Лазерный мир

Сергей Вартапетов, Иван Щербаков // «Природа» №6, 2016

Первой отраслью медицины, в которой нашли применение лазеры, стала офтальмология. Глаз, будучи оптической системой, оказался идеальным объектом для бесконтактного воздействия лазерного луча. Лазерная микрохирургия глаза имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными механическими манипуляциями: отсутствие прямого контакта инструмента с тканью, стерильность в ходе самой операции и стерилизующее воздействие лазерного излучения на ткани; выполнение хирургических процедур внутри глаза без его вскрытия; возможность доставки излучения внутрь глаза с помощью волоконно-оптических систем; избирательное действие и точная дозировка воздействия на ткани — от коагуляции тканей до их абляции и разреза.

В офтальмологии эпоха лазерных операций отсчитывается от 1968 г., когда аргоновый лазер с длиной волны 531 нм был использован для коагуляции отслоившейся сетчатки. «Приваривание» сетчатки и в настоящее время — один из самых отработанных и широко практикуемых методов лазерного вмешательства. Впоследствии аргоновый лазер был заменен на более современный — с диодной накачкой. Другое заболевание глаза, при котором активно используется излучение лазера, — глаукома, характеризующаяся накоплением жидкости в глазу. Лазер играет роль своеобразной иглы, обеспечивая создание каналов для оттока жидкости. Но самое широкое применение лазерная микрохирургия нашла в коррекции рефракции. Оптическая сила глаза как линзы (т.е. величина, обратная фокусному расстоянию) в основном (более чем на 70%) определяется кривизной роговицы. Следовательно, изменяя форму последней, можно влиять на рефрактивные характеристики зрения. Об использовании лазеров для этой цели мы и расскажем подробнее.

Средства и методы

Оптимален для абляции роговицы, как было установлено в работе [1], эксимерный ArF-лазер с длиной волны 193 нм. Тут необходимо сделать небольшое отступление и напомнить, что эксимерные лазеры — это газовые лазеры, излучение которых возбуждается электрическим разрядом или электронным пучком. Идея о возможности генерации молекулярными соединениями, существующими только в возбужденном состоянии* (что и определило название лазера — excited dimer, сокращенно excimer), была впервые высказана и реализована в 1971 г. группой ученых из Физического института имени П. Н. Лебедева, возглавляемой Н. Г. Басовым. А первый коммерческий эксимерный лазер был создан в СССР в 1984 г. под руководством А. М. Прохорова в Центре физического приборостроения Института общей физики.

Эксимерные лазеры генерируют излучение в УФ-области спектра (193–350 нм) и имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, что делает их не совсем классическими: излучение формируется в оптическом резонаторе за счет всего нескольких проходов. Это, в свою очередь, приводит к генерации коротких импульсов (их характерная длительность ≈10–20 нс, что соответствует трем-четырем проходам по резонатору длиной ~100 см), а также к тому, что излучение не имеет классической модовой структуры. Форма выходного пучка эксимерных лазеров, как правило, прямоугольная, а пространственное распределение интенсивности в пучке неоднородное. Эти «недостатки» эксимерного лазера с лихвой компенсируются тем, что только эксимерные лазеры позволяют генерировать мощное излучение в УФ-области спектра.

Коротковолновое излучение ArF-лазера с энергией кванта 6,4 эВ, воздействуя на роговицу, приводит (при минимальном термическом воздействии!) к прямой фотодиссоциации роговичной ткани с образованием микро- и нанометровых фрагментов. Эти фрагменты аблируют (т.е. испараются) с поверхности с очень высокими, практически сверхзвуковыми, скоростями.

Луч эксимерного ArF-лазера действует на роговицу поистине ювелирно: глубина поглощения излучения составляет ≈0,2 мкм при плотности энергии в импульсе 160 мДж/см2. Процесс фотоабляции носит пороговый характер — фотодиссоциация роговицы начинается только после превышения энергетического порога (~40 мДж/см2).

