ДОКЛАД 3.

ДОКЛАД 3.
Желтов Г.И., Иванишко Ю.А, Большунов А.В.
НЕТЕРМАЛЬНАЯ (МЕХАНИЧЕСКАЯ) ФРАГМЕНТАЦИЯ ИНТРАОКУЛЯРНЫХ
СТРУКТУР КОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Институт физики НАН Беларуси, Минск; Ростовский офтальмологический центр
«ИнтерЮНА»; ГУ НИИ глазных болезней РАМН, Москва
На прошлой встрече в 2006 году мы рассматривали процессы коагуляции хориоретинального комплекса при воздействии импульсов лазерного излучения достаточно большой
длительности [1]. Речь шла о длительности однократной экспозиции в интервале, примерно, от 103
до единиц секунд. В этом случае поглощенная энергия лазерного излучения преобразуется в
тепловую. В зависимости от параметров излучения (мощность, длительность экспозиции, длина
волны, облучаемая площадь) формируется локальное температурное поле определенной
пространственной конфигурации, стимулирующее термическую денатурацию тканей в области,
определяемой медицинскими показаниями.
По мере уменьшения длительности экспозиции повышается вероятность нетеплового
(механического) деструктивного действия излучения на ткани. Основные механизмы здесь –
оптический пробой и кавитация. Последний из них проявляется особенно ярко, если длительность
экспозиции имеет порядок 10-8 – 10-6 с [2,3]. Остановимся на нем более подробно.
Эффект обусловлен возникновением в облучаемой области механических колебаний или, в
более строгой терминологии, – акустических волн, имеющих положительную (сжатие) и
отрицательную (растяжение) фазы. Подавляющее большинство биологических структур, включая
интраокулярные, обладают относительно высокой устойчивостью к напряжениям сжатия и
существенно слабее противостоят действию напряжений растяжения. Если напряжение
растяжения в отрицательной фазе волны давления превышает предел прочности среды,
существует высокая вероятность локальной фрагментации тканей, обусловленной микроразрывами, микропузырьками и другими нарушениями однородности нативной структуры.
Эффект реализуется при незначительном нагреве среды. Он хорошо изучен для жидкостей и, как
указывалось, носит название – кавитация.
Процесс формирования акустической волны поясним примером. На рисунке 1
представлены результаты математического моделирования этого процесса при транспупиллярном
облучении глазного дна лазерными импульсами длительностью 20 нс. Длина волны излучения –
0.534 мкм (зеленая область спектра), диаметр облучаемой области сетчатки – порядка 50 мкм.
Известно [1], что такое излучение практически полностью поглощается пигментным эпителием
(RPE), толщина которого принята в расчете равной 10 мкм. Поглощенная за время 20 нс (2х10-8 с)
энергия лазерного излучения преобразуется в тепловую (такое преобразование характеризуется
временем порядка 10-12 с). Скорость лазерного нагрева тканей в рассматриваемом случае
экстремально высока. Если предположить, что суммарный нагрев RPE в результате облучения
составит 1оС, скорость нагрева среды составит – 1оС/2х10-8 с = 5х107 (пятьдесят миллионов)
градусов в секунду(!). Соответствующее термическое расширение среды – процесс более
медленный. Частицы ткани не могут двигаться со скоростью большей скорости звука в среде;
реально – эти скорости ниже. Вследствие неадекватности скорости термического расширения
высокой скорости нагрева в зоне поглощения излучения формируется область повышенного
давления, обуславливающего и ускоряющего процесс термического расширения (Рис. 1b). В
период облучения частицы ткани двигаются (в нашем примере – «разбегаются») с нарастающей
скоростью. В момент окончания лазерного импульса движение частиц среды в силу инерции не
прекращается мгновенно. В результате «разбегания» в центральной части облученного участка
формируется разряжение, эквивалентное состоянию, характерному для среды, находящейся в
условиях объемного растяжения или, в общепринятой терминологии, - отрицательного давления
(Рис. 1с). Сформированный таким образом акустический сигнал распространяется далее, как волна
давления, имеющая положительную и отрицательную фазы (Рис.1d).
a)
b)
c)
d)
Рис. 1 Процесс формирование волны давления в результате облучения глазного дна
лазерным импульсом длительностью 20 нс. (пояснения в тексте)
В интраокулярной среде (так же как в жидкости) эта волна имеет гладкую симметричную
форму (амплитуды давления в положительной и отрицательной фазах равны). Этот сигнал легко
регистрируется датчиками давления, имеющими необходимое разрешение по времени.
