme pomocí pokročilé laserové technologie.
Druhou výzvou je hloubka zobrazování. Oční bulva je zakřivená, takže při rozšiřování zorného pole potřebujeme hlubší rozsah zobrazování. Systémy OCT zametaného zdroje vyžadují vysokorychlostní digitizátory a sofistikované nástroje pro zpracování dat. To řešíme pomocí GPU pro zpracování dat v reálném čase.
Třetí a největší výzvou byla optika. Potřebovali jsme vysoce kvalitní optický systém s čočkami navrženými na míru, abychom účinně nasměrovali světlo v celé sítnici. Komponenty off-the-shelf nebyly navrženy pro OCT ultrawide-pole, takže neposkytly kvalitu obrazu, kterou jsme potřebovali.
Zpočátku jsme se pokusili přizpůsobit oftalmické čočky používané v jiných zobrazovacích modalitách, ale nebyly optimalizovány pro OCT, takže jim chyběla nezbytná optická kvalita a výkon pro naše ultralehké zobrazovací cíle.
Jak začala vaše spolupráce s Avantierem a co vás přitahovalo k práci s nimi?
Když jsme si uvědomili, že stávající oftalmické čočky nejsou pro OCT ultrawide-pole nedostatečné, věděli jsme, že musíme navrhnout a vyrobit naše Vlastní optika. To vyžadovalo hluboký ponor do optického softwaru pro návrh a simulaci pro vývoj vysoce výkonných systémů objektivu.
Když jsme začali hledat výrobního partnera, Avantier vystupoval svou schopností produkovat vysoce kvalitní optiku a přitom zůstal nákladově efektivní. Ve srovnání s jinými společnostmi nabídl Avantier rozumný a cenově dostupný přístup, který byl pro nás zásadní, když jsme se poprvé pustili do designu zakázky.
Výsledky byly vynikající-naše systémy nyní poskytují vysoce kvalitní obrazy ultrawide-pole, které se používají na klinikách pro podmínky, jako je diabetická retinopatie a v novorozeneckých jednotkách intenzivní péče, aby prověřovaly předčasné kojence pro retinopatii předčasné narození.
Tato spolupráce nám umožnila posunout hranice OCT ultrawide-pole, což zajišťuje, že naše systémy dosáhnou nejvyššího možného výkonu jak pro výzkum, tak pro klinické aplikace.
Ukázkový obrázek okuláru. Obrázek kredit: Avantier
Mohli byste diskutovat o významu systémů OCT ultrawide-pole při zobrazování sítnice a nedávném vývoji z vaší laboratoře v této oblasti?
Naše systémy OCT ultrawide-pole významně rozšířily rozsah zobrazování sítnice. Konfigurace kapesních a stolních počítačů umožňují komplexní analýzu předních a zadních segmentů oka, které mají důležité aplikace za podmínek, jako je diabetická retinopatie nebo makulární degenerace související s věkem.
Jedním z největších pokroků v mé laboratoři byl vyvinutí systému, který dokáže zachytit téměř úplnou 3D rekonstrukci celé oční bulvy při jediném skenování. Tato technologie je obzvláště cenná pro řízení krátkozrakosti, což nám umožňuje sledovat, jak se mění tvar očí.
Používáme také ultrawide-pole OCT v oční onkologii, abychom přesně měřili nádory uvnitř oka. Tradiční zobrazovací metody, jako je MRI nebo ultrazvuk, postrádají nutné rozlišení, zatímco OCT poskytuje vysoce podrobné strukturální informace.
Dalším velkým zaměřením bylo zvýšení rychlosti zobrazování. Vyvinuli jsme nové systémy, které namísto skenování jednotlivých skvrn promítá celé linie světla. To nám umožňuje získat obrázky paralelně a výrazně zrychlit proces. Zkoumáme také různé schémata osvětlení pro zlepšení tkáňového kontrastu a odhalujeme vrstvy sítnice, které byly dříve obtížné rozlišit.
Jaký pokrok předvídáte AI, která přináší biofotoniku?
AI má potenciál transformovat zobrazování sítnice. Jednou slibnou aplikací je použití AI k analýze OCT skenů na známky systémových zdravotních stavů, jako je kardiovaskulární onemocnění, Alzheimerovy choroby a další neurologické poruchy.
