optical biomedical imaging group nicolaus copernicus
TRANSCRIPT
Optical Biomedical Imaging Group
Nicolaus Copernicus UniversityTorun, POLAND
Obrazowanie biomedyczne z wykorzystaniem interferometrii światła częściowo spójnego
Maciej Wojtkowski
Andrzej Kowalczyk Maciej Szkulmowski
Monika FojtMaciej NowakowskiKatarzyna Komar
Dawid BoryckiIrek GrulkowskiKarol Karnowski
Patryk StremplewskiDanuta BukowskaSzymon Tamborski
Daniel SzlagDaniel RumińskiPaweł Ossowski
Sylwia MaliszewskaBartosz PałuckiHong Chu Lyu
Krzysztof MaliszewskiKrzysztof SzulżyckiMarta Motoczyńska
Andrzej Kowalczyk Maciej Szkulmowski
Monika FojtMaciej NowakowskiKatarzyna Komar
Dawid BoryckiIrek GrulkowskiKarol Karnowski
Patryk StremplewskiDanuta BukowskaSzymon Tamborski
Daniel SzlagDaniel RumińskiPaweł Ossowski
Sylwia MaliszewskaBartosz PałuckiHong Chu Lyu
Krzysztof MaliszewskiKrzysztof SzulżyckiMarta Motoczyńska
Instytut Fizyki UMKIwona Gorczyńska
Piotr TargowskiMarcin SylwestrzakEwa Kwiatkowska
Grupa Optycznego Obrazowania BiomedycznegoOBIG – Optical Biomedical Imaging Group
Collegium MedicumBartłomiej KałużnyBartosz Sikorski
NCU Collaborators
OBIG - Współpraca
Finansowanie badań
Biopsja optyczna
• Obrazowanie na poziomie molekularnym (białkowym)
• Obserwacja dynamiki wirusów i bakterii
•Wysokorozdzielcze obrazowanie przyżyciowe w czasie rzeczywistym oparte na własnym mechanizmie kontrastującym (rozdzielczość komórkowa dla znacznych objętości)
Optyka w biologii i medycynie - wyzwania
Czujniki biologiczne (Biochips)
• POCT Devices (Optofluidic Lab on a Chip)
• Wyspecjalizowane próbniki nanocząsteczkowe
• Cytometria przepływowa in vivo (Raman)
• Osobisty monitoring stanu zdrowia
• Szybkie czytniki macierzowe do genomiki
Diagnostyka kliniczna/ terapie
• Farmakokinetyka w czasie rzeczywistym
• Biodozymetry (promieniowanie,
ekspozycja na wirusy, bakterie)
• monitoring po terapiach
• diagnostyka POCT
• Obrazowo sterowana mikro/nano chirurgia
• Nieinwazyjne terapie nowotworów
• Monitorowanie i identyfikacja komórek
macierzystych
• Zdalne nano-klinikiPOCT –point-of-care testing
Cel aktywności badawczej zespołu
Prowadzenie wysokiej jakości badań naukowych i stosowanych oraz prac wdrożeniowych w dziedzinie
obrazowania biomedycznego
Tematyka prac:
‐ Strukturalne i czynnościowe obrazowanie oka‐ Rozwój nowych optycznych technik mikroskopowych‐ Optyczne czynnościowe badania neuronalne‐ Propagacja światła w ośrodkach rozpraszających‐ Rozwój nowych metod analizy danych
Wsparcie dla prowadzenia dydaktyki na wysokim poziomie dla różnych specjalności włączając: fizykę doświadczalną, fizykę medyczną, fizykę techniczną oraz zastosowania informatyki.
