Лазерно-индуцированное управление оптическими и механическими свойствами роговицы глаза Семчишен Антон Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературы 12

1.1 Общие сведения об анатомии и оптической системе глаза 13

1.1.1 Анатомия глаза. 13

1.1.2 Оптическая система глаза.

1.2 Роговица глаза. Строение и свойства . 15

1.3 Ошибки рефракции глаза.

1.3.1 Аберрации низших порядков.. 19

1.3.2 Аберрации высших порядков 20

1.4 Современные методы коррекции аномалий рефракции 23

1.4.1 Радиальная кератотомия 23

1.4.2 Термокератопластика 23

1.4.3 Методы эксимерлазерной абляции роговицы 25

1.5 Лазерная абляция и взаимодействия лазерного излучения с тканями роговицы 28

1.5.1 Спектр поглощения роговицы глаза 28

1.5.2 Термомеханические процессы при лазерной абляции роговицы 30

1.6 Оптические эффекты, влияющие на качество послеоперационного зрения. 32

1.6.1 Рассеяние света в роговице 35

1.6.2 Биомеханика роговицы. Биомеханический отклик роговицы индуцированный лазерной коррекцией аномалий рефракции глаза 36

Глава 2. Оптическая система формирования излучения эксимерного лазера для фоторефракционной хирургии 40

2.1 Гомогенизация излучения ArF эксимерного лазера. Формирование гауссова распределения энергии в пучке 41

2.1.1 Форма распределения энергии по сечению лазерного пучка для коррекции миопии

2.1.2 Форма распределения энергии по сечению лазерного пучка для коррекции дальнозоркости и астигматизма .. 43

2.1.3 Формирование гауссова распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка эксимерного лазера. 44

2.1.4 Экспериментальная проверка работы гомогенизатора

2.2 Влияние кривизны поверхности роговицы на плотность энергии излучения необходимой для достижения порога абляции 50

2.3 Зависимость профиля абляции от кривизны роговицы 53

2.4 Коррекция миопии: полноапертурная абляция роговицы излучением ArF эксимерного

лазера с гауссовым распределением энергии в пучке. Постоперационная асферичность 56

2.4.1 Изменение асферичности роговицы при абляции полноапертурным гауссовым

пучком эксимерного лазера. 58

2.5 Заключение к Главе 2 63

Глава 3. Рассеяние света при прохождении статистически шероховатой границы сред с разным коэффициентом преломления после лазерных операций коррекции зрения 65

3.1 Отношение интенсивностей направленной и диффузной компонент света рассеянного шероховатой границей сред с разными коэффициентами преломления 65

3.1.1 Расчет отношения интенсивностей направленной и диффузной компонент рассеянного света 68

3.2 Контрастная острота зрения после фоторефракционных операций коррекции аметропий 72

3.3 Неоднородности поверхности роговицы, обусловленные процессом лазерной абляции. 3.3.1 Механизм лазерной абляции роговицы. 78

3.4 Влияние реэпителизации на оптическое качество поверхности роговицы глаза после лазерной рефрактивной хирургии. Сравнение методов ЛАСИК и ФРК. 85

3.5 Математическая модель процесса реэпителизации 86

3.6 Сравнение методов ЛАСИК и ФРК. 94

3.7 Заключение к Главе 3 95

Глава 4. Изменение кривизны передней поверхности роговицы при нецентральной абляции излучением полноапертурного излучения ArF эксимерного лазера с гауссовым пучком . 96

4.1 Оптическая система формирования гауссова профиля распределения плотности энергии в пучке эксимерного лазера для нецентральной абляции роговицы 98

4.1.1 Конструкция узла сканирования 100

4.2 Подготовка образцов. Схема и параметры облучения 101

4.2.1 Индуцирование астигматизма в роговицах 102

4.2.2 Схема облучения 1 4.3 Экспериментальные результаты 105

4.4 Обсуждение полученных результатов. 108

4.5 Заключение к Главе 4 112

Глава 5. Модель оптимизации процесса УФ/рибофлавин упрочнения (кросс-линкинга) роговицы . 114

5.1 Кинетические уравнения процесса радикальной фотополимеризации. 115

5.2 Квазистационарный режим радикальной фотополимеризации. Уравнение для концентрации мономера. 119

5.3 Пространственно-временные распределения степени конверсии мономера в полимер 121

5.3.1 Коэффициент поглощения комплекса «рибофлавин - строма» не зависит от времени . 122

5.3.2 Случай, когда свет поглощается только молекулами фотоинициатора. 124

5.3.3 Средняя длина цепей полимерных макромолекул. 126

5.4 Упрочнение стромы глаза на основе механизма радикальной фотополимеризации.

Перколяционный порог упрочнения. Оптимальные условия облучения 127

5.4.1 Упрочнение роговицы при независящем от времени коэффициенте поглощения комплекса «рибофлавин - строма» 130

5.4.2 Упрочнение роговицы при поглощении излучения только молекулами фотоинициатора 133

5.5 Заключение к Главе 5 135

Приложения 136

Приложение 1. Результаты коррекции аномалий рефракции у пациентов с использованием

полноапертурного гауссова пучка ArF эксимерного лазера. 136

Приложение 2. Оптоволоконный корнеарефрактометр 141

Приложение 3. Измеритель фотоупругости (ИФУ) прозрачных сред. 145

Список сокращений и условных обозначений 151

Литература

• Роговица глаза. Строение и свойства
• Форма распределения энергии по сечению лазерного пучка для коррекции дальнозоркости и астигматизма
• Расчет отношения интенсивностей направленной и диффузной компонент рассеянного света
• Коэффициент поглощения комплекса «рибофлавин - строма» не зависит от времени

