CC BY
89
УДК [617.7- 073.756.8-08:615.849.11]-092.4
Заболотний А.Г.13, Сахнов С.Н.13, Парахуда С.Е.24,
Смолянская О.А.2, Езерская А.А.2, Гейко И.А.1
краснодарский филиал ФГБУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России 2ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики 3ГБОУ ВПО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздравсоцразвития России 4ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
E-mail: [email protected]
ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ГЛАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ - ФИБРОЗНОЙ ОБОЛОЧКОЙ ГЛАЗНОГО ЯБЛОКА, РОГОВИЦЕЙ И СКЛЕРОЙ, В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
Авторами, в эксперименте на кадаверных глазах животных, выполнено изучение взаимодействия терагерцового излучения с глазной поверхностью - фиброзной оболочкой глазного яблока, роговицей и склерой свиньи. Исследована проникающая способность импульсов пикосекундной длительности (пс): спектры пропускания и отражения компонентами передней поверхности глаза в терагерцовом диапазоне спектра электромагнитных колебаний 0,05-2,0 ТГц. Установлены параметры мощности ТГц излучения на пропускание для склеры - 30-40 мкВт. Для роговицы, центра и периферии, лимба необходимо ТГц излучение большей мощности.
Ключевые слова: терагерцовая спектроскопия, офтальмология, глазная поверхность, роговица, склера.
Актуальность
Терагерцовый диапазон (от 300 ГГц до 10 ТГц) неионизирующего электромагнитного излучения, располагающийся на переднем крае научно-практических исследований и разработок [1], находит все более широкое применение в различных областях биологии и медицины - дерматологии, стоматологии, эндокринологии, онкологии [2], как в диагностике, так и лечении, обеспечивая детектирование и визуализацию метаболических и патологических процессов в тканях [3].
В зарубежных материалах имеются единичные сообщения: о терагерцовом зондировании в ткани роговицы ф. Веппе1е1а11, 2011). В доступной отечественной литературе данных по применению терагерцового излучения в офтальмологии практически нет.
В этой связи, в настоящее время большой интерес представляет исследование возможностей применения терагерцового излучения при диагностике и лечении офтальмопатологии переднего отрезка глаза - роговицы, конъюнктивы, склеры, цилиарного тела и хрусталика.
Ранее нами были проведены измерения терагерцовых спектров пропускания и отражения катарактально измененных хрусталиков глаза человека с различной степенью плотности ядра.
Цель исследования
Изучить взаимодействие терагерцового излучения с глазной поверхностью - фиброзной оболочкой глазного яблока, роговицей и склерой, в эксперименте.
Материал и методы
Работа выполнена на 14 образцах трупных свиных (кадаверных) глаз. Исследования проводились на 10 кадаверных глазах, которые находились в консервированной питательной среде Борзенка-Мороз (при температуре +4 оС), что обеспечивало их анатомо-физиологическое состояние, приближенное к естественному [5], и 4 нативных образцах, т.е. без консервации. Сроки хранения консервированных образцов составляли 7 суток от момента забора материала до проведения эксперимента.
I группу составили 3 энуклеированных глаза, консервированных в жидкой питательной среде Борзенка-Мороз. Во II группу вошли 11 роговично-склеральных образцов полученных путем хирургического выкраивания. После эвис-церации кадаверных глаз проведено выкраивание корнеосклерального диска со стороны переднего эпителия с использованием механического трепана, основанное на тканещадящем микрохирургическом подходе, позволяющем максимально сохранить нативность, архитектонику
и плотность эндотелиальных клеток донорских роговиц на этапе их гипотермической консервации в культурной среде. Отечественная среда Борзенка-Мороз для гипотермической консервации жизнеспособных трупных роговиц обладает высокими защитными свойствами, обеспечивает стабилизацию клеточных мембран, сохранность макроэргических соединений и стабильность плотности эндотелиальных клеток в процессе холодового хранения.
Для измерения спектров пропускания частот в диапазоне 0,05 ТГц - 2 ТГц компонент глаза использовался терагерцовый спектрограф TS-5 (рис. 1). В основе работы терагерцового спектрографа TS-5 заложен принцип записи распределения электрической компоненты поля до и после прохождения образцов компонент глаза. Спектр терагерцового излучения восстанавливается с помощью вычисления интеграла Фурье по записанным данным.
