Software Implementation for Temperature-Controlled Retinal Pigment Epithelium Heating Device

Abstract

Age-related macular degeneration (AMD) was the leading cause for unavoidable blindness in 2010 and continues to affect an estimated 150 million people worldwide. It has been suggested that heating the retinal pigment epithelium (RPE) could slow down the progress of the disease or even cure it entirely. The treatment consists of heating the retina of an eye to therapeutic temperatures to inflict the generation of heat-shock proteins (HSPs).

A device that relies on electroretinogram (ERG) recordings while inflicting local hyperthermia on the RPE has been developed in our research team. The measured ERG responses can be characterised and shown a direct dependency to the experienced temperature at the retina. These in turn are utilised in controlling the heating of the retina to therapeutic temperatures. The aim of this thesis was to implement a new software for the use of such a device, while considering the needs this software must account for to facilitate a reliable, safe and useful software interaction for the RPE heating device. Eight distinct requirements for the new software were identified: maintainability; dynamicity; accuracy and precision; pulse sequences; automation; safety, error handling and user friendliness; testing and validation; as well as documentation. The software was implemented with National Instruments LabVIEW™ and MathWorks MATLAB®. The results were validated and verified with unit testing, bench testing and in a full experiment on a mouse subject.

The bench testing and mouse experiment testing provided satisfying results. The software functioned without errors during both types of testing or only had very minute types of errors. The software could still be developed to contain more automation, such as factoring in safety features through eye movement detection and more importantly facilitating feedback-controlled heating through a PID controller, which would be of importance when planning clinical trials and use of the device in treatment of AMD.

Silmänpohjan ikärappeuma (AMD) oli yleisin vailla parannuskeinoa oleva, sokeutta aiheuttava sairaus vuonna 2010, ja se vaikuttaa noin 150 miljoonan ihmisen elämään maailmanlaajuisesti. Kirjallisuudessa on esitetty, että silmänpohjan pigmenttiepiteelikerroksen (RPE) lämmittäminen voisi hidastaa taudin kulkua tai parantaa sen kokonaan. Tällainen hoito saavutettaisiin lämmittämällä silmänpohjaa terapeuttisiin lämpötiloihin, jolloin saadaan aikaan lämpösokkiproteiinien (HSP) muodostumista.

Tutkimusryhmässämme on kehitetty laite, joka perustuu elektroretinogrammin (ERG) rekisteröintiin, samalla kun lämmityslaserilla aiheutetaan RPE:lle paikallinen hypertermia. Talteenotetulla ERG:llä voidaan estimoida silmänpohjan lämpötilaa. Estimoitua lämpötilaa hyödynnetään lämmityslaserin säätämisessä terapeuttiselle lämpötila-alueelle. Tämän diplomityön tavoitteena oli implementoida uusi ohjelmisto kyseistä laitetta varten, samalla ottaen huomioon luotettavuus- ja turvallisuusnäkökulmia, sekä muita hyödyllisiä ominaisuuksia laitteen ja ohjelmiston yhteistoiminnassa. Työssä määriteltiin kahdeksan eri vaatimusta uudelle ohjelmistolle: ylläpidettävyys; dynaamisuus; tarkkuus ja täsmällisyys; pulssisekvenssit; automaatio; turvallisuus, virheiden käsittely ja käyttäjäystävällisyys; verifiointi ja validointi; sekä dokumentointi. Ohjelmisto toteutettiin käyttäen ohjelmistoja: National Instruments LabVIEW™ sekä MathWorks MATLAB®. Ohjelmisto validoitiin testaamalla kaikki osiot erikseen (yksikkötestaus) sekä koko ohjelmisto mittausta simuloivassa tilanteessa. Lopuksi ohjelmisto testattiin myös oikeassa hiiren silmänpohjan lämmityskokeessa.

Testauksissa ohjelmisto toimi halutulla tavalla ja esiintyneet virheet pystyttiin nopeasti korjaamaan viimeistä versiota varten. Ohjelmistoa voidaan jatkossa kehittää sisältämään enemmän automaatiota, kuten turvallisuusominaisuuksia silmän liikkeiden tunnistamiseen sekä lämmityksen säätämiseen takaisinkytkentämenetelmällä. Molemmat olisivat tärkeitä ominaisuuksia siirryttäessä kliiniseen tutkimukseen ja laitteen kliiniseen käyttöön AMD:n hoitamiseksi.