IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Применение лазеров в офтальмологии .
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Из всех органов чувств трудно переоценить значение органа зрения. По различным данным до 95-98% всей информации об окружающем мире мы получаем через глаза. В наше время цифровых технологий зрительные нагрузки только возрастают. Требования к качеству зрения повышаются. Вот почему крайне важно понимать особенности функционирования зрительного анализатора, нарушения в работе глаз, способы улучшить зрение.
Для того, чтобы попытаться в этом разобраться, мы взяли такую сложную, интересную и перспективную тему как «Лазеры в офтальмологии». Почему именно офтальмология? Потому что из всех отраслей медицины офтальмология получила существенный импульс в связи с открытием и последующим внедрением лазеров. В этом году исполняется 57 лет с тех пор, как впервые в мире в 1963 году была успешно проведена лазерная коагуляция сетчатки человека. Более полувека тому назад новейшее открытие в физике взяли на вооружение офтальмологи.
Пионером является профессор Леонид Андреевич Линник (1927-2012гг). Выдающийся советский, украинский изобретатель, исследователь, врач трудился в институте глазных болезней имени В.П. Филатова г. Одесса и являлся его учеником. Как только в литературе появились сообщения о создании излучателей, которые обладали неизвестными к тому времени свойствами, такими как монохроматичность и когерентность, была создана группа молодых ученых энтузиастов. В состав группы вошел Леонид Андреевич. До применения неизвестного и неизученного излучения на человеке свойства лазеров исследовали в экспериментах, где помимо кроликов было использовано более 1800 обезьян. Кроме воздействия на орган зрения изучалось так же влияние лазерного излучения на центральную нервную систему и высшую нервную деятельность животных. Трудно переоценить роль, которую сыграло открытие лазеров в науке и технике.
Целью своей работы я вижу следующее:
Изучить принцип работы лазера
Разобрать строение оптической системы глаза
Установить связь между лазером и современной медициной
Узнать, какие виды лазеров применяются в офтальмологии.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
I Теоретическая часть
История открытия лазера
Одновременно и независимо друг от друга в США и в СССР ученые Ч. Таунс, А. Прохоров и Н. Басов в период с 1954 по 1955г.г. создали генератор микроволнового излучения, получивший название МАЗЕР (microwave amplificationby stimulated emissionof radiation). Разработки не прекращались. Продолжала совершенствоваться конструкция лазера. Менялись среды накачки. Наряду с первыми газовыми генераторами излучения появились и твердотельные. Излучение, генерируемое новыми лазерами, стало видимым для человеческого глаза (излучение первых приборов для глаз было не различимо).
|
Басов Николай Геннадиевич (1922-2001гг) |
Прохоров Александр Михайлович (1916-2002гг) |
В 1957 году коллега Ч.Таунса , выпускник Колумбийского университета Гордон Гуд, ввел в обращение новый термин ЛАЗЕР (light amplification by stimulated emission of radiation)- «усиление света посредством вынужденного излучения».
Интерес к данному изобретению был столь велик, что скорость, с которой лазеры вошли в обиход и стали широко применяться, поражает. Физик Теодор Мейнман в 1960 году создаёт первый твердотельный лазер. Уже в 1961 году имеет место первое коммерческое применение оптических квантовых генераторов.
В работе первых лазеров, широко применявшихся в промышленности, использовался драгоценный камень рубин. Они применялись долгое время для сварки и резки металлов и назывались «рубиновые».
Не мог обойти это замечательное изобретение Нобелевский комитет. В 1964 году Нобелевской премией были отмечены североамериканский и советские ученые Ч. Таунс, А. Прохоров и Н. Басов.
|
Чарльз Таунс (1915-2015гг) |
Нобелевская премия по физике 1964 год |
Очень скоро лазеры привлекли внимание не только исследователей. Оптические квантовые генераторы стали широко применяться в металлургии, машиностроении, в быту.
В медицину лазерный луч пришел на смену скальпеля хирурга. Однако с развитием лазерных технологий открываются новые возможности, которые предоставляет лазер. Лазером можно не только резать ткани, но также и соединять-сваривать их, как, например, лазерная коагуляция применяется при отслойке сетчатки. При помощи лазерного луча можно проводить высокоточные измерения, а также изучение органов и тканей. И орган зрения, представляющий собой сложно организованный оптический прибор, открыл новые возможности применения лазеров.