Введение к работе

Актуальность работы

Методы коррекции зрения с использованием излучения эксимерных лазеров (эксимерлазерная коррекция) развиваются и активно применяются в клинической практике на протяжении последних 25 лет. Сегодня они практически вытеснили ранее широко применявшиеся методы радиальных и тангенциальных разрезов роговицы (кератотомия), а также термокератопластику. Использование процесса фотоабляции поверхности роговицы излучением эксимерного лазера позволило изменять ее кривизну с высокой точностью, минимально нарушая ее внутреннюю структуру. Однако, несмотря на то, что методы эксимерлазерной коррекции зрения дают прогнозируемую остроту зрения в пределах ± 0.3 диоптрии, совокупность ряда характерных для них неконтролируемых факторов может негативно влиять на качество послеоперационного зрения. К ним, в частности, относятся увеличение коэффициента преломления аблированной поверхности роговицы, светорассеяние на шероховатостях зоны абляции и биомеханический отклик тканей роговицы, во многом определяющий конечную форму ее передней поверхности. Все это может приводить к разбросу в результатах операций, недостаточной или избыточной коррекции, снижению контрастной чувствительности зрения, ухудшению сумеречного зрения по сравнению с очковой коррекцией после операций. Поэтому изучение этих факторов, а также разработка методов оценки и учета их влияния в конкретных алгоритмах операций, являются одними из важнейших задач современной рефрактивной хирургии - области офтальмологии, занимающейся оперативным лечением нарушений рефракции глаза человека и животных.

В результате УФ лазерной абляции роговицы составляющие ее макромолекулы диссоциируют с образованием микро- и нанометровых фрагментов. Этот процесс может индуцироваться как фото-, так и термохимическими реакциями, сопровождающимися механическими напряжениями в объеме роговицы под воздействием лазерных импульсов. При этом глубина рельефа аблированной лазерным излучением поверхности роговицы будет зависеть от ее динамического (с учетом процессов затемнения-просветления) коэффициента поглощения на выбранной длине волны излучения и однородности распределения интенсивности по сечению лазерного пучка. На протяжении всего времени развития метода эксимерлазерной коррекции зрения предпринимаются попытки создания сложных оптико-механических систем для гомогенизации лазерного пучка. Однако эти системы не получили широкого распространения, поскольку, не смотря на то, что они становились все более сложными, громоздкими и дорогими (требуя трудоемкого обслуживания и калибровки), результаты операций от этого не становились лучше. После многочисленных, но неудачных попыток получить полноапертурный гомогенный пучок, следующим шагом в борьбе за качество аблированной поверхности роговицы стало значительное (до 1мм) уменьшение диаметра зоны воздействия. Такой подход потребовал применения высокоточной механики, сканирующих систем с применением движущихся зеркал, что существенно увеличило время операции и в свою очередь потребовало разработки сложных систем слежения за движениями оперируемого глаза. Но, и в этом случае, аблированная поверхность роговицы имела неудовлетворительное качество. Поэтому задача формирования импульсного УФ излучения эксимерных лазеров с заданным распределением энергии по сечению пучка по-прежнему остается чрезвычайно важной и актуальной.

Точность коррекции зрения после лазерных рефрактивных операций, непосредственно зависит от разницы между прогнозируемой формой поверхности роговицы (определяемой выбранным алгоритмом абляции), и реальной ее послеоперационной формой. Несмотря на то, что современные алгоритмы весьма эффективны для коррекции основных нарушений рефракции, послеоперационное качество зрения часто далеко от прогнозируемых результатов, особенно для

низкоконтрастных условий. До сих пор нет общих рекомендаций при выработке алгоритмов абляции, учитывающих асферичность передней поверхности исходной роговицы, первоначальный радиус кривизны роговицы, а также целый ряд других факторов, влияющих на конечную форму роговицы. К их числу следует отнести: энергетические потери на отражение света от поверхности роговицы при не перпендикулярном падении излучения, биомеханический (кератотопографический) отклик роговицы при абляции, неоднородность распределения энергии по сечению пучка лазера и непосредственно процессы заживления. Учет ошибок в прогнозировании свойств роговицы при лазерной абляции является в настоящее время основной задачей исследований в рефрактивной хирургии, определяющих успех разработок и создания высокоэффективного оборудования, имеющего оптимальное и контролируемое распределение интенсивности импульсного УФ излучения по сечению лазерных пучков.

Роговица, являясь частью роговично-склеральной оболочки, отвечает как за формирование изображения на сетчатке (поскольку обладает наибольшей оптической силой в оптической системе глаза), так и за механическую стабильность всей оболочки. Изменения структурной целостности роговицы при любой эксимерлазерной коррекции нарушений рефракции глаза приводит к изменению кривизны ее передней поверхности и, следовательно, ее оптических свойств. Однако даже в современных подходах рефракционной хирургии роговицу глаза рассматривают как однородное твердое тело, а любые отклонения результата коррекции от расчетных значений учитываются в операционных алгоритмах лишь эмпирически, с помощью различных поправочных коэффициентов. При этом специалисты едины во мнении, что механические свойства и внутренняя структура роговицы являются основой для понимания ее поведения в рефрактивной хирургии. Вопрос, как биомеханика роговицы может быть учтена в различных алгоритмах абляции, по-прежнему остается открытым. Здесь знание лишь одного или двух параметров (например, толщины и кривизны роговицы) является явно недостаточным. Имея сложное внутреннее строение и обладая нелинейными упругими свойствами, роговица непрогнозируемым образом меняет форму своей передней поверхности при нарушениях структурной стабильности, индуцированной хирургическим вмешательством. Поэтому вклад биомеханического отклика роговицы в качество зрения после лазерной коррекции до сих пор, как правило, относят к побочным эффектам операции.

