Как лазерная хирургия помогает возвращать людям зрение
В 2018 году Нобелевская премия по физике присуждена ученым, работающим в области физики лазера. Артур Эшкин был награжден за изобретение оптических пинцетов и их применение в биологических системах, а Жерар Муру и Донна Стрикланд — за изобретение метода генерации ультракоротких высокоинтенсивных оптических импульсов. Казалось бы, экзотическая технология, не из тех, что быстро входят в жизнь простых людей. Но нет — именно ультракороткие и высокоинтенсивные лазерные импульсы востребованы в области, радикально меняющей жизнь миллионов людей, а именно в офтальмологии. N + 1 совместно с Клиникой доктора Шиловой рассказывает о том, что такое лазерная коррекция при различных нарушениях зрения.
Речь идет о медицине зрения — офтальмологии, а именно о лазерной офтальмологии. Давайте разберемся, почему именно лазерная коррекция зрения имеет особые преимущества по сравнению с другими оперативными методиками.
Лазерное излучение создается при преобразовании энергетической накачки (электричеством, магнитным полем, химическим или даже тепловым воздействием) в пучок света. Света когерентного, поляризованного и крайне узконаправленного.
Лазерный свет может быть ровным (как мы его обычно и представляем, воображая что-то вроде гиперболоида инженера Гарина), а может состоять из последовательности мощных вспышек. Это лазеры сверхкоротких вспышек. Современные медицинские лазеры используют фемтосекундные интервалы. Это значит, что каждая вспышка длится 10-15 секунд — 1\1000000000000000 часть секунды. Физика сверхкоротких вспышек позволяет выбрасывать фотоны еще более мощным пучком в еще более сконцентрированном направлении, не теряя энергии на распыление.
Таким образом поток света можно усиливать, вкладывая в него много энергии и концентрируя ее, и можно регулировать, делая чрезвычайно узким и тонким. Кроме того, фокусируя несколько потоков из разных источников, можно добиться того, что в заранее рассчитанной точке два или несколько потоков световых лучей будут встречаться и резонировать, то есть дополнительно усиливать друг друга, не оказывая при этом существенного воздействия по дороге к месту встречи.
Это значит, что лазер можно использовать как нож, только невероятно тонкий, практически не наносящий повреждений тканям. Что еще более важно, с помощью фокусировки нескольких лучей нужное воздействие, разрез или удаление чего-то лишнего, можно произвести прямо внутри тела, не прорезая путь к месту операции сквозь здоровую ткань.
Эти две особенности лазерного воздействия — возможность создать супертонкий бережный разрез и воздействовать на области внутри тела, не разрезая проход к ним, — очень быстро нашли использование в самых разных областях медицины.
Неудивительно, что ими заинтересовались и офтальмологи. Человеческий глаз — один из самых нежных и тонко устроенных органов, и обычные хирургические инструменты для него слишком грубы. А нарушения зрения, к сожалению, — осложняют жизнь очень многих людей.
Попадающий на глаз свет сначала проходит через защитный слой, прозрачную роговицу. Ее толщина в районе зрачка — чуть больше половины миллиметра, а ближе к краям видимой части глаза достигает 1–1,2 миллиметра. Роговица, пропуская свет, одновременно преломляет его. Это фактически первая линза, которую свет проходит по пути к сетчатке глаза — части нашего мозга, вынесенной на периферию.
Роль роговицы в фокусировке пучка света очень велика. Именно ее кривизной более чем на 70 процентов определяется оптическая сила глаза как линзы. Поэтому глаз обязательно должен быть круглым — иначе природе не требовалось бы устраивать хрупкие вмятины-глазницы в нашем черепе.
Пройдя насквозь роговицу, свет может отразиться от радужки (цветной части видимого глаза) или склеры (белой части), а может попасть внутрь через зрачок. Зрачок потому и черный, что не отражает свет, а проводит его внутрь. Если вы видите блики на чужом зрачке, то это свет, отраженный еще роговицей.
Видим мы только благодаря тому свету, что попал в зрачок. Когда света слишком много, зрачок сужается, чтобы защитить внутреннюю часть глаза от избыточного излучения; а когда темно, зрачок, наоборот, расширяется, чтобы поймать как можно больше фотонов и позволить человеку при слабом освещении разобрать хоть что-нибудь.
Пройдя в зрачок, свет преломляется сквозь вторую линзу — хрусталик. Задача хрусталика — так преломить попавший в зрачок свет, чтобы он аккуратно спроецировался по вогнутой поверхности сетчатки. Линза хрусталика способна изменяться благодаря внутренним мышцам, увеличивающим или уменьшающим его кривизну. Медики называют этот процесс аккомодацией.
