Способ оценки изменений рефракционного индекса роговицы с помощью метода двухволновой оптической когерентной томографии Российский патент 2025 года по МПК A61B3/00 

Способ оценки изменений относительного рефракционного индекса роговицы с помощью метода двухволновой оптической когерентной томографии относится к области медицины, а именно - к офтальмологии и позволяет проводить диагностическую оценку изменений относительного рефракционного индекса (РИ) стромы роговиц после оптико-реконструктивных эксимерлазерных операций, при патологиях роговой оболочки, проводить анализ биомеханических прочностных свойств роговиц и оценку точности прогнозируемых целевых рефракционных значений.

Относительный РИ является отношением скорости света в воздухе к скорости прохождения света через оптическую среду и может быть выражен как отношение значения оптической толщины материала к геометрической [4]. РИ роговицы тесно связан с состоянием гидратации и является комплексным показателем, отражающим её физиологическое состояние и структурные свойства. Отклонение от нормального значения РИ, как правило, свидетельствует об определённых изменениях в роговице, возможных патологических состояниях, изменении структурных свойств, а также может влиять на точность целевого рефракционного значения проводимых эксимерлазерных операций [3,5-10].

Бесконтактное неинвазивное измерение РИ роговицы и оценка его изменения in vivo на сегодняшний день по-прежнему является достаточно сложной и неординарной задачей. Согласно явлению нормальной световой дисперсии величина РИ находится в обратной нелинейной зависимости от длины световой волны: чем меньше длина световой длины, тем больше для неё значение РИ. При увеличении длины световой волны величина РИ ( коэффициент преломления) оптической среды уменьшается. Особенностью световой дисперсии является разная скорость прохождения лучей света разных длин волн через оптически прозрачную среду, что в свою очередь определяет разную длину пройденного этими световыми волнами оптического пути - оптическую толщину. Вследствие этого возникают хроматические аберрации. Поэтому для аппаратов, функционирующих на основе оптической когерентной томографии и измеряющих толщину роговицы, для используемой в приборе световой волны рассчитан РИ, влияющий на корректное измерение и рассчитываемое значение геометрической толщины роговицы. Т.к. скорость световых волн видимого диапазона в оптически прозрачной среде меньше скорости световых волн инфракрасного (ИК) диапазона, то значение пройденного оптического пути (оптической толщины) световыми волнами видимого диапазона будет больше в сравнении с аналогичным для световых волн ИК диапазона. При увеличении значения РИ, ввиду нелинейной зависимости РИ от длины световой волны, разница в значениях оптических толщин, измеренных в видимом и ИК диапазонах будет увеличиваться.

Как было указано выше, оптическая толщина роговицы соответствует длине пути при её прохождении определённой световой волной, а геометрическая толщина роговицы соответствует её физической толщине и является результатом отношения значения оптической толщины к РИ [4].

n= T_o / T_g (1)

где n - значение РИ, T_o - значение оптической толщины роговицы, T_g - значение геометрической толщины роговицы. В соответствии с этим, изменение РИ роговицы влияет на измеряемую методом оптической томографии величину оптической толщины роговицы и, как следствие - на итоговое значение геометрической (физической) толщины. Увеличение оптической толщины роговицы, измеренной светом соответствующей длины волны будет свидетельствовать об увеличении РИ для этой световой волны. Отношение значений РИ для двух разных волн будет определяться отношением оптических толщин измеренных этими световыми волнами соответственно, т.к. реальная физическая (геометрическая толщина) одной и той же роговицы не меняется и её отношение равно 1. Т.к в оптических когерентных томографах значение геометрической (физической) толщины рассчитывается по значению измеренной оптической толщины, которая находится в прямой зависимости от величины РИ, то любое изменение рассчитываемого значения физической толщины будет в первую очередь являться результатом изменения РИ. Т.о. при увеличении РИ значение рассчитываемого значения физической толщины будет также выше и наоборот. Соответственно, отношение значений физических толщин роговицы будет также прямо пропорционально отношению значений РИ. Как было указано выше, ввиду нелинейной зависимости РИ от длины световой волны, при увеличении РИ разница в значениях оптических толщин будет заметнее выше в видимом диапазоне по сравнению с ИК диапазоном [11]. Выбрав соответствующее значение РИ по данным дисперсионных кривых для каждой световой волны, используемой в двухволновой оптической когерентной томографии, можно определить изменение РИ стромы роговицы, предварительно рассчитав поправочный коэффициент, и, далее, умножив его на значение стандартного РИ стромы роговицы, равное 1,376, получить актуальное значение РИ [11].

Изменение гидратации и РИ роговицы влияет на значения её оптической толщины при измерении светом разных длин волн, вследствие их разной скорости прохождения через роговицу, что, в свою очередь, будет влиять на значение физической толщины роговицы. При дегидратации, увеличении компактизации вещества роговицы, увеличении её РИ будет происходить замедление скорости прохождения через роговицу света, принадлежащего видимому электромагнитному диапазону по сравнению с ИК диапазоном. В результате этого величина пройденного оптического пути и вычисляемого по этому значению величина физической толщины (т.е. значение пахиметрии) светом видимого диапазона будет больше по сравнению с аналогичным проведённым измерением в ближнем ИК диапазоне.

