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