CC BY
218
G
оригинальные статьи
УДК 617.7
ГРНТИ 76.29.56
на глаз лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона
часть ш. экспериментальная оценка особенностей воздействия вак . 07
© С. И. Алекперов1, В. В. Карпович1, А. А. Кольцов2, Н. Ю. Кузнецова3, С. А. Новиков3, А. А. Куглеев3
1 НИИЦ (медико-биологической защиты) НИИИ Военной медицины ВМедА им С. М. Кирова
2 ООО «Компания Гранд Вижен»
3 Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова
ф Авторы статьи приводят первые результаты собственных экспериментальных исследований воздействия на роговицу биологических моделей лазерного излучения с различными спектрально-энергетическими характеристиками. Полученные ими в ходе исследований феномены, анализируются для дальнейшей оптимизации использования лазерного излучения в офтальмохирургии.
ф Ключевые слова: лазерное излучение; лазерная фотодекомпозиция; дозиметрический контроль; пороговые уровни; повреждающие уровни; спектрально-энергетические характеристики; плотность потока мощности; инфракрасный диапазон спектра.
актуальность
Последние десятилетия XX и начало XXI веков характеризуются бурным развитием лазерных технологий в промышленности, науке, технике и медицине. Применение лазеров, с одной стороны, расширяет возможности человека, а с другой — является одним из неблагоприятных и опасных факторов физической природы. Установление безопасных уровней воздействия лазерного излучения (ЛИ) является достаточно трудной задачей, т. к. разработка генераторов лазерного излучения различных длин волн сопряжена со значительными техническими трудностями. Именно поэтому обоснование и установление предельно-допустимых уровней (ПДУ) для различных диапазонов лазерного излучения проводится достаточно часто расчетным путем, без учета реальных экспериментальных данных.
В настоящее время получили достаточно широкое распространение генераторы лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона. Но, из-за отсутствия образцов таких лазерных установок, в период подготовки редакции Санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров (СанПиН 5804-91) [5], предельно допустимые значения уровней энергетической экспозиции Нпду (Дж/ м2), облученности Епду (Вт/м2), энергии Wпду (Дж) и мощности Рпду (Вт) лазерного излучения данного диапазона, приведенные в этом, действующем до сих пор основном нормативном документе, получены расчетным путем и не подтверждены экспериментально.
особенности неблагоприятного действия лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона на орган зрения
Особенностью среднего инфракрасного диапазона спектра (ИК-В) является то, что данное излучение не проходит через оптические среды глаза и не достигает сетчатки. В то же время, это излучение (по крайней мере, его коротковолновая часть), также как и излучение видимого и ближнего инфракрасного диапазона спектра (ИК-А), хорошо пропускается обычным оптическим фильтром, что позволяет использовать в оптических приборах обыкновенную оптику.
Взаимодействие достаточно интенсивного импульсного ЛИ ИК-В с биологическими тканями сводится к их разрушению по типу фотоабляции. Абляция является термодеструкцией ткани, происходящей за очень короткое время действия лазерного излучения. Данный тип излучения хорошо поглощается биологическими тканями, поэтому зона некроза практически не образуется.
Следствием воздействия ЛИ ИК-В на орган зрения могут быть повреждения всех слоев роговицы с образованием очагов помутнения, обусловливающих рассеяние света и снижение остроты зрения, а в особо тяжелых случаях, образование линейных ран роговицы с обнажением внутренних структур глаза. Воздействие избыточных доз излучения данного спектрального диапазона приводит к ряду патологических изменений со стороны век и переднего сегмента глазного яблока [4]. Возможны повреждения век и структур глазного яблока,
идентичные термическим ожогам. Особенностью воздействия данного излучения является то, что при превышении болевого порога термочувствительности тканей глаза (уровень облученности более 8 Вт/см2) происходит рефлекторное смыкание век, чем объясняется тот факт, что до появления лазеров ИК — диапазона ожоги роговицы этим излучением были мало известны [2, 11]. С появлением таких лазеров были проведены исследования закономерностей поглощения ИК — излучения биологическими тканями и изучены некоторые особенности их биологической реакции на облучение [1].
Клинические проявления лазерных ожогов известны в основном по экспериментальным данным и по наблюдениям в процессе лечебного применения таких лазеров. Ожоги ИК излучением, как и другие термические ожоги, вызывают понижение остроты зрения, которое находится в прямой зависимости от тяжести ожога. Несмотря на сравнительно высокую остроту зрения, люди с ожогами роговицы 1 —2-й степени теряют работоспособность, а иногда и способность к самостоятельному передвижению в неменьшей степени, чем пострадавшие с более глубокими ожогами, так как у них более выражены явления блефароспазма из-за сильного болевого синдрома. Однако, сроки лечения и прогноз для зрения при ожогах различной степени тяжести отличается весьма существенно.
Актуальность экспериментальных исследований по изучению особенностей воздействия на орган зрения излучения лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра с максимумом поглощения генерируемого излучения водой и мягкими биологическими тканями очевидна. Необходимо уточнить критерии повреждающего действия таких излучений и возможности защиты глаз от них. В свое время были разработаны математические модели, описывающие процессы взаимодействия биологических тканей с лазерным излучением (ЛИ) [6]. Хотя они носят приблизительный характер, однако во многом с использованием подобного рода моделей были созданы нормативные документы по лазерной безопасности, в том числе, действующий основной нормативно-технический документ по использованию лазерных установок — «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» (СанПиН 5804-91) [5]. Тем не менее, действие новых мощных лазерных установок среднего ИК диапазона на ткани глаза до настоящего времени изучено недостаточно.
