Obrazowanie biomedyczne z wykorzystaniem interferometrii światła częściowo spójnego

Transkrypt

1 Obazowanie biomedyczne z wykozystaniem intefeometii światła częściowo spójnego Maciej Wojtkowski Optical Biomedical Imaging Goup Nicolaus Copenicus Univesity Toun, POLAND

2 Gupa Optycznego Obazowania Biomedycznego OBIG Optical Biomedical Imaging Goup Andzej Kowalczyk Maciej Szkulmowski Monika Fojt Maciej Nowakowski Katazyna Koma Dawid Boycki Iek Gulkowski Kaol Kanowski Patyk Stemplewski Danuta Bukowska Szymon Tamboski Daniel Szlag Daniel Rumiński Paweł Ossowski Sylwia Maliszewska Batosz Pałucki Hong Chu Lyu Kzysztof Maliszewski Kzysztof Szulżycki Mata Motoczyńska NCU Collaboatos Instytut Fizyki UMK Iwona Goczyńska Piot Tagowski Macin Sylwestzak Ewa Kwiatkowska Collegium Medicum Batłomiej Kałużny Batosz Sikoski

3 OBIG - Współpaca

4 Finansowanie badań

5 Optyka w biologii i medycynie - wyzwania Biopsja optyczna Obazowanie na poziomie molekulanym białkowym Obsewacja dynamiki wiusów i bakteii Wysokoozdzielcze obazowanie pzyżyciowe w czasie zeczywistym opate na własnym mechanizmie kontastującym ozdzielczość komókowa dla znacznych objętości Czujniki biologiczne Biochips POCT Devices Optofluidic Lab on a Chip Wyspecjalizowane póbniki nanocząsteczkowe Cytometia pzepływowa in vivo Raman Osobisty monitoing stanu zdowia Szybkie czytniki maciezowe do genomiki Diagnostyka kliniczna/ teapie Famakokinetyka w czasie zeczywistym Biodozymety pomieniowanie, ekspozycja na wiusy, bakteie monitoing po teapiach diagnostyka POCT Obazowo steowana miko/nano chiugia Nieinwazyjne teapie nowotwoów Monitoowanie i identyfikacja komóek maciezystych Zdalne nano-kliniki POCT point-of-cae testing

6 Cel aktywności badawczej zespołu Powadzenie wysokiej jakości badań naukowych i stosowanych oaz pac wdożeniowych w dziedzinie obazowania biomedycznego Tematyka pac: Stuktualne i czynnościowe obazowanie oka Rozwój nowych optycznych technik mikoskopowych Optyczne czynnościowe badania neuonalne Popagacja światła w ośodkach ozpaszających Rozwój nowych metod analizy danych Wspacie dla powadzenia dydaktyki na wysokim poziomie dla óżnych specjalności włączając: fizykę doświadczalną, fizykę medyczną, fizykę techniczną oaz zastosowania infomatyki.

7 Obazowanie optyczne oka ludzkiego Kamea Scheimpfluga Zdjęcie dna oka Biomikoskop Komóki nabłonka ogówki

8 Skaningowy Laseowy Oftalmoskop - SLO High Definition Digital Fundus Imaging Adaptive optics +SLO Cone mosaic Adaptive optics +SLO+autofluoescence Rod Imaging RPE patten Rooda et al.,iovs, May 2007, Vol. 48, No. 5 Alf Duba et al. Biomedical Optics Expess, Vol. 2, Issue 7, pp

9 Obazowanie tkanek - fundamentalny poblem Rekonstukcja pzestzennej stuktuy obiektu wyażonej pzez ozkład współczynnika załamania popzez pomia ozposzonego pola elektomagnetycznego

10 ,, 2 2 k S k E k,,, k E k E F k S p n k F Równanie falowe ze źódłami,, 2 2 k E F k E k scatteing potential: Wtóne źódła pomieniowania e m, ' 3 ' 2 2 g k, ' g Funkcje Geena

11 Szczególne ozwiązanie na pole ozposzone ' ' ' exp ', ', ', 4 1, 3 d ik k E k E k F k E V p ' ' ' exp ', ', 4 1, 3 d ik k E k F k E V p 1st ode Bon appoximation

12 Uogólniona Fouieowska Teoii Dyfakcji E, K p A 4 exp K ' i k FT F ' K k k p s Tansfomacja Fouiea Dla pzypadku oświetlenia obiektu falą płaską pole ozposzone i potencjał ozpaszający związane są tansfomacją Fouiea odwzoowując się w pzestzeni odwotnej Kx, Ky wzdłuż okęgu.

