Dr hab. inż. Adam Liebert Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk 02-109 Warszawa ul. Trojdena 4 Warszawa 20.01.2014r. Recenzja rozprawy doktorskiej mgr Danuty Marii Bukowskiej pt. Badanie wpływu niejednorodności optycznej ośrodka na informację fazową w spektralnej tomografii optycznej z użyciem światła częściowo spójnego przygotowana na wniosek Rady Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu Oceniana rozprawa została opracowana pod kierunkiem dr hab. Macieja Wojtkowskiego profesora UMK w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Dorobek naukowy autorki rozprawy obejmuje współautorstwo 16 pozycji objętych indeksem Web of Science w tym 6 oryginalnych artykułów opublikowanych w czasopismach naukowych o dużej renomie w środowisku optyki biomedycznej oraz 10 materiałów pokonferencyjnych. Publikacje, których współautorką była doktorantka uzyskały dotychczas 25 cytowań (21 cytowań z pominięciem autocytowań). W dwóch artykułach oryginalnych (opublikowanych w Journal of Biomedical Optics oraz Optics Express) doktorantka jest pierwszym autorem. Te dwa artykuły mają bezpośredni związek z tematyką ocenianej rozprawy doktorskiej. Dorobek naukowy doktorantki jest znaczący i wskazuje, że jest ona aktywnym pracownikiem naukowym. 1. Jakie zagadnienie naukowe jest rozpatrzone w pracy i czy zostało ono dostatecznie jasno sformułowane przez autorkę? Tematyka rozprawy dotyczy szybko rozwijających się metod obrazowania tkanek in-vivo z wykorzystaniem optycznej tomografii koherencyjnej. Doktorantka podjęła badania nad możliwością wykorzystania spektralno-czasowej metody pomiarowej OCT do równoczesnego obrazowania struktury i przepływów w medium biologicznym. Hipoteza 1
badawcza dotyczy oceny wpływu niejednorodności optycznej ośrodka na mierzoną wartość prędkości drobin. Hipoteza ta została sformułowana prawidłowo na tle aktualnych prac dotyczących metodyki oceny przepływu w układach mikronaczyniowych z zastosowaniem OCT. Proponowane dotychczas techniki pomiaru przepływu krwi w układzie mikrokrążenia służą zwykle do oceny uśrednionych przepływów w wielu naczyniach. Możliwość ceny bezwzględnej wartości prędkości ruchu erytrocytów w pojedynczych naczyniach układu mikrokrążenia pozostaje poważnym wyzwaniem dla inżynierii biomedycznej. Sieć mikronaczyniowa ma skomplikowaną geometrię, a zakresy zmienności prędkości krwinek w tym układzie są stosunkowo duże. Opracowanie techniki pozwalającej na pomiar prędkości w jednostkach bezwzględnych w pojedynczych mikronaczyniach z jednoczesnym obrazowaniem struktury sieci mikrokrążenia może istotnie wpłynąć na rozwój wiedzy o funkcjach systemu mikrokrążenia. Kierunek badań podjętych przez doktorantkę jest nowatorski. Mogą one pozwolić na szersze zastosowanie ocenianej metody pomiarowej w badaniach podstawowych, przedklinicznych badaniach skuteczności metod terapeutycznych oraz ocenie przepływów w układzie mikrokrążenia na potrzeby diagnostyki medycznej. 2. Jaki charakter ma rozprawa? Rozprawa ma charakter eksperymentalny i dotyczy rozwoju metodyki pomiarów prędkości w układzie mikrokrążenia. Obejmuje konstrukcję systemów pomiarowych, modeli fizycznych układu mikrokrążenia opartych na układach mikrofluidycznych oraz eksperymenty in-vivo prowadzone na tkankach oka ludzkiego oraz na mózgu myszy. Przeprowadzona w rozprawie analiza użyteczności wcześniej opracowanej w zespole profesora Wojtkowskiego metody pomiarowej jest oparta na spójnym ciągu eksperymentów, w których jej aspekty metodyczne zostały poddane krytycznej ocenie. Rozprawa ma charakter interdyscyplinarny. W szczególności aplikacyjna część rozprawy, poświęcona ocenie możliwości zastosowania zaproponowanej metody pomiarowej w pomiarach in-vivo, wymagała od autorki kompetencji w zakresie fizjologii układu krążenia oraz umiejętności prowadzenia badań na materiałach biologicznych. 2