Obrazowanie optyczne oka ludzkiegoKamera Scheimpfluga
Biomikroskop
Komórki nabłonka rogówki
Zdjęcie dna oka
Skaningowy Laserowy Oftalmoskop - SLO
Cone mosaic
Adaptive optics +SLO
Roorda et al.,IOVS, May 2007, Vol. 48, No. 5
RPE pattern
Alf Dubra et al. Biomedical Optics Express, Vol. 2, Issue 7, pp. 1864‐1876 (2011)
High DefinitionDigital Fundus Imaging
Rod ImagingAdaptive optics +SLO+autofluorescence
Obrazowanie tkanek - fundamentalny problem
Rekonstrukcja przestrzennej struktury obiektu (wyrażonej przez rozkład współczynnika załamania) poprzez
pomiar rozproszonego pola elektromagnetycznego
),(),()( )(22 rkSkrEk r
),(),()(),( )()( krEkrErFrkS rp
)1)(()( 22 rnkrF
Równanie falowe ze źródłami
),()(),()( )(22 krErFkrEk r
scattering potential:
Wtórne źródła promieniowania e‐m
)(),()( ')3('22 rrrrgk
),( 'rrg Funkcje Greena
Szczególne rozwiązanie na pole rozproszone
''
)'exp(),'(),'(),'(
41),( 3)()()( rd
rrrrik
krEkrEkrFkrEV
rpr
''
)'exp(),'(),'(
41),( 3)()( rd
rrrrik
krEkrFkrEV
pr
1st order Born approximation
Uogólniona Fourierowska Teorii Dyfrakcji
)'(exp4
),( ')(
)( rFFTkrir
AKrE rKp
r
Transformacja Fouriera)()( sp kkK
Dla przypadku oświetlenia obiektu falą płaskąpole rozproszone i potencjał rozpraszający
związane są transformacją Fourieraodwzorowując się w przestrzeni odwrotnej (Kx, Ky) wzdłuż okręgu.
UogólnionaFourierowskaTeorii Dyfrakcji
)'(exp4
),( ')(
)( rFFTkrir
AKrE rKp
r
)()( sp kkK
Dla przypadku oświetlenia obiektu falą płaskąpole rozproszone i potencjał rozpraszający
związane są transformacją Fourieraodwzorowując się w przestrzeni odwrotnej (Kx, Ky) wzdłuż okręgu.
KdeKrEr
eArF rKi
K
rikrp 3)(
1)(
),(4
)(
Ograniczenie dyfrakcyjne
Podstawowa Sfera Ewalda 0Ograniczająca Sfera Ewalda L
Δ2
, Δ2
, Δ2
24
Częstości przestrzenne potencjału rozpraszającego
Δ 2Fundamentalne ograniczenieRozdzielczości przestrzennej
diffraction limit
Standardowe układy obrazujące
M. G.L. Gustafsson, L. Shao, Peter M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Zacheus Cande, D. A. Agard, J. W. Sedat, Three-Dimensional Resolution Doubling in Wide-Field Fluorescence Microscopy by Structured Illumination, Biophysical Journal, Volume 94, Issue 12, 15 June 2008, Pages 4957-4970 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0006349508703606)
Δ 2 . .
Rekonstrukcja obrazowa – sposoby eksperymentalne
Formowanie obrazu Metody skaningowe
Detection: analogue/digital camera Storage: photo, film, digitalApplication: biomicroscopy, regular microscopy, endoscopy , fundus photography, X-ray, fluorescence imaging, etc
Detection: one pixel detectors, spectrometersStorage: digitalApplication: confocalmicroscopy, confocal micro -endoscopy , SLO, fluorescence imaging, etc
Detection: array of detectors,Storage: digitalApplication: CT, PET, SPECT, Photoacustic imaging, Structured Ilumination, etc
Rekonstrukcja tomograficzna
Rejestracja światła monochromatycznego odbitego (rozproszonego) wstecznie
)()}(exp{4
)()( ,0
)()( zFTkziBkAkE kz
pr
)(z Funkcja odzwierciedlająca specyficzne własności optyczne próbki (zmiana n, fluorescencja etc)
Konfiguracja mikroskopii konfokalnej
Standardowa mikroskopia
Dzielnik wiązki
Obiektyw
Oświetlenie
Okular
EPI‐Illumination
Próbka
Mikroskop konfokalny
Obiektyw
Laser
Przesłona
PMT
Uogólniona Fourierowska Teorii Dyfrakcji
)'(exp4
),( ')(
)( rFFTkrir
AKrE rKp
r
Transformacja Fouriera)()( sp kkK
Dla przypadku oświetlenia obiektu falą płaskąpole rozproszone i potencjał rozpraszający
związane są transformacją Fourieraodwzorowując się w przestrzeni odwrotnej (Kx, Ky) wzdłuż okręgu.