13 UogólnionaFouieowskaTeoii Dyfakcji E, K p A 4 exp K ' i k FT F ' K k k p s Dla pzypadku oświetlenia obiektu falą płaską pole ozposzone i potencjał ozpaszający związane są tansfomacją Fouiea odwzoowując się w pzestzeni odwotnej Kx, Ky wzdłuż okęgu.

14 Oganiczenie dyfakcyjne F K p A 4 e ik 1 E, K e ik d 3 K Podstawowa Sfea Ewalda 0 Oganiczająca Sfea Ewalda L Δ 2, 2 4 Częstości pzestzenne potencjału ozpaszającego Δ 2, Δ 2 Δ 2 Fundamentalne oganiczenie Rozdzielczości pzestzennej diffaction limit

15 Standadowe układy obazujące Δ 2.. M. G.L. Gustafsson, L. Shao, Pete M. Calton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Zacheus Cande, D. A. Agad, J. W. Sedat, Thee-Dimensional Resolution Doubling in Wide-Field Fluoescence Micoscopy by Stuctued Illumination, Biophysical Jounal, Volume 94, Issue 12, 15 June 2008, Pages

16 Rekonstukcja obazowa sposoby ekspeymentalne Fomowanie obazu Metody skaningowe Rekonstukcja tomogaficzna Detection: analogue/digital camea Stoage: photo, film, digital Application: biomicoscopy, egula micoscopy, endoscopy, fundus photogaphy, X-ay, fluoescence imaging, etc Detection: one pixel detectos, spectometes Stoage: digital Application: confocal micoscopy, confocal mico - endoscopy, SLO, fluoescence imaging, etc Detection: aay of detectos, Stoage: digital Application: CT, PET, SPECT, Photoacustic imaging, Stuctued Ilumination, etc

17 Konfiguacja mikoskopii konfokalnej Rejestacja światła monochomatycznego odbitego ozposzonego wstecznie E k p A k B 4 exp{ i kz z 0 } FT z, k z Funkcja odzwieciedlająca specyficzne własności optyczne póbki zmiana n, fluoescencja etc

18 Standadowa mikoskopia Oświetlenie EPI Illumination Okula Dzielnik wiązki Obiektyw Póbka

19 Mikoskop konfokalny Lase PMT Obiektyw Pzesłona

20 Uogólniona Fouieowska Teoii Dyfakcji E, K p A 4 exp K ' i k FT F ' K k k p s Tansfomacja Fouiea Dla pzypadku oświetlenia obiektu falą płaską pole ozposzone i potencjał ozpaszający związane są tansfomacją Fouiea odwzoowując się w pzestzeni odwotnej Kx, Ky wzdłuż okęgu.

21 2 0 2 } { F FT I k E k I K Detekcja } { ] [ } { 0 * 0 F ACF I F F I k I IFT z k ACF Autocoelation function Pomia Intensywności światła ' exp 4, ' F FT k i A K E K p

22 Rekonstukcje hologaficzna IFT k z { I k} I0 z ACF{ z} ACF nie pozwala na ozwiązanie poblemu odwotnego Funkcja obiektu z może być odtwozona gdy dodamy dodatkowe pole odniesienia Intefeomety, Hologaphy: E ef ef zk k E0 k FT z z0 E ob k E0 ob k FT zk { z} I k E calk k 2 I ef 0 k I ob 0 k FT zk { z z} I ob 0 k I ef 0 k zexp ik z dz I ob 0 k I ef 0 k zexp ik z dz

23 Hilbet phase micoscope Digital Hologaphic micoscopy G. Popescu, Quantitative Phase Imaging of Nanoscale Cell Stuctue and Dynamics, Methods in Cell Biology 905, 2008, ,

