Аномалии рефракции глаза — группа офтальмологических заболеваний, при которых снижение качества зрения обусловлено нарушениями фокусировки изображения на сетчатке. Последнее может быть связано с чрезмерным (при миопии), недостаточным (при гиперметропии) или неравномерным (при астигматизме) преломлением света. Способы коррекции аномалий рефракции широко известны и направлены на устранение дефокуса. На сегодняшний день большинство людей, страдающих аномалиями рефракции, предпочитают неоперационные способы коррекции (очки, контактные линзы). Хирургические технологии восстановления зрения (передняя радиальная кератотомия) и особенно технологии, сочетающиеся с использованием лазерного излучения (фоторефракционные операции), также достаточно популярны. Их высокая эффективность не вызывает сомнений. Результат достигается за счет фотоиндуцированного изменения кривизны роговицы.

Для коррекции рефракции применяют такие хирургические методы, как фоторефракционная кератэктомия [1], LASIK [2], термическая кератопластика [3], фотогенерация поперечных сшивок коллагена в строме роговицы [4, 5], установка внутристромальных колец и др. [6]. В настоящее время наиболее распространенной является операция LASIK (и ее модификации). В мире ежегодно проводят более 3 млн таких операций, затраты на которые исчисляются миллиардами долларов США [5].

С накоплением опыта стало понятным, что хирургические методы, при всех своих преимуществах, не лишены недостатков [6]. Так, передняя радиальная кератотомия после коррекции миопии в отдаленном периоде нередко сопровождается гиперметропическим сдвигом, что можно расценивать как гиперэффект. К другим осложнениям кератотомии можно отнести уменьшение плотности эндотелиальных клеток роговицы, снижение ее прочностных свойств, расхождение кератотомических рубцов, трудности в расчете оптической силы искусственного хрусталика при развитии возрастной катаракты [7, 8].

Популярные в настоящее время лазерные методы коррекции аметропий, предполагающие абляцию ткани роговицы, обеспечивают высокое качество зрения, но и они не гарантируют отсутствия возможных осложнений. К последним относятся: смещение зоны лазерной абляции, неполное удаление эпителия роговицы, неполная коррекция зрения или гиперэффект, регресс рефракционного эффекта, помутнение роговицы, подворачивание края роговичного лоскута, появление мелких частиц под роговичным лоскутом (дебрис), врастание эпителия под лоскут, появление зрительных аберраций, увеличение размеров зрачка, воспаление роговицы (кератит), кератоэктазии [8—15]. Поэтому поиск и разработка новых методов коррекции рефракции глаза является актуальной проблемой.

Ранее предпринимались попытки использовать с рефракционной целью инфракрасное (ИК) лазерное излучение при неабляционном воздействии на склеру в эксперименте in vivo. Для этого использовались установки волоконного эрбиевого лазера (λ=1,56 мкм) и полупроводникового лазера (λ=1,5±0,05 мкм). Плотность мощности излучения для обеих установок была сопоставима и равнялась 230±0,15 Вт/см². Полученные результаты указывали на изменение рефракции в меридианах нанесения лазерных аппликаций, что позволило авторам сделать заключение о возможности применения технологии лазерной неабляционной склеропластики в рефракционных целях, в частности для коррекции астигматизма [16]. Согласно результатам гистологических исследований, представленных той же группой авторов, конечной стадией процессов, происходящих в склере после неразрушающего воздействия на нее излучением лазеров в ИК-диапазоне, является активная пролиферация склеробластов и миофибробластов. По мнению авторов, фибротизация склеры вызывает контракцию как самой белочной оболочки, так и смежных со склерой участков роговицы, вызывая уплощение последней и, следовательно, изменение рефракции [17].

