Устройство для исследования динамики гидратации глаза для оценки гидратации роговицы глаза и стабильности слезной плёнки

Полезная модель относится к офтальмологии и предназначена для оценки гидратации поверхностных слоев роговицы глаза и определения стабильности слезной пленки.
Роговица представляет собой высокоорганизованную структуру, являющуюся частью наружной оболочки глазного яблока и выполняющую ряд важнейших функций для поддержания полноценной работы глаза как органа, и вместе с тем, главную преломляющую среду в оптической системе глаза. Одно из основных свойств роговицы - прозрачность - является существенным фактором, и наряду с другими биохимическими и физическими свойствами роговицы поддерживается путем определенного уровня воды в структуре роговицы. Так, в строме, составляющей 90% толщины роговицы, в норме содержится около 75-80% воды. Это превышает содержание воды в любом другом типе соединительной ткани. Такое высокое содержание воды достигается за счет наличия отрицательных зарядов на цепях гликозаминогликанов, которые привлекают положительно заряженный диполь молекулы воды. Протеогликаны в строме расположены неравномерно, в связи с чем переднее и задние слои стромы имеют различную степень гидратации [Вит В.В. Строение зрительной системы человека // Одесса: Астропринт.- 2003. - 727 с.; Rada J.A., Cornuet P.K., Hassell J.R. Regulation of corneal collagen fibrillogenesis in vitro by corneal proteoglycan (lumican and decorin) core proteins // Experimental eye research. - 1993. - Vol. 56. - №6. - P. 635-648.]: в передних слоях стромы благодаря наличию в них специфических протеогликанов содержится больше связанной воды, чем в задних слоях. Задние же слои обладают более выраженной способностью впитывать воду, однако, большая ее часть не связана, поэтому возникающий при гидратации отек является нестабильным [Kaye G.I., Hoefle F.B., Donn A. Studies on the cornea. VIII. Reversibility of the effects of in vitro perfusion of the rabbit corneal endothelium with calcium-free medium // Investigative Ophthalmology & Visual Science. - 1973. - Vol. 12. - №2. - P. 98-113; Klyce S.D., Russell S.R. Numerical solution of coupled transport equations applied to corneal hydration dynamics // The Journal of physiology. - 1979. - Vol. 292. - P. 107-134.]
В нормальных условиях, слезная жидкость на поверхности глаза и водянистая влага передней камеры глаза являются изотоническими по отношению к строме роговицы. Тем не менее, гигроскопичность гликозаминогликанов обеспечивает приток воды из слезной пленки через эпителий роговицы в строму роговицы, реализуя пассивный транспорт. Избыточная гидратация цепочек глюкозаминогликаиов увеличивает их размер, увеличивает расстояние между коллагеновыми волокнами и таким образом нарушает правильность их построения, что ведет к потере прозрачности роговицы. Метаболизм роговицы должен обеспечивать удаление избытка воды, что реализуется посредством активного транспорта ионов через клеточные мембраны эндотелиальных клеток в переднюю камеру. Таким образом создается активный поток воды от передней части к задней части роговицы и сохраняется гомеостаз, баланс жидкости, нормальный уровень гидратации и оптическая прозрачность роговицы [Kanski J., Clinical ophthalmology: a systematic approach, Elsevier Science, 31, 2011].
Нарушение в работе описанного выше механизма метаболического транспорта - в случаях кислородного голодания, окислительного стресса или под действием широкого спектра веществ, способных нарушить гомеостаз эпителия, эндотелия и стромального матрикса приводит к изменению уровня гидратации роговицы, а также снижению стабильности слезной пленки.
Нестабильность слезной пленки, наряду с гиперосмолярностыо, воспалением, оксидативным стрессом и нейросенсорными нарушениями, играет этиологическую роль в развитии синдрома «сухого глаза» (ССГ). Учитывая вариабельность клинической манифестации ССГ, при постановке диагноза необходимо в совокупности оценивать выраженность симптомов заболевания, результаты клинического осмотра и диагностических тестов.
В настоящее время в офтальмологии весьма актуальна проблема неинвазивной диагностики состояния роговицы глаза с целью выявления предклинической стадии ее поражения. Скорость истончения слезной пленки и степень гидратации эпителия роговицы могут служить маркером /для определения патологии роговицы и развития синдрома «сухого глаза». В настоящее время в клинической практике состояние роговицы оценивают различными способами, такими как биомикросконическая функциональная флюоресцеиновая проба [Волков В.В., Шиляев В.Г. Способ диагностики поражений роговицы. Общая и военная офтальмология. Л., 1980, с. 63-671; флюоресцентная диагностика поражений роговицы с помощью введения в конъюнктивальную полость контрастного вещества фотосенсибилизатора октакатионного фталоцианина с проведением биомикроскопии, при возбуждении флуоресценции лазерным излучением с длиной волны 675 им с плотностью мощности 20 мВт/см, с получением видеофлюоресцентного изображения, проведения спектроскопии и оценкой интенсивности флюоресценции (патент RU 2355285, 21.06.2007); кератотопографическая проба [Современные лазерные технологии в диагностике и лечении повреждений органа зрения и их последствий: Материалы научно - практ. конф. - М., 1999. - с. 27]; оптическое Шеймпфлюг-сканирование роговицы инфракрасным излучением с оценкой денситометрического эпителиального пика и оптической плотности в слоях стромы роговицы (патент RU 2604711, 10.12.16). Однако измерение стабильности слезной пленки одновременно с оценкой гидратации эпителии роговицы в рамках проведения вышеперечисленных методов исследования не учитывается.