Цель работы — экспериментальное исследование особенностей воздействия лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона на орган
Рис. 1. Лазер «Лахта-Милон» c длиной волны 1,47 мкм
зрения и определение пороговых значений энергетических параметров данного излучения экспериментальным путем.
Материал и методы
Экспериментальные исследования по изучению биологического действия лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона (1,4—3,0 мкм) на ткани глаза проводились на лабораторных установках, предоставленных в порядке научно-технического сотрудничества следующими организациями: ФГУ «ГосНИИПП», ВМедА, ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова и компанией «МИ-ЛОН». Данные установки генерировали излучение с длинами волн 1,47; 2,09 и 2,94 мкм, что позволило полностью перекрыть весь средний инфракрасный диапазон излучения.
В экспериментах был использован опытный образец лазера «Лахта-Милон» модели 662—2.3 810 — 15, разработанный и выпускаемый компанией «Милон» (рис. 1). Длина волны генерируемого излучения — 1,47 мкм.
Лазер «Лахта-Милон» выполнен в виде моноблока и предназначен для использования в медицинских учреждениях. Контроллер управления позволяет изменять основные параметры лазерного излучения.
Лазер использовался в эксперименте в режиме одиночных импульсов с длительностью излучения ти = 1 х 10-2 с и с максимальной выходной энергией в импульсе W (ти) = 6 Дж. Энергия доставлялась к объекту мишени с помощью световодного инструмента диаметром 0 = 200 мкм с фокусирующей линзой на наконечнике / = 0,25 см и площадью пятна 0,0175 см2.
В экспериментах был использован опытный образец гольмиевого лазера, разработанный груп-
Рис. 2. Гольмиевый лазер с длиной волны 2,09 мкм
пой специалистов Государственного оптического института им. С. И. Вавилова (рис. 2).
Установка состоит из излучателя (И), блока накачки (БН), системы управления лучом (СУ) и системы охлаждения (на рисунке не показана). Источником излучения в данной установке являлся импульсный твердотельный лазер на кристалле аллюмоиттриевого граната, активированного хромом, тулием, гольмием (YAG : Сг, Тт — НО). Длина волны генерируемого излучения — 2,09 мкм.
Для визуализации рабочего излучения использовался прицельный Не-№ лазер, расположенный в излучателе установки, оптическая ось излучения которого совмещена с оптической осью излучения основного лазера. Гольмиевый лазер использовался в эксперименте в режиме одиночных импульсов, с длительностью излучения ти = 1 * 10-3 с и с максимальной выходной энергией W (ти) тах = 0,185 Дж. Необходимая энергетическая экспозиция при доставке лазерного излучения к биообъекту создавалась при помощи фокусирующей линзы с / = 100 см и диафрагмы диаметром 1 мм. Линза устанавливалась на таком расстоянии от исследуемого объекта, чтобы диаметр пятна облучения составлял « 1,5 мм. Диафрагмой выделялась наиболее равномерная центральная часть пятна излучения.
В экспериментах был использован также эрби-евый (Ег: YAG) лазер ЛИТЭ-10 (рис. 3), разработанный лазерным центром Санкт-Петербургского Государственного университета информационных технологий, механики и оптики. Длина волны генерируемого излучения — 2,94 мкм.
Лазер состоит из лазерного излучателя (ЛИ) с фокусатором (Ф) и целеуказателем (Ц) излучения, блока накачки (БН) и устройства охлаждения типа ЛС0-076.
В качестве активной среды в экспериментальной установке используется активный элемент из
Рис. 3. Эрбиевый лазер ЛИТЭ-10 с диной волны 2,94 мкм
Er: YAG. Для повышения стабильности юстировки оптического тракта лазера использован неустойчивый резонатор. Глухое зеркало резонатора — выпуклое с радиусом кривизны R = —150 мм, выходное зеркало — вогнутое с радиусом кривизны R = +600 мм с компенсацией радиуса кривизны выходного излучения. Телескопический фокусатор, состоящий из отрицательной и положительной CaF2 линз, прозрачных к излучению с длиной волны 2,94 мкм, служит для формирования каустики (фокусировки) излучения лазера с заданными характеристиками. Целеуказатель состоит из двух полупроводниковых лазеров с длиной генерации излучения в видимом диапазоне спектра (0,65 мкм). Их излучение имеет в поперечном сечении форму линии, причем два лазера целеуказателя образуют линии, повернутые друг относительно друга на 90°. Оптическая система позволяет сфокусировать излучение эрбиевого лазера в точку пересечения излучения полупроводниковых лазеров («крестовину»). Это обеспечивает возможность попадания высокоэнергетического импульса точно в заданное место.
Временная структура импульса соответствует режиму свободной генерации. Необходимые уровни энергетической экспозиции излучения обеспечивались изменением энергии накачки, которая в свою очередь регулировалась напряжением блока накачки.
