Utvecklingen av fotodisruption och dess tillämpning inom oftalmologin kan kategoriseras i etapper efter varaktigheten av den pulsbredd som används för att utföra förändringar av vävnad under ytan. För första gången på 1970-talet kunde oftalmologer använda icke-linjär absorption för att behandla öppenvinkelglaukom med en Q-switchad rubinlaser1 . Ett decennium senare började kirurgerna använda icke-linjär ablation med en Q-switchad Nd:YAG-laser för att skära upp den bakre kapseln i den kristallina linsen efter bakre kapselöppning2,3 genom att inducera multi-fotonabsorption.

Ungefär samtidigt upptäckte Josef Bille, PhD, och Stuart Brown, MD, att de kunde skapa hög intensitet vid betydligt lägre pulsenergier genom att förkorta pulslängden för en laserplattform, vilket ledde till högre precision vid bearbetning av vävnad. Med Tibor Juhasz, PhD, som chefsforskare, konstruerade detta team vid det nystartade företaget Intelligent Surgical Lasers en prototyplaser som fungerade vid en våglängd på 1 053 μm och sände ut pulser med en varaktighet på flera tiotals picosekunder och en pulsenergi på flera millijoules.4,5 Även om denna laser inte uppnådde det avsedda målet – reproducerbara intrastromala ablationer – tjänade den som en språngbräda för utformningen av den första femtosekundlasern.

Sedan IntraLase femtosekundlasern (numera Abbott Medical Optics Inc.) introducerades för skapande av klaffar har fyra andra femtosekundlasrar för refraktiv kirurgi kommit ut på marknaden: Femtec (Technolas Perfect Vision), Femto LDV (Ziemer Ophthalmic Systems AG), FS200 (Alcon Laboratories, Inc.) och VisuMax (Carl Zeiss Meditec).

Othalmiska femtosekundlasrar främjar säker kirurgi och snabba läkningstider eftersom de kan bearbeta vävnad och andra material inom en 3D-volym utan att förändra dess yta. Framgången för denna plattform inom refraktiv kirurgi och, på senare tid, kataraktkirurgi bygger på två unika egenskaper: (1) den icke-linjära absorptionsprocessen och (2) extremt hög precision och låga bieffekter till följd av den låga energinivå som krävs för fotodisruption. Med laserns icke-linjära absorptionsprocess kan kirurgen bearbeta vävnad tredimensionellt utan att begränsas av någon yta. (Detta skiljer sig från linjär absorption, t.ex. vid hornhinneomvandling med excimerlaser, som sker direkt vid den absorberande vävnadens yta och bestäms av våglängden och vävnadens absorptionsegenskaper). Femtosekundlaser har många oftalmiska tillämpningar som diskuteras nedan.

UNIKA KUNSKAPSEGenskaper

Avbildning. Oftalmiska femtosekundlasrar använder ett 3D-skanningsförfarande för vävnadsskärning. Samma 3D-strålning som används för att störa vävnaden kan också användas för att avbilda skärningsprocessen före, under och efter operationen. Målvävnaden kan skannas för avbildning utan tillägg av skanningsspeglar eller linser. Den första generationen femtosekundlaserkataraktkirurgi använder sig redan av denna unika egenskap genom att skicka en OCT-stråle (optical coherence tomography) längs laserstrålens bana för att avbilda målvävnaden. Detta kan göras före operationen för att navigera laserpulserna.

Den här funktionen används ännu inte i femtosekundlasrar för refraktiv kirurgi på hornhinnan, men den kommer utan tvekan att införas när OCT-tekniken blir mer prisvärd. För närvarande innehåller endast en femtosekundlaserplattform för hornhinnekirurgi en avbildningsfunktion, CorneaSurgeon (Rowiak GmbH), som förbereder hornhinnedonatorvävnad för keratoplastik.

Femtosekundlaser kan också användas för att utföra second harmonic imaging och multiphoton fluorescensavbildning för att leverera högupplösta bilder,6-8 med möjlighet att leverera information om såväl anatomi som metaboliska förhållanden i vävnaden.

Turbid vävnad. Turbid hornhinnevävnad inducerar mycket stark spridning. Lyckligtvis är spridningen med långa infraröda våglängder mycket låg, vilket gör det möjligt att bearbeta grumlig vävnad på ytan, i djupare skikt och till och med i sklerotiska kristallina linser och skleral vävnad.9-11 I framtiden kan oftalmologer kanske använda denna funktion hos femtosekundlasern för att behandla glaukom med nya kirurgiska ingrepp.

Bearbetningshastigheter. Idag kan oftalmiska femtosekundlasrar leverera repetitionshastigheter i kilohertzområdet med tillräckligt höga pulsenergier. I framtiden kan det bli möjligt att använda repetitionsfrekvenser för laserleveranser i megahertzområdet, vilket ytterligare minskar behandlingstiderna.

NYA ANVÄNDNINGAR

Laserkataraktkirurgi. Detta är den nyaste oftalmiska tillämpningen av femtosekundlasern, med fyra företag som banar väg på denna arena: OptiMedica Corp. med Catalys Precision Laser, LensAR med laserplattformen LensAR, Alcon Laboratories, Inc. med laserplattformen LenSx och Bausch + Lomb med Victus. Tillverkaren av Victus har uppgett att lasern har kapacitet att utföra såväl katarakt- som hornhinnerefraktiva tillämpningar.