3. Czy w rozprawie przeprowadzono w sposób właściwy analizę źródeł świadczący o dostatecznej wiedzy autorki. Czy wnioski z przeglądu źródeł sformułowano w sposób jasny i przekonywujący? Doktorantka dokonała szerokiego przeglądu piśmiennictwa dotyczącego tematyki rozprawy. Wśród 161 przywoływanych w rozprawie prac około 30% stanowią publikacje, które ukazały się w ostatnich pięciu latach, co świadczy o dobrej orientacji doktorantki w bieżących badaniach dotyczących rozważanej techniki pomiarowej, jej podstaw fizycznych i aplikacji. Doktorantka prawidłowo zaprezentowała rozważany problem naukowy na tle literatury przedmiotu i przedyskutowała najważniejsze kierunki badań dotyczących pomiarów prędkości drobin z zastosowaniem techniki OCT. Pewien niedosyt budzi brak umiejscowienia proponowanej metody pomiarowej na szerszym tle innych metod oceny stanu mikrokrążenia takich jak badanie wypłukiwania znaczników radioizotopowych, metoda termiczna, wideokapilaroskopia, technika laserowo-dopplerowska czy metoda oceny zmienności pola speklowego. 4. Czy autorka rozwiązała postawione zagadnienia, czy użyła właściwej do tego metody i czy przyjęte założenia są uzasadnione? Doktorantka prawidłowo przeanalizowała czynniki, które istotnie wpływają na użyteczność metody spektralno-czasowej OCT w ocenie przepływów w sieci mikrokrążenia. W eksperymentach przeprowadzonych na modelu mikrofluidycznym autorka wykazała wpływ niejednorodności optycznej ośrodka na wyniki obrazowania rozkładu prędkości drobin i erytrocytów. Opracowane przez autorkę na potrzeby badań układy pomiarowe zostały dostosowane do specyfiki obiektów poddawanych obrazowaniu. Nawiązując do hipotezy, która jest podstawą badań autorki nasuwają się dwa pytania: Czy obserwowana w technice STdOCT niejednoznaczność w obrazowaniu rozkładu prędkości erytrocytów jest powiązana z różnicami właściwości optycznych ośrodka rejestrowanymi dla różnych długości fali świetlnej? Czy znajomość tych właściwości optycznych mogłaby być pomocna w eliminacji wpływu niejednorodności na wyniki obrazowania rozkładu prędkości? 3
5. Na czym polega oryginalność rozprawy, co stanowi samodzielny i oryginalny dorobek autorki, jaka jest pozycja rozprawy w stosunku do stanu wiedzy czy poziomu techniki reprezentowanych przez literaturę światową? Podjęte przez autorkę analizy metodycznych problemów związanych z wykorzystaniem techniki STdOCT są oryginalne i mają istotny aspekt praktyczny. Doktorantka wskazała na ograniczenia metody pomiarowej. Wykazała, że wynik pomiaru składowej wzdłużnej prędkości krwinek w niewielkim stopniu zależy od stężenia krwinek czerwonych w układzie mikrokrążenia. Tymczasem ocena składowej poprzecznej prędkości jest w większym stopniu obarczona błędami wynikającymi z różnic w stężeniu krwinek czerwonych. Autorka zaproponowała także zmodyfikowane zależności pozwalające na ocenę składowych poprzecznych prędkości krwinek. Autorka opracowała metodykę szybkiego skanowania, która pozwoliła na przeprowadzenie pionierskich pomiarów dotyczących oceny rozkładu składowej podłużnej prędkości w układzie mikrokrążenia siatkówki oka ludzkiego oraz w sieci mikronaczyniowej kory mózgowej myszy. 