Лазер использовался в эксперименте в режиме одиночных импульсов, с длительностью излучения ти = 0,6 х 10-3 с и с максимальной выходной энергией W (ти) max = 10 Дж. Необходимая энергетическая экспозиция при доставке лазерного излучения к биообъекту создавалась при помощи фокусирующей линзы с фокусным расстоянием / = 350 см для микро и макроскопических методик оценки наносимого повреждения. Энергетическая экспозиция (Н) в экспериментах изменялась в пределах от 0,15 до 12,8 Дж/см2.
Измерение параметров воздействующего излучения
Определение энергии и мощности излучения лазерных установок, использованных в экспери-
тт
£
Рис. 4. Внешний вид блока регистрации энергетических параметров: чувствительная головка (слева) и блок индикации (справа)
ментальных исследованиях, осуществлялось при помощи измерителя мощности и энергии OPHIR с чувствительной головкой типа L40 (150) и блоком индикации Nova II (рис. 4).
После этого перед приемником устанавливалась текстолитовая диафрагма переменного сечения и при фиксированных значениях энергии накопителя снимались зависимости энергии излучения от диаметра (площади) диафрагмы. Данная методика позволяет определить диаметр пятна излучения по заданному уровню (нормативные уровни 0,5; 1/е или 1/е2), а также определить границы зоны, в которой плотность энергии лазерного излучения оставалась постоянной.
Полученные таким образом данные использовались для определения пороговых значений тех или иных изменений биоткани и/или получения зависимостей «доза-эффект».
экспериментальное исследование особенностей неблагоприятного воздействия лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона на орган зрения
Объем и методики проведения экспериментальных исследований
При проведении экспериментов по изучению повреждающего действия ЛИ ИК-В на орган зрения экспериментальных животных использовались следующие методики:
• фоторегистрация макроскопических изменений на поверхности глаза при воздействии ЛИ;
• биомикроскопия переднего отрезка глаза с окраской витальными красителями (0,1 % — флюоресцеин натрия, 3 % — бенгальский-розовый или 1 % — лиссаминовый зеленый) роговицы и конъюнктивы экспериментальных животных;
• морфологические исследования тканей глаза
подвергшихся воздействию ЛИ.
В качестве модели на начальных этапах исследования использовались свиные свежеэнуклииро-ванные глазные яблоки. Это позволило отработать методики и ориентировочно оценить пороговые уровни макроскопических и микроскопических изменений в тканях.
На следующем этапе в качестве модели использовались кролики породы «шиншилла» с массой тела 2,2—3,3 кг. Наведение ЛИ на роговицу глаза осуществлялось с помощью прицела или луча гелий-неонового лазера. Зона воздействия после фокусировки излучения определялась площадью отверстия диафрагмы. С учетом площади диафрагмы и значения энергии ЛИ за ней, производился расчет энергетической экспозиции.
В последующих исследованиях в качестве экспериментальных животных использовались поросята. Это объясняется тем, что свиной глаз, по сравнению с другими экспериментальными животными (за исключением приматов) максимально схож по морфологическому строению с человеческим.
Сразу после воздействия проводилась цифровая фотосъемка, позволяющая зафиксировать макроскопические изменения на поверхности облучаемых тканей и биомикроскопия переднего отрезка глаза с помощью щелевой лампы.
Для определения дефектов роговичного эпителия применялись витальные красители (0,1 % раствор флюоресцеината натрия, 3 % раствор бенгальского розового или 1 % раствор лиссами-нового зеленого), позволяющие получать различные взаимодополняющие сведения.
Морфологическое исследование пораженных тканей позволило оценить глубину и характер повреждения облученных тканей экспериментальных животных. Гистологическое исследование проводилось по стандартной методике. После лазерного воздействия проводилась энуклеация глаз. Энуклеированные глаза помещались в фиксирующую жидкость (6 долей формалина, 3 доли 96 %-го этилового спирта и 1 доля уксусной эссенции), при этом фиксирующая жидкость вводилась внутрь стекловидного тела глаза. После получения срезов толщиной 8—10 мкм окрашенных железным гематоксилином по Ясвоину с дополнительной окраской 1 %-м раствором эозина проводилось их исследование с помощью светового микроскопа и микроскопа с адаптированной цифровой камерой, позволяющей получить цифровые фотоснимки гистологических срезов.
Обсуждение результатов исследования
Результаты экспериментальных исследований по воздействию излучения с длиной волны 1,47 мкм
В результате исследования было установлено, что если изменения роговицы не обнаруживались сразу после облучения глаз, то они не развивались и в дальнейшем. Пороговые изменения проявлялись в локальном слабовыраженном точечном облачковидном помутнении роговицы, без видимого деструктивного повреждения ее слоев при энергии в импульсе W = 0,03 Дж, что соответствовало с учётом вышеизложенных параметров оптической системы энергетической экспозиции Н = 1,7 Дж/ см2. Макро- и микроскопические изменения роговицы возникающие при воздействии данных параметрах лазерного излучения представлены на рисунках 5 и 6. эпителий, над определяемыми биомикроскопически помутнениями, не прокрашивался раствором флюоресцеина, что свидетельствует об отсутствии нарушения его целостности.
Микропрепарат (рис. 6) свидетельствует о сохранении целостности роговичного эпителия и слабовыраженного сокращения коллагеновых волокон наружной трети толщины стромы.
