Реферат RUS  Реферат ENG  Литература  Полный текст

Селективное действие лазерных импульсов на ретинальный пигментный эпителий. Физические основы.


1Институт физики им. Б.И. Степанова национальной академии наук Беларуси
2МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова Росмедтехнологии» Минздрава РФ

В настоящее время лазеры широко применяются в офтальмологии для лечения различных заболеваний глазного дна. Однако при использовании непрерывного лазерного излучения длительностью несколько миллисекунд, кроме разрушения пигментного эпителия (ПЭ), возникает необратимая термическая денатурация фоторецепторов. При некоторых заболеваниях глазного дна для достижения клинического эффекта достаточно воздействовать только на ПЭ, и разрушение нейросенсорной сетчатки является негативным эффектом лазерной коагуляции. Поэтому лазерное излучение опасно применять в аваскулярной зоне сетчатки из-за риска возникновения и распространения грубых очагов атрофии, приводящих к появлению скотом и снижению остроты зрения. Используя возможности современных лазеров с микроимпульсным режимом, возможно подобрать энергетические параметры таким образом, чтобы воздействовать избирательно на ПЭ без повреждения соседних структур. Для этого необходимо разработать физическую модель и найти условия, при которых очаг повреждения будет локализоваться в ПЭ, что позволит проводить лечение в аваскулярной зоне и сохранить нейросенсорную сетчатку интактной.

В настоящее время для селективного воздействия на ПЭ сетчатки применяют лазеры, генерирующие регулярные последовательности коротких импульсов излучения с длительностью порядка нескольких микросекунд. Излучение лазера поглощается мелано-протеиновыми гранулами ПЭ и преобразуется в тепло. Избирательное повышение температуры в ПЭ достигается за счет короткой длины импульса и маленького рабочего цикла [6, 14]. Чем меньше продолжительность импульса, тем выше селективность в ПЭ и меньше область повреждения [7-9]. При использовании микроимпульсного режима не во всех случаях достигается избирательное воздействие на ПЭ, и может возникать деструкция прилежащих структур, поэтому необходимо проводить точные расчеты и правильно подбирать параметры [5, 11]. Таким образом, понимание особенностей воздействия лазерного излучения на ткани хориоретинального комплекса позволит целенаправленно выбирать различную длительность воздействия, интервал между импульсами, мощность, диаметр пятна, длину волны при лечении различных заболеваний и получить необходимый клинический эффект [4, 12, 13].

Цель данной работы – провести анализ биофизических механизмов воздействия относительно коротких (100 мкс – 10 нс) импульсов лазерного излучения на структурные элементы хориоретинального комплекса и попытаться найти условия, при которых это воздействие будет концентрироваться на ПЭ, по возможности оставляя интактными фоторецепторы и мембрану Бруха.

На основе экспериментальных данных сформирована физическая концепция, определяющая условия и механизмы формирования локальных первичных нарушений нативной структуры тканей. Эти представления в совокупности с данными об оптико-спектральных и физических свойствах интраокулярных структур явились базой для разработки модели (рис. 1), включающей математическую интерпретацию следующих процессов:

• последовательное изменение параметров лазерного пучка по мере его распространения через структуры переднего отрезка глаза (фокусировка, оптические аберрации) и ткани хориоретинального комплекса (поглощение, рассеяние);

• конверсия энергии оптического излучения в тепловую (нагрев тканей) и механическую (генерация акустической или ударной волны);

• формирование и эволюция полей температур и давлений;

• реакция тканей на воздействие названных физических факторов (термоденатурация, испарение, механическое разрушение);

• локализация деструктивных изменений интраокулярных структур в результате воздействия лазерного излучения с заданной мощностью, длиной волны, длительностью экспозиции и характером фокусировки.

