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

Diep in het oog, achter de lens en vóór het netvlies, bevindt zich een heldere, geleiachtige substantie genaamd de vitreus humor (glaskörper). Het vult de ruimte van de oogbol, houdt de vorm vast en laat licht door naar de achterkant van het oog waar het zicht begint. Soms wordt deze heldere gel troebel door kleine strengen of klontjes die schaduwen werpen op het netvlies, wat verschijnt als hinderlijke 'floaters' die door het gezichtsveld van een persoon zweven. Hoewel deze floaters vaak onschadelijk zijn, kunnen diegenen die zich zeer dicht bij het delicate netvlies bevinden, het zicht ernstig belemmeren. Het behandelen ervan is moeilijk omdat de instrumenten die worden gebruikt om ze af te breken vaak het risico lopen het omliggende gezonde weefsel te beschadigen. Decennialang hebben chirurgen vertrouwd op lasers die pulsen uitzenden die een miljardste van een seconde duren, maar deze pulsen zijn zo lang dat ze warmte en schokgolven genereren die kunnen uitbreiden, waardoor artsen ver weg van het netvlies moeten blijven om cataract (staar) of andere letsels te voorkomen. Een nieuwere aanpak maakt gebruik van ultrakorte lichtpulsen die slechts enkele honderd quadriljondsten van een seconde duren. Omdat deze pulsen zo kort zijn, geven ze energie zo snel af dat het weefsel geen tijd heeft om op te warmen of te bewegen; in plaats daarvan verandert de lichtenergie het water in het weefsel onmiddellijk in een piepklein, expanderende gasbel, die vervolgens inklapt. Dit proces, bekend als cavitatie, kan floaters met extreme precisie afbreken, maar alleen als de laser diep in het oog gefocust kan worden zonder zijn kracht te verliezen of ongewenste bijwerkingen te veroorzaken.

Onderzoekers aan de Polytechnique Montreal zetten zich in om precies te begrijpen hoe deze ultrakorte laserpulsen zich gedragen wanneer ze door de vitreus humor reizen, waarbij ze specifiek keken naar hoe de focus van de laser verandert naarmate deze dieper in het oog gaat. Hiervoor hadden ze een materiaal nodig dat als het echte ding fungeerde, maar makkelijker te bewerken was. Ze creëerden een synthetische versie van de gelei van het oog met behulp van een mengsel van water, een veelvoorkomend verdikkingsmiddel dat in voedsel wordt gevonden, en een stof die van nature voorkomt in menselijke gewrichten. Ze testten ook echte vitreus humor afkomstig van varkensogen, die sterk lijkt op de menselijke versie. Door enkele pulsen van laserlicht op deze materialen af te vuren, konden ze observeren wat er gebeurde wanneer het licht het doelwit raakte. Ze ontdekten dat het mogelijk was om deze piepkleine bellen te creëren met een enkele lichtpuls die zeer weinig energie draagt, veel minder dan de oudere lasersystemen vereisten. Deze lage energie is cruciand omdat het betekent dat de laser minder waarschijnlijk het omliggende weefsel zal beschadigen terwijl hij door het oog reist.

Het team ontdekte dat de diepte waarop ze de bel probeerden te creëren, een significante rol speelde. Wanneer ze de laser dieper in het materiaal focusten, duurde de bel niet zo lang en werd het moeilijker om er een te creëren. Dit kwam doordat de laserstraal, die begint als een strak, geconcentreerd punt, de neiging heeft om uit te rekken en wazig te worden terwijl hij door de gebogen lagen van het oog reist. De onderzoekers testten twee verschillende lenzen om het licht te focussen: één die een zeer strakke, scherpe focus creëerde en een andere die een bredere, zachtere focus creëerde. Ze ontdekten dat de lens met de strakkere focus, die meestal wordt verkozen vanwege de precisie, veel meer leed onder dit uitsmeringseffect naarmate de diepte toenam. De bellen die met deze strakke focus werden gecreëerd, verdwenen veel sneller naarmate de laser dieper ging, wat erop wijst dat de energie zich verspreidde en te zwak werd om de bel in stand te houden. In contrast hiermee behield de lens met de bredere focus haar vermogen om consistenter bellen te creëren op grotere dieptes, ook al waren de bellen iets groter.

De studie vergeleken ook het gedrag van de synthetische gelei tegenover het echte varkensoogweefsel. Hoewel de bellen in het echte weefsel iets langer duurden, waarschijnlijk omdat de natuurlijke structuur van de ooggel water steviger vasthoudt, was de manier waarop de bellen zich gedroegen naarmate de laser dieper ging, opvallend vergelijkbaar in beide materialen. Dit suggereert dat het synthetische mengsel een betrouwbare vervanger is voor het testen van nieuwe lasertechnieken voordat deze op patiënten worden geprobeerd. De onderzoekers keken ook of het afvuren van een snelle reeks pulsen in plaats van een enkele schot zou helpen. Ze ontdekten dat hoewel een snelle reeks bellen kon creëren, dit meer totale energie vereiste en de resultaten minder voorspelbaar maakte, waarbij de bellen veel langer duurden en meer in grootte varieerden. Deze variabiliteit zou gevaarlijk kunnen zijn in een chirurgische setting, waar consistentie essentieel is.

Uiteindelijk benadrukt het werk een fundamentele uitdaging bij het gebruik van deze geavanceerde lasers voor diepe oogchirurgie: hoe dieper de chirurg moet gaan, hoe meer de vorm van de laserstraal verandert, wat het moeilijker maakt om de precieze energieburst te leveren die nodig is om een floater te verwijderen zonder het netvlies te beschadigen. De bevindingen suggeren dat hoewel de technologie veel belofte inhoudt voor de behandeling van floaters die momenteel te riskant zijn om aan te raken, de keuze van de lens en het begrip van hoe licht door het oog buigt, cruciaal zijn. Door aan te tonen dat pulsen met lagere energie effectief kunnen werken en dat synthetische modellen het echte oog nauwkeurig kunnen nabootsen, biedt de studie een duidelijker pad naar de ontwikkeling van veiligere, preciezere behandelingen die op een dag het zicht kunnen herstellen voor degenen die lijden aan floaters nabij het netvlies.