Устройство лазера
Рассмотрим подробно свойства лазерного излучения. Оно характеризуется монохроматичностью, коллимированностью, пространственной и временной когерентностью.
Монохроматическое излучение (от греческого моно-один и хрома - цвет) – электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале – одной длиной волны, что дает возможность для применения конкретной длины волны для конкретной цели.
Коллимированность – малая расходимость пучка, почти параллельность всех лучей в пучке, позволяет создать в малом пятне большие плотности энергии или мощности.
Когерентность (от латинского cohaerens – «находящийся в связи») – скоррелированность, согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.
Таким образом, оптический квантовый генератор - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Все лазеры имеют сходное устройство. Лазерная установка имеет активную среду, элементы накачки, систему зеркал для усиления излучения (оптический резонатор), затвор и средство доставки.
Активная среда – кристалл, раствор, газ или полупроводник обеспечивает конкретную длину волны в зависимости от своего химического состава. Элементы накачки служат для специфического насыщения энергией активной среды. Накачка может быть оптической (мощные лампы), а также электрической, лазерной, химической и даже тепловой. Совершенно ясно, что элементы накачки являются причиной побочного нагревания лазерных установок, вот почему аппараты приходится охлаждать водой или воздухом.
Оптический резонатор – система зеркал, служит для усиления излучения и состоит из параллельных пластин, одна из которых является непрозрачным зеркалом и полностью отражает излучение, а вторая- полупрозрачное зеркало, через которое лазерный луч выходит из генератора. Зеркала, отражая часть излучения в активное вещество, играют роль резонатора, обеспечивая многократное усиление и направленность генерируемого излучения.
Затвор лазерного устройства может быть пассивным или призменным и активным. Принцип работы пассивного затвора: при достижении определенной мощности излучения лазер выходит через полупрозрачное зеркало, которое становится для него прозрачным. Активный или электрооптический затвор регулируется оператором, то есть, при участии оператора затвор становится прозрачным, и происходит высвобождение лазерной энергии.
Из-за участия в развитии генерации только части квантовой энергии КПД лазеров не превышает 30%. Средства доставки излучения представляют собой сложные оптические системы, доставляющие лазерный луч к мишени. К ним относятся различного рода микроскопы и адаптеры к ним. Это могут быть операционный микроскоп, щелевая лампа, налобный офтальмоскоп.
Строение оптической системы глаза.
Г
лаз человека - это сложная и совершенная оптическая система. Орган зрения представляет собой шаровидное образование диаметром примерно 24мм.
Наружная оболочка глаза, склера, выполняет защитную и скелетную функцию, то есть защищает внутренние структуры глаза от внешнего воздействия и обеспечивает постоянную форму глазного яблока. В переднем отделе склера переходит в роговицу.
Роговица - это собирающая линза, которая работает как лупа. Она является первой, главной и самой сильной линзой в оптике глаза. Её диаметр - примерно 11,5-12,5 мм, толщина- 0,5-0,6 мм в центре и до 1 мм по краю. Роговица - самый чувствительный орган. По прочности она не уступает склере, однако, в отличие от склеры, роговица прозрачна. Такое свойство ей обеспечивают правильно ориентированные и параллельно расположенные коллагеновые волокна. В склере те же волокна многократно перекрещиваются, что делает склеру непрозрачной и придает ей характерный белый цвет, отсюда народное название – «Белочная оболочка глаза».
Для того, чтобы понять, как можно повлиять на роговицу, рассмотрим подробно её строение. Роговица состоит из 5-ти слоёв.Как видно на схеме, самая толстая часть роговицы - это строма, которая представлена параллельными друг другу коллагеновыми волокнами. При изучении роговицы открылась очень интересная ее особенность: практически все ткани человеческого организма способны к самовосстановлению, эта способность называется регенерация.
Регенерация (от латинского regeneratio-возрождение, возобновление)- восстановление растениями или животными утраченных или поврежденных тканей и органов. Строма роговицы такой возможности лишена, то есть, она не восстанавливается. Преломляющая сила роговицы составляет примерно 40 диоптрий.