Т.к. значение РИ воды и роговицы отличаются¹ (¹ Общепринятые значения рефракционных индексов воды и роговицы равны 1.333 и 1.376 соответственно;), изменение содержания воды в роговице при дегидратации и гипергидратации (отёке) может закономерно приводить к её структурным изменениям и, соответственно, к изменению РИ. При увеличении гидратации роговицы также уменьшается её модуль упругости, что связано с изменением характера взаимодействия коллагена с протеогликанам и гликозаминокликанам на основе их ионных взаимодействий [12].

Особенности гистологического строения роговицы обуславливают особенности её тканевого обмена. По современным данным [13] полное обновление коллагеновых волокон роговицы занимает 6-7 лет, а роговичного эпителия - 7-14 дней. В строме, составляющей наибольшую часть роговицы (около 90% всей её толщины), содержится наибольшее количество коллагеновых волокон. Для повышения чувствительности и точности проводимых измерений в настоящем изобретении учитывается значение именно толщины стромы, а не всей роговицы, ввиду более высокой вариабельности и неоднородности толщины эпителия [14] по сравнению со стромой, а также потенциально более длительного сохранения в ней возможных остаточных изменений, учитывая особенности обновления коллагеновых волокон роговицы.

Принцип метода основан на измерении с помощью 2-х волновой оптической когерентной томографии длин оптических путей, пройденных как минимум 2-мя разными световыми волнами, принадлежащие разным электромагнитным оптическим спектрам, при их прохождении через роговицу в одних и тех же точках координат на поверхности роговицы. При этом один из 2-х световых спектров обязательно должен относиться к ИК спектру, а именно к ближнему ИК диапазону¹ (¹ Согласно принятой классификации Международной организации по стандартизации) с центральной длиной волны в интервале 800-1310 нм. Второй источник лазерного излучения должен относиться к спектру видимого электромагнитного излучения с центральной длиной волны в интервале 410-740 нм. Полученные данные, учитывающие значения РИ для каждой световой волны, с помощью математических операций преобразуются в значения геометрических (физических) толщин стромы роговицы. Далее необходимо рассчитать поправочный коэффициент, вычислив соотношение геометрических толщин роговицы, полученные 2-мя разными монохроматическими световыми волнами. Для этого значение геометрической толщины стромы роговицы, полученное в видимом диапазоне (410-740 нм) делят на значение геометрической толщины стромы роговицы в ИК диапазоне (800-1310 нм).

k = T₁/T₂ (2)

где k - поправочный коэффициент, T₁ - значение геометрической толщины стромы роговицы в видимом диапазоне 410-740 нм, T₂ - значение геометрической толщины стромы роговицы в ближнем ИК диапазоне 800-1310 нм.

Полученный результат умножают на стандартное значение РИ нормальной стромы роговицы (1.376) [1-3] и т.о. вычисляют актуальное значение РИ стромы роговицы.

n = k ⋅ n_o (3)

где n - искомое значение РИ, k-поправочный коэффициент, n_o - значение РИ в норме (N_s =1.376).

Сравнивая полученный результат со значением РИ стромы роговицы в норме, можно определить изменение РИ.

При этом, наиболее оптимальным техническим решением является выбор волн разных спектральных диапазонов: в видимом и ИК с максимально возможным интервалом между длинами волн, например 410 нм и 1310 нм, использующихся для расчёта значений толщины роговицы, отношение которых используется для дальнейшего вычисления актуального значения РИ.

Далее, используя уравнение Ytteborg и Dohlmann [15], описывающее взаимосвязь РИ и гидратации и подставляя в них значения стандартного и изменённого РИ можно определить изменение состояния гидратации роговицы.

n = (1.333H₂+0.88064+0.043H₁)/(H₂+0.64) (4)

где n - значение РИ, H₁ - значение гидратации стромы роговицы в норме, H₂ - искомое значение гидратации стромы роговицы. В модельном уравнении Ytteborg и Dohlmann [15] для нормальной роговицы с РИ = 1.376 значение гидратации H = 3.5, что соответствует содержанию в ней воды на уровне ≈78%. После преобразования формулы (4), значение гидратации H₂ можно выразить следующим образом:

H₂ = (0.88064+0.043H₁-0.64n)/(n-1.333) (5)

Предложенный способ иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Оценка динамики изменения РИ и гидратации стромы роговицы после трансэпителиальной фоторефракционной кератэктомии.

Пациентка С-ва, 30 лет, Диагноз: миопия высокой степени, прямой миопический астигматизм обоих глаз.