Behandling av traktionella glaskroppsinfästningar. Inom en nära framtid kan ultrakorta laserpulser ersätta bakre vitrektomi för behandling av traktionella glaskroppsinfästningar. Denna icke-invasiva strategi kräver viss utveckling innan den är möjlig, eftersom laserpulser som levereras genom glaskroppen förvrängs. Detta kräver högre energi, vilket orsakar akustiska chockvågor och termisk skada. Om adaptiv optik framgångsrikt kan införlivas i strålleveransen kan dock dessa optiska aberrationer elimineras, vilket ger en välfokuserad, högupplöst laserpunkt (figur 1).12

Växlande av presbyopi. En annan lovande tillämpning av femtosekundlasern är att reversera presbyopi genom att återställa den kristallina linsens flexibilitet. Förhoppningen är att femtosekundlasern kan användas för att skapa mikroincisioner inuti linsen utan att kirurgiskt öppna ögat (figur 2). Dessa mikrokanaler skulle kunna minska den inre friktionen i linsvävnaden och fungera som glidplan. När dessa lasersnitt gavs till kaninögon orsakade de inte någon katarakttillväxt eller sårläkningsavvikelser. 13-15 När de applicerades på mänskliga autopsiögon sågs en genomsnittlig ökning på 100 μm i den anteroposteriora linsens tjocklek, vilket motsvarade en ökning av den ackommodativa amplituden med 2,00 till 3,00 D (figur 3).

Förbättring av det refraktiva indexet. Om femtosekundlaserns intensitet ligger strax under tröskeln för optisk nedbrytning är det möjligt att skapa plasma med låg densitet, vilket gör det möjligt för fria elektroner att interagera med den omgivande vävnaden. Dessa kemiska reaktioner kan leda till små förändringar i brytningsindexet hos optiska medier, och detta fenomen kan användas för att programmera diffraktiva linser i hornhinnan eller den kristallina linsen. I djurstudier har formning av brytningsindex visat sig vara stabil i flera veckor eller månader;16 denna princip skulle också kunna användas för att justera styrkan hos en IOL in situ.17

Corneal collagen crosslinking (CXL). Ultrakorta laserpulser som appliceras på den bakre hornhinnan eller på skleralvävnad kan vara möjliga med hjälp av tvåfotonabsorption. Kirurger skulle därför kunna tillämpa CXL på djupare områden i ögat för ytterligare positiva effekter hos patienter med keratokonus.

Reversion av katarakt. Fotoblekning, eller användning av flerfotonabsorption för att fotokemiskt förstöra absorberande, fluorescerande och spridande proteinaggregat inne i kärnan, kan avlägsna gulfärgningen av den kristallina linsen. I ett experiment behandlades 18 mänskliga donatorlinser med en 800 nm infraröd femtosekundspulserad laser. Efter behandlingen fann forskarna att den åldersrelaterade gula missfärgningen av linsen minskade och att ljusöverföringen ökade. Slutligen kan det med hjälp av koherent kontroll, en kvantmekaniskt baserad metod för att kontrollera dynamiska ljusprocesser, vara möjligt att selektivt bleka den kristallina linsen.19

KONKLUSION

Hög kirurgisk precision är möjlig med femtosekundlaser, och oftalmologer har redan utnyttjat denna teknik på ett bra sätt, ursprungligen inom refraktiv kirurgi och nu även inom kataraktkirurgi. Gränserna för näthinnekirurgi och glaukomkirurgi ligger inte långt efter.

TAKE-HOME MESSAGE

• Femtosekundlaser främjar säker kirurgi och snabba läkningstider eftersom de kan bearbeta vävnad och andra material inom en 3D-volym utan att förändra dess yta.
• Nyttiga egenskaper hos femtosekundlasrar är bland annat avbildningsförmåga, långa infraröda våglängder och hög reptitionshastighet.
• Potentiella tillämpningar är bland annat laserkataraktkirurgi, behandling av traktionella glaskroppsinfästningar, omvänd presbyopi, formning av brytningsindex, CXL och omvänd katarakt.

Holger Lubatschowski, doktor i fysik, är vd för Rowiak GmbH i Tyskland. Professor Lubaschowski uppger att han har ett ekonomiskt intresse inom området femtosekundlaserassisterad kirurgi, och han är aktieägare i Rowiak GmbH. Han kan nås via e-post: [email protected].

1. Krasnov M.Laser puncture of anterior chamber angle in glaucoma (a preliminary report).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 ablations for refractive corneal surgery using picosecond infrared laser pulses.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 femtosekundlaser 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 surgery of the cornea and the sclera. J Optic. 2011;12(8).doi:10.1088/2040-8978/12/8/08/084002.
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.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 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.
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.
18. 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.
19. König K,Uchugonova A,Straub M,et al.Sub-100nm materialbearbetning med sub-15 femtosekund picojoule nära infraröda laserpulser.Paper presented at:Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XI;January 23,2011; San Francisco.