Луч (фемтосекундные лазерные импульсы на длине волны А=1560 нм с частотой повторений 75 МГц) с выхода фемтосекундного Yb:KYW лазера Solar FL-1(FL-1 на рис.1), отражаясь от зеркала (З1), поступает на делитель пучка (СД). Тем самым, он разделяется на два луча. Затем луч 1, последовательно проходит: призму Глана-Тейлора (Г), телескоп (T), электрооптический кристалл (CdTe), фазосдвигающую пластину (А/4), призму Волластона (Вол), и поступает на вход
балансного детектора (БД). Луч 2 с выхода делитель пучка последовательно проходит: оптическую линию задержки (ЛЗ), зеркало (З2), оптико-механический модулятор (ОММ), зеркало (З3), полупроводниковый кристалл 1пЛ8 (М), параболическое зеркало (ПЗ4), и поступает на вход фильтра (Ф). В полупроводниковом кристалле (1пЛз) под действием оптических фемтосекундных импульсов возникает терагерцовое излучение. Оно представляет собой цуг импульсов следующих с частотой 75 МГц, при этом спектр излучения сосредоточен в полосе частот 50 ГГц - 2 ТГц. Излучение с выхода полупроводникового кристалла (М) последовательно проходит: параболическое зеркало (ПЗ4), фильтр (Ф), линзу (Л1), объект исследования (Об), линзу (Л2), параболическое зеркало (ПЗ2) и поступает на вход электрооптического кристалла (СёТе). Под действием электрической компоненты терагерцового излучения изменяется плоскость поляризации электроопти-ческого кристалла. Таким образом, электрическая компонента терагерцового излучения с помощью фазосдвигающей пластинки (А/ 4) и призмы Волластона (Вол) детектируется балансным приемником с синхронным усилением (СУ). Изменение времени задержки луча 2 приводит к сдвигу времени открытия электрооптического кристалла, что позволяет сканировать распределение электрической
FL-1 - фемтосекундный Yb:KYW лазер Solar FL-1, З1, З2, ЗЗ - зеркала, СД - делитель пучка, Г - призма Глана, К - телескоп-рефрактор, ЛЗ - оптическая линия задержки, ОММ - оптико-механический модулятор, InAs - полупроводниковый кристалл, М - магнпт, ПЗ1, ПЗ2 - параболические зеркала, Ф - фпльтр, П - поляризатор, Л1, Л2 - линзы, Об - объект исследования, CdTe - электрооптический кристалл, л/4 - фазосдвигающая пластина, Вол - призма Волластона, БД - балансный детектор, СУ - синхронный усилитель, PC - персональный компьютер
Рпсунок 1. Схема терагерцового спектрографа TS-5
компоненты поля по времени. Данные измерений с синхронного усилителя заносятся в персональный компьютер (PC) с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя.
Исследование спектров отражения образцов компонент глаза в диапазоне 0,05 ТГц -
2 ТГц проводилось с помощью рефлектометри-ческого терагерцового спектрографа (рис. 2).
Луч с выхода FL-l поступает на светоделитель пучка (l), где он разделяется на два луча. Луч l распространяется по оптической схеме: система зеркал (M), электрооптичес-кий кристалл (9), ахроматическая четвертьволновая пластина (l0), призма Волластона (ll), и поступает на вход балансного детектора (l2). Луч 2 последовательно проходит: оптико-механический модулятор (5), оптическую линию задержки (2) и поступает на вход полупроводникового кристалла InAs (3). Излучение с выхода (3) через систему двух параболических зеркал и делитель терагерцового излучения (7) падает на исследуемый образец компонент глаза (б). Отраженное образцом излучение через параболическое зеркало (4) и делитель (7) падает на электрооптичес-кий кристалл CdTe (9). Схема детектирования сигнала устроена аналогично схеме тера-герцового спектрографа.
В таблице представлены основные характеристики терагерцового спектрографа и те-рагерцового рефлектометрического спектрографа.