Повышение уровня энергетической экспозиции в пятне облучения на роговице до значения Н = 2,5 Дж/см2 ^ = 0,045 Дж) приводило к появлению более выраженного округлого коагулята, отеку и разрыву коллагеновых волокон стромы в средней ее трети (рис. 7 и 8).
Повышение уровня энергетической экспозиции в пятне облучения на роговице до Н = 3,4 Дж/см2 (W = 0,06 Дж) приводило к появлению округлого коагулята, распространяющегося по ходу луча на всю толщину роговицы (рис. 9).
Биомикроскопически и при проведении световой микроскопии установлено, что при Н = 3,4 Дж/см2 коагулированный участок роговицы соответствует по сечению пятну излучения и захватывает все ее слои. В очаге воздействия отчетливо видно утолщение роговицы, обусловленное как отеком, так и изменениями в структурных элементов стромы, где отмечается наличие щелевидных полостей.
Наблюдение за динамикой коагулятов, полученных при разных режимах работы лазера, показало следующее.
Излучение диодного лазера, работающего в режиме одиночных импульсов, уже при Н > 2 Дж/ см2 приводит к необратимым изменениям в роговице. На месте коагулята формируется грубое непрозрачное бельмо. В режиме генерации при Н = 1,7—2 Дж/см2 в первые два дня после воздей-
ствия в области аппликации роговицы происходят процессы альтерации, сопровождающиеся некоторым набуханием коагулированного участка. Роговица в области коагуляции теряет прозрачность и с поверхности интенсивно прокрашивается раствором флюоресцеина. Однако, уже на 3—5-й день наступает эпителизация, а к концу первой недели формируется очень нежный рубец. Размеры этого полупрозрачного помутнения, образовавшегося в течение 30—45 суток после воздействия, постепенно уменьшаются.
Было установлено, что для одиночного импульса пороговый уровень энергетической экспозиции составляет Н50 = 1,7 Дж/см2. Были установлены уровни энергетической экспозиции, вызывающие минимальные коагуляционные изменения в роговице глаза кролика. эта величина составила Н50 = 1,7 Дж/см2.
Учитывая, что для X = 1,47 мкм роговицы глаз кролика и человека по своим оптическим характеристикам идентичны, можно считать «нулевой уровень» относительно пороговых изменений, установленных в эксперименте, для кролика за «нулевой уровень» для человека. Элементарность процессов, имеющих место при поглощении излучения в роговице, вследствие высокой оптической однородности позволяет рассчитывать на небольшой статистический разброс экспериментальных данных от индивидуума к индивидууму. Поэтому, вводя относительно Н10 общепринятый гигиенический коэффициент запаса равный 10 [7], можно считать величину равную 0,1 х Н50 за предельно допустимый уровень (ПДУ) для человека, т. е. Нпду= 0,17 Дж/см2 для излучения с X = 1,47.
Результаты экспериментальных исследований по воздействию на орган зрения излучения с длиной волны 2,09 мкм
Облучение роговицы при энергии в импульсе W(ти) = 0,045 Дж, соответствующее значению энергетической экспозиции Н = 6 Дж/см2, не вызывало в ней никаких изменений. Однако, при энергии в импульсе W(ти)пор = 0,06 Дж, что соответствует энергетической экспозиции Н = 8,0 Дж/см2, возникала едва уловимая опалесценция в поверхностных слоях эпителия. Таким образом, за Нпор было принято вышеуказанное значение — 8,0 Дж/см2. На микропрепаратах отмечались признаки умеренно выраженной коагуляции рого-вичного эпителия и подлежащих тканей стромы роговицы (рис. 10).
При дальнейшем повышении значения энергетической экспозиции излучения в роговице образовывались коагуляты на различную глубину с
Рис. 5. Роговица глаза кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с к = 1,47 мкм, Ти = 1 X 10-2 с и НПОр = 1,7 Дж/см2
Рис. 6. Микропрепарат роговицы глаза кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с к = 1,47 мкм, ти = 1 х 10-2 с и Нпор = 1,7 Дж/см2 (увеличение х 400)
Рис. 7. Общий вид коагулятов в роговице свежеэнуклеирован-ного свиного глаза сразу после воздействия лазерным излучением с к = 1,47 мкм, ти = 1 х 10-2 с и Нпор = 1,7 Дж/см2 (увеличение х 400)
постепенным удлинением и смещением области коагуляции в задние слои роговицы, вплоть до дес-цеметовой оболочки и эндотелиального слоя. Воздействие с энергией в импульсе W (ти) = 0,185 Дж и
Рис. 8. Микропрепарат роговицы глаза кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с к = 1,47 мкм, ти = 1 х 10-2 с и Нпор = 2,5 Дж/см2 (увеличение х 400)
Рис. 9. Микропрепарат роговицы кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с к = 1,47 мкм, ти = 1 х 10-2 и Н = 3,4 Дж/см2 (увеличение х 200)
Рис. 10. Микропрепарат роговицы кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с к = 2,09 мкм, ти = 1 х 10-3 с и Нпор=8,0 Дж/см2 (увеличение х 400 окраска гематоксилин + эозин)
энергетической экспозицией лазерного излучение Н =16 Дж/см2 вызывало коагуляцию передних слоев стромы на глубину 130 — 140 мкм при одновременном возрастании помутнения в пределах ко-
10
ОРИГИНАЛЬНЫЕ стАтьи
. Общий вид коагулятов в свежеэнуклеированом глазе свиньи сразу после воздействия лазерным излучением с X = 2,09 мкм, ти = 1 х 10-3 с и Н = 16,0 Дж/см2, окраска 1 %-м раствором лиссаминового зеленого
Рис. 14. Общий вид коагулятов в глазе кролика после воздействии лазерным излучением с X = 2,94 мкм,
ти = 6 X 10-3 с и Нпор = 0,25 Дж/см2 (окраска 1 %-м
раствором флюоресцеина)
Рис. 12. Микропрепарат роговицы кролика непосредственно
после воздействия лазерным излучением с X = 2,09 Рис. 15. Микропрепарат роговицы кролика непосредственно
мкм, ти
1 X 10-3 с и Нп
16,0 Дж/см2 (увеличение
X 400, окраска гематоксилин + эозин)
Рис. 13. Микропрепарат роговицы кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с X = 2,09
мкм, ти
1 X 10-3 с и Нп
23,5 Дж/см2 (увеличение
X 400, окраска гематоксилин+эозин)
после воздействия лазерным излученем с к = 2,94 мкм, ти = 6 X 10-3 с и Н = 0,4 Дж/см2 (увеличение X 400, окраска гематоксилин+эозин)
агулированной ткани роговицы W (ти) = 0,125 Дж (рис. 11, 12).
