Łukasz Łabieniec, absolwent fizyki medycznej na Uniwersytecie w Białymstoku i doktorant na Wydziale Fizyki UwB, we współpracy z lek. Łukaszem Lisowskim z Kliniki Okulistyki Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku, opracował algorytm, który pomoże we wczesnym wykrywaniu uszkodzenia nerwu wzrokowego.

Wykorzystanie osiągnięć fizyki do rozwiązywania problemów medycznych interesowało Łukasza Łabieńca niemal od pierwszego dnia studiów. Najpierw (w 2016 r.) pod kierunkiem prof. Krzysztofa Szymańskiego i we współpracy z badaczami z Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku pracował przy konstruowaniu urządzenia, które może pomóc lekarzom w wykrywaniu u pacjentów skłonności do kamicy nerkowej (patent uzyskany w 2021 r.) Później skoncentrował się na badaniach dotyczących nerwu wzrokowego. W 2018 r., w finale konkursu Technotalent, zaprezentował pomysł zbudowania dedykowanej cewki do badania oka. Wspólnie z lek. Łukaszem Lisowskim, opracowali nową matrycę do stymulacji wzroku, którą będzie można stosować do pomiarów fal mózgowych przy rezonansie magnetycznym oraz do stymulacji drogi wzrokowej w trakcie trwania zabiegów operacyjnych. Matryca została w tym roku zgłoszona do europejskiego i polskiego urzędu patentowego.

Nerw wzrokowy, a konkretnie jego diagnostyka za pomocą rezonansu magnetycznego, była przedmiotem badań prowadzonych przez mgr. Łabieńca w ostatnich 4 latach.

Badanie rezonansu magnetycznego wykorzystuje właściwości magnetyczne zawartych w organizmie cząsteczek wody (a ściślej atomów wodoru). To złożony proces: silny elektromagnes (serce aparatu) generuje pole magnetyczne. Ono wzbudza protony wodoru w badanym obszarze ciała. Cząstki te wysyłają fale elektromagnetyczne niosące informację o ich położeniu, a fale te są rejestrowane przez specjalne czujniki urządzenia, które następnie generuje cyfrowo obrazy w formie przekrojów badanego obszaru.

I właśnie cyfrowym danym odpowiedzialnym za generowany obraz przyjrzał się mgr Łukasz Łabieniec.

- Nerw wzrokowy składa się z milionów włókien nerwowych, otoczonych cząsteczkami wody, które podlegają nieustannym ruchom. Te ruchy można obserwować wykorzystując tzw. obrazowanie dyfuzyjne. Technikę tę zaproponował w 1994 r. prof. Peter Basser. Wykorzystuje się w niej właściwości dyfuzyjne (ruchy Browna) wszystkich cząsteczek wody w przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Za pomocą rezonansu z opcją dyfuzji można rejestrować ruchy cząsteczek wody w trzech wymiarach. Wykorzystuje się tę technikę głównie do obrazowania istoty białej mózgu. Nerw wzrokowy też jest wypustką istoty białej, ale ze względów ekonomicznych (minimalizowanie czasu obrazowania), nie jest możliwe uzyskanie dobrej jakości obrazów dyfuzyjnych nerwu wzrokowego: są one obarczone wieloma artefaktami i nerw wzrokowy jest na nich mało widoczny – tłumaczy mgr Łabieniec.

Z tego powodu do tej pory za pomocą rezonansu magnetycznego udawało się diagnozować tylko zaawansowane zmiany w przebiegu wielu chorób nerwu wzrokowego, np. w przypadku neuropatii zanikowej. Jak wyjaśnia doktorant, wykorzystywano do tego standardowe obrazy, na których nerw wzrokowy widoczny jest jako pojedyncza struktura i nie ma możliwości zbadania jego funkcjonalności.

