Dr inż. Wojciech Krauze laureatem ERC Starting Grant 2025

Re.HOT, czyli tomografia holograficzna pracująca w trybie odbiciowym – to projekt nagrodzony tegorocznym grantem Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych – European Research Council (ERC). Prestiżowe wyróżnienie zdobył dr inż. Wojciech Krauze z Wydziału Mechatroniki PW. To drugi naukowiec z naszej Uczelni nagrodzony grantem ERC w kategorii Starting Grant i trzeci wśród laureatów grantu ERC ogółem z PW.  

Re.HOT, czyli Reflection Holographic Tomography, to tomografia holograficzna pracująca w trybie odbiciowym. Tomografia holograficzna jest zaawansowanym rodzajem mikroskopu, gdzie próbka badana prześwietlana jest promieniowaniem lasera z wielu kierunków. Następnie wykorzystując algorytmy komputerowe, ten zestaw projekcji jest przetwarzany na trójwymiarową mapę współczynnika załamania w próbce, która niesie informację o strukturze wewnętrznej obiektu badanego. 

Najczęściej wykorzystuje się ją w biologii, gdzie bada się hodowle komórkowe, organoidy czy wycinki tkanek. Co istotne, nie potrzeba tu żadnego barwienia fluorescencyjnego. Głównym ograniczeniem tej metody jest fakt, że aby uzyskać obraz wysokiej jakości, źródło światła i kamera muszą znajdować się po przeciwnych stronach próbki badanej. 

– Celem projektu jest sprawienie, żeby tomografia holograficzna mogła działać w trybie odbiciowym. Od lat jest to cel pracy wielu zespołów na świecie. Po co? Żeby dało się uzyskać taką samą informację, jak w klasycznej tomografii holograficznej, ale bez izolowania próbek pacjenta. W projekcie skupiamy się na rogówce oka. Z jednej strony łatwiej z nią pracować - jest przezroczysta. Z drugiej, jej dokładna diagnostyka pozwoliłaby na szereg nowych zastosowań w medycynie – mówi dr inż. Wojciech Krauze z Wydziału Mechatroniki PW, laureat grantu ERC Starting Grant 2025 za projekt „Quantitative reflection holographic tomography for in-vivo analysis of biological specimens”. 

Głównym problemem, z jakim mierzą się naukowcy, jest to, że światło odbite nie niesie tej samej informacji, co światło przechodzące przez próbkę. Ponieważ zakres informacji jest inny, nie da się wprost osiągnąć takich samych rezultatów, pracując w trybie odbiciowym. Największym wyzwaniem, ale i główną ideą stojącą za tym projektem, jest więc na tyle "mądre" przetworzenie sygnału wracającego od struktury badanej, żeby dało się uzyskać wynik taki, jaki byśmy uzyskali, gdyby tomograf pracował w transmisji.

Nowa jakość w okulistyce

Rozwiązanie, nad którym pracują nasi naukowcy, znajdzie zastosowanie przede wszystkim w branży medycznej, a konkretnie w okulistyce. Obecnie istnieją narzędzia do oceny jakości rogówki oka, ale ich zastosowanie jest dość ograniczone. 

– Jeśli uda się osiągnąć zamierzony cel, efektem projektu będzie nowa metoda pomiarowa, która będzie uzupełniać istniejące narzędzia okulistyczne. Do tej pory nikt nie był w stanie badać u pacjenta wartości współczynnika załamania w rogówce. Trójwymiarowa mapa tego współczynnika ukaże miejsca z odchyleniami wartości, co może pozwolić na wczesne wykrycie zmian chorobowych – podkreśla dr Krauze. 

Druga potencjalna korzyść jest związana z nową generacją operacji laserowych wzroku. Wciąż wiodącymi technikami są dzisiaj te bazujące na ablacji, czyli odparowaniu, fragmentów rogówki. Widać jednak zaawansowane prace nad metodami, które bazują na lokalnym modyfikowaniu współczynnika załamania. Wydają się być dużo bezpieczniejsze. Brakuje jednak metod kontrolnych, które pozwolą na wyznaczenie mapy współczynnika załamania przed, jak i po zabiegu. Metoda opracowana przez zespół z Politechniki Warszawskiej może w tym pomóc.

