СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ ИЛИ МИНИМАЛЬНО РАЗРУШАЮЩЕЙ СВЕТОВОЙ ОБРАБОТКИ ГЛАЗА
METHOD AND DEVICE FOR NON-DESTROYING OR MINIMALLY DESTROYING LIGHT TREATMENT OF EYE

Все патентные и непатентные ссылки, приведенные в этой заявке, полностью включены в настоящую заявку по ссылке.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу для неразрушающей или минимально разрушающей световой обработки хрусталика глаза животного или человека и/или его составляющих, в совокупности или выборочно.
Предпосылки создания изобретения
Помутнения в глазу обусловлены, главным образом, катарактой, которая повсеместно является ведущей причиной слепоты, тогда как уплотнение хрусталика, главным образом, относится к пресбиопии. Пресбиопия определяется как уменьшение аккомодативной амплитуды глаза, приводящее к неспособности правильно фокусировать на сетчатке свет, отраженный от разно удаленных объектов. Это обычно замечают люди с эмметропическим зрением (не нуждающиеся в коррекции очками или контактными линзами при наблюдении удаленных объектов), что проявляется в возрасте 40-50 лет как неспособность видеть близкие предметы отчетливо.
У новорожденного хрусталик прозрачен даже для ультрафиолета, и плотное белковое содержимое хрусталика образует хорошо организованное, эластичное и гибкое вещество. В возрасте 10 лет прогрессирующее пожелтение начинает изменять хрусталик, одновременно или в непосредственной связи с потерей аккомодативной амплитуды. В конце концов, в возрасте 60-70 лет у значительного числа лиц оно развивается в расстройство зрения, сопровождающее катаракту, т.е. помутнение хрусталика.
Во всем мире каждый год тысячи людей теряют зрение из-за катаракты, и в настоящий момент единственным лечением является удаление хрусталика хирургическим путем. Для многих людей хирургическое лечение неприменимо по причине ограниченного доступа к хирургическому лечению современного уровня. Даже в промышленно развитых государствах необходимость такого лечения создает значительные проблемы для системы здравоохранения. Следовательно, инструмент восстановления зрительной функции (аккомодативной амплитуды и прозрачности) воздействием на хрусталик, предпочтительно неинвазивным, будет представлять большую ценность для предотвращения и лечения зрительной дисфункции.
Пожелтение хрусталика, как считается, обусловлено образованием ковалентных промежуточных связей и агрегацией разложившихся белков в хрусталике. Молекулярные промежуточные связи и другие типы разложения нарушают оптические и механические свойства хрусталика. Флуоресценция циклических молекулярных компонентов промежуточных связей является ранним симптомом этого процесса.
Применение лазерного излучения для световой обработки глаза хорошо известно в области офтальмологии. В этом контексте под лазерным излучением понимают свет, который является достаточно монохроматичным для обеспечения достаточной фокусировки. Один из примеров применения лазерного излучения раскрыт в US 6322556, где лазерное излучение применяется для отсечения и удаления малых фрагментов хрусталика с целью коррекции зрения. Другое применение описано в US 6726679, где лазерное излучение применяется для разложения помутнений и/или уплотнений закрытого глаза. Однако этот способ имеет несколько недостатков. Во-первых, при закрытом глазе не возможно определить точно, в каком месте хрусталика глаз подвергается воздействию, что, в свою очередь, может привести к повреждениям, если на одну и ту же область может быть ошибочно оказано воздействие несколько раз. Во-вторых, правильная дозировка лазерного излучения, подаваемого в некоторую область глаза для достижения значительного клинического результата, в высокой степени индивидуальна и может варьироваться в зависимости от местонахождения в хрусталике. При заданных параметрах лазера это может привести к неэффективному недостаточному воздействию или к травмирующему чрезмерному воздействию. Повреждения могут возникать в связи с локальным выпариванием составляющих в хрусталике, приводящим к образованию газовых волдырей (кавитационных пузырьков). Согласно US 6726679 такие волдыри неизбежны и в некоторых случаях предпочтительны, однако их появление и схлопывание может вызывать значительное механическое напряжение в хрусталике и/или окружающих тканях, поэтому образование газовых волдырей должно быть вовсе исключено, либо должна быть возможность предотвращать их образование за счет контроля со стороны лечащего врача или автоматического терапевтического устройства. С другой стороны, при использовании способов, например, описанных в US 6726679, трудно отрегулировать количество энергии, так чтобы достигнуть достаточного эффекта воздействия, при этом избежать или минимизировать нежелательные эффекты, такие как газовые волдыри или световая травма роговицы или живых слоев хрусталика. Несмотря на эти опасности, не возникает сомнений, что неинвазивное уменьшение или удаление помутнения и уплотнений в хрусталике является важной клинической задачей. Следовательно, цель настоящего изобретения - предложить способ и средства неразрушающей световой обработки хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, с обеспечением эффективности и/или только минимального или неразрушающего количества световой энергии, передаваемой в глаз.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и системе для обесцвечивания под действием света или другой неразрушающей или минимально разрушающей световой обработки хрусталика и/или его составляющих компонентов, выборочно или в совокупности, глаза животного или человека. Целью является изменение оптических или механических свойств хрусталика таким образом, чтобы повысить его оптическую пропускающую способность и/или увеличить его аккомодативную амплитуду или способность к деформации во время физиологического процесса аккомодации, т.е. динамической регулировки фокального расстояния глаза. Желаемый эффект или эффекты достигаются за счет обесцвечивания хромофоров, ресолюбилизации осажденного вещества с анормальными преломляющими или светорассеивающими свойствами, разъединения молекул, подвергшихся денатурации, ведущей к образованию поперечных связей, изменение физико-химических характеристик составляющих хрусталика за счет разрушения ковалентных связей. Это осуществляется при предпочтительно непрерывном контроле с обратной связью изменений оптических характеристик хрусталика, чтобы избежать или минимизировать повреждения, вызванные образованием пустот или другими разрушающими эффектами, приводящими к повреждению клеток целиком, помутнению, потере гибкости или другим нежелательным явлениям в хрусталике.