Биомеханический отклик – не единственный не учитываемый сегодня фактор. Клинические наблюдения и данные экспериментальных исследований показывают, что после лазерных операций коррекции нарушений рефракции в случаях, когда аберрации высших порядков не превышают дооперационный уровень, а острота зрения равна 1, контрастная чувствительность зрения (особенно в условиях низкой освещенности и контраста) оказывается ниже, чем была до операции с коррекцией очками или контактными линзами. При этом послеоперационное восстановление контрастной чувствительности часто не достигает своего базового дооперационного уровня. Вероятная причина такого явления – это рассеяние света на шероховатостях операционной зоны. Поэтому определение влияния параметров шероховатостей рельефа в зоне абляции на качество послеоперационного зрения также является актуальной задачей.

Одним из осложнений после коррекции миопии высокой степени является развитие ятрогенной кератэктазии - дегенеративного процесса, приводящего к спонтанному изменению кривизны передней поверхности роговицы. Это обстоятельство инициировало поиск и развитие новых неинвазивных методов воздействия на роговицу, способных безопасно и эффективно стабилизировать дегенеративный процесс, повысить остроту зрения и улучшить качество жизни пациентов без хирургических вмешательств. В последнее время для повышения механической прочности послеоперационной роговицы широкое распространение получила техника кросс-линкинга, основанная на фотополимеризации стромального коллагена путем воздействия ультрафиолетового

излучения (365 нм) на рибофлавин (Витамин В₂), которым насыщают строму роговицы перед облучением и который выступает в качестве инициатора фотополимеризации. Одним из недостатков процедуры кросс-линкинга является продолжительное время операции. По существующему Дрезденскому протоколу общее время один час, включая закапывание в течение 30 минут (1 капля каждые 3 минуты) 0.1% раствора рибофлавина для получения желаемого распределение рибофлавина в роговице.

Существующие сегодня теоретические модели для оптимизации этого протокола (направленные, прежде всего, на сокращение длительности облучения) являются неточными и неполными. Они, например, не описывают наблюдаемый в эксперименте пороговый характер упрочнения роговицы - наличие упрочнения при низких и отсутствие такового при высоких интенсивностях облучения. Поэтому оптимизация процесса УФ/рибофлавин механического упрочнения (кросс-линкинга) роговицы является весьма актуальной задачей.

Диссертационная работа направлена на решение комплекса актуальных задач современной рефрактивной хирургии, связанных с использованием ArF эксимерного лазера. Разброс в результатах операций, недостаточная или избыточная коррекция, снижение контрастной чувствительности зрения, ухудшение после операций сумеречного зрения по сравнению с очковой коррекцией – все это является результатом несовершенства применяемых сегодня в клинической практике алгоритмов и техники.

Цель и основные задачи исследования

Целями работы являлись разработка систем формирования полноапертурного излучения эксимерных лазеров с оптимальным для рефрактивной хирургии распределением интенсивности по сечению луча и исследование особенностей их применения для эффективной коррекции рефрактивных дефектов зрения. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1. Формирование гомогенных пучков излучения эксимерного лазера с гауссовым
распределением плотности энергии по сечению и апертурой близкой к физиологической
для человеческого глаза (6 - 7 мм).

2. Изучение влияния шероховатостей зоны лазерной абляции и процессов заживления на
оптическое качество роговицы глаза после лазерных операций коррекции рефрактивных
дефектов зрения.

1. Определение вклада процесса абляции в оптическое качество аблированной поверхности роговицы в зависимости от длины волны лазерного излучения.

2. Изучение изменения формы передней поверхности роговицы при абляции полноапертурным гауссовым пучком эксимерного лазера с учетом ее начальной асферичности и биомеханического отклика.

3. Разработка математической модели упрочнения роговицы глаза, основанной на механизме радикальной фотополимеризации коллагена стромы в присутствии рибофлавина в качестве инициатора. Определение порога фотоупрочнения роговицы.

Научная новизна

1. Разработаны и созданы оптические системы формирования полноапертурного излучения ArF эксимерного лазера с гауссовым распределением плотности энергии по сечению пучка для коррекции рефрактивных дефектов зрения (миопия, астигматизм, гиперметропия, пресбиопия, кератоконус).

2. На основе теории рассеяния света при прохождении шероховатой границы двух сред с разными показателями преломления получено аналитическое выражение для отношения интенсивностей направленной I_dir и диффузной I_dif компонент рассеянного света в дальней зоне. Впервые показано, что, с учетом экспериментально измеренного в работе увеличения коэффициента преломления аблированной поверхности роговицы,

значения глубин шероховатостей ее рельефа, при которых I_dir = I_dif , составляют 3 - 4 микрона.

3. Предложен, разработан, экспериментально и клинически подтвержден способ управления формой передней поверхности роговицы глаза путем создания псевдомембраны в зоне абляции полноапертурным гауссовым пучком ArF эксимерного лазера.

4. Показано, что применение полноапертурного излучения ArF эксимерного лазера с гауссовым распределением плотности энергии по сечению пучка для коррекции высоких степеней миопии позволяет снизить влияние сферических аберраций, связанных с изменениями асферичности роговицы в процессе лазерной коррекции рефрактивных дефектов зрения.

5. На основе механизма радикальной фотополимеризации коллагена стромы роговицы в присутствии рибофлавина в качестве фотоинициатора и результатов расчетов с использованием теории перколяции определен пороговый уровень степени полимеризации, превышение которого должно вести к упрочнению роговицы благодаря формированию связанной трехмерной неупорядоченной сетки дополнительных поперечных сшивок.