24 Mikoskopia konfokalna na świetle polichomatycznym E k p A k B 4 exp{ i kz 0 } FT z, k z Pzypadek klasycznego mikoskopu

25 Rozdzielczość wzdłuż popagacji wiązki z 2ln Widmo Rozdzielczosć z Ti:Sapphie 260 nm µm SLD 32 nm µm Delay µm

26 LASEROWA SKANINGOWA MIKROSKOPIA KONFOKALNA INTERFEROMETRIA ŚWIATŁA CZĘŚCIOWO SPÓJNEGO OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

27 Konfiguacja doświadczalna I I1 I 2 2 I1I 2 cos2 vaiable vaiable optical path delay optical fequency Time domain Optical Coheence Tomogaphy: Fouie domain Optical Coheence Tomogaphy: Immobile efeence mio

28 Zastosowanie OCT 1 mm USG MRI Rozdzieczość log 100 µm 10 µm 1 µm SKANINGOWA MIKROSKOPIA TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA TOMOGRAFIA OPTYCZNA OCT OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY/MICROSCOPY 100 µm 1 mm 1 cm 10 cm Głębokość obazowania log

29 Obazowanie z wykozystaniem spójności światła Tomogafia OCT

30 Obazowanie bez plamek ogówka in-vivo a. a. Epithelium & Bowman s Laye b. b. Endothelium c. Epithelium c. & Bowman s Laye d. d. Endothelium

31 Obazowanie bez plamek soczewka in-vivo Standad aveaging Standad tomogam A scans: 16,000 Aveaging: 16 Tomo. lines: 1000 Acq. time: 80 ms Segmented tomogam Segments: Aveaging: 1 Tomo. lines: 1000 Acq. time: 250 ms Capsule Epithelium Segment aveaging

32 Obazowanie w klinice okulistycznej System pefomance: Axial esolution: 3.5um Tansvese esolution: 15um; Line ate: 23kHz Cental Seous Retinopathy Retinal detachment Macula hole Age elated Macula Degeneation Photoecepto Atophy Vitoetinal taction

33 Badania kliniczne duzy zlewne w AMD M. Wojtkowski, B. L. Sikoski, I. Goczynska, M. Goa, M. Szkulmowski, D. Bukowska, J. Kałuzny, J. G. Fujimoto, A. Kowalczyk, Optics Expess, 175, , 2009

34 Badania kliniczne duzy zlewne w AMD - poges M. Wojtkowski, B. L. Sikoski, I. Goczynska, M. Goa, M. Szkulmowski, D. Bukowska, J. Kałuzny, J. G. Fujimoto, A. Kowalczyk, Optics Expess, 175, , 2009

35 Badania kliniczne - duzy w zwyodnieniu plamki B. L. Sikoski, D. Bukowska, J.J. Kaluzny, M. Szkulmowski, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski Dusen with Accompanying Fluid undeneath the Sensoy Retina, Ophthalmology, jan 2011

36 Obazowanie Komoy pzedniej oka pixels mm Lage scan aea + High esolution Huge amount of data mm pixels 200 khz!!!

37 Obazowanie komoy pzedniej oka M. Goa et al. Optics Expess 1717, , 2009, I. Gulkowski et al..opt Expess, 17 6, , S. Otiz et al. Biomed. Opt. Expess 2, , S. Otiz et al., Opt Expess, 18 3, , K. Kanowski et al., Biomedical Opt Expess, 2 9, , 2011

38 Analiza ilościowa mofologii ogówki FdML lase 200 khz M. Goa, K. Kanowski, M. Szkulmowski, B. J. Kaluzny, R. Hube, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski, Optics Expess 1717, , 2009

39 Pzykład patologii - stożek ogówki FdML lase 200 khz M. Goa, K. Kanowski, M. Szkulmowski, B. J. Kaluzny, R. Hube, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski, Optics Expess 1717, , 2009