При лазерной коррекции удаляется часть стромы в оптической зоне глаза, т.е. в той части, с которой свет попадает в зрачок и формирует изображение на сетчатке. В общем случае толщина испаренного слоя роговицы h для достижения рефракционного эффекта δD (в диоптриях D) связана с диаметром оптической зоны OZ следующим соотношением: h (мкм) = [(δD)/3]×OZ2 (мм). Так, для оптической зоны 6 мм нужно удалить 12 мкм роговицы при коррекции зрения на одну диоптрию. Вообще операция по лечению регулярной рефракционной патологии считается успешной, если некорригированная острота зрения после нее не хуже или выше дооперационной максимально корригированной остроты зрения. Иными словами, если пациент в очках имел остроту зрения 1,0, то после операции она без очков должна быть 1,0 или выше. Напомним, что острота зрения 1 соответствует возможности глаза различать объекты с угловым расстоянием между ними в одну угловую минуту.

Современная коррекция зрения методом лазерной абляции роговицы реализована несколькими способами. Основные методики — это фоторефрактивная кератэктомия (ФРК), трансэпителиальная ФРК, лазерный кератомилез in situ (ЛАCИК/LASIK — Laser-Assisted in SItu Keratomileusis), Фемто-ЛАCИК.

Смысл ФРК заключается в испарении склеры в оптической зоне для изменения ее кривизны и, соответственно, оптических свойств. При этом эпителий удаляется либо механическим способом, либо непосредственно лазером (трансэпителиальная ФРК).

По технологии ЛАСИК эпителий вместе со слоем стромы общей толщиной 120–160 мкм удаляется лишь временно, а лазер воздействует непосредственно на строму роговицы. Операция состоит из двух этапов. На первом этапе создается роговичный клапан (лоскут) (строма + эпителий) с характерным диаметром 10 мм и толщиной 120 мкм. Клапан создается либо механическим инструментом (микрокератомами различной конструкции с применением электрического или пневматического привода), либо по новой технологии с использованием фемтосекундного лазера (Фемто-ЛАСИК). Далее получившийся лоскут специальным инструментом отделяется от основной части роговицы так, чтобы он не закрывал оптическую зону. На втором этапе операции роговица пациента подвергается воздействию эксимерного лазера, с помощью которого формируется требуемая кривизна поверхности, после чего роговичный клапан возвращается на место. Поскольку в данном случае нет необходимости удалять внешний слой эпителия, реабилитация после лазерной операции существенно ускоряется.

Формирование роговичного лоскута с помощью фемтосекундного лазера предпочтительнее, поскольку воздействие на роговицу происходит на заданной глубине, а все слои роговицы, включая эпителий, вне зоны фокусировки лазерного излучения остаются незатронутыми. Толщина лоскута здесь получается более равномерной, чем при обычном ЛАСИКе, поверхность раздела более гладкой, а сам лоскут может быть сделан тоньше 90 мкм, что существенно при проведении операций пациентам с тонкой роговицей.

Первые коммерческие эксимерные офтальмохирургические установки использовали лазеры с большой энергией в импульсе (200–400 мДж) и с пучками, характерные размеры которых равны диаметру области обработки оптической зоны роговицы (≤9 мм). Профиль интенсивности на роговице глаза формировался профилированными вращающимися или сменными диафрагмами. В первой такой российской установке [2] была воплощена оригинальная оптическая схема с применением гауссова гомогенизатора пучков (об этом подробнее будет сказано ниже). Такой метод формирования обеспечивал совершенно гладкую послеоперационную поверхность роговицы. Однако технические возможности при работе с широкоапертурными пучками существенно ограничены при коррекции дальнозоркости и астигматизма. Позже было предложено** формировать произвольную послеоперационную поверхность с помощью сканируемого по поверхности роговицы лазерного пучка малого диаметра (размер лазерного пятна 0,7–1,2 мм). Такая технология известна как «летающее пятно» (flying spot). При каждом импульсе ArF-лазера абляции подвергается малый (менее 1 мкм в толщину и менее 1 мм в диаметре) слой роговицы, что позволяет с большой точностью сформировать рассчитанную послеоперационную поверхность.