Осциллограмма такого сигнала, полученного нами в модельном эксперименте, приведена на рис
2а.
Увеличение энергии (мощности) лазерного излучения сопровождается ростом амплитуды
давления как в положительной, так и отрицательной фазах акустического сигнала. По достижении
некоторой, фиксированной для каждой биологической структуры величины энергии излучения,
амплитуда отрицательной полуволны давления достигает, а затем превышает предел прочности
среды к растягивающим нагрузкам. Как указывалось выше, этот пороговый переход
сопровождается формированием пустот на микроуровне и далее по мере развития процесса
образованием так называемых кавитационных микропузырьков, которые в свою очередь могут
интегрироваться с образованием видимых пустот и пузырей. Близкий к описанному механизм
лежит в основе метода лазерной экстракции катаракт, успешно развиваемого в СанктПетербургском филиале МНТК Микрохирургия глаза. Детальные экспериментальные
исследования кавитационной фрагментации тканей, как на различных моделях, так и на некоторых
тканях in vitro, по нашим данным впервые были осуществлены А. Ораевским с сотрудниками в
1992 году [4]. В работе продемонстрирована роль термоупругих напряжений, формируемых в
среде фотостимулированной акустической волной, в формировании первичных (пороговых)
нарушений однородности среды при температурах ниже точки кипения. Порог повреждения
структуры определялся по появлению искажений отрицательной фазы акустической волны (так же
как на рис.2) при одновременной визуальной регистрации. При длительности лазерного импульса
порядка 10 нс энергетический порог фрагментации воды, желатинового геля и клеток печени
составил соответственно 20, 38 и 55 Дж/см3. Это соответствует уровням импульсного нагрева
среды, примерно, 5, 10 и 15оС. Расчетные амплитуды давления в отрицательной фазе акустической
волны имеют порядок минус 20 –50 Бар (1 Бар ≈ 1 Атмосфере.)
a)
b)
Рис.2 Пример осциллограммы акустического сигнала, генерируемого при
облучении модельной среды (здесь – 5% желатиновый гель с красителем)
лазерным импульсом длительностью 20 нс при отсутствии нарушений
однородности среды а) и при формировании порогового, кавитационного
повреждения b).
Коэффициент поглощения среды, примерно, - 10 см-1, развертка – 1 мкс/дел.
Регистрации
Особенностью рассматриваемого явления, представляющей практический интерес,
является возможность регистрировать порог фрагментации среды по искажению формы
акустического сигнала. Эти искажения могут проявляться в форме уменьшения амплитуды и/или
искажения формы отрицательной полуволны давления. Они обусловлены затратами механической
энергии (здесь – энергии колебаний) при фрагментации среды. Пример осциллограммы
акустического сигнала при примерно 10% превышении энергии излучения над пороговым
значением приведен на рисунке 2b.
Возможность достаточно эффективной и относительно легко реализуемой регистрации
уровня энергии лазерного излучения, вызывающего пороговые деструктивные изменения в
тканях, представляет большой интерес для лазерной офтальмологии. Впервые этот эффект
успешно использован нашими коллегами из Германии – проф. Бирнгрубером, Бринкманом и
Ройдером (R. Birngruber, R. Brincman, J. Roider) [5]. Возможность точного дозирования энергии
излучения обеспечила при минимальном травмировании ретинального пигментного эпителия
комплекс ожидаемых реакций – усиление притока и оттока биологических жидкостей с
улучшением трофики сетчатки и резорбции ретинального отека в зоне облучения.
Одним из возможных механизмов, обеспечивающим указанный лечебный эффект может
быть следующий.
