失明を防ぐために天文学者に感謝すべき理由

健康 理科 望遠鏡
2015-06-23 10:20.

カール・セーガンが有名に言ったように、私たちは星のものでできています。そして今、あなたの医者はあなたの目の内部の働きを調べるために星を研究するために設計された技術を使うかもしれません。これがその仕組みです—そしていつの日かあなたを失明から救うことができるでしょう。

天文学者は、補償光学と呼ばれる技術を使用して、望遠鏡でキャプチャされた画像のぼやけを修正します。このシステムは、望遠鏡の鏡を傾けたり、回転させたり、曲げたりすることで機能し、遠くの星からの光の歪みを補正します。現在、ミニチュアバージョンは、眼科医が目の画像のぼやけを修正するのに役立ち、医師が生きている患者ではこれまで見ることができなかった顕微鏡の詳細を明らかにします。

補償光学は2000年代半ばから存在していましたが、ハードウェアは平均的な診療所には高すぎました。現在、研究者のチームは、追加のハードウェアなしでぼやけを修正できるコンピューターソフトウェアを開発したと言います。イリノイ州の医師や技師スティーブンBoppartと彼の同僚の大学はジャーナルに彼らの新しい技術に関する論文を発表したネイチャーフォトニクス

細隙灯検査。画像クレジット:ウィキメディアコモンズ経由のマイクブライス

これは、ほとんどの目の検査でよく知られている部分です。眼科医は、検眼鏡と呼ばれる器具を通して目を覗き込みながら、明るい光を目に照らします。ランプと検眼鏡の拡大率により、医師は目の内側、網膜、目の後ろの細胞層に至るまで、まともな外観を得ることができます。網膜の細胞は光を神経信号に変換し、それらの信号を脳に送ります。

眼科医は、光コヒーレンストモグラフィー(OCT)と呼ばれるより高度な技術を使用することもあります。これは、低出力レーザーを使用して網膜を画像化します。これは、中世の拷問部屋にいるように見えるあご台に顔を置く必要がある目の検査の部分の1つですが、痛みはなく、通常はかなり迅速です。さらに、何でも涼しくするレーザーがあります。

OCTは、現時点で網膜検査に利用できる最高のテクノロジーであり、5〜10マイクロメートルの範囲の解像度で網膜のかなり詳細なビューを提供できます。たとえば、黄斑変性症などの問題の兆候を探すのに適した方法です。それはあなたの医者にあなたの網膜の断面図を与えます、そしてそれはこのように見えます。

網膜のOCT断面。画像クレジット:ウィーン大学医学物理学部medOCTグループ。

しかし、OCTを使用しても、医師が目の小さな構造のいくつかを見るのは困難です。これは、視力に影響を与える可能性のある病気についての初期の手がかりを提供する可能性があります。スキャン中のわずかな動きでもOCT画像がぼやけることがあり、人間の目は常に動いています。頭を動かさずに、壁の絵のように静止しているものに視線を向けるようにしてください。あなたの目は完全に静止していると思うかもしれませんが、彼らはまだサッカードと呼ばれる小さな動きをしていて、シーンをスキャンして新しい詳細を探し、焦点を合わせ続けています。

したがって、OCTを使用しても、眼科医は網膜の個々の細胞に焦点を合わせることができません。「目は常にイメージするのに少し挑戦的でした」とBoppartはプレスリリースで言いました。「それは非常に複雑な器官です。見えにくい微細構造がたくさんあります。」

視力を脅かす可能性のある病気の多くは、網膜の微視的な問題として始まるため、これは残念なことです。たとえば、黄斑変性症は、特に高齢者の視力喪失の主な原因の1つであり、黄斑と呼ばれる網膜の中心近くのスポットの周りの桿体細胞と錐体細胞と呼ばれる光受容細胞の死から始まります。

医師が個々の細胞を見て、それらが死んでいくのを見ることができれば、彼らはその発症の早い段階で病気を発見し、患者に治療のより良い機会を与えるかもしれません。ただし、OCTだけではそれは不可能であるため、医師は他の病気の兆候を待つ必要があります。

