CC BY
66
ЛАЗЕРНЫЕ И БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.784.88
ТЕРАГЕРЦОВЫЕ СПЕКТРЫ ПРОПУСКАНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ КАТАРАКТАЛЬНО ИЗМЕНЕННЫХ ХРУСТАЛИКОВ ГЛАЗА ЧЕЛОВЕКА А.А. Езерская, О.А. Смолянская, С.Е. Парахуда, Я.В. Грачев, А.О. Гончаренко Публикуется в порядке дискуссии
Выявлена корреляция между оптической плотностью ядра хрусталика в терагерцовом диапазоне и его плотностью, определенной согласно классификации Л. Буратто. Уплотнение волокон хрусталика, вызванное старческой катарактой, увеличивает отражательную способность хрусталика в терагерцовом диапазоне. Временная структура сигнала терагерцового рефлектометрического томографа позволяет определить пространственное распределение плотности в хрусталике.
Ключевые слова: терагерцовая спектроскопия, терагерцовая томография, офтальмология, диагностика катаракты.
Введение
Влияние терагерцового (ТГц) излучения на биологические объекты в целом и на биополимеры, в частности, является очень интересной и перспективной темой для исследования, особенно в области офтальмологии. Значительный прорыв в лазерной офтальмологии произошел еще в 1954 г. с разработкой первого фотокоагулятора «Зайчик» и в 1963 г. с первой в мире успешной лазерной коагуляцией сетчатки глаза человека [1].
В настоящее время широкое применение лазеров для диагностики и хирургии в офтальмологии обусловлено способностью различного светового излучения достигать требующих коррекции структур глаза, не повреждая окружающие ткани [2, 3]. Это объясняется монохроматичностью и когерентностью лазерного излучения. Видимое световое излучение (400-750 нм), близлежащие участки ультрафиолетового и инфракрасного (ИК) спектра (325-400, 750-1400 нм) проникают до глазного дна. Остальное световое излучение поглощается поверхностными слоями роговицы и конъюнктивы [4, 5].
ТГц излучением принято называть излучение, лежащее в частотном диапазоне электромагнитных волн 0,1-10 ТГц (3 мм-30 мкм). Находясь между ИК и миллиметровым диапазонами, ТГц излучение обладает свойствами как того, так и другого диапазона [6]. Благодаря близости к СВЧ радиоволнам оно обладает большой проникающей способностью (ограниченной в основном содержанием OH-групп), малой энергией фотона, но, с другой стороны, с ним можно работать, используя методы и технику ИК оптики. По сравнению с видимым и ИК излучением, ТГц излучение является длинноволновым, а значит, что оно менее подвержено рассеянию [7].
Преимущество ТГц излучения для медицинских применений заключается в неионизирующем характере его взаимодействия, в отличие от рентгеновского излучения. В то же время различные биологические ткани обладают существенно различным поглощением в данном диапазоне, что позволяет обеспечить контрастность снимков. Однако чрезвычайно высокое поглощение водой не позволяет ТГц излучению проникать глубоко в ткани, что ограничивает область его применения поверхностью тканей.
Спектр ТГц излучения содержит колебательные и вращательные составляющие [8]. Это позволяет проводить идентификацию молекул по их характерным спектральным линиям [9]. В сочетании с получением изображения в терагерцовом диапазоне это помогает определить не только форму, но и состав исследуемого объекта.
В настоящее время представляет большой интерес исследование возможностей диагностики оф-тальмопатологии с помощью ТГц излучения. Катаракта, или помутнение хрусталика, является ведущей причиной снижения зрения в мире. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, в 1998 г. было зарегистрировано более 20 млн случаев заболевания этой патологией [10].
При наличии огромного количества аппаратуры для хирургического лечения катаракты, а также средств для интраокулярной коррекция зрения современное офтальмологическое общество испытывает явный дефицит диагностического оборудования [11]. На данный момент диагностика проводится с помощью щелевой лампы и микроскопа врачом-офтальмологом, что приводит к проблеме точного определения плотности ядра и расположения его в хрусталике.
Подготовка образцов
В связи с актуальностью реализации ряда задач в настоящей работе исследованы ТГц спектры пропускания и отражения катарактально измененных хрусталиков глаза человека с различной степенью плотности ядра. Объектом исследования были выбраны хрусталики третьей и четвертой степени плотности по классификации Л. Буратто [12]. Всего было исследовано 11 образцов.