Научно-практическое значение

1. Получен практический значимый критерий максимально допустимой глубины поверхностного рельефа аблированной роговицы (не более 3-4 мкм), определяющий требования к разрабатываемому медицинскому оборудованию и алгоритмам его использования.

2. Способ лазерного микролифтинга роговицы с помощью полноапертурного излучения ArF эксимерного лазера с гауссовым распределением энергии в пучке позволяет проводить:

коррекцию высоких степеней миопии с меньшими (по сравнению с традиционно используемыми в клиниках методиками) количествами удаляемой ткани роговицы и величинами индуцированных сферических аберраций;

коррекцию высоких степеней астигматизма и гиперметропии, оставляя нетронутым (интактным) оптический центр глаза;

коррекцию пресбиопии, а также изменение формы передней поверхности роговицы в случаях нерегулярного астигматизма и кератоконуса.

3. На основе разработанной математической модели упрочнения роговицы глаза,
показана возможность значительного сокращения операционного времени по
сравнению с существующим протоколом при оптимизации параметров процесса
кросслинкинга (УФ/рибофлавин упрочнения) роговицы глаза.

Основные положения, выносимые на защиту:

3. Оптические системы формирования полноапертурного излучения ArF эксимерного лазера на основе кварцевой пластинки с нанесенной на одну сторону крупномасштабной шероховатостью с гауссовой статистикой наклонов, фокусирующей линзы и диафрагмы обеспечивают гауссово распределение плотности энергии по сечению пучка и позволяют проводить эффективную коррекцию рефрактивных дефектов зрения.

4. При прохождении света через шероховатую границу сред с отличающимися коэффициентами преломления, критические значения глубин рельефа аблированной поверхности роговицы, начиная с которых интенсивность диффузной составляющей в прошедшем через поверхность световом потоке сравнивается с интенсивностью направленной составляющей, формирующей изображение на сетчатке глаза, зависят от коэффициента преломления послеоперационной зоны лазерной абляции.

3. Послеоперационная форма передней поверхности роговицы в лазерных операциях коррекции зрения определяется не только формой аблированной поверхности, но и биомеханическим откликом роговицы.

4. Вклад биомеханического отклика зависит от размера и формы зоны абляции, а также расстояния от центра зоны абляции до центра роговицы.

5. Увеличение жесткости роговицы глаза в процессе кросслинкинга начинается, когда степень конверсии коллагена ее стромы в полимер превысит пороговое значение: _pol = b_th = 0,16.

Личный вклад автора

Автор лично участвовал в проведении всех экспериментальных исследований и разработке математической модели фотоиндуцированного упрочнения роговицы глаза, в обработке, анализе и обсуждении полученных результатов, а также в написании научных статей и апробации результатов, изложенных в диссертации, на различных семинарах, конференциях и симпозиумах.

Достоверность научных результатов

Достоверность научных результатов подтверждается воспроизводимостью и надежностью использованных экспериментальных методов исследования и обусловлена клинической апробацией предложенных способов коррекции зрения в российских клиниках.

Апробация работы

Основные результаты работы были опубликованы в тезисах и трудах и представлены на международных и российских конференциях, в том числе: XXVI Congress of the ESCRS (Berlin, 2008); 18^th International Laser Workshop (Barcelona, 2009); III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии (Москва, 2010); Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ – 3,5,6) (Троицк, 2008, 2012, 2014); ICONO/LAT (Kazan, 2010); V и VI Российский общенациональный офтальмологический форум (Москва, 2012, 2013); Международная конференция «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул в лазерных, плазменных и нанотехнологиях» (Звенигород, Ершово 2008, 2012); FLAMN-13 (S-Petersburg, 2013); Конференция Биомеханика (С-Петербург 2012, Москва 2014); XI конференция «Лазеры и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и применения» (Шатура, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28 печатных работ (из них 9 статей в рецензируемых изданиях, входящих в список ВАК, 1 статья в коллективной монографии), а также получено два патента РФ.

Конкурсная поддержка работы. Значительная часть работ выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 183 ссылки, и 3 приложений. Общий объем – 162 страницы, в том числе 1 таблица и 75 рисунков.

Роговица глаза. Строение и свойства

Глазное яблоко - это сфероподобное тело диаметром около 25 мм, состоящее из трёх оболочек. Свет, попадая в глаз, сначала проходит через роговицу - прозрачную линзу, имеющую куполообразную форму. В ней отсутствуют кровеносные сосуды и имеется много нервных окончаний, поэтому при повреждениях или воспалении роговицы развивается так называемый роговичный синдром, (слезотечение, светобоязнь). Передняя поверхность роговицы покрыта эпителием, который обладает способностью к регенерации (восстановлению) при повреждении. Глубже располагается строма, состоящая из коллагеновых волокон, а изнутри роговица покрыта одним слоем эндотелиальных клеток. Выйдя из роговицы, свет попадает в заполненную жидкостью так называемую переднюю камеру глаза - пространство между внутренней поверхностью роговицы и радужной оболочкой. Радужная оболочка представляет собой диафрагму с отверстием в центре -зрачком, диаметр которого может меняться в зависимости от освещения, регулируя поток света, попадающий на сетчатку.

За радужкой располагается хрусталик – это двояковыпуклая линза, способная менять свою геометрию, являясь основным оптическим элементом аккомодации глаза. Хрусталик по всей окружности имеет похожие на нити циановые связки, которые соединяются с цилиарными мышцами, располагающимися в стенке глаза. Эти мышцы могут сокращаться и расслабляться. В зависимости от этого циановые связки могут также расслабляться или натягиваться, меняя радиус кривизны хрусталика - поэтому человек может видеть чётко как вблизи, так и вдали. Такая способность глаза называется аккомодацией.

