CC BY
102
Ермакова О.В., Искаков И.А., Трунов А.Н., Ражев А.М.*, Чуркин Д.С.*, Каргапольцев Е.С.*, Черных В.В.
Новосибирский филиал ФГУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова Росмедтехнологии» *Институт лазерной физики ОД РАН, Новосибирск E-mail: [email protected]
ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ С ДЛИНАМИ ВОЛН 248 НМ И 353 НМ НА СКЛЕРАЛЬНУЮ ТКАНЬ
В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
В статье представлены результаты серии экспериментов с использованием эксимерных 248 нм и 353 нм (XeF) лазеров на склеральной ткани человека. Определены основные параметры воздействия: пороговая плотность энергии абляции, скорость абляции, пропускание лазерного излучения склерой в ультрафиолетовом диапазоне. Проведено гистологическое исследование склеральной ткани, подвергнутой лазерному воздействию. Определена необходимость дальнейших исследований воздействия эксимерных лазеров с промежуточными длинами волн на склеральную ткань.
Ключевые слова: эксимерные лазеры, склеральная ткань, абляция.
Актуальность
Эксимерные лазеры давно и широко используются в офтальмологии. Они широко применяются в коррекции аномалий рефракции, в лечении поверхностных форм герпетического кератита. Ранее нами было изучено воздействие эксимерных лазеров с различными длинами волн на роговичную ткань [1,2,4,5]. По нашему мнению такое излучение представляется перспективным инструментом для лечения глаукомы, однако, в литературе встречаются единичные описания взаимодействия этого излучения со склеральной тканью.
Воздействие на склеру длинны волны 193нм, исследовалось в процессе разработки технологии эксимерлазерной непроникающей глубокой склерэктомии [6,7,8]. При использовании лазерного излучения была получена поверхность склеры более гладкая и однородная, чем при использовании алмазного ножа, что доказывалось методом электронной микроскопии. Местная воспалительная реакция, при проведении эксимерной антиглаукоматозной операции менее выражена по сравнению с реакцией после «ножевой» операции. Воздействие эксимерных лазеров с другими длинами волн на ткани склеры ранее не исследовалось.
Важным является то факт, что абляция склеральной ткани происходит одновременно с испарением жидкости, находящейся на поверхности операционной раны. Однако жидкость имеет свой спектр поглощения в УФ области спектра. В связи с этим, в зависимости от дли-
ны волны, не вся энергия лазерного излучения может быть использована на абляцию склеральной ткани, часть ее будет потеряна на нагрев и испарение жидкости, что может отразиться на качестве поверхности склеральной ткани. Поэтому выбор длины волны лазерного излучения будет играть важную роль при проведении антиглаукоматозных операций. В исследованиях [3] были получены спектры пропускания дистиллированной воды и сбалансированного раствора в диапазоне 190-400 нм. В отличие от дистиллированной воды, сбалансированный раствор, содержащий соли №0, и др., полностью поглощает излучение с длиной волны 193 нм и имеет заметное поглощение в спектральном диапазоне вплоть до 240 нм. При длине волны 248 и 353 нм пропускание составляет соответственно 75% и 97% .
При проведении антиглаукоматозных операций с использованием эксимерного лазера с длиной волны 193 нм в зоне операции абляция прекращается при появлении фильтрации. Это позволяет избегать макро- и микроперфораций трабекулодесцеметовой мембраны в зоне хирургического вмешательства [6]. Однако фильтрация внутриглазной жидкости появляется после вскрытия шлеммова канала. Прекращение воздействия лазерного излучения затрудняет ход операции, вызывая необходимость постоянного подсушивания операционного поля, не позволяет выполнить абляцию юкстаканалику-лярной ткани и добиться достаточного истончения трабекулодесцеметовой мембраны.
Другим важным фактором при взаимодействии УФ лазерного излучения с тканью является механизм абляции этой ткани. В основном, как известно, он связан с деструкцией, вызванной разрывом С-Н связей в молекулах. Если этот процесс будет осуществлен одноквантово (для этого необходимы кванты с энергией 4 эВ и более), то механизм абляции будет называться фотохимическим, а сам процесс абляции не будет сопровождаться коагуляционными и другими повреждающими эффектами. Для реализации таких возможностей необходимо лазерное излучение с длиной волны 310 нм или любое другое излучение с длиной волны короче 310 нм. При абляции склеральной ткани лазерным излучением длиннее 310 нм процесс разрыва С-Н связей будет осуществляться многоквантово и приводить к нагреву ткани. Такой процесс уже будет называться тепловым и может вызвать нежелательное термическое повреждение поверхности склеральной ткани.
