Selection of optimal energy parameters for laser coagulation of the retina dosed in automatic mode (experimental study)

Full Text

Лазерная коагуляция сетчатки (ЛКС) лежит в основе лечения таких заболеваний, как, например, диабетическая и постокклюзионная ретинопатии, регматогенные периферические дегенерации и разрывы сетчатки, экстрафовеальные хориоидальные неоваскулярные мембраны или центральная серозная хориоретинопатия с идентифицированной точкой просачивания [1, 2]. Несмотря на появление новых роботизированных лазерных систем, подбор энергетических параметров при проведении лазерного лечения заболеваний глазного дна, по-прежнему, осуществляется вручную оператором. В зависимости от вида патологии используемые методики ЛКС различаются по интенсивности коагуляции, соответствующей глубине формируемого ожога, и площади единичного или группы ожогов [3, 4]. В процессе лечения параметры воздействия, как правило, в разных участках сетчатки постоянны, поэтому получаемые коагуляты могут значительно отличаться в пределах одной зоны воздействия, что может оказывать влияние на лечебные эффекты. Кроме того, при слабой пигментации глазного дна и сниженной прозрачности оптических сред точная оценка степени формируемого коагулята затруднена [4].

Разработка лазерных систем с автоматическим контролем степени коагуляции ткани может позволить повысить эффективность лечения и снизить нежелательные явления в послеоперационном периоде. Ранее уже был предложен ряд технических решений для обеспечения автоматизированного контроля интенсивности лазерного воздействия [5, 6, 7, 8], тем не менее из-за конструктивной сложности и недостаточной эффективности они не получили дальнейшего развития.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

На модели глазного дна изучить оптимальные энергетические параметры новой лазерной системы, работающей по принципу обратной связи и позволяющей проводить лазерную коагуляцию, дозируемую в автоматическом режиме.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено с использованием прототипа лазерной системы с автоматизированным управлением коагуляцией, включающей лазерный модуль АЛОД-01 (длина волны 0,81 мкм, Алком Медика, Россия) и видеокамеру ToupcamMicro U3CMOS03100KPA (Touptek, КНР), интегрированные в оптическую систему щелевой лампы (ЩЛ) Takagi SM-2N (Takagi, Япония) и подключенные к персональному компьютеру (ПК), на котором с помощью программного обеспечения происходит управление процессом лазерного воздействия.

Настройки в управляющей программе (см. рис.) прототипа лазерной системы позволяют выбирать диаметр пятна, соответствующего области коагуляции (зона лазера), и диаметр зоны, служащей для сравнения (рабочая зона). Во время работы программа последовательно в каждом кадре анализирует средний уровень яркости пикселей в участке изображения, соответствующем пятну планируемого лазерного воздействия, и сравнивает с окружающей областью (фоновая яркость), отключая лазер при достижении заданного уровня яркости. Программа автоматически отслеживает положение метки пилотного лазера (0,65 мкм) и перемещает в нее указанные зоны.

 

Рис. Интерфейс управляющей программы

 

Пилотный лазер во время воздействия отключается, исключая его влияние на анализ управляющей программой видеопотока.

Воздействие лазерного излучения (ЛИ) происходит в режиме непрерывной генерации, и его длительность определяется выбранными оператором мощностью и уровнем коагуляции, который определяется как соотношение получаемой при коагуляции и фоновой яркости (в % от порогового значения).

Эксперименты проводили на оригинальной модели глазного дна, представляющей собой блок из копировальной бумаги (акцептор ЛИ, имитирующий пигментный эпителий сетчатки) и слоя яичного альбумина (модель нейроретины), расположенный между двумя покровными стеклами.

Лазерное воздействие на модель глазного дна производили через трехзеркальную линзу Гольдмана с контактным гелем (Визитил). В работе использовали диаметр пятна ЛИ на поверхности модели 200 мкм, мощность ЛИ в диапазоне от 100 до 300 мВт с интервалом 20 мВт. Изучали при тестируемых уровнях мощности время формирования и однородность получаемых коагулятов по яркости, соответствие планируемой и фактической яркости коагулята при яркости планируемого коагулята, превышающей значение фона на 5, 10, 20, 30, 40, 50 и 70 %. Для анализа использовали данные оценки не менее 20 коагулятов каждого уровня яркости.