В частности, установлено, что оптимальная световая обработка, позволяющая избежать нежелательных эффектов или минимизировать их, может быть достигнута посредством способа неразрушающей или минимально разрушающей световой обработки хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, глаза животного или человека, причем данный способ содержит следующие шаги:
a) воздействующий лазерный луч фокусируют на выбранном участке хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, там, где предполагается производить воздействие;
b) обеспечивают импульсный режим указанного воздействующего лазерного луча;
c) измеряют один или несколько типов излучения от указанного выбранного участка и используют результаты измерений для принятия решения о необходимости выключения указанного воздействующего лазерного луча или о необходимости регулировки по меньшей мере одного из следующих параметров: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений и длительности последовательности импульсов указанного воздействующего лазерного луча, причем световую обработку эффективно контролируют, обеспечивая возможность точного и оптимального применения световой энергии.
Во-вторых, заявленное изобретение относится к системе для неразрушающей или минимально разрушающей световой обработки хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, глаза животного или человека, содержащей:
d) лазерную систему, излучающую по меньшей мере один воздействующий лазерный луч;
e) средства фокусировки указанного воздействующего лазерного луча на выбранном участке хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, там, где предполагается осуществить воздействие;
f) средства, обеспечивающие импульсный режим указанного воздействующего лазерного луча;
g) средства измерения одного или нескольких типов излучения от указанного выбранного участка;
h) средства обработки результатов измерений указанного одного или нескольких типов излучения от указанного выбранного участка;
i) средство регулировки, по меньшей мере одного из следующих параметров указанного воздействующего лазерного луча: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений и длительности последовательности импульсов указанного воздействующего лазерного луча, основанной, по меньшей мере, частично, на выходном сигнале средств обработки.
В-третьих, заявленное изобретение относится к системе и способу механического обездвиживания живого глаза, полностью или частично, во время воздействия за счет механического контакта с поверхностью глаза или с контактной линзой, установленной на глазу, а также системе механического обездвиживания живого глаза, полностью или частично, во время воздействия, содержащей средства для механического контакта с поверхностью глаза и/или средства механического контакта с контактной линзой, установленной на указанном глазу.
В-четвертых, заявленное изобретение относится к способу слежения за движением глаза посредством отображения глаза по меньшей мере на одном детекторе света, а также к системе слежения за движением глаза, содержащей средства отображения глаза на по меньшей мере одном детекторе света.
В-пятых, заявленное изобретение относится к способу контроля ориентации глаза в пространстве посредством одновременного наблюдения поверхности или передней части глаза и глазного дна (задней внутренней части глаза) и вычисления ориентации глаза в пространстве, а также к системе контроля ориентации глаза в пространстве, содержащей средства наблюдения поверхности или передней части глаза и средства наблюдения глазного дна, а также средства вычисления ориентации глаза в пространстве.
В-шестых, заявленное изобретение относится к способу подготовки глаза до начала процедуры, во время процедуры, до проведения обследования или во время обследования посредством воздействия по меньшей мере одного из следующих факторов: тепла, холода и магнитного поля, а также к системе подготовки глаза, содержащей средства применения по меньшей мере одного из следующих факторов: тепла, холода и магнитного поля.
В-седьмых, заявленное изобретение относится к способу лечения катаракты, начальной стадии катаракты или пресбиопии у человека или животного посредством неразрушающей или минимально разрушающей световой обработки хрусталика глаза и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, животного или человека, содержащему следующие шаги:
a) воздействующий лазерный луч фокусируют на выбранном участке хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, там, где предполагается осуществить воздействие;
b) обеспечивают импульсный режим указанного воздействующего лазерного луча;
c) измеряют один или несколько типов излучения от указанного выбранного участка и используют результаты измерений для принятия решения о прекращении воздействия лазерного луча или о регулировке по меньшей мере одного из следующих параметров указанного луча: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений и длительности последовательности импульсов.
При этом имеет место обесцвечивание под действием света указанной катаракты, начальной стадии катаракты или пресбиопии и, следовательно, происходит лечение заболевания. Кроме того, изобретение относится к системе для лечения катаракты, начальной стадии катаракты или пресбиопии у человека или животного посредством неразрушающей или минимально разрушающей световой обработки хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, глаза животного или человека, содержащей:
d) средства фокусировки воздействующего лазерного луча на выбранном участке указанного хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, там, где предполагается осуществлять воздействие;
e) средства обеспечения импульсного режима указанного воздействующего лазерного луча;
f) средства измерения одного или нескольких типов излучения от указанного выбранного участка;
g) средства обработки указанного одного или нескольких типов излучения от указанного выбранного участка;
h) средства регулировки по меньшей мере одного из следующих параметров указанного воздействующего лазерного луча: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений и длительности последовательности импульсов.
При этом оптимальным образом происходит обесцвечивание под действием света указанной катаракты, начальной стадии катаракты или пресбиопии и, следовательно, лечение заболевания.
