لیزرهای فمتوثانیه در چشم پزشکی

امروزه با استفاده از میکروماشین کاری لیزرهای فوق سریع می‏توان با تغییر ضریب شکست بافت چشم از طریق فعل و انفعال های غیر خطی، بینایی را اصلاح کرد.
از اواسط دهه 1200 که برای نخستین بار از عینک به منظور تصحیح بینایی استفاده شد، دانشمندان همواره به دنبال روشی بهتر برای اصلاح بینایی بودند. با اختراع لیزر دریافتند که نور لیزر قادر به تخریب مواد است. حوزه های میکروماشین کاری لیزری و اپتیک غیرخطی نیز پس از این اکتشافات در اوایل دهه 1960 پدیدار شدند.
تأثیر پالس کوتاه لیزر می تواند سبب ایجاد حوزه جدیدی در تحقیق و توسعه شود. از جمله موارد جالب توجه انجمن چشم پزشکی، میکروماشین کاری با لیزر فمتوثانیه در مواد شفاف است. مطالعات تأثیر پهنای زمانی پالس و دیگر خصوصیات لیزر بر روی شیشه های سیلیس، سبب شد میکروماشین کاری با لیزر فمتوثانیه به یک ابزار مفید تبدیل شود.
اگرچه مقالات برجسته زیادی درباره فیزیک میکروماشین کاری فمتوثانیه در مواد مختلف نوشته شده است، اما هدف این مقاله تبیین کاربرد این فرآیند در مواد چشمی به خصوص برای تغییر ضریب شکست موضعی است. تغییر ضریب شکست موضعی در سه بعد، از طبیعت غیرخطی جذب چند فوتونی که هنگام استفاده از لیزرهای فمتوثانیه و در ناحیه شفاف این مواد اتفاق می افتد، نتیجه می شود. با کالیبراسیون دقیق، کنترل برانگیختگی و فرآیند حک[1]، روش های جدیدی برای اصلاح بینایی انسان نتیجه شده است.
در سال 1999 نشان داده شد که با متمرکز کردن پالس های یک لیزر فمتوثانیه با انرژی 2 تا 4 میکرو ژول می توان منطقه استروما[2] قرنیه را لایه برداری کرد. اصلاح ساختاری قرنیه یا با استفاده از برش لایه فلپ[3] با تبخیر بافت توسط لیزر اگزایمر (فرآیندی که لیزیک نام دارد)[4] انجام می شود و یا با ایجاد یک بخش عدسی گونه در فرآیندی تحت عنوان [5]SMILE، انجام می شود. بنا به تشخیص جامعه چشم پزشکان، دقت و کنترل بالاتر برش فمتوثانیه ای سبب شد که این روش به سرعت جایگزین روش تیغه مکانیکی سابق یا میکروکراتوم[6] شود.
علیرغم موفقیت چشمگیر لیزیک، تاکنون فقط 2% از افرادی که نیازمند اصلاح ضریب شکست بودند از روش لیزیک استفاده کرده اند. بنابراین به نظر می رسد که بازارهای دیگری برای روش های غیر از جراحی و بدون برش بافت وجود دارد.
درحالی که میکروماشین کاری فمتوثانیه ای به طور معمول به سمت برش کاری، سوراخ کاری، تبخیر کردن و یا ایجاد تغییرات ساختاری مهم سوق پیدا کرده است ولی با استفاده از برخی روش ها، می تواند در کمتر از آستانه تخریب مواد خاص نیز استفاده شود تا به جای تخریب، ضریب شکست موضعی را تغییر دهد. به عنوان مثال، می توان موجبرها را با تغییرات کوچک و دقیق ضریب شکست داخل بلوک های شیشه ای به وجود آورد. این تغییر ضریب شکست فقط توسط اسیلاتور لیزری با انرژی پالس نانو ژول ایجاد می شود.
با این پیش زمینه، در سال 2003 بررسی این موضوع آغاز شد که چگونه اسیلاتورهای لیزر فمتوثانیه می توانند تغییرات ضریب شکست زیرآستانه تخریب ماده را در انواع مختلف مواد چشم ایجاد کنند. در هیدروژل[7] های چشمی که معمولاً در ساخت لنزهای داخل چشمی و تماسی استفاده می شوند، می توان اصلاحات ضریب شکست بزرگی (تا 0.06 ±) در شرایط مختلف لیزری ایجاد کرد که در حال حاضر سبب ایجاد سه حوزه کاربردی مهم برای اصلاح بینایی شده است.

