CC BY
102
ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОУПРУГОСТИ РОГОВИЦЫ ГЛАЗА. АСТИГМАТИЗМ И АНОМАЛИИ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ РОГОВИЦЫ
Семчишен А.В.1, Семчишен В. А.2
1МГУ им.М.В .Ломоносова, Физический факультет, кафедра медицинской физики, г.Москва
Ленинские горы д.1, tonymob@yandex.ru 2ИПЛИТ РАН, г.Троицк Пионерская ул. Дом 2, sem@laser.ru
Для определения и визуализации внутренних механических напряжений в роговице глаза был разработан и изготовлен прибор: «Измеритель фотоупругости прозрачных биосред». Проведены предварительные эксперименты по измерению распределения внутренних напряжений в роговицах со значительным (~3D) астигматизмом до и после коррекции. Показано, что астигматизм не связан с особенностями распределения внутренних механических напряжений.
Введение. Знание индивидуальных аберраций глаза до операции подтолкнуло хирургов к идее коррекции не только сфероцилиндрических аберраций, но и аберраций высших порядков. Первые же операции с аберрометрическим контролем дали большой разброс результатов. Исследования последних лет показали, что прежде чем пытаться скорректировать существующие дооперационные аберрации высших порядков, необходимо разработать и оптимизировать алгоритм абляции, исключающий индуцирование новых аберраций высших порядков при коррекции обычных ошибок рефракции. Остается невыясненным вклад биомеханического отклика роговицы и процесса послеоперационного заживления в конечную равновесную форму послеоперационной поверхности роговицы при осесимметричном и неосесимметричном алгоритме абляции. Знание распределения внутренних напряжений в роговице до операции коррекции зрения позволило бы прогнозировать индивидуальный отклик роговицы на любые изменения формы поверхности и структуры роговицы. Поэтому задача визуализации механических напряжений в роговице и последующий расчетный прогноз изменений геометрии поверхности при удалении (абляции) части роговичной ткани является на сегодняшний день наиболее актуальной для рефрактивной хирургии. Нами был разработан и изготовлен прибор «Измеритель фотоупругости прозрачных биосред», который явлется диагностическим прибором, предназначенным для качественной оценки картины распределения внутренних механических напряжений в роговице человеческого глаза. Прибор основан на поляризационно-оптической методике измерения механических напряжений в твердых телах. Измерения производятся без контакта механических частей прибора с исследуемым объектом. Возможны измерения как модельных образцов, так и объектов in vivo.
Причина природного астигматизма до настоящего времени не ясна. Связано ли проявление нарушения центральной симметрии формы поверхности роговицы с внутренним распределением механических напряжений или это особенности внутренней архитектуры фибрилл. Может быть это связано с анизотропией поверхностных тангенциальных напряжений. Данная работа делает попытку
установить связь между картиной внутренних напряжений роговицы, измеренных поляризационно-оптическим методом, и клиническими проявлениями астигматизма. Установление такой связи позволит точнее понять природу астигматизма и разработать более точные методы его коррекции.
Приборы и методы. Для измерения внутренних напряжений в роговице был выбран поляризационно-оптический метод, основанный на хорошо известном эффекте фотоупругости [1]. Приумущество данного метода: неинвазивность, простая схема измерений для роговицы, обусловленная ее прозрачностью и структурой. Прибор «Измеритель фотоупругости прозрачных биосред » представляет собой специализированный отражательный полярископ типа Нёренберга [2]. Прибор предназначен для получения качественной оценки картины
напряжений, оценки их величины и направления. В отличие от исследований напряжений в различных непрозрачных твердых телах, где двоякопреломляющая пластинка с зеркалом приклеивается к исследуемому образцу, роговица является объектом исследования, который сам обладает двулучепреломлением. В качестве зеркала в глазу выступает радужная оболочка (Iris). На рис. 1 представлена оптическая схема измерителя.
В качестве источника поляризованного света используется диодная лампа с плоским поляризатором. Поляризованный свет проходит через конденсор, и, отражаясь от полупрозрачного зеркала, направляется в исследуемый глаз.
Отраженный от радужки свет проходит полупрозрачное зеркало и попадает на анализатор, который настроен на работу в режиме «тёмного поля» (скрещен с поляризатором). Изображение после анализатора фокусируется объективом на ПЗС матрице промышленной видеокамеры. Полученная коноскопическая картина с видеокамеры кодируется и передается в ЭВМ по информационной шине USB 2.
Рисунок 1. Принципиальная оптическая схема «Измерителя фотоупругости прозрачных биосред »
Для проведения измерений, прибор соединяется с ПК, на котором установленно соответствующее ПО. В интерфейсном окне отображается видоискатель, с помощью которого обеспечивается наведение для съемки всей поверхности роговицы. Для точной установки прибора возможно использование фиксации головы пациента с последующей корректировкой положения прибора на подвижном подвесе или использование прибора на операционной установке (в этом случае двигается кресло пациента). Коноскопическая картинка роговицы представлена на Рис. 2. Виден темный крест, состоящий из изоклин, и цветные замкнутые кривые в основании роговицы - изохромы.