В-восьмых, заявленное изобретение относится к способу неинвазивного воздействия на хрусталик и/или его составляющие, в совокупности или выборочно, глаза животного или человека, содержащему следующие шаги:
i) воздействующий лазерный луч фокусируют на выбранном участке хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, там, где предполагается производить воздействие;
j) обеспечивают импульсный режим указанного воздействующего лазерного луча;
k) выполняют сканирование воздействующего лазерного луча по хрусталику или, по меньшей мере, по его части, с постоянной или переменной скоростью;
l) измеряют один или несколько типов излучения от указанного выбранного участка и используют результаты измерений для принятия решения о прекращении воздействия указанного лазерного луча или о регулировке по меньшей мере одного из следующих параметров указанного воздействующего лазерного луча: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений, длительности последовательности импульсов, скорости сканирования, размера сканируемой области, числа повторов сканирования и траектории сканирования.
В-девятых, заявленное изобретение относится к системе для неинвазивной обработки хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, глаза животного или человека, содержащей:
v) средства фокусировки воздействующего лазерного луча на выбранном участке хрусталика и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, там, где предполагается осуществлять воздействие;
w) средства обеспечения импульсного режима указанного воздействующего лазерного луча;
x) средства обеспечения сканирования воздействующего лазерного луча относительно хрусталика или, по меньшей мере, его частей с постоянной или переменной скоростью;
y) средства измерения одного или нескольких типов излучения от указанного выбранного участка и средства для использования результатов измерений для принятия решения о прекращении воздействия указанного лазерного луча или о регулировке по меньшей мере одного из следующих параметров указанного воздействующего лазерного луча: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений, длительности последовательности импульсов, скорости сканирования, размера сканируемой области, числа повторов сканирования и траектории сканирования.
В-десятых, заявленное изобретение относится к способу и системе для одновременного использования нескольких зондирующих лучей, проникающих в глаз, каждый из которых образует свой собственный отдельный фокус или заданную область, в которой свет вызывает требуемый отклик, таким откликом является, например, флуоресценция или другое излучение, позволяющее контролировать заданное положение, фокусировку и интенсивность в хрусталике.
В-одиннадцатых, заявленное изобретение относится к способу и системе для одновременного использования нескольких воздействующих лучей, проникающих в глаз, каждый из которых образует свой собственный отдельный фокус или заданную область, в которой свет вызывает требуемую химическую реакцию или структурное изменение, при этом удается избежать побочных эффектов, которые последовали бы, если бы суммарная энергия, поступающая в глаз, концентрировалась в едином фокусе.
Описание чертежей
Далее изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг.1 схематически показан общий вид системы согласно изобретению.
На фиг.2 схематически показан общий вид системы согласно изобретению, содержащей такие признаки, как адаптивная оптика.
На фиг.3 показано несколько различных видов информации, которые средства обработки могут получать в качестве входного сигнала и предоставлять в качестве выходного сигнала.
На фиг.4 представлена соответствующая лазерная система.
На фиг.5 представлена соответствующая лазерная система.
На фиг.6 представлен глаз, к которому прикреплена контактная линза, а также соединение с текучей средой между глазом и указанной контактной линзой.
Подробное раскрытие изобретения
Обратная связь
Для мониторинга фотохимических реакций может быть использовано испускание излучения, например автофлуоресценция, исходящая от белков с поперечными связями. Предпочтительно, по меньшей мере один из видов указанного излучения возникает под воздействием лазерного луча. При этом характеристики указанного излучения, анализ которых используют для регулировки воздействующего лазерного луча, будут зависеть непосредственно от указанного воздействующего лазерного луча. Однако может также быть предпочтительно, что по меньшей мере один из указанных типов излучения возникает в связи со вспомогательным источником излучения, например лазером. При этом на указанном выбранном участке можно, например, осуществлять обработку на одной длине волны, но выполнять зондирование с целью получения характеризующего излучения с использованием другой длины волны.
Предпочтительный вариант реализации способа согласно изобретению дополнительно содержит фазу инициализации, когда на указанный выбранный участок направляется излучение, не приводящее к обработке глаза, и измеряют один или несколько типов излучения, вызванного взаимодействием между указанным участком и указанным не приводящим к обработке излучением, и используют результаты этих измерений для принятия решения об отказе от световой обработки на указанном выбранном участке или о выполнении световой обработки. То есть, можно оценить, подходит ли указанный выбранный участок для световой обработки. Кроме того, предпочтительно указанная фаза инициализации дополнительно используется для регулировки по меньшей мере одного из следующих параметров: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений, длительности последовательности импульсов, скорости сканирования, размера сканируемой области, числа повторов сканирования и траектории сканирования указанного воздействующего лазерного луча. Таким образом, предварительно оптимизируют установочные параметры для световой обработки, при этом минимизируется вероятность нежелательных эффектов, возникающих при первой световой обработке.
Второй предпочтительный вариант реализации способа согласно изобретению содержит фазу оценки после применения указанного воздействующего лазерного луча, когда излучение, интенсивность которого не приводит к обработке, направляют на указанный выбранный участок и измеряют один или несколько типов излучения, возникающего в результате взаимодействия между указанным участком и этим не приводящим к обработке излучением, и используют эти результаты измерений для принятия решения о прекращении дальнейшей обработки указанного участка или о возобновлении обработки при наличии или отсутствии регулировки по меньшей мере одного из следующих параметров: фокусировки, интенсивности, длины волны, ширины импульса, частоты повторений, длительности последовательности импульсов, скорости сканирования, размеров сканируемой области, числа повторов сканирования и траектории сканирования указанного воздействующего лазерного луча. Это позволяет оценить, была ли световая обработка достаточной или, если она была недостаточной, результаты указанной оценки могут быть использованы для оптимизации дальнейшей световой обработки.
