Некоторые заболевания глаз — повышенное внутриглазное давление или нарушения остроты зрения — можно скорректировать, модифицируя структуру склеры и форму роговицы глаза нехирургическим методом облучения инфракрасным лазером. Однако пока трудно обеспечивать надлежащий контроль точности и эффективности таких лазерных процедур не повреждающим способом. В рамках выполнения проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), российские ученые из Института прикладной физики РАН и Института фотонных технологий РАН предложили решение, описанное в серии публикаций в Journal of Biophotonics, Journal of Biomedical Optics и Laser Physics Letters.

Лазеры широко используются в больницах при хирургических процедурах. Одно из новых применений нехирургического характера — термомеханическое изменение формы коллагеновых тканей (роговица и склера глаза, хрящ). Оно основано на кратковременном переводе ткани в пластичное состояние при нагревании инфракрасным лазером до 50–70° С. В зависимости от режима так можно сформировать «слабые» зоны, позволяющие изменять форму ткани и влиять на ее проницаемость для тканевых жидкостей. Например, таким способом получают микропоры в склере, через которые выходит избыток жидкости, что эффективно понижает внутриглазное давление при глаукоме. Лазерные технологии термомеханического изменения формы позволяют изготавливать импланты из собственного реберного хряща пациента для лечения дефектов гортани, а в перспективе — изменять форму роговицы глаза для лечения нарушений зрения без хирургического вмешательства.

Для широкого и безопасного клинического использования таких новых технологий критически важно обеспечить высокоточный контроль приданной ткани формы и ее стабильности. Постоперационное изменение формы уже вживленного импланта может привести к тяжелым последствиям для пациента. При этом очень оценивать сопутствующие изменения микроструктуры и механических свойств ткани после лазерной модификации. Перспективным для такого рода применений, в том числе в офтальмологии, стало использование метода оптической когерентной томографии (ОКТ). ОКТ занимает нишу между медицинским ультразвуком и оптической микроскопией. Подобно УЗИ, она позволяет визуализировать структуру ткани, но только по рассеянию инфракрасного света, c разрешением до единиц микрон.

В этой работе исследователи из Института прикладной физики РАН применили собственную методику на основе ОКТ, позволяющую исследовать деформации и изменения механических свойств в толще препарата, — оптическую когерентную эластографию (ОКЭ). В качестве объектов были использованы образцы таких коллагеновых тканей, как роговица глаза кролика и хрящ свиньи. Их подвергли процедурам локализованной термомеханической модификации с использованием методов и режимов лазерного облучения, разработанных в Институте фотонных технологий РАН в группе доктора физико-математических наук Эмиля Соболя.

«Исследуемый образец роговицы или хрящевой ткани мы заключаем между двумя силиконовыми слоями с известной жесткостью. Визуализируя с помощью ОКТ механически производимые деформации в такой конструкции, оказывается возможным количественно картировать распределение модуля упругости исследуемой ткани как до выполнения процедур лазерной термомеханической модификации, так и после них. Разработанный метод анализа серий регистрируемых ОКТ-сканов также позволяет увидеть и накопленные в результате облучения искажения формы. Сравнивая параметры областей вызванных лазером деформаций и сопутствующих изменений упругого модуля, удается хорошо локализовать области, в которых образовались микропоры, и даже количественно оценить параметры еще невидимых пор», — рассказывает Владимир Зайцев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией волновых методов исследования структурно-неоднородных сред ИПФ РАН.

Результаты хорошо согласуются с данными, полученными различными методами микроскопии и при теоретическом компьютерном моделировании. Однако оптическая когерентная эластография не требует специальной подготовки препарата с использованием обезвоживания, окрашивания и прочих разрушающих процедур. Разработанный неинвазивный эластографический подход может применяться в медицине для оперативной оценки долговременной стабильности хрящевых имплантов, подготовленных методами лазерного изменения формы, а также для контроля процедур термомеханической модификации роговицы и при разнообразных диагностических исследованиях.

«Предварительные результаты позволяют рассчитывать на перспективность использования ОКТ-эластографии для выполнения “оптической биопсии” опухолевых заболеваний, причем не просто для различения ткани в состоянии нормы и патологии, но и для более тонкого дифференцирования опухолей различных типов, имеющих разную степень злокачественности и требующих различных тактик лечения», — заключает Владимир Зайцев.

Работа выполнена сотрудниками Института прикладной физики РАН совместно с коллегами из Института фотонных технологий РАН Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН и Института глазных болезней РАН.