40 Pzykład patologii - stożek ogówki FdML lase 200 khz M. Goa, K. Kanowski, M. Szkulmowski, B. J. Kaluzny, R. Hube, A. Kowalczyk, M. Wojtkowski, Optics Expess 1717, , 2009

41 Pzeszczep ogówki K. Kanowski, B. J. Kaluzny, M. Szkulmowski, M. Goa, and M. Wojtkowski, Biomedical Opt Expess, 2 9, , 2011

42 Coneal Topogaphy Placido Tomogaphy Scheimpflug camea SS OCT Keatoplasty Anteio suface K1 ax K2 ax D D mm 35.0 D mm 42.3 D mm 45.8 D mm 49.5 D 56 Posteio suface K1 ax K2 ax N.A mm -4.8 D mm mm -5.7 D mm -7.6 D 64.0 Pachymety min. thickness 519 µm 572 µm

43 Obazowanie z dużą szybkością Duży fomat Obazowanie 4 D Wysoka jakość obazów lines/sec. 10x faste than SOCT 1000 x faste than TdOCT!!! Infomacja ilościowa Dynamika oka Chooby oka

44 Dynamic imaging of Anteio Segment B. Kaluzny et al. Opt. and Vis. Science, Vol. 84, No. 12, 2007 D. Caneio at al. OPTICS EXPRESS Vol. 19, No

45 Wizualizacja naczyń kwionośnych siatkówki Fotogafia dna oka Angiogafia fluoesceinowa Podstawowa mofologia naczyń kwionośnych Intuicyjna wizualizacja ICG/SLO Angiogaphy Zwiększony kontast naczyń Obsewacja zmian czasowych

46 Obazowanie Doppleowskie w OCT M. Szkulmowski, et al, Opt. Expess, 16 9, 6008, 08

47 Obazowanie Doppleowskie w OCT Velocity 2D coss sectional velocity map +15,2 0 15,2 Axial velocity [mm/s] Axial diection +15,2 Axial velocity [mm/s] 0 M. Szkulmowski, et al, Opt. Expess, 16 9, 6008, , ,2 Axial velocity [mm/s] 15,2 Tansvesal diection

48 Obazowanie układu mikokapilanego siatkówki I. Gulkowski, I. Goczynska, M. Szkulmowski, D. Szlag, A. Szkulmowska, R. A. Leitgeb, A. Kowalczyk, and M. Wojtkowski, Optics Expess Vol , , 2009

49 Obazowanie układu mikokapilanego siatkówki 0.8mm Afte 8 minutes 0.6mm mm/s Iwona Goczyńska et al. ARVO/ISIE 12

50 Obazowanie układu mikokapilanego siatkówki 5 mm/s t=1.650s 7 t=1.925s 8 t=2.200s 9 t=2.475s 10 t=2.750s 11 T=3.025s c 200μm 0.6 Axial velocity [mm/s] Indepth position [μm] Indepth position [μm] Axial velocity [mm/s] Iwona Goczyńska et al. ARVO/ISIE 12

51 Intensity fluctuation analysis flow visualization 512 A scans x 1024 B scans x a y b x c x f GCL IPL OPL z d Scanning aea x,y: 3mm x 2mm y x e OPL IPL GCL y x y

52 Chacteization of blood samples Full blood Dopple image Low value of hematocit Dopple image Eythocytes Dopple image Blood plasma Dopple image x z

53 Opto-micofluidics of blood Piot Gastecki

54 Functional etinal imaging eflectivity change Optophysiology Retinal eflectomety K. Tsunoda, Y. Oguchi, G. Hanazono, and M. Tanifuji, Invest. Ophthalmol. Visual Sci. 45, OCT In vito K. Bizheva, R. Pflug, B. Hemann, B. Povazay, H. Sattmann, P. Qiu, E. Ange, H. Reitsame, S. Popov, J. R. Taylo, A. Untehube, P. Ahnelt, and W. Dexle, Poc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, OCT In vivo V. J. Sinivasan, M. Wojtkowski, J. G. Fujimoto, J. S. Duke In vivo measuement of etinal physiology with high-speed ultahigh-esolution optical coheence tomogaphy OPTICS LETTERS Vol. 31, No. 15, 2006,

