Л.И.Балашевич, Д.З.Гарбузов, С.Е.Гончаров, А.А.Иванов, А.С. Измайлов, А.Н.Масленников, А.Д.Семенов, В.Г.Шиляев.
Первый отечественный полупроводниковый лазерный офтальмокоагулятор.

"Офтальмохирургия" №3, 1992 с.36-44

Филиал МНТК «Микрохиургия глаза», С-Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, С.-Петербург

В настоящее время газовые лазерные (аргоновый и криптоновый) офтальмокоагуляторы занимают в клинической практике доминирующее положение. Возможность получения мощного монохроматического непрерывного излучения на многие годы заслонила ряд их существенных недостатков. К ним относятся малая долговечность и низкий коэффициент полезного действия излучающего элемента, большой расход воды и электроэнергии (более 500 л за час работы и порядка 10 кВт/ч), вытекающие из этого высокие эксплуатационные расходы, большой вес и габариты.

За последние несколько лет достигнут значительный прогресс в технологии производства мощных полупроводниковых (диодных) лазеров, которые свободны от недостатков, присущих газовым лазерам, и имеют соизмеримые с ними уровни мощности излучения. В Италии, США, Великобритании опубликован ряд работ по проблеме использования диодного лазера для коагуляции глазного дна [4—6, 12, 16], а в 1989 г . фирма " Keeler " выпустила первый коммерческий прибор такого типа. Имеются сообщения об общих закономерностях взаимодействия излучения полупроводникового лазера с тканями глазного дна, однако остается неосвещенным в печати действие этого излучения на радужную оболочку и оптические среды, а также сравнительное изучение повреждения глазных тканей при над- лороговых уровнях мощности диодного и других типов лазеров.

Наша совместная с ФТИ им. А.Ф.Иоффе работа начата в 1987 г . К настоящему времени разработан миникоагупятор в виде приставки к щелевой лампе типа " Haag - Streit ", показанной на рис. 1а, Ь*. Его технические параметры следующие. В качестве излучателя использовались полупроводниковые лазерные диоды, представляющие собой структуру In — Ga — As — P (Индий-Галлий— Арсеникум—Фосфор), выращенную на подложке Ga - As (рис. 2) методом жидкостной эпитаксии. Размеры излучающей области на торце кристалла составляли 1x100 мкм. Длина волны лазерного излучения используемого генератора соответствовала 0,81 мкм (ширина полосы спектра около 3 нм), мощность излучения до 1 Вт, длительность импульса 0,025-0,85 с, диаметр пятна облучения на сетчатке 100 мкм, габариты лазерного модуля 30x60x150 мм (масса 0,4 кг ) и блока питания 80x80x240 мм (масса 1,9 кг ). Питание прибора осуществлялось от сети переменного тока 220 В (частота тока 50-60 Гц) при потребляемой электрической мощности в момент импульса не более 40 Вт, охлаждение воздушное конвекционное. Уровень шумности прибора ниже порога восприятия. Принципиальная схема установки показана на рис. 3. В данной модификации минилазер может быть легко адаптирован к другим моделям щелевых ламп.

Рис. 1b. Лазерный модуль прибора	Рис. 2. Диодный минилаэер (на теплоотводе)

Рис. 3. Принципиальная схема установки

Экспериментальное исследование характеристик диодного лазера и особенностей взаимодействия его излучения с глазными тканями в сравнении со стандартным сине-зеленым аргона лазером фирмы „ Coherent Radiation " (модель 900), выполнено на 49 кроликах (98 глаз) породы „серая шиншилла" и 1 кролике-альбиносе (2 глаза) с массой тела 2,2—3,3 кг. Наркотизация животного осуществлялась внутрибрюшинным введением нембутала из расчета 40—45 мг на 1 кг массы животного. Для анестезии роговой оболочки применялся 0,25 % раствор дикаина. Необходимая степень мидриаза достигалась повторными инстилляциями 1 % раствора атропина сульфата, Высокая степень прозрачности оптических сред животного на протяжении эксперимента обеспечивалась периодическим орошением роговицы кролика раствором гемодеза. В составе исследовательского стенда использовались измеритель средней мощности и энергии излучения ИМО-2Н, запоминающий осциллогра ф С8-1 и фундус-камера.

Эффект лазерного облучения оболочек глаза оценивался с применением методик офтальмоскопии, флюоресцентной ангиографии, прижизненной зеркальной эндотелиоскопии и морфологических методов исследования (световая и электронная микроскопия через 1 сутки после воздействия).