В 2006 г. нашей научной группой было проведено экспериментальное исследование по последовательному воздействию на склеру с целью ее частичной денатурации при одновременном воздействии на роговицу для повышения ее пластичности. Это дало существенное изменение рефракции [18] и позволило перейти от исследований ex vivo к исследованиям в условиях поддержания внутриглазного давления [19]. Были разработаны основы нового метода неабляционного лазерного воздействия на роговицу с целью изменения рефракции. Предложенный подход к лазерной коррекции рефракционных нарушений основан на управляемой лазерной релаксации механических напряжений [20, 21] в роговице глаза и отличается от всех существующих технологий (в том числе от лазерной термической кератопластики, связанной с локальной коагуляцией и сморщиванием роговицы на ее периферии) неинвазивностью и полным отсутствием повреждений тканей глаза. Аналогичная технология (лазерная септокоррекция) была разработана нашей научной группой для коррекции формы хрящевой ткани и нашла применение в медицине, в частности в отоларингологии, для улучшения носового дыхания [22]. Поскольку роговица глаза и хрящевая ткань имеют близкий состав и сходные термомеханические свойства [23], т. е. основания предполагать высокую эффективность лазерного метода коррекции формы биологических тканей и при воздействии на роговицу глаза. Однако предъявляемые требования к форме роговицы и отсутствию послеоперационных осложнений существенно выше, чем для перегородки носа.

Эффект пластичности роговицы и физические аспекты взаимодействия лазерного излучения с тканями фиброзной оболочки глаза подробно описаны в монографиях нашей научной группы [22, 23]. Оптическим и термомеханическим изменениям тканей глаза под действием лазерного излучения посвящен ряд работ [24, 25]. Результаты исследований лазериндуцированных деформаций фиброзной оболочки глаза методом эластографии также представлены в ранее опубликованных научных работах [26—28].

Вошедшие в широкую клиническую практику газопроницаемые жесткие ортокератологические линзы (ОКЛ) позволяют в условиях планового применения в ночное время безоперационно изменять кривизну роговицы, компенсируя оптический дефект при миопии, связанный с избыточным преломлением света [23]. Недостатком ортокератологии является временный эффект, хрупкость материала линз, при многократном применении — увеличение вероятности побочных эффектов в виде развития эрозии и отека роговицы. В связи с этим предпринимаются шаги, направленные на поиск способов, которые бы совмещали преимущества ортокератологии с более стойким оптическим эффектом. Замечено, что воздействие лазерным излучением на ограниченный участок роговицы в параоптической зоне приводит к стойкому изменению оптических свойств глаза [23]. Известно, что абляционные методы лазерного лечения в силу разных причин (операционные осложнения, погрешности в расчетах) иногда вызывают иррегулярность роговицы, нарушение ее архитектоники, кератоэктазии и др. [10, 12, 15]. Возможно, эти негативные проявления операции связаны с асимметричным растягивающим напряжением, приводящим к деформациям роговицы [19]. В этой связи комбинированное использование ортокератологии с одномоментным облучением роговицы посредством источника лазерного излучения с кольцевым распределением интенсивности представляется перспективным и должно способствовать эффекту равномерного ослабления механических напряжений и снижению лазериндуцированных осложнений. Традиционно применяемые в фоторефракционных операциях лазеры (диодный эрбиевый и волоконные лазеры) имеют недостаточно равномерное и стабильное пространственное распределение интенсивности излучения. Ранее проведенные исследования показали, что это связано как с неустойчивостью системы передачи лазерного пучка, так и с неравномерным распределением интенсивности в различных пространственных модах.

Представленный в статье материал связан с разработкой оптического устройства, которое позволяет формировать лазерное излучение с кольцевым распределением интенсивности и гомогенизацией пространственных мод. Указанное устройство используется в экспериментах по коррекции профиля роговой оболочки глаза с 2017 г. [29, 30]. Для практической реализации новой технологии коррекции рефракции необходимо обеспечить высокое качество лазерного пучка с управляемым кольцевым распределением интенсивности излучения, что позволит управляемо изменять параметры зоны облучения и его интенсивность, а также даст возможность получать осесимметричное воздействие. В настоящей работе представлены результаты разработки и тестирования нового оптического преобразователя для изменения пластичности роговицы, работающего в пороговых режимах, не вызывающих существенного нагрева роговицы и обратимо меняющих ее рефракцию. Последующая оптимизация лазерных режимов воздействия, исследование долговременности получаемого эффекта и создание систем контроля лазерной коррекции рефракции глаза позволят создать основу для дальнейшего использования представленного метода при лазерных фотоортокератологических операциях.