За хрусталиком располагается стекловидное тело, занимающее большую часть глаза и придающее ему форму. Других функций оно не имеет, и свет практически не преломляет. Задняя стенка глаза состоит из девяти слоев клеток, которые формируют сетчатку глаза. Изображение формируется на небольшом участке сетчатки вдоль визуальной оси глаза в зоне желтого пятна, плотность колбочек и палочек в котором наибольшая. В сетчатке происходит преобразования световой энергии в энергию нервного импульса.

Для наиболее полного восприятия мозгом поступающей визуальной информации крайне важно, чтобы на сетчатке глаза было резкое изображение объекта. Оптика глаза работает подобно объективу фотоаппарата.

Для численного описания оптики глаза разработана эквивалентная модель глаза, где оптически важные элементы глаза человека заменены на соответствующие линзы, имеющие те же ключевые параметры, как и естественный глаз: оптическая сила, кривизна поверхностей, коэффициенты преломления, взаимная геометрия. В мире общепризнанной моделью глаза является модель шведского врача офтальмолога Альвара Гульстранда (1862-1930). На Рисунке 1.1. представлены оптическая схема и даны основные параметры глаза по Гульстранду. Из представленных на Рисунке 1.1 данных видно, что при общей оптической силе глаза в 60 диоптрий, на долю передней поверхности роговицы приходится более двух третей: 48 диоптрий [1]. Естественно такой большой вклад передней поверхности роговицы глаза в оптическую силу всего глаза приводит к тому, что любое даже очень слабое изменение ее формы или качества поверхности приводит к существенному влиянию на качество изображения на сетчатке. Учитывая факт, что роговица глаза, являясь частью внешней оболочки глаза, легко доступна для хирургических вмешательств, становится ясно, что передняя поверхность роговицы глаза – самый удобный объект для коррекции аномалий рефракции путем изменения формы (ремоделирования) поверхности роговицы глаза. Следует заметить, что особая роль передней поверхности роговицы в оптической системе глаза может серьезно повлиять на конечный результат коррекции из-за неконтролируемых процессов послеоперационного биомеханического отклика и заживления, которые могут повлиять на конечную форму роговицы, а через нее и на качество изображения на сетчатке. Рисунок 1.1 – Оптическая система глаза по Гульстранду.

Роговица - прозрачная одна шестая часть фиброзной оболочки глаза [2], представляет собой выпукло-вогнутую линзу. Среднестатистические геометрические размеры роговицы человека: горизонтальный диаметр 12мм; средняя толщина роговицы в центре 520 мкм. Роговица выполняет три основные функции: (а) защищает внутреннее содержимое глаза; (б) определяет форму глаза и (в) преломляет свет [3].

Оптические свойства роговицы определяются прозрачностью, формой и более высоким (1,377) показателем преломления по сравнению с воздухом (1,0). Поскольку оптическая плотность роговицы и водянистой влаги (1,366) передней камеры глаза практически одинакова, то преломление светового пучка осуществляется, в основном, ее передней поверхностью. В воздушном же "окружении" (например, при введении после экстракции катаракты в переднюю камеру пузырька воздуха) роговица ведет себя уже как слабая отрицательная линза (средний радиус кривизны передней поверхности роговицы 7,7 мм, задней 6,8 мм).

Роговица состоит из пяти слоев различных тканей: наружный слой – эпителий; внутренний – эндотелий и центральный слой – строма (см. Рисунок 1.2). Строма отделена от эпителия и эндотелия двумя клеточными структурами – Боуменова и Десцеметова мембраны. Наружный слой, если не принимать во внимание слезную пленку, которую не включают в состав роговицы, это эпителий. Толщина эпителия порядка 50 мкм. Эпителий состоит из нескольких слоев плоских клеток и восстанавливается при повреждениях. Роговица это бессосудистая часть глазной оболочки [4, 5] и за "доставку кислорода" отвечает именно эпителий, забирающий его из слезной пленки, которая покрывает поверхность глаза. Эпителий также регулирует поступление жидкости внутрь глаза.

Следующий слой это Боуменова мембрана. Она расположена сразу под эпителием и является самой жесткой частью роговицы (в пересчете на единицу толщины) и отвечает за защиту внутренних слоев роговицы. Толщина Боуменовой мембраны 10 мкм. При повреждении не восстанавливается.

Строма - наиболее объемная часть роговицы. Основная ее часть - коллагеновые волокна, расположенные горизонтальными слоями. Более подробно о строении стромы будет изложено ниже.

Десцеметова мембрана - отделяет строму от эндотелия. Обладает высокой эластичностью и устойчива к повреждениям.

Эндотелий – слой клеток, который покрывает внутреннюю часть роговицы. Эндотелий играет исключительную роль в питании роговицы и поддержании постоянного уровня содержания воды. Выполняет очень важную функцию "активного насоса", отвечающего за то, чтобы лишняя жидкость не скапливалась в роговице (иначе произойдет ее отек). Таким образом, эндотелий поддерживает прозрачность роговицы. Согласно современному пониманию структуры стромы [6, 7] , роговичные пластинки состоят из волокон коллагена, которые распространяются от одной стороны лимба к противоположенной. Волокна коллагена имеют 30 нм в диаметре, 12 мм в длину и имеют дугообразную форму подобную той, что изображена на Рисунке 1.3 слева вверху. На микро уровне строма, которая занимает 90% всей толщины роговицы, состоит из пересекающихся ламелл, как это изображено на Рисунке 1.3 справа вверху. Роговица обладает вискоэластичными свойствами [8-10]. Коллагеновые фибриллы встроены в протеогликановый матрикс [11, 12]. Коллагеновые волокна в роговице располагаются по разному. Вблизи поверхности волокна тоньше и расположены достаточно хаотично, в то время как в глубине толще, количество их больше, а расположены они достаточно упорядоченно.