لنزهای تماسی
این صنعت همواره به دنبال روش هایی جدید برای تولید لنزهای تماسی ارزان قیمت، چند منظوره و با ویژگی های جدید برای عرضه به بازار بوده است. برای توسعه و ساخت دقیق لنزهای تماسی، سازندگان باید بیش از 20000 لنز مختلف را به صورت آماده در اختیار داشته باشند (ترکیب مختلفی از قدرت کروی، قدرت آستیگماتیسم و محور استوانه ای) که هر یک نیازمند شکل دهی خاص و چرخه طراحی طولانی است. با اعمال اصلاحات ضریب شکست نوع فرنل پیچش فازی[8] در هیدروژل های مورد استفاده در لنزهای تماسی متداول و تجاری، می توان اصلاحات بینایی با کیفیت بالایی ایجاد کرد.
به عنوان مثال برای یک چنین ساختار لنز تماسی با نام تجاری Acuvue2 از شرکتJohnson & Johnson آمریکا، تغییر ضریب شکست القا شده، به اندازه کافی بزرگ است که ساختار فرنلی پیچش فازی π2 کامل ایجاد کند. البته بازتابش ایجاد شده از این ساختار آنقدر کوچک است که به سختی دیده و یا تصویربرداری می شود (شکل 1). این لنز فرنل وقتی بر روی یک لنز تماسی تخت (بدون توان) حک ­شود، دارای توان اندازه گیری شده 2+ دیوپتر (D2+) می شود. همچنین نشان داده شده است که می توان چنین ساختاری را در محدوده 9.5- تا 5+ دیوپتر در مواد هیدروژل حک کرد.

شکل 1- یک لنز تماسی Acuvue2 که یک تصحیح کننده تک کانون ضریب شکست از نوع لنز فرنل D2+ بر روی آن حک شده است و برای تصویربرداری الگو بر روی یک قرنیه شیشه ای مصنوعی قرار داده شده است.
علاقه و انگیزه زیادی برای طراحی انواع جدیدی از لنزهای تماسی چند کانونی، با هدف خاص، سفارشی و همچنین توسعه ساخت این لنزها وجود دارد. مشاهدات نشان داده است که اثرات ضریب شکست القا شده به شدت ماندگار بوده و حداقل برای 5 سال تصویر با کیفیت بالا را تضمین می کند (شکل 2).

شکل 2- صفحه تست تفکیک پذیری مربوط به نیروی هوایی که a) از طریق زیرلایه تخت هیدروژل تصویربرداری شده b) از طریق لنز فرنل D1.5+ که بر روی یک صفحه تخت هیدروژل حک شده است تصویربرداری شده و دارای کیفیت تصویر بالاتری است.

لنزهای داخل چشمی
با بالا رفتن سن، لنز داخل چشم انسان دچار تغییرات فیزیکی و شیمیایی می شود که در بسیاری از مواقع سبب تاری دید می شود. این شرایط پزشکی آب مروارید نامیده می شود. پزشکی پیشرفته قادر است این مشکل را از طریق برداشتن لنز کدر و جایگزینی آن با یک لنز پلیمری جدید برطرف کند. اگرچه این فرآیند به خوبی انجام می شود ولی خطا در تصحیح اپتیکی ممکن است بیش از 0.5± دیوپتر باشد که از لحاظ بالینی مقدار بزرگی است. این مسأله می تواند به دلیل قرار دادن نادرست لنز در کپسول، انقباض کپسول و یا به دلیل خطای حین عمل روی دهد.

شکل 3- ساختار یک لنز فرنل 2٫0- دیوپتری (D2.0-) که درون یک لنز داخل چشمی[9] (IOL) هیدروژل ویگل[10] حک شده است. (a) در نور بسیار شدید تنها بازتابش ضعیفی مشاهده می شود. چنین تصحیحی فقط بر روی IOL­ ای که درون چشم انسان قرار می گیرد، قابل اعمال است و روش جدیدی در اصلاح بینایی را به دنبال دارد. (b) جبهه موج عبوری برای اصلاح 1.5+ دیوپتری (D1.5+) که تصحیح کروی را نشان می دهد.

