新型非接触式IOP传感器,给青光眼患者带来福音!

   电子分析员        

传统的平视测压技术对测量眼压(IOP)缺乏必要的准确性和可靠性,目前仍需要一种可靠的技术用于体内诊断。为了精确测量空化泡的首次崩溃时间,对单个激光诱导的空化泡事件进行光学监测,空化泡的崩溃时间与液体压力呈现直接的依赖关系。这当然可以在IOP范围内完成。现在,研究人员扩展了部分透射调制(STM)技术,以确定其直接测量IOP的可行性,通过研究纳秒(ns)脉冲激光诱导的空化气泡动力学的外部加压新鲜的离体猪眼。结果表明,它是可能的,通过检测连续波(CW)激光束的光是由气泡本身的强度调制的IOP监测。这种技术目前提出了一个测量分辨率约4毫米汞柱在5至50毫米汞柱的压力范围内,表明这种方法的可行性测量眼压。这种技术可以在前眼房内直接测量,避免了眼压诊断中常见的陷阱,如由于患者运动、眼球的物理特性变化或中央角膜厚度(CCT)影响而产生的误差。


相关论文以题为“Intraocular Pressure Study in Ex Vivo Pig Eyes by the Laser-Induced Cavitation Technique: Toward a Non-Contact Intraocular Pressure Sensor”发表在《Applied Sciences》上。


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如今,青光眼代表了全球第二大致盲原因,主要由眼压(IOP)超过22mmHg的进行性升高引起的。正常的IOP范围在10~21mmHg范围内,眼压过高(OH)可能是由于生理性的水样体分泌增加,或者是由于前房(AC)的水样体(AH)向小梁网(Schlemm's canal)或视网膜通路的引流存在解剖学上的障碍。眼压就会升高到正常以上,造成视神经的损害。各种仪器,包括角膜测厚仪、Humphrey视野分析仪、视网膜镜、眼镜、眼压计等,已被应用于诊断青光眼及相关损害。


目前已开发出不同的眼压测量设备和方法。自Goldmann平移式眼压计问世以来,一直被认为是测量眼压的金标准。然而,准确的眼压测量高度依赖于患者的配合和角膜特性,如中央角膜厚度(CCT)、角膜曲率、水化、弹性、滞后和刚性,需要实时系统了解角膜的生物力学特性,然后在眼压测量中进行补偿,如使用眼反应分析仪。


激光在生物医学应用中的应用一直在稳步增长,因为该技术在测量中提供了更多的稳定性、精确度和分辨率。例如,在眼科中,激光诱导的击穿(LIB)被用于眼内显微手术的过程中,如虹膜切开术、角膜内消融术、后视网膜切除术和后囊切除术等。


LIB现象是指固体、液体或气体通过热或电磁激励而部分或完全电离,产生典型的电子密度(等离子体)高于1018-1020 e/cm3。激光诱导的热击穿发生在连续波(CW)或重复脉冲激光器中,而光学击穿主要发生在微秒到飞秒时间范围内的单次短脉冲曝光中。在这两种情况下,液体中的LIB会产生空化泡、冲击波和发光。空化泡长到最大尺寸,然后坍塌产生许多后续气泡;这种反弹行为在每次气泡坍塌时都会产生冲击波。


这项工作的研究重点是关于空间透射调制(STM)技术[的实施和验证,使用合适的眼压传感器应用于正常和青光眼条件下的离体猪眼(眼压在10至60mmHg之间)。STM技术通过光强度与时间的跟踪,准确地提供了气泡塌陷时间的数据。此外,所提出的技术之前已经在立方石英室中使用压力传感器进行了应用和验证,然后在人眼人工模型中进行了应用,压力从0到300mmHg高于大气压。本文分析和讨论了猪眼离体诱导眼压与空化泡塌陷时间的关系。研究人员还研究了空化泡塌陷时间对激光脉冲能量的依赖性。此外,研究人员还对泵浦激光脉冲对角膜造成的潜在光损伤进行了评估。


组织收集


在不同的实验运行中共使用了18只猪眼。用于组织采集的猪(Sus domestica)是通过BC省Ensenada屠宰场的捐赠获得的,该屠宰场符合SAGARPA和SENASICA的道德规范,组织是根据NOM-062-1999进行处理的。牺牲后,眼睛被灌肠和运输在一个隔离的接受者与冰为以后在实验室的操作。取出结膜、眼外肌和其他眼外组织,放入红色袋中,根据当地规定进行处理和处置。视神经在生理盐水缓冲液(PBS:NaCl 137 mM + KCl 2.7 mM + Na2HPO4 10 mM + KH2PO4 1.8 mM )中冷保存,pH 7.4,1×,以诱导灌注系统的眼压。


