Dr inż. Stanisław Wojtkiewicz - Kierownik Pracowni

Prof. dr hab. inż. Roman Maniewski
Prof. dr hab. inż. Adam Liebert
Dr hab. inż. Piotr Sawosz
Dr inż. Beata Toczyłowska
Dr Anna Gerega
Dr inż. Stanisław Wojtkiewicz
Dr inż. Michał Kacprzak
Dr Saeed Samaei
Dr Sara Fathollah
mgr inż. Karolina Bejm (doktorantka)
mgr Ehlam Fazliazarharis (doktorantka)
mgr Neda Mogharari (doktorantka)
mgr Aleh Sudakou

Prowadzone prace badawcze

Pracownia Optyki Biomedycznej prowadzi prace badawcze w zakresie nowoczesnych technik diagnostyki medycznej opartych o zjawiska związane z interakcją światła z zakresu bliskiej podczerwieni z tkanką. W szczególności są to metody pomiarowe polegające na oznaczaniu parametrów hemodynamicznych tkanek w oparciu o spektroskopię w bliskiej podczerwieni oraz zjawisko laserowo-dopplerowskie.

Spektroskopia w bliskiej podczerwieni (NIRS eng. Near Infrared Sectroscopy). Technika ta pozwala na oszacowanie stopnia utlenowania tkanki poprzez wyznaczenie jej absorpcji dla kilku długości fali leżących w zakresie bliskiej podczerwieni. Wykorzystywana jest tu różnica widm absorpcyjnych hemoglobiny utlenowanej i zredukowanej dla różnych długości fali, która pozwala na wyznaczenie stężenia tych dwóch chromoforów w badanej tkance. W laboratorium prowadzone są obecnie prace nad najnowocześniejszą odmianą techniki NIRS bazującą na emisji krótkich (pikosekundowych) impulsów laserowych do tkanki i ocenie ich poszerzenia w wyniku propagacji poprzez badaną tkankę (tzw. technika pomiaru czasu przelotu pojedynczych fotonów). Stosowanie tej techniki pozwala na ocenę długości drogi optycznej jaką światło pokonuje w badanej tkance, a co za tym idzie umożliwia wyznaczenie zmian stężeń hemoglobin w funkcji głębokości. Proponowana metoda pozwala także na ocenę stopnia ukrwienia badanej tkanki poprzez pomiar napływu egzogennych barwników wstrzykiwanych dożylnie. Napływ barwnika do tkanki powoduje chwilowy wzrost jej absorpcji. Możliwa jest także ocena światła fluorescencyjnego wzbudzonego w barwniku krążącym w badanej tkance. Pomiary tych zjawisk na dużym obszarze głowy umożliwiają przestrzenną ocenę perfuzji mózgowej i np. porównanie stanu ukrwienia w dwóch półkulach mózgu.

Metoda laserowo-dopplerowska w pomiarach mikroukrwienia tkanki. Metoda pomiarowa oparta jest na analizie zmian spektrum światła laserowego reemitowanego z tkanki, które następują w wyniku interakcji fotonów z poruszającymi krwinkami czerwonymi i zachodzącego podczas tych interakcji zjawiska Dopplera. Metoda ta pozwala zarówno na ciągłe monitorowanie ukrwienia w czasie rzeczywistym, jak i obrazowanie ukrwienia dużych obszarów tkanki. W laboratorium opracowywane są nowe metody analizy sygnałów laserowo-doppelowskich, prowadzone są prace instrumentalne, a także badania teoretyczne (z wykorzystaniem symulacji Monte Carlo), które mają pozwolić na ocenę rozkładu szybkości krwinek poruszających się w badanej tkance w jednostkach bezwzględnych.

Słowa kluczowe: spektroskopia w bliskiej podczerwieni, pomiar czasu przelotu fotonów, dyfuzyjna tomografia optyczna, laserowo-dopplerowski pomiar ukrwienia

P III 1 1 3

System pomiarowy do optycznego czasowo-rozdzielczego obrazowania utlenowania i ukrwienia tkanki mózgowej skonstruowany w Pracowni Optyki Biomedycznej.

P III 1 4

Stanowisko do pomiaru i wynik stymulacji funkcjonalnej obszaru wzrokowego kory mózgowej. Optoda, zawierająca 32 pary emiter-detektor umieszczona została ponad obszarem wzrokowym kory mózgowej. Stymulację tego obszaru dokonano przez prezentację migającego z określoną częstotliwością obrazu na ekranie monitora. Uzyskano powierzchniowe rozkłady zmian stężeń hemoglobin w badanym obszarze i zaobserwowano wzrost stężenia hemoglobiny utlenowanej wywołany aktywnością neuronalną przy jednoczesnym spadku stężenia hemoglobiny zredukowanej.

