Fotohäirinnän kehitys ja sen soveltaminen silmälääketieteessä voidaan luokitella vaiheisiin sen mukaan, kuinka pitkää pulssin leveyttä käytetään pinnanalaisen kudosmuutoksen suorittamiseen. Ensimmäisen kerran 1970-luvulla silmälääkärit pystyivät käyttämään epälineaarista absorptiota avokulmaglaukooman hoitoon Q-kytkentäisellä rubiinilaserilla.1 Kymmenen vuotta myöhemmin kirurgit alkoivat käyttää epälineaarista ablaatiota Q-kytkentäisellä Nd:YAG-laserilla kiteisen linssin takakapselin leikkaamiseen posteriorisen kapselitummennuksen jälkeen2,3 indusoimalla multifotoniabsorptiota.

Samoihin aikoihin filosofian tohtori Josef Bille ja lääketieteen tohtori Stuart Brown havaitsivat voivansa saada aikaan suurta intensiteettiä huomattavasti alhaisemmilla pulssienergioilla lyhentämällä laseralustan pulssin kestoaikaa, mikä johti suurempaan tarkkuuteen kudoksen käsittelyssä. Aloittelevan Intelligent Surgical Lasers -yrityksen tiimi, jonka johtavana tutkijana toimi tohtori Tibor Juhasz, kehitti prototyyppilaserin, joka toimi 1 053 μm:n aallonpituudella ja lähetti pulsseja, joiden kesto oli useita kymmeniä pikosekunteja ja pulssin energia useita millijouleja.4,5,5 Vaikka tämä laser ei saavuttanut aiottua tavoitettaan – toistettavia intrastromaalisia ablaatioita – se toimi ponnahduslautana ensimmäisen femtosekuntilaserin suunnittelulle.

Sen jälkeen, kun IntraLase-femtosekuntilaser (nykyisin Abbott Medical Optics Inc.) otettiin käyttöön läppien luomiseen, markkinoille on tullut neljä muuta taitekirurgista femtosekuntilaseria: Femtec (Technolas Perfect Vision), Femto LDV (Ziemer Ophthalmic Systems AG), FS200 (Alcon Laboratories, Inc.) ja VisuMax (Carl Zeiss Meditec).

Silmänsisäiset femtosekuntilaserit edistävät turvallista kirurgiaa ja nopeaa paranemista, koska niillä voidaan käsitellä kudosta ja muita materiaaleja kolmiulotteisen tilavuuden sisällä muuttamatta sen pintaa. Tämän alustan menestys taittovirhe- ja viime aikoina myös kaihileikkauksissa perustuu kahteen ainutlaatuiseen ominaisuuteen: (1) epälineaariseen absorptioprosessiin ja (2) erittäin suureen tarkkuuteen ja vähäisiin sivuvaikutuksiin, jotka johtuvat valohajoamiseen tarvittavasta alhaisesta energiatasosta. Laserin epälineaarisen absorptioprosessin ansiosta kirurgi voi käsitellä kudosta kolmiulotteisesti ilman, että mikään pinta rajoittaa sitä. (Tämä eroaa lineaarisesta absorptiosta, kuten excimer-laserin sarveiskalvon uudelleenmuokkauksessa, joka tapahtuu suoraan absorboivan kudoksen pinnalla ja joka määräytyy aallonpituuden ja kudoksen absorptio-ominaisuuksien mukaan). Femtosekuntilaserilla on monia silmälääketieteellisiä sovelluksia, joita käsitellään jäljempänä.

MERKITTÄVÄT OMINAISUUDET

Kuvantaminen. Silmälääketieteellisissä femtosekuntilasereissa käytetään kudosleikkaukseen kolmiulotteista skannausmenetelmää. Samaa kolmiulotteista säteenjakoa, jota käytetään kudoksen katkaisemiseen, voidaan käyttää myös leikkausprosessin kuvaamiseen ennen leikkausta, sen aikana ja sen jälkeen. Kohdekudos voidaan skannata kuvantamista varten ilman skannauspeilejä tai -linssejä. Ensimmäisen sukupolven femtosekuntilaser-katarakirurgiassa hyödynnetään jo tätä ainutlaatuista ominaisuutta johtamalla optinen koherenssitomografiasäde (OCT) lasersäteen kulkua pitkin kohdekudoksen kuvaamiseksi. Tämä voidaan tehdä ennen leikkausta laserpulssien ohjaamiseksi.

Tätä samaa ominaisuutta ei vielä käytetä sarveiskalvon taitekirurgian femtosekuntilaserissa, mutta se otetaan epäilemättä käyttöön, kun OCT-tekniikka tulee edullisemmaksi. Tällä hetkellä vain yksi femtosekuntilaser-sarveiskalvon leikkausalusta sisältää kuvantamistoiminnon, CorneaSurgeon (Rowiak GmbH), joka valmistelee sarveiskalvon luovuttajakudosta keratoplastiikkaa varten.