В предпочтительном способе согласно изобретению указанное измерение включает в себя определение оптических параметров указанного выбранного участка, содержащих по меньшей мере один из следующих параметров: переходные характеристики, возникающие под действием воздействующего импульса, или любая характеристика, которая может быть записана с использованием стационарной спектроскопии или спектроскопии с временным разрешением (например, изменение цвета и поглощения), рамановской спектроскопии (например, изменение стоксового сдвига и интенсивности рамановского рассеяния), фотонно-корреляционной спектроскопии (например, изменение средней молекулярной массы, твердости и состава), флуоресцентной спектроскопии (понижение, повышение, спектральный сдвиг или другое изменение во флуоресценции хрусталика) и/или фосфоресцентной спектроскопии (понижение, повышение, спектральный сдвиг или другое изменение в фосфоресценции хрусталика).
Кроме того, также предпочтительно, указанные измерения включают в себя распознавание акустических эффектов, записанных с использованием бесконтактного датчика (датчиков) и/или акустического датчика, размещенного (размещенных) в непосредственном или опосредованном контакте с глазом или прилегающими тканями. Бесконтактные акустические датчики хорошо известны из уровня техники, например микрофоны или лазерные интерферометры отраженного от поверхности лазерного света. Акустические эффекты при световой обработке хрусталика возникают в связи с образованием и, особенно, охлопыванием газовых волдырей, а также в связи с другими типами взаимодействия между светом и тканями. Соответственно, наличие указанного акустического датчика позволяет на начальной стадии обнаруживать образование газовых волдырей в результате световой обработки. Прямое детектирование позволяет уверенно определить, происходит или нет образование газовых волдырей, и/или остановить дальнейшую световую обработку, если это происходит.
В наиболее предпочтительном способе согласно изобретению указанные измерение, анализ и регулировка образуют контур обратной связи, при этом указанные шаги измерения, анализа и регулировки происходят, по существу, непрерывно. Кроме того, предпочтительно указанный контур обратной связи работает, по существу, в реальном времени. Предпочтительно указанные измерение, обработка полученных результатов измерений, регулировка и возобновление световой обработки указанного выбранного участка происходят, по существу, по меньшей мере, в пределах 0,1 секунды или более короткого периода времени, который существенно меньше, чем длительность спонтанных движений глаз (саккад), и предпочтительно меньше 0,01 секунды. В пределах времени отклика такого порядка микродвижениями глаза можно пренебречь, так что область, излучение от которой измеряют, соответствует области, которую впоследствии подвергают облучению.
Адаптивная оптика
Предпочтительно воздействующий лазерный луч и/или любой вторичный источник излучения фокусируют с использованием адаптивной оптики. Адаптивная оптика первоначально применялась в области астрономии, когда искажение светового поля от удаленной звезды, вызываемое атмосферой земли, устраняется посредством адаптации формы деформируемого зеркала к поступающему световому полю. Обычно используют так называемую «опорную звезду», создаваемую мощным лазерным лучом, отражающимся от внешнего слоя атмосферы. Деформируемое зеркало затем регулируют до тех пор, пока изображение опорной звезды не станет четким. В контексте офтальмологии адаптивную оптику можно применять для компенсации аббераций, связанных с дефектами глазных тканей, что позволяет оптимизировать фокусировку указанного воздействующего лазерного луча. Предпочтительно указанная адаптивная оптика дополнительно предусматривает применение деформируемого зеркала.
Кроме того, предпочтительно указанная адаптивная оптика дополнительно включает использование датчика Шака-Гартмана, хорошо известного из астрономии и офтальмологии, в частности, в офтальмологии данный датчик применяют для отображения оптических аббераций глаза до и после процедуры абляции роговицы, в настоящее время выполняемой путем испарения тканей эксимерным лазером. Хотя применение адаптивной оптики позволяет выполнить коррекцию за один прием, в некоторых случаях может быть предпочтительным, чтобы адаптивная оптика образовывала контур обратной связи, если корректировка и измерение результата являются итерационным процессом. Адаптивная оптика может наводиться с помощью предназначенных для этой цели источников света, но предпочтительно ее наводить с помощью отражения или другого излучения, вызываемого указанным воздействующим лазерным лучом или указанным вторичным источником излучения.
Типы излучения
В одном варианте реализации способа согласно изобретению указанное излучение относится к по меньшей мере одному из следующих типов: флуоресценция (детектирование широкополосного излучения света от объекта при большей длине волны, чем длина волны падающего света), рассеяние (детектирование света, испускаемое от объекта при длине волны падающего света), рамановское рассеяние (детектирование узкополосного излучения света от объекта, при большей или меньшей длине волны, чем длина волны падающего света), отражение (зеркальное отражение падающего света), фосфоресценция (детектирование широкополосного излучения света от объекта при большей длине волны, чем длина волны падающего света, и с задержкой более чем 100 наносекунд) и тормозное излучение (детектирование широкополосного излучения света от мишени как при большей, так и при меньшей длинах волн, чем длина волны падающего света). В частности, может быть полезным измерять спектральное распределение указанного излучения, используя тот факт, что спектральное излучение часто соответствует своему молекулярному происхождению. Аналогично, различные временные константы, например время релаксации, могут характеризовать свойства области, на которую оказывают воздействие. В одном варианте реализации изобретения, следовательно, предпочтительно выполняют анализ измерений указанного излучения посредством временного анализа.