Лазерный пучок, перед тем как попасть на сетчатку, последовательно проходит роговицу, покрытую

8-10-микронной слезной пленкой; переднюю камеру, заполненную водянистой влагой; зрачок; заднюю камеру; хрусталик и стекловидное тело. Потери световой энергии при этом обусловлены поглощением интраокулярными средами глаза, френелевским отражением на границах раздела структурных элементов, дифракцией на зрачке и рассеиванием на микро-неоднородностях среды. Коэффициент поглощения света рецепторами сетчатки для видимой области спектра не превышает нескольких единиц см-1. Основная доля излучения поглощается ПЭ. Коэффициент поглощения достигает нескольких сотен см-1. Основным поглощающим элементом ПЭ является меланин, который сконцентрирован в мелано-протеиновых гранулах, размером порядка 1 мкм.

Коэффициент пропускания на отрезке роговица – сетчатка зависит от длины волны используемого лазера. Основные закономерности распространения света в интраокулярных структурах представлены на рис. 2. Верхняя кривая (?%) – оптическое пропускание структур переднего отрезка (часть энергии излучения, которая достигнет глазного дна), как функция длины волны. Часть излучения отражается от структур глазного дна и рассеивается – нижняя кривая (R%). В результате поглощается структурами глазного дна доля излучения, соответствующая средней кривой – ?q%.

Достигнув глазного дна, свет поглощается гемоглобином крови, меланином в составе мелано-протеиновых гранул ПЭ и желтыми макулярными пигментами. Основные закономерности поглощения света различного спектрального состава в интраокулярных структурах представлены на рис. 3.

При однократной экспозиции длительностью от 1 мс до нескольких единиц секунд поглощенная энергия лазерного излучения преобразуется в тепловую. В зависимости от параметров излучения (мощность, длительность экспозиции, длина волны, облучаемая площадь) формируется локальное температурное поле определенной пространственной конфигурации, приводящее к термической денатурации тканей, которая определяется в основном двумя факторами – приращением температуры и длительностью пребывания в нагретом состоянии [2]. Повреждение сетчатки увеличивается линейно с увеличением мощности и логарифмически с длительностью импульса [10]. При длительности экспозиции 0,1 с наблюдается размытие очага деструкции в радиальном и осевом направлениях. Диаметр очага при этом увеличивается в 3 раза по сравнению с диаметром лазерного пятна, а при экспозиции 0,01 с увеличивается в 1,5 раза (рис. 4) по сравнению с диаметром пятна [2]. При экспозиции 0,001 с формируется очаг коагуляции, захватывающий ПЭ и хориокапиллярный слой.

При уменьшении экспозиции до 1-100 мкс процессы тепловой денатурации ограничиваются масштабами мелано-протеиновых гранул и клеток ПЭ. С уменьшением длительности одиночного импульса снижается область повреждения, и возникает так называемый процесс избирательного или селективного воздействия [7, 8].

При воздействии на сетчатку короткого импульса (1 мкс) очаг повреждения локализуется в слое ПЭ. Зона коагуляции формируется аналогично распределению температуры. Диаметр зоны деструкции соответствует диаметру лазерного пятна.

На рис. 5 изображен профиль температуры на момент окончания воздействия кратковременного импульса длительностью 1 мкс при длине волны 800 нм. Очаг максимальной температуры сосредоточен в области мелано-протеиновых гранул ПЭ с небольшим нагреванием хориоидеи. Таким образом, термическая денатурация возникает в узкой локализованной области без распространения повреждающей температуры на нейросенсорную сетчатку, и такое воздействие можно назвать селективным.

На рис. 6 представлено два случая распределения температуры в тканях хориоретинального комплекса при воздействии коротких импульсов излучения длительностью 1 мкс и 50 мкс. В случае длительности импульса 1 мкс наблюдается значительное локальное повышение температуры в области мелано-протеиновых гранул ПЭ без прогревания соседних участков. При воздействии длительностью 50 мкс пик высокой температуры шире, то есть зона повышенной температуры незначительно распространяется на соседние области. Однако разница температуры в слое клеток ПЭ относительно окружающих тканей сохраняется. Таким образом, можно сказать, что при длительности импульса 50 мкс еще сохраняется селективность воздействия на ПЭ, но меньшая, чем при 1 мкс.