Аккомодация — это то, что мы делаем, когда всматриваемся вдаль или, наоборот, вглядываемся в надпись на рисовом зернышке. Здоровый глаз может откорректировать линзу хрусталика так, чтобы видеть и далекое, и близкое. Но все мы знаем — если целый день разглядывать что-то слишком мелкое или, наоборот, слишком далекое, глаза устают и болят. Это не фигура речи — мышцы глаза могут уставать и болеть так же, как мышцы ног или спины.
Именно на приучении мышц к аккомодационным усилиям основаны упражнения типа «посмотри на точку на оконном стекле — переведи взгляд на далекое дерево прямо за ней — снова смотри на точку на стекле». И когда ребенок в школе «считает ворон» за окном, вместо того чтобы продолжать писать в тетради, — это нормальная профилактика спазма аккомодации.
Сфокусированный роговицей, прошедший сквозь зрачок и повторно сфокусированный хрусталиком свет проходит через наполнение глаза — прозрачное стекловидное тело — и наконец попадает туда, где начинается его восприятие рецепторами. В глубине глаза, в сетчатке, расположены клетки-фоторецепторы (палочки и колбочки), которые передают в нервную систему информацию о полученном освещении. И уже центральная нервная система обрабатывает сигналы из глаз и преобразует «что-то серенькое мелькнуло в чем-то зеленом» в «опять дрозды воруют клубнику».
На каждой из стадий прохождения света к воспринимающим клеткам-фоторецепторам может случиться поломка. Может помутнеть от возраста или травмы роговица. В старину это называлось «бельмо» и бывало одной из причин полной слепоты. В этом случае внутренняя часть глаза в порядке — просто свет не попадает в зрачок. Может помутнеть сам хрусталик. Эта болезнь называется катаракта и является одним из очень распространенных возрастных заболеваний. В этом случае свет преломляется неправильно или вообще не доходит до сетчатки.
Есть болезни, связанные с тем, что в прозрачном стекловидном теле, наполняющем глаз, возникают непрозрачные частицы — кровоизлияния, сгустки перерожденных клеток — и свет, прошедший через хрусталик, не достигает фоторецепторов. Представьте себе, что внутри дорогого зеркального фотоаппарата накопились пыль и мусор! Бывают нарушения зрения, связанные с тем, что нежная ткань сетчатки от травмы или эндокринных проблем начинает расслаиваться и клетки-фоторецепторы не могут передать информацию в нервную систему.
Но чаще всего нарушения зрения связаны с тем, что глаз имеет не ту форму, на которую рассчитана линза хрусталика, или хрусталик плохо отрегулирован. В этих случаях спроецированный роговицей и хрусталиком свет падает не на сами фоторецепторы, а фокусируется перед ними или за ними, так что фоторецепторы получают размытое или перекошенное изображение. Возникают нарушения зрения — такие, как близорукость (миопия), дальнозоркость (гиперметропия) и астигматизм.
Самая популярная причина близорукости — слабость мышц, задающих форму глаза, и увеличение глубины глаза на несколько миллиметров. При этом глаз, конечно, редко остается идеально круглым, принимая скорее яйцевидную форму, — и поэтому близорукости часто сопутствует астигматизм.
Возрастная дальнозоркость, неспособность глаза аккомодировать себя на близкие объекты, связана с постепенным уменьшением эластичности хрусталика — мышцы больше не могут изменить его кривизну в достаточной степени.
Перечисленными болезнями нарушения зрения, к сожалению, не ограничиваются. Но именно эти заболевания поддаются лечению с помощью лазера. Вместо того чтобы пытаться попасть вглубь глаза инструментами, врачи могут воспользоваться прозрачностью зрачка и внутренней части глаза, чтобы исправить нарушение прямо на месте, не задев здоровые части органа.
Например, операция лазерной коагуляции сетчатки позволяет в самом начале остановить ее отслоение, которое может быть вызвано травмой, излишним растяжением глаза при сильной близорукости или диабетом как одно из его осложнений. Раньше, до появления методов лазерной терапии, такой дефект грозил полной слепотой. Первая операция по световой коагуляции отслойки сетчатки была проведена в 1949 году Герхардом Майер-Швикераттом.
