Femtosecond pulse induced cavitation and bubble generation in porcine and synthetic vitreous humor: The impact of focusing

目の奥深く、水晶体の後ろ、網膜の前には、硝子体と呼ばれる透明なゼリー状の物質が存在します。これは眼球内の空間を満たし、その形状を維持するとともに、視覚が始まる眼の奥へと光を透過させる役割を果たしています。時として、この透明なゲルの中に微細な糸状の構造物や塊が生じ、それらが網膜に影を落とすことで、視界の中に漂う煩わしい「飛蚊症（フローター）」として現れることがあります。これらのフローターは多くの場合無害ですが、非常にデリケートな網膜のすぐ近くに位置している場合は、視力を著しく損なう可能性があります。これらを治療することは困難です。なぜなら、それらを砕くために使用される道具は、周囲の健康な組織を損傷するリスクがあるからです。数十年にわたり、外科医は10億分の1秒という極めて短いパルスを放出するレーザーに頼ってきましたが、これらのパルスはそれでも十分に長く、熱や衝撃波を発生させて拡散してしまうため、白内障やその他の損傷を防ぐために、医師は網膜から遠く離れた位置を保たなければなりませんでした。より新しい手法では、わずか数百兆分の一秒という超短パルスの光を使用します。これらのパルスは非常に短いため、エネルギーを極めて迅速に注入し、組織が熱を持ったり動いたりする時間を与えません。その代わりに、光エネルギーが組織内の水を瞬時に小さな膨張するガスの泡へと変え、それが崩壊します。「キャビテーション」として知られるこのプロセスは、極めて高い精度でフローターを砕くことができますが、それはレーザーがパワーを失ったり予期せぬ副作用を生じたりすることなく、眼の深部へと焦点を合わせることができた場合に限られます。

モントリオール・ポリテクニーク大学の研究者たちは、これらの超短パルスレーザーが硝子体の中を通過する際、具体的にどのように振る舞うのか、特にレーザーの焦点が眼の深部へ進むにつれてどのように変化するかを解明しようと取り組みました。これを行うためには、本物と同様の性質を持ちながら、より扱いやすい材料が必要でした。彼らは、水、食品によく使われる増粘剤、そして人間の関節に自然に存在する物質を混合して、眼のゼリーの合成版を作成しました。また、人間のものと酷似している豚の眼から採取された本物の硝子体もテストしました。これらの材料に対して単一のレーサーパルスを照射することで、光が標的に当たったときに何が起こるかを観察することができました。その結果、非常に少ないエネルギー、つまり従来のレーザーシステムが必要とした量よりもはるかに少ないエネルギーを持つ単一の光パルスであっても、これらの小さな泡を作り出すことが可能であると判明しました。この低エネルギーは極めて重要です。なぜなら、レーザーが眼の中を通過する際に、周囲の組織を損傷する可能性が低くなることを意味するからです。

研究チームは、泡を作ろうとする深さが極めて重要であることを発見しました。レーザーを材料のより深い部分に焦点を合わせた場合、泡は長持ちせず、作成すること自体がより困難になりました。これは、最初は凝縮された鋭い点として始まるレーザービームが、眼の湾曲した層を通過するにつれて、伸びてぼやけてしまう傾向があるためです。研究者たちは、光を集中させるために2種類のレンズをテストしました。一つは非常にタイトで鋭い焦点を生成するもの、もう一つはより広く柔らかい焦点を生成するものです。通常は精密さのために好まれる「タイトな焦点」を持つレンズの方が、深さが増すにつれてこの「伸びる現象」による影響をはるかに強く受けることが分かりました。このタイトな焦点で作られた泡は、レーザーが深くなるにつれて消失する速度が速まり、これはエネルギーが拡散して、泡を維持するために必要な強さに達しなくなっていることを示しています。対照的に、より広い焦点を持つレンズは、生成される泡はやや大きくなるものの、より深い場所でも一貫して泡を作り続ける能力を維持していました。

この研究では、合成ゼリーと実際の豚の眼組織の挙動についても比較が行われました。豚の組織における泡は、おそらく天然の眼の構造が水をより強く保持しているため、より長く持続しましたが、レーザーが深くなるにつれて泡がどのように振る舞うかという点については、両方の材料において極めて類似していました。このことは、合成混合物が、新しいレーザー技術を患者に試す前のテスト用として信頼できる代用品であることを示唆しています。また、研究者たちは、単発のショットではなく、急速な一連のパルスを連続して放つことが役立つかどうかについても調査しました。その結果、連続パルスは泡を作り出すことはできるものの、より多くの総エネルギーを必要とし、結果の予測が困難になることが分かりました。連続パルスでは、泡がより長く持続し、サイズも変動しやすくなります。このような変動性は、一貫性が鍵となる外科手術の現場においては危険となり得ます。

結局のところ、この研究は、高度なレーザーを用いた深い眼の手術における根本的な課題を浮き彫りにしています。すなわち、外科医がより深くへ進む必要があるほど、レーザービームの形状が変化し、網膜を傷つけることなくフローターを除去するために必要な精密なエネルギーの放出が困難になるということです。今回の知見は、超短パルスがより低いエネルギーでも効果的に機能すること、そして合成モデルが実際の眼を正確に模倣できることを示すことで、現在、網膜の近くにあるために治療が困難なフローターに対して、より安全で精密な治療法を開発するための明確な道筋を示すものです。