СПОСОБ КОНТРОЛИРУЕМОГО ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РОГОВИЦЫ ГЛАЗА ПУТЕМ СОЗДАНИЯ ПСЕВДОМЕМБРАНЫ В ЗОНЕ АБЛЯЦИИ
METHOD OF CONTROLLED CHANGE OF FORM OF FRONTAL EYE CORNEA SURFACE BY CREATION OF PSEUDO MEMBRANE IN ABLATION ZONE

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, и может быть использовано для коррекции аномалий рефракции и рефракционных патологий глаза.
Роговица, являясь частью роговично-склеральной оболочки, ответственна как за формирование ретинального изображения (обладает наибольшей оптической силой в оптической системе глаза), так и за механическую стабильность. Эта дуальная функция роговицы является основным базисом многих рефракционных операций. Изменения структурной целостности роговицы, как, например, при радиальной и астигматической кератотомии и, в общем, для любой эксимерлазерной коррекции аметропии приводит к изменению формы передней поверхности роговицы и, следовательно, ее рефрактивных свойств.
Существует несколько возможностей изменить кривизну передней поверхности роговицы глаза. Наиболее распространенный способ - это способ абляции стромальной части роговицы излучением ArF эксимерного лазера. В этом случае роговица рассматривается как кусок вещества, где часть стромальной ткани убирается, и передней поверхности роговицы придается необходимая форма. Первая научная работа на тему изменения формы передней поверхности роговицы глаза выполнена С.Трокелем из Колумбийского университета и Р.Шринивасаном из IBM [1] и была посвящена абляции поверхности роговицы глаза излучением эксимерного лазера на длине волны 193 нм. Способ получил название фоторефрактивная кератектомия (ФРК), но не был запатентован. В 1989 году появился патент Gholam Ali. Peyman US Patent #4,840,175 "METHOD FOR MODIFYING CORNEAL CURVATURE", описывающий хирургическую процедуру, в которой срезается верхний лоскут роговицы и с помощью излучения эксимерного лазера удаляется часть стромальной ткани внутри роговицы для придания ей желаемой формы. После облучения лоскут возвращают на место. С 1991 года этот способ известен под названием лазерный in situ кератомилез (ЛАСИК). Основными недостатками применения способов ФРК и ЛАСИК для изменения формы поверхности роговицы являются: 1) воздействие на центральную оптическую зону роговицы, которая ответственна за качество ретинального изображения; 2) невозможность осуществлять коррекцию высоких степеней астигматизма и гиперметропии (более 4 диоптрий) без существенного ухудшения качества зрения.
Другими способами управления формой передней поверхности роговицы являются тепловые способы, когда нагрев внутренней части стромы вне оптического центра роговицы осуществляется с помощью глубоко проникающего лазерного излучения или радиочастотного поля [2-4]. Например, патент 1995 года US #5,437,658 "METHOD AND SYSTEM FOR LASER THERMO KERATOPLASTY OF THE CORNEA". Такие не абляционные тепловые способы приводят к усадке ткани роговицы в зоне нагрева внутри роговицы за счет денатурации коллагеновых фибрилл стромы, и, как результат, изменяется форма роговицы в центре, что влияет на ее рефрактивные свойства. Недостатками тепловых способов являются: 1) высокие температуры поверхности и эндотелия роговицы, приводящие к отложенным осложнениям; 2) высокая степень регресса формы поверхности роговицы со временем, а значит, и низкая предсказуемость результата. Поэтому этот способ, несмотря на продолжающиеся исследования, не нашел широкого применения в медицинской практике.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа контролируемого изменения формы передней поверхности роговицы глаза, обеспечивающего целостность внутренней структуры и интактность оптической зоны роговицы.
Поставленная задача достигается тем, что абляция роговицы излучением широкоапертурного эксимерного лазера проводится вне оптической зоны глаза. Профиль распределения энергии по сечению луча выбирается так, чтобы плотность энергии на краю области абляции была равна пороговому значению, а внутри области - выше порога абляции. Изменение формы передней поверхности в этом случае происходит не только за счет удаления стромальной части роговицы вне оптической зоны, но и за счет биомеханического отклика роговицы на такое воздействие.