Метод этот заключается в том, что при риске отслоения сетчатки (при наличии дистрофий или разрывов) или на начальных стадиях отслоения сетчатки, когда слои отошли еще недалеко, вокруг пострадавших мест лазером делают серию маленьких ожогов (коагулятов). В ответ возникает воспаление, но асептическое (микробов-то там не было и нет), которое приводит к рубцеванию. Рубец — соединительная ткань, и ее прочность намного выше, чем прочность сетчатки.
Места микроожогов впоследствии не воспринимают свет, но эти точки пренебрежимо малы. Представьте, что у вас отвалились обои с половины стены, приклеить нечем, но есть два десятка канцелярских кнопок. Отличие в том, что «кнопки» на месте коагуляции прикрепляют ткань очень надежно. Женщинам, прошедшим коагуляцию сетчатки, позволяют рожать естественным образом даже в случае очень высокой миопии — закреплено, не отвалится.
Сейчас лазерная коагуляция сетчатки проходит как амбулаторная процедура с местным обезболиванием, после которой пациент может самостоятельно уйти домой. (Человеку фактически наложены швы на разошедшиеся ткани в глубине глаза, а он сам идет домой и ворчит, что глаза слезятся.) Но в тех случаях, когда лазерная коагуляция не применима или опоздала, лечение до сих пор оказывается очень сложным и кропотливым — врачу приходится вводить инструменты через микропроколы в стенке глаза, чтобы расправить и пришить на место отошедшие ткани сетчатки. Иногда после такой операции все стекловидное тело приходится заменять искусственным материалом, а порой зрение и вовсе полностью не восстанавливается.
Точно так же, с помощью лазера, производится очищение хрусталика от помутнений при катаракте. Вместо того чтобы прорезать роговицу и проникать в глаз крошечными инструментами, как это делали квалифицированные врачи с глубокой древности, рискуя при этом и зрением пациента, и собой (врачу, лишившему пациента глаза, отрубали руку), пораженный хрусталик разрушают с помощью точно нацеленного лазера для последующего удаления.
Метод лазерного витреолизиса используют для борьбы с загрязнениями и повреждениями стекловидного тела (например, при гемофтальме). Фотодеструкция загрязнений, конечно, сильно ограничена тем, что может использоваться только для небольших участков, — если загрязнения велики, лазер уже не спасает. Нельзя же испарить полглаза и ждать, что он будет нормально работать.
Ткань роговицы тоже очищают или прорезают с помощью офтальмологического фемтолазера. С его помощью в толще роговицы делают микротоннели для последующей имплантации роговичных сегментов (полуколец) при таком заболевании, как кератоконус. Эта процедура позволяет значительно улучшить зрение и остановить прогрессирование заболевания.
Именно лазерным ножом, тонким, управляемым, абсолютно стерильным, сейчас проводят различные виды кератопластики (пересадки роговицы) — как сквозную, так и послойную, точно вырезая необходимый для замены участок ткани роговицы.
Но на что же воздействует лазер в случае лечения дальнозоркости, близорукости или астигматизма? Ведь нельзя же применить лазер для изменения формы глазного яблока? Ученые воспользовались тем, что еще до попадания в зрачок свет должен пройти через роговицу и преломиться в ней. Если роговица и хрусталик, как две последовательные линзы, проецируют изображение не туда, куда нужно, то, может быть, удастся подкорректировать внешнюю линзу так, чтобы в итоге свет падал именно туда, где находится сетчатка?
Еще до применения лазерных технологий механическую кератотомию, то есть изменение толщины роговицы, использовали для лечения близорукости. В сороковые годы прошлого века японский профессор Цутому Сато обнаружил, что не все травматические воздействия на роговицу ведут к ухудшению зрения. После долгого изучения вопроса с помощью подопытных животных (это были кролики) исследовательская группа перешла к операциям по коррекции близорукости у людей. Но, увы, последствиями операции часто оказывалось рубцевание роговицы (а соединительная ткань, рубец — непрозрачна).
В 50-е годы профессор Сато умер, его группа распалась, исследования прекратились. В 1963 году офтальмолог из Колумбии Хосе Барракер предложил изымать часть роговицы, замораживать ее, корректировать ее в замороженном виде и имплантировать обратно.
В семидесятые годы Святослав Федоров разработал технику радиальной кератотомии с помощью алмазного ножа. В целом, все ученые были вынуждены столкнуться с тем, что на ткани толщиной меньше миллиметра нужно вырезать еще более тонкий кусочек строго определенной формы, и ни в коем случае не задеть ткани рядом, иначе возникнут рубцы, способные только ухудшить зрение.