Результаты экспериментов по определению пороговой мощности для повреждения сетчатки лазерным излучением в зависимости от степени пигментации глазных тканей подвергались пробит-анализу по методу Миллера-Тейнтера согласно предложению Бартлетта [1].

Результаты и обсуждение. Установлено, что офтальмоскопическая картина ожогов глазного дна кроликов излучением диодного лазера подобна виду ожогов, полученных с помощью аргонового излучения. Это согласуется с данными Brancato R . et al . и McHugh J , et al . [4, 5, 15]. При флюоресцентной ангиографии (рис. 4а,Ь) отмечалось периферическое свечение вокруг лазерных ожогов в виде тонкого кольца, свидетельствующего о локальном повреждении тканей глазного дна прерывным излучением [2].

Морфологические исследования при околопороговых уровнях излучения полупроводникового лазера показывают ограниченное повреждение пигментного эпителия и прилегающих к нему фоторецепторов, в меньшей степени наружного ядерного слоя сетчатки. Невральная ретина сохраняется практически интактной. В зоне ожога прослеживается сморщивание, разрушение и некроз электронно-плотных клеток пигментного эпителия (рис.5а)

Меланиновые гранулы видны относительно неповрежденными, однако с признаками микроаакуолизации. Повреждение фоторецепторов проявляется лизисом их внешней мембраны, интенсивным нерегулярным пикнозом ядер и разрушением дисков с выпадением их фрагментов в межклеточное пространство (рис. 5 Ь,с). Заметным деструктивным изменениям подвергаются клетки наружного ядерного и ганглиозного слоев сетчатки, в которых обнаруживаются множественные вакуоли и широкие межклеточные лакуны (рис, 5 d ). Характерен небольшой отек плексиформного слоя, уменьшающийся к слою нервных волокон. Хориокапиллярные сосуды стазированы, их эндотелий поврежден, просвет заполнен агрегатами эритроцитов и полиморфно-ядерными клетками, в значительном количестве встречающимися в строме сосудистой оболочки.

Рис. 5а. Электронограмма дегенерирующей клетки пигментного эпителия сетчатки через одни сутки после лазерного воздействия	Рис.5 c . Наружные диски фотоцепторов после воздействия околопороговых уровней мощности излучения минилазера. Фр1 и Фр2 – фоторецепторы с незначительными повреждениями наружных дисков (разрывы, нарушение правильного расположения внутренних мембран), Фр3 – наружный диск интактного фоторецептора

Рис.5 b . Электронная микрофотограмма фоторецепторного слоя сетчатки в области лазерного ожога. В центре снимка внутренний сегмент распадающегося фоторецептора. Мх – разбухшие митохондрии с разрушенными криптами (стрелки)	Рис. 5 d . Ганглиозные клетки сетчатки на различных стадиях разрушения после лазерного облучения. Кл1 –ганглиозная клетка сетчатки с максимально выраженными признаками дестркции; Кл2 и Кл3 – фрагменты двух других клеток с более слабыми деструктивными изменениями.

Рис 6 . Зависимость величины офтальмоскопически видимого порога повреждения сетчатки излучением полупроводникового лазера oт степени пигментации глазного дна кролика, где: ЕD0 — мощность излучения, не приводящая к появлению видимых ожогов сетчатки; ЕD50(100) - мощность лазерного излучения, вызывающая возникновение видимых повреждений сетчатки в 50 % случаев; А — глазное дно кролика-альбиноса; П3 — крайне разреженное распространение пигмента; П2 — слабая пигментация; П1 — несколько ослабленная пигментация по сравнению с ПN; ПN — глазное дно средней степени пигментированности; П+1 — несколько избыточная пигментация: П+2 — интенсивно пигментированное глазное дно; П+3 — отдельные участки значительного скопления черного пигмента (чаще вблизи диска зрительного нерва)

Был исследован характер зависимости величины офтальмоскопически пороговой мощности излучения лазера от степени пигментации глазного дна. В зоне облучения установлено статистически достоверное постоянство „нулевого" уровня порогового ожога в широком интервале пигментации глазных тканей Пп — П+2 (рис. 6). В основе наблюдаемого явления, возможно, лежит достаточно высокая светоабсорбция излучения полупроводникового лазера тонким однослойным пигментным эпителием.