Увеличение энергетической экспозиции лазерного излучение до H = 23,5 Дж/см2 (W (ти) = 0,185 Дж) вызывало коагуляцию не только передних слоёв на глубину 200—300 мкм с одновременным увеличением помутнения в пределах коагулированной ткани, но и глубоких слоёв стромы и роговичного эндотелия (рис. 13). Сокращение ко-лагеновых волокон стромы приводило к их разрыву и уменьшению толщины роговицы, что безусловно измененяло ее рефракцию.
Было установлено, что для одиночного импульса в 50 % случаев Нпор = 8,0 Дж/см2.
Учитывая, что лазерное излучение с длиной волны X = 2,09 мкм для роговицы глаз кролика, свиньи и человека по своим оптическим харак-
теристикам также идентичны, считаем «нулевой уровень» для кролика за «нулевой уровень» для человека. Поэтому, вводя относительно коэффициент запаса равный 10, можно считать величину равную 0,1 х Нпор за ПДУ для человека. Таким образом, НПДУ = 0,8 Дж/см2.
Результаты экспериментальных исследований по воздействию на орган зрения излучения с длиной волны 2,94 мкм
Эксперименты выполнены на 10 беспородных поросятах-самцах 15 — 18 кг, 20 свежеэнуклеиро-ванных свиных глазах, 32 кроликах породы «шиншилла» 2—2,5 кг и 200 белых беспородных крысах самцах массой 200—220 г, последние использовались в экспериментах для оценки общих реакций организма.
Установлено, что при облучении роговицы в области пороговых значений, изменения в эпителии роговицы проявляются непосредственно после воздействия. Однако максимальное проявление офтальмоскопической картины пороговых изменений, обнаруживаемых в облученной роговице, в течение первых 5 мин после лазерного воздействия и в дальнейшем, через 30—45 мин исчезало вследствие регенерации роговичного эпителия. Поэтому оценка состояния роговицы глаз животных производилась в течение первых 5 — 10 мин с момента воздействия.
При биомикроскопическом исследовании глаз после воздействия лазерного излучения не выявлялось патологических изменений в роговице от импульсов с выходной энергией W = 0,0075 Дж и W = 0,0225 Дж в зависимости от используемой диафрагмы и энергетической экспозицией Н = 0,1 Дж/см2. Далее приводятся только значения энергетической экспозиции, полученные при замерах энергии в импульсе при каждом воздействии. При энергетической экспозиции Н = 0,25 Дж/см2 независимо от вида экспериментального животного в части наблюдений отмечались признаки непрофильного неоднородного порогового повреждения наружных слоев эпителия роговицы, проявляющиеся после окрашивания роговицы 1 % раствором флюоресцеина. Это значение принято за Нпор (рис. 14).
При энергетической экспозиции излучения Н = 0,3 Дж/см2 во всех случаях имелось слабо-выраженное профильное повреждение роговицы в пределах ее эпителия, четко определяемое при окрашивания роговицы 1 %-м раствором флюо-ресцеина, без признаков кератита и с быстрой регенерацией эпителия в течение ближайших нескольких часов.
На микропрепаратах изменения удалось выявить при Н = 0,4 Дж/см2 они характеризовались наличием признаков повреждения роговичного эпителия с его частичной отслойкой и признаков слабовыраженной коагуляции подлежащих слоёв стромы роговицы (рис. 15).
При облучении роговицы импульсами с энергетической экспозицией Н = 0,5—1 Дж/см2, отмечалось образование более интенсивно окрашиваемого 1 %-м раствором флюоресцеина профильного дефекта на поверхности роговицы соответственно облучаемой площади (рис. 16).
На микропрепаратах отмечались признаки повреждения роговичного эпителия по типу локальной не полнопрофильной (не однородной по всему пятну воздействия) абляции. В подлежащих слоях роговицы отмечаются на глубину не более 0,03 мм признаки коагуляции и отёка стро-мы (рис. 17).
