Фемтосекундный лазер появился в 1980-х годах, но только в следующем десятилетии исследователи внедрили его в медицинскую практику. Глазные хирурги первыми заинтересовались фемтолазером. Позже его применили в производстве медицинских устройств. Мы рассмотрим, как работает эта сверхбыстрая лазерная технология, где она применяется и какие имеет перспективы.
Содержание
Как фемтолазер применяют в медицине?
Технология
Чтобы объяснить, как работают фемтолазеры и почему они настолько полезны, нужно взглянуть и на другие лазерные технологии. С 1960 года врачи применяют лазеры непрерывного действия для лечения зубов, опухолей и дробления почечных камней. Эти лазеры излучают непрерывный пучок света с контролируемым уровнем тепловыделения.
Кроме непрерывных лазеров существуют импульсные лазеры, которые излучают короткие импульсы света через одинаковые промежутки времени. Продолжительность импульсов стандартных лазеров составляет миллионные или миллиардные доли секунды, лазеров с ультракороткими импульсами — триллионные доли секунды, а фемтосекундных — квадриллионные доли секунды (фемтосекунды). Для сравнения: в одной секунде примерно столько фемтосекунд, сколько секунд в 32 миллионах лет.
Фемтосекундный лазер использует энергию инфракрасного света с длиной волны 1053 нм. Он разрушает или фотоионизирует прозрачные ткани, такие как роговица и хрусталик, путем генерации быстро расширяющегося облака свободных электронов и ионизированных молекул. Так лазер создает акустическую ударную волну. Но из-за ультракороткого импульса побочный ущерб от него в 106 раз меньше, чем от обычного лазера. Это делает фемтолазер безопасным для операций на роговице и хрусталике, требующих высочайшей точности.
Как фемтолазер применяют в медицине?
Ультракороткие импульсы создают огромную пиковую мощность на заданной глубине, слабый нагрев и микроскопическую площадь разрушения тканей. Поэтому фемтолазеры нашли свое место в хирургии катаракты и роговицы. Эти операции требуют ювелирной точности и фемтолазер дает ее хирургам. Кроме глазной хирургии, их используют в производстве искусственных хрусталиков, протезов, сосудистых стентов и других медицинских изделий — фемтолазерами можно разрезать металлы, полупроводники, керамику, полимеры, биоматериалы и стекло.
Фемтосекундными лазерами обрабатывают трехмерные микро- и наноматериалы для телекоммуникаций и биоинженерии: прямая лазерная запись фоторезистов и других прозрачных сред позволяет создавать сложные трехмерные фотонные кристаллы, микрооптические компоненты, решетки, каркасы тканевой инженерии и оптические волноводы. Исследования показали лучшее формирование костной ткани после лазерного микротекстурирования поверхностей зубных имплантатов: увеличение кислородного слоя, микро- и наноструктур приводит к более высокой скорости образования, более высокой плотности и лучшей механической стабильности кости.
Фемтосекундный лазер в офтальмологии
Офтальмохирурги используют фемтолазер, как точный и щадящий ткани скальпель. Область применения пока ограничена прозрачными структурами глаза — хрусталиком и роговицей.
Коррекция зрения
Фемтолазер получил наибольшее распространение в лазерной коррекции близорукости, дальнозоркости, астигматизма и пресбиопии. Его точность и малая травматичность позволяют выполнять два вида операций Фемто ЛАСИК и СМАЙЛ. Во время Фемто ЛАСИК хирурги получают тонкий, идеально ровный роговичный лоскут из верхнего слоя роговицы. Лоскут нужен, чтобы сохранить роговичный эпителий и провести основную часть вмешательства на средней части роговицы. По сравнению с обычным лоскутом, хирурги не опасаются осложнений: отрыва, замятия, неправильного среза или дырчатого лоскута. После операции лоскут гораздо реже смещается, глаза быстрее заживают, а пациенты получают высокое качество зрения, минимум бликов и низкий риск послеоперационных осложнений: врастания эпителия, воспаления или помутнения роговицы.
Во время операции СМАЙЛ хирурги вовсе обходятся без лоскута — лазер вырезает кусочек ткани в толще роговицы, а хирург извлекает его через маленький разрез.
Лечение кератоконуса
Кератоконус — истончение и искривление роговицы. Для стабилизации формы роговицы хирурги укрепляют ее силиконовыми имплантатами в виде сегментов колец. Чтобы сегменты стали каркасом их помещают в толщу роговицы, а перед этим в нужных местах фемтолазером вырезают полости по размеру сегментов.
Хирургия катаракты
В хирургии катаракты фемтолазером разрезают переднюю часть капсулы хрусталика и дробят хрусталик. Золотым стандартом в удалении хрусталика признано ультразвуковое дробление. Но во время операции и в течение 1–3 месяцев после роговица теряет от 5 до 20% клеток задней поверхности. Потерю вызывают турбулентность жидкости и вибрации — они отслаивают клетки и нарушают их работу. Это не проблема, если роговица содержит много клеток. Количество клеток снижается в глазах с хроническими тяжелыми болезнями, после глазных операций и сильных травм. Тогда появляется высокая вероятность, что роговица помутнеет после ультразвукового дробления и потребуется ее полная или частичная пересадка.
Теоретически, зная о проблемах с роговицей, можно попытаться предотвратить помутнение, заменив ультразвук на лазер. Но пока исследования дают противоречивые данные, нельзя утверждать, что этот метод снижает риск помутнений.
Что дальше?
Есть области, в которых производители исследуют применение фемтолазеров. Операции на заднем сегменте глаза — на стекловидном теле, сетчатке, сосудистой оболочке и зрительном нерве теоретически возможны, но еще не отлажены. Проблемы внедрения связаны с тем, что ткань должна быть бессосудистой и прозрачной, а уровень тепла, который производит лазер, должен быть достаточно низким, чтобы не вызвать побочного повреждения других частей глаза по ходу лазерного луча. Если этого удастся достичь, то фемтолазерное лечение обеспечит большую точность, скорость, воспроизводимость и меньшую стоимость, чем традиционная хирургия глаукомы и болезней сетчатки.
Несколько лет ученые исследовали фемтолазерную стерилизацию и дезинфекцию лекарств, но на практике эти методы применяют редко из-за высокой стоимости. В 2017 году китайские ученые обнаружили, что фемтолазеры можно использовать в миниатюрной двухфотонной микроскопии. В экспериментах на мозге мышей и человека они получили качественные изображения и доказали, что фемтолазер не оказывает негативного влияния на нервную ткань человека.
Заключение
Производители продолжают адаптировать фемтолазеры для новых процедур. Хотя некоторые из возможностей фемтосекундных лазеров далеки от введения в практику и использования на реальных пациентах, в них скрыт большой потенциал для создания точных диагностических и безопасных лечебных методик. Сегодня фемтосекундный лазер успешно применяют в лазерной коррекции зрения, хирургии катаракты, лечении кератоконуса и создании медицинских устройств. И хирурги «Нью Вижн» уже много лет выполняют коррекцию зрения с фемтолазерным сопровождением.
Хайнюк Дмитрий Юрьевич
Врач-офтальмолог.