3
Хрусталики были получены в ходе хирургического лечения катаракты методом экстракапсуляр-ной экстракции у 11 пациентов с диагнозами «почти зрелая» и «зрелая старческая катаракта». Все операции выполнялись по медицинским показаниям и по классической технологии [13].
Хрусталик представляет собой двояковыпуклую линзу с диаметром 4-5 мм, состоящую из колла-геновых волокон и воды. Лишенный капсулы хрусталик подвержен большим изменениям биохимического состава и структуры. Помещенный в физиологический раствор хрусталик набухает за счет значительной гидрофильности с последующим полным помутнением. Метод сухой консервации с использованием селикогеля приводит к выраженной адсорбции воды, что также нарушает его качественный состав. Соответственно снижается достоверность проводимых исследований, поскольку изменяется оптическая плотность хрусталика. Исходя из этого, для сохранения хрусталиков в наиболее естественном состоянии была выбрана среда Борзенка-Мороз для консервации донорских роговиц [14]. Материал сохранялся в течение 7 суток при температуре от +5°С до +8 °С.
В рамках данного эксперимента ставилась задача исследовать терагерцовые спектры пропускания и отражения катарактально измененных хрусталиков глаза человека с различной степенью плотности ядра.
Исследование катарактально измененных хрусталиков глаза человека посредством ТГц спектрофотометра и рефлектометра
Измерение ТГц спектров пропускания хрусталиков проводилось при помощи ТГц спектрофотометра. Проводилось пятикратное измерение пропускания хрусталиков с третьей и четвертой степенью плотности ядра. Спектральный сигнал спектрофотометра при исследовании образцов хрусталика находится на уровне шума системы.
В ходе эксперимента было установлено, что сохранение воды в составе вещества хрусталиков привело к повышению уровня поглощения импульсного ТГц излучения диапазона 0,1-1 ТГц, что не позволило исследовать спектры пропускания образцов хрусталика на ТГц спектрофотометре с имеющимся уровнем чувствительности.
Для исследования ТГц спектров отражения катарактально измененных хрусталиков глаза человека использовалась оригинальная установка ТГц рефлектометрической томографии (рис. 1) [15].
Рис. 1. Схема ТГц рефлектометрического томографа: П_-1 - лазер фемтосекундных импульсов на Yb:KYW; М - зеркала (И «100%); 1 - светоделитель; 2 - оптическая линия задержки; 3 - генератор ТГц излучения на основе кристалла !пАб; 4 - 45° параболические зеркала; 5 - оптико-механический модулятор; 6 - объект исследования; 7 - светоделитель ТГц излучения на основе пластины из высокоомного кремния; 8 - линза из ТРХ с f = 5 см; 9 - электрооптический кристалл Сс1Те; 10 - ахроматическая четвертьволновая пластинка; 11 - призма Волластона; 12 - балансный детектор
В ходе эксперимента было установлено, что отражение излучения диапазона частот 0,6-0,9 ТГц от катарактально измененного хрусталика с четвертой степенью плотности ядра составляет 20-30%, в то время как отражение от катарактально измененного хрусталика с третьей степенью плотности ядра составляет 5-15% (рис. 2). Таким образом, катарактальное уплотнение волокон хрусталика увеличивает отражательную способность в ТГц диапазоне, что может позволить объективно диагностировать степень помутнения хрусталика.
Сигнал, формируемый ТГц импульсами, отраженными от образца хрусталика, отличается для образцов с разной степенью помутнения. На рис. 3 приведены временные формы сигнала от образцов ката-рактально измененных хрусталиков глаза человека с третьей и четвертой степенью плотности ядра. Импульс с временной координатой 8 пс соответствует отражению ТГц импульса от поверхности хрусталика. Амплитуда ТГц импульса, отраженного от поверхности хрусталика с четвертой степенью плотности ядра, превышает практически в два раза амплитуду импульса, отраженного от поверхности хрусталика третьей степени плотности.
50
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 / ТГц
Рис. 2. Спектры отражения катарактально измененного хрусталика с третьей (серые линии) и четвертой
(черные линии) степенью плотности ядра
Для хрусталиков с третьей степенью плотности ядра на временной координате 14 пс наблюдается второй отраженный импульс, соответствующий участку ядра хрусталика с более плотным расположением волокон. Временная задержка между импульсами в 6 пс соответствует оптической длине в 1,8 мм.