Представляется важным изучение воздействия на склеральную ткань эксимерных лазеров с длинами волн свыше 240 нм, которые способны производить абляцию тканей на фоне фильтрации внутриглазной жидкости, и не вызывают повреждения склеральной ткани.
Цель
Изучить в эксперименте воздействие экси-мерлазерного излучения с длинами волн 248 нм и 353 нм на ткань склеры. Определить пороговую энергию абляции для этих длин волн, рабочие значения плотности лазерной энергии для формирования лазерных резов склеры. Определить спектр пропускания для склеры в диапазоне 190 - 400 нм.
Материал и методы
Исследование проводилось на изолированном глазу. Толщина склеры в зоне эксимерла-зерного воздействия по данным ультразвуковой биомикроскопии составила 740 мкм. Эксперименты выполнялись с использованием экспериментальных эксимерных установок с длинами волн 248 (KrF) и 353 (XeF) нм. Оба лазера имели одинаковые оптические системы доставки излучения и одинаковые параметры излучения: энергия излучения - 300 мДж/имп, длительность импульсов - 20±2 нс, частота следования импульсов до 10 Гц. Плотность энергии на по-
верхности склеры для обоих лазеров могла изменяться в пределах от 0,1 до 15 Дж/см2.
Появление первых признаков абляции отмечали при наблюдении в бинокулярный микроскоп. Признаками абляции считали проседание профиля склеры в зоне воздействия и появление «дымка» испаряемой ткани. Толщина испаренного слоя оценивалась при помощи микроскопа. Фиксировали количество импульсов, требуемых для перфорации склеры излучением различной длиной волны и плотностью энергии.
Для изучения спектра пропускания склеры излучения в ультрафиолетовом диапазоне использовался спектрофотометр Schimadzu (Япония). Для проведения экспериментов была использована свежая склеральная ткань, а также подсушенные лоскуты склеральной ткани. Сравнивались результаты абляции этих образцов. При исследовании спектров пропускания ткань склеры помещалась в одно плечо спектрофотометра, другое плечо использовалось для получения опорного сигнала и сравнения с прошедшим через склеру сигналом.
Проведено гистологическое исследование склеры, подвергнутой лазерному воздействию излучением 248 нм.
Результаты и обсуждение
Полученные в серии экспериментов данные представлены в виде графиков выражающих скорость абляции, то есть толщину испаренного за один импульс слоя склеры в зависимости от плотности энергии эксимерлазерного излучения. Порог абляции для эксимерного К^ лазера с длиной волны 248 нм составил около 250 мДж/см2, где происходит первое значимое увеличение толщины испаряемого слоя (рис. 1а). По мере увеличения плотности энергии толщина испаряемого слоя склеральной ткани постепенно росла. Скорость роста толщины испаряемого слоя снижалась в диапазоне плотности энергии 4-6 Дж/см2 и при дальнейшем возрастании плотности энергии менялась незначительно (рис. 1б). Максимальная толщина слоя склеры, испаряемого за один импульс, составила 2,6-2,8 мкм.
В ходе экспериментов с эксимерным лазером с длиной волны 353 нм определено, что порог абляции находился в зоне плотности энергии 300 мДж/см2 (рис 2а). При последующем
росте плотности энергии толщина испаряемого слоя склеры увеличивалась, достигнув 10-12 мкм за один импульс при плотности энергии 5-7 Дж/ см2 (рис 2б). В дальнейшем, при увеличении плотности энергии, толщина испаряемого слоя склеральной ткани значимо не возрастала.
Сравнивая скорость абляции для эксимер-ных лазеров с длинами волн 248 и 353 нм можно отметить, что при увеличении плотности энергии эксимерного лазера с длиной волны 353 нм быстрее происходит нарастание толщины склеральной ткани испаренной за один импульс. Максимальная толщина испаренного этим лазером слоя склеральной ткани была выше и составила 11-12 мкм за один импульс, в сравнении с 2,6-2,8 мкм за один импульс при использовании лазера с длиной волны 248 нм.
Анализируя данные кривой пропускания склеры в ультрафиолетовой области спектра, можно отметить, что излучение с длинами волн менее 300 нм сильно поглощается в приповерхностных слоях склеры. При этом толщина облученного слоя склеры быстро уменьшается с уменьшением длины волны. При увеличении длины волны пропускающая способность постепенно нарастает (рис.3).