По окончании импульса процесс остывания сопровождается интеграцией температурных полей отдельных гранул и последующим выравниванием температуры внутри слоя ПЭ. Средняя температура ПЭ при этом существенно ниже максимальной температуры отдельных гранул. Именно этот пониженный уровень нагрева ПЭ передается фоторецепторам, что и является фактором, способствующим их сохранению. Время выравнивания температуры по слою ПЭ называется временем температурной релаксации и имеет порядок 1000 мкс. Очевидно, что для обеспечения избирательного нагрева микрообъемов внутри слоя ПЭ промежуток времени между импульсами излучения должен значительно превышать указанную величину [1].

На рис. 7 изображен профиль температуры в процессе остывания после воздействия импульса длительностью 50 мкс. Время отсчитывается от конца импульса. Из-за процесса остывания профиль температуры будет сглаживаться (размываться). Как видно, через 150 мкс профиль не размыт и сохраняет первоначальную сложную форму. Через 1000 мкс происходит значительное остывание прогретой области, но температура еще отличается от первоначальной до воздействия импульса. Через 10 мс (10000 мкс) отклонение температуры от первоначальной не наблюдается, то есть ткани хориоретинального комплекса практически полностью остыли после воздействия импульса длительностью 50 мкс.

Рассмотрим пример применения пакета из 5 импульсов с интервалом 1 мс. На рис. 8 изображено распределение температуры во времени в области мелано-протеиновых гранул ПЭ. Видно, что при интервале между импульсами в 1000 мкс ПЭ не успевает полностью остыть, и каждый следующий импульс воздействует на ПЭ, нагретый на большую температуру, чем предыдущий.

Таким образом, для значительного остывания слоя ПЭ необходим интервал более 1000 мкс, чтобы импульсы относительно слабо влияли друг на друга, особенно при использовании пакета из нескольких импульсов. Чем больше интервал между импульсами, тем больше успевает остыть сетчатка, и не будет происходить накопление температуры с каждым последующим импульсом.

При воздействии импульсом менее 1 мкс заметный вклад начинают вносить механические повреждения. По мере уменьшения длительности экспозиции повышается вероятность нетеплового (механического) деструктивного действия излучения на ткани. При экспозиции 10 нс – 1 мкс возникают гидродинамические процессы с генерацией волн давления, движением частиц, оптическим пробоем и кавитацией [1, 3].

Эффекты обусловлены возникновением в облучаемой области механических колебаний или акустических волн, имеющих положительную (сжатие) и отрицательную (растяжение) фазы. На рис. 9 представлены результаты математического моделирования процесса формирования акустической волны при транспупиллярном облучении глазного дна лазерными импульсами с длительностью 20 нс, длиной волны –

0,534 мкм (зеленая область спектра), диаметром пятна – 50 мкм. Такое излучение практически полностью поглощается ПЭ (толщина 10 мкм). Поглощенная за время 20 нс (2х10-8 с) энергия лазерного излучения преобразуется в тепловую (такое преобразование характеризуется временем порядка 10-12 с). Скорость лазерного нагрева тканей в рассматриваемом случае экстремально высока. Если предположить, что суммарный нагрев ПЭ в результате облучения составит 1°С, то скорость нагрева среды составит – 1°С/2х10-8 с = 5х107 (пятьдесят миллионов) градусов в секунду. Вследствие высокой скорости термического расширения в зоне поглощения излучения формируется область повышенного давления, обуславливающего и ускоряющего процесс термического расширения (рис. 9Б). В период облучения частицы ткани двигаются «разбегаются» с нарастающей скоростью. В момент окончания лазерного импульса движение частиц среды в силу инерции не прекращается мгновенно. В результате «разбегания» в центральной части облученного участка формируется разряжение, эквивалентное состоянию, характерному для среды, находящейся в условиях объемного растяжения или, в общепринятой терминологии, – отрицательного давления (рис. 9В). Сформированный таким образом акустический сигнал распространяется далее, как волна давления, имеющая положительную и отрицательную фазы (рис. 9Г).

В интраокулярной среде (так же как в жидкости) эта волна имеет гладкую симметричную форму (амплитуды давления в положительной и отрицательной фазах равны). Сигнал легко регистрируется датчиками давления, имеющими необходимое разрешение по времени. Осциллограмма такого сигнала, полученного в модельном эксперименте, приведена на рис. 10А. Коэффициент поглощения среды примерно – 10 см-1.