На протяжении последних нескольких лет в различных областях медицины наблюдается повышенный интерес к диагностических методам, в основе которых лежит субтерагерцовый и терагерцовый (ТГц) диапазон (от 30 ГГц до 10 ТГц) неионизирующего электромагнитного излучения [О.В. Бецкий, Пионерские работы по миллиметровой электромагнитной биологии, выполненные в ИРЭ РАН, Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2003, №8, С. 11-20.; М. Назаров, А. Шкуринов, Е. Кулешов и В. Тучин, «Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей,» Квантовая электроника, т. 7, №38, pp. 647-654, 2008]. Активные исследования ведутся в развитии применения ТГц излучения для диагностики, например, онкологических заболеваний, сахарного диабета и других заболеваний. Вследствие малой энергий квантов (при частоте излучения 100 ГГц энергия кванта составляет всего 0,4 мэВ) данный диапазон считается безопасным для живых организмов.
Как было показано в работе отечественных ученых [М. Назаров, А. Шкуринов, Е. Кулешов и В. Тучин, «Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей», Квантовая электроника, т. 7, №38, pp. 647-654, 2008], ТГц излучение сильно поглощается водной средой, коэффициенты поглощения и преломления которой и определяют возможность применения ТГц излучения для исследования биологических объектов. Структуры, поглощающие ТГц излучение, могут быть исследованы методом ТГц спектроскопии отражения. К таким анатомическим структурам относится и роговица. В связи с этим, в настоящее время большой интерес представляет исследование возможностей применения непрерывной ГГц рефлектометрии для диагностики заболеваний роговицы, сопровождающихся изменениями ее гидратации.
Ближайшим аналогом является устройство, описанное в способе оценки гидратации роговицы с помощью ТГц излучения [«Способ оценки гидратации роговицы глаза» (RU 2017128508А; 2017-08-10)], в котором оценивали гидратацию роговицы по величине коэффициента отражения при воздействии на роговицу результирующим излучением с фиксированной частотой в диапазоне 30-90 ГГц. Далее, определяли величину коэффициента отражения по амплитуде отраженного излучения с помощью датчика гетеродинного детектирования с гетеродинами на основе оптической генерации субтерагерцевого сигнала. Недостатком устройства является невозможность при фиксированной исходной частоте излучения оцепить по отдельности степени гидратации роговицы и стабильность слезной пленки. Задачей предлагаемой полезной модели является дальнейшее усовершенствование конструкции устройства для оценки степени гидратации роговицы и стабильности слезной пленки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность при изменении частоты излучения оценивать по отдельности степень гидратации роговицы и стабильность слезной пленки с повышением точности определения, что позволит осуществлять более раннюю диагностику патологических изменений роговицы при различных заболеваниях.
Технический результат достигается за счет конструкции, в состав которой входят два, установленных на офтальмологическом штативе, полупроводниковых лазерных источника ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью, выполненных с возможностью генерации на длинах волн в диапазоне от 1530 до 1531 нм со средней мощностью 22 мВт и перестройкой длины волны посредством встроенных внутрирезонансных микронагревателей, связанных оптическим волокном с фотосмесителем, выполненным на низкотемпературной InGaAs подложке с нанесенными контактными площадками логопериодической конфигурации, и с возможностью генерации зондирующего излучения в диапазоне от 0,04 ТГц до 0,4 ТГц, при этом фотосмеситель установлен на указанном штативе с возможностью направления излучения через фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 30 мм на глазную поверхность под углом 15 градусов, и выполнен с возможностью регистрации встроенным детектором ТГц сигнала отраженного и прошедшего через коллимирующую линзу излучения.
Возможность изменения длины волны генерации одного из источников ближнего инфракрасного диапазона обеспечивает изменение частоты используемого ГГц излучения в заданном диапазоне. По результатам нескольких измерений уровня ТГц сигнала, отраженного от внешних отделов роговицы, проведенных на разных частотах ТГц диапазона, можно разделить вклады в регистрируемый отраженный ТГц сигнал от роговицы и слезной пленки и оценить, соответственно, их уровень гидратации и стабильность.
Блок-схема модели прибора для оценки степени гидратации роговицы и стабильности слезной пленки представлены на Фиг., где 1, 2 - лазерные источники ближнего инфракрасного диапазона, 3 - фотосмеситель с фокусирующей линзой, 4 - встроенный детектор ТГц сигнала с коллимирующей линзой, 5 - волоконный сумматор, 6 - синхронный усилитель, 7 - контроллер.