- W wielu publikacjach donoszono o możliwości wykorzystania techniki dyfuzyjnej do rozpoznania uszkodzenia nerwu wzrokowego z powodu procesów zapalnych, jaskry, stwardnienia rozsianego czy też z powodu zwyrodnienia siatkówki. Pojawiła się też praca, w której technikę tę testowano na astronautach, którzy po powrocie na Ziemię cierpieli na problemy ze wzrokiem. Ze względu na niską rozdzielczość obrazów dyfuzyjnych wyniki opisane w tych pracach są często niejednoznaczne, a korelacje nie są wystarczająco silne, aby możne je było stosować w praktyce klinicznej – mówi mgr. Łukasz Łabieniec.

Młody fizyk, pracując pod kierunkiem swojego naukowego mentora i promotora prof. Krzysztofa Szymańskiego, znalazł sposób na rozwiązanie problemu. Kluczem okazał się specjalny algorytm.

- W naszej metodzie dane dyfuzyjne analizujemy zupełnie inaczej, niż pozwalają na to standardowe pakiety obliczeniowe. Założenia algorytmu wynikają z budowy anatomicznej nerwu wzrokowego. Domyślamy się, jak cząsteczki wody się w nim poruszają i te konkretne ruchy staramy się zobaczyć, odfiltrowując wszystkie inne sygnały. Poziom tego filtrowania stopniowo zwiększamy i w pewnym momencie widzimy znikanie nerwu wzrokowego z obrazu. Okazuje się, że uszkodzone nerwy wzrokowe znikają z obrazu wcześniej, niż nerwy zdrowe, bo w uszkodzonym nerwie wzrokowym cząsteczki wody poruszają się inaczej niż w zdrowym - relacjonuje młody badacz.

Nowa metoda pozwala wykryć problemy z nerwem wzrokowym na wczesnym etapie, zanim pacjent zauważy, że widzi gorzej lub zostanie stwierdzone uszkodzenie nerwu wzrokowego w dostępnych komercyjnie badaniach okulistycznych. Stopień uszkodzenia nerwu wzrokowego jest w niej oceniany w sposób ilościowy, co oznacza, że dla każdego nerwu wzrokowego algorytm generuje jedną liczbę. Jeśli wynik mieści się w pewnym zakresie, to nerw wzrokowy można uznać za zdrowy, jeśli nie, to jest uszkodzony. To jak bardzo ten wynik odbiega od normy mówi o stopniu uszkodzenia nerwu wzrokowego.

Uszkodzenie nerwu wzrokowego występuje m.in. w chorobach metabolicznych, np. cukrzycy, chorobie Gravesa-Basedowa oraz przy nadciśnieniu śródmózgowym.

- Naszą metodę można uznać za uzupełniającą w stosunku do standardowych analiz obrazu z rezonansu magnetycznego. Chodzi o to, aby pacjenta bez potrzeby nie kłaść na stół operacyjny, bo zabieg chirurgiczny jest inwazyjną techniką, która obarczona jest dużym ryzykiem powikłań. Nasz algorytm pomoże w podjęciu decyzji, czy taki zabieg jest konieczny. Czasem pacjenta wystarczy obserwować i np. zastosować odpowiednią dietę – dodaje Łukasz Łabieniec.

Doktorant z UwB swoje badania konsultował między innymi w Klinice Neurologii oraz Klinice Neurochirurgii Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku, a także w Indiana University (USA), National Institute of Health (USA), gdzie narodziła się technika obrazowania tensora dyfuzji oraz w Univeristy of Oxford (Wielka Brytania).

To nie pierwszy przykład współpracy białostockich fizyków i przedstawicieli nauk medycznych. Intensywna jest także realizowana przez nich współpraca międzynarodowa.

-Współpracujemy m.in. z Uniwersytetem Medycznym w Białymstoku, z Politechniką Warszawską (zespół prof. PW Piotra Bogorodzkiego) i czterema ośrodkami w USA. Studenci fizyki medycznej, nasi doktoranci i absolwenci, zajmują się nie tylko rezonansem magnetycznym, ale też na przykład pracami nad percepcją dźwięków przez osoby z implantami ślimakowymi - informuje prof. Krzysztof Szymański z Wydziału Fizyki UwB, opiekun specjalności fizyka medyczna.

Wyniki najnowszych prac – nad algorytmem do obrazowania uszkodzeń nerwu wzrokowego - zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie PLOS One.

Grafikę opracował Łukasz Łabieniec.