Именно поэтому оказалось таким перспективным воздействие лазера. Лазерный луч может быть намного тоньше алмазного ножа. Лазером можно изменять форму ткани, не вынимая ее из глаза пациента. Лазером можно воздействовать даже внутри роговицы, ведь толщина в полмиллиметра для лазерного воздействия — достаточно широкое поле.
В 1970 году в России, в Физическом институте имени П.Н. Лебедева был изобретен эксиплексный лазер. Путаница с названиями «эксимер» и «эксиплекс» вызвана очень небольшим техническим различием в устройстве этой группы лазеров. Слово «эксимер» происходит от excited dimer (возбужденный димер) — названия молекулы, состоящей из двух одинаковых атомов, устойчивой только в возбужденном состоянии. Чаще всего используются молекулы инертных газов — Ar2 Xe2 и так далее. При прекращении воздействия на молекулу она распадается, испуская квант света.
Но в лаборатории Н.Г. Басова удалось доказать, что более перспективными являются лазеры, использующие молекулы из разных атомов — гетероядерные (такие, как XeF, CrCl, XeBr и аналогичные). Для разработчиков было важно не столько то, что атомы в молекуле отличаются, сколько то, что сам принцип действия лазера остался тем же. И эксиплексные лазеры (от exited complex) продолжили называть эксимерными.
Наибольшую популярность получил ArF-лазер с энергией кванта 4,6 электронвольта. Те микрослои, на которых он фокусируется, не разогреваются, в просто мгновенно испаряются (аблируют), так что зона разреза и не нагревается, и остается чистой от удаляемых фрагментов.
Эксиплексный лазер испускает свет в жестком ультрафиолетовом диапазоне. Этот свет, при поглощении его органическими молекулами, не действует на всю молекулу целиком, а разрушает отдельные межатомные связи. То есть вместо лазерного сжигания происходит разрезание органических молекул, органелл, и, следовательно, клеток с очень небольшим переходом энергии в тепло. В результате лазер действует на очень тонкие слои, не нагревая то вещество, которое находится рядом.
Кроме того, эксиплексный лазер обладает возможностью точечной фокусировки, при которой воздействие происходит в строго определенных областях внутри ткани — лазер производит микроразрывы, не повреждая ткань выше и ниже. Можно упомянуть еще одну хитрость — программирование последовательностей фемтовспышек настраивается так, чтобы каждый следующий микровзрыв произошел как можно дальше от предыдущего, давая тканям глаза время остыть. В результате современные лазерные операции на роговице не предполагают повышения температуры глаза выше 35 градусов Цельсия.
Изначально эксимерный лазер использовали в производстве микрочипов, но очень скоро им заинтересовались медики. Патент на применение эксимерного лазера в производстве тонких биологических срезов был получен в 1988 году командой американских ученых. В конце 80-х годов Стивен Трокель, офтальмолог из Нью-Йорка, уже сделал первую операцию эксимерной коррекции миопии, а к 1996 году был произведен специальный лазер, предназначенный для рефракционной хирургии глаз.
Со временем практика эксимерной коррекции зрения стала популярнее всех остальных методов оперативной коррекции.
Но даже с помощью лазера не всегда удавалось достичь желаемого: идеально точно откорректировать живой глаз. Сначала оказалось, что нельзя просто срезать верхний слой роговицы, чтобы придать ей нужную форму, — это приводило к повышенную чувствительности глаз, появлению сухости. Верхние слои роговицы, содержащие нервные волокна, передний эпителий и боуменову мембрану, оказались важными для нормального ощущения глаза человеком. Чтобы их сберечь, была разработана технология, при которой верхний слой роговицы приподнимается, как крышка, все изменения проводятся лазером внутри толщи роговицы, а затем верхний слой возвращают на место.
Но срезанная крышечка никогда не «прирастает» — утонченная роговица выпячивалась под силой внутриглазного давления, а лоскут-крышечка иногда, при незначительных травмах, съезжал или отрывался вовсе.
На сегодняшний день метод, который позволяет сохранить верхние слои роговицы, не отрезать слишком широкую «крышку» и, как следствие, сохранять биомеханические свойства роговой оболочки глаза, изобретен профессором Вальтером Секундо.
Метод этот назван авторами SMILE (Small Incision Lenticule Extraction). Его суть в том, что прямо внутри роговицы лазерными микровспышками делаются два сходящихся разреза, так, что получается отъединенный от остальной ткани объект, похожий на крошечное перевернутое блюдце. Через узкую (около 10 градусов окружности) прорезь это «блюдечко», или, правильно говоря, лентикулу, врач вытаскивает наружу, и внутренние части роговицы снова прилегают друг к другу.