Статистическая обработка результатов исследования проводилась методами параметрического и непараметрического анализа с использованием программы Statistica 12.0 (StatSoft Inc., США). Статистически значимыми считали результаты с уровнем значимости p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 представлены данные по длительности воздействия ЛИ, необходимой для получения коагулятов заданной яркости. Для получения близких к пороговым лазерных коагулятов (5 %) при всех уровнях использованной мощности длительность воздействия не превышала 100 мс. Для коагулятов с планируемой яркостью 20–40 % и 50–70 %, соответствующих 2-й и 3-й степени ожогов по F.A. L’Esperance [4], при мощности ЛИ более 200 мВт длительность воздействия составляла менее 200 мс, что сопоставимо с используемой при конвенциональной ЛКС длительностью импульсов [1, 2].

Получаемые в автоматическом режиме коагуляты отличались высокой степенью однородности по фактической яркости (табл. 2).

 

Таблица 1

Время формирования коагулятов заданной яркости при использовании различной выходной мощности лазерного излучения, мс, (M ± m)

P, мВт	Градация коагулятов по F.A. L’Esperance
	1		2			3
	Яркость коагулятов, ٪ от уровня яркости фона
	5	10	20	30	40	50	70
100	94,0 ± 14,7	208,1 ± 16,5	656,4 ± 189,2	697,6 ± 159,9	784,5 ± 191,4	968,3 ± 203,1	1253,7 ± 241,3
120	83,4 ± 11,3	173,6 ± 23,6	463,7 ± 28,5	542,3 ± 93,8	623,5 ± 76,1	797,3 ± 74,4	936,1 ± 134,8
140	82,3 ± 14,4	136,6 ± 17,9	313,2 ± 26,2	425,7 ± 32,4	489,0 ± 35,8	508,8 ± 30,0	577,2 ± 34,5
160	74,1 ± 12,3	135,4 ± 20,3	267,2 ± 21,7	341,3 ± 39,5	416,6 ± 34,3	396,2 ± 27,5	445,1 ± 36,9
180	73,6 ± 13,4	114,5 ± 19,6	202,5 ± 25,9	289,4 ± 37,5	284,1 ± 34,1	303,6 ± 25,4	389,5 ± 34,6
200	82,3 ± 14,1	97,6 ± 14,9	104,5 ± 17,9	142,1 ± 24,2	182,3 ± 21,4	195,2 ± 25,9	225,6 ± 39,9
220	76,8 ± 12,5	110,3 ± 18,8	16,4 ± 23,6	135,2 ± 20,8	167,7 ± 17,3	178,6 ± 20,3	196,2 ± 27,4
240	76,1 ± 15,9	99,6 ± 15,4	100,5 ± 19,7	126,1 ± 18,3	162,1 ± 16,9	151,2 ± 17,6	175,3 ± 24,6
260	69,5 ± 17,3	92,5 ± 14,7	99,5 ± 17,3	119,4 ± 16,5	145,5 ± 18,1	143,8 ± 17,4	168,7 ± 20,9
280	70,4 ± 15,7	84,9 ± 15,0	95,6 ± 16,8	115,4 ± 11,9	128,7 ± 16,5	126,5 ± 16,1	156,5 ± 20,1
300	70,1 ± 16,5	90,3 ± 12,1	98,1 ± 15,8	109,4 ± 13,7	115,6 ± 19,3	116,9 ± 15,4	152,5 ± 19,9

 

При планируемой яркости коагулятов в диапазоне 20–70 % (2-я и 3-я степень ожогов по F. A. L’Esperance) коэффициент вариации яркости ожогов составил менее 5 %. Одновременно, при планируемой яркости коагулята 5–10 % от уровня фона (1-я степень по F.A. L’Esperance) использование мощности ЛИ 200 мВт и более приводило к снижению однородности лазерных коагулятов – коэффициент вариации составил более 10 % для яркости планируемой коагулятов 10 % и более 20 % для планируемой яркости 5 % (близкой к пороговому воздействию).

