СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В РОГОВИЦЕ ГЛАЗА В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
METHOD OF ESTIMATING THE PERCENTAGE OF WATER IN THE CORNEA IN THE TERAHERTZ FREQUENCY RANGE

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, к способам оценки процентного содержания воды в роговице с помощью терагерцового излучения в диапазоне частот 70-120 ГТц. 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 OR А (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 процентного 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) диапазона 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 терагерцовом диапазоне.
В настоящее время только несколько исследовательских групп в мире занимаются разработкой системы для сканирования гидратации биологических тканей в терагерцовом диапазоне частот. 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 ГТц). 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 терагерцового 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 дорогостоящих, 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. Глубина проникновения излучения в роговицу на частоте 20 ГГц составляет порядка 0,5 мм (Фиг. 2 - Зависимость глубины проникновения (skin layer) от частоты в субтерагерцовом 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 процентного содержания воды в роговице глаза по уровню сигнала, отраженного от роговицы, величина которого соответствует степени гидратации роговицы.
Техническим результатом предлагаемого способа является определение процентного содержания воды в роговице по функциональной зависимости R(ϕ) (Фиг. 3 - Зависимость отражательной способности R в относительных единицах от влажности роговицы ϕ, выраженной в процентах) отраженного сигнала от роговицы R от процентного содержания воды ϕ, 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 субтерагерцового излучения перестраиваемого генератора в диапазоне частот 70-120 ГТц с центральной длиной волны падающего и отраженного излучения λ=3 мм и мощностью от 0,5 до 1 мВт, направленного ответвителя на 3 мм, волноводно-лучеводного перехода (ВЛП) с тефлоновой линзой для фокусировки излучения и детектора с селективным вольтметром для регистрации сигнала, т.е. определения величины отраженного сигнала от роговицы по величине электрического сигнала.
Схема устройства для осуществления способа представлена на Фиг. 4,
где: 1 - перестраиваемый в диапазоне 70-120 ГГц генератор, 2 - направленный 3 мм ответвитель, 3 - волноводно-лучеволный переход с тефлоновой линзой (ВЛП), 4 - детектор, 5 - роговица с глазом, 6 - селективный вольтметр.
Использование перестраиваемого компактного генератора в диапазоне 70-120 ГТц в качестве источника субтерагерцового излучения обеспечивает компактность и удобство эксплуатации прибора, а также его сравнительно невысокую стоимость.
Система из направленного ответвителя и ВЛП необходима для необходима для фокусировки генерируемого излучения на роговице в точке, а также отвод отраженного сигнала от роговицы через направленный ответвитель на детектор.
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 перестраиваемого генератора и детектора.
Способ осуществляют следующим образом.
Для определения величины отраженного сигнала от роговицы при субтерагерцовом воздействии в качестве источника субтерагерцового излучения используют перестраиваемый в диапазоне 70-120 ГТц генератор с мощностью от 0,5 до 1 мВт. Из возможного диапазоне частот генератора выбирают частоту 100 ГГц, что соответствует длине волны λ≈3 мм падающего и отраженного излучения. При этом излучение направляют на роговицу с помощью направленного волноводного ответвителя на 3 мм и фокусируют на роговице с помощью тефлоновой линзы, находящейся в волноводно-лучеводном переходе ВЛП. Отраженный сигнал, поступает обратно в ВЛП и через направленный ответвитель отводится на детектор, 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 зависимости R((p) в экспериментах на кроликах. Исследование выполнено на 3 извлеченных глазах кроликов породы Шиншилла, у которых были препарированы роговицы для проведения высушивания и измерений.
Приводим примеры использования предлагаемого способа.
Пример. Роговица №1. Оценку исходной гидратации роговицы глаза кролика провели путем определения величины отраженного сигнала от роговицы при субтерагерцовом воздействии. С этой целью в качестве источника субтерагерцового излучения использовали перестраиваемый генератор с мощностью 1 мВт и частотой 100 ГГц, длиной волны λ≈3 мм падающего и отраженного излучения, которое направили на роговицу, расположенную в чашке Петри с помощью системы, состоящей из направленного ответвителя и ВЛП. Излучение фокусировали с помощью тефлоновой линзы, расположенной на выходе ВЛП, а отраженный сигнал поступал обратно в ВЛП и через направленный ответвитель отводился на детектор, электрический сигнал с которого измерялся с помощью селективного вольтметра. Измеренный с помощью селективного вольтметра электрический сигнал соответствовал величине отраженного сигнала от роговицы. Далее роговица, расположенная в чашке Петри постепенно высыхала, менялась ее масса. Масса измерялась с помощью весов, по изменению массы определялось количество воды, оставшееся в роговице и соответствующая ей влажность. При новом значении влажности измерялся отраженный сигнал от роговицы, и так набиралась статистика по трем роговицам.
Зависимость отражательной способности роговицы от процентного содержания воды в области слабой дегидратации представлена на Фиг. 3. Аппроксимационная функция для коэффициента отражения роговицы задается в виде: Rr(ϕ)=119,8-0,55ϕ+0,0045ϕ2, где Rr(ϕ) - зависимость коэффициента отражения роговицы от процентного содержания воды в ней. ϕ - содержание воды в роговице, выраженное в процентах.
Динамика зависимости отражательной способности в относительных единицах роговицы от процентного содержания в ней воды представлена в таблице. Исследование показало, что снижение процентного содержания воды в роговице кролика на 1% приводит к достоверно установленному снижению отраженного сигнала на 13%, что согласуется с результатами, представленными в работе (Bennett D. В., Taylor Z. D., Tewari P., et al. Terahertz sensing in corneal tissues. Journal of biomedical optics. 2011; 16(5): 057003).
Также была подтверждена линейная зависимость коэффициента отражения от процентного содержания воды в области роговицы со слабой дегидратацией. Более сильное обезвоживание привело к изменению формы кривой, что, скорее всего, связано с деформацией роговицы, вызванной потерей воды.