С увеличением мощности лазерного излучения до терапевтических значений (серо-желтый ожог при офтальмоскопии) гистологически определяемая разница в действии излучений полупроводникового и аргонового лазеров практически полностью нивелируется, хотя они существенно отличаются по длине волны. В зону коагуляционного некроза вовлекается вся толща сетчатки, отмечается платообразная приподнятость зоны ожога над поверхностью интактной ретины. Фоторецепторный и большая часть ядерных слоев сетчатки представлены в виде плотной компактной массы коагуляционного некроза трапециевидной формы, „вдавленного" основанием в сосудистую обо лочку. Внутренние слои невральной ретины перераспределены в меньшей степени, однако и в них имеются признаки коагуляционного повреждения. Отек слоя нервных волокон наиболее выражен в фокусе облучения и имеет четко очерченные границы, что может свидетельствовать о роли первичного повреждения сетчатки лучом лазера. Пигментный эпителий местами отслоен от подлежащей мембраны Бруха, дефекты которой в участке коагуляции отсутствуют. Отмечается утолщение сосудистой оболочки и выраженная облитерация ее микроциркуляторного русла на значительном удалении от границ офтальмоскопически видимого повреждения (рис. 7а,Ь).

При мощности излучения свыше 100—150 мВт (0,2 с.глазное дно средней степени пигментированности) резко возрастала частота разрывов сетчатки, кровоизлияний в ткани глазного дна и стекловидное тело.

Выраженность описанных изменений в широких пределах определялась степенью пигментации глазного дна. В случае прямой фокальной коагуляции сетчатки кролика-альбиноса при знаков ее повреждения не отмечалось.

Анализ полученных данных морфологических исследований по действию офтальмоскопически пороговых уровней мощности излучения диодного и аргонового лазеров на сетчатку кролика показывает смещение зоны основных изменений вглубь тканей с увеличением длины волны лазерного излучения, что согласуется с наблюдениями многих авторов [2, 13—15, 17]. В то же время в других информационных источниках сообщается о полном сходстве морфологических картин повреждений сетчатой оболочки излучением лазеров диодного, аргонового, криптонового и на красителях [7—11]. В нашем исследовании подобные результаты получены в случае воздействия на сетчатку излучений аргонового и полупроводникового лазеров мощностью 4—5 ED и более. Факт уменьшения роли длины волны лазерного излучения с увеличением его мощности наиболее вероятно связан с интенсивным тепловыделением в фокусе облучения. Вторичный поток тепла из пигментного эпителия и сосудистой оболочки при этом вызывает более интенсивное коагуляционное повреждение ретинальной ткани, чем первичные ретинальные изменения, развившиеся из-за прямого действия лазерного луча на сетчатку.

Рис.7а. Световая микроскопия ожога сетчатки кролика излучением Ga - As лазера через сутки после облучения	Рис.7 b . Сходная морфологическая картина повреждения сетчатки аргоновым излучением (?= 0,2с; Р=100мВт; S =200мкм)

Как известно, из 96 % света с длиной волны 514 нм, достигающего ретинальной поверхности, 47 % абсорбируется в пигментном эпителии и 92 % оставшегося поглощается в хориоидее. При длине волны 800 нм в пигментном эпителии абсорбируется 12 % излучения, а 38 % прошедшего далее — в сосудистой оболочке, доводя суммарное поглощение до 46 % [3]. Остальная часть излучения диодного лазера подвергается интенсивному рассеянию в склере, поглощение и тепловыделение в которой минимальны.

Таким образом, в случае применения аргонового лазера основная часть излучения поглощается пигментным эпителием и сосудистой оболочкой. Полупроводниковому Ga — As лазеру более характерна реализация энергии луча в хориоидее, что обусловливает наблюдаемые различия картин офтальмоскопически пороговых ожогов сетчатки по данным световой и электронной микроскопии.

На практике, при проведении лечебной лазеркоагуляции глазного дна обычно используется излучение значительно большей мощности. Вследствие усиления потока тепла из фокуса облучения в зону ожога вовлекается вся толща сетчатки, вторичное тепловое коагуляционное повреждение которой однотипно в случае применения излучений различных лазеров оптического диапазона.