Следующее, что встречает на своём пути свет -это водянистая влага. Так нелогично называется прозрачная жидкость заполняющая пространство позади роговицы. Преломление водянистой влаги- около 1 диоптрии. Она участвует в регуляции внутриглазного давления, а также питает роговицу и хрусталик.
Хрусталик – это вторая линза оптической системы глаза. Он представляет собой двояко выпуклую эластичную линзу толщиной около 3-5 мм, диаметром до 10 мм. Он располагается в проекции зрачка сразу позади радужной оболочки глаза. Удерживается в таком положении хрусталик благодаря связкам, которые фиксируют его к отросткам цилиарного тела. При сокращении и расслаблении мышц цилиарного тела связки хрусталика то растягивают его, делая плоским, то провисают, что заставляет хрусталик становиться округлым и более толстым. Сила хрусталика таким образом меняется от 19 до 33 диоптрий.
Э
та его способность называется аккомодацией. Аккомодация (от латинского accommodation – приспособление, приноровление) приспособление органа или организма к изменениям внешних условий. Благодаря аккомодации человеческий глаз способен одинаково хорошо видеть на разном расстоянии.
Качественное, четкое зрение на разном расстоянии возможно при условии, что все элементы оптики человеческого глаза сфокусируют изображение на сетчатку.
На сетчатку проецируется действительное уменьшенное и перевернутое изображение. Для корректной фокусировки основным требованием является соответствие преломляющей силы оптических элементов глаза с длиной данного глаза. В соразмерном глазу зрение будет хорошим на любом расстоянии. Такой глаз называют эмметропичным, а состояние эмметропией.
В случае если фокус располагается перед сетчаткой, а на сетчатке формируется расфокусированное изображение, имеет место близорукость или миопия (в переводе с греческого языка щурящий глаз). В близоруком глазу острота зрения вдаль резко снижена. Такое состояние несоразмерности связано с рядом причин. Самая частая причина близорукости- чрезмерно длинный глаз при нормальной оптике, так же встречаются случаи нормальной длины глаза, но слишком сильной оптики, либо сочетание как длинного глаза, так и сильной преломляющей способности оптических элементов глаза.
Состояние, обратное близорукости называется дальнозоркостью или гиперметропией. При гиперметропии длина глаза и сила оптики также несоразмерны. Изображение в дальнозорком глазу фокусируется как бы за сетчатку, на сетчатке оказывается недосфокусированный образ. Дальнозоркий человек не видит полноценно ни вблизи, ни вдали. Причины гиперметропии – это сочетание нормальной оптики и короткого глаза, нормальной длины глазного яблока со слабой оптикой, либо сочетание как короткого глаза, так и слабой оптики.
Существует ещё один вид неправильной или аномальной рефракции – это астигматизм. Астигматизм это группа состояний, при которых сферичность роговицы или реже хрусталика нарушена. Неправильная сферичность приводит к тому, что на сетчатку фактически фокусируется не одно изображение, а несколько, расположенных в разной плоскости. Астигматизм с греческого языка переводится как отсутствие точки, в данном случае точки фокусировки.
Все перечисленные нами выше органы и структуры глаза призваны спроецировать отраженный от объектов свет на воспринимающий орган глаза, сетчатку. Если сравнить глаз с современным цифровым фотоаппаратом (что весьма точно), где роль объектива играют роговица и хрусталик, то сетчатка глаза выполняет функцию матрицы с высочайшим разрешением.
Сетчатка состоит из 10-ти слоев. Трансформация световой энергии в электрический импульс происходит в сетчатой оболочке глаза. Зрительный нерв как оптико-волоконный кабель направляет сигнал в соответствующий отдел головного мозга.
II Практическая часть
На примере офтальмологического центра г. Тирасполя я решил разобраться, как в обычной практике врача используются лазеры.