Femtosekuntilasereita voidaan käyttää myös toisen harmonisen kuvantamisen ja multifotonifluoresenssikuvantamisen suorittamiseen, jolloin saadaan korkearesoluutioisia kuvia,6-8 joiden avulla voidaan tuottaa tietoa kudoksen anatomiasta sekä aineenvaihdunnallisista olosuhteista.

Turbidi kudos. Samea sarveiskalvokudos aiheuttaa erittäin voimakasta sirontaa. Onneksi pitkillä infrapuna-aallonpituuksilla sironta on hyvin vähäistä, jolloin sameaa kudosta voidaan käsitellä sen pinnalla, syvemmissä kerroksissa ja jopa skleroottisissa kiteisissä linsseissä ja sklerakudoksessa.9-11 Tulevaisuudessa silmälääkärit voivat ehkä käyttää tätä femtosekuntilaser-toimintoa glaukooman hoitamiseen uudenlaisilla kirurgisilla toimenpiteillä.

Käsittelynopeudet. Nykyään silmälääketieteellisillä femtosekuntilasereilla voidaan tuottaa toistotaajuuksia kilohertsin alueella riittävän suurilla pulssienergioilla. Tulevaisuudessa voi olla mahdollista käyttää laserien toistotaajuuksia megahertsialueella, mikä lyhentää käsittelyaikoja entisestään.

UUDET SOVELLUKSET

Laserkatarakirurgia. Tämä on femtosekuntilaserien uusin silmälääketieteellinen sovellus, ja neljä yritystä valmistelee tietä tälle alalle: OptiMedica Corp. Catalys Precision Laser -laserillaan, LensAR LensAR-laseralustallaan, Alcon Laboratories, Inc. LenSx-laseralustallaan ja Bausch + Lomb Victus -laserillaan. Victus-laserin valmistaja on todennut, että laserilla voidaan tehdä sekä kaihi- että sarveiskalvon taittovärjäyssovelluksia.

Traktionaalisten lasiaisliitosten hoito. Lähitulevaisuudessa ultranopeat laserpulssit saattavat korvata lasiaisen takapuolen poiston lasiaisen kiinnikkeiden hoidossa. Tämä noninvasiivinen strategia vaatii jonkin verran kehittämistä ennen kuin se on mahdollista, sillä lasiaisen läpi annetut laserpulssit vääristävät. Tämä edellyttää suurempaa energiaa, mikä aiheuttaa akustisia shokkiaaltoja ja lämpövaurioita. Jos adaptiivinen optiikka voidaan kuitenkin onnistuneesti sisällyttää säteen toimittamiseen, nämä optiset aberraatiot voidaan eliminoida, jolloin saavutetaan hyvin fokusoitu, erittäin erottelukykyinen laserpiste (kuva 1).12

Reversing presbyopia. Toinen lupaava femtosekuntilaser-sovellus on presbyopian kääntäminen palauttamalla kiteisen linssin joustavuus. Toiveena on, että femtosekuntilaserilla voidaan luoda mikroviiltoja linssin sisälle avaamatta silmää kirurgisesti (kuva 2). Nämä mikrokanavat voisivat vähentää linssikudoksen sisäistä kitkaa ja toimia liukutasoina. Kun nämä laserviillot annettiin kanin silmiin, ne eivät aiheuttaneet harmaakaihin kasvua tai haavan paranemisen poikkeavuuksia. 13-15 Kun laserleikkauksia sovellettiin ihmisen ruumiinavaussilmiin, linssin anteroposteriorinen paksuus kasvoi keskimäärin 100 μm, mikä vastasi akkommodatiivisen amplitudin 2,00-3,00 D:n lisäystä (kuva 3).

Taitekertoimen muotoilu. Jos femtosekuntilaserin intensiteetti pysyy hieman optisen hajoamisen kynnyksen alapuolella, on mahdollista luoda pienitiheyksinen plasma, joka mahdollistaa vapaiden elektronien vuorovaikutuksen ympäröivän kudoksen kanssa. Nämä kemialliset reaktiot voivat johtaa pieniin muutoksiin optisten väliaineiden taitekertoimessa, ja tätä ilmiötä voitaisiin käyttää diffraktiivisten linssien ohjelmoimiseen sarveiskalvoon tai kiteiseen linssiin. Eläinkokeissa taitekertoimen muokkauksen on osoitettu pysyvän vakaana useita viikkoja tai kuukausia;16 tätä periaatetta voitaisiin käyttää myös IOL:n voimakkuuden säätämiseen paikan päällä.17

Sarveiskalvon kollageenin ristisilloitus (CXL). Sarveiskalvon takaosaan tai sklerakudokseen kohdistuvat ultralyhyet laserpulssit voivat olla mahdollisia käyttämällä kaksifotonista absorptiota. Näin ollen kirurgit voisivat soveltaa CXL:ää silmän syvemmille alueille saadakseen lisää suotuisia vaikutuksia potilaisiin, joilla on keratokonus.

