СПОСОБ ОЦЕНКИ ГИДРАТАЦИИ РОГОВИЦЫ ГЛАЗА В СУБТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
METHOD FOR ASSESSING EYE CORNEAL HYDRATION IN A SUB-TERAHERTZ FREQUENCY RANGE

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, к способам оценки гидратации роговицы с помощью субтерагерцевого (субТГц) излучения. Способ может быть использован в диагностике заболеваний глаз, связанных с нарушением водного баланса (степени гидратации) роговицы.
Адекватный контроль гидратации корнеосклеральной оболочки глаза очень важен для ранней диагностики и мониторинга прогрессирования различных офтальмологических патологий (дистрофии роговицы, кератоконуса, прогрессирующей близорукости, первичной открытоугольной глаукомы), выявления показаний и противопоказаний к кераторефракционной хирургии, выбора эффективных и безопасных методов местного медикаментозного лечения, включая слезозаместительную и гипотензивную терапию, и разработке алгоритма коррекции зрения с помощью контактных линз.
В настоящее время отек роговицы или ее дистрофия, предположительно, связанная со снижением гидратации, может быть диагностирована только косвенно - путем измерения толщины роговицы (топографическая пахиметрия), определения формы ее внешней поверхности (компьютерная видео-кератография и картирование роговицы (авторское свидетельство на изобретения, RU 1143418, 22.10.1982), путем измерения биомеханических параметров роговицы, с использованием анализатора ORA (Ocular Response Analyzer; ORA Reichert, США). Отек роговицы косвенным путем можно определить и по степени прозрачности роговицы с помощью оптического Шеймпфлюг сканирования роговицы инфракрасным излучением с оценкой денситометрического эпителиального пика и оптической плотности в слоях стромы роговицы (патент RU 2604711, 10.12.16 г.).
Однако изменения толщины, формы и прозрачности роговицы могут быть связаны не только с нарушением ее гидратации, но и с другими факторами, поэтому существующие косвенные методы оценки содержания воды в ткани роговицы недостаточно информативны.
В настоящее время в арсенале клинического офтальмолога не существует прямого бесконтактного метода определения гидратации роговицы. Использование электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) и субтерагерцевого диапазонов частот для этой цели представляется весьма перспективным, поскольку в диапазоне частот 10-300 ГГц мнимая часть комплексного показателя преломления воды принимает максимальные значения (Фиг. 1 - Частотные зависимости действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости и комплексного показателя преломления воды в диапазоне 0.1 МГц-10 ТГц, при температуре 37°С, рассчитанные по аппроксимационной модели (Ray P.S. Broadband complex refractive indices of ice and water. // Applied Optics. 1972. V. 11. №. 8. P. 1836-1844).
Поэтому в данном диапазоне отражательная способность воды будет достаточно высокой, а поглощение в слое воды будет очень большим. Следовательно, даже небольшое изменение количества воды в роговице будет оказывать существенное влияние на отражательные и пропускательные характеристики роговицы глаза в субтерагерцевом диапазоне.
В настоящее время только несколько исследовательских групп в мире занимаются разработкой системы для ТГц сканирования гидратации биологических тканей. Для этой цели в основном используются импульсные ТГц источники.
Известны способы ТГц-визуализации при диагностике рака кожи, меланомы и анализе ожогов кожи на основе измерения концентрации воды (Mittleman D., ed. Sensing with terahertz radiation. Berlin: Springer, 2003. P. 117-153; Wallace V.P., Fitzgerald A.J., Shankar S., et al. Terahertz pulsed imaging of basal cell carcinoma ex vivo and in vivo. British Journal of Dermatology. 2004; 151(2): 424-432; Dougherty J.P., Jubic G.D., Kiser W. L. Jr. Terahertz imaging of burned tissue. Integrated Optoelectronic Devices 2007. International Society for Optics and Photonics, 2007. P. 64720; Bajwa N. et al. Non-invasive terahertz imaging of tissue water content for flap viability assessment. Biomedical Optics Express. 2017; 8(1): 460-474).