Глубина повреждения тканей роговицы от однократного воздействия незначительна. Она возрастала с увеличением энергетической экспозиции и при Н = 3 Дж/см2 отмечаются уже более выраженные признаки коагуляции стромы роговицы Глубина первичных коагуляционных изменений достигает 0,05 мм. Истончение роговичного эпителия, аналогично воздействию с Н = 1 Дж/ см2 (рис. 18).
При биомикроскопическом исследовании глаз после воздействия на роговицу одиночных импульсов с энергетической экспозицией 1 — 10 Дж/ см2 возникали профильные фотомеханические повреждения облучаемых тканей, определяемые без прокрашивания красителем и интенсивно прокрашиваемые при их использовании (рис. 19, 20).
На микропрепаратах при Н = 7,5 Дж/см2 в зоне воздействия отмечались абляция ро-говичного эпителия, а также абляция и коагуляции подлежащих слоёв стромы роговицы на глубину не более 0,05 мм (рис. 21).
Установлено, что определенные параметры энергетической экспозиции излучения твердотельных Ег-лазеров могут вызывать повреждение преимущественно поверхностных слоёв роговицы различной степени тяжести. Патологические изменения в облученных тканях не обнаруживались при офтальмобиомикроскопии и гистологическом исследовании при плотности энергии излучения до 0,1 Дж/см2. При энергетической экспозиции лазерного излучения Н > 1 Дж/см2 наступало отчётливое повреждение роговицы по типу фотоабляции с частичным испарением роговичного эпителия. Абляция стромы с коагуляцией и образованием дефекта ткани в
зоне лазерного воздействия наблюдалась при Н = 5-7,5 Дж/см2.
Установлено, что излучение этих лазеров сильно поглощается наружными поверхностными тканями роговицы. Лазерное излучение с энергетической экспозицией Н = 1-10 Дж/см2 вызывало термомеханическое повреждение роговицы или конъюнктивы с абляцией вещества облучаемой ткани на глубину до 0,05 мм за импульс. Особенностью этих лазерных повреждений являлось незначительный объем некротических тканей, расположенных в краевой зоне воздействия лазерного излучения и глубжележа-щей стромы роговицы. Кроме того, отмечались неравномерность некроза по профилю лазерной раны. Такая картина поражения может быть объяснена неоднородностью распределения энергии в фокусе излучения, вследствие конструктивных особенностей Ег-лазера. Необходимо также отметить, что полная перфорация роговицы экспериментальных животных при энергии импульса W(ти) = 10 Дж достигалась в зависимости от вида животного: для кроликов — 28-42 импульсов, для поросят — 30-45 импульсов.
Длительность импульсов излучения Ег-лазера 6 мс, что короче времени, необходимого для диффузии энергии в окружающую ткань. Не менее 90 % поглощенной энергии расходуется на нагрев и испарение вещества в зоне облучения. Доля энергии излучения, идущая на нагрев неиспарившейся окружающей ткани незначительна, что и объясняет столь небольшой объем некроза в зоне облучения тканей.
По результатам расчетов плотность энергии, приводящая к поражению в 50 % случаев для одиночного импульса составила Н пор = 0,25 Дж/см2.
Относительно коэффициента запаса равного 10, Нпду = 0,025 Дж/см2.
Обоснование значений ПДУ воздействующего излучения на орган зрения
Под порогом поражения лазерным излучением подразумевают то минимальное воздействие, выраженное в энергетических величинах, которое может вызвать в организме те или иные патологические изменения.
Как правило, значение ПДУ нормируемого параметра устанавливается равным значению уровня порогового поражения, при котором в 50 % случаев облучения наблюдаются изменения, принятые за критерий поражения, деленному на некоторый коэффициент безопасности (запаса) К больший единицы. Обычно этот коэффициент принимают равным 10 [3, 7].
Пороговые уровни ближнего инфракрасного диапазона основываются на представлении о возможных термических эффектах в роговице и знании уровней воздействия, которые не могут оказать неблагоприятное действие на орган зрения. Излучение с длиной волны свыше 2,0-2,5 мкм поглощается в очень тонком слое на передней поверхности роговицы. Излучение с длиной волны менее 2,0 мкм проникает более глубоко и может достичь передней камеры глаза.
Поправочные коэффициенты на длину волны излучения в диапазоне 1,4-3 мкм используются совместно с пороговым значением инфракрасного лазерного излучения. Они основаны на изменении глубины проникновения излучения в роговицу и переднюю камеру [12] в зависимости от длины волны.
Однако имеющихся на сегодняшний день данных недостаточно (по сравнению, например, с обширными экспериментальными данными, имеющимися для длины волны 10,6 мкм), чтобы установить поправочные коэффициенты на длину волны излучения на весь ИК диапазон. Как правило, за основу нормирования берутся данные, полученные в экспериментах с СО2-лазером, что дает реальные коэффициенты запаса от 2 до 100 в зависимости от длины волны излучения и размеров пятна [8, 10]. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных значений Нпду (Сан-ПиН 5804-91) для различных длин волн ЛИ ИК-В показывает существенные расхождения между ними.
В таблице 1 отображены экспериментальные значения ПДУ энергетических экспозиций Нпду исследованных длин волн среднего инфракрасного диапазона однократного импульсного лазерного воздействия для глаз.