6. Czy autorka wykazała się umiejętnością poprawnego i przekonywującego przedstawienia uzyskanych przez siebie wyników? Oceniana dysertacja zawiera 4 rozdziały i podsumowanie. We wstępie zaprezentowano podstawy metodyczne optycznej tomografii koherencyjnej i szeroko przeanalizowano właściwości optyczne krwi i jej elementów morfotycznych. W rozdziale drugim autorka opisuje metodykę tomografii STdOCT sygnalizuje poglądowo występowanie problemów z oceną prędkości w związku z niejednorodnością optyczną badanego ośrodka. Rozdział trzeci dotyczy konstrukcji układów pomiarowych wykorzystanych w badaniach oraz zastosowanego w dalszych pracach modelu mikrofluidycznego. Rozdział czwarty jest najważniejszą częścią rozprawy, w której zaprezentowano wyniki badań prowadzonych na układach mikrofluidycznych oraz pomiarów in-vivo. W dwóch dodatkach autorka opisała podstawy metodyczne obrazowania OCT oraz metodykę badań na materiałach biologicznych. Struktura pracy pozwoliła na prawidłowe zaprezentowanie problemu badawczego i sposobu jego rozwiązania. Autorka nie ustrzegła się błędów redakcyjnych, których szczegółową listę 4
zamieszczam na końcu recenzji. W rozprawie zabrakło zunifikowanego spisu oznaczeń. Ten brak utrudnia czytanie dysertacji. 7. Wniosek końcowy Podsumowując, oceniam rozprawę mgr Danuty Marii Bukowskiej, jako spełniającą wymagania stawiane pracom doktorskim przez przepisy obowiązującej ustawy. Doktorantka wykazała się umiejętnością samodzielnego prowadzenia badań naukowych, prawidłowego korzystania ze źródeł. Dokonała prawidłowej analizy uzyskanych wyników i ich interpretacji. Interdyscyplinarny charakter pracy wskazuje na umiejętność doktorantki w zakresie prowadzenia badań we współpracy z ośrodkami naukowymi specjalizującymi się w badaniach biomedycznych. Wnioskuję o dopuszczenie doktorantki do publicznej obrony rozprawy. Uwzględniając zakres tematyczny badań, innowacyjny charakter kierunku badawczego oraz wartość publikacji naukowych będących wynikiem realizowanej rozprawy wnioskuję o jej wyróżnienie. 5
8. Szczegółowe uwagi edytorskie 1. Sformułowanie na str 15. jest niezgrabne: następuje wielokrotna zmiana dróg optycznych podczas czasu integracji kamery. 2. Rys 2.2., 2.3. i 2.4. Gdzie znajdował się układ emisyjno-detekcyjny? Jaka jest zależność układów współrzędnych dla poszczególnych paneli rysunków? Rysunki mają wprawdzie charakter poglądowy i są prezentacją przykładowych eksperymentów, ale brak jest na nich opisu skal (współrzędnych, czasu i prędkości), co utrudnia interpretację prezentowanych wyników. Jakim prędkościom odpowiadają barwy niebieska i czerwona? Z czego wynika niejednorodność rozkładu prędkości po osi x obserwowana na rys.2.3? W podpisach pod rysunkami pojawia się sformułowanie chwila czasu, które jest pleonazmem. 3. Rys.3.1. Brak informacji o długości kanałów. Odwołania do podrozdziałów 4.3.3 i 4.2.3, których brak w rozprawie. Gdzie zdefiniowano parametr gamma? Jaka była zawartość środka rozpraszającego w strukturze PDMS? Jakie właściwości optyczne miała ta struktura? 4. Str. 85 pojawia się w rozprawie dwukrotnie. Podobnie podrozdział 4.2. 5. Rys.3.2, 3.4, 3.4. Jakie były parametry czasowe skanowania próbki: Trep, Tsegment, czas przemieszczenia w osi y? 6. Rys.4.1. i 4.2. Dlaczego skale prędkości w panelach b, c i d nie są odpowiednie? 7. Rys.4.3 Jaka jest fizyczna interpretacja zmiany prędkości w funkcji szerokości kanału na początku układu mikrofluidycznego (panel d)? Czy zastosowany model pozwala na opis tego zjawiska? 8. Rys. 4.11 i 4.12. W jaki sposób oszacowano odchylenia średniokwadratowe wartości eksperymentalnych pokazane na rysunku? 9. Rys. 4.13. Podpis jest niezgodny z opisami osi wartości (składowych) prędkości podłużnych czy poprzecznych? 10. Rys. 4.20. Dla opisu paneli d-f wskazane byłoby opisanie osi i wskazanie na obrazie strukturalnym położenia tych przekrojów. 11. Rys. 4.21. Panel c. Jaka jest jednostka prędkości? 6