Kaihin korjaaminen. Valokuvavalkaisu eli monifotoni-absorption käyttäminen absorboivien, fluoresoivien ja siroavien proteiiniaggregaattien fotokemialliseen tuhoamiseen ytimen sisällä voi poistaa kiteisen linssin kellastumisen. Eräässä kokeessa 18 ihmisen luovuttajalinssiä käsiteltiin 800 nm:n infrapuna-femtosekuntipulssilaserilla. Käsittelyn jälkeen tutkijat havaitsivat, että linssien ikään liittyvä keltainen värimuutos väheni ja valon läpäisy lisääntyi. Lopuksi, käyttämällä koherenttia ohjausta, joka on kvanttimekaniikkaan perustuva menetelmä dynaamisten valoprosessien ohjaamiseksi, saattaisi olla mahdollista valkaista kiteistä linssiä valikoivasti.19

YHTEENVETO

Femtosekuntilaserilla on mahdollista saavuttaa suuri kirurginen tarkkuus, ja silmälääkärit ovat jo hyödyntäneet tätä tekniikkaa hyvin, alunperin taittovirhekirurgiassa ja nykyään myös kaihileikkauksissa. Verkkokalvo- ja glaukoomakirurgian rajat eivät ole kaukana takana.

TOIMENPITEET

• Femtosekuntilaserit edistävät turvallista kirurgiaa ja nopeaa paranemista, koska niillä voidaan käsitellä kudosta ja muita materiaaleja kolmiulotteisen tilavuuden sisällä muuttamatta sen pintaa.
• Femtosekuntilasereiden hyödyllisiin ominaisuuksiin kuuluvat kuvantamiskyky, pitkät infrapuna-aallonpituudet ja korkeat reptointinopeudet.
• Potentiaalisia käyttökohteita ovat muun muassa laserkataraktakirurgia, lasiaisen tractionaalisten kiinnittymien hoito, presbyopian kääntäminen, taitekerroinmuokkaus, CXL ja kaihin peruuttaminen.

Tohtori, tohtorikoulutuksen suorittanut Holger Lubatschowski toimii toimitusjohtajana saksalaisyrityksessä Rowiak GmbH. Professori Lubaschowski ilmoittaa, että hänellä on taloudellisia intressejä femtosekuntilaser-avusteisen kirurgian alalla, ja hän on Rowiak GmbH:n osakas. Hänet tavoittaa sähköpostitse: [email protected].

1. Krasnov M. Etukammiokulman laserpunktio glaukoomassa (alustava raportti).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.Kliiniset tutkimukset suuritehoisen lasersäteilyn tehosta silmän etusegmentin eräisiin rakenteisiin.Ensimmäiset kokemukset ihmisen silmän etusegmentin eräiden patologisten tilojen hoidosta Q-kytkentäisellä laserilla.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 ablations for refraktiivisessa sarveiskalvokirurgiassa käyttäen pikosekunnin infrapunalaserpulsseja.Laser Light Ophthalmol.1993;5(3):149-155.
6. Gibson EA,Masihzadeh O,Lei TC,Ammar DA,Kahook MY.Multiphoton microscopy for ophthalmic imaging. 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 scleraal treatment in rabbit eyes.Lasers Surg Med.2010;42(7):647-651.
11. Plamann K,Aptel F,Arnold CL,et al.Ultrashort pulse laser surgery of the cornea and the sclera. J Optic. 2011;12(8).doi:10.1088/2040-8978/12/8/084002.
12. 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.
13. 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. ”Ensimmäinen turvallisuustutkimus femtosecond laser photodisruption käytöstä eläinten linsseissä: kudosmorfologia ja kataraktaogeneesi”.J Cataract Refract Surg.2005.;31(12):2386-2394.
14. .Schumacher S,Oberheide U,Fromm M,et al.Femtosecond laser induced flexibility change of human donor lenses.Vision Res.2009;49(14):1853-1859.
15. Lubatschowski H,Schumacher S,Fromm M,et al.Femtosecond lentotomy:generating gliding planes inside the crystalline lens to regain accommodation ability.J Biophotonics.2010;3(5-6):265-268.
16. Ding L,Knox WH,Bühren,Nagy LJ,Huxlin KR.Intratissue refraktioindeksin muotoilu (IRIS) sarveiskalvossa ja linssissä käyttäen matalan pulssin energian femtosekuntilaseroskillaattoria.Invest Ophthalmol Vis Sci.2008;49(12):5332-5339.
17. 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.