В работе использовали волоконные лазеры на эрбиевом стекле ЛС-1.56−5 «ИРЭ-Полюс» (Москва, Россия), твердотельные лазеры с диодной накачкой ЛАХТА-МИЛОН (Санкт-Петербург, Россия), излучающие на длине волны 1,56 мкм.

Флюоресцентные ИК-детекторы FID-AS-22 (ООО «Полироник», Россия), предназначенные для преобразования энергии ИК-излучения в видимое, использовали для визуализации ИК-излучения.

Измеряли профиль распределения мощности лазерного пучка на основе CCD-камеры (Charged Coupled Device camera) c VGA-разрешением 640×480, подключенной к компьютеру с программным обеспечением, предназначенным для обработки изображений.

В работе также применяли волоконные световоды Ф400 и Ф600 мкм фирмы «Avantec» (США), рефракционные преобразователи распределения интенсивности лазерных пучков производства «ВОЛО» (Санкт-Петербург, Россия) и аналогичные дифракционные преобразователи, произведенные в ИСОИ РАН (Самара, Россия).

Производили синтез дифракционного оптического элемента (ДОЭ), преобразующего неоднородное излучение, полученное на выходе лазера, в однородное. Расчет ДОЭ, формирующего определенное кольцевое распределение на определенном расстоянии от плоскости ДОЭ, сводился к поиску фазовой функции пропускания элемента, который формирует определенное кольцевое распределение интенсивности в фокальной плоскости линзы [31]. Для решения этой задачи использовали метод Гершберга—Сакстона.

Для уменьшения влияния рассеяния света во флюоресцентных преобразователях при измерениях распределения излучения в проходящем свете были изготовлены тонкие флюоресцентные пленки. При этом излучение сначала направляли на пленку, а затем после зеленого светофильтра ЗС-1 — на CCD-камеру. Мощность лазерного излучения измеряли с помощью измерителя мощности Fieldmaster («Coherent», США).

Фототермический эффект воздействия лазерного излучения на модель роговицы глаза (использовались гелевые шары) оценивали с помощью тепловизора Testo 875 (Германия). Лазерное излучение специальной формы после кольцевого преобразователя направляли на сферическую поверхность Ф10 мм. Тепловое излучение нагреваемой поверхности шара фокусировалось с помощью ИК-объектива и регистрировалось тепловизором.

Исследования структуры роговицы проводили с помощью атомно-силовой микроскопии с возможностью изучения упругих свойств фотомодифицированных образцов. Для этого готовили срезы интактной и облученной роговицы толщиной 50 мкм с помощью криомикротома Leica CM 1900 UV (Германия) при температуре –15 °C с использованием замораживающего раствора Jung Tissue Freezing Medium. Атомно-силовую микроскопию выполняли с помощью микроскопа атомных сил NаnoScope (Veeco Instruments, США), тип использованного кантеливера — Nanosensors ATEC-NC-50. Полученные результаты обрабатывали с помощью программы NanoScopeSoftware-810. Исследуемые зоны выбирали вдоль оси облучения в области максимальных термонапряжений.

Экспериментальное изучение эффекта лазерной релаксации механических напряжений в роговице человека in vivo проводили на обоих глазах испытуемого добровольца. Механическую деформацию роговицы осуществляли с помощью предварительно изготовленной ОКЛ диаметром 10 мм, уплощающей роговицу в центральной 6-миллиметровой зоне. Кривизну роговицы изменяли с помощью корнеотопографа CT-1000 (Shin-Nippon, Япония). Карту различий между топограммами рассчитывали с помощью специально разработанной программы. Для коррекции систематических ошибок измерения производили нормировку по кривизне крайнего темпорального участка роговицы, не подвергавшегося механическому воздействию контактной линзы. Визуальный контроль состояния роговицы после лазерного прогрева осуществляли стандартным методом с помощью щелевой лампы.