Известен способ ТГц сканирования гидратации роговицы глаза свиньи (Tewari P., Bourges J.L., Hubschman, D.В., et al. Terahertz sensing of corneal hydration. Terahertz sensing of corneal hydration. Annual International Conference of the IEEE, 2010; 3021-4), в котором используют традиционную схему получения импульсного ТГц излучения, состоящую из фотопроводящей антенны и фемтосекундного накачивающего лазера. Детектор на основе диода с барьером Шоттки служит в этой схеме приемником.
Известен способ определения участков ткани с различным содержанием воды с помощью ТГц системы визуализации, которая позволяет с высокой точностью проводить дифференцировку слоев (Taylor Z.D., Singh R.S., Culjat M.O., et al. THz imaging based on water-concentration contrast. Defense and Security: Proceedings. Orlando, FL, USA: SPIE. 2008. N 6949-12: 16-20).
Известен способ прижизненного измерения коэффициента отражения роговицы кролика с использованием импульсной системы формирования изображений в ТГц диапазоне (0,47-0,58 ТГц) и рефлектометра миллиметрового диапазона (100 ГГц). Получены положительные корреляции между толщиной роговицы и отражательной способностью в диапазоне миллиметровых волн (30-300 ГГц или 0,03-0,3 ТГц). (Taylor Z.D., Garritano J., Sung S., et al. Thz and mm-wave sensing of corneal tissue water content: In vivo sensing and imaging results. Terahertz Science and Technology, IEEE Transactions on 2015; 5(2): 184-196).
Однако способы, используемые в вышеупомянутых работах, сложно реализовать в практических устройствах из-за того, что для реализации предложенных схем требуется использование мощного, громоздкого и чрезвычайно дорогого фемтосекундного лазера. Кроме того, в этих работах отсутствуют данные о спектрах отражения и пропускания тканей в миллиметровом диапазоне длин волн (менее 0,3 ТГц), там, где вода обладает высокой отражательной способностью (Фиг. 1)
Известен способ оценки гидратации роговицы глаза по величине коэффициента отражения, определяемого по амплитуде отраженного излучения на частоте 20 ГГц с помощью датчика гетеродинного детектирования. Настройка частоты зондирующего терагерцевого излучения осуществляется с помощью подбора разности длин волн излучений полупроводниковых лазерных источников ближнего инфракрасного диапазона с синхронизацией по фазе (патент RU 2662273, 25.07.2018). Данный способ принят за ближайший аналог. Однако данный способ обладает рядом недостатков.
1. Сложность в техническом исполнении, т.к. необходимо использовать два громоздких полупроводниковых лазера для оптического фотосмешения падающего излучения.
2. Длина волны падающего излучения сопоставима с размерами (диаметром) роговицы глаза человека λ≥d, где λ - длина волны падающего излучения (λ=15 мм), что соответствует частоте 20 ГГц, d - диаметр роговицы глаза человека (d=10±0,56 мм), поэтому возникают дифракционные эффекты на краях роговицы (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: «Наука», 1973. 720 с.), которые искажают регистрируемый отраженный сигнал.
3. При регистрации отраженного сигнала фиксируется некая усредненная, интегральная величина по всей поверхности роговицы, т.к. длина волны падающего излучения сопоставима и даже больше размеров исследуемого объекта.
4. Глубина проникновения излучения в роговицу на частоте 20 ГГц составляет порядка 0,5 мм (Фиг. 2 - Зависимость глубины проникновения (skin layer) от частоты в субтерагерцевом диапазоне 10-100 ГГц), что соответствует толщине роговицы h=500-600 мкм, поэтому в отраженный регистрируемый сигнал может внести вклад переотражение на границе роговица-стекловидное тело.
Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке способа оценки гидратации роговицы глаза с определением коэффициента отражения, величина которого соответствует уровню гидратации роговицы.
Техническим результатом предлагаемого способа является определение изменения содержания воды в роговице, позволяющее на этой основе проводить более точную диагностику патологических изменений роговицы при различных заболеваниях, а также экономическая эффективность.