Рис. 4. Два варианта формирования роговичных разрезов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов

Самый современный тип лазерных офтальмохирургических операций — персонализированная коррекция зрения. Отличие ее от прежних методик состоит в том, что исправляются не только сфероастигматические отклонения от нормы, но и нерегулярные, уникальные для данного пациента рефракционные дефекты, которые не могут быть скорректированы подбором очков. Персонализированная коррекция осуществляется на основе данных кератометрии (измерения формы роговицы) и аберрометрии (измерения аберраций всего оптического тракта глаза). Из-за того что при таких операциях приходится наносить на роговицу более мелкие элементы рельефа, потребовался новый уровень точности и стабильности лазерной коррекции формы роговицы. В частности, необходимым элементом стала система слежения за движением глаза в ходе операции, вносящая соответствующие поправки в режиме реального времени. Ключевым параметром системы слежения служит ее латентный период — время от момента смещения глаза до учета этого смещения в ходе операции.

Работают эксимерные лазеры

Уже спустя несколько лет после предложения американских ученых использовать эксимерный лазер для коррекции зрения [1], в 1987–1988 гг., в Германии, США и Советском Союзе (в Межотраслевом научно-техническом комплексе «Микрохирургия глаза» — МНТК МГ) были проведены первые клинические фоторефрактивные операции.

В МНТК МГ в 1986 г. была создана не имеющая аналогов в мире эксимер-лазерная офтальмологическая установка «Профиль» с уникальной системой формирования гауссова профиля излучения. Гауссов профиль сначала формировался за счет прохождения излучения через кювету, образованную плоским и сферическими окнами и наполненную поглощающим газом. Впоследствии газовая кювета была заменена оптическим гомогенизатором на основе шероховатой кварцевой пластины. При гауссовом профиле интенсивности излучения, воздействующего на глаз, автоматически формировалась параболическая форма роговицы, что в оптике соответствует безаберрационой оптической поверхности. Данный принцип лег в основу первой отечественной коммерческой системы «Профиль-500» (рис. 2), разработанной в 1995 г. совместно Центром физического приборостроения Института общей физики РАН (ЦФП ИОФ РАН), носящего в настоящее время имя академика А. М. Прохорова, и Межотраслевым научно-техническим комплексом «Микрохирургия глаза», носящим ныне имя академика С. Н. Федорова.

Именно Святослав Николаевич Федоров и Александр Михайлович Прохоров были инициаторами разработки и производства в России коммерческих систем для рефракционной хирургии. В последующем оба коллектива вместе создали для такой хирургии несколько поколений эксимерных лазерных систем, которые были уже основаны на принципе «летающего пятна». В системе последнего поколения «Микроскан Визум» (рис. 3) обеспечен учет всех 10 перечисленных выше факторов, влияющих на качество проводимых операций.

Основные особенности системы «Микроскан Визум», которые определяют предсказуемость проведения операций и высокое качество послеоперационной остроты зрения в дневное и ночное время, состоят в следующем.

Обеспечена высокая частота повторения импульсов. Используется эксимерный лазер собственной разработки, излучающий импульсы с частотой повторения 500 Гц, что гарантирует малое время операции (5 с на 1 D).

Выбран оптимальный размер лазерного пятна. При математическом моделировании и в клинической практике были опробованы размеры лазерного пятна от 0,7 до 1,14 мм. Было установлено, что пятно размером 0,9 мм оказывается достаточно малым для качественного выполнения как стандартных, так и персонализированных операций. Если уменьшить данный параметр, это удлинит операцию, но существенно не повлияет на клинические результаты.

Оптимизирована форма профиля энергии в лазерном пятне. В силу особенности пространственной формы исходного импульса во всех зарубежных коммерческих системах излучение эксимерного лазера преобразуется системой гомогенизации и формируется гауссов профиль для сканирующего лазерного пучка. Наши исследования, однако, показали, что в сканирующих системах эффективнее работает пучок с практически плоским распределением интенсивности. Размер шероховатостей на роговице для «плоского» пучка получается в 2,3 раза меньше, чем для гауссова.