Оба слоя при отделении лентикулы от основного тела роговицы не «прорезаются», а отделяются миллионами точечных взрывов. Чем мельче взрывы, тем мельче получаются пузырьки между отделяемой и сохраняемой тканью, и тем меньше тепла переходит в глаз (и тем меньше дискомфорт, испытываемый пациентом). Фактически на наружной стороне роговицы остается небольшая прорезь — и все. Внутри друг к другу прилегают клетки роговицы к клеткам роговицы — организму нет необходимости ни наращивать рубец, ни защищать затронутое место слезами.
Момент вытаскивания лентикулы — самая трудная часть операции. Непосредственно действия лазера автоматизированы, система настроек чутко следит за микродвижениями оперируемого глаза и корректирует настройки. Ведь глаз невозможно жестко закрепить, а микродвижения глаза происходят непроизвольно, даже если пациент идет врачам навстречу и очень-очень старается смотреть только в одну точку, и даже в том случае, если пациент погружен в медикаментозный сон. Так что процесс лазерной «кройки» проходит полностью под контролем автоматики, которая реагирует быстрее и четче, чем это может сделать человек. А вот вытаскивание удаляемого куска стромы — задача ручная и чрезвычайно тонкая. Лентикула может замяться, застрять: представьте себе, что вы вытаскиваете двумя лопатами лист папиросной бумаги из едва приоткрытого ящика дорогущего антикварного стола. Вот как это выглядит в схематическом изображении:
Помимо лазерной коррекции, если операция противопоказана, существуют и другие методики восстановления зрения, в том числе — имплантация интраокулярных контактных линз (ICL). Это ультратонкие линзы, устанавливаемые через микропрокол в заднюю камеру глаза (за радужку) и не видные со стороны. Такая технология позволяет получить отличное зрение пациентам с проблемной (истонченной, имеющей рубцы) роговицей и сверхвысокими степенями близорукости, дальнозоркости и астигматизма.
Кроме того, отечественные офтальмологи уже умеют производить рефракционную замену хрусталика при пресбиопии или даже полную его замену при катаракте на мультифокальную линзу. Это чаще всего необходимо людям пожилого возраста, чтобы они вновь могли видеть без очков как вдаль, так и вблизи и на среднем расстоянии.
Но если у пациента нет серьезных болезней роговицы, катаракты или повышенного внутриглазного давления (глаукомы), то лазерная внутрироговичная процедура имеет, конечно, меньше всего противопоказаний и, что немаловажно, дает меньше ограничений дальнейшей жизни пациента. После ReLEx SMILE человек возвращается к своей обычной жизни уже на следующий день — нет никаких ограничений на занятия спортом, вождение автомобиля, посещения сауны или бассейна. Можно наносить косметику.
В отличие от более ранних манипуляций с роговицей (особенно это было характерно для нелазерной хирургической кератотомии), метод SMILE не требует ничего похожего на «год не поднимать ничего тяжелее стакана и никогда ни при каких обстоятельствах не ударяться головой». Просто в течение двух недель нужно закапывать специальные капли. В других аспектах пациенты никак не ограничены.
Для сравнения — после методики ФРК (когда выжигается значительная площадь роговицы) реабилитация составляет до месяца, когда человек вынужден не только закапывать капли, но и носить защитные контактные линзы. О полноценной физической активности речи не идет, контакт с водой категорически противопоказан.
При лоскутных технологиях (LASIK и его фемтосекундная модификация — Femto-LASIK) — реабилитация несколько меньше, но категорически нельзя прикасаться к глазам (тереть их), так как можно не только занести инфекцию, но и сместить лоскут («крышечку»). В дальнейшем после LASIK пациентам не рекомендуется заниматься спортом, где есть риск травмирования глаз, то есть нет боксу, футболу, борьбе и тому подобным видам, поскольку смещение лоскута может приводить к очень неприятным последствиям. После SMILE — операции наш глаз остается хрупким органом, но не более хрупким, чем у всякого здорового человека.
Так неужели современная офтальмология может все? Нет, конечно, не все. Медицине еще предстоит разобраться и понять, как можно:
Не исключено, что физика и в этих вопросах сможет помочь медицине. Со временем.
Ася Михеева,
миопия -9, астигматизм -3, склеропластика на оба глаза, коагуляция сетчатки на оба глаза