Регистрируемый в [5] акустический сигнал имеет искажения в области, соответствующей
отрицательной фазе волны давления. Как показано выше, такое искажение сигнала является
следствием малых деструктивных изменений в тканях, которые могут быть достаточно трудно
обнаружимы гистологически. Для выбранного авторами спектрального диапазона лазерного
излучения и длительности импульсов максимум нагрева среды и, как следствие, максимальная
амплитуда генерируемой волны давления локализуется вблизи мембраны Бруха.
Улучшение трофики сетчатке в близкие и отдаленные сроки после лазерного облучения с
энергией, как с близкой, так и превышающей пороговый уровень демонстрировалась многими
авторами [6-8]. Характерные морфологические изменения хорио-ретинального комплекса (ХРК) в
зоне облучения иллюстрируются рисунками 3-5.
Рис.3
Морфологические изменения микроструктур хорио-ретинального
комплекса кролика через один месяц после лазерного воздействия
излучения 2-й гармоники АИГ- лазера на длине волны 0,532мкм.
Увеличение х400.
Вокруг слабо или нерегенерирующего микродефекта в мембране Бруха (Рис.3) идет
формирование хориоретинальной спайки, которая по вертикали состоит из 2-х компонентов:
глиального (внутреннего) и соединительно-тканного (наружного), врастающего со стороны
хориокапилляров. Таким образом формируется фибро-глиальный рубец, состоящий из
ретинальной глии, отростков клеток Мюллера и фибробластов, возможно, происходящих из
адвентиций сосудов хориоидеи.
Механизмы взаимодействия лазерного излучения с тканями ХРК с использованием
субпороговых технологий исследуются авторами работы [7]. Экспериментальные исследования
проводятся на лабораторных животных (кролики) in vivo. Одной из таких технологий является
субпороговая микроимпульсная лазерная коагуляция. При изучении патоморфологических
препаратов после применения рассматриваемой технологии (длина волны излучения 0,810 мкм,
диаметр пятна – 125 мкм, мощность – 310 мВт, экспозиция пакета импульсов – 200 мс, рабочий
цикл – 15%, частота повторения – 800 Гц) на следующие сутки после воздействия обнаруживается
куполообразное возвышение сетчатки за счет отека ее внутренних слоев. В результате
небольшого увеличения объема сетчатки визуализируются натянутые отростки Мюллеровских
клеток, имеющих вертикальное расположение. В проекции очага наружный ядерный слой и
внутренние сегменты фоторецепторов сохранены. Наружные сегменты фоторецепторов отечны и
частично фрагментированы. В базальном отделе клеток ретинального пигментного эпителия
(РПЭ) отмечается мелкая вакуолизация. Мембрана Бруха сохранена. Отмечается резкое сужение
всех звеньев сосудистого русла.
Рис.3 Морфологические изменения микроструктур хорио-ретинального
комплекса кролика через сутки после воздействия лазерным
излучением длиной волны 0,810 мкм в микроимпульсном режиме .
Увеличение х300.
Рис.4 Морфологические изменения микроструктур хорио-ретинального
комплекса кролика через 30 дней после воздействия лазерным
излучением длиной волны 0,810 мкм в микроимпульсном режиме .
Увеличение х250.
Через 30 дней после воздействия сохраняется куполообразное возвышение сетчатки, в
основе которого лежит отек преимущественно внутренних слоев сетчатки. В наружном ядерном
слое отмечается неравномерная плотность ядер и увеличение его толщины за счет отека.
Увеличивается плотность внутренних сегментов фоторецепторов. Отмечается удлинение
наружных сегментов фоторецепторов вследствие отека. В субретинальном щелевидном
пространстве
встречаются небольшие группы отечных фрагментов наружных сегментов,
адгезированных к РПЭ. Распределение ядер РПЭ и пигментных гранул в зоне воздействия
неравномерно. Восстанавливается проходимость хориокапилляров в проекции очага.
Таким образом, можно предположить, что механизм действия субпороговой
микроимпульсной лазерной коагуляции заключается в слабом термическом воздействии на
транспортную и энергетическую функции клеток. Механический компонент воздействия
лазерного излучения с тканью ХРК может быть зарегистрирован акустически.