「彼らは、例えば、光受容体を直接見て、黄斑変性症の間にそれらが死ぬのを見ることができません。イリノイ大学の大学院生で、新たに発表された研究の共著者であるフレドリック・サウス氏はプレスリリースで述べた。彼はさらに、「病気の診断と治療の追跡の両方のために、これらの実際のアプリケーションで補償光学を使用することが可能である可能性があります」と付け加えました。

黄斑(中央の暗い斑点)と視神経(明るい緑色の斑点)。画像クレジット:Flickr経由のHey Paul

網膜はまた、あなたの神経系全体の健康について医師に伝えることができます。神経は網膜の最上層全体を形成します。つまり、医師は実際にあなたの目を見て、神経系の一部を見ることができます。たとえば、医師は網膜の神経を調べて、神経の周りのミエリンの内層を破壊する多発性硬化症の初期の兆候を見つけることができます。もちろん、それには網膜の神経と細胞の顕微鏡像が必要ですが、これはOCTだけでは実際には不可能です。

そのため、Boppartと彼の同僚は補償光学に目を向けました。しかし、なぜ眼科医は天文学者の範囲であった技術を使いたいのでしょうか?

晴れた夜に空を見上げると、暗闇に輝く星が見えます。もちろん、地球の大気がそれらの光をぼやけさせて歪めるので、星はきらめくように見えるだけです。地球の大気は絶え間なく乱流の動きをしており、それは空気の層を通過する光の波を曲げるのに十分です。

「この乱気流は、詩人を喜ばせるが天文学者を苛立たせるような方法で星をきらめかせます。それは宇宙の細部をぼかすので」とヨーロッパ南天天文台は書いています。

そのぼやけを補正するために、現代の天体望遠鏡は補償光学を使用しています。これは、大気のぼやけ効果の補正を計算するコンピューターの制御下で、傾斜、回転、および屈曲できるミラーです。そのぼかし効果は絶えず変化するため、これらの修正には一定の計算とミラー調整が必要です。

それらを正しくするために、コンピューターは空に明るい基準点を必要とします。天文学者が観測したい空のセクションの近くにある場合は、明るい星や惑星でうまくいきますが、一部の天文台では、強力なレーザービームを地球の上層大気に向けて発射し、コンピューターが参照できる人工星を作成します。副次的な利点として、高出力レーザーを空に向けて発射する天文台はかなり驚くべきものに見えます。

補償光学参照レーザーに対するアーティストの印象。画像クレジット:ヨーロッパ南天天文台。

それは新しい考えではありません。米軍は冷戦中に補償光学システムに取り組み、ソビエトの衛星を追跡するためのより正確な方法を提供することを望んでいました。サイエンスフィクションの作家であるポールアンダーソンは、1970年の小説「タウゼロ」でこのテクノロジーについても言及しています。補償光学は、1990年代まで実際に天文学者に普及しませんでしたが、コンピュータがついに追いついて、リアルタイムで補正を行うために必要な迅速で複雑な計算を実行できるようになりました。

そしてそれは美しく働きます。補償光学により、地球に向かう望遠鏡は、宇宙望遠鏡によって地球に送り返される画像とほぼ同じくらい鮮明で鮮明な画像をキャプチャできます。これは、天文台を軌道に送るコストのほんの一部です。違いがわかります。

補償光学による補正。画像クレジット:ヨーロッパ南天天文台

ミラーとレンズは、網膜から反射する歪んだ光線を補正するのにも役立ち、補償光学がない場合よりもはるかに鮮明な画像を作成します。特に研究では、かなり成功しています。医師は初めて、生きている患者の錐体(色覚を可能にする細胞)を実際に見ることができました。

Boppartと彼のチームは、新しい計算補償光学により、ハードウェアベースの補償光学よりも安価になるため、診療所がテクノロジーにアクセスしやすくなると主張しています。彼らの方法では、ソフトウェアとの互換性を確保するために、特に古いOCT機器の場合、ハードウェアの更新が必要になります。これらの更新、またはソフトウェア自体のコストはまだ明らかではありません。

したがって、新しい手法は有望に見えますが、待つ必要があるかもしれません...そして見てください。

上の画像:網膜。画像クレジット:BiomedCentral経由のKuC。Yong etal

[ネイチャーフォトニクス]

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