Увеличение энергии (мощности) лазерного излучения сопровождается ростом амплитуды давления как в положительной, так и отрицательной фазах акустического сигнала. Если напряжение растяжения в отрицательной фазе волны давления превышает предел прочности среды, существует высокая вероятность локальной фрагментации тканей, обусловленной микроразрывами, микропузырьками и другими нарушениями однородности нативной структуры. Эффект реализуется при незначительном нагреве среды, хорошо изучен для жидкостей и называется – кавитацией. Особенностью рассматриваемого явления, служит возможность регистрировать порог фрагментации среды по искажению формы акустического сигнала. Эти искажения могут проявляться в форме уменьшения амплитуды и/или искажения формы отрицательной полуволны давления (рис. 11). Они обусловлены затратами механической энергии (здесь – энергии колебаний) при фрагментации среды. Пример осциллограммы акустического сигнала в модельном эксперименте при примерно 10% превышении энергии излучения над пороговым значением приведен на рис. 10Б.

Возможность достаточно эффективно и относительно легко регистрировать уровни энергии лазерного излучения, вызывающего пороговые деструктивные изменения в тканях, представляет большой интерес для лазерной офтальмологии. Это позволяет определить необходимые условия (энергетические параметры лазерного излучения), приводящие к минимальному повреждению ПЭ, без разрушения прилежащих структур, которое достаточно для достижения клинического эффекта с улучшением трофики сетчатки и резорбции отека сетчатки в зоне облучения.

Выводы

Грамотный выбор длительности отдельных импульсов и интервала между ними при правильно подобранной мощности излучения и диаметре пятна может обеспечить избирательный нагрев и термическую денатурацию ПЭ при сохранении фоторецепторов интактными. Селективное воздействие на клетки ПЭ реализуется при следующих условиях: длительность импульса в интервале 1 мкс – 50 мкс, интервал между импульсами более 1000 мкс, длина волны в диапазоне 500 – 850 нм.

При длительности импульса 1 мкс – 5 мкс воздействие является комбинированным, включающим тепловую и механическую (акустическую) компоненты. По мере уменьшения длительности импульса в указанном интервале относительный вклад механической компоненты возрастает.

В случае применения сверхкоротких импульсов (длительностью несколько наносекунд) при правильно подобранных энергетических параметрах возможно получить эффект кавитации, приводящий к механическому воздействию на ПЭ, без повреждения соседних структур.

Статья подготовлена по материалам доклада «Селективное действие лазерных импульсов на ретинальный пигментный эпителий. Физические основы», прозвучавшего на конференции «Современные технологии лечения витреоретинальной патологии–2011» в ФГУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова Росмедтехнологии».


Страница источника: 37

Федоровские чтения - 2017 Сателлитные симпозиумы в рамках XIV Всероссийской научно-практической конференцииФедоровские чтения - 2017 Сателлитные симпозиумы в рамках XI...

Восток – Запад 2017 Международная научно-практическая конференция по офтальмологииВосток – Запад 2017 Международная научно-практическая конфер...

Белые ночи - 2017 Сателлитные симпозиумы в рамках Международного офтальмологического конгресса Белые ночи - 2017 Сателлитные симпозиумы в рамках Международ...

Новые технологии в контактной коррекции.  В рамках  Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в офтальмологии - 2017»Новые технологии в контактной коррекции. В рамках Всеросси...

Новые технологии в офтальмологии -  2017 Всероссийская научно-практическая конференция Новые технологии в офтальмологии - 2017 Всероссийская научн...

XVI Всероссийская школа офтальмологаXVI Всероссийская школа офтальмолога

Сателлитные симпозиумы в рамках конференции «Современные технологии лечения витреоретинальной патологии - 2017»Сателлитные симпозиумы в рамках конференции «Современные тех...

Современные технологии лечения витреоретинальной патологии - 2017 ХV Научно-практическая конференция с международным участиемСовременные технологии лечения витреоретинальной патологии -...