Sítnice poskytuje jedinečné okno do celkového zdraví – algoritmy AI mohou extrahovat jemné biomarkery z OCT obrazů, které jsou pro lidské pozorovatele obtížné detekovat, což by mohlo masivně zlepšit diagnostické schopnosti.
Abychom to však dosáhli plného potenciálu, potřebujeme rozsáhlý přístup k dostupným OCT systémům. Pokud by levné zařízení byla dostupná na místech, jako jsou lékárny nebo optické maloobchodní prodejny, může se screening OCT poháněného AI stát rutinní součástí zdravotní péče, což bude včasné detekce nemocí mnohem přístupnější.
Obrázek kredit: zobrazení obrázků/shutterstock.com
Existují mezi vašimi četnými publikacemi nějaké konkrétní studie nebo zjištění, které pro vás významně ovlivnily váš pole nebo mají osobní význam?
Jednou z mých nejranějších a nejvlivnějších děl bylo na zpracování obrázků OCT-z akcelerovaného GPU. OCT generuje obrovské množství dat a jeho zpracování v reálném čase je zásadní, zejména u aplikací, jako je novorozenecké zobrazování, kde kojenci dlouho nezůstanou. Tradiční CPU nebyly dostatečně rychlé, takže jsme vyvinuli systém, který používá GPU – konkrétně grafické karty NVIDIA -, aby tento proces dramaticky urychlil.
Tato schopnost zpracování obrazu v reálném čase se změnila způsob, jakým používáme OCT. Umožňuje klinickým lékařům okamžitě vidět průřezové a 3D sítnice při skenování, což poskytuje okamžitou zpětnou vazbu pro diagnózu. Software, který jsme vyvinuli před deseti lety, je stále široce používán ve výzkumných laboratořích po celém světě.
Můj výzkum adaptivní optiky pro zobrazování s vysokým rozlišením byl dalším významným příspěvkem. Vyvinuli jsme systém, který se nespoléhá na senzory Wavefront, ale místo toho iterativně optimalizuje kvalitu obrazu. Tato technika byla úspěšně aplikována na zobrazování malých zvířat.
Moje práce na retinopatii předčasnosti byla v poslední době zvláště smysluplná. Pomocí ručního OCT ultrawide-pole jsme předefinovali diagnostická kritéria nemoci a identifikovali nové biomarkery, které byly dříve nedetekovatelné s konvenčním zobrazováním-to by mohlo zlepšit včasnou diagnózu a léčbu.
Obrázek kredit: Dr. Jian, OHSU University
Jaká je vaše vize pro budoucnost OCT a dalších zobrazovacích technologií v příštích 5–10 letech?
Rychlost vidím jako definující faktor v budoucnosti OCT. Současné komerční systémy jsou stále relativně pomalé ve srovnání s zařízeními pro výzkum. Vyšší rychlostní OCT umožní větší zobrazování z pohledu a funkční hodnocení, jako je optoretinografie, která může vyhodnotit funkci fotoreceptoru v reálném čase.
Ve výzkumu budeme i nadále prosazovat vyšší rozlišení a lepší kontrastní mechanismy, jako je mapování saturace kyslíkem. Promyšlený optický design bude rozhodující pro posunutí limitů toho, co může OCT odhalit.
Jakou radu byste dali studentům nebo vědcům z rané kariéry, kteří se zajímají o biomedicínské zobrazování?
Povzbuzuji mladé vědce, aby se zaměřili na projekty se silným translačním potenciálem. V klinickém prostředí vidíte výzvy v diagnostice a léčbě v reálném světě-naší úlohou vědců je vývoj řešení, která mohou mít skutečný dopad.
Práce na technologiích, které lze použít v časovém rámci 5–10 let, je neuvěřitelně prospěšné. Ať už v akademické půdě nebo průmyslu, upřednostňování výzkumu, který může zlepšit výsledky pacientů, je nejlepším způsobem, jak smysluplně přispět k oboru.
O Dr. Yifan Jian 
Dr. Yifan Jian je docentem na Casey Eye Institute, který se specializuje na optické zobrazování. Získal Ph.D. Z University Simon Fraser University v roce 2014 a později se připojila k Oregonské zdravotnické a vědecké univerzitě (OHSU) a postupovala v technologii OCT pro oftalmické zobrazování, včetně zpracování a adaptivní optiky v reálném čase. V současné době je jeho hlavním výzkumným zaměřením rozvíjející systémy OCT ultrawide-pole.