Współpraca doświadczonych naukowców

W projekt Re.HOT zaangażowanych będzie 8 osób, a liderem zespołu badawczego jest dr inż. Wojciech Krauze. Za budowę systemu odpowiedzialny będzie dr inż. Arkadiusz Kuś. Doktorantka mgr inż. Martyna Mazur będzie wspierać dr Krauzego w rozwoju algorytmów przetwarzania danych. Dr inż. Maria Baczewska będzie odpowiedzialna za opracowanie pełnego protokołu pomiarowego, a także analizę danych pomiarowych, a dr inż. Michał Ziemczonok będzie wykorzystywał dwufotonową polimeryzację do tworzenia fantomów, na których grupa testować będzie pierwszą wersję rozwiązania. Wszystkie wymienione osoby pracują na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, gdzie realizowany będzie projekt. Dodatkowo do projektu planowane jest zatrudnienie studenta oraz doktoranta, a także badacza spoza Politechniki Warszawskiej – eksperta medycznego, który wesprze naszych naukowców na ostatnim etapie prac, gdzie będą testować system na rogówce myszy. O projekcie naukowcy opowiadają w filmie.

Na potrzeby wniosku projektowego zespół naszych badaczy przeprowadził jedynie proste badania "proof-of-concept". Nie oznacza to jednak, że startuje „od zera”. –  Nasz zespół to doświadczeni badacze, którzy pracowali już w podobnych projektach. Dodatkowo pewnym punktem wyjścia w tym projekcie jest opracowana przez nas metoda qtOCT. Jest to modyfikacja klasycznego obrazowania OCT. W naszej wersji OCT działa w transmisji - jest więc skierowane do badania próbek biologicznych wyizolowanych od pacjenta, np. na szkiełku – dodaje dr Wojciech Krauze.

Jak wyjaśnia naukowiec, jeśli wyobrazimy sobie, że światło składa się z fotonów, które przechodzą przez tkankę, to część fotonów przejdzie bez problemu krótką drogą, a część się rozproszy i zacznie wędrować okrężnymi ścieżkami. W efekcie fotony rozproszone opuszczą próbkę trochę później. Te fotony rozproszone są zawsze problematyczne - utrudniają uzyskanie wysokiej jakości obrazu próbki badanej. Zespół dr Krauzego opracował technikę, która pozwala na odseparowanie wczesnych fotonów od późnych. Jej zasadniczym ograniczeniem jest fakt, że jest to metoda działająca w transmisji, co oznacza, że kamera musi być po przeciwnej stronie próbki niż źródło światła. W grancie ERC nasi badacze chcą przenieść tę technikę do odbicia, co jest wymagającym zadaniem.

Sam projekt można podzielić na 3 zasadnicze części. Pierwsza to budowa systemu optycznego. Na ten etap składa się zaprojektowanie układu optycznego i mechanicznego, opracowanie specyfikacji wymaganych elementów, ich kupno, a na koniec budowa i testy. Druga część to rozwój algorytmów przetwarzania sygnału. Te dwa etapy będą realizowane równocześnie. Ostatnim, trzecim etapem jest walidacja całego systemu. Naukowcy z PW przeprowadzą ją najpierw na mikrofantomach, drukowanych techniką dwufotonowej polimeryzacji, a następnie na rogówce myszy. 

–  Bardzo dużo pracy zabierze budowa systemu optycznego. Będzie to dość duży system z wieloma aktywnymi elementami. Samo opracowanie elektroniki sterującej i synchronizującej pracę wszystkich elementów będzie trudne. Będziemy musieli bardzo dobrze zaplanować kolejność prac, biorąc pod uwagę, że obecne uwarunkowania prawne sprawiają, że kupno aparatury może trwać wiele miesięcy. Wyzwaniem będzie też praca z rogówką myszy, z którą do tej pory nie mieliśmy do czynienia – tłumaczy laureat grantu. 

Zdobycie grantu ERC na realizację projektu Re.HOT daje możliwość realizacji kosztownych badań: wynagrodzenia zespołu naukowców, zakupu potrzebnego sprzętu (od stołów optycznych po elementy do budowy systemu), a przede wszystkim - skupienia się na osiągnięciu naukowych celów przez najbliższych 5 lat. Dla całej Politechniki Warszawskiej jest to kwestia prestiżu, a także budowania potencjału badawczego na europejskim poziomie. 

– Na pewno to dla mnie i zespołu duża radość, ale też stres związany z dużymi oczekiwaniami - przede wszystkim naszymi własnymi. Dla mnie jest to potwierdzenie, że kierunek badawczy, który obraliśmy jest właściwy. Chcę przekazać ogromne podziękowania dla żony za wsparcie i pomoc logistyczną przy pisaniu wniosku oraz dla prof. Małgorzaty Kujawińskiej, która jest moją mentorką na Politechnice, i która nauczyła mnie, jak realizować naukę na światowym poziomie. Gdyby nie ona, nie miałbym odwagi ani nawet ambicji sięgać po projekty europejskie – podsumowuje dr inż. Wojciech Krauze.

Projekt „Quantitative reflection holographic tomography for in-vivo analysis of biological specimens” będzie realizowany w Instytucie Mikromechaniki i Fotoniki na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej. Dofinansowanie w ramach ERC Starting Grants wynosi 1 499 775 euro.