Projekty

Projekt NCN 2012/05/B/ST7/01162 „Wysokorozdzielcza optyczna topografia mózgu” Kierownik projektu: Prof. Adam Liebert (2013-2016)
Projekt NCN 2011/03/B/ST7/02576 „Czasowo-rozdzielcza tomografia optyczna do obrazowania molekularnego narządów wewnętrznych małych zwierząt doświadczalnych” Kierownik projektu: Prof. Adam Liebert (2012-2015)
Projekt NCN N518506239 „Obrazowanie penetracji światła w tkankach z zastosowaniem czasowo-rozdzielczej kamery o wysokiej czułości” Kierownik projektu: Dr Piotr Sawosz (2010-2012)
Projekt w ramach programu FP7 Unii Europejskiej "Non-invasive imaging of brain function and disease by pulsed near infrared light" (nEUROPt) Kierownik projektu: Prof. R. Cubeddu, Koordynator grupy tematycznej Processing of Clinical Data i kierownik zespołu polskiego: Prof. A. Liebert. (2008-2012)
Projekt badawczy specjalny MNiSzW (polsko-niemiecki) "Opracowanie metody obrazowania ukrwienia mózgu z zastosowaniem pomiaru fluorescencji i kliniczna ocena użyteczności tej metody", Kierownicy projektu: Dr H.Obrig i Prof. A. Liebert. (2007-2010)
Projekt badawczy MNiSzW "Wykorzystanie medyczne nieinwazyjnej metody pomiaru ukrwienia mózgu z zastosowaniem topografii optycznej i jej weryfikacja w oparciu o badania radioizotopowe SPECT" Kierownik projektu: Prof. R. Maniewski. (2006-2009)
Projekt rozwojowy MNiSzW "Opracowanie nowoczesnego zestawu diagnostycznego do nieinwazyjnych badań mikrokrążenia krwi metodą laserowo-dopplerowską" Kierownik projektu: Prof. R. Maniewski. (2006 - 2010)

Wybrane publikacje

1. Farina, A., A. Torricelli, I. Bargigia, L. Spinelli, R. Cubeddu, F. Foschum, M. Jaeger, E. Simon, O. Fugger, A. Kienle, F. Martelli, P. Di Ninni, G. Zaccanti, D. Milej, P. Sawosz, M. Kacprzak, A. Liebert, and A. Pifferi, In-vivo multilaboratory investigation of the optical properties of the human head. Biomedical Optics Express, 2015. 6(7): p. 2609-2623.

2. Weigl, W., D. Milej, A. Gerega, B. Toczylowska, M. Kacprzak, P. Sawosz, M. Botvvicz, R. Maniewski, E. Mayzner-Zawadzka, and A. Liebert, Assessment of cerebral perfusion in post-traumatic brain injury patients with the use of ICG-bolus tracking method. Neuroimage, 2014. 85: p. 555-565.

3. Wabnitz, H., D.R. Taubert, M. Mazurenka, O. Steinkellner, A. Jelzow, R. Macdonald, D. Milej, P. Sawosz, M. Kacprzak, A. Liebert, R. Cooper, J. Hebden, A. Pifferi, A. Farina, I. Bargigia, D. Contini, M. Caffini, L. Zucchelli, L. Spinelli, R. Cubeddu, and A. Torricelli, Performance assessment of time-domain optical brain imagers, part 1: basic instrumental performance protocol. Journal of Biomedical Optics, 2014. 19(8).

4. Toczylowska, B., E. Zieminska, G. Goch, D. Milej, A. Gerega, and A. Liebert, Neurotoxic effects of indocyanine green - cerebellar granule cell culture viability study. Biomedical Optics Express, 2014. 5(3): p. 800-816.

5. Spinelli, L., M. Botwicz, N. Zolek, M. Kacprzak, D. Milej, P. Sawosz, A. Liebert, U. Weigel, T. Durduran, F. Foschum, A. Kienle, F. Baribeau, S. Leclair, J.P. Bouchard, I. Noiseux, P. Gallant, O. Mermut, A. Farina, A. Pifferi, A. Torricelli, R. Cubeddu, H.C. Ho, M. Mazurenka, H. Wabnitz, K. Klauenberg, O. Bodnar, C. Elster, M. Benazech-Lavoue, Y. Berube-Lauziere, F. Lesage, D. Khoptyar, A. Subash, S. Andersson-Engels, P. Di Ninni, F. Martelli, and G. Zaccanti, Determination of reference values for optical properties of liquid phantoms based on Intralipid and India ink. Biomedical Optics Express, 2014. 5(7): p. 2037-2053.