Предлагаемый способ отличается тем, что непосредственно после абляции стромы роговицы излучением широкоапертурного ArF эксимерного лазера образуется псевдомембрана, покрывающая аблированную поверхность [5, 6]. Излучение эксимерного лазера разрывает макромолекулы коллагена и гликозаминогликанов в строме так, что в результате образуется плотная мембрана из остатков аблированного материала в аморфном денатурированном состоянии с низким содержанием воды [7] и более высоким коэффициентом преломления [8]. При этом псевдомембрана остается связанной с подлежащим субстратом. Измеряемое увеличение коэффициента преломления вызвано увеличением плотности аблированного материала, которое, в свою очередь, должно приводить к механической деформации материала за счет изменения, согласно закону «Лоренца-Лоренца» [9], объема псевдомембраны. Толщина псевдомембраны составляет десятые доли микрона [5], и поэтому абсолютный вклад в изменение объема дает в основном изменение площади аблированной поверхности. Изменение площади аблированной поверхности приводит к возникновению смещения, направленного вовнутрь роговицы, которая тянет переднюю поверхность и передние слои роговицы, осуществляя «лифтинг» роговицы, приводящий к изменению формы передней поверхности. Величина и направление смещения зависят от формы профиля аблированной поверхности.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
На фиг.1 схематически изображен принцип предлагаемого способа. Излучение ArF эксимерного лазера с определенными поперечными размерами луча и с таким профилем распределения энергии по сечению луча, чтобы на краях луча плотность энергии была равна порогу абляции, а в остальных областях превышала его, падает на роговицу глаза с предварительно удаленным эпителием и создает соответствующий профиль аблированной поверхности. В зоне абляции образуется тонкая псевдомембрана высокой плотности с большим коэффициентом преломления, чем исходная роговица. По закону «Лоренца-Лоренца» плотность ρ и показатель преломления п диэлектрических материалов подчиняются соотношению
где С - размерный коэффициент пропорциональности. Отсюда легко получить отношение объемов псевдомембраны до и после абляции:
1
2
1
2
Из формулы (1) легко получить зависимость Δℓ разницы длин профиля аблированной поверхности до ℓ и после ℓ абляции, от n и n до и после абляции соответственно
Отсюда
2
1
Так как длина профиля аблированной поверхности меняется незначительно, то будем считать ℓ=ℓ=ℓ.
1
1
1
1
2
1
Так как толщина псевдомембраны всегда менее микрона (точное значение зависит от скорости абляции и размеров зоны абляции) [5], то абсолютный вклад в изменение объема происходит практически за счет изменения линейных размеров зоны абляции. Перемещение точки А (см. фиг.1) будет происходить в направлении АА вдоль аблированной поверхности, что приведет к смещению точки А вдоль радиуса, перпендикулярно поверхности роговицы в положение А, расположенной на расстоянии AA=Δℓcosα, где Δℓ - разница длин профиля аблированной поверхности без учета изменения коэффициента преломления аблированной поверхности ℓ и после ℓ, α - угол между направлением смещения и перпендикуляром к поверхности в точке А (направление АО). Косинус угла α может меняться от 90 градусов до некоторой предельной величины, зависящей от профиля абляции и толщины роговицы.
Изменение оптической силы в центре роговицы ΔD будет определяться следующей формулой:
1
2
1
2
1
2
2
где константа пропорциональности K является функцией n и n, R=RR, R, R - радиусы кривизны роговицы до и после абляции, угол β задает положение зоны абляции на поверхности роговицы, ℓ - длина профиля абляции и угол α, который определяется профилем аблированной поверхности. При выбранной длине профиля абляции и места зоны абляции на поверхности роговицы изменение оптической силы роговицы в центре будет пропорционально косинусу угла α, другими словами, глубине абляции или, что эквивалентно, количеству лазерных импульсов.
