Udviklingen af fotodisruption og dens anvendelse i oftalmologi kan inddeles i faser efter varigheden af den pulsbredde, der anvendes til at foretage vævsforandringer under overfladen. For første gang i 1970’erne kunne øjenlæger anvende ikke-lineær absorption til behandling af åbenvinklet glaukom med en Q-switched rubinlaser1 . Et årti senere begyndte kirurger at bruge ikke-lineær ablation med en Q-switched Nd:YAG-laser til at skære den bageste kapsel af den krystallinske linse efter posterior kapselopacificering2,3 ved at inducere multiphoton absorption.

Omtrent samtidig opdagede Josef Bille, PhD, og Stuart Brown, MD, at de kunne skabe høj intensitet ved betydeligt lavere pulsenergier ved at forkorte pulslængden af en laserplatform, hvilket førte til større præcision i behandlingen af væv. Med Tibor Juhasz, PhD, som chefforsker, udviklede dette team i den nystartede virksomhed Intelligent Surgical Lasers en prototype-laser, der opererede ved en bølgelængde på 1,053 μm og udsendte pulser af flere tiendedele picosekunders varighed og flere millijoules pulsenergi4,5 . Selv om denne laser ikke nåede det tilsigtede mål – reproducerbare intrastromale ablationer – tjente den som springbræt til udformningen af den første femtosekondlaser.

Siden IntraLase femtosekondlaseren (nu Abbott Medical Optics Inc.) blev introduceret til flapfremstilling, har fire andre refraktiv kirurgiske femtosekundslasere fundet vej til markedet: Femtec (Technolas Perfect Vision), Femto LDV (Ziemer Ophthalmic Systems AG), FS200 (Alcon Laboratories, Inc.) og VisuMax (Carl Zeiss Meditec).

Ophthalmiske femtosekunderlasere fremmer sikker kirurgi og hurtige helingstider, fordi de kan bearbejde væv og andre materialer i et 3D-volumen uden at ændre dets overflade. Denne platforms succes inden for refraktiv kirurgi og for nylig også inden for kataraktkirurgi er baseret på to unikke egenskaber: (1) den ikke-lineære absorptionsproces og (2) ekstremt høj præcision og lave bivirkninger som følge af det lave energiniveau, der er nødvendigt for fotodisruption. Med laserens ikke-lineære absorptionsproces kan kirurgen bearbejde vævet tredimensionelt uden at være begrænset af nogen overflade. (Dette adskiller sig fra lineær absorption, som f.eks. ved excimerlaser hornhindeomdannelse, der sker direkte ved overfladen af det absorberende væv og er bestemt af bølgelængden og vævets absorptionsegenskaber). Femtosekunderlasere har mange oftalmiske anvendelser, som behandles nedenfor.

UNIKKE KUNDSKABER

Billeddannelse. Oftalmiske femtosekunderlasere anvender en 3D-scanningsprocedure til vævsskæring. Den samme 3D-stråleafgivelse, der anvendes til at opløse vævet, kan også anvendes til at afbilde skæreprocessen før, under og efter operationen. Målvævet kan scannes til billeddannelse uden tilføjelse af scanningsspejle eller linser. Den første generation af femtosekundlaser-kataraktkirurgi gør allerede brug af denne unikke egenskab ved at lade en OCT-stråle (optisk kohærenstomografi) passere langs laserstrålens bane for at afbilde målvævet. Dette kan gøres før operationen for at navigere laserimpulserne.

Denne samme funktion anvendes endnu ikke i femtosekunderlasere til corneal refraktiv kirurgi, men den vil uden tvivl blive indført, efterhånden som OCT-teknologien bliver mere overkommelig. I øjeblikket er der kun én femtosekundlaser-hornhindekirurgisk platform, der omfatter en billeddannelsesfunktion, nemlig CorneaSurgeon (Rowiak GmbH), som forbereder hornhinde-donorvæv til keratoplasty.

Femtosekunderlasere kan også bruges til at udføre second harmonic imaging og multiphoton fluorescensafbildning for at levere billeder med høj opløsning,6-8 med mulighed for at levere oplysninger om anatomien såvel som de metaboliske forhold i vævet.

Turbidt væv. Turbidt hornhindevæv inducerer meget stærk spredning. Heldigvis er spredningen med lange infrarøde bølgelængder meget lav, hvilket gør det muligt at behandle grumset væv ved overfladen, i dybere lag og selv i sklerotiske krystallinske linser og skleralt væv.9-11 I fremtiden vil øjenlæger måske kunne bruge denne funktion af femtosekunderlaseren til at behandle glaukom med nye kirurgiske procedurer.

