OSVRT NA NEKE SAVREMENE TEHNIKE, PRIMENE LASERA U OFTALMOLOGIJI I MODELOVANJE INTERAKCIJE

Darovan Đukin1, Danijela Đukin2, Branko Nikolić1

1. Elektrotehnički fakultet, Beograd, Bul. Kralja Aleksandra 73, Srbija i Crna Gora, 2. Medicinski centar “Sveti vrači”, Bijeljina, Republika Srpska

Abstrakt - U radu su dati neki od savremenih aspekata primene lasera u oftalmologiji, tehnički i medicinski aspekti problematike. Modelovanje procesa je posebno složeno u oftalmologiji u odnosu na modele u drugim granama medicine. 1. UVOD

U radu se razmatraju različiti operativni tretmani koji se koriste u području oftalmologije. Prema stupnju oboljenja na raspolaganju savremene medicine su sa jedne strane “klasični skalpel”, a sa druge snopne tehnike među kojima laserska tehnika zauzima dominantno mesto u oftalmologiji. Pri tome “jezik inžinjera” bi ih delio na tehnike dijametralno suprotne: operacije razdvajanja tkiva i spajanja. Savremena medicinska terminologija, određene definisane promene kao posledica delovanja relativno slabijih intenziteta elektromagnetnog zračenja u vidljivoj, IC ili UV oblasti naziva postupcima remodulacije.

Razmatraju se glavni pravci korišćenja lasera u oftalmologiji, savremeni tipovi lasera koji se koriste i neka teorijska pitanja vezana za disperziju [1-11].

S obzirom na vrlo različite dijapazone rada (UV, IC i vidljiva oblast), pojavljuje se mnogo inžinjerskih problema za održavanje tehničkih uređaja (O&M). I mere bezbednosti koje su potrebne da se primenjuju su u principu različite za ove tri grupacije lasera (Nd3+:YAG , Ar+ jon i excimer, a postoji dosta poluprovodničkih rešenja MQW).

1.1 Medicinski aspekt U tabeli br. 1 su dati indeksi prelamanja različitih delova oka na talasnoj dužini 587,5 nm. U tabeli br. 2 dati su tipovi lasera i dijapazon njihove primene u nekim oftalmološkim operativnim tehnikama. Tabela 1. Indeksi prelamanja različitih delova oka na talasnoj dužini 587,5 nm.

n Očna vodica 1,336 Vitreum 1,336

Rožnjača 1,376 Sočivo korteks 1,385

Sočivo nukleus 1,406

1.2 Tehnički aspekt U upotrebi su se, u rasponu gotovo 40 godina, izmenjale nekoliko generacija lasera određenih tipova. Danas se najviše koriste jonski, excimer, na čvrstom telu i poluprovodnički. Posebnu ulogu igraju laseri za pozicioniranje snopa i u dijagnostičke svrhe, među kojima se najčešće nalaze He-Ne i poluprovodnički laseri.

U tabeli br. 3 su date neke laserske tehnike kao i laseri koji se koriste u oftalmologiji i opseg različitih parametara prilikom njihove primene. 2. NEKE OPERATIVNE TEHNIKE KOJE UKLJUČUJU PRIMENU LASERA U SKLOPU TRETMANA RAZLIČITIH OBOLJENJA OKA 2.1 Fotokoagulacija

Fotokoagulacija se koristi u sklopu tretmana pacijenata kod oboljenja kao što su makularne degeneracije, retinopatije i različite vrste tumora na oku.

U oftalmologiji je poznato da se sam proces fotokoagulacije bazira na apsorpciji melanina i hemoglobina u samoj retini. Tehnika fotokoagulacije ima za cilj ne da poboljša vid kod pacijenata, već da spreči njegovo dalje propadanje putem modifikacije retine laserskim zračenjem

Princip je da se incizijama dobijenim fotokoagulacijom melanina i hemoglobina prilikom interakcije sa laserskim zračenjem ograniči degeneracija na retini i to spot po spot i time zaustavi njeno dalje širenje. Ovo se može vršiti i u više sesija , ali je broj spotova po jednoj sesiji ograničen granicom izdržljivosti bola pacijenta ili, u krajnjem slučaju, opsegom neregerativnog termalnog oštećenja centralnog dela retine.