2
0
2)( )}({)()( rFFTIkEkI rKr
Detekcja ‐
)}({)]()([)}({ 0*
0 rFACFIrFrFIkIIFT zk
ACF – Autocorrelation function
Pomiar Intensywności światła
)'(exp4
),( ')(
)( rFFTkrir
AKrE rKp
r
)}({)()}({ 0 zACFzIkIIFT zk
ACF nie pozwala na rozwiązanie problemu odwrotnego
Funkcja obiektu (z’) może być odtworzona gdy dodamy dodatkowe pole odniesienia (Interferometry, Holography):
)()()( 00)( zzFTkEkE kzrefr
ref
)}({)()( 0)( zFTkEkE kzobr
ob
zdzikzkIkI
zdzikzkIkI
zzFTkIkIkEkI
refob
refob
kzobrefrcalk
)(exp)()()(
)(exp)()()(
)}()({)()()()(
00
00
00
2)(
Rekonstrukcje holograficzna
Hilbert phase microscope
G. Popescu, Quantitative Phase Imaging of Nanoscale Cell Structure and Dynamics, Methods in Cell Biology 90(5), (2008), 87‐115,
Digital Holographic microscopy
)()}(exp{4
)()( ,0
)()( zFTkziBkAkE kz
pr
Mikroskopia konfokalna na świetle polichromatycznym
Przypadek klasycznego mikroskopu
Rozdzielczość wzdłuż propagacji wiązki
11.5µm
1.5µm
Delay (µm)-12 +12-4 -8-8 -4 0
0
0.5
1Ti:Sapphire260 nm
SLD32 nm
20
20 44.02ln2z
Widmo Rozdzielczosć z
LASEROWA SKANINGOWA MIKROSKOPIA KONFOKALNA
INTERFEROMETRIA ŚWIATŁA CZĘŚCIOWO SPÓJNEGO
OPTICALCOHERENCETOMOGRAPHY
)2(cos2 2121 IIIII variable variable
Time domain Optical Coherence Tomography:
Fourier domain OpticalCoherence Tomography:
– optical path delay optical frequency
Immobilereferencemirror
Konfiguracja doświadczalna
1 mm
Zastosowanie OCT
Głębokość obrazowania (log)
Rozdzieczość
(log)
100 µm 1 cm 10 cm
1 µm
10 µm
100 µm
1 mm
SKANINGOWAMIKROSKOPIA
USGMRI
TOMOGRAFIAKOMPUTEROWA
TOMOGRAFIA OPTYCZNA OCT(OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY/MICROSCOPY)
Obrazowanie z wykorzystaniem spójności światłaTomografia OCT
Obrazowanie bez plamek – rogówka in-vivo
d.d.