Авторами был применен и испытан способ контролируемого изменения формы передней поверхности роговицы глаза, путем создания псевдомембраны в зоне абляции, на 48 глазах свиней. На фиг.2 приведены зависимости изменений оптической силы роговицы: слабой и сильной осей, в случае предварительно индуцированного астигматизма в объеме 5 диоптрий при абляции роговицы вдоль слабой оси индуцированного астигматизма вне оптической зоны роговицы от размера оптической зоны. Абляция роговицы проводилась излучением эксимерного лазера с гауссовым распределением энергии по сечению луча диаметром 3,5 мм по основанию. Приводим описание чертежей, иллюстрирующих способ.
На фиг.1 приведена схема абляции роговицы излучением ArF эксимерного лазера с известным распределением энергии по сечению луча. Жирной сплошной линией выделен профиль псевдомембраны в вертикальном сечении. Пунктиром отмечено новое положение передней поверхности роговицы.
______
▬▬▬▬
На фиг.2 приведены зависимости изменений оптической силы свиной роговицы: слабой (выделено пунктиром) и сильной (сплошная линия) ее осей, в случае предварительно индуцированного астигматизма величиной 5 диоптрий при абляции роговицы излучением эксимерного лазера с гауссовым распределением энергии поперек луча вдоль слабой оси астигматизма вне оптической зоны роговицы от размера оптической зоны. Диаметр лазерного луча составлял 3.5 мм. Обозначения: ········ - значение оптической силы сильной оси астигматизма до операции, ••••• - значение оптической силы сильной оси астигматизма после операции,  - значение оптической силы слабой оси астигматизма до операции,  - значение оптической силы слабой оси астигматизма после операции.
Источники информации
1. S.L.Trokel, R.Shrinivasan, В.Braren. Excimer laser surgery of cornea // Am. J.Ophthalmol. 96 (6), 710-715, (1983).
2. H.Stringer, J.Parr. Shrinkage temperature of eye collagen // Nature 4965:1307, (1964).
3. E.Sporl, U.Genth, K.Schmalfuss, et al. Thermomechanical behavior of the cornea // Ger. J.Ophthalmol.5, 322-327, (1997).
4. M.В.McDonald. Conductive keratoplasty: a radiofrequency-based technique for the correction ofhyperopia // Trans. Am. Ophthalmol. Soc. 103, 512-536, (2005).
5. M.Campos, S.L.Trokel, et al. Ablation rates and surface Ultrastructure of 193 nm excimer laser keratectomies // Invest. Ophthalmol. & Visual Sc. 34, (8), 3493-2500, (1993).
6. M.Campos, S.L.Trokel, et al. Ablation rates and surface Ultrastructure of 193 nm excimer laser keratectomies // Invest. Ophthalmol. & Visual Sc. 34, (8), 3493-2500, (1993).
7. N.S.Tsiklis, G.D.Kymionis, G.A.Kounis, 1.1. Naoumidi, I.G.Pallikaris. Photorefractive keratectomy using solid state laser 213 nm and excimer laser 193 nm: a randomized, contralateral, comparative, experimental study // Invest. Ophthalmol. & Visual Sc. 49, (4), 1415-1420, (2008).
nd
8. M.A.Lemp. Comeal wound healing after excimer laser photokeratectomy // Proceeding of 42 Annual Symposium: Medical Cornea - Comeal and refractive surgery, New Orleans, LA, USA, Feb. 26-28,1993,103-113.
9. S.Patel, J.A.Alio, A.Artola. Changes in the refractive index of human comeal stroma during laser in situ keratomileusis. Effect of exposure time and method used to create the flap // J. Cataract refract. Surg. 34, 1077-1082. (2008).
10. Lorentz. On the relation between the propagation speed of light and density of a body // Ann Phys. 1880. 9. 641-665. Lorenz L. About the constant of refraction // Ann Phys. 1880. 70-103.
11. Gladstone IM, Dale TP. Research in the refraction dispersion and sensitiveness of liquids // Phil Trans R Soc Lond. 1863.153. 317-337.