Фактическая яркость формируемого коагулята соответствовала планируемой во всем диапазоне тестируемых значений при использовании мощности ЛИ от 100 до 180 мВт (табл. 3). При использовании мощности ЛИ от 200 до 300 мВт выявлено значимое превышение фактической яркости над планируемой на уровнях 5 и 10 % от фона, то есть при формировании коагулятов 1-й степени по F.A. L’Esperance или близких к пороговому повреждению.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости корректировки уровня мощности ЛИ в зависимости от необходимых эффектов и для обеспечения наибольшей воспроизводимости при минимальной продолжительности воздействия. В используемом прототипе новой лазерной системы, работающей по принципу обратной связи, длительность и однородность формирования коагулятов зависят от настроек видеокамеры и ЩЛ (экспозиция, яркость освещения), обеспечивающих максимальную частоту кадров в видеозахвате 60 Гц. Поэтому использование более низкой выходной мощности ЛИ во время работы системы позволяет управляющей программе своевременно остановить воздействие в случае необходимости получения коагулятов, близких к пороговым по яркости. Одновременно, в соответствии с полученными результатами, при более высокой мощности ЛИ коагуляты формируются быстрее, чем происходит покадровый анализ яркости управляющей программой, и воздействие останавливается с опозданием при более высокой вариации яркости полученных ожогов.

 

Таблица 2

Коэффициент вариации яркости получаемых коагулятов при использовании различной выходной мощности лазерного излучения, %

P, мВт	Градация коагулятов по F.A. L’Esperance
	1		2			3
	Планируемая яркость коагулятов, ٪ от уровня яркости фона
	5	10	20	30	40	50	70
100	7,17	7,33	1,89	2,21	1,85	2,41	1,08
120	4,59	3,05	2,13	1,67	1,5	1,67	0,99
140	6,18	2,26	4,78	2,46	1,29	1,48	1,01
160	7,95	3,05	3,83	2,57	1,19	1,4	1,03
180	5,75	3,04	4,13	2,46	1,29	1,48	1,02
200	26,76	11,91	2,66	0,96	1,26	0,84	1,01
220	20,06	8,86	3,27	1,52	1,35	1,06	1,07
240	24,39	10,97	2,8	1,08	1,22	0,82	0,99
260	23,71	11,84	3,53	2,05	1,29	1,15	1,02
280	27,62	12,07	3,61	2,74	1,31	0,97	1,01
300	29,05	11,59	2,31	3,19	1,34	0,91	1,01

 

Таблица 3

Фактическая яркость получаемых коагулятов при использовании различной выходной мощности лазерного излучения, % (M ± m)

P, мВт	Градация коагулятов по F.A. L’Esperance
	1		2			3
	Планируемая яркость коагулятов, % от уровня яркости фона
	5	10	20	30	40	50	70
100	5,0 ± 0,4	10,4 ± 0,8	20,1 ± 0,4	30,8 ± 0,7	40,6 ± 0,8	51,8 ± 1,3	70,4 ± 0,8
120	5,0 ± 0,2	10,2 ± 0,3	20,2 ± 0,4	30,5 ± 0,5	40,6 ± 0,6	51,4 ± 0,9	70,0 ± 0,7
140	5,0 ± 0,3	10,2 ± 0,2	21,3 ± 1,0	30,9 ± 0,8	40,33 ± 0,5	50,8 ± 0,8	70,0 ± 0,7
160	5,3 ± 0,4	10,2 ± 0,3	20,6 ± 0,8	31,1 ± 0,8	40,5 ± 0,5	50,8 ± 0,7	70,0 ± 0,6
180	5,4 ± 0,3	10,2 ± 0,9	21,3 ± 0,9	30,9 ± 0,8	40,3 ± 0,5	50,7 ± 0,8	70,0 ± 0,7
200	10,4 ± 2,8	12,5 ± 0,6	20,7 ± 0,6	30,1 ± 0,3	40,6 ± 0,5	50,2 ± 0,4	70,1 ± 0,7
220	12,6 ± 2,5	14,1 ± 0,7	20,5 ± 0,7	30,2 ± 0,5	40,7 ± 0,6	50,2 ± 0,5	70,0 ± 0,8
240	14,7 ± 3,6	13,9 ± 0,6	21,1 ± 0,6	30,6 ± 0,3	40,3 ± 0,5	50,1 ± 0,4	70,2 ± 0,7
260	15,1 ± 3,6	14,9 ± 0,7	20,1 ± 0,7	30,3 ± 0,6	40,2 ± 0,5	50,6 ± 0,6	70,1 ± 0,7
280	18,7 ± 5,2	15,3 ± 0,7	20,5 ± 0,7	30,9 ± 0,9	40,6 ± 0,5	50,3 ± 0,5	70,0 ± 0,7
300	18,3 ± 5,3	16,9 ± 0,5	20,8 ± 0,5	30,7 ± 1,0	41,2 ± 0,6	50,7 ± 0,5	70,1 ± 0,7