Литература:
1. Желтов Г.И. Биофизика деструктивного действия надпорогового лазерного излучения на ткани глазного
дна. // Второй Всероссийский семинар – «круглый стол» «МАКУЛА -2006», Ростов-на-Дону, 2006, стр.7185.
2. Zheltov G., Glazkov V., Kirkovsky A., Podol’tsev A. The action of 10 -8 – 10-6s Laser Pulses on Biological
Tissues // Lasers in the life sciences, V. 4 (3), P. 135-146. 1991.
3. Желтов Г.И., Виткин Э.И., Рубанов А.С. . Акустический отклик многослойных биоструктур на лазерное
облучение и возможности его использования для хирургии и диагностики.// Журнал прикладной
спектроскопии, том 69, №4, стр. 540-543, 1992.
Zheltov G.I., Vitkin E.I., Rubanov A.S. Acoustic Response of Multilayer Biostructures to Laser Irradiation and the
Possibility of Using it in Surgery and Diagnostics //Journal of Applied Spectroscopy, V.69, № 4, pp. 626- 630, 2002.
4. A. Oraevsky, S. Jacques, R. Esenaliev, and F. Tittel., Pulsed Laser Ablation of Soft Tissues, Gels and Aqueous
Solutions at Temperature below 100oC // Lasers Surg Med.,; V. 18(3): pp. 231-240, 1996.
5. Р. Бирнгрубер, Р. Бринкман, Дж. Ройдер. Селективная ретинальная терапия: принципы и первый
клинический опыт // Второй Всероссийский семинар – «круглый стол» «МАКУЛА -2006», Ростов-на-Дону,
2006, стр.60-61.
R. Birngruber, R. Brincman, J. Roider. Selective Laser Retina Therapy: Principle and Clinical Results // The Second
All – Russian Workshop – «Round Table» “MAKULA-2006”, Russia, Rostov-on-Don, 2006, pp. 60-61
6. Иванишко Ю.А. «Лазерные методы лечения заболеваний макулярной области..»
// Дисс.док.мед.наук.–Ростов н/Д., 1993.– т.2.– с.473-486.
7. Федорук Н.А., Федоров А.А., Большунов А.В.. Патоморфологические и гистохимические проявления
взаимодействия лазерного излучения с тканями хориоретинального комплекса // Принята в печать в журнал
«Вестник Офтальмологии» в 2008г.
8. Lanzetta P., Dorn G., et al. Theoretical nonophthalmoscopically vivible endpoint photocoagulation. // Sem.
Ophthalmol. 2001; 16: 8-11.
Нероев В.В.: Спасибо. Пожалуйста, вопросы докладчику. Есть вопросы? Профессор
Бирнгрубер, пожалуйста.
Бирнгрубер Р.: На второй картинке, какое было время экспозиции лазера,
продолжительность импульса?
Желтов Г.И.: Продолжительность импульса здесь была не микросекундная. Здесь были
доли миллисекунды. Но я не иллюстрирую в данном случае Вашу методику и не
конкурирую с ней. Я просто говорил о том, что всякий шрамчик, любой шрамчик,
который образуется в конечном счёте, он может стимулировать дальнейшее улучшение
трофики сетчатки. Вот основная моя мысль. Я ни коим образом Вас не повторяю и Ваш
авторитет не подвергаю…
Бирнгрубер Р.: Нет, я не об этом. Я не возражаю ничуть... Меня интересует термический
эффект.
Желтов Г.И.: Я думаю, что он там был.
Бирнгрубер Р.: ….У вас здесь есть маленький такой эффект. Но здесь огромная отслойка
сетчатки. Как Вы это можете объяснить?
Желтов Г.И.: Я могу это объяснить несовершенством гистологической техники.
Бирнгрубер Р.: Т.е. эффект здесь ни при чём?
Желтов Г.И.: Думаю, что да.