Форма распределения энергии по сечению лазерного пучка для коррекции дальнозоркости и астигматизма

Под воздействием короткого лазерного импульса увеличивается собственный объем материала роговицы глаза. Причиной этого являются фотохимические реакции при воздействии УФ излучения и/или закипание воды за счет возрастания температуры. Под воздействием короткого лазерного импульса в роговице глаза возникает деформация, характерная глубина которой d « l/aeff . Соответственно, появляются недиагональные компоненты тензора механического напряжения [65], проявляющиеся при любом профиле лазерного луча вблизи его границ там, где интенсивность меняется максимально сильно. За счет этого вблизи границы появляются шероховатости в плоскости XY с характерным размером не менее 1/oceff Поэтому для получения высокого качества аблированной поверхности надо максимально увеличивать эффективный коэффициент поглощения. При этом: 1) чем больше эффективный коэффициент поглощения, тем выше мгновенная температура, выше механическое напряжение, тем меньше необходимая для абляции плотность энергии лазера; 2) чем больше эффективный коэффициент поглощения, тем меньше характерный размер шероховатости биоткани, неизбежно образующийся в процессе лазерной абляции. Согласно простейшей обработке экспериментальных результатов работы [66], максимальное отклонение по модулю высоты рельефа абляции при использовании излучения ArF лазера для коррекции зрения h « 4.2 мкм (среднеквадратичное отклонение равно +/- 1.53 мкм), и среднеквадратичный размер шероховатости в плоскости XY 10 « 280 мкм. 1

Кратковременное, менее миллисекунды, существование высокой температуры и УФ излучения ведет к созданию псевдомембраны в зоне лазерной абляции [68, 69]. При этом средняя температура роговицы остается практически неизменной. Излучение эксимерного лазера разрывает макромолекулы коллагена и гликозаминогликанов в строме роговицы [58], в результате чего образуется мембрана, состоящая из остатков аблированного материала в аморфном денатурированном состоянии с низким содержанием воды и более высоким, чем исходная стромальная ткань коэффициентом преломления [70]. При этом псевдомембрана остается связанной с подлежащим субстратом [68, 69]. Измеряемое увеличение коэффициента преломления вызвано увеличением плотности аблированной поверхности, которое, в свою очередь, приводит к механической деформации роговицы за счет изменения объема псевдомембраны по сравнению с объемом необлученного стромального коллагена. Изменение формы передней поверхности роговицы в этом случае, как будет показано в Главе 4, происходит не только за счет удаления части стромы, но и за счет биомеханического отклика роговицы на такое воздействие. В отличие от тепловых методов коррекции зрения при УФ лазерной абляции сохраняется целостность внутренней структуры роговицы.

С момента открытия С. Трокелем [50] возможности использования ArF эксимерного лазера, как источника излучения для коррекции аномалий рефракции глаза, он практически не претерпел изменений — та же длина волны излучения (193 нм), те же параметры используемой плотности энергии. Однако существенной модификации подверглась оптическая система формирования и доставки пучка эксимерного лазера к глазу. В первых опытах применения эксимерного лазера в глазной хирургии он использовался для процедуры, подобной радиальной кератотомии. На пути излучения эксимерного лазера прямоугольного сечения устанавливалась маска, эмитировавшая радиальные надрезы. Клинические и гистологические исследования, проведенные Д. Арон-Роса [71] выявили интересную особенность данного подхода. В надрезе, выполненном эксимерным лазером практически отсутствует зона некроза характерная при применениях лазерного излучения в хирургии, что не вызывает процессов заживления роговичной ткани. Эта особенность оказалась решающей для его дальнейшего использования в коррекции аномалий рефракции глаза. Развивая технологии лазерной абляции роговицы для моделирования ее поверхности, Meditek (Германия), а позднее Nidek (Япония), Summit (США) и другие компании, разработали различные механические сканирующие системы, используя движущиеся и вращающиеся щели для придания поверхности роговицы нужной формы. В результате роговица получалась недостаточно качественной и гладкой — следы от движущейся щели были легко различимы на ее поверхности, что приводило к ухудшению оптического качества и значительным осложнениям при заживлении. Гладкая и ровная послеоперационная поверхность роговицы – необходимое условие для достижения хороших результатов после окончания процессов заживления (реэпителизации). Каждый изъян поверхности роговицы являлся центром роста клеток эпителия и увеличения количества кератоцитов, что приводило, в конечном счете, как отмечено выше, к субэпителиальному или интрастромальному помутнению и регрессу результатов лазерной коррекции зрения. Другой подход, представленный Трокелем и воплощенный компанией Summit, а позднее и другими, была так называемая «широкоапертурная» абляция поверхности роговицы, когда луч лазера проходил через автоматически раскрывающуюся диафрагму, формируя необходимый профиль поверхности роговицы. Но, не смотря на то, что результаты улучшились и достигли нового уровня, они все еще оставались неудовлетворительными. Излучение эксимерного лазера обычно сильно неоднородно по сечению пучка. Оно, как правило, имеет чередующиеся зоны высокой и низкой интенсивности, которые приводят к различным шероховатостям аблируемой поверхности.

