Ricerche

Stephen Burns con l'oftalmoscopio ad alta precisione in grado di osservare dettagli microscopici nella parte posteriore dell'occhio senza distorsione. (Foto di Chris Meyer, Indiana University)

Scienziati dell'Università dell'Indiana con competenze di optometria e intelligenza artificiale sono tra i primi tre gruppi di ricercatori a ricevere fondi da un nuovo programma dei National Institutes of Health (NIH) a sostegno del campo emergente dell'oculomica, che usa l'occhio come obiettivo sulle malattie che influenzano l'intero corpo.

Stephen A. Burns, professore di optometria della IU, è stato nominato ricercatore senior e i colleghi di studio includono Eleftherios Garyfallidis, professore associato di ingegneria di sistemi intelligenti della IU, Amani Fawzi della Northwestern University, Alfredo Dubra dell'Università di Stanford e Toco Y. P. Chui del Mount Sinai di New York.

Il progetto supporterà lo sviluppo di oftalmoscopi di prossima generazione, strumenti atti a osservare l'interno dell'occhio per individuare i segni di avvertimento precoce di condizioni come diabete, malattie cardiache, malattie renali, anemia falciforme e Alzheimer, con una semplice scansione dell'occhio.

"Questa ricerca vede l'occhio come una finestra sulla salute", ha detto Burns, "la retina è l'unica parte direttamente osservabile del sistema nervoso centrale. Vogliamo dare ai professionisti sanitari la visione più chiara che possono sperare per entrare, non invasivamente, nel corpo".

La ricerca di Burns sull'uso dell'occhio per rilevare le malattie risale ai primi anni 2000, quando lui e i colleghi della Facotà di Optometria della IU hanno aperto la strada all'applicazione di sistemi laser di scansione ottica adattiva all'osservazione dell'occhio umano. Il campo è stato originariamente sviluppato da astronomi per eliminare nei telescopi il 'luccichio' delle stelle, le distorsioni causate dall'atmosfera terrestre. L'ottica dell'occhio produce distorsioni di luce simili.

Usando la tecnologia sviluppata alla facoltà, l'oftalmoscopio del laboratorio di Burns può osservare la parte posteriore dell'occhio umano alla risoluzione di due micron, una scala abbastanza piccola da mostrare il movimento in tempo reale dei globuli rossi all'interno delle arterie e delle vene degli occhi. (Un singolo globulo rosso ha circa otto micron di larghezza). Burns ha usato la tecnologia per identificare i biomarcatori per il diabete e l'ipertensione nelle pareti dei vasi sanguigni dell'occhio.

I ricercatori del progetto della Northwestern e del Mount Sinai hanno usato una tecnologia simile per osservare le cellule sia all'esterno che all'interno di questi vasi sanguigni, inclusa l'individuazione dei globuli rossi a forma di mezzaluna presenti nell'anemia falciforme. I ricercatori di Stanford hanno usato l'ottica adattiva per migliorare l'osservazione dei fotorecettori degli occhi.

Con il supporto dei NIH, i team di ricerca integreranno i loro progetti individuali in un dispositivo singolo, oltre ad applicare l'apprendimento automatico di avanguardia e l'IA. Inoltre, esploreranno il potenziale della tecnologia per individuare i primi segni di malattie cardiache e del morbo di 'Alzheimer (MA).

"Ci sono prove crescenti di una forte componente vascolare retinica nel MA", ha detto Burns. “Attualmente puoi vedere i segni con scansioni PET, che richiedono grandi strumenti del valore di  milioni. Se possiamo vedere gli stessi segni con una scansione degli occhi, è molto meno invasiva e molto meno costosa".

I
l ruolo di Garyfallidis sta nello sviluppare e applicare i metodi di apprendimento automatico e AI per interpretare i risultati dei dispositivi. Ciò potrebbe ridurre i tempi di diagnosi da giorni a minuti eliminando la necessità che un essere umano analizzi le immagini. Nel primo anno del progetto, i laboratori allineeranno i loro strumenti allo stesso livello di sensibilità, ha affermato Burns, il cui laboratorio integrerà la sua tecnologia con lo strumento della Northwestern. Stanford si concentrerà su integrazioni tecnologiche simili con lo strumento del Mount Sinai.

Successivamente, il lavoro si sposterà alla convalida dei dati per confermare che le letture dei nuovi strumenti siano allineate alle versioni precedenti della tecnologia. Il ricercatore confronterà anche l'interpretazione del nuovo sistema AI delle scansioni rispetto alle conclusioni degli analisti umani per confermare l'accuratezza. L'ultimo anno del progetto prevede il test del dispositivo sui volontari clinici.

Burns ha affermato:

"Fino all'80% della popolazione over-60 ha almeno un problema di salute che può essere rilevabile negli occhi con la nostra tecnologia. I NIH hanno selezionato il progetto per il suo potenziale di grande impatto. Le iniziative dei fondi di ventura sottolineano 'brevi e modesti investimenti che possono essere implementati rapidamente, con un forte potenziale per accelerare la scienza' .

"La nostra sfida ora è: selettività e specificità. Dobbiamo dimostrare che possiamo rilevare le differenze tra le condizioni, per interpretare rapidamente e accuratamente i segni delle varie malattie su cui ci stiamo concentrando. L'obiettivo è far avanzare la tecnologia fino al punto da passare dal laboratorio a 'ovunque tu farai il tuo esame annuale degli occhi' ".