Лазерная термокератопластика (ЛТК): программное обеспечение принятия решений при выборе плана хирургии Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Системы поддержки принятия врачебных решений

www.idmz.ru

гол i, Na г

■■ I

РЧН

И.А. МУШКОВА,

к.м.н., старший научный сотрудник ФГУ МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова, г. Москва, lablasers@yahoo.com

А.В. ДОГА,

д.м.н., заместитель генерального директора ФГУ МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова, г. Москва, alexander_doga@mail.ru

А.Н. БЕССАРАБОВ,

к.т.н., заведующий отделом математического обеспечения ФГУ МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова, г. Москва, a.n.bessarabov@mntk.ru

ЛАЗЕРНАЯ ТЕРМОКЕРАТОПЛАСТИКА (ЛТК): ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ВЫБОРЕ ПЛАНА ХИРУРГИИ

УДК 617.7; 519.711.3

Мушкова И.А., Дога А.В., Бессарабов А.Н. Лазерная термокератопластика (ЛТК): программное обеспечение принятия решений при выборе плана хирургии (ФГУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова Росмедтехнологии», Москва)

Аннотация: Статья посвящена созданию программного обеспечения принятия решения как средства достижения высокой точности определения параметров хирургического вмешательства при планировании лазерной термокератопластики для коррекции гиперметропии, гиперметропического и смешанного астигматизма и получения оптимальных характеристик монокулярного и бинокулярного зрения.

Ключевые слова: термокератопластика; программное обеспечение; принятие решения; оптимальные параметры хирургического вмешательства.

UDC 617.7; 519.711.3

чГ

Mushkova I.A., Doga A., Bessarabov A.N. Laser thermokeratoplasty (LTK): software decisions when choosing a

plan for surgery (FGU «MNTK» Eye Microsurgery» them. Acad. SN Fyodorov, Moscow)

Abstract: The article is devoted to software development decision-making as a means of achieving high accuracy in determining the parameters of surgical planning thermokeratoplasty laser correction of hyperopia, hyperopic and mixed astigmatism and achieve optimum performance monocular and binocular vision.

Keywords: thermokeratoplasty; software; decision; optimal parameters of surgical intervention.

I

I

Гиперметропическая рефракция встречается примерно в 55-60% населения, что значительно чаще, чем при миопии. В молодом возрасте гиперметропия, гиперметропический и смешанный астигматизм приводят к развитию рефракционной амблиопии и косоглазия. В более старшем 40-50-летнем возрасте снижение зрения зачастую связано с проявлением скрытой части гиперметропии в связи с ослаблением аккомодации. Поэтому актуальны вопросы коррекции гиперметропической рефракции.

Методы инфракрасной лазерной коррекции гиперметропии, гиперметропического и смешанного астигматизма в последнее время получили широкое распространение. Это связано с тем, что для рефракционных хирургов всегда была привлекательна возможность усиления оптики роговицы путем воздействия только на периферическую ее часть без изменения толщины роговицы в цен-

© И.А. Мушкова, А.В. Дога, А.Н. Бессарабов, 2011 г.

■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 23 ■

РЧН

Системы поддержки принятия врачебных решений

и информационны

технологии

Ц)

> тральной зоне [1, 3, 7]. Этим требованиям соответствует метод лазерной термокерато-коагуляции (ЛТК), заключающейся в энергетическом воздействии на роговицу лазеров инфракрасного (ИК) диапазона с целью дозированного усиления ее рефракции в выбранных меридианах.

Так как в результате ЛТК необходимо получить оптимальные характеристики монокулярного и бинокулярного зрения, актуально создание средства достижения высокой точности определения параметров хирургического вмешательства при коррекции гиперметропии, гиперметропического и смешанного астигматизма.