Для получения терагерцовых спектров компонентов глаза в фокус зеркала устанавливалось кварцевое окно (рис. За, цветная вкладка). Отметим, что кварц прозрачен в ТГц диапазоне. На кварцевое окно крепился обра-
БЬ-1 - лазер фемтосекундных импульсов на УЬ:КУ^ лазерБоіаг БЬ-І; М - зеркала с К» 100% при падении светового пучка под 45°; 1 - светоделитель; 2 - оптическая линия задержки; 3 -полупроводниковый кристалл ІпАз; 4 - 45° параболические зеркала;
5 - оптико-механический модулятор; 6 - объект исследования; 7 - светоделитель ТГц излучения на основе пластины из высокоомного кремния; 8 - линза из ТРХеі = 5 см; 9 - электрооптический кристалл С^е; 10 - ахроматическая четвертьволновая пластина; 11 - призма Волластона; 12 - балансный детектор
Рисунок 2. Схема рефлектометрический терагерцовый спектрограф
Таблица l. Характеристики терагерцового спектрографа TS-5 и рефлектометрического спектографа
Спектрограф TS-5 Рефлекто-метрический спектрограф
Средняя мощность ТГц излучения, мкВт 48±4 30±3
Мощность импульса, мВт 213±17 120±10
Длительность импульса, пс 3 3
Энергия импульса, фДж 639±51 360±30
Спектральный диапазон, ТГц 0,05 + 2,0 0,05 ■+■ 2,0
Отношение сигнал/шум в спектре 100 100
Погрешность определения пропускания, % 2,5
Спектральное разрешение, ГГц; на частоте, ТГц 4,5 0,116
5,0 0,189
5,5 0,411
5,0 0,554
3,5 0,559
4,5 0,75
2,5 0,989
3,0 1,101
Частота повторения, МГц 75 75
Частота модуляции, Гц 433 433
зец - кадаверный глаз свиньи (рис. 3б, цветная вкладка).
Результаты
Для спектров пропускания и спектров отражения роговицы производилось усреднение по 8 образцам по 3 измерения каждого. Для спектров пропускания склер глаз свиньи производилось усреднение по 5-ти измерениям. В отличие от роговицы и других компонентов глаза, склера пропускает ТГц излучение, однако на уровне процентов - долей процентов, в зависимости от толщины. Отметим, что роговица глаз свиньи в норме составляет порядка 1000 мкм в толщину, что примерно в 2 раза больше, чем у человека.
Также производилось измерение спектров пропускания и спектров отражения роговицы в центре и на периферии склеры кадаверного (не препарированного) глаза свиньи. Произ-
водилось по 5 измерений для каждого из образцов. Полученные результаты представлены на рис. 4-8 (рис. 4, 5, цветная вкладка).
В результате работы установлено, что из компонент глаз свиньи терагерцовое излучение мощностью порядка 30-40 мкВт пропускает только склера на уровне процентов - долей процентов, в зависимости от толщины. Толщина исследуемых образцов при этом составляла порядка 1000 мкм. Прочие компоненты переднего отрезка глаза: роговица (центр, периферия, лимб) не пропускают терагерцовое излучение данной мощности. Предполагается, что увеличение мощности терагерцового излучения свыше 60 мкВт позволит получить спектры пропускания для роговицы.
Заключение
Измерение спектров пропускания и отражения терагерцового излучения кадаверным
Рисунок б. Спектр отражения центра роговицы глаза свиньи
Рисунок 7. Спектр отражения периферии роговицы глаза свиньи
Рисунок 8. Спектр отражения склеры глаза свиньи
глазом и его компонентами позволило установить: оптимальную мощность излучения, пропускаемую склерой; выявить параметры требуемой мощности для прохождения излучения через роговицу с целью определения
возможностей применения терагерцового излучения в изучении этиопатогенеза и диагностике офтальмопатологии переднего отрезка глаза - роговицы, склеры, цилиарного тела и хрусталика.
5.10.2012
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (ГК № 16.513.11.3070)
Список литературы:
1. Чекрыгина И. М., Чекрыгин А. Э., Чекрыгин В. Э.Радиоэлектроника на службе здоровья.- «БАННЭРплюс», Таганрог, 2009. - 255 с.