В конструкции используется специальный офтальмологический штатив, на котором размещена вся конструкция. Такой штатив обеспечивает фиксацию головы испытуемого и согласование исследуемой поверхности глаза и фокальных плоскостей ТГц линз. Коэффициент отражения глазной поверхности определяется на двух частотах зондирующего излучения в диапазоне от 0,04 ТГц до 0,4 ТГц. Для этого используются перестраиваемые системы генерации и детектирования непрерывного ТГц излучения на основе диодных лазеров и полупроводникового фотосмесителя.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от ближайшего аналога является то, что для генерации и детектирования ТГц излучения применяют два непрерывных диодных лазера с распределенной обратной связью (DFB), обеспечивающих генерацию излучения инфракрасного (ИК) диапазона на длинах воли в интервале 1530-1531 нм со средней мощностью 22 мВт каждый (Pure Photonics Inc., США). Перестройка длины волны генерации диодных лазеров осуществляется с помощью встроенного микронагревателя. При сложении излучений двух непрерывных DFB-лазсров с близкими частотами в оптическом волокне возникают биения, частота которых соответствует частоте отстройки (0,04 - 0,4 ТГц). Для преобразования сигнала этих биений в ТГц излучение используется фотосмеситель на основе низкотемпературного InGaAs с нанесенными контактными площадками логопериодической конфигурации (ВАТОР, Германия). Излучаемый ТГц сигнал направляется через фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 30 мм на глазную поверхность под углом 15 градусов. Зеркально отраженный ТГц сигнал с помощью коллимирующей линзы с таким же фокусным расстоянием коллимируется и направляется в фотосмеситель, используемый для регистрации излучения. Получаемый фототок измеряется с помощью синхронного усилителя SR 830 (Stanford Research Systems, США). Динамический диапазон системы составляет не менее 30 дБ.
Преимуществом подобной конфигурации устройства является возможность изменения и настройки частоты зондирующего ТГц излучения с помощью подбора разности длин волн излучений полупроводниковых ПК лазеров, используемых для оптического фотосмешения. При заданной длине волны генерации одного из лазерных ИК источников длина волны другого лазера подбирается таким образом, чтобы их разность была как можно ближе к значению, при котором достигается максимум спектральной чувствительности (20 ГГц). Для того, чтобы разделить вклады в регистрируемый отраженный от поверхности роговицы ТГц сигнал компонент излучения, отраженного от слезной пленки и внешних отделов роговицы, необходимо провести измерение коэффициента отражения на другой частоте, максимально отличной от используемой. С этой целью выбирается другая длина волны ИК лазера, участвующего в оптическом фотосмешении, проводится измерение коэффициента отражения на соответствующей частоте зондирующего ТГц излучения, и, используя теоретическую модель, проводится оценка вкладов в регистрируемый отраженный сигнал от внешних отделов роговицы и слезной пленки. Таким образом, с одной стороны, подбором частоты зондирующего излучения достигается максимальная спектральная чувствительность при сохранении локальности области анализа, а с другой, удается разделить и оценить вклады от слезной пленки и роговицы.
Устройство используют следующим образом. Во время исследования голову испытуемого фиксируют на штативе. По алгоритму эксперимента глаз испытуемого должен быть по возможности открыт, но при ощущении дискомфорта разрешается моргнуть. Для каждого глаза проводят измерения ТГц сигнала, отраженного от внешних отделов роговицы, в зависимости от времени на двух частотах 0,04 ТГц и 0,4 ТГц. Началом измерения считается момент открытия глаза. Исследование проводят в течение нескольких циклов «глаз открыт - глаз закрыт». Типичная наблюдаемая динамика коэффициента отражения глазной поверхности имеет при этом две хорошо различимые области, соответствующие открытому и закрытому глазу. В период, когда глаз был открыт, наблюдается спад коэффициента отражения в зависимости от времени, что соответствует динамике дегидратации. При моргании и при смыкании век наблюдается значительное уменьшение отражательной способности глазной поверхности, которая сохраняется на постоянном уровне, пока глаз закрыт. После размыкания век наблюдается восстановление отражательной способности до значения, аналогичного предыдущему циклу. Полученные зависимости коэффициента отражения от времени для левого и правого глаза каждого испытуемого усредняют по нескольким циклам «глаз открыт - глаз закрыт» и пересчитывают так, чтобы начальный момент времени в каждом случае соответствовал моменту размыкания век.
Тестовые испытания экспериментальной модели устройства были проведены на глазах испытуемых добровольцев, не имеющих выявленной ранее глазной патологии.
Предлагаемый подход принципиально отличается от существующих и доступных в настоящее время методов диагностики состояния роговицы и позволяет с высокой точностью проанализировать динамику гидратации роговицы, а также прижизненно получить информацию о физиологическом состоянии передних слоев роговицы и стабильности слезной пленки.