Цель работы состояла в создании программного обеспечения принятия решения при планировании параметров ЛТК.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Анализ результатов коррекции простого гиперметропического и смешанного астигматизма с помощью ЛТК базировался на данных 98 пациентов (169 глаз) с простым (58 глаз) и смешанным (111 глаз) астигматизмом. Из них мужчин было 53, а женщин — 45. Средний возраст составил 47,0±3,9 года (от 21 до 67 лет). Величина роговичного астигматизма колебалась от 0,75 до 5,0 дптр., средний сферический эквивалент —0,18±1,09 дптр. (от -1,75 до +1,75 дптр.). У 122 глаз определялся прямой астигматизм, у 47 — обратный.

Анализ результатов коррекции гиперметропического астигматизма с помощью ЛТК базируется на данных 214 пациентов (274 глаза) со сложным гиперметропическим астигматизмом. Мужчин было 103, женщин — 111. Средний возраст составил 47,0±3,9 года (от 21 до 67 лет). Величина роговичного астигматизма колебалась от 0.75 до 5,0 дптр. Средний сферический эквивалент составил 3,73±1,04 дптр. (от 1,75 до 6,25 дптр.). У 242 глаз определялся прямой астигматизм, у 32 — обратный.

ЛТК выполняли на лазерной установке «ОКО-1» (Россия), Ho3+, Tm3+, Cr3+ с длиной

волны 2,12 мкм (рис. 1), которая заключалась в нанесении точечных интрастромальных коагулятов контактным способом (рис. 1, 3). Энергия воздействия изменялась от 130 до 190 мДж в зависимости от степени гиперметропии, астигматизма и возраста пациента, с частотой 10 Гц, длительностью лазерного импульса 500 мкс, временем формирования коагулята 0,5-2 с.

Задачей ЛТК при коррекции сложного гиперметропического астигматизма явилось усиление как слабой, так и сильной оси рефракции. Выполнялась циркулярно-секторальная ЛТК (ЦС ЛТК), которая заключалась в нанесении интрастромальных роговичных коагулятов по окружности с дополнительной коагуляцией в слабой оси рефракции роговицы (рис. 2а). Сначала проводилась разметка центральной оптической зоны специальным отметчиком с диаметром рабочей кромки

6.0 мм. Далее наносилась 12-лучевая, равномерная радиальная разметка. Коагуляты располагали по окружности в местах пересечения радиальной и циркулярной отметок. В оси слабой рефракции на окружности радиусом

7.0 мм между циркулярно проведенными коагулятами наносились дополнительные коагуляты в количестве от 2 до 4 в каждом полумеридиане с энергией воздействия от 150 до 190 мДж.

С целью усиления рефракции только в слабом меридиане — коррекция смешанного астигматизма, выполняют секторальную ЛТК (С ЛТК) (рис. 26). При данном методе коагуляты наносят секторально в слабой оси рефракции в шахматном порядке: 2-3 коагулята на диаметре 6,0 мм и 3-4 коагулята на диаметре 7,0 мм.

Математические модели строили с применением методов механики сплошных сред [5, 6]. Статистический анализ проводили с применением свободно распространяемого программного обеспечения R [8]. Для создания программного обеспечения применяли программную среду Microsoft Visual Studio.

24

Системы поддержки принятия врачебных решений

www.idmz.ru

гол л, Na г

■■ I

РЧН

Рис. J. Офтальмологическая лазерная установка «ОКО-1»

X —«слабый» меридиан о — ЛТК при Е> 175 мДж Y — «сильный» меридиан @ — ЛТК при Е< 170 мДж Рис. 2. Геометрия нанесения лазерных коагулятов при: а) ЦС ЛТК, б) С ЛТК

Рис. 3. Фокусировка лазерного излучения в строме роговицы

■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 25 ■

W4MM

1 и информационные

технологии

Системы поддержки принятия врачебных решений

РЕЗУЛЬТАТЫ

Программное обеспечение принятия решений при планировании ЛТК базируется на математической модели распределения температуры в области коагулятов, деформации роговицы и изменения вектора клинической рефракции глаза.