Целевая обратная связь
В описанной выше системе обратной связи при программировании можно исходить из одного или более одного показателя из нескольких заданных физических показателей. Соответственно, систему обратной связи можно запрограммировать для наблюдения определенных физических характеристик и для регулировки лазера и/или принятия решения о продолжении или прекращении воздействия на основании этих характеристик. В предпочтительном варианте реализации изобретения такой контроль может быть осуществлен на следующих этапах:
a) выполняют световую обработку указанного выбранного участка;
b) регистрируют излучение от указанного выбранного участка;
c) постепенно повышают энергию указанной световой обработки;
d) определяют, когда указанное излучение будет ниже заданного порогового значения.
Аналогичным образом, в другом предпочтительном варианте реализации изобретения эффективность воздействия исследуют посредством измерения излучения с интенсивностью, не приводящей к обработке указанного выбранного участка. В конечном счете такое исследование эффективности может быть выполнено или дополнено посредством сравнения величин указанного излучения, полученных до оказания воздействия, с данными, полученными при указанной проверке.
В общем случае целью системы обратной связи может быть увеличение указанного излучения, уменьшение, возникновение, исчезновение или поддержание его на соответствующем уровне. К предпочтительным целевым показателям при регулировке воздействующего лазера согласно настоящему изобретению относится настройка на обесцвечивание, изменение цвета, деагрегация компонентов хрусталика, деполимеризация белков хрусталика или других составляющих хрусталика или ресолюбилизация белков хрусталика или других составляющих хрусталика. Предпочтительно это выполняют с предотвращением или минимизацией образования пустот, механических, акустических и/или термических эффектов в молекулах, компонентах или клетках, которые не подлежат обработке или находятся за пределами указанной выбранной области. Для этого система может контролировать то же самое излучение (излучения), которое используется для контроля достижения целевого показателя, или другое.
К другим предпочтительным целям регулировки согласно изобретению относится настройка воздействующего лазерного луча для получения молекулярного расщепления соответствующих более крупных молекул или макромолекулярных аддуктов, например белков хрусталика или поперечных связей белков хрусталика, без повреждения здоровых белков хрусталика, клеточных мембран или других здоровых компонентов хрусталика, с предотвращением или минимизацией при этом образования пустот, механических, акустических и/или термических эффектов в молекулах, компонентах или клетках, которые не подлежат обработке или находятся за пределами указанной выбранной области. В частности, указанным излучением может быть флуоресценция, а систему при этом настраивают одновременно на минимизацию или предотвращение увеличения рассеяния.
Многофотонный эффект
Фотонное возбуждение соответствующих молекулярных составляющих глаза человека с использованием голубого света или ультрафиолетового света представляет проблему, поскольку обладающие большой энергией фотоны вызывают повреждение роговицы и живых слоев хрусталика. Дополнительные проблемы включают ретинотоксичность и плохую проницаемость пораженного катарактой хрусталика. Для преодоления этой проблемы используют многофотонное возбуждение. Двухфотонное возбуждение достигается соответствующим электронным возбуждением посредством лазерного света с высокой интенсивностью и половинной длиной волны по сравнению с необходимой для достижения желаемого эффекта посредством единичного фотона. Высокая интенсивность света повышает вероятность возбуждения флуоресценции в двухстадийном процессе, когда молекула сначала возбуждается до виртуального уровня первым фотоном и затем другим фотоном, взаимодействующим с электроном, в пределах времени жизни флуоресцентного состояния. Поскольку время жизни виртуального уровня очень коротко, второй фотон должен прибыть в пределах очень короткого промежутка времени - этим обусловлена высокая интенсивность. С другой стороны, энергия импульса должна быть такой, чтобы предотвратить термическое или химическое повреждение окружающих тканей. Соответственно, свет предпочтительно подавать в импульсном режиме, при этом требования высокой интенсивности может удовлетворяться за счет высокой пиковой интенсивности. Высокую пиковую интенсивность при низкой энергии импульса получают на пикосекундном, наносекундном или фемтосекундном лазере и посредством фокусировки лазерного света в области тканей, представляющих интерес. Сочетание фокусировки и двухфотонного возбуждения значительно снижает риск повреждения окружающих тканей, поскольку поток энергии, необходимый для достижения возбуждения, существует только в точке фокуса. В результате возможно ультрафиолетовое возбуждение в глубине вещества с высоким поглощением ультрафиолета, например в хрусталике. Перед фокусом и позади него присутствует исключительно красный свет или инфракрасное излучение, не вызывающее значительного фототоксичного эффекта. Во время процедуры флуоресценция, наблюдаемая вдоль воздействующего лазерного луча в хрусталике в результате двухфотонных процессов, может быть использована для регулировки фокальной плоскости воздействующего лазерного луча относительно хрусталика.
Соответственно, в предпочтительном варианте реализации воздействующий лазерный луч поступает от системы лазерной обработки, содержащей по меньшей мере один сверхбыстрый лазер для обеспечения многофотонного эффекта, например двухфотонного эффекта. Указанная воздействующая лазерная система излучает свет с длиной волны, по существу, 800 нм, предпочтительно 1030 нм. Предпочтительно воздействующая лазерная система излучает лазерный свет в диапазоне длин волн 200-1500 нм, предпочтительно в диапазонах 300-550 нм, 550-700 нм, 700-1000 нм, 1000-1500 нм. В предпочтительном варианте реализации воздействующий лазерный луч поступает от титан-сапфирового лазера, излучающего с длиной волны 800 нм или в полосе 800±300 нм.