Kada se zračenje apsorbuje u tkivu koje sadrži melanin i hemoglobin i temperatura sredine poveća za 10o C, tečni sadržaj ćelije počinje da isparava ostavljajući denaturizovane elemente proteina. Ako se dostigne temperatura od 600o C molekuli proteina prelaze u gasovito stanje. Laseri koji se koriste u oftalmologiji za operacije bazirane na fotokoagulaciji su Nd3+:YAG, čiji je udvojeni harmonik na talasnoj dužini 532 nm i argon jon laser, kojise najčešće koristi na talasnim dužinama 488 i 515 nm. Koristi se veličina spota 0,1-0,5 mm, trajanje impulsa 0,05-0,5 s i broj repeticija do 3000 po sesiji. 2.2 Laserska iridektomija

Glaukom se manifestuje povišenim intraokularnim pritiskom (IOP) koji oštećuje vid pacijenta. Cilj ove tehnike je da se korišćenjem laserskog zračenja napravi punktura u

Zbornik radova XLVIII Konf za ETRAN, Čačak, 6-10 juna 2004, tom III Proc. XLVIII ETRAN Conference, Čačak, June 6-10, 2004, Vol. III

269

irisu, kako bi očna vodica mogla da cirkuliše iz zadnje u i prednju očnu komoru i kasnije se lakše apsorbovala u krvnim limfnim sudovima, tako redukujući IOP.

Operativna tehnika se bazira na izboru nekoliko tipova lasera, među kojima se najčešće koristi Ar+ jon i Nd3+:YAG laser. U zavisnosti od izabranog tipa lasera, energije zračenja koje se koriste iznose 4-8 mJ po impulsu, sa nekoliko do nekoliko desetina impulsa. U zavisnosti od različitih optičkih

parametara samog irisa (refleksivnost, boja itd.) energija po impulsu može varirati 50-100 %, ili se povećava broj impulsa. Zamagljenja na kornei mogu smanjiti precizno fokusiranje i snagu snopa, stoga se pri ovoj tehnici često koriste He-Ne laseri kao probni laseri i kao laseri za ciljanje. Tabela 2. Tipovi lasera i dijapazon njihove primene u nekim oftalmološkim operativnim tehnikama.

Tabela 3. Neke laserske tehnike kao i laseri koji se koriste u oftalmologiji i opseg različitih parametara.

270

2.3 Fotorefraktivna keratektomija

Fotorefraktivna keratektomija (PRK) se koristi kao tehnika pri tretmanima umerene miopije, hiperopije i astigmatizma. Cilj joj je da se smanji ili potpuno izravna zakrivljenost kornee da bi se korigovala ukupna dioptrija direktnom fotoablacijom. Tkivo sa Bowman-ove membrane i strome na vizuelnoj osi oka se uklanja lokalnim zagrevanjem laserskim zračenjem, pri čemu se teži da se minimalizuje oštećenje okolnog tkiva. Da bi se fiksirala površina ablacije koriste se dva snopa He-Ne lasera. Savremeniji sistemi poseduju tzv. eye-tracker uređaje za praćenje oka, koji se montiraju na optički podsistem lasera. Ovi uređaji se “zaključavaju” na centralnu osu oka pacijenta i vrše korekciju parametara izlaza lasera od važnosti, tako da pacijent može slobodno pomerati oko tokom procedure[7].

Teoretski, excimer laserom se mogu tretirati sve ametropije. Kod miopije se skidanjem centralne lamele rožnjače laserom centar rožnjače zaravni, tako dobijajući manji poluprečnik krivine, manje prelama i dovodi do prelomne moći celog oka. Kod hiperopije princip je upravo suprotan. Kod astigmatizma se strmiji meridijan izravnava. U odnosu na neradijativne keratotomije PRK ima manje neželjenih efekata, dok su postignuti rezultati stabilniji i predvidljiviji [10].

Takođe, primenjuju se i softverski kontrolisani Flying spot laserski skeneri, koji se upravljaju po dve ose oko kornee. Program kontroliše prečnik i prostornu distribuciju snage po porečnom preseku laserskog snopa i stvara takav uzorak da odgovara željenom profilu distribucije snage na samoj rožnjači. Istovremeno se vrši i prilagođavanje broja impulsa za svaku poziciju na rožnjači ponaosob što rezultuje u vrlo glatkom finalnom profilu.