Таблица 1
Экспериментальные значения ПДУ энергетических экспозиций Нпду
Длина волны излучения, мкм Длительность импульса, с Пороговый уровень энергетической экспозиции Нпор, Дж/см2 Значение Нпду, Дж/см2
1,47 1 х 10-2 1,7 0,17
2,09 1 х 10-3 8 0,8
2,94 0,6 х 10-3 0,25 0,025
Рис. 16. Общий вид коагулятов в глазе кролика после воздействия лазерным излучением с к = 2,94 мкм, ти = 6 х 10-3 с и Н = 1 Дж/см2 (окраска 1 % раствором флюоресцеина)
Рис. 19. Общий вид коагулятов в глазе кролика после воздействии лазерным излучением с к = 2,94 мкм, ти = 6 х 10-3 с и Н = 7,5 Дж/см2
Рис. 17. Роговица глаза кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с к = 2,94 мкм, ти = 6 х 10-3 с и Н=1 Дж/см2 (увеличение х 400, окраска гематоксилин+эозин)
Рис. 20. Общий вид коагулятов в глазе кролика после воздействии лазерным излучением с к = 2,94 мкм, ти = 6 х 10-3 с и Н = 7,5 Дж/см2 (окраска 1 %-м раствором флюоресцеина)
Рис. 18. Роговица глаза кролика непосредственно после воздействия лазерным излучением с к = 2,94 мкм, ти = 6 х 10-3 с и Н = 3 Дж/см2 (увеличение х 400, окраска гематоксилин+эозин)
Рис. 21. Микропрепарат роговицы кролика непосредственно после воздействия лазерным излученем с к = 2,94 мкм, ти = 6 х 10-3 с и Н = 7,5 Дж/см2 (увеличение х 400, окраска гематоксилин+эозин)
В настоящей работе впервые получены предельно допустимые значения уровней энергетической экспозиции Нпду для лазерного излучения раз-личных длин волн среднего инфракрасного диапазона на основании проведенных экспериментальных исследований.
Наиболее значительные расхождения экспериментальных и расчетных значений Нпду имеют место при X = 1,47 мкм, что можно объяснить нахождением данной длины волны на пограничном сложном спектральном участке с точки зрения оценки пропускающей способности глазных сред. При изменении спектра излучения в диапазоне 1,40-1,54 мкм световое излучение перестает достигать глазного дна и начинает полностью поглощаться роговицей. Тонкая структура поглощения тканями глаза по глубине проникновения не исследована, возможное объемное поглощение ЛИ в глазных средах приводит к высоким пороговым уровням и, следовательно, к высокому коэффициенту запаса по сравнению с действующими ПДУ.
Все эти расхождения подтверждают необходимость обоснования значений предельно допустимых уровней лазерного излучения, базируясь на современных экспериментальных данных, а также подготовки редакции нового нормативно-технический документ (НТД) вместо СанПиН 5804-91, не отвечающего нынешнему уровню развития лазерной техники.
заключение
Получение экспериментального материала по биологическому действию лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона является важным дополняющим шагом к обеспечению безопасности персонала, работающего с источниками лазерного излучения указанного диапазона.
В результате проведения комплексного экспериментального исследования особенностей неблагоприятного действия на орган зрения импульсного ЛИ ИК-В диапазона (были использованы генераторы излучения с длинами волн 1,47; 2,09 и 2,94 мкм) было установлено, что:
1. Ведущим клиническим проявлением неблагоприятных действия лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона является бле-фароспастический синдром.
2. Для данного диапазона лазерного излучения характерна неоднородность поглощения в тканях роговицы в зависимости от длины волны:
1) при X = 1,47 мкм — центральные и задние слои стромы, десцеметовая оболочка, эндотелий;
2) при X = 2,09 мкм — на всю толщину стромы;
3) при X = 2,94 мкм — эпителий, боуменовая мембрана, передние слои стромы.
3. ПДУ энергетических экспозиций ЛИ ИК-В, полученные экспериментальным путем, отличаются от значений для этих длин волн в действующем федеральном НТД по лазерной безопасности (СанПиН 5804-91) соответственно:
1) X = 1,47 мкм — Нпду экспер = 0,17 Дж/см2,
Нпду расч = 0,8 Дж/см2;
2) X = 2,09 мкм — Нпду экспер = 0,8 Дж/см2,
Нпду расч = 0,18 Дж/см2;
3) X = 2,94 мкм — Нпду экспер = 0,025 Дж/см2, Нпду расч = 0,057 Дж/см2.
список литературы
1. Березин Ю. Д., Гончарук Э. Н., Жохов В. П. и др. Определение предельно допустимого уровня излучения моноимпульсного ИК — лазера с точки зрения безопасности и промышленной санитарии // Квантовая электроника. — 1986. — № 3. — С. 2080-2083.
2. Богословский А. И, Зуева М. В. О возможности повреждения светом тканей глаза и значение этого явления в практике офтальмологии // Актуальные вопросы патологии сетчатой оболочки и зрительного нерва. — М.: Медицина, 1982. — С. 129-139.
3. Пальцев Ю. П., Желтов Г И., Комарова А. А. Биологические эффекты и критерии оценки опасности лазерного излучения // Вестник Академии медицинских наук. — 1992. — № 1. — С. 32-37.
4. Преображенский П. В., Шостак В. И., Балашевич Л. И. Световые повреждения глаз. — Л.: Медицина, 1986. — 200 с.
5. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров: СанПиН № 5804-91. — М.: Информ.-изд. центр Го-скомсанэпиднадзора России, 1993. — 78 с.
6. Фурзиков Н. П. Природа абляции роговицы и кожи лазерным излучением // Квантовая электроника. — 1991. — № 2. — С. 250-253.
7. Экспериментальное обоснование предельно допустимых уровней прямого импульсного лазерного излучения для органа зрения: Методические рекомендации / ГОИ им. С. И. Вавилова, МЗ СССР. — Л.: Б. и., 1988. — 45 с.
8. Bargeron C. B, Deters, O. J, Farrell R. A, McCally R. L. Epithelial damage in rabbit corneas exposed to CO2 laser radiation // Health Phys. — 1989. — Vol. 56. — S. 85-95.
9. Dynshy Y. L, Fife W. A., Richey E. O. Determination of revisies Air Forse permissible exposure level for laser radiation // Amer. Ind. Hyg. Assoc. j. — 1973. — Vol. 34. — P. 235-240.
10. McCally R. L, Farrell R. A, Bargeron C. B. Cornea epithelial damage thresholds in rabbits exposed to Tm: YAG laser radiation at 2,02 |jm. // Lasers Surg. Med. — 1992. — Vol. 12. — S. 598-603.
11. Sliney D, Wolbarsht M. Safety with lasers and other optical sor-ces. A comprehensive handbook. — New York; London: Plenum Press, 1980. — 1035 p.
12. Stuck B. E.; Lund D. J. Beatrice E. S. Ocular effects of holmium (2,06 jm) and erbium (1,54 jm) laser radiation // Health Phys. — 1981. — Vol. 40. — S. 835-846.
PART III. EXPERIMENTAL ASSESSMENT
OF THE PECULIARITIES OF THE OPHTHALMIC EFFECT
OF MIDDLE INFRARED BAND LASER IRRADIATION
Alekperov S. I., Karpovich V. V., Koltsov À. À., Kuznetsova N. Y., Novikov S. À., Kugleev A. A.
G Summary. The authors of the article present the initial results of their experimental investigations on the corneal effect in biologic models of laser irradiation with different spectrum and energy characteristics. Data on phenomena resulting from the study are analyzed for further optimization of laser irradiation use in ophthalmic surgery.
G Key words: laser irradiation; laser photodecompo-sition; radiation monitoring; threshold levels; damaging levels; spectrum and energy characteristics; power flow density; infrared spectrum band.
Сведения об авторах:
Алекперов Сергей Игоревич — заместитель начальника отдела НИИЦ (медико-биологической защиты) НИИИ Военной медицины ВМедА им С. М. Кирова. Лесопарковая улица, д. 4, Санкт-Петербург, 195043. E-mail: [email protected].
Карпович Владимир Викторович — научный сотрудник НИИЦ (медико-биологической защиты)НИИИ Военной медицины ВМедА им С. М. Кирова. Лесопарковая улица, д. 4, Санкт-Петербург, 195043. E-mail: [email protected].
Кольцов Александр Алексеевич — консультант по медицинской оптике. OOO «Компания Гранд Вижн». 195009, Санкт-Петербург, Свердловская наб., дом 4Б, БЦ «Феникс», офис 110. E-mail: [email protected]. Кузнецова Наталия Юрьевна — к. м. н., доцент. Кафедра офтальмологии. СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. 197089, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, д. 6—8, корпус 16. E-mail: [email protected].
Новиков Сергей Александрович — д. м. н., профессор. Кафедра офтальмологии. СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. 197089, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, д. 6—8, корпус 16. E-mail: [email protected].
Куглеев Александр Александрович — д. м. н., профессор. Кафедра офтальмологии. СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. 197089, Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, д. 6—8, корпус 16. E-mail: [email protected].
Alekperov Sergey Igorevich — the deputy chief of department. SRIC (medical and biologic protection) SRII Military medicine. S. M. Kirov Military Medical Academy. Lesoparkovaya str, 4, St.-Petersburg, 195043. E-mail: [email protected].
Karpovich Vladimir Viktorovich — Research assistant. SRIC (medical and biologic protection) SRII Military medicine. S. M. Kirov Military Medical Academy. Lesoparkovaya str, 4, St.-Petersburg, 195043. E-mail: [email protected].
Koltsov Aleksandr Alekseevich — The adviser for medical optics. OOO «Company Grandee Vizhn». 195009, Saint-Petersburg, Sverdlovskaya emb., 4B, BC «Phoenix», office 110. E-mail: [email protected]. Kuznetsova Natalya Yurievna — MD, PhD, assistant professor. Department of Ophthalmology of the I. P. Pavlov State Medical University. 197089, Saint-Petersburg, Lev Tolstoy st., 6—8, building 16. E-mail: [email protected].
Novikov Sergey Aleksandrovich — doctor of medical science, associate professor. Department of Ophthalmology of the I. P. Pavlov State Medical University. 197089, Saint-Petersburg, Lev Tolstoy st., 6—8, building 16. E-mail: [email protected].
Kugleev Aleksandr Aleksandrovich — doctor of medical science, associate professor. Department of Ophthalmology of the I. P. Pavlov State Medical University. 197089, Saint-Petersburg, Lev Tolstoy st., 6—8, building 16. E-mail: [email protected].