Формирование лазерного пучка с кольцевым распределением интенсивности. В данной работе для формирования лазерного пучка с кольцевым распределением интенсивности из прямоугольного пучка с неравномерным заполнением мод использовали оптический преобразователь, рассчитанный с помощью алгоритма Гершберга—Сакстона. Подобные итерационные алгоритмы являются более точными по сравнению с другими алгоритмами расчета фазы ДОЭ, но в большинстве случаев полученные при использовании таких методов элементы имеют нерегулярный микрорельеф. Это повышает требования к технологии производства рассчитанных элементов.

Модель ДОЭ представляет собой картину с рельефом (в виде черно-белых рисунков с 255 градациями серого), который в дальнейшем наносится на стекло. Белым цветом изображаются участки с наибольшей высотой фазового рельефа, а черным — участки с нулевой высотой рельефа. При переходе от белого к черному цвету рельеф углубляется на величину длины волны лазера, деленной на уменьшенный на единицу показатель преломления материала, из которого сделан ДОЭ. Поэтому после прохождения лазера через ДОЭ его фаза от белых к черным участкам изменяется на 2p. На рис. 1 представлена

Реализация оптического преобразователя на основе расчетов ДОЭ. Для физической реализации оптического преобразователя по расчетам фазовой функции с использованием приведенного выше алгоритма методом послойной печати был изготовлен оптический элемент, который за счет присоединения к нему волоконного световода позволил преобразовать излучение лазера ЛАХТА-МИЛОН в излучение с кольцевым распределением (рис. 2).

Изначально лазерное излучение было неоднородно в пространстве, имело прямоугольную структуру для каждой из 6 пространственных мод, было нестабильно во времени и зависело от уровня излучаемой мощности. Разработанный преобразователь FID-AS-22 изменял распределение интенсивности лазерного излучения в кольцевое распределение, интенсивность которого представлена на рис. 3.

Экспериментальное исследование температурных полей на плоских и шарообразных однородных объектах. При воздействии лазерным излучением, полученным с помощью преобразователя, на слой поглощающего материала из гидрогеля толщиной 1±0,1 мм и имеющего плоскую форму было отмечено, что на его тыльной поверхности в течение всего времени облучения обнаруживались неоднородные распределения температуры, по форме напоминающие кольца (рис. 4).

При облучении поверхности шарообразного гелиевого фантома с радиусом кривизны роговицы человеческого глаза (рис. 6)

Многоракурсная съемка с помощью вращающейся тепловизионной камеры подтвердила симметричность теплового поля от кольцевого преобразователя относительно оси облучения.

Распределение температуры по радиусу в пятне лазерного облучения на поверхности шара, изображенного на предыдущем рисунке с учетом несимметричности нагрева, представлено на рис. 7.

Измерения теплового поля при воздействии непрерывного и импульсно-периодического излучения кольцевой формы на сферические образцы гидрогеля показали образование теплового поля, по форме близкого к кольцу лазерного пучка (рис. 8).

Аналогичные опыты были проведены ex vivo для выделенного глаза кролика при его облучении диодным лазером ООО «ЛАХТА-МИЛОН» (модель 1550−9.0) при воздействии с помощью кольцевого преобразователя. Тепловизионные картины снимали тепловизором Тесто-875. Картины теплового поля на поверхности выделенного глаза кролика при непрерывном облучении лазерным пучком кольцевой формы в течение 5 с представлены на рис. 9, а.

Как следует из теплограмм, в течение 5 импульсов распределение температур сохраняло форму кольца с провалом в 5—7 °С в центре. При остывании тенденция распространения тепла с сохранением провала в центре сохранялась.