Во-вторых, воздействующий лазерный луч работает предпочтительно в импульсном режиме с шириной импульса, по существу, менее 60 пс, более предпочтительно с шириной импульса, по существу, менее 30 пс, по существу, менее 10 пс, по существу, менее 1 пс, по существу, менее 500 фс, по существу, менее 200 фс, по существу, менее 100 фс, по существу, менее 50 фс, по существу, менее 5 фс.
В-третьих, в импульсном режиме указанного воздействующего лазерного луча энергия импульса предпочтительно ниже, по существу 200 мкДж, более предпочтительно, по существу, ниже 100 мкДж, по существу, 50 мкДж, по существу, 25 мкДж, по существу, 10 мкДж или, по существу, 3 мкДж.
В-четвертых, воздействующий лазерный луч предпочтительно фокусируют в пятно с диаметром по существу 100 мкм, более предпочтительно 50 мкм, по существу, 20 мкм, по существу, 10 мкм, по существу, 5 мкм или, по существу, 1 мкм.
2
2
2
2
2
2
В-пятых, плотность энергии импульса воздействующего лазерного луча предпочтительно менее, по существу, 1 Дж на квадратный см, менее, по существу, 500 мДж/см, менее, по существу, 250 мДж/см, менее, по существу, 100 мДж/см, менее, по существу, 50 мДж/см, менее, по существу, 25 мДж/см, менее, по существу, 10 мДж/см.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Обычно недостаточно осуществить световую обработку хрусталика только в одной области. Соответственно, в предпочтительном варианте реализации изобретения фокус лазерного луча перемещают так, чтобы воздействовать на по меньшей мере одну заданную область, причем указанная область имеет такие размеры, что возможно избирательное наведение на вещество хрусталика и его подучастки без повреждения прилегающих здоровых или нездоровых тканей. Предпочтительно размер указанной области в поперечном сечении, видимом со стороны инструмента, соответствует всему хрусталику или определенным его частям, или не превышает приблизительно 100 мм, 10 мм, 1 мм, более предпочтительно не превышает приблизительно 0,6 мм, приблизительно 0,3 мм, приблизительно 0,1 мм, приблизительно 0,01 мм, приблизительно 1000 мкм, приблизительно 100 мкм, приблизительно 10 мкм, приблизительно 1 мкм.
Источник света
Источник света предпочтительно представляет собой компактный лазер, испускающий короткие, настраиваемые импульсы лазерного света с регулируемыми промежутками очень малой длительности между последовательными импульсами. Указанная длительность промежутков предпочтительно меньше времени затухания возбуждения в компонентах, в требуемом спектральном диапазоне для последовательного двухфотонного возбуждения белка хрусталика. Плотная цепочка импульсов света служит для того, чтобы вызвать тонкие локальные эффекты, которые влекут за собой расщепление поперечных связей белка хрусталика посредством последовательного возбуждения молекулярных связей на шагах возбуждения, при этом импульсы слишком слабые, чтобы вызывать расщепление однократным возбуждением. Также предусмотрена подача одиночных импульсов для обычного многофотонного возбуждения.
4
Одно из возможных решений заключается в создании источника света в виде настраиваемого оптического параметрического генератора (ОПГ), накачиваемого титан-сапфировым лазером с удвоением частоты, который, в свою очередь, накачивается Nd:YAG или Nd:YVO лазером с диодной накачкой, работающим в непрерывном режиме с удвоением частоты. Настраиваемый титан-сапфировый лазер с удвоением частоты обеспечивает возбуждение фотона в синей области спектра, доходящей до ближнего ультрафиолета (~350-450 нм).
Таким образом, в предпочтительном варианте реализации изобретения воздействующая лазерная система содержит настраиваемый оптический параметрический генератор, накачиваемый титан-сапфировым лазером с удвоением частоты, причем указанный титан-сапфировый лазер с удвоением частоты, в свою очередь, накачивают работающим в непрерывном режиме лазером с диодной накачкой с удвоением частоты.
Другим возможным решением является создание источника света в виде настраиваемого оптического параметрического генератора (ОПГ), накачиваемого титан-сапфировым лазером, причем указанный титан-сапфировый лазер, в свою очередь, накачивается диодным лазером. Настраиваемый титан-сапфировый лазер может обеспечивать возбуждение фотона в диапазоне 650-1100 нм. ОПГ позволяет разбить этот фотон на два, один из которых имеет длину волны больше, чем у половины титан-сапфирового фотона (сигнальный импульс), и другой - меньшую длину волны, чем у половины титан-сапфирового фотона (холостой импульс). Регулируемая оптическая линия задержки вносит между двумя импульсами ОПГ интервал длительностью от нуля до нескольких наносекунд. Определение точного диапазона настройки импульсов ОПГ требует подробного расчета условий совпадения фазы с учетом свойств выбранного для ОПГ кристалла (например, LBO), но по результатам предыдущих исследований можно ожидать диапазона настройки примерно в 50 нм.
2
2
Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления изобретения воздействующая лазерная система содержит настраиваемый оптический параметрический генератор, накачиваемый титан-сапфировым лазером, причем титан-сапфировый лазер, в свою очередь, накачивают диодным лазером. В предпочтительном варианте титан-сапфировый лазер излучает свет с длиной волны, равной или близкой к 800 нм при частоте импульсов, на выбор, 31 кГц или 275 кГц. Интенсивность луча титан-сапфирового лазера лежит в диапазоне от 50 мДж/см до 300 мДж/см, а длина импульса менее 250 фс.