Pri ovoj tehnici se koriste impulsni ArF excimer laseri talasne dužine 193 nm, snage 10-200 mJ/cm², zavisno od dubine željene ablacije i trajanja impulsa od oko 10 ns. Sa velikim prečnikom snopa frekvencija impulsa iznosi 10-50 Hz. Ako se koristi tehnika sa malim prečnikom snopa (Flying spot) dužine energije po impulsu su manje i reda su veličine 10 mJ/cm² a frekvencija impulsa je do 1000 Hz. 2.4 Laserska kapsulotomija

Ova tehnika je ponekad neophodna da bi se naknadno očistio vid pacijenata nakon operacije katarakte. Tokom operacije katarakte, zamagljeno sočivo se uklanja i ubacije čistim sočivom – implantom. Kod oko 20 % pacijenata mesecima ili godinama kasnije, iz više razloga može doći do zamagljenja na implantiranom sočivu. Laserska kapsulotomija ima za cilj da ukloni ovo zamagljenje i ponovo izvrši korekciju vida, kao na slici 2. Tretman uključuje dvominutnu proceduru pri kojoj se lasersko zračenje koristi da bi se stvorila punktura na zamagljenoj membrani implanta. Tehnika je bezbolna i pacijenti su potpuno sposobni odmah nakon operacije. Na slici 2 je prikazan izgled irisa i ipmlanta pre i posle operacije izvedene tehnikom laserske kapsulotomije.

Ključ sigurne i uspešno izvedene kapsulotomije je korišćenje minimalne količine energije potrebne da bi se

Slika 1. Postupak laserske kapsulotomije. napravila punktura na kapsuli. Sa Nd3+:YAG laserom, talasne dužine 1064 nm sa modulacijom faktora dobrote energija koja se koristi iznosi 1-2,5 mJ po impulsu dok pri korišćenju lasera sa sinhronizacijom modova potrebna energija iznosi 3-5 mJ po impulsu. Da bi se izbegao indukovani astigmatizam, snop se podešava tako da zahvata ugao ne veći od 30º sa osom oka pacijenta. 2.5 Laserska trabekuloplastika

Pri ovoj tehnici laserski snop se usmerava u luk koji je lociran na mestu gde se zadnja strana kornee spaja sa prednjom stranom irisa, a koji se u medicini naziva trabekularna mreža. U većini slučajeva luk od 180 stepeni trabekularne mreže se tretira sa 40-80 laserskih impulsa, kao na slici 3. Tehnika ima za cilj povećanje protoka očne vodice, dovodeći do smanjenja intraokularnog pritiska, te se koristi kod lečenja glaukoma. Pri ovoj tehnici koriste se laseri sa izlazom veličine spota 50 mikrometara, trajanjem impulsa 0,1s i početne snage 200 mW. Idealna reakcija oka je pojava malih mehurića gasa u tački interakcije laserskog zračenja sa tkivom.

Slika 2. Gore: Zamagljen implant pre operacije. Dole: Izgled irisa i zjenice nakon izvršene operacije.

271

Slika 3. Postupak laserske trabekuloplastike. Ako je reakcija neadekvatna snaga lasera se povećava u koracima od po 200 mW do maksimalnih 1200 mW.

Kod jako pigmentiranih tkiva snaga je u proseku oko 400 mW, dok kod nepigmentiranih tkiva snaga može dostići 1200 mW. 3. ASPEKT ODRŽAVANJA

Sa gledišta veka života jednog uređaja koji sadrži laser u kompleksu, definišu se ponekad i dva vremena života. Jedna je onaj operativni a drugi onaj koji se odnosi na procese koji postoje bez obzira na uključenje uređaja. Ta vremena su veoma različita za lasere pobrojane u upotrebi. Vrlo različiti su problemi za HeNe, Ar+ jon, excimer ArF ili Nd3+:YAG. Za upoređenje problema ili elemenata težine rada sa određenim tipom, trebalo bi paralelno razmatrati teorijske osnove rada. To su struktura aktivnog materijala i uslovi za inverziju naseljenosti, biranje optimalnih režima rada, broj mogućih tipova kojima se postižu isti izlazi ili srednje vrednosti parametara u raznim režimima rada, karakteristike snopa, izbor talasne dužine, izlazna snaga, efikasnost, vremenske karakteristike, spektralna širina, stabilnost frekvencije, amplitudski šum, kvalitet snopa i polarizacione osobine, poluprečnik snopa i divergencija, stabilnost pravca, radni zahtevi kao što su ulazna snaga pumpe, zahtevi hlađenja, zahtevi za pomoćnim sistemima, uslovi i temperatura rada, mehanički aspekti, bezbednost rada sa uređajem. Posebno su važni aspekti pouzdanosti i održavanja (vreme života, održavanje i podešavanje, mehanička izdržljivost, uzroci i tipovi kvarova i moguće popravke).