При разработке математической модели деформации роговицы расчет деформации роговицы в результате ЛТК проводили с применением законов механики сплошных сред на основе принципа минимума потенциальной энергии — упругой энергии изгиба центральной зоны, энергии сжатия-растяжения в области коагуляции, работы сил коагуляции при сокращении ткани роговой оболочки вокруг коагулята и внутриглазного давления.

Наши исследования показали, что рефракция деформированной роговицы зависит от формы коагулята (рис. 4), глубины (рис. 5) и объема (рис. 6).

Максимальный рефракционный эффект возможен при цилиндрической форме коагулята максимального объема, сформированного на максимальной глубине.

При изучении математической модели распределения температуры в области коагулятов и разработке математической модели теплообмена при ИК-лазерном воздействии мы проводили расчет распределения температуры в ткани роговицы для различных источников лазерного излучения, сфокусированного в строме. Использовали экспериментальную информацию зависимости поглощения тепловой энергии от длины волны лазерного излучения, полученную нами ранее методом спектроскопии [2] (рис. 7).

Разработанная математическая модель радиационно-кондуктивного теплообмена при ИК-лазерном воздействии на роговицу основывается на уравнении теплопроводности и краевых условий [4, 6], основными параметрами которых являются: температура в любой заданной точке роговицы, время ее распространения, длина волны излучения,

>

26

Системы поддержки принятия врачебных решений

www.idmz.ru

гол i, Na г

■■ I

РЧН

■ Центр роговицы 3 Периферия роговицы

Рис. 7. Спектр пропускания роговицы лазерного излучения в ИК-диапазоне

Длина волны, мкм

Рис. 8. ЛТК: пример расчета зоны тканевого повреждения

координата любой заданной точки роговицы по оптической оси, уровень энергии воздействия, теплоемкость роговицы в любой заданной точке, координата любой заданной точки роговицы в полярных координатах как отклонения оптической оси.

Созданная математическая модель позволяет рассчитывать распределение температуры в зоне воздействия для любого сочетания параметров роговицы и режимов работы лазерной установки (рис. 8).

В разрабатываемой математической модели учитывали изменения вектора клини-

ческой рефракции, характеризующиеся значениями сферического и цилиндрического компонентов. Расчет деформации роговой оболочки позволяет определить прогнозные значения рефракции роговицы в главных меридианах. Дозирование изменения клинической рефракции глаза достигается путем выбора количества коагуляций, их расположения на роговице и глубины для каждого пациента с учетом индивидуальных особенностей строения оптической системы глаза: рефракции роговицы, ее диаметра, толщины, а также возраста пациента.

■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 27 ■

РЧН

Системы поддержки принятия врачебных решений

и информационные

технологии

ъ

> Существенным моментом математической модели деформации роговицы является зависимость модуля Юнга роговицы при различных параметрах ЛТК и различных картах нанесения коагулятов, значение которого снижается при ЛТК в области коагулятов. Это снижение учтено в математической модели функциональной зависимостью с параметрами, определяемыми в результате решения задачи идентификации. Предполагается, что в эпицентре коагулята модуль снижается на некоторый масштабный множитель, и это снижение линейно уменьшается от центра к краям коагулята, достигая значений среднего модуля интактной роговицы.

Кроме того, в результате тепловых расчетов определяются значения стягивающих сил, являющихся пусковым механизмом деформации роговицы. Зависимости этих сил от параметров ЛТК, а также от параметров коагулятов (форма, глубина, объем) заданы с точностью до параметров, определяемых в результате решения задачи идентификации.

Задачу идентификации решали, применяя среду для статистической обработки данных R, а именно, определение параметров нелинейной регрессии. В качестве функции регрессии были взяты математические модели расчета температуры и деформации роговицы с некоторыми начальными значениями отыскиваемых параметров. Производили расчеты температуры и деформации роговицы для каждого индивидуального случая группы пациентов с известным рефракционным эффектом (рефракцией роговицы после ЛТК) и для каждого случая сравнивали расчетные значения рефракции роговицы по меридианам с измеренными послеоперационными показателями.