Endothelium
b. b. Endothelium
c. c.Epithelium & Bowman’s Layer
a.a. Epithelium
& Bowman’s Layer
Standard tomogramA‐scans: 16,000Averaging: 16Tomo. lines: 1000Acq. time: 80 ms
Segmented tomogramSegments: 1000Averaging: 1Tomo. lines: 1000Acq. time: 250 ms
Segmented tomogramSegments: 1000Averaging: 16Tomo. lines: 1000Acq. time: 250 ms
Epithelium
Capsule
Segment averaging
Standard averaging
Obrazowanie bez plamek – soczewka in-vivo
Obrazowanie w klinice okulistycznejSystem performance:Axial resolution: 3.5umTransverse resolution: 15um;Line rate: 23kHz
Retinal detachment
Macular hole
Age related Macular DegenerationPhotoreceptor Atrophy Vitroretinal traction
Central Serous Retinopathy
Badania kliniczne – druzy zlewne w AMD
M. Wojtkowski, B. L. Sikorski, I. Gorczynska, M. Gora, M. Szkulmowski, D. Bukowska, J. Kałuzny, J. G. Fujimoto, A. Kowalczyk, Optics Express, 17(5) , 4189 – 4207, 2009
M. Wojtkowski, B. L. Sikorski, I. Gorczynska, M. Gora, M. Szkulmowski, D. Bukowska, J. Kałuzny, J. G. Fujimoto, A. Kowalczyk, Optics Express, 17(5) , 4189 – 4207, 2009
Badania kliniczne – druzy zlewne w AMD - progres
B. L. Sikorski, D. Bukowska, J.J. Kaluzny, M. Szkulmowski, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski „Drusen with Accompanying Fluidunderneath the Sensory Retina”, Ophthalmology, jan 2011
Badania kliniczne - druzy w zwyrodnieniu plamki
Obrazowanie Komory przedniej oka
Large scan area
High resolution
Huge amount of data
+
5 mm
15 m
m 200 kH
z!!!
4096 pixels
750 pixels
M. Gora et al. Optics Express 17(17), 14880-14894, 2009, I. Grulkowski et al..Opt Express, 17 (6), 4842-4858, 2009.
S. Ortiz et al. Biomed. Opt. Express 2, 3232-3247 (2011) , S. Ortiz et al., Opt Express, 18 (3), 2782-2796, 2010.
K. Karnowski et al., Biomedical Opt Express, 2 (9), 2709-2720, 2011
Obrazowanie komory przedniej oka
Analiza ilościowa morfologii rogówkiFdMLlaser
200 kH
z
M. Gora, K. Karnowski, M. Szkulmowski, B. J. Kaluzny, R. Huber, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski, Optics Express 17(17), 14880‐14894, 2009
Przykład patologii - stożek rogówki
M. Gora, K. Karnowski, M. Szkulmowski, B. J. Kaluzny, R. Huber, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski, Optics Express 17(17), 14880-14894, 2009
FdMLlaser 2
00 kHz
FdMLlaser
200 kH
z
M. Gora, K. Karnowski, M. Szkulmowski, B. J. Kaluzny, R. Huber, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski, Optics Express 17(17), 14880‐14894, 2009
Przykład patologii - stożek rogówki
Przeszczep rogówki
K. Karnowski, B. J. Kaluzny, M. Szkulmowski, M. Gora, and M. Wojtkowski, Biomedical Opt Express, 2 (9), 2709-2720, 2011
Corneal Topography Placido Tomography Scheimpflug camera SS‐OCT
Keratoplasty
Anterior surfaceK1 (ax)K2 (ax)
38.38 D (165°)43.88 D (80°)
9.64 mm 35.0 D (146.5°)7.98 mm 42.3 D (56.5°)
9.44 mm 45.8 D (146°)6.82 mm 49.5 D (56°)
Posterior surfaceK1 (ax)K2 (ax)
N.A.
8.39 mm -4.8 D (146.5°)5.73 mm -7.0 (56.5°)
7.03 mm -5.7 D (154.0°)5.29 mm -7.6 D (64.0°)
Pachymetrymin. thickness
519 µm 572 µm
Obrazowanie z dużą szybkością
200 000 lines/sec.
10x faster than SOCT
1000 x fasterthan TdOCT !!!