Технический результат достигается за счет использования в качестве источника субтерагерцевого излучения лавинно-пролетного диода (ЛПД) с частотой излучения 95 ГГц, длиной волны падающего и отраженного излучения λ≈3 мм и мощностью от 0,5 до 1 мВт, квазиоптического рупора для направления излучения, тефлоновых линз для фокусировки излучения, селективного вольтметра определения величины отраженного сигнала от роговицы по величине электрического сигнала.
Схема устройства для осуществления способа представлена на Фиг. 3,
где: 1 - детектор, 2 - лавинно-пролетный диод (ЛПД), 3 - тефлоновая линза, 4 - роговица, 5 - тефлоновая линза, 6 - селективный вольтметр, 7 - блок питания ЛПД.
Использование лавинно-пролетного диода (Тагер А.С, Вальд-Перлов В.М. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М., 1968) в качестве источника субтерагерцового излучения обеспечивает компактность и удобство эксплуатации прибора, а также его сравнительно невысокую стоимость.
Система из квазиоптического рупора на 95 ГГц (Sammoura F., Fuh Y.К., Lin L. Micromachined 95 GHz waveguide-fed plastic horn antennas // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2008. - T. 18. - №. 5. - C. 055009) в сочетании с тефлоновыми линзами (Smith W.J. Modern optical engineering. 4th edition. 2007) необходима для фокусировки генерируемого излучения на роговице, а также рассеянного излучения, отраженного от роговицы, на детекторе.
Электрический сигнал, измеренный с помощью селективного вольтметра, позволяет определить мощность излучения, отраженного от роговицы.
Важным преимуществом предлагаемого нами способа является использование длины волны λ≈3 мм падающего и отраженного излучения, которая является оптимальной, поскольку существенно меньше физических размеров d роговицы глаза. При таком соотношении λ≤d работают законы геометрической оптики (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: «Наука», 1973. 720 с.), что исключает влияние паразитных дифракционных эффектов на отраженный сигнал.
Предлагаемое техническое исполнение отличается простотой и эффективностью за счет использования сравнительно недорогого, компактного и простого в использовании источника субтерагерцового излучения (ЛПД) и детектора.
Способ осуществляют следующим образом.
Для определения величины отраженного сигнала от роговицы при субтерагерцевом воздействии в качестве источника субтерагерцевого излучения используют лавинно-пролетный диод с мощностью от 0,5 до 1 мВт, частотой 95 ГГц и длиной волны λ≈3 мм падающего и отраженного излучения. При этом излучение направляют на роговицу с помощью квазиоптического рупора и фокусируют на роговице с помощью тефлоновой линзы. Отраженный сигнал фокусируют с помощью другой тефлоновой линзы, расположенной на детекторе, электрический сигнал с которого измеряют с помощью селективного вольтметра. По его величине определяют величину отраженного сигнала от роговицы.
Эффективность использования предложенного способа показана при изучении влияния исходной степени гидратации роговицы, определенной при помощи субтерагерцевого сканирования, на результаты фоторефракционной кератэктомии (ФРК) в эксперименте на кроликах. Исследование выполнено на 8 глазах кроликов породы Шиншилла, которым была проведена ФРК по стандартному протоколу с дозировкой sph - 5,0 D.
Применение метода субтерагерцевого сканирования позволило оценить исходное содержание воды в роговице кроликов по величине отраженного сигнала, а также ее уровень в различные сроки после ФРК: через 3-5 суток, 1, 2, 3 и 4 месяца после проведения хирургического вмешательства. Анализ полученных данных показывает, что проведенное кераторефракционное вмешательство изменяет исходную гидратацию роговицы. Динамика содержания воды в роговице (изменение коэффициента отражения) после ФРК отражена в таблице - Изменение коэффициента отражения роговицы кроликов в различные сроки после ФРК по отношению к исходному уровню, выраженное в процентах (%).
Как показывают полученные данные, в раннем периоде (до 1 недели) после ФРК отмечается значительное снижение содержания воды в роговице, что приводит к уменьшению коэффициента отражения (в среднем до 64%), однако затем происходит постепенное восстановление ее гидратации и, как результат, увеличение коэффициента отражения в среднем до 83%, а через 3-4 месяца после хирургического вмешательства состояние гидратации роговицы, как правило, возвращается к исходному уровню.