Эффект воздействия на радужную оболочку (рис. 8) также в значительной степени зависел от характера ее пигментации. При мощности излучения в 350 мВт (0,85 с) отмечалось интенсивное парообразование в фокусе облучения и образование сквозного отверстия в теле сильнопигментированной радужки. В окололимбальной, более светлой ее части, эффекты лазерного облучения обычно сильно ослаблялись. Порог повреждения ткани радужки приблизительно соответствовал величине порогового ожога сетчатки.

Рис.8. Ожоги радужной оболочки излучением полупроводникового лазера через 5 мин. После воздействия

Морфологические методы исследования свидетельствуют о наличии кратерообразного дефекта ткани радужки с зоной вы раженного некроза в центре ожога. Отмечается уплотнение и интенсивное окрашивание ее стромы, неразличимость клеточных и фибриллярных элементов (рис. 9). В пределах поля ожога характерны разрушение, фрагментация пигментных клеток с выходом распадающихся гранул пигмента в межклеточное пространство (рис. 10а, Ь). Значительно выражены пикноз ядер и вакуолизация цитоплазмы меланоцитов, набухание, нечеткость границ и хаотичное расположение коллагеновых волокон стромы на всем протяжении ожога. Отмечаются случаи облитерации крупных толстостенных сосудов радужки. Область повреждения и прилежащие участки стромы в большом количестве инфильтрированы нейтрофильными лейкоцитами. В целом ожоговые изменения тканей радужной оболочки характеризуются достаточно поверхностным расположением, что свидетельствует об эффективной светоабсорбции излучения ближней ИК-области. Тем не менее эффект „стягивания" ткани радужки к месту воздействия излучения полупроводникового лазера имел несколько меньшую выраженность, чем в случае аргонлазеркоагуляции.

Рис. 9. Радужная оболочка через сутки после диодной лазеркоагуляции. Интенсивное окрашивание зоны коагуляционного неркоза	Рис. 10 a . Электронограмма пигментосодержащей клетки радужной оболочки в зоне ожога излучением диодного минилазера. Я – ядро клетки, распадающейся на отдельные фрагменты (стрелки)

Рис. 10 b . Отросток поврежденной пигментной клетки радужной оболочки. Распадающийся клеточный фрагмент с дуструктурированным содержимым. Пг – пигментные гранулы.

Слабые деструктивные изменения пигментных клеток отмечены на небольшом удалении от зоны ожога, определяемой по границам прокрашивания ткани радужной оболочки.

В серии экспериментов изучено возможное влияние лазерного излучения с длиной волны 0,81 мкм на оптические среды глаза кролика (0,4 с, 350 мВт в пятне 100 мкм на поверхности рогговой оболочки и задней капсулы хрусталика). По результатам биомикроскопии хрусталика и роговой оболочки, а также эндотелчоскопии непосредственно после облучения и в сроки наблюдения до 4-х мес признаков первичного повреждения исследуемых тканей не зарегистрировано.

Наблюдалось возникновение вторичных помутнений передних кортикальных слоев хрусталика при интенсивной коагуляции зрачкового края радужки.

Полученные экспериментальные данные, а также имеющиеся литературные сведения позволили нам использовать полупроводниковый офтальмокоагулятор в лечении широкого спектра заболеваний органа зрения.

Впервые в нашей стране получен клинический материал по успешному применению диодного минилазера для лазеркоагу ляции у 57 больных (70 глаз) с периферическими дегенерациями и разрывами сетчатки, в том числе клапанными, высокой отслойкой сетчатки (ограничительная коагуляция), при диабетической ретинопатии и других патологиях.

Отмечено, что при проведении профилактической лазеркоагуляции с использованием полупроводникового лазера офтальмоскопическая картина нежных ожогов в макулярной об ласти весьма сходна с таковой при облучении периферических отделов глазного дна. В то же время минимальные уровни аргонового сине-зеленого излучения вследствие интенсивного поглощения макулярным пигментом приводили к формированию точечных жемчужных коагулятов в слоях невральной ретины желтого пятна. Барьерная диодная лазеркоагуляция вокруг зон периферической дегенерации сетчатки и ретинальных разрывов по эффективности не отличалась от аргоновой. Получен первый положительный опыт лазеркоагуляции при диабетической ретинопатии.

Выводы.

1.  Создан первый в стране полупроводниковый минилазер, пригодный для клинического применения, обладающий рядом эксплуатационных преимуществ по сравнению с широко при меняемыми в офтальмологии газовыми аргоновым и криптоновым коагуляторами.