По данным гистологического исследования участков склеральной ткани, подвергнутой обработке эксимерным лазером с длиной волны 248 нм (рис. 4, цветная вкладка), определяются зоны абляции прямоугольной или конусообразной формы, распространяющиеся в толщу склеры, с четкими ровными краями, представленными структурированными кол-
(Дж/см!)
а)
б)
Рисунок 1. Скорость абляции эксимерного лазера с длиной волны 248 нм: а) в узком диапазоне значений плотности энергии до 600 мДж/см2; б) в широком диапазоне значений плотности энергии от 200 мДж/см2 до 8 Дж/ см2. W - плотность энергии, d - толщина испаренного за один импульс слоя склеры,
X - длина волны эксимерного лазера
(Дж/см2)
а)
Рисунок 2. Скорость абляции эксимерного лазера с длиной волны 353 нм (XeF): а) в узком диапазоне плотностей энергии до 400 мДж/см.; б) в широком диапазоне значений плотности энергии от 200 мДж/см2 до 13Дж/ см2. W - плотность энергии, d - толщина испаренного за один импульс слоя склеры,
X - длина волны эксимерного лазера.
лагеновыми волокнами без признаков коагуляционных повреждений. Стенки артерий и венозных сосудов не повреждены, очаги кровоизлияний и гемосидероза отсутствуют.
Заключение
В ходе экспериментов были определены параметры воздействия эксимерных лазеров с длинами волн 248 и 353 нм на склеральную ткань глаза человека. Пороговая плотность энергии для эксимерного лазера с длиной волны 248 нм (KrF) равна 250 мДж/см2, рабочие значения плотности энергии, которые могут быть использованы для формирования лазерных разрезов склеры, находятся в диапазоне 4-6Дж/см2.
Для излучения 353 нм эксимерного лазера XeF была измерена пороговая плотность энергии начала абляции, которая оказалась равной 300 мДж/см2. Оптимальные значения плотности энергии, обеспечивающие эффективную абляцию склеры находятся в пределах 5-7 Дж/см2.
Показано, что абляция короткоимпульсным лазерным излучением с длиной волны 248 не приводит к коагуляционным и другим повреждающим эффектам волокон склеральной ткани и стенок сосудов.
Изучен спектр пропускания склеральной тканью ультрафиолетового излучения в спектральном диапазоне 190-400 нм. Выявлено, что склера практически полностью поглощает излучение с длинами волн короче 300 нм. При увеличении длины волны поглощение становится меньше, и лазерное излучение проникает в склеральную ткань. При длинах волн более 310 нм излучение
Т - толщина склеры в процентах, X - длина волны эксимерного лазера. Дополнительно указаны длины волн импульсных лазеров, работающих в этом спектральном диапазоне
Рисунок 3. Кривая пропускания лазерного излучения склерой человеческого глаза в ультрафиолетовой области спектра
проходит через всю толщину исследуемого образца, значительно рассеиваясь в ткани.
Установлено, что излучение с исследуемыми длинами волн имеют приблизительно одинаковую пороговую плотность энергии абляции. Однако эксимерный лазер с длиной волны 353 нм позволяет испарить за один импульс слой склеры большей толщины, чем лазер с длиной волны 248 нм. Это дает возможность более эффективно работать на склеральной ткани, но излучение с длиной волны 353 нм пропускается склеральной тканью вглубь и может оказывать повреждающее воздействие на глубжележащие ткани.
Дальнейшее проведение экспериментов с эксимерными лазерами, длины волн которых лежат в промежуточном диапазоне (248-353 нм), является целесообразным для поиска наиболее эффективной и безопасной длины волны в ультрафиолетовом спектре, для воздействия на склеральную ткань.
05.10.2011
Список литературы:
1. Chebotayev V.P. UV excimer lasers in eye microsurgery / V.P. Chebotayev, V.N. Ishchenko, I.A. Iskakov [et al.] // Lasers in the Life Sciences.- 1988.- Vol. 2, № 4. - P. 313-326.
2.Ищенко В.Н. Мощная сверхсветимость на эксимерах ArF, KrF, XeF в электрическом разряде / В.Н. Ищенко, В.Н. Лисицын, А.М.Ражев // Письма в ЖТ - 1976. - Т. 2, вып. 18. - С. 839-842.