Расчет отношения интенсивностей направленной и диффузной компонент рассеянного света

В таблице 1 приведены экспериментально измеренные в [92] значения глубин поверхностного рельефа при использовании механического микрокератома фирмы Nidek, а также фемтосекундных лазеров фирмы Intralase с частотой повторения импульсов 15 и 30 кГц и фирмы Davinci. Как видно из представленных в Таблице 1 результатов, шероховатости поверхности стромы примерно одинаковы как после применения микрокератома, так и фемтосекундных лазеров амплитуда шероховатостей составляет 2 3 мкм. Измерения показывают, что лазерная абляция роговицы с использованием самых современных хирургических установок дает дополнительные шероховатости на уровне от 2 до 4 мкм. Как показывают гистологические исследования и исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа сечений роговицы после открытия лоскута и репозиционирования его обратно на стромальное ложе (как в методе ЛАСИК), образуется полость, то есть лоскут неплотно прилегает к стромальной части роговицы. После проведения лазерной абляции зазор может только увеличиваться. Из-за нарушения биомеханической целостности роговицы лоскут не двигается как единое целое с роговичным ложем, что еще более способствует его неплотному прилеганию.

Скорее всего, в благоприятном случае, этот зазор будет заполнен жидкостью, по оптическим параметрам близкой к внутриглазной жидкости. Анализ шероховатостей, образующихся после лазерной абляции на поверхности стромы, дает величину длины корреляции порядка lc 100 мкм. Из представленных на Рисунках 3.2 и 3.3 зависимостей видно, что при глубине шероховатостей более 10 длин волн (h 10), практически вся энергия падающего излучения сосредоточена в диффузной составляющей. При этом отношение интенсивности направленной составляющей, которая дает резкое изображение на сетчатке, к интенсивности диффузной компоненты близко к 1. Определим ширину распределения 2dif интенсивности диффузной составляющей по уровню exp(-2) на сетчатке по формуле 2dif = 4h/lc(n2/n1-1)f [127], где f – фокусное расстояние линзы. Значение фокусного расстояния редуцированного глаза равно 17 мм, а отношение h/lc примем равным 0,05. Тогда легко вычислить, что в зависимости от n, диаметр пятна засветки на сетчатке будет в пределах 100 - 200 мкм. Амплитуда рельефа поверхности, при которой рассеянная компонента становится существенной и направленной компонентой можно пренебречь, определяется условием Idif Idir [10]: 2ж2{п2-щ)2{ ln

Шероховатости аблированной лазерным излучением поверхности роговицы обусловлены суперпозицией неоднородностей, связанных непосредственно с конкретным механизмом абляции, и неоднородностей, образующихся за счет нерегулярности распределения энергии по сечению лазерного пучка. Вклад неоднородностей лазерного излучения тем сильней, чем больше амплитуда флуктуаций энергии в пучке. При этом качество поверхности роговицы, определяемое механизмом абляции, существенным образом зависит от величины коэффициента поглощения, а значит и от длины волны излучения лазера. Определим параметры поверхностного рельефа при абляции роговицы излучением лазеров с разными длинами волн, а значит и с разными коэффициентами динамического поглощения. Под термином динамическое поглощение будем понимать коэффициент поглощения роговицы в процессе абляции с учетом эффектов ее просветления или затемнения.

Лазерная абляция биоматериалов может индуцироваться фотохимическими реакциями, механическими напряжениями, а также повышенной температурой, возникающими в материале при воздействии лазерных импульсов. Одной из ее важнейших характеристик является пространственное разрешение dП, определяющее минимальный размер биоткани, который может быть удален в процессе абляции, при предельном, 5-образном, профиле инициирующего лазерного излучения. Фактически dП - это предельный минимальный размер шероховатости, образующийся на поверхности роговицы глаза после лазерной абляции. 3.3.1.1 Механизм лазерной абляции роговицы

Роговица глаза состоит из коллагена (II типа) и воды в соотношении 22:78 [50]. Известно, что резкое нарастание коэффициента поглощения воды в УФ диапазоне начинается для длин волн вакуумного УФ (Л 170 180 нм). Сегодня этот диапазон длин волн не используется в биомедицинских приложениях. В УФ диапазоне, в области длин волн Л 190-200 нм, поглощение, в основном, обусловлено органической компонентой роговицы, и поглощение воды здесь можно не учитывать. Исходный коэффициент поглощения роговицы довольно слабо меняется в диапазоне Л= 190 -210 нм, и уменьшается примерно в 10 раз для Л 240 нм. Поэтому на практике среди лазеров УФ диапазона для коррекции зрения используется излучение ArF эксимерного лазера (Л = 193 нм) и 5-ой гармоники Nd:YAG лазера (Л = 213 нм) [51].

В ближнем ИК диапазоне поглощение роговицы определяется спектром поглощения воды, с максимумом в области 3 мкм [146], связанным с валентными колебаниями О-Н групп. На Рисунке 3.5 приведен спектр поглощения роговицы глаза в УФ и ИК областях спектра, а ниже указаны длины волн наиболее известных лазеров, излучающих в этом диапазоне длин волн.

Коэффициент поглощения роговицы на длине волны 193 нм, измеренный в [50] при доабляционных плотностях энергии, составил а(Л =193 нм) « 2.7 103 см1 . Основы теории, описывающей процесс лазерной абляции роговицы глаза, под воздействием одиночного импульса излучения ArF лазера, изложены в работе [58]. Органическая составляющая роговицы глаза - это коллаген [57]. Из аминокислот, входящих в состав коллагена, существенно поглощает УФ излучение глицин (Gly) (около 33% от массы коллагена) и пролин (Pro) (примерно 25%). Описание механизма лазерной абляции роговицы глаза, во многом сходно с фотомеханической моделью, описывающей аналогичный процесс абляции полиметилметакрилата (ПММА) [147].