6. Milej, D., A. Gerega, H. Wabnitz, and A. Liebert, A Monte Carlo study of fluorescence generation probability in a two-layered tissue model. Physics in Medicine and Biology, 2014. 59(6): p. 1407-1424.

7. Milej, D., A. Gerega, M. Kacprzak, P. Sawosz, W. Weigl, R. Maniewski, and A. Liebert, Time-resolved multi-channel optical system for assessment of brain oxygenation and perfusion by monitoring of diffuse reflectance and fluorescence. Opto-Electronics Review, 2014. 22(1): p. 55-67.

8. Wojtkiewicz, S., A. Liebert, H. Rix, P. Sawosz, and R. Maniewski, Estimation of scattering phase function utilizing laser Doppler power density spectra. Physics in Medicine and Biology, 2013. 58(4): p. 937-955.

9. Sawosz, P., M. Kacprzak, W. Weigl, A. Borowska-Solonynko, P. Krajewski, N. Zolek, B. Ciszek, R. Maniewski, and A. Liebert, Experimental estimation of the photons visiting probability profiles in time-resolved diffuse reflectance measurement. Physics in Medicine and Biology, 2012. 57(23): p. 7973-7981.

10. Milej, D., A. Gerega, N. Zolek, W. Weigl, M. Kacprzak, P. Sawosz, J. Maczewska, K. Fronczewska, E. Mayzner-Zawadzka, L. Krolicki, R. Maniewski, and A. Liebert, Time-resolved detection of fluorescent light during inflow of ICG to the brain-a methodological study. Physics in Medicine and Biology, 2012. 57(20): p. 6725-6742.

11. Milej, D., A. Gerega, N. Zolek, M. Kacprzak, W. Weigl, E. Mayzner-Zawadzka, R. Maniewski, and A. Liebert, Brain Perfusion Assessment by Optical Contrast Tracking Using Time-Resolved Fluorescence Detection, in 5th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering, Pts 1 and 2, A. Jobbagy, Editor. 2012. p. 374-376.

12. Liebert, A., H. Wabnitz, and C. Elster, Determination of absorption changes from moments of distributions of times of flight of photons: optimization of measurement conditions for a two-layered tissue model. Journal of Biomedical Optics, 2012. 17(5).

13. Kacprzak, M., A. Liebert, W. Staszkiewicz, A. Gabrusiewicz, P. Sawosz, G. Madycki, and R. Maniewski, Application of a time-resolved optical brain imager for monitoring cerebral oxygenation during carotid surgery. Journal of Biomedical Optics, 2012. 17(1).

14. Gerega, A., D. Milej, W. Weigl, M. Botwicz, N. Zolek, M. Kacprzak, W. Wierzejski, B. Toczylowska, E. Mayzner-Zawadzka, R. Maniewski, and A. Liebert, Multiwavelength time-resolved detection of fluorescence during the inflow of indocyanine green into the adult's brain. Journal of Biomedical Optics, 2012. 17(8).

15. Liebert, A., P. Sawosz, D. Milej, M. Kacprzak, W. Weigl, M. Botwicz, J. Maczewska, K. Fronczewska, E. Mayzner-Zawadzka, L. Krolicki, and R. Maniewski, Assessment of inflow and washout of indocyanine green in the adult human brain by monitoring of diffuse reflectance at large source-detector separation. Journal of Biomedical Optics, 2011. 16(4).

16. Sawosz, P., M. Kacprzak, N. Zolek, W. Weigl, S. Wojtkiewicz, R. Maniewski, and A. Liebert, Optical system based on time-gated, intensified charge-coupled device camera for brain imaging studies. Journal of Biomedical Optics, 2010. 15(6).

17. Kacprzak, M., A. Liebert, P. Sawosz, N. Zolek, and R. Maniewski, Time-resolved optical imager for assessment of cerebral oxygenation. Journal of Biomedical Optics, 2007. 12(3).

18. Liebert, A., H. Wabnitz, D. Grosenick, M. Moller, R. Macdonald, and H. Rinneberg, Evaluation of optical properties of highly scattering media by moments of distributions of times of flight of photons. Applied Optics, 2003. 42(28): p. 5785-5792.