Behandlingshastigheder. I dag kan oftalmiske femtosekondelasere levere gentagelseshastigheder i kilohertz-området med tilstrækkeligt høje pulsenergier. I fremtiden vil det måske være muligt at anvende laserrepetitionshastigheder i megahertz-området, hvilket vil reducere behandlingstiden yderligere.

NYTTE ANVENDELSER

Laserkataraktkirurgi. Dette er den nyeste oftalmiske anvendelse af femtosekondlaseren, og fire virksomheder baner vejen på dette område: OptiMedica Corp. med Catalys Precision Laser, LensAR med LensAR-laserplatformen, Alcon Laboratories, Inc. med LenSx-laserplatformen og Bausch + Lomb med Victus-laseren. Producenten af Victus har oplyst, at laseren er i stand til at udføre katarakt- såvel som hornhinde-refraktive applikationer.

Behandling af traktionelle glaslegemstilhæftninger. I den nærmeste fremtid kan ultrakorte laserimpulser muligvis erstatte posteriore vitrektomi til behandling af traktionelle glaslegemstilhæftninger. Denne ikke-invasive strategi kræver en vis udvikling, før den er mulig, da laserpulser, der leveres gennem glaslegemet, forvrænges. Dette kræver højere energi, hvilket forårsager akustiske chokbølger og termisk skade. Hvis det imidlertid lykkes at integrere adaptiv optik i stråleafgivelsen, kan disse optiske aberrationer elimineres, hvorved man opnår et velfokuseret, højt opløst laserspot (figur 1).12

Virkning af presbyopi. En anden lovende anvendelse af femtosekunderlaseren er omvendelse af presbyopi ved at genskabe den krystallinske linses fleksibilitet. Håbet er, at femtosekundelaseren kan bruges til at lave mikroindsnit inde i linsen uden kirurgisk åbning af øjet (figur 2). Disse mikrokanaler kan reducere den indre friktion i linsevævet og fungere som glideflader. Når disse lasersnit blev udført i kaninøjne, forårsagede de ikke kataraktvækst eller sårhelingsanormaliteter. 13-15 Når de blev anvendt på menneskelige obduktionsøjne, sås en gennemsnitlig stigning på 100 μm i den anteroposterior linsetykkelse, svarende til en 2,00 til 3,00 D gevinst i akkomodationsamplitude (figur 3).

Refraktivt indeksformning. Hvis femtosekondelaserens intensitet forbliver lige under tærsklen for optisk nedbrydning, er det muligt at skabe plasma med lav tæthed, hvilket vil give frie elektroner mulighed for at interagere med det omgivende væv. Disse kemiske reaktioner kan resultere i små ændringer i det optiske medies brydningsindeks, og dette fænomen kan bruges til at programmere diffraktive linser i hornhinden eller den krystallinske linse. I dyreforsøg har det vist sig, at formning af brydningsindekset er stabil i flere uger eller måneder;16 dette princip kunne også bruges til at justere styrken af en IOL in situ.17

Corneal collagen crosslinking (CXL). Det kan være muligt at anvende ultrakorte laserpulser på den bageste cornea eller på scleralt væv ved hjælp af to-foton absorption. Kirurger kan derfor anvende CXL på dybere områder af øjet for at opnå yderligere gavnlige virkninger hos patienter med keratoconus.

Reversion af katarakt. Fotoafblegning, eller anvendelse af multiphoton absorption til fotokemisk at ødelægge absorberende, fluorescerende og spredte proteinaggregater inde i kernen, kan fjerne den gule farve i den krystallinske linse. I et forsøg blev 18 menneskelige donorlinser behandlet med en infrarød 800 nm infrarød femtosekunders pulserende laser. Efter behandlingen fandt forskerne, at den aldersrelaterede gule misfarvning af linsen blev reduceret, og at lysgennemgangen blev øget. Endelig kan det ved hjælp af kohærent kontrol, en kvantemekanisk baseret metode til styring af dynamiske lysprocesser, være muligt at foretage en selektiv blegning af den krystallinske linse.19

KONKLUSION

Høje niveauer af kirurgisk præcision er mulige med femtosekunderlasere, og øjenlæger har allerede gjort god brug af denne teknologi, oprindeligt inden for refraktiv kirurgi og nu også inden for kataraktkirurgi. Grænserne inden for nethinde- og glaukomkirurgi er ikke langt bagefter.

TAKE-HOME MESSAGE

• Femtosekundlasere fremmer sikker kirurgi og hurtige helingstider, fordi de kan bearbejde væv og andre materialer inden for et 3D-volumen uden at ændre dets overflade.
• Nyttige egenskaber ved femtosekunderlasere omfatter billeddannelse, lange infrarøde bølgelængder og høje reptitionshastigheder.
• Potentielle anvendelser omfatter laserkataraktkirurgi, behandling af traktionelle glaslegemstilhæftninger, omvendelse af presbyopi, formning af brydningsindeks, CXL og omvendelse af grå stær.