На основе разработанной методики создано программное обеспечение расчета параметров операции с применением программной среды Microsoft Visual Studio.

При вводе исходных данных на экране дисплея высвечивается информация о том, какие

данные вводить, как управлять курсором и как закончить ввод и перейти к следующему меню.

Для проведения расчетов необходимо ввести следующую информацию о пациенте: возраст, клиническая рефракция, рефракция роговицы, диаметр роговицы, толщина роговицы. Выходная информация представляется в виде прогнозного значения сферического компонента при различных сочетаниях параметров ЛТК, а также в графическом виде плана нанесения коагулятов. Программа позволяет хирургу рассчитать оптимальный план ЛТК для данного пациента, исследовать возможности ЛТК путем расчета множества вариантов прогноза при различных сочетаниях параметров ЛТК, внести результаты операций в базу данных с дальнейшей статистической обработкой.

Для проведения расчетов необходимо ввести описанную выше информацию о пациенте либо извлечь из базы данных информацию, если этому пациенту ранее проводили расчеты. Затем, выбирая нужные режимы в системе меню, хирург проводит необходимые расчеты. При этом, если хирург не согласен с оптимальным планом ЛТК, рассчитанным компьютером, он имеет возможность задать план ЛТК по своему усмотрению и получить этот план в графическом виде с рассчитанными прогнозными значениями сферического и цилиндрического компонентов для использования в операционном зале.

На рис. 9 представлен пример расчета плана ЛТК для конкретного пациента.

ОБСУЖДЕНИЯ

Механизм действия ЛТК состоит в том, что в ответ на воздействие термического фактора при температуре коагуляции коллагена 60°С, коллаген стромы роговицы сокращается в сторону фокуса коагуляции. В результате между соседними коагулятами, расположенными по периферии роговицы, создаются стяжки ткани, уменьшающие диаметр и радиус кривизны периферической части роговицы. За счет

28

Системы поддержки принятия врачебных решений

Рис. 9. Пример расчета плана ЛТК

этого центр роговицы становится боле выпуклым, оптически более сильным. Степень усиления рефракции зависит от количества, расположения и интенсивности воздействия.

Боуменова мембрана, строма и десцеме-товая мембрана роговой оболочки состоят из 200-250 ламелл коллагеновых фибрилл, простирающихся от лимба к лимбу. Толщина одной ламеллы составляет 1-2 мкм, а ширина варьирует от 9 до 260 мкм. Соседние ламеллы накладываются друг на друга под углом около 90 градусов таким образом, что вся совокупность ламелл распределяется равномерно по всем направлениям. Модуль Юнга одной ламеллы варьирует от 0,5 кГ/кв.мм у десцеметовой мембраны до 0,2 кГ/кв.мм у боуменовой мембраны. Коэффициент Пуассона ламеллы равен 0,47-0,49, что характеризует ее как практически несжимаемую. Ламеллы в нормальном состоянии плотно упакованы, образуя оптически однородную среду со средним показателем преломления 1,376.

Вследствие несжимаемости коллагеновых фибрилл и плотности их упаковки в ламеллы, наружная часть роговицы является геометрически неизгибаемой. Это означает в соответ-

www.idmz.ru

гол i, 14» г

■■ I

РЧН

ствии с известной геометрической теоремой Гаусса, что, претерпев изгиб в одном меридиане, она должна выгнуться в противоположном меридиане. Так как слои ламелл взаимно перехлестываются, то вышеуказанный механизм возникновения локального астигматизма имеет менее выраженный вид. Соседние слои (сверху и снизу), почти перпендикулярные по направлению, деформируясь в своем меридиане, снижают компенсаторную поперечную деформацию ламеллы. Поэтому при разработке математической модели деформации роговицы расчет деформации роговицы в результате ЛТК проводили с применением законов механики сплошных сред на основе принципа минимума потенциальной энергии.

Программное обеспечение ЛТК базируется на математической модели деформации роговицы, распределения температуры в области коагулятов и изменения вектора клинической рефракции глаза.