为保证入射探针光束在虹膜上有较大的反射面,每只猪眼预先用水冲洗,并将角膜朝上放置3-4滴皮洛卡平滴眼液。图1显示了吡罗卡品应用后对虹膜的松弛作用。将眼睛分别用磷酸盐缓冲盐水溶液(PBS)在2∘C下保存。此外,眼球在采集后8小时内进行操作,以避免角膜混浊。


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图1.吡卡品对虹膜松弛的作用。


STM技术


研究人员使用一个9 ns脉冲Nd:YAG(532纳米)激光器,每个脉冲25 mJ标称能量作为泵浦激光器。探针激光器是在632.8纳米的连续波HeNe激光器(埃德蒙光学公司),标称输出功率为10mW;它用于监测空化泡的时间演变。


STM技术被定义为对空化泡本身产生的CW探针光束的光传输进行调制。空化泡作为一个障碍物,特别是作为一个负透镜,导致准直的探针光束发生偏转和散射(由气泡内容物),从而影响到达探测器的总光量。利用这种技术,可以通过应用一个单一的泵脉冲来捕捉空化泡的整个时间演化;它提供了高分辨率的示波器痕迹,这是空化泡的生长及其第一次和随后的崩溃的结果。


本工作所用的实验装置示意性地显示在图2中。用光电二极管2(τr=6.2μs,DET10A,Thorlabs)监测泵浦光束的部分能量,此前已对热释电能量监测仪(PM320E,Thorlabs)进行了交叉校准。泵浦激光束首先由伽利略望远镜(L3和L4,M=2.5×)扩大,随后,它用12毫米的微处理透镜进行聚焦。测量到的泵浦激光器的光束质量,M-平方,为M2=6.9,意味着光束腰半径为3.2μm(1/e2),这与在玻璃玻片上聚焦并使用逆反射图像中继系统(命名为等效目标平面(ETP))将光束成像回校准的电荷耦合器件型相机(CCD-相机,型号:PLB776U,Pixelink)时发现的光束尺寸完全一致。通过ETP系统,可以确定新猪眼放置时激光束聚焦在角膜表面的精确位置。然后,将光束腰部移位到角膜表面以下约一毫米(1毫米)处,将其定位在AC内。


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图2.空间透射调制(STM)技术和等效目标平面(ETP)系统在体外猪眼的实验设置。


632.8纳米的氦氖探针光束被准直下来(通过望远镜2),以1.6毫米的光束大小在全宽半最大(FWHM)测量,允许800微米的最大可检测气泡半径。探针光束穿过角膜进入眼球的AC,以填补空化气泡产生的区域。同时,虹膜被用作反射面(见图3),以便能够收集散射光束与透镜系统,L5和L6(10和2.54厘米),发送透射光到光电二极管1。该信号由数字示波器(1 GHz DPO4000,Tektronix)读取。泵浦激光束被放置在眼睛的光轴上,以利用AC内的最大体积部分,并有一个更大的空化气泡的产生的自由空间。


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图3.STM技术在前室(AC)内的设置。前房(AC)内的STM技术的设置。空化气泡产生在角膜中心1毫米内的AC右下方。散射的探针光束由透镜系统收集,将透射光发送到光电二极管上。


使用的每只眼睛被放置到一个支架,暴露角膜和视神经。为了诱导眼压,研究人员使用加压-空气调节系统(0至300毫米汞柱),它与压力计(PDMM01,派尔)和针通过 "Y "适配器。针头通过视神经插入眼睛的玻璃体腔。


结论


研究人员已经证明了开发基于著名的激光诱导空化现象的眼压(IOP)传感器的可行性,并利用研究小组开发的STM技术来监测单次拍摄的空化泡事件。研究人员的结果表明,雷利空化模型,将空化气泡崩溃时间与流体压力相关联,允许快速和精确地估计IOP。虽然研究人员在本研究中取得的压力分辨率仍未达到临床要求的值,但研究人员认为可以通过使用短于纳秒的激光脉冲来提高,因为随着激光脉冲持续时间的缩短,水样体的光学击穿变得更加确定。基于空化现象的眼压传感器与传统的眼压传感方法相比有很多优势,这里仅举几个例子。它是一种非侵入性技术,精确的测量可以在一次(理想的)或几次拍摄中获得,这允许非常快速的测量,并且测量不依赖于眼球的物理特征。研究人员的初步损害评估证实,角膜组织在高达数十次的交付激光脉冲下不会受到损害。在提高眼压测量分辨率和完成整个眼球结构的损伤评估方面,还有更多的工作要做。目前,这项悬而未决的工作正在进行中。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/7/2281/htm



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