Атомно-силовая микроскопия. Исследования структуры роговицы человека проводили с помощью атомно-силовой микроскопии с возможностью изучения упругих свойств интактных и лазермодифицированных образцов роговицы. Готовили срезы интактной и облученной роговицы толщиной 50 мкм. Исследуемые области выбирали вдоль оси облучения в зонах максимальных термонапряжений с учетом кольцевого распределения интенсивности лазерного излучения. Исследование выполняли в моде наноиндентирования, позволяющей исследовать упругие свойства образцов. На рис. 10 представлены

В этих же участках роговицы исследовали пористую структуру, так как известно, что в областях термонапряжений при определенных режимах воздействия в биологических тканях возникают дополнительные поры [32, 33]. Исследование распределения пористой структуры в интактной (рис. 11, а)

Экспериментальное изучение эффекта лазерной релаксации механических напряжений. Экспериментальное изучение эффекта лазерной релаксации механических напряжений в роговице человека in vivo проводили на двух глазах испытуемого добровольца. В начале исследования снимали исходную топограмму (рис. 12, а)

Ортокератологическое действие, усиленное лазерной релаксацией механических напряжений привело к осесимметричному изменению кривизны роговицы в центральной 6-миллиметровой зоне, что говорит о хорошей изотропности излучения в пределах кольцевого паттерна. Изменение рефракции роговицы в центре составило 2,0 дптр. Карта действия лазерной релаксации (рис. 14)

Как при изолированном воздействии ОКЛ, так и в случае ее применения в комбинации с лазерной релаксацией механических напряжений эффект изменения рефракции роговицы полностью исчезал ко 2—3-му дню наблюдений. Ни сразу после лазерного воздействия, ни после возвращения показаний рефракции к исходному уровню нами не наблюдалось каких-либо побочных эффектов, в том числе видимых изменений роговицы.

1. Разработан и протестирован дифракционный оптический элемент, преобразующий неоднородное излучение на выходе лазера в однородное кольцо. Показано, что для получения кольцеобразного распределения интенсивности хорошо подходит метод Гершберга—Сакстона. Тестирование предложенного кольцевого преобразователя на роговице глаза в пороговых режимах для изменения ее пластичности позволило показать возможность осесимметричного изменения роговицы.

2. Распределение температур на плоских и шарообразных поверхностях показало возможность управления температурным полем в зависимости от параметров лазерного излучения с целью получения провала температурного поля в центральной зоне роговицы. Лазерному воздействию подвергались периферические отделы роговицы. Атомно-силовая микроскопия периферии роговицы в зоне возникновения максимальных напряжений показала отсутствие заметных изменений структуры роговицы при облучении в подобранном режиме. При этом исследование модуля Юнга поверхности роговицы в этих областях показало отсутствие изменения ее упругих свойств, а изучение структуры продемонстрировало отсутствие структурных изменений в облученных образцах по сравнению с интактными.

3. В исследованиях на человеческом глазу в условиях припорогового воздействия наблюдался выраженный эффект изменения рефракции роговицы, который полностью исчезал ко 2—3-му дню наблюдений. Ни сразу после лазерного воздействия, ни после возвращения рефракции роговицы к исходному уровню не наблюдалось каких-либо побочных эффектов, в том числе видимых изменений роговицы.

4. Последующая оптимизация лазерных режимов воздействия в целях увеличения долговременности получаемого эффекта и создание систем контроля лазерной коррекции рефракции глаза позволят создать основу для дальнейшего использования представленного метода при лазерных фотоортокератологических операциях.

Работа выполнена при поддержке Федерального агентства научных организаций (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части «расчета дифракционного оптического элемента» и грант РФФИ 15−29−03811 в части «исследование воздействия на оболочки глаза». Авторы выражают благодарность технологам и расчетчикам А.А. Морозову и А.П. Порфирьеву.

Участие авторов:

Концепция и дизайн обзора: С.А., А.Б., Э.С., О.Б.

Сбор и обработка материала: А.О., Е.К., Р.С., Н.К., В.С., Г. О.

Написание текста: О.Б., Э.С., А.Г.

Редактирование: С.А., Э.С., А.Б.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сведения об авторах

Сипливый Владимир Иванович — канд. мед. наук, доцент кафедры офтальмологии

e-mail: siplivy_v@mail.ru

https://orcid.org/0000-0001-8438-1872