4. ASPEKTI DISPERZIJE Aspekti disperzije se mogu gledati sa strane složenosti očnog aparata, ali i sa gledišta tehničkog ostvarenja samog lasera, vođenja snopa i kontrole. 5. ASPEKT MODELOVANJA Sa gledišta modelovanja najvažnija je činjenica biološki odziv tkiva na različite talasne dužine, intenzitete i vremena trajanja (ako se radi o impulsnom režimu rada). U radu [6] modelovane su korelacije sa očnim pritiskom pacijenata podvrgnutih laserskim tretmanima.

Glavne razlike u modelovanju interakcija sa materijalima neorganskog porekla i biomaterijala je upravo u postojanju specifičnih obeležja jedinki.

6. ZAKLJUČAK

Savremene laserske operativne tehnike u oftalmologiji imaju tendenciju sve većeg oslanjanja na sam uređaj, što dovodi do bržeg usavršavanja ovih aparata.

Kod lasera, koji se koriste u oftalmologiji tendencije su: niže snage i veći broj repeticija da bi se sama interakcija bolje i preciznije kontrolisala i time smanjile neželjene ozlede okolnog tkiva, smanjilo vreme postoperativnog oporavka pacijenta i izbegle eventualne postoperativne komplikacije, stoga se već kreće u upotrebu lasera sa trajanjem impulsa reda ps. Dalje, sve češći su zahtevi za većom preciznošću i kontrolom upravljanja snopom, koje omogućuju kako novi optoelektronski uređaji, tako i nove softverske tehnike.

Poluprovodnički laseri nalaze sve veću primenu u operativnim tehnikama kod kojih se zahteva strožija kontrola parametara zračenja.

Analizirani su problemi pri upotrebi pojedine vrste i generalni prikazi poređenja tipova lasera sa tehničke strane. Data su i gledišta o preporučenim tipovima kao i opsezima drugih parametara od važnosti pri pojedinim operativnim procesima, kao i neki aspekti disperzionih pojava u smislu pozicioniranja i vođenja snopa. LITERATURA [1] J. Hecht, The Laser, Mc Graw Hill, New York, 1986 [2] D. Sliney, M. Wolbarsht, Safety with Lasers and other Optical Sources, Plenum Press, New York, 1980 [3] D. Sliney, B.C. Freasier, Evaluation of Optical Radiation Hazards, Applied Optics, Vol.12, 1973. [4] Električni uređaji i oprema u medicini, JUS IEC 601-2-22 [5] Bezbednost laserskih proizvoda JUS IEC 825-1 [6] Svetislav Milenković, Danijela Đukin, Darovan Đukin, Neki aspekti primene lasera u oftalmologiji, Zbornik ETRAN-a, 215-219, 2003. [7] R. Brancato et al., Excimer Laser photorefractive keratectomy for myopia: results in 1165 eyes. [8] G. Geerling et al., Initial clinical experience with the picosecond Nd:YLF laser for intraocular therapeutic applications [9] M. Mitrović, M. Džinić, Biological effects of laser radiation, Military medical academy, Belgrade, 1990 [10] A. Parunović, D. Cvetković i saradnici, Korekcija refrakcionih anomalija oka [11] J.J. Kanski, Clinical Ophthalmology, King Edward VII Hospital , Windsor Abstract Some aspects of contemporain laser application in ophthalmic practice are given as well as technical and medical ones. The modelling of laser interactions with eye tissue is very complex in addition to the other medical branches.

SURVEY OF SOME CONTEMPORARY TECHNIQUES, INTERACTION MODELLING AND

LASER APPLICATIONS IN OPHTHALMIC PRACTICE

Đukin Darovan, Đukin Danijela, Nikolić Branko

272