Holger Lubatschowski, PhD, er administrerende direktør hos Rowiak GmbH, Tyskland. Professor Lubaschowski oplyser, at han har en økonomisk interesse i området femtosekund laserassisteret kirurgi, og han er aktionær i Rowiak GmbH. Han kan kontaktes på e-mail: [email protected].

1. Krasnov M.Laserpunktion af forreste kammervinkel ved glaukom (en foreløbig rapport).Vestn Oftalmol. 1972;3:27-31.
2. Aron-Rosa D,Aron JJ,Griesemann JC,Thyzel R.Use of the neodymium-YAG laser to open the posterior capsule after lens implant surgery:a preliminary report.J Am Intraocul Implant Soc.1980;6(4):352-354.
3. Fankhauser F,Roussel P,Steffen J,Van der Zypen E,Chrenkova A.Clinical studies on the efficiency of high power laser radiation upon some structures of the anterior segment of the eye.First experiences of the treatment of some pathological conditions of the anterior segment of the human eye by means of a Q-switched laser.Int Ophthalmol. 1981;3(3):129-139.
4. Remmel R,Dardenne C,Bille J.Intrastromal tissue removal using an infrared picosecond Nd:YLF ophthalmic laser operating at 1053 nm.Laser Light Ophthalmol.1992;4(3/4):169-173.
5. Niemz MH,Hoppeler TP,Juhasz T,Bille J.Intrastromal ablation til refraktiv hornhindekirurgi ved hjælp af picosecond infrarøde laserpulser.Laser Light Ophthalmol.1993;5(3):149-155.
6. Gibson EA,Masihzadeh O,Lei TC,Ammar DA,Kahook MY.Multiphoton mikroskopi til oftalmisk billeddannelse. J Ophthalmol.2011.doi:10.1155/2011/87079.
7. Zipfel WR,Williams RM,Webb WW.Nonlinear magic:multiphoton microscopy in the biosciences.Nat Biotechnol. 2003;21(11):1369-1377.
8. Helmchen F,Denk W.Deep tissue two photon microscopy.Nat Methods.2005;2(12):932-940.
9. Sacks ZS,Kurtz RM,Juhasz T,Spooner G,Mouroua GA.Subsurface photodisruption in human sclera:wavelength dependence.Ophthalmic Surg Lasers Imaging.2003;34(2):104-113.
10. Chai D,Chaudhary G,Mikula E,Sun H,Kurtz R,Juhasz T.In vivo femtosecond laser subsurface scleral treatment in rabbit eyes.Lasers Surg Med.2010;42(7):647-651.
11. Plamann K,Aptel F,Arnold CL,et al.Ultrashort pulse laser kirurgi af cornea og sclera. J Optic. 2011;12(8).doi:10.1088/2040-8978/12/8/08/084002.
13. Hansen A,Ripken T,Krueger RR,Lubatschowski H.Lowering threshold energy for femtosecond laser pulse photodisruption through turbid media using adaptive optics.Paper presented at:Ophthalmic Technologies XXI;January 22,2011;San Francisco.
14. Krueger RR,Kuszak J,Lubatschowski H,Myers RI,Ripken T,Heisterkamp A.First safety study of femtosecond laser photodisruption in animal lenses:tissue morphology and cataractogenesis.J Cataract Refract Surg.2005;31(12):2386-2394.
15. .Schumacher S,Oberheide U,Fromm M,et al.Femtosecond laser induceret fleksibilitetsændring af humane donorlinser.Vision Res.2009;49(14):1853-1859.
16. Lubatschowski H,Schumacher S,Fromm M,et al.Femtosecond lentotomi:generering af glideplaner inde i den krystallinske linse for at genvinde akkommodationsevnen.J Biophotonics.2010;3(5-6):265-268.
17. Ding L,Knox WH,Bühren,Nagy LJ,Huxlin KR.Intratissue refractive index shaping (IRIS) of the cornea and lens using a low-pulse-energy femtosecond laser oscillator.Invest Ophthalmol Vis Sci.2008;49(12):5332-5339.
18. Bille JF.Generation and in situ modification of customized IOLs.Paper presented at:the ASCRS Symposium of Cataract,IOL and Refractive Surgery;March 28,2011;San Diego.
19. Kessel L,Eskildsen L,van der Poel M,Larsen M.Non-invasive bleaching of the human lens by femtosecond laser photolysis.PLoS ONE.2011;5(3):e9711.
20. König K,Uchugonova A,Straub M,et al.Sub-100nm material processing with sub-15 femtosecond picojoule near infrared laser pulses.Paper presented at:Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XI;January 23,2011; San Francisco.