Веко
Склера
Радужная оболочка
Изоклины
Зрачок
изображение на сетчатке
Распределение
напряжении
Лимб
Рисунок 2. Коноскопическая картина роговицы
Наблюдаемый эффект обусловлен интерференцией «обыкновенного» и «необыкновенного» луча. Чем больше величина напряжений, тем больше порядков интерференционных фигур мы можем увидеть. Действительно, на Рис. 2 видно присутствие изохром двух порядков - внешнее и внутреннее цветное кольцо. Поскольку при наличии градиентов напряжений все точки, в которых при данной величине нагрузки относительные разности хода (и, соответственно, наибольшие касательные напряжения) одинаковы, представляются одним цветом и образуют полосу интерференции - изохрому. Эти полосы являются геометрическим местом точек одинаковых наибольших касательных напряжений. Таким образом, мы получаем картину, состоящую из линий, в которых напряжения одинаковы. По этим линиям можно судить о градиенте напряжений в плоскости роговицы, хотя сложно судить о величине напряжений. Следует отметить: разность хода набирается по всей толщине роговицы, поэтому картина изохром отображает распределение напряжений в плоскости роговицы от всего объема, и не несет информации о распределении поверхностных тангенциальных напряжений. Результаты. Зафиксировав коноскопическую картинку роговицы пациента (см. рис.3) на экране монитора и в памяти ПК, с помощью мыши выделяем одну из изохром. Используя стандартный софт, который адаптирован к данному прибору, строим зависимость отличия выделенной изохромы от идеальной окружности от угла. На Рис. 3 желтым цветом выделена изохрома. Внизу дана диаграмма, показывающая разницу между структурой реальных напряжений в роговице пациента и таковых в идеальном глазу. Как видно из данной диаграммы аномально сильное напряжение в исследуемой роговице наблюдается в направлении 46 градусов. Следует отметить, что аномалии в распределении внутренних напряжений в роговице могут никак не проявляться в топограммах или сказываться на аберрациях. Связано ли наличие индивидуальных аномалий внутренних напряжений в роговице с постоянным астигматизмом? Представленная на Рис. 3 роговица пациента имеет высокую неоднородность напряжений в роговице, однако при клиническом исследовании астигматизм у этого пациента не выявлен.
Для исследования были выбраны пациенты, которым будет проведена коррекция астигматизма методом эксимерлазерной абляции в парацентральной зоне. Суть этого метода заключается в том, что с помощью луча эксимерного лазера (ЛгБ 193 нм) с шириной пучка 3,5 мм и распределением энергии по сечению
по закону Гаусса, аблируют две области вдоль слабой оси астигматизма, оставляя 3 мм зону в центре интактной.
На рисунке 4 представлены данные визуса пациента до и после операции эксимер лазерной коррекции астигматизма.
г аг ег *г іит іну ївс гю- но' па- зда- эао- зм'
Рис. 3. Коноскопическая картина роговицы глаза. Желтым цветом выделена изохрома и отмечены углы отсчета верхняя часть). Внизу - диаграмма распределения внутренних напряжений в роговице.
46о и 303о - направления наибольших аномалей напряжений.
Левый глаз пациента до операции имеет миопический астигматизм 3 диоптрии по оси 40о и визус 0,5. При этом аномалия внутреннего напряжения роговицы вдоль 130о. После операции коррекции зрения визус 1,0, а распределение напряжений не изменилось.
Выводы Проведя исследование на пациентах, подвергнутых коррекции астигматизма, до и после операции, было выявлено несовпадение углов направлений осей астогматизма и направлений максимальных (минимальных) напряжений. Также после коррекции астигматизма и следовательно изменения формы поверхности роговицы - картина внутренних напряжений практически не изменяется. Поскольку при коррекции астигматизма выборка материала производится в приповерхностном слое, можно предположить, что именно поверхностные напряжения влияют на форму поверхности роговицы. Вклад поверхностных напряжений в общую картину напряжений по всей толщине роговицы не велик и поэтому не мог быть зафиксирован в эксперименте.
Вывод направления осей астигматизма не совпадают с направлением градиента напряжений. Картина распределения напряжений в роговице не меняется при операциях коррекции астигматизма.
'
а) -0,5 dpt 01125°; Visus: 0,5
lb) -3,0 dpt @40°; Visus: 0,5
Распределение напряжений
™ до после
)' ЗІР To s P 120’ 150’ II r 210' 240’ 2 0‘ 30C* 330 ' 3ÖC
— до » после
Рисунок 4. Коноскопические картинки левого и правого глаз пациента до и после операции коррекции астигматизма а), Ь) и с),ф соответственно. Внизу диаграммы напряжений до - красные
кривые и после - синие кривые.
[1] Н.Жевандов Применение поляризованного света изд.Наука 1978г.
[2] А.Дюрелли, У.Райли ВВЕДЕНИЕ В ФОТОМЕХАНИКУ - Поляризационно оптический метод, изд.МИР 1970г.
[3] W.Cope Corneal Polarization Cross J. Opt. Soc. Am. Vol68 №8 August 1978.
[4] Dimitri A. Chernyak , Peter M. Pinsky & Dolf van der Heide, A Constitutive Theory for Human Corneal and Scleral Tissue, EVER 2006.
EYE CORNEA PHOTOELASTISITY MEASEREMENT. ASTIGMATISM AND INTERNAL MICHANICAL STRESS DISTRIBUTION
A.V. Semchishen1, V.A. Semchishen 2 1 Moscow State University, Physics Faculty, tonymob@yandex.ru 2 The Institute on Laser and Information Technologies of the Russian Academy of Sciences (ILIT RAS) ) 1 Svyatoozerskaya St. 140700 Shatura Moscow Region, RUSSIA e-mail: sem@laser.ru, fax: (496)45 22532
The device for measurement of photoelasticity of transparent biological tissues was developed for determination and visualization of mechanical strength in the eye cornea. Preliminary tests were held to measure the distribution of internal strength in the cornea with significant more then 3 D astigmatism before and after correction. It was demonstrated that astigmatism is not depend on anomalies of internal mechanical strength distributions.