В другом предпочтительном варианте реализации воздействующая лазерная система содержит настраиваемый оптический параметрический генератор, титан-сапфировый лазер и диодный лазер, причем оптический параметрический генератор накачивают титан-сапфировым лазером, который, в свою очередь, накачивают диодным лазером.
В еще одном предпочтительном варианте реализации воздействующая лазерная система содержит фотонно-кристаллическое волокно, причем это волокно предпочтительно накачивают диодным лазером.
Сканирование луча относительно хрусталика
Во время обработки хрусталика может выполняться сканирование лазерного луча, по меньшей мере, по части хрусталика. Сканирование может выполняться с использованием различных траекторий развертки, например меандр, прерывистая построчная развертка, непрерывная построчная развертка, спиральная и/или круговая развертка. Кроме того, можно регулировать скорости сканирования между сканированиями или во время сканирования. Сканирование, кроме того, можно повторять один или несколько раз. Предпочтительно скорость сканирования составляет 1-1000 мкм/с, предпочтительнее 10-500 мкм/с, еще более предпочтительно - 50-250 мкм/с, более предпочтительно 75-125 мкм/с.
В некоторых вариантах реализации размеры области хрусталика, на которую воздействуют лазерными лучами, составляют 1×1×1 мм.
Устройства для выполнения сканирования луча на объекте известны специалистам в данной области техники.
Иммобилизация глаза
Глаз человека совершает микродвижения с частотой порядка 10 Гц. Эти микродвижения непроизвольны, а следовательно, пациент не может подавлять эти движения усилием воли при световой обработке. В одном из предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения пространственно точной световой обработки добиваются, механически обездвиживая на время обработки живой глаз, полностью или частично, за счет механического контакта с поверхностью глаза или с контактной линзой, установленной на глазу. Кроме того, при такой механической иммобилизации в месте механического контакта предпочтительно имеется текучая среда на поверхности контакта, что хорошо известно из уровня техники, и/или применяется присасывание для усиления механического контакта, также хорошо известное из уровня техники.
Слежение за движением и/или ориентацией глаза
Отслеживание движений и/или ориентации глаза выполняют вместо иммобилизации глаза или в дополнение к ней, что дает возможность существенно повысить точность. А именно, подключение реагирующей системы, обеспечивающей регулировку луча в реальном времени, позволяет полностью нейтрализовать движения глаза относительно системы.
Таким образом, предпочтительный вариант осуществления изобретения включает в себя способ слежения за движением глаза посредством наблюдения глаза по меньшей мере одним световым датчиком.
Предпочтительно по меньшей мере один такой световой датчик (датчики) содержит камеру, при этом движение глаза предпочтительно определяют слежением за контрольными точками в глазу. Для получения еще более высокой точности датчики можно разнести в пространстве, что позволяет рассчитывать трехмерное изображение. Соответственно, предпочтительно, чтобы каждый из датчиков наблюдал глаз под особым углом.
В другом предпочтительном варианте слежения за движениями глаза согласно изобретению ориентацию глаза в пространстве определяют одновременным наблюдением фронтальной поверхности или части глаза и глазного дна с вычислением ориентации глаза.
Подготовка глаза и введение вспомогательных медикаментов
Для того чтобы сделать хрусталик более восприимчивым к световой обработке и/или облегчить удаление ее побочных продуктов, в некоторых случаях желательно осуществить некоторое воздействие на глаз до, во время или после световой обработки или обследования. Поэтому в предпочтительном варианте реализации изобретение охватывает способ осуществления воздействия на глаз, по меньшей мере, одного из следующих факторов: тепла, холода и магнитного поля, до обработки, во время обработки и после обработки, до обследования, во время обследования и после обследования.
Аналогично, в другом предпочтительном варианте реализации изобретение предусматривает введение вспомогательных медикаментов. Предпочтительно эти медикаменты блокируют свободные радикалы в глазу. Такие свободные радикалы могут возникать как нежелательные побочные продукты световой обработки, и от них предпочтительно избавляться способом, отличным от взаимодействия со здоровыми тканями.
Подробное описание чертежей
Способ и система согласно настоящему изобретению проиллюстрированы посредством не ограничивающих примеров на фиг.1-6.
На фиг.1 представлен пример системы (1) согласно изобретению, предназначенной для неразрушающей или минимально разрушающей световой обработки хрусталика (2) глаза (3) животного или человека и/или его составляющих, в совокупности или выборочно, содержащей:
е) лазерную систему (4) для излучения по меньшей мере одного воздействующего лазерного луча (5);
f) средства (6) фокусировки указанного воздействующего лазерного луча (5) на выбранном участке (7) хрусталика и/или его составляющих в совокупности или выборочно там, где предполагается производить обработку;
g) средства (8) измерения одного или нескольких типов излучения от указанного выбранного участка;
h) средства (9) обработки результатов измерений указанного одного или нескольких типов излучения от указанного выбранного участка;
i) средства (10) регулировки, основанной, по меньшей мере, частично на выходном сигнале средств обработки.
На фиг.2 представлен другой пример системы согласно настоящему изобретению, дополнительно содержащей:
a) средства (11) определения оптических характеристик указанного выбранного участка, например спектрометр с временным разрешением,
b) средства (12, 13) детектирования акустических эффектов, в которых датчик находится в механическом контакте с глазом,
c) адаптивную оптику (14), представленную здесь деформируемым зеркалом,
d) средство (15) для выполнения сканирующего перемещения фокуса указанного воздействующего лазерного луча в пределах по меньшей мере одного заданного объема, причем развертку по глубине фокуса осуществляют перемещением линзы (22) в установке, а фронтальную развертку - перемещением плоского зеркала (23) и вогнутого зеркала (24);
e) средство (25) отображения радужной оболочки или ее движений,
f) средство обеспечения фиксированной мишени, изображенное здесь в виде светоизлучающего диода (26), причем указанная мишень проецируется на сетчатку (27),
g) средство отображения глазного дна (27) или его движений,
h) и средство (28) отображения мишени.