Приводим примеры использования предлагаемого способа.
Пример 1. Кролик №1. Оценку исходной (дооперационной) гидратации роговицы глаза провели путем определения величины отраженного сигнала от роговицы при субтерагерцевом воздействии. С этой целью в качестве источника субтерагерцевого излучения использовали лавинно-пролетный диод с мощностью 1 мВт и частотой 95 ГГц, длиной волны λ≈3 мм падающего и отраженного излучения, которое направили на роговицу с помощью квазиоптического рупора и фокусировали его с помощью тефлоновой линзы, а отраженный сигнал фокусировали с помощью другой тефлоновой линзы, расположенной на детекторе, электрический сигнал с которого измерялся с помощью селективного вольтметра. Измеренный с помощью селективного вольтметра электрический сигнал соответствовал величине отраженного сигнала от роговицы. У данного кролика он составлял 9,0 мВ. После фоторефракционной операции (лазерной абляции), проведенной по стандартному протоколу с дозировкой sph -5,0 D, исходная минимальная толщина роговицы снизилась на 108 микрон (соответствует запланированному показателю в 100 микрон), содержание воды после операции было значительно ниже исходного (6,0 мВ) и составило 66,7% от исходного уровня, т.е. при лазерном воздействии произошло значительное испарение содержащейся в роговице воды и необходимое (запланированное) удаление ткани роговицы. Таким образом, исходная гидратация роговицы соответствовала выбранному режиму абляции и позволила получить запланированный рефракционный эффект.
Пример 2. Кролик №2. Оценку исходной (дооперационной) гидратации роговицы глаза провели путем определения величины отраженного сигнала от роговицы при субтерагерцевом воздействии. С этой целью в качестве источника субтерагерцевого излучения использовали лавинно-пролетный диод с мощностью 0.5 мВт и частотой 95 ГГц, длиной волны λ≈3 мм падающего и отраженного излучения, которое направили на роговицу с помощью квазиоптического рупора и фокусировали его с помощью тефлоновой линзы, а отраженный сигнал фокусировали с помощью другой тефлоновой линзы, расположенной на детекторе, электрический сигнал с которого измерялся с помощью селективного вольтметра. Измеренный с помощью селективного вольтметра электрический сигнал соответствовал величине отраженного сигнала от роговицы. У данного кролика отраженный сигнал составлял 4,4 мВ, что было ниже, чем у кролика №1. После фоторефракционной операции (лазерной абляции), проведенной по стандартному протоколу с дозировкой sph -5,0 D, исходная минимальная толщина роговицы снизилась на 199 микрон (в два раза выше запланированного показателя в 100 микрон), при этом содержание воды после операции было незначительно ниже исходного (отраженный сигнал от роговицы равнялся 4,1 мВ) и составило 93,2% от исходного уровня. Эти результаты показывают, что при лазерном воздействии испарение содержащейся в роговице воды было незначительным и, соответственно, произошло значительное (выше запланированного) удаление ткани роговицы. Таким образом, низкая исходная гидратация роговицы привела к значительному удалению ее стромы при абляции, т.е. к существенному несоответствию фактического и запланированного рефракционного эффекта. Это свидетельствует о необходимости коррекции режима лазерной абляции с учетом исходной гидратации роговицы.
Проведенное изучение эффективности и информативности предложенного способа оценки гидратации роговицы глаза в субтерагерцевом диапазоне частот показало, что его применение позволяет, в частности, выбирать адекватный режим лазерной абляции для получения запланированного рефракционного эффекта.
Таким образом, предложенный способ субтерагерцевого сканирования является эффективным бесконтактным методом контроля степени гидратации роговицы. Его применение в клинической практике офтальмолога может быть полезно при диагностике и контроле течения многих офтальмопатологий, позволит более точно планировать рефракционный эффект эксимерлазерных кераторефракционных вмешательств, в том числе индивидуальную гипокоррекцию для пациентов с миопией среднего возраста со сниженным уровнем гидратации роговицы.