Duży format Obrazowanie 4‐D Wysoka jakość obrazów
Informacja ilościowa Dynamika oka Choroby oka
Dynamic imaging of Anterior Segment
D. Caneiro at al. OPTICS EXPRESS Vol. 19, No. 15 (2011) B. Kaluzny et al. Opt. and Vis. Science, Vol. 84, No. 12, 2007
Wizualizacja naczyń krwionośnych siatkówki
• Podstawowa morfologia naczyń krwionośnych
• Intuicyjna wizualizacja
• Zwiększony kontrast naczyń
• Obserwacja zmian czasowych
Fotografia dna oka Angiografia fluoresceinowa
ICG/SLO Angiography
M. Szkulmowski, et al, Opt. Express, 16( 9), 6008, 08
Obrazowanie Dopplerowskie w OCT
‐15,2 0 +15,2 Axial velocity [mm/s]
2D cross‐sectional velocity map
Velocity
Axialvelocity
[mm/s]
+15,2
‐15,2
0
+15,2
‐15,2
0
Axialvelocity
[mm/s]
Transversal direction
Axialdire
ction
M. Szkulmowski, et al, Opt. Express, 16( 9), 6008, 2008
Obrazowanie Dopplerowskie w OCT
I. Grulkowski, I. Gorczynska, M. Szkulmowski, D. Szlag, A. Szkulmowska, R. A. Leitgeb, A. Kowalczyk, and M. Wojtkowski, Optics Express Vol. 17 (26), 23736–23754, 2009
Obrazowanie układu mikrokapilarnego siatkówki
0.6mm
0.8m
m
After 8 minutes
0
0.6mm/s
‐0.6
Obrazowanie układu mikrokapilarnego siatkówki
Iwona Gorczyńska et al. ARVO/ISIE’12
5
6 7 8 9 10 11 200μm
0
0.6mm/s
‐0.6t=1.650s t=1.925s t=2.200s t=2.475s t=2.750s T=3.025s
Indepth position [μm]Indepth position [μm]
Axial velocity
[mm/s]
Axial velocity
[mm/s]
c
Iwona Gorczyńska et al. ARVO/ISIE’12
Obrazowanie układu mikrokapilarnego siatkówki
x
y
x
y
x
y
x
y
GCLIPLOPL
x
z
GCL IPL OPL
a) b) c)
d) e) f)
Intensity fluctuation analysis – flow visualization512 A‐scans x 1024 B‐scans
Scanning area (x,y): 3mm x 2mm
Charcterization of blood samples
Full blood Low value of hematocrit
Erythrocytes Blood plasma
Doppler image Doppler image
Doppler imageDoppler image
zx
Opto-microfluidics of blood
Piotr Garstecki
Functional retinal imaging – reflectivity change
V. J. Srinivasan, M. Wojtkowski, J. G. Fujimoto, J. S. Duker „In vivo measurement of retinal physiology withhigh-speed ultrahigh-resolution optical coherence tomography„ OPTICS LETTERS Vol. 31, No. 15 , 2006, 2308-2310
Optophysiology
K. Bizheva, R. Pflug, B. Hermann, B. Povazay, H. Sattmann, P. Qiu, E. Anger, H. Reitsamer, S. Popov, J. R. Taylor, A. Unterhuber, P. Ahnelt, and W. Drexler, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 5066 (2006).
OCT In vivo
OCT In vitroK. Tsunoda, Y. Oguchi, G. Hanazono, and M. Tanifuji, Invest. Ophthalmol. Visual Sci. 45, 3820 (2004).Retinal reflectometry
Functional retinal imaging – reflectivity change
V. J. Srinivasan, M. Wojtkowski, J. G. Fujimoto, J. S. Duker „In vivo measurement of retinal physiology withhigh-speed ultrahigh-resolution optical coherence tomography„ OPTICS LETTERS Vol. 31, No. 15 , 2006, 2308-2310
Optophysiology
Reflektometria OCT
B. L. Sikorski, M. Wojtkowski, J. J. Kaluzny, M. Szkulmowski, A. Kowalczyk, Brit J Ophthalmol 92, 1552-1557, 2008
Multievanescent white dots syndrom MEWDSSyndrom zanikających białych plamek
Dystrofia fotoreceptorów
MP-1 – Microperymeter (Nidek/Japan)
Reflektometria OCT
Autofluorescencja siatkówki
Delori, et al.