2.  При облучении периферии глазного дна длина волны лазерного излучения сказывается на характере повреждений сет чатки только при минимальных параметрах воздействия. С увеличением мощности излучения до терапевтических значений различия в действии на сетчатку полупроводникового и аргонового лазеров в значительной степени ослабляются.

3.  Диодный минилазер имеет перспективы стать коагулятором выбора при лечении макулярной патологии, в частности субретинальной неоваскулярной мембраны; не уступает по эффективности аргоновому лазеру при ограничительной лазеркоагуляции на периферии глазного дна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беленький М.Л, Элементы количественной оценки фармакологического эффекта. - Рига: Изд-во АН ЛатвССР,1959. - 116 с

2. Преображенский П.В., Шостак В.И.. Балашевич Л.И. Световые повреждения глаз.— Л.: Медицина. 1984.-200 с

3. Birngruber R., Hellenkamp F., Gabel V.P. Theoretical investigations of laser thermal injury // Hearth Physics. -1985. –Vol 48. -P.781-786.

4. Brancato R., Pratesi R. Applications of diode lasers In ophthalmology // Lasers in Ophthalmol. - 1987. - Vol.1. - No.3. - P.119-129.

5. Brancato R., Pratesi R., Leoni G., Trabucchi G.. Giovannoni L, Yanni U. Retinal photocoagulatlon with diode laser operating from a slitt-lamp microscope // Lasers & Light In Ophthalmol -1988. – Vol2. - No.1.p.73-78.

6. Brancato R., Pratesi R., Leoni G., Trabucchi G., Vanni U. Histopathology of diode and argon laser lesions In rabbit retina. A comparative study / / Investigative Ophthalmology 6 Visual Science. — 1989. — YoJ.30, No.7 — P.1504-1S10.

7. Brancato R., Pratesi R., Leoni G., Trabucchi G., Vanni U. Semiconductor diode laser photocoagulation of human malignant melanoma // Amer. Journ. Ophthalmol. - 1989. - Vol.107. - No.3. - P.295-294.

8. Duker J.S., Federman J.L, Schubert H., Talbot C. Semiconductor diode laser endophotocoagulatlon // Ophthalmic Surgery. — 1989. — Vol.20. — No.10. - P.717-719.

9. Katoh N., Ohkuma H., Hagaki Т ., Yamagishi K.. Uyama M. A comparativem study of effects of photocoagulation with the argon blue-green and krypton red lasers on the retina and choroid. A light microscopic study of early stage after coagulation // Acta Soc. Ophthaimol. — 1985. — Vol.89. -No.11. -P.150.

10. Katoh N., Ohkuma H., Itagakl Т ., Yamagbhi K., Uyama M. A comparative study of effect of photo coagulation with the argon blue-green and krypton red lasers on the retina and choroid // Acta Soc. Ophthaimol. — 1984. - Vol.?0. - No.2. - P.98-101.

11. Katoh N., Peyman G.A. Dye orange and argon green laser photocoagulation effects on the retina and vitreoretinal Interface // Jap. Journ. Ophthalmoi. - 1987. - Vol.31. - No.3. - P.461-466.

12. Lund D.J., Carver C.C., Bedell R.B. Ocular hazard of the Ga-As laser // Frankford Arsenal, Phyladelfia, Pensllvania, 1972.

13. L'Esperance F.A. The ocular histopathologic effect of krypton and argon laser radiation // Amer. Journ. Ophthalmoi. — 1949. — Vol.48. - No.2. - P.263-273.

14. L'Esperance F.A. Tunable organic dye laser // Ophthalmic lasers. 3 rd edition. The C.V.Mosby Company. — 1989. - Vol.2, Part 2. - P.249-288.

15. McHugh J., Marshall J., Capon M., Rothery S., Raven A., Nailor R. Transpuplllary retinal photocoagulation In the eyes of rabbit retina and human using a diode laser // Laser & Light In Ophthalmology. - 1988 -VoL2. - No.2. - P.125-143.

16. McHugh J., Marshall J., Ffytche Т ., Hamilton A., Raven A., Keeler C. Initial clinical experience using a diode laser In the treatment of retinal vascular disease // Eye. - 1989. - Vol.3. - P.516-527.

17. Puliaftto C.A. , Deutsdi T.F., Boll J., To K. Semiconductor later en-dophotocoagulation of the retina // Arch. Ophthaimol. - 1987. -VoL105. -P.424-427.