На фиг.3 представлен один пример потоков информации на входе и выходе средства (9) для обработки результатов измерений. Хотя устройство для обработки и показано как моноблок, изобретение не ограничивается исполнением средства для обработки результатов измерений в виде единого модуля. Напротив, обработка может быть выполнена несколькими компьютерами и/или специализированными аппаратными устройствами. Некоторые процессы можно также анализировать в ручном режиме.
Фиг.4 представляет пример соответствующей лазерной системы (4), содержащей настраиваемый оптический параметрический генератор (16), титан-сапфировый лазер (17) с удвоением частоты и работающий в непрерывном режиме с удвоением частоты лазер (18) с диодной накачкой, в котором указанный оптический параметрический генератор (16) накачивается указанным титан-сапфировым лазером (17) с удвоением частоты, который, в свою очередь, накачивается указанным работающим в непрерывном режиме с удвоением частоты лазером (18) с диодной накачкой.
На фиг.5 представлен пример соответствующей воздействующей лазерной системы (4), содержащей фотонно-кристаллическое волокно (19) и работающий в непрерывном режиме лазер (18) с диодной накачкой с удвоением частоты, причем оптический параметрический генератор накачивают титан-сапфировым лазером с удвоением частоты, который, в свою очередь, накачивают лазером с диодной накачкой, работающим в непрерывном режиме с удвоением частоты.
На фиг.6 представляет один из вариантов изобретения, в котором живой глаз (3) механически обездвижен на время обработки, полностью или частично, средством для механического контакта с контактной линзой (20), установленной на глазу (3). Кроме того, для улучшения сцепления в средстве для механического контакта использован промежуточный слой (21) текучей среды.
Примеры
Нижеследующий пример описывает более подробно заявляемую систему, такую, как показано на фиг.1. Настоящий пример системы для фототерапии хрусталика использует один или более источников света для нацеливания на выбранную область хрусталика глаза человека или животного и ее световой обработки. В конкретном варианте реализации изобретения использован 800 нм титан-сапфировый лазер при частоте повторения импульсов 275 кГц, ширине импульса 238 фемтосекунд, энергии импульса 0,04 мкДж, пиковой мощности 0,18 МВт и радиусе мишени в поперечном направлении 10-200 мкм.
После получения мишени в хрусталике с использованием классической визуальной оптики, которая может содержать щелевую лампу и/или корректор перспективы на основе принципа Шаймпфлюга (не показан), в глаз подают лазерный импульс или последовательность импульсов с постепенно изменяющейся энергией, чтобы вызвать последовательность событий в заданной области, причем характер этих событий оценивают по оптической сигнатуре, снимаемой спектрометром.
К этим событиям, не ограничиваясь этим, относятся: рассеянное отражение, флуоресценция, рамановское рассеяние и тормозное излучение от плазменных образований. Опираясь на один или несколько из этих сигналов реакции тканей, а также наблюдая форму и размеры заданной области, контур обратной связи адаптивной оптики позволяет управлять гибким зеркалом и оптимизировать фокусировку лазерной энергии.
Используя быструю фокусировку поступающего в глаз луча и регулировку энергии, необходимой для возбуждения флуоресценции или иных сигналов реакции тканей, по отдельности или в комбинации, вслед за маломощным измерительным импульсом подают импульс воздействующей мощности, который достигает требуемого оптического эффекта, например обесцвечивания флуорофора, изменения в характере отражения, коэффициенте преломления или прозрачности. Затем фокус инструмента последовательно перенацеливают на различные подлежащие обработке области, что позволяет провести световую обработку всего хрусталика или определенной части его объема.
В другом варианте осуществления изобретения лазер на кристаллическом волокне с длиной волны 1030 нм применяют для того, чтобы вызвать двухфотонную флуоресценцию, наблюдаемую через пороговый фильтр или в спектрометре в диапазоне примерно 530-630 мкм. Сразу после этого постепенно повышают энергию, импульс за импульсом, до тех пор, пока не возникает трехфотонная флуоресценция примерно в диапазоне 320-420 нм с последующим затуханием флуоресценции области мишени, что свидетельствует о многофотонном обесцвечивании или другом оптическом эффекте в тканях обрабатываемой области, при условии, что глаз оставался неподвижным. Положение заданного объема в хрусталике непрерывно контролируют анализом в реальном времени изображений глазного дна и фронтальных структур глаза, в первую очередь, радужной оболочки, причем время отклика системы слежения за положением глаза составляет меньше 0,1 с, а наведение в цель, измерение и обработку выполняют в пределах 0,1 с.
Источники информации
Бриджит Сандер, Ларсен М: Фотохимическая модуляция неферментного гликозилирования. Европейская Ассоциация по изучению осложнений глазных заболеваний, связанных с диабетом. Лондон, 9 сентября 1991 г.
Бриджит Сандер, Ларсен М: Фотохимическое обесцвечивание флюоресцентных продуктов гликозилирования. VI митинг Международн. Общества по окулярной флуорометрии. Брюссель, 27 мая 1992.
Сандер Б., Ларсен М: Фотохимическое обесцвечивание флюоресцентных продуктов гликозилирования. Межд. Офтальмол. 18: 195-198, 1995.