Реализована высокая стабильность энергии лазерных импульсов. Для предсказуемости и повторяемости результатов операции среднеквадратичное отклонение энергии в лазерных импульсах должно быть как можно меньше. Кратковременная нестабильность средней энергии лазерного излучения эксимерного лазера, характеризующая точность проводимой коррекции, у нас не превышает 1% (среднеквадратичное отклонение), что соответствует ошибке 0,1 D при коррекции 10,0 D.

Разработана скоростная система слежения за положением глаза. Как уже говорилось, глаз в ходе операции не может быть жестко фиксирован и потому непрерывно совершает быстрые неконтролируемые движения, как поступательные (амплитудой до нескольких миллиметров), так и торсионные (вращение глаза вокруг его оптической оси, амплитуда до десятков градусов). Эти движения требуют непрерывного автоматизированного отслеживания и внесения соответствующих поправок в ход операции, т.е. работы автоматической системы слежения. В установке «Микроскан Визум» реализована такая система, которая может отслеживать положение глаза по привязке либо к зрачку, либо к радужной оболочке или к лимбу (границе между радужной оболочкой и склерой). Латентное время системы слежения составляет менее 1 мкс.

Исключен перегрев роговицы. В ходе операции небольшая часть энергии лазерных импульсов переходит в тепло, что может вызвать патологические процессы (ожог, клеточные мутации). В установке реализован такой алгоритм сканирования лазерного пучка, при котором каждый следующий импульс направляется на роговицу на возможно большем расстоянии от предыдущего, что позволяет избежать накопления тепла и повышения температуры роговицы. Измеренное максимальное повышение температуры роговицы на частоте импульсов 500 Гц не превышает 4°C (до температуры менее 35°C). Его можно считать физиологически безвредным.

В итоге установка демонстрирует отличные клинические результаты по различным типам операций. Вмешательства всех типов, описанных в данной работе, широко применяются в клинической практике. Всего на эксимер-лазерных установках серии «Микроскан» за 20 лет эксплуатации выполнено более 500 тысяч операций. Среднее отклонение достигнутых послеоперационных результатов от планируемых значений в диапазоне от −1,0 до −8,0 D не превышает 0,25 D.

Подключаются фемтосекундные

По мере развития лазерной техники исследователи разрабатывали методы укорочения длительности лазерных импульсов. Прогресс в увеличении мощности лазера был достигнут в основном за счет сокращения длительности импульсов, а не увеличения самой энергии. Первые лазеры генерировали импульсы миллисекундного диапазона, а сейчас идет речь уже об импульсах длительностью в аттосекунды (10−18 с), что приближается к одному периоду колебаний световой волны! Даже незначительная энергия генерации, но сосредоточенная в столь коротком временном интервале, дает высокую интенсивность излучения. Так, в рассматриваемом здесь медицинском применении используется фемтосекундный лазер с энергией в импульсе около 2 мкДж при длительности около 200 фс, что при фокусировке излучения в пятно характерного диаметра около 2 мкм приводит к значению пиковой лазерной мощности более чем 1014 Вт/см2. Вообще, в настоящее время достаточно широкий класс фемтосекундных лазеров, твердотельных или волоконных, генерирует импульсы с энергией от единиц до сотен микроджоулей длительностью от единиц до сотен фемтосекунд. На их базе созданы уникальные системы с последующим усилением импульсов до интенсивности петаваттного уровня.

Рис. 5. Примеры операций, доступных на офтальмологической установке «Фемто Визум» (дан вид на роговицу сверху и сбоку; желтым цветом показаны вертикальные надрезы, зеленым — горизонтальные): Фемто-ЛАСИК (а), роговичный карман (б), роговичный тоннель (в), дуговые послабляющие надрезы (г), кератопластика (д)

Первые эксперименты, в которых вещество обрабатывалось излучением фемтосекундных лазеров [4], показали практически полное отсутствие зоны теплового воздействия. В связи с этим такие лазеры могут быть эффективно использованы для прецизионной трехмерной обработки прозрачных материалов в микрометровых масштабах. Высокие интенсивности фемтосекундных импульсов приводят к сильному нелинейному многофотонному поглощению даже в материалах, прозрачных для используемых длин волн. В идеальном случае сфокусированный фемтосекундный импульс создает в объеме сферическую модификацию с диаметром в несколько микрометров (типично менее 2 мкм).