Первый прибор, который мне встретился - это оптический когерентный томограф. Данный прибор был разработан в конце 80-х годов прошлого века в Массачусетском технологическом университете и в его работе используется лазер. Принцип работы томографа следующий: лазерный луч (как правило, инфракрасный, однако может применяться и луч видимого спектра) сканирует внутренние, а также внешние структуры глаза, такие как роговица, радужная оболочка, цилиарное тело и, что самое ценное, сетчатка, сосудистая оболочка глаза и зрительный нерв. Различные ткани по-разному отражают и поглощают излучение. Отраженные от исследуемых тканей лучи суммируются фотодетектором и обрабатываются специальной компьютерной программой. Работа ОКТ построена на принципах световой интерферометрии.
Уникальность и ценность оптической когерентной томографии- это неинвазивность (не требуется никакого вмешательства), высокая разрешающая способность, точность и воспроизводимость результатов измерений, небольшие временные затраты на выполнение исследования, графическое отображение результатов и возможность их сохранения для дальнейшего анализа и сравнения.
В операционной используются мощные современные высокоточные лазеры, которые применяются с лечебной целью.
Один из наиболее используемых в офтальмологии лазеров - это Nd:YAG лазер. Он представляет собой твердотельный лазер в качестве активной среды, у которого используется алюмоиттриевый гранат, легированный (усиленный) ионами неодима Nd. Благодаря большой мощности, из импульса с длиной волны 1064 нм можно получить импульс с длиной волны вдвое, втрое, вчетверо (и т. д.) короче, например: 532 нм, 355 нм, 266 нм, 213 нм. В зависимости от длины волны излучения, генерируемого Nd:YAG лазером, приборы имеют разные характеристики и выполняют совершенно разные задачи.
Т ак YAG лазер с длиной 1064 нм ещё называют офтальмо перфоратором. Хорошо проникая через прозрачные оптические среды глаза, данный лазер в точке фокусировки формирует микровзрыв, что позволяет офтальмо хирургам производит высокоточные внутриглазные разрезы, рассечения вторичных катаракт, разрушения помутнений стекловидного тела и формирования лечебных отверстий в радужной оболочке и в углу передней камеры.
Неодимовый лазер на алюмоиттриевом гранате работает в ближнем инфракрасном-диапазоне 1064 нм (1,06 мкм), поэтому между собой врачи часто называют его красный лазер. Диаметр пятна лазера в точке воздействия на ткань составляет 50 мкм.
Лазерный луч доставляется оптическим световодом в адаптер, который смонтирован на щелевую лампу (так называется биомикроскоп ,которым оснащен кабинет офтальмолога). Для удобства пациента и врача, а также для лучшей точности выполняемых процедур на глаз (после анестезии) устанавливается специальная линза.
Уже знакомый нам Nd:YAG лазер с удвоенной частотой и соответственно иной длиной волны равной 532нм прекрасно поглощается пигментным слоем сетчатки. Это свойство делает его незаменимым в лечении дистрофических заболеваний сетчатки. При таких заболеваниях как сахарный диабет, дистрофическая миопия, дистрофии сетчатой оболочки глаза алюмоиттриевый лазер является просто незаменимым прибором.
Излучение с длиной волны 532 нм видимо человеческим глазом и имеет зеленый цвет, поэтому его называют зеленым лазером. Данный вид излучения работает как точечная сварка. Настройки прибора при постоянной длине волны позволяют изменять диаметр пятна в точке воздействия лазера на ткань, мощность энергии и время воздействия (экспозицию).
И спользуя различные комбинации параметров прибора, опытный лазерный офтальмо хирург при помощи зеленого лазера действительно творит чудеса, позволяя не только сохранить зрение, но и существенно улучшить и повысить его. Хирургу приходится воздействовать на различные, часто труднодоступные отделы глаза и сетчатки. Без специальных приспособлений это было бы невозможно.
Коротко хочу рассказать о линзе Гольдмана. Это специальная линза, предназначенная для того, чтобы осматривать, а также лечить глазное дно и сетчатку. Она была изобретена великим изобретателем и исследователем в 1948г. С помощью этой линзы глазной врач может осмотреть труднодоступные участки глаза, что возможно благодаря расположенным в этой линзе зеркалам под разным углом.
Без линзы Гольдмана лазерному хирургу не удалось бы обнаружить поражение в периферических отделах сетчатки.