При четвертой степени плотности ядро занимает весь объем хрусталика, следовательно, не наблюдается изменения оптической плотности, а происходит только одно отражение от поверхности хрусталика.
50000 -,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
пс
Рис. 3. Временная зависимость величины напряженности электрического поля ТГц импульса, отраженного от катарактально измененных хрусталиков третьей (серые линии) и четвертой (черные линии) степени плотности ядра от времени. Усреднение - для четырех измерений одного образца.
Заключение
Исследованы терагерцовые спектры пропускания и отражения катарактально измененных хрусталиков глаза человека с различной степенью плотности ядра. Использование для сохранения образцов хрусталика среды Борзенка-Мороз позволило исследовать их в состоянии, приближенном к исходному.
Применение терагерцового рефлектометрического томографа дало возможность установить корреляцию между оптической плотностью ядра хрусталика в терагерцовом диапазоне и его плотностью, согласно классификации Л. Буратто.
Уплотнение волокон хрусталика, вызванное старческой катарактой, увеличивает отражательную способность хрусталика в ТГц диапазоне, что может позволить диагностировать стадию развития заболевания. Временная структура сигнала ТГц о рефлектометрического томографа позволяет определить пространственное распределение плотности в хрусталике.
Учитывая анатомическое строение глаза человека, исследования ТГц спектров пропускания катарактально измененных хрусталиков различной степени плотности дают серьезные основания полагать, что применение этого излучения в офтальмологии для диагностики in vivo возможно.
Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации (ГК №14.740.12.0841, ГК №16.513.11.3070).
Литература
1. Линник Л.А., Король А.Р., Задорожный О.С. Этапы становления и развития отечественной лазерной офтальмологии // Газета «Новости медицины и фармации». Офтальмология. - 2011. - № 17 (363).
2. Волков В.В., Гончаров С.Е., Даль Г.А. и др. Новое в лазерной медицине. - М., 1991. - 86 с.
3. Федоров С.Н., Копаева В.Г., Андреев Ю.В., Беликов А.В., Парахуда С.Е., Скрипник А.В. Лазерная хирургия катаракты // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Труды Шшестой петербургской школы-семинара-выставки. - СПб: Российский центр лазерной физики, 1998. - С. 19.
4. Балашевич Л.И. Лазеры в офтальмологии. - Л.,1983. - 34 с.
5. Бойко Э.В. Лазеры в офтальмологии: теоретические и практические основы. - СПб: Военно-медицинская академия, 2003. - 39 с.
6. Zhang X.-C., Xu Jingzhou. Introduction to THz wave photonics. - N.Y.: Springer Science+Business Media, 2009. - 249 p.
7. Назаров М.М., Шкуринов А.П., Кулешов Е.А., Тучин В.В.. Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 38 (7). - С. 647-654.
8. Wang S., Zhang X.-C. Pulsed terahertz tomography // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2004. - V. 37. - P. 1.
9. Fisher B.M., Helm H. and Jepsen P.U. Chemical recognition with broadband THz Spectroscopy // Proc. IEEE. - 2007. - V. 95. - P. 1592-1604.
10. Доклад Всемирной организации здравоохранения «Жизнь в 21 веке»: Зрение для всех. - Женева: ВОЗ, 1998. - 47 с.
11. Конов В.И., Осико В.В., Щербаков И. А. Фундаментальные достижения оптики и лазерной физики для медицины // Вестник Российской Академии наук. - 2004. - Т. 74. - № 2. - С. 99-114.
12. Федоров С.Н. Лазерные методы лечения заболеваний глаз. - М.,1990. - 115 с.
13. Buratto Lucio. Хирургия катаракты. Переход от экстракапсулярной экстракции катаракты к фако-эмульсификации. - Fabiano Editore, 1999. - 472 с.
14. Федоров С.Н., Мороз З.И., Борзенок С.А., Комах Ю.А. Среда для консервации роговицы глаза. Патент РФ № 2069951, приоритет от 21.02.1993.
15. Беспалов В.Г., Городецкий А.А., Грачев Я.В и др. Импульсный терагерцовый рефлектометр // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - Т. 71. - № 1. - С. 19-23.
Езерская Анна Александровна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, студент, [email protected]
Смолянская Ольга Алекссеевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент, [email protected] Парахуда Сергей Евгеньевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент, [email protected] Грачев Ярослав Владимирович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
Гончаренко Александра Олеговна - Краснодарский филиал ФГУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад.
С.Н.Федорова», аспирант, [email protected]