JM‐2‐58_c (fluor./brightfield)
Mod. laser: λ= 808 nmmod freq. ~1 Hzmax. power: 10 W/cm2 ?Recording: 5.3 fps
Fluorescence (FITC channel) FD image; 12% mod.power FD image; 50% mod. power
Fourier‐domain images at different modulation
powers:
Qingshan Wei, Jon Mehtala
N
OH
CF CO
A2E
Optical Modulation of Fluorescence Emission from A2E/xlinked‐BSA (Sample_c)
Czuła detekcja autofluorescencji siatkówki
0,0 1,0x10-5 2,0x10-5 3,0x10-5
0,0
5,0x10-5
1,0x10-4
1,5x10-4
2,0x10-4
2,5x10-4
I [a.
u.]
czas [s]
0,0 1,0x10-5 2,0x10-5 3,0x10-5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
lock
-in A
czas [s]
Lock‐in A
Filtr dolnoprzepustowy
Lock‐in B
Stały sygnał, proporcjonalny do wielkości powolnych zmian amplitudy luminescencjizachodzących pod wpływem wiązki modulującej.
Wyniki wstępne
Poprawa czułości rejestracji sygnału autofluorescencji
Neodeterminizm a propagacja światła w tkance
Invited Speakers:
Krzysztof PalczewskiDepartment of Pharmacology, Case Western Reserve University
David SampsonSchool of Electrical, Electronic & Computer Engineering, University of Western Australia
Susana MarcosConsejo Superior de Investigaciones Científicas in Madrid, Spain
Michalina GoraMassachusetts General Hospital & Harvard Medical School, USA
Workshops:I. Translational research - from idea to the
device.II. The myth of talent and reality of being an
expert.
REGISTRATION:
31st May, 2013
NO FEE !!! WE COVER BREAKFASTS, LUNCHES, SOCIAL EVENTS
Grupa Optycznego Obrazowania Biomedycznego
Insituto de Optica „Daza de Valdés” Madrit, Spain: Susana Marcos
Instytut Chemii Fizycznej PAN: P. Garstecki
Center of Biomedical Technology and Physics, Medical University of Vienna, Austria: A.F. Fercher, R. Leitgeb
Institute of Physics, Ludwig MaximiliansUniversity Munich, Germany: Robert Huber
Department of Ophthalmology and Vision Science University of California, Davis: Robert J. Zawadzki, J.S. Werner
European Young Investigator Award (EURYI)
Andrzej Kowalczyk Maciej Szkulmowski
Monika FojtMaciej NowakowskiKatarzyna Komar
Dawid BoryckiIrek GrulkowskiKarol Karnowski
Patryk StremplewskiDanuta BukowskaSzymon Tamborski
Daniel SzlagDaniel Rumiński
Instytut Biologii Doświadczalnej PAN: Grzegorz Wilczyński, Jakub Włodarczyk
CENTER OFQUANTUM
OPTICS
Laboratoire d’Optique Biomédicale Ecole Polytechnique Fédérale à Lausanne: Theo Lasser
Sylwia MaliszewskaBartosz PałuckiHong Chu Lyu
Krzysztof MaliszewskiKrzysztof SzulżyckiMarta Motoczyńska
Instytut Fizyki UMKIwona Gorczyńska
Piotr TargowskiMarcin SylwestrzakEwa Kwiatkowska
Collegium MedicumBartłomiej KałużnyBartosz Sikorski