Коэффициент поглощения комплекса «рибофлавин - строма» не зависит от времени

Развита модель упрочнения роговицы глаза, основанная на механизме радикальной фотополимеризации коллагена стромы в присутствии рибофлавина, выступающего в качестве инициатора. На основе теории перколяции, введен пороговый уровень степени конверсии исходного коллагена в сшитый полимер, превышение которого должно вести, по нашему мнению, к упрочнению роговицы благодаря формированию связанной трехмерной неупорядоченной решетки, пронизывающей весь макроскопический объем, занимаемый макромолекулами полимеризованного коллагена. Модель предсказывает упрочнение роговицы при малых интенсивностях и отсутствие упрочнения при интенсивностях выше пороговой, что согласуется с экспериментом [175]. Кроме того, из теории следует, что существует оптимальная интенсивность, при которой длительность светового облучения, необходимая для упрочнения роговицы, может быть значительно уменьшена (до 70 80 сек) по сравнению с длительностью, предписываемой Дрезденским протоколом (30 мин) [182]. Определены интервалы оптимальных интенсивностей и минимальных длительностей облучения для реальной роговицы глаза.

Использование полноапертурного гауссова пучка эксимерного лазера для коррекции миопии, как было показано в Главе 2, является оптимальным. Однако, в зависимости от начальной кривизны роговицы, диаметр зоны абляции (а значит и глубина абляции в центре глаза) для коррекции одной диоптрии может меняться. Так, если диаметр зоны абляции плоской поверхности составляет 6.5 мм, то при абляции поверхности реального глаза он может быть меньше на 1.5 – 2.0 мм. Как показали результаты коррекции высоких степеней миопии, проведенные нами в пяти разных клиниках, использующих полноапертурный гауссов пучок ArF лазера (энергия в импульсе порядка 45 мДж, интенсивность в максимуме порядка 180-200 мДж/см2, частота повторений импульсов 20 Гц), разница в объеме аблируемой ткани роговицы при коррекции высоких степеней миопии может достигать нескольких десятков процентов по сравнению с классическим алгоритмом абляции по Муннерлину для зоны диаметром 6,5 мм. На Рисунке П1.1 показаны клинические результаты степени коррекции миопии в зависимости от глубины абляции в центре роговицы (красная кривая). Для сравнения приведена эта же зависимость, рассчитанная по Муннерлину (желтая прямая). Видно, что, например, при глубине абляции 120 мкм, коррекция полноапертурным гауссовым пучком составляет 10 диоптрий (12мкм/дптр), а по Муннерлину - 8 диоптрий (15мкм/дптр). К сожалению, ни в одной из клиник не проводились измерения индуцированных аберраций высших порядков. Хотя жалоб пациентов на осложнения связанные с аберрациями (глэр, звезды при рассматривании ламп в сумерки) не было. При использовании полноапертурного гауссова пучка для коррекции миопии формируется плавная переходная зона от необлученной части периферии роговицы к центральной части, что положительно сказывается на качестве послеоперационного зрения.

Коррекция формы роговицы при кератоконусе Способ нецентральной абляции позволил контролировать форму передней поверхности роговицы и сформировать более регулярную форму поверхности, что не только позволило улучшить остроту зрения пациентам с нерегулярным астигматизмом/кератоконусом, но и сделало возможным пользование жесткими контактными линзами пациентам, которые были не толерантны к контактным линзам. В некоторых случаях пациентам удается перейти на ношение очков. На Рисунке П1.5 представлены топограммы глаза с кератоконусом. Слева - до операции, справа – после. Выбранные области абляции отмечены красным цветом. Диаметр каждой зоны абляции составлял 3 мм. Абляция проводилась полноапертурным гауссовым пучком с плотностью энергией в центре 100 мДж/см2. Количество импульсов и место на поверхности роговицы задается хирургом.

В качестве источника излучения использовался светодиод IDL5S-1300 с длиной волны 1,3 мкм. Оптическое кварц-кварцевое волокно имело диаметр внутренней жилы 9 мкм. Устройство обработки сигналов выполнено на базе персонального компьютера «Pentium 4». Наконечник изготовлен из нержавеющей стали, а расширитель излучения состоял из собирающей линзы с диаметром 2.0 мм, изготовленной из фианита (коэффициент преломления 2.20). При этом площадь его соприкосновения с исследуемой средой значительно увеличилась (более 4104 раз), что существенно повышает безопасность при измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза. Нормировка сигналов (деление величины амплитуды отраженного излучения на величину амплитуды опорного излучения) позволяет избежать влияния нестабильности мощности излучения лазерного диода на проводимые измерения. Калибровка оптоволоконного корнеарефрактометра с использованием среды с известным показателем преломления (дистиллированная вода, толуол) позволяет получить на выходе системы обработки сигналов значение, соответствующее показателю преломления исследуемой среды в точке измерения.

Использование в качестве материала для изготовления расширителя оптического излучения, материалов с большим коэффициентом преломления, например, фианита вместо обычного кварцевого стекла позволяет повысить точность измерений коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза. Это связано с тем, что точность измерений увеличивается с увеличением амплитуды отраженного от торца собирающей линзы сигнала, которая пропорциональна разности коэффициентов преломления материала линзы и измеряемой среды Простой расчет показывает, что при использовании вместо кварцевого стекла (коэффициент преломления 1.5) фианита (коэффициент преломления 2.20) амплитуда отраженного от торца собирающей линзы, соприкасающегося с роговицей глаза (коэффициент преломления 1.37), сигнала возрастает в 65 раз.

Важным критерием конструкции зонда, пригодного для серийного производства, является невысокая стоимость и доступность основных компонентов. Нами предложена конструкция зонда для корнеарефрактометра на основе стандартного элемента волоконной оптики – градана и отрезка сапфирового или ZrO2 (фианит) стержней. Градан представляет собой микроколлиматор на основе градиентной линзы, съюстированной со стандартным одномодовым световодом.