«Живая хирургия» в рамках конференции «Современные технологии лечения витреоретинальной патологии - 2017»«Живая хирургия» в рамках конференции «Современные технологи...

Роговица I. Ультрафиолетовый кросслинкинг роговицы в лечении кератоэктазий Научно-практическая конференция с международным участиемРоговица I. Ультрафиолетовый кросслинкинг роговицы в лечении...

Сателлитные симпозиумы в рамках ХIV ежегодного конгресса Российского глаукомного обществаСателлитные симпозиумы в рамках ХIV ежегодного конгресса Рос...

Сателлитные симпозиумы в рамках конференции Современные технологии катарактальной и рефракционной хирургии - 2016Сателлитные симпозиумы в рамках конференции Современные техн...

«Живая» хирургия в рамках конференции Современные технологии катарактальной и рефракционной хирургии - 2016«Живая» хирургия в рамках конференции Современные технологии...

Современные технологии катарактальной и рефракционной хирургии - 2016Современные технологии катарактальной и рефракционной хирург...

Сателлитные симпозиумы в рамках IX Российского общенационального офтальмологического форумаСателлитные симпозиумы в рамках IX Российского общенациональ...

На стыке науки и практикиНа стыке науки и практики

Федоровские чтения - 2016 XIII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участиемФедоровские чтения - 2016 XIII Всероссийская научно-практиче...

Актуальные проблемы офтальмологии XI Всероссийская научная конференция молодых ученыхАктуальные проблемы офтальмологии XI Всероссийская научная к...

Восток – Запад 2016 Научно-практическая конференция по офтальмохирургии с международным участием Восток – Запад 2016 Научно-практическая конференция по офтал...

Белые ночи - 2016 Сателлитные симпозиумы в рамках Международного офтальмологического конгресса Белые ночи - 2016 Сателлитные симпозиумы в рамках Международ...

Невские горизонты - 2016 Научная конференция офтальмологовНевские горизонты - 2016 Научная конференция офтальмологов

Сателлитные симпозиумы в рамках научной конференции офтальмологов «Невские горизонты - 2016»Сателлитные симпозиумы в рамках научной конференции офтальмо...

Новые технологии в офтальмологии 2016 Всероссийская научно-практическая конференция Новые технологии в офтальмологии 2016 Всероссийская научно-п...

Витреоретинальная хирургия. Макулярный разрывВитреоретинальная хирургия. Макулярный разрыв

Современные технологии лечения витреоретинальной патологии - 2016 ХIV Научно-практическая конференция с международным участиемСовременные технологии лечения витреоретинальной патологии -...

Совет экспертов, посвященный обсуждению первого опыта использования новой офтальмологической системы CENTURION®Совет экспертов, посвященный обсуждению первого опыта исполь...

HRT/Spectralis* Клуб Россия 2015 – технология, ставшая незаменимой!HRT/Spectralis* Клуб Россия 2015 – технология, ставшая незам...

Три письма пациента. Доказанная эффективность леченияТри письма пациента. Доказанная эффективность лечения

Синдром «сухого» глаза: новые перспективыСиндром «сухого» глаза: новые перспективы

Многоликий синдром «сухого» глаза: как эффективно им управлять?Многоликий синдром «сухого» глаза: как эффективно им управлять?

Прошлое... Настоящее! Будущее?Прошлое... Настоящее! Будущее?

Проблемные вопросы глаукомы IV Международный симпозиумПроблемные вопросы глаукомы IV Международный симпозиум

Секундо В. Двухлетний личный опыт с линзами AT Lisa Tri и AT Lisa Tri ToricСекундо В. Двухлетний личный опыт с линзами AT Lisa Tri и AT...

Инновации компании «Алкон» в катарактальной и рефракционной хирургииИнновации компании «Алкон» в катарактальной и рефракционной ...

Применение устройств HOYA iSert Toric. Применение торических ИОЛ HOYA iSert Toric в рефракционной хирургии катарактыПрименение устройств HOYA iSert Toric. Применение торических...

Рейтинг@Mail.ru