Следующий сложный прибор, к которому мы подошли,- это эксимерный лазер. Он представляет собой разновидность ультрафиолетового газового лазера и широко применяется в офтальмологии при выполнении лазерной коррекции.
В создании первого в мире эксимерного лазера в 1970 году принимал участие Николай Басов совместно с В. А. Даниличевым и Ю. М. Поповым. Эксимерные лазеры являются одними из самых интересных видов лазеров. Излучение, выделяемое приборами с данным видом лазера, характеризуется длиной волны от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Мощность этих источников достигает нескольких кВт.
Эксимерные лазеры относятся к импульсным источникам. Частота повторения импульсов может доходить до 500 Гц - 1100Гц.
В Тираспольском офтальмологическом центре используется эксимерная лазерная установка Микроскан Визум. Прибор обладает следующими характеристиками. Активная среда газовая смесь ArF, диаметр пятна 0,9 мм, лазерный луч flying Spot (летающая точка), частота повторения импульсов 500 Гц, длина волны 193 нм.
Лазерная коррекция по неофициальным данным является самой массовой операцией. По всему миру ежегодно проводится около одного миллиона лазерных коррекций.
Из всех видов лазерных коррекций самая часто выполняема операция- это LASIK (ласик, лэсик, лэйзик). Термин LASIK представляет собой акроним Laser-Assisted in Situ Keratomileusis — «лазерный кератомилёз».
Операция ласик выполняется в несколько этапов.
Первый этап – это формирование клапана роговицы, условное название неполного ее среза. При помощи электрического микрокератома (точного хирургического инструмента) осуществляется неполный срез роговицы толщиной около 100мкм. Применение кератома позволяет отодвинуть два верхних слоя роговицы, давая, таким образом, возможность лазерному лучу оказать терапевтическое воздействие на строму роговицы. Таким образом, происходит лазерная абляция стромы роговицы.
Ла́зерная абля́ция (англ. laser ablation) — метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом. Абляция полностью контролируется мощным компьютером. Ее объем и стратегия осуществления рассчитывается, исходя из вида аномалии преломления оптики пациента.
После окончания лазерной абляции лоскут роговицы возвращается в свое ложе. Операция завершена. Целью лазерной коррекции является ремоделирование роговицы. То есть, в центральной зоне роговицы при помощи эксимерного лазерного луча путем лазерной абляции формируется новая искусственно созданная линза из собственных тканей человека. Эта новая искусственная линза обеспечивает правильное фокусирование лучей отраженного света на сетчатку.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В своей работе я хотел показать, что невозможно переоценить потенциал открытий в науке. Я попытался представить, как всего за полвека с момента открытия неизвестного излучения оно так уверенно вошло в нашу жизнь. Не только в науке, промышленности и медицине, но и в быту. Мы несколько раз в день произносим словосочетания с термином лазер. Лазерный принтер, лазерная указка, лазерная коррекция зрения, лазерный бластер, лазерный прицел и т.д. Высочайшие достижения в открытии, исследовании и применении лазеров были бы невозможны без тех открытий, которые им предшествовали.
Подробно изучив историю открытия и строение лазера, я пришёл к выводу, что этот прибор является уникальным в своем влиянии на развитие смежных отраслей и в будущем ему предстоит послужить основой ни одного великого изобретения.
Я побывал в современном медицинском центре и смог убедиться, что лазерные технологии - это огромный шаг в развитии офтальмологии и замечательная возможность для людей во всём мире вернуть утраченное зрение.
Считаю, что все цели, которые стояли передо мной в начале изучения данной темы, выполнены.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Большунова А.В. Вопросы лазерной офтальмологии: М. 2013
Бойко Э.В. Лазеры в офтальмохирургии: теоретические и практические основы. Учебное пособие Санкт-Петербург 2003
Куренков В.В. Эксимерная лазерная коррекция аметропий М. Издательство РАМН, 2002
Сомов Е.Е Клиническая анатомия органа зрения человека 4-е изд м медпресс-информ 2016
Сайт клиники глазных болезней и тканевой терапии им В.П.Филатова : http://institut-filatova.com.ua/ (дата обращения 30.04.2020)
Википедия: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения 05.2020)