3. Ражев А.М. Исследование воздействия излучения 193 нм и 223 нм эксимерных лазеров на роговицу глаза человека в рефракционной хирургии / А. М. Ражев, В. В. Черных, А. А. Жупиков [и др.] // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76, № 5. - С. 20-23.
4. Черных В.В. Клинико-лабораторные аспекты лазерной терапии пациентов с офтальмогерпесом: дис. ... канд.мед.наук /
B.В. Черных. - Новосибирск, 2001. - 121 с.
5. Костенев С.В. Клинико-лабораторный анализ использования эксимерных лазеров с длинами волн 193 и 223 нм в рефракционной хирургии: дис. ... канд. мед. наук / С.В. Костенев. - Новосибирск, 2006. -123 с.
6. Антонюк С.В. Хирургическое лечение пациентов с первичной открытоугольной глаукомой методом эксимер-лазерной непроникающей глубокой склерэктомии: дис. ... канд. мед. наук / С.В. Антонюк. - М., 1999. - 143 с.
7. Ерескин Н.Н. Использование эксимерного лазера в лечении узкоугольной глаукомы / Н.Н. Ерескин, Д.А. Магарамов / /Актуальные проблемы клинической офтальмологии: тез. докл. регион.науч.-практ. конф. Урала. - Челябинск, 1999. -
C. 247-248.
8. Патент РФ № 2192230, Кл. А 61 F 9/ 007, 9 / 008 «Способ лечения глаукомы», авторы Ерескин Н.Н., Дога А.В., Магарамов Д.А., Сугробов В.А., опубл. 10.11.2002, Бюл. № 31.
UDC 617.74
Ermakova O.V., Iskakov I.A., Trunov A.N., Razhev A.M., Churkin D.S., Kargapoltsev E.S, Chernykh V.V. THE IMPACT OF EXCIMER LASERS WITH A WAVELENGTH OF 248 NM AND 353 NM ON SCLERAL TISSUE IN THE EXPERIMENT
The article presents the results of a series of experiments using an excimer 248 nm (KrF) and 353 nm (XeF) lasers on the scleral tissue. The main parameters of influence: the threshold energy density of ablation, ablation rate, the transmission of laser radiation in the ultraviolet range sclera. Histological study of the scleral tissue subjected to laser action. Further studies on the effects of excimer lasers with wavelengths at intermediate scleral tissue are needed.
Key words: excimer laser, scleral tissue, ablation.
Bibliography:
1. Chebotayev V.P. UV excimer lasers in eye microsurgery / V.P. Chebotayev, V.N. Ishchenko, I.A. Iskakov [et al.] // Lasers in the Life Sciences. - 1988. Vol. 2, № 4. - P 313-326.
2. Ishchenko V. N. Powerful superluminosity on excimer ArF, KrF, XeF in the electric category / V.N.Ishchenko, V.N.Lisitsyn, A.M.Razhev // Letters in JT. - 1976. - T. 2, print. 18. -P. 839-842.
3. Razhev A.M. Research of influence of radiation of 193 nanometers and 223 nanometers excimer lasers on a cornea of an eye of the person in refractive surgeries / A. M.Razhev, V.V.Chernyh, A.A.Zhupikov [et al.] // Optical magazine. - 2009. -T. 76, № 5. - P 20-23.
4. Chernyh V.V. Clinical and laboratory aspects of laser therapy of patients with herpes cornea : thesis. ... cand. medical sciences / V.V.Chernyh. - Novosibirsk, 2001. - 121p.
5. Kostenyov S.V. Clinical and laboratory analysis excimer lasers with lengths of waves 193 and 223 nanometers in refractive surgeries: thesis . ... cand. medical sciences / S.V.Kostenyov. - Novosibirsk, 2006.-123 p.
6. Antonjuk S.V. Surgical treatment of patients with primary open angle glaucoma a method eximer-laser not getting deep sclerectomy: thesis . ... cand. medical sciences / S.V.Antonjuk. - M, 1999. - 143 p.
7. Ereskin N.N. Use the excimer laser in treatment of narrow angle glaucoma / N.N.Ereskin, D.A.Magaramov // Actual problems of clinical ophthalmology: theses of the report region. scientific-practical conference Ural Mountains. -Chelyabinsk, 1999. - p. 247-248.
8. The patent of the Russian Federation № 2192230, Kl. And 61 F 9/007, 9 / 008 «The Way of glaucoma treatment», authors Ereskin N.N., Doga A.V., Magaramov D.A., Sugrobov V. A., publ. 11/10/2002, Bjul. № 31.