Бойко Э.В.: Уважаемый Георгий Иванович, это замечательный доклад! С огромным
удовольствием прослушал, потому что это новые аспекты применения лазера в
офтальмологии, в частности ретинологии. Они чрезвычайно интересны. И мы знаем, что
на одном полюсе, если взять короткие импульсы, это разрушение действительно
кавитационное или даже с ионизацией связано, а на другом полюсе лежит, в
подпороговом диапазоне, отсутствие эффекта вообще. И вот, задача сейчас
исследователей и офтальмологов, найти именно такой дозированный диапазон, при
котором происходило бы… А вот здесь и вопрос как раз! Можно ли пигментный
эпителий, допустим, не разрушить, а просто встряхнуть его? Он ведь находится в живых
клетках, которые окружают ещё … Кроме гранул пигмента, там же есть и клеточные
структуры, оболочки и т.д. Так вот, лазерное излучение поглощается гранулами пигмента.
Может и задача современная – научиться эти гранулы пигмента там внутри клеток
«трясти»? Чтобы они не повреждали клеточные структуры, а наоборот – «будили», чтобы
те продолжали работать, чтобы продолжали свою фагоцитарную активность. В хорошем
смысле этого слова, как нам уже уважаемые патоморфологи Галина Григорьевна и Инна
Петровна рассказали. А с другой стороны, если мы превысим этот порог, то вот здесь и
начинается кавитация, начинается механическое разрушение клеток, тканей и т.д. Вот про
эти грани? Ваше мнение, Георгий Иванович?
Желтов Г.И.: В общем, у меня как-то зреет два ответа на этот вопрос, конструктивных.
Вариант первый. Мне бы очень хотелось послушать, что скажет Реджинальд в ответ на то,
что я сейчас доложил. Т.е если он согласится, что все-таки здесь речь идёт о
микроповреждениях, тогда это один вариант. Если не согласится – тогда немножко
другой. Но в принципе, мне кажется, что в обоих случаях… Во-первых, мне очень
приятно, что Вы с таким хорошим отношением говорили об этой теме. Т.е. интерес к
поиску чего-то нового всё-таки не угас, что, в общем, в последнее время наблюдается.
Поэтому давайте сделаем такую работу. Я думаю, что можно найти средства.
Бирнгрубер Р.: Могу ли я прокомментировать?
Бойко Э.В.: Если ведущий разрешит…
Бирнгрубер Р.: Я думаю, что Ваша мысль очень интересна. И на самом деле – это
основная мысль нашего нового лечения, нашей новой селективной терапии. Мы как раз
пытаемся селективно изменить вот это состояние в пигментном эпителии сетчатки именно
для того, чтобы сделать то, что Вы предложили. Т.е. встряхнуть как бы его. И 2 года тому
назад профессор Ройдер впервые представил на «МАКУЛЕ» первые клинические
результаты этого. И я думаю, что сегодня он не будет особенно об этом говорить,
специально останавливаться. Но он обязательно упомянет некоторые клинические
результаты в лечении центральной серозной ретинопатии. Это очень хорошая концепция,
которую Вы высказали…
Бойко Э.В.: Спасибо, профессор Бингрубер, но мы помним про прошлый доклад, и он
тоже очень-очень понравился, но цель вопроса, который я задал: где вот эта грань между
колебаниями пигментного эпителия и кавитацией?
Бирнгрубер Р.: Да-да. Это большая проблема. И практические результаты вы можете
получить, если у вас есть методика автоматической дозиметрии. Потому что иначе все те
воздействия, которые вы производите, они же незаметны, они не видны. И вы не знаете,
сделали вы что-нибудь или нет…
Бойко Э.В.: Если только кавитация появится, тогда мы увидим…
Бирнгрубер Р.: Да-да, правильно. У нас есть процедура, которая называется
оптоакустическая дозиметрия, где мы можем определить самый первый оптоакустический
эффект, и даже в том случае, если он не разрушает весь пигментный эпителий. Вот это то,
что мы как раз на практике пытаемся применить.
Желтов Г.И.: Всё спасибо, наверное. Мы уже столько раз по одному и тому же месту
проходимся в нашей дискуссии, что нет смысла…..
Нероев В.В.: Ну что же, большое спасибо, присаживаетесь. (Аплодисменты). Переходим
к следующему докладу. Выступит профессор Йохан Ройдер из Кильского университета
(Германия) с докладом.