در مطالعات اخیر برای بهینه سازی مقدار تغییر فاز اپتیکی در مواد هیدروژل، مشاهده شده است که تغییرات شیمیایی القایی موضعی نسبتاً زیاد است، زیرا تغییرات فاز با توزیع مجدد آب همراه می شود. همچنین شایان ذکر است که ساختار این نوع لنز فرنل در یک لنز آب دوست[11] (شامل آب فراوان) حک شده است (شکل 3). گروه دیگر، ساختارهای پیچش فازی را در مواد لنز درون چشمی کم آب حک کرده و به چشم خرگوش تزریق کردند. این یک گام ضروری در اثبات امکان پذیری این عمل جراحی در انسان است.

حک مستقیم بر روی قرنیه
در سال 2006، به دنبال کشف نوعی اصلاح ضریب شکست در هیدروژل های چشمی بودیم که در حک مستقیم بر روی قرنیه استفاده شود. آزمایشات نشان داد که با استفاده از پالس های لیزر فمتوثانیه در طول موج 405 نانومتر و نرخ تکرار 80 مگاهرتز می توان تغییرات ضریب شکست تا 0.037+ را در بافت قرینه گونه های مختلف مثل خوک، خرگوش، گربه­ و بافت جسد انسان به وجود آورد.
با استفاده از فرآیندapplanation تخت که مشابه برش فلپ در لیزیک است، نشان داده شده است که لنزهای با پیچش فازی π2 نوع فرنل قابل حک مستقیم بر روی چشم گربه زنده هستند (شکل 4). بلافاصله بعد از فرآیند حک و برداشت applanator، یک لایه حبابی نازک مشاهده می شود که نشان می دهد لنز فرنل در کجا شکل گرفته است (شکل 4). این لایه بعد از 10 تا 20 دقیقه محو می شود و یک ساختار ضریب شکستی شفاف که به سختی در بازتاب آینه ای قابل مشاهده است، باقی می ماند. اصلاح ضریب شکست القایی با اندازه گیری جبهه موج بازتابی قابل اندازه­ گیری است. مشاهده شده است که در گربه زنده اصلاح توان اپتیکی برای بیشتر از 18 ماه باقی می ماند.

شکل 4- ساختار یک لنز فرنل 2- دیوپتر که به طور مستقیم بر روی چشم گربه زنده با استفاده از فرآیندapplanation با پالس­های لیزر فمتوثانیه 405 نانومتر حک شده است. بلافاصله بعد از تحریر (a) یک لایه حبابی نازک قابل مشاهده است که بعد از 10 تا 20 دقیقه محو می شود. پس از از بین رفتن این حباب ساختار چشم شفاف می شود و (b) این اصلاح برای 18 ماه در گربه های زنده پایدار می ماند.
تحقیقات نشان می ­دهد بعد از اینکه لیزر فمتوثانیه بافت را تحریک کرد، فیبرهای کولاژن در استروما قرنیه با ماتریس برون سلولی درهم می آمیزند تا ساختار جدیدی در ناحیه ای چگالتر با ضریب شکست بالاتر تشکیل دهند. کاملاً واضح است که از نظر زیست شناسی تغییر ساختار قرنیه به حالت اولیه بسیار سخت است، بنابراین این حالت پایدار می ماند.
از آنجایی که تغییرات به وجود آمده در ضریب شکست بافت جسد انسانی قابل قیاس با گربه است، بنابراین می توان به حک مستقیم بر بافت انسان فکر کرد. فرآیند تغییر ضریب شکست به وسیله لیزر توسط شرکت استارت آپ Clerio Vision آمریکا در حال انجام است و تجهیزات پیشرفته برای تست بر روی انسان زنده به منظور دستیابی به نتایج آن در آینده، در حال توسعه است.
همانطور که در مجله لیزر فوکوس در سال 1996 نیز پیش بینی شده بود، لیزرها می توانند کاربردهای فوق کوتاه متنوعی ایجاد کنند. اثرات اپتیک غیرخطی لیزر فمتوثانیه در تصحیح بینایی انسان تنها بخشی از این کاربردهاست که در صنعت چشم پزشکی در حال توسعه است.