55 Functional etinal imaging eflectivity change Optophysiology V. J. Sinivasan, M. Wojtkowski, J. G. Fujimoto, J. S. Duke In vivo measuement of etinal physiology with high-speed ultahigh-esolution optical coheence tomogaphy OPTICS LETTERS Vol. 31, No. 15, 2006,

56 Reflektometia OCT Multievanescent white dots syndom MEWDS Syndom zanikających białych plamek B. L. Sikoski, M. Wojtkowski, J. J. Kaluzny, M. Szkulmowski, A. Kowalczyk, Bit J Ophthalmol 92, , 2008

57 Reflektometia OCT Dystofia fotoeceptoów MP-1 Micopeymete Nidek/Japan

58 Autofluoescencja siatkówki Deloi, et al.

59 Optical Modulation of Fluoescence Emission fom A2E/xlinked BSA Sample_c JM 2 58_c fluo./bightfield OH N CF CO A2E Fouie domain images at diffeent modulation powes: Mod. lase: λ= 808 nm mod feq. ~1 Hz max. powe: 10 W/cm 2? Recoding: 5.3 fps Fluoescence FITC channel FD image; 12% mod.powe FD image; 50% mod. powe Qingshan Wei, Jon Mehtala

60 Czuła detekcja autofluoescencji siatkówki 2,5x10-4 2,0x10-4 I [a.u.] 1,5x10-4 1,0x10-4 Lock in A 5,0x10-5 0,0 0,0 1,0x10-5 2,0x10-5 3,0x10-5 czas [s] Stały sygnał, popocjonalny do wielkości powolnych zmian amplitudy luminescencji zachodzących pod wpływem wiązki modulującej. Lock in B lock-in A Filt dolnopzepustowy 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 1,0x10-5 2,0x10-5 3,0x10-5 czas [s]

61 Wyniki wstępne Popawa czułości ejestacji sygnału autofluoescencji

62 Neodeteminizm a popagacja światła w tkance

63 REGISTRATION: 31st May, 2013 Invited Speakes: Kzysztof Palczewski Depatment of Phamacology, Case Westen Reseve Univesity David Sampson School of Electical, Electonic & Compute Engineeing, Univesity of Westen Austalia Susana Macos Consejo Supeio de Investigaciones Científicas in Madid, Spain NO FEE!!! WE COVER BREAKFASTS, LUNCHES, SOCIAL EVENTS Michalina Goa Massachusetts Geneal Hospital & Havad Medical School, USA Wokshops: I. Tanslational eseach - fom idea to the device. II. The myth of talent and eality of being an expet.

64 Gupa Optycznego Obazowania Biomedycznego Andzej Kowalczyk Maciej Szkulmowski Monika Fojt Maciej Nowakowski Katazyna Koma Dawid Boycki Iek Gulkowski Kaol Kanowski Patyk Stemplewski Danuta Bukowska Szymon Tamboski Daniel Szlag Daniel Rumiński Sylwia Maliszewska Batosz Pałucki Hong Chu Lyu Kzysztof Maliszewski Kzysztof Szulżycki Mata Motoczyńska Instytut Fizyki UMK Iwona Goczyńska Piot Tagowski Macin Sylwestzak Ewa Kwiatkowska Collegium Medicum Batłomiej Kałużny Batosz Sikoski Instytut Chemii Fizycznej PAN: P. Gastecki Insituto de Optica Daza de Valdés Madit, Spain: Susana Macos Cente of Biomedical Technology and Physics, Medical Univesity of Vienna, Austia: A.F. Feche, R. Leitgeb Euopean Young Investigato Awad EURYI Instytut Biologii Doświadczalnej PAN: Gzegoz Wilczyński, Jakub Włodaczyk Institute of Physics, Ludwig Maximilians Univesity Munich, Gemany: Robet Hube Depatment of Ophthalmology and Vision Science Univesity of Califonia, Davis: Robet J. Zawadzki, J.S. Wene Laboatoie d Optique Biomédicale Ecole Polytechnique Fédéale à Lausanne: Theo Lasse CENTER OF QUANTUM OPTICS