Такие особенности воздействия фемтосекундных импульсов, как возможность обработки внутриобъемных локальных областей без влияния на окружающие зоны, высокая степень локализации микромодификации и отсутствие зоны теплового воздействия, становятся определяющими при их использовании в медицине, в частности в офтальмологии. Применение в офтальмологии фемтосекундных лазеров расширяется стремительно. Основой технологии служит внутристромальная обработка роговицы, когда лазерный пучок остро фокусируется во внутренние слои роговицы и производится локальное их рассечение.

Рис. 7. Разрезание по горизонтали (лазерный луч движется по двум координатам — X, Y)

При этом возможны два подхода:

• использование лазера с относительной большой энергией в импульсе (более 1 мкДж) и относительно низкой частотой повторения (30–200 кГц), условно этот режим обозначается μJ/kHz;
• использование лазера с малой энергией в импульсе (менее 1 мкДж) и высокой частотой повторения (более 500 кГц) — так называемый режим nJ/MHz.

В зависимости от выбранного вида лазера и типа воздействия (нДж или мкДж) для реализации режима резания (расслоения) роговицы необходимы разные алгоритмы перемещения лазерного фокального пятна во внутренних слоях роговицы. В силу специфики физических процессов, имеющих место при различных лазерных параметрах, результаты обработки сильно зависят как от пространственного расположения, так и от последовательности воздействия (кумулятивный эффект) на данную область биоматериала. На рис. 4 схематично проиллюстрированы варианты такого взаимодействия и различия получаемых результатов — более узкий разрез и более гладкая конфигурация краев в случае nJ/MHz-режима с малым пятном фокусировки. В настоящий момент фемтосекундные лазеры используются для большого количества операций различного типа (рис. 5). Прежде всего это уже упоминавшаяся операция Фемто-ЛАСИК (рис. 5,а), в которой роговичный лоскут формируется как раз с помощью фемтосекундного лазера.

Рис. 8. Метод сканирования лазерного пучка в строме роговицы

Данный лоскут содержит в себе эпителий, который не подвергается воздействию лазера (уже эксимерного), что улучшает прогнозируемость результатов и послеоперационное восстановление.

Ключевые преимущества применения фемтосекундной лазерной системы «Фемто Визум» в офтальмологии — воспроизводимость и точность операций (толщина клапана, глубина надрезов, размер и форма трансплантата при кератопластике), малое время проведения операций (<15 c для клапана диаметром 9,5 мм при операции ЛАСИК), широкий спектр возможных операций (Фемто-ЛАСИК, роговичный карман, кератопластика, роговичные тоннели, дуговые послабляющие надрезы). В сочетании с «Микроскан Визум» система «Фемто Визум» образует лазерный офтальмологический комплекс, который позволяет решать широкий спектр задач по коррекции зрения и ряду микрохирургических операций.

В настоящее время эти системы успешно применяются во многих клиниках России. И этим мы во многом обязаны Александру Михайловичу Прохорову, который был не только одним из создателей лазерной техники, но и «вечным двигателем» ее продвижения в жизнь.

Литература 1.

Trokel S., Shrinivasan R., Braren B. A. Excimer laser surgery of cornea // Am. J. Ophthalmol. 1983. V. 96. P. 710–715. 2. Atejev V. V., Bukreyev V. S., Vartapetov S. K. et al. Excimer laser system «Profile-500» // ALT’98 Selected papers on novel laser methods in medicine and biology, SPIE. 1999. V. 3829. Paper 3829–19. P. 124–127. 3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 1973. 4. Srinivasan R., Sutcliff E., Braren B. Ablation and etching of polymethylmethacrylate by very short (160 fs) ultraviolet (308 nm) laser pulses // Appl. Phys. Lett. 1987. V. 51. P. 1285–1287.

Полное содержание статьи: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434130/Lazery_zreniyu