 

Ограничением работы является использование при тестировании лазерной системы только одного уровня яркости фона (один уровень пигментации), поэтому в дальнейшем необходимо проведение исследований для моделирования работы системы при различных вариантах пигментации глазного дна.

Таким образом, при работе прототипа лазерной системы с параметрами, использованными в эксперименте, для получения коагулятов яркостью 5–10 % от уровня фона (1-я степень по F.A. L’Esperance) наиболее оптимальной является мощность лазерного излучения от 100 до 180 мВт: время формирования коагулята не превышало 100 мс, вариабельность яркости составила менее 7,37 %. Мощность лазерного излучения в диапазоне от 200 до 300 мВт оптимальна при получении коагулятов яркостью 20–40 % и 50–70 % от уровня фона (2-я и 3-я степень по F.A. L’Esperance): время формирования коагулятов в диапазоне 100–250 мс, вариабельность яркости менее 3,58 %. Наибольшее соответствие фактической и планируемой яркости коагулятов для диапазона 5–70 % яркости от уровня фона выявлено при мощности 140–180 мВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новая автоматизированная лазерная система, работающая по принципу обратной связи, позволяет проводить ЛКС в автоматическом режиме и получать дозируемые лазерные коагуляты. При используемых параметрах лазерной системы (частота видеозахвата и чувствительность матрицы камеры) оптимальным является диапазон мощности ЛИ 140–180 мВт.

About the authors

Ernest V. Boyko

St. Petersburg Branch S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

Author for correspondence.
Email: boiko111@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-7413-7478

MD, Professor, Director, Eye Microsurgery named after Academician S.N. Fedorov, St. Petersburg Branch; Head of the Department of Ophthalmology, I.I. Mechnikov Northwestern State Medical University

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

Alexey A. Suetov

St. Petersburg Branch S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; State Scientific Research Test Institute of Military Medicine

Email: ophtalm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8670-2964

Candidate of Medical Sciences, Ophthalmologist, Eye Microsurgery named after Academician S.N. Fedorov, St. Petersburg Branch; Senior Researcher, State Research and Testing Institute of Military Medicine

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

Alexander S. Izmailov

St. Petersburg Branch S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution

Email: 061@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5517-1227

MD, Head of the Department of Intraocular Laser Surgery

Russian Federation, St. Petersburg

Taisiya A. Doktorova

St. Petersburg Branch S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

Email: taisiiadok@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2162-4018

Postgraduate student of the Department of Ophthalmology, I.I. Mechnikov Northwestern State Medical University; ophthalmologist, Eye Microsurgery named after Academician S.N. Fedorov, St. Petersburg Branch

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

Alexander A. Ivanov

Alkom Medica LLC

Email: 7657667@mail.ru

Engineer, Director

Russian Federation, St. Petersburg

Alexander V. Pishchelin

Alkom Medica LLC

Email: pav64@mail.ru

programmer

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files