2. Бецкий О.В., Креницкий А.П. и др. Биофизические эффекты волн терагерцового диапазона и перспективы развития новых направлений в биомедицинской технологии: терагерцовая терапия и терагерцовая диагностика // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003.- №12. - С.3-6.
3. Назаров М.М., Шкуринов А.П., Кулешов Е.А., Тучин В.В. Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей //Квантовая электроника.- 2008.- №38 (7). - С. 647-654.
4. Benett D.B. et all.Terahertz sensing in corneal tissues// Journal of Biomedical Optics. - 2011. - Vol. 16(05), 057003.
5. Борзенок С.А. Медико-технологические и методологические основы эффективной деятельности глазных тканевых банков России в обеспечении операций по сквозной трансплантации роговицы: автореф. дис. ... д-ра. мед. наук. - М., МНТК. 2008. - 266 с.
Сведения об авторах:
Заболотний Александр Григорьевич, зав. научным отделом Краснодарского филиала ФГБУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России, кандидат медицинских наук; асс. кафедры глазных болезней ГБОУ ВПО «Кубанский государственный медицинский университет»
Минздравсоцразвития России г. Краснодар, ул. Красных партизан 6, каб. 205, e-mail: [email protected] Сахнов Сергей Николаевич, директор Краснодарского филиала ФГБУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России, к.м.н., к.э.н.; зав. кафедрой глазных болезней ГБОУ ВПО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздравсоцразвития России Парахудас Сергей Евгеньевич, доцент кафедры приборостроения ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, кандидат технических наук, доцент Смолянская Ольга Алексеевна, доцент, Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий Механики и Оптики, кандидат физико-математических наук,
e-mail: [email protected] Езерская Анна Александровна, студентка Санкт-Петербургского Государственого Университета Информационных Технологий Механики и Оптики, e-mail:[email protected] Гейко Ирина Александровна, врач-офтальмолог Краснодарского филиала ФГБУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России
UDC [617.7- 073.756.8-08:615.849.11]-092.4
Zabolotniy A.G., Sakhnov S.N., Parakhuda S.E., Smolyanskaya O.A., Yezerskaya A.A., Geyko I.A. STUDY OF TERAHERTZ BEAM INTERACTION WITH EYE SURFACE - FIBROUS TUNIC OF EYEBALL, CORNEA AND SCLERA IN EXPERIMENT
In experiment on cadaver animals’ eyes the authors carried out the study of terahertz beam interaction with eye surface - fibrous tunic of eyeball, cornea and sclera of pig. It was researched the penetrating possibility of picoseconds length impulses (ps): transmission spectrum and gleam with anterior eye surface components in terahertz diapason of electromagnetic oscillations spectrum 0,05-2,0 THz. Power parameters of THz beam for sclera transmission 30-40 mW was determined. THz beam of high power is necessary for cornea, center and peripheral and libal.
Key words: terahertz spectroscopy, ophthalmology, eye surface, cornea, sclera.
Bibliography:
1. Chekrygina I. M., Chekrygin A. E., Chekrygin V. E. Radiotronics on the service of health.- «Bannerplus», Taganrog, 2009. -255 p.
2. Betskiy O.V., Krenitskiy A.P. et al. Biophysical effects of terahertz diapason waves and perspectives of new trends development in biomedical technologies: terahertz therapy and terahertz diagnostics // Biomedical technologies and radiotronics. -2003. - №12. - P.3-6.
3. Nazarov M.M., Shkurinov A.P, Kuleshov Ye.A., Tuchin V.V. Terahertz impulse spectroscopy of biological tissues //Quantum electronics.- 2008.- №38 (7). - P. 647-654.
4. Benett D.B. et all.Terahertz sensing in corneal tissues// Journal of Biomedical Optics.- 2011.- Vol. 16(05), 057003.
5. Borzenok S.A. Medical - technological and methodological foundations of effective activity of Russia eye tissue banks in supporting of operations at penetrating corneal transplantation: Dissert. ... doct. of med. sciences. - М., 2008. - 266 p.