Наши исследования показали, что рефракция деформированной роговицы зависит от геометрических характеристик коагулята, а также от формы излучения. Для снижения травматического воздействия лазерного излучения на эпителий и эндотелий роговицы, с одной стороны, и обеспечения равномерного прогрева стромы роговицы, с другой стороны, мы использовали сфокусированное лазерное излучение внутри стромы роговицы, выделив по ходу луча 3 зоны: фокусировки, перетяжки и расфокусировки (рис. 3). Подбор этих параметров и определяет коагулирующий эффект.

Разработанная математическая модель радиационно-кондуктивного теплообмена при ИК-лазерном воздействии на роговицу позволяет рассчитывать распределение температуры в зоне воздействия для любого сочетания параметров роговицы и режимов работы лазерной установки.

Математическая модель изменения вектора клинической рефракции глаза дает возможность в соответствии с соотношениями

■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 29 ■

W4MM

1 и информационные

технологии

Системы поддержки принятия врачебных решений

WebKit

физиологической оптики пересчитать изменение рефракции роговицы в значениях цилиндрического и сферического компонентов.

Так как основу программного обеспечения составляет система прогнозирования, при его разработке особое внимание уделяется точности прогноза. Из трех математических моделей: распределения температуры, деформации роговицы и изменения вектора клинической рефракции глаза, последняя не требует учета клинических данных для ее уточнения. Первые же две основаны на теоретических посылках и требуют решения задачи идентификации — настройки модели по клиническим данным с известными результатами.

Так как в результате выполнения ЛТК необходимо получить дозированный рефрак-

ционный эффект деформации роговицы, для выбора параметров воздействия необходим точный расчет, который составляет основу вышеуказанного программного обеспечения.

ВЫВОД

Математическая модель распределения температуры в области коагулятов, деформации роговицы и изменения вектора клинической рефракции глаза — эти составляющие определяют прогнозные значения вектора клинической рефракции в зависимости от индивидуальных характеристик пациента и параметров ЛТК и составляют основу вышеописанной врачебной логики принятия решений для оптимизации монокулярного и бинокулярного зрения методом ЛТК.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балашевич Л.И. Хирургическая коррекция аномалий рефракции и аккомодации.

— СПб., 2009. — 296 с.

2. Семенов А.Д., Дога А.В., Мушкова И.А., Антонова EJ., Бессарабов А.Н. Лазерная термокератопластика (ЛТК): калориметрические, спектроскопические и морфологические исследования//Офтальмохирургия. — 2005. — №3. — С. 4-11.

3. Федоров С.Н., Ивашина А.И., Антонова EI., Мушкова И.А. Лазерная термокератопластика (ЛТК) для коррекции гиперметропии и гиперметропического астигматизма/^ кн. Современные лазерные технологии в диагностике и лечении повреждений органа зрения и их последствий — Научно-практ. конф. — М., 1999. — С. 28-29.

4. Brinkmann R., Radt B., Flamm C, Kampmeier J, Koop N, Birngruber R. Influence of temperature and time on thermally induced forces in corneal collagen and the effect on laser thermokeratoplasty//J. Cataract Refract Surg. — 2000. — Vol. 26(5). — P. 744-754.

5. OoiE.H, Ang W.T, Ng E.Y. A boundary element model of the human eye undergoing laser thermokeratoplasty//Comput. Biol. Med. — 2008. — Vol. 38(6). — P. 727-737.

6. Brinkmann R., Droge G, Koop N., Wordemann A, Shirber G, Birngruber R. Investigation on laser thermokeratoplasty//Lasers and Light in Ophthalmology. — 1994. — Vol. 6. — № 4 — P. 259-270.

7. Eggink C.A., Meurs P, Bardak Y, Deutman A.F. Holmium laser thermal keratoplasty for hyperopia and astigmatism after photorefractive keratectomy//J. Refract. Surg.

— 2000. — Vol. 16. — P. 317-322.

8. The R Project for Statistical Computing/ http://www.r-project.org/.

30