При проведении биомикроскопии переднего отрезка глаза не было выявлено изменения прозрачности роговиц обоих глаз. Значения пиков оптической денситометрии также соответствовали нормальным значениям прозрачности роговицы обоих глаз. По результатам проведённых измерений методом двухволнового оптического когерентного сканирования в предоперационном периоде центральная толщина стромы роговицы правого глаза в видимом спектральном диапазоне (λ=500 нм) составила 427 мкм, левого - 431 мкм; при сканировании в ближнем ИК диапазоне (λ=840 нм) толщина стромы по центру роговицы правого глаза составила 427 мкм, левого глаза - 431 мкм. Контрольные измерения динамики РИ в послеоперационном периоде проводились спустя 3 недели, а впоследствии - 1 раз в 4 месяца в течении 1 года. Центральная толщина стромы роговицы правого глаза в видимом спектре (λ=500 нм) составила 351 мкм, левого - 355; при сканировании в ближнем ИК диапазоне (λ=840 нм) толщина стромы в центре роговицы правого глаза составила 342 мкм, левого глаза - 346 мкм. Подставив полученные в результате измерений значения толщин стромы роговиц в видимом (λ=500 нм) и ИК (λ=840 нм) диапазонах в формулы (3) и (5), получим значения n = 1.412 и H₂=1.61 для обоих глаз в послеоперационном периоде.

Пример 2. Оценка динамики изменения РИ и гидратации стромы роговицы после лечебного лазериндуцированного кросслинкинга роговицы.

Пациент У-в, 23 г., Диагноз: оперированный кератоконус II стадии обоих глаз.

При проведении биомикроскопии переднего отрезка правого глаза не было выявлено патологических изменений прозрачности роговицы; на левом глазу определялось незначительное помутнение в параоптической зоне с назальной стороны. Пики оптической денситометрии роговиц обоих глаз в центральной оптической зоне диаметром 4 мм соответствовали нормальным значениям прозрачности. По данным двухволнового когерентного оптического сканирования в предоперационном периоде центральная толщина стромы роговицы правого глаза в видимом спектре (λ=500 нм) составила 410 мкм, левого глаза - 405 мкм; при сканировании в ближнем ИК диапазоне (λ=840 нм) центральная толщина стромы роговицы правого глаза составила 410 мкм, левого глаза - 405 мкм.

Контрольные измерения в послеоперационном периоде проводились спустя 14 и 30 дней после оперативного вмешательства на обоих глазах, а затем - 1 раз в 3 месяца в течении последующих 2-х лет. В послеоперационном периоде толщина в центре роговицы правого глаза в видимом спектре (λ=500 нм) составила 396 мкм, левого глаза - 399 мкм; при сканировании в ближнем ИК диапазоне (λ=840 нм) толщина в центре роговицы правого глаза составила 384 мкм, левого глаза - 387 мкм. Подставив полученные значения толщин роговиц обоих глаз в послеоперационном периоде в видимом (λ=500 нм) и ИК (λ=840 нм) диапазонах в формулы (3) и (5), получим значения n = 1.419 и H₂ = 1.43.

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии. Способ определения относительного рефракционного индекса роговицы с помощью метода двухволновой оптической когерентной томографии, где вычисляют соотношения толщин стромы роговицы, измеренных при её сканировании в одних и тех же позиционных точках на поверхности роговицы с помощью оптического когерентного монохроматического излучения световыми волнами первой и второй длины, причем соотношение значения толщины стромы роговицы, измеренной при её сканировании оптическим когерентным источником излучения с длиной волны, меньшей из двух длин волн, к значению толщины стромы роговицы, измеренной при её сканировании оптическим когерентным источником излучения с длиной волны, большей из двух длин волн, умножают на значение рефракционного индекса стромы роговицы человека, равного 1.376, получая значение относительного рефракционного индекса стромы роговицы. Проводят сравнение полученного значения относительного рефракционного индекса роговицы со значением рефракционного индекса стромы роговицы. Применение данного изобретения позволит повысить чувствительность и точность проводимых измерений. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ определения относительного рефракционного индекса роговицы с помощью метода двухволновой оптической когерентной томографии, характеризующийся тем, что вычисляют соотношения толщин стромы роговицы, измеренных при её сканировании в одних и тех же позиционных точках на поверхности роговицы с помощью оптического когерентного монохроматического излучения световыми волнами первой и второй длины; причем соотношение значения толщины стромы роговицы, измеренной при её сканировании оптическим когерентным источником излучения с длиной волны, меньшей из двух длин волн, к значению толщины стромы роговицы, измеренной при её сканировании оптическим когерентным источником излучения с длиной волны, большей из двух длин волн, умножают на значение рефракционного индекса стромы роговицы человека, равного 1.376, получая значение относительного рефракционного индекса стромы роговицы, и проводят сравнение полученного значения относительного рефракционного индекса роговицы со значением рефракционного индекса стромы роговицы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для оптического когерентного сканирования роговицы используют световую волну видимого диапазона в интервале от 410 до 740 нм и ближнего инфракрасного диапазона в интервале от 800 до 1310 нм, предпочтителен выбор световых волн с максимальным интервалом между длинами волн, например 410 нм и 1310 нм.