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

在眼睛深处，位于晶状体之后、视网膜之前，存在着一种被称为玻璃体透明液的透明胶状物质。它填充了眼球的空间，维持其形状并允许光线穿过，到达视觉开始产生的视网膜后部。有时，这种透明凝胶会因为微小的纤维或团块而变得浑浊，这些团块会在人的视野中漂浮，形成令人烦恼的飞蚊症。虽然这些飞蚊通常是无害的，但那些非常靠近脆弱视网膜的飞蚊可能会严重损害视力。治疗它们非常困难，因为用于破碎它们的工具往往有损坏周围健康组织的风险。几十年来，外科医生一直依赖于发射持续时间为十亿分之一秒的脉冲激光，但这些脉冲时间太长，会产生热量和冲击波，迫使医生必须远离视网膜，以避免引起白内障或其他损伤。一种较新的方法使用的是持续时间仅为几百千万亿分之一秒的超短脉冲光。由于这些脉冲极其短暂，它们沉积能量的速度极快，以至于组织没有时间升温或移动；相反，光能会瞬间将组织中的水变成一个微小的、扩张的气泡，然后发生塌陷。这一过程被称为空化作用（cavitation），它可以极其精确地破碎飞蚊，但前提是激光必须能够在不损失功率或产生副作用的情况下，聚焦在眼睛深处。

蒙特利尔理工大学的研究人员致力于了解这些超短激光脉冲在穿过玻璃体时究竟是如何表现的，特别是观察激光的焦点如何随着进入眼睛的深度增加而变化。为此，他们需要一种能够模拟真实情况但更容易操作的材料。他们利用水、一种常见的食品增稠剂和一种天然存在于人体关节中的物质，创造了一种合成版的眼部胶状物。他们还测试了取自猪眼的真实玻璃体，这种组织与人类的玻璃体非常相似。通过向这些材料发射单脉冲激光，他们可以观察光线击中目标时的反应。他们发现，利用单脉冲光产生这些微小气泡是可能的，且所需的能量非常低，远低于旧款激光系统所要求的能量。这种低能量至关重要，因为这意味着激光在穿过眼睛的过程中不太可能损伤周围的组织。

团队发现，试图产生气泡的深度具有显著影响。当他们将激光聚焦在材料更深处时，气泡持续的时间变短了，而且制造气泡变得更加困难。这是因为激光束从最初的紧凑、集中的点，在穿过眼睛的弯曲层时，往往会发生拉伸并变得模糊。研究人员测试了两种不同的透镜来聚焦光线：一种产生非常紧凑、锐利的焦点，另一种产生较宽、较软的焦点。他们发现，通常在精密操作中更受青睐的紧凑焦点透镜，随着深度的增加，受到的这种拉伸效应要严重得多。随着激光深入，使用这种紧凑焦点的气泡消失得更快，这表明能量正在扩散，变得过于微弱，无法维持气泡。相比之下，使用较宽焦点的透镜即使在更深的深度也能更稳定地产生气泡，尽管这些气泡稍大一些。

该研究还比较了合成胶状物与真实的猪眼组织之间的行为差异。虽然在真实组织中的气泡持续时间稍长，这可能是因为眼部天然结构对水的束缚更紧密，但在激光深入过程中气泡的表现方式在两种材料中都非常相似。这表明，合成混合物是测试新激光技术前替代真实眼睛进行实验的可靠模型。研究人员还观察了发射快速脉冲序列而非单次射击是否会有所帮助。他们发现，虽然快速脉冲序列可以产生气泡，但它需要更多的总能量，并且使结果变得难以预测，气泡持续时间更长且大小差异更大。这种变异性在追求一致性的手术环境中可能是危险的。

最终，这项工作凸显了使用这些先进激光进行深层眼科手术的一个基本挑战：医生需要进入的深度越深，激光束的形状变化就越大，从而难以提供精确的能量爆发，以清除飞蚊而不伤害视网膜。研究结果表明，虽然该技术在处理目前因风险过高而无法触及的飞蚊方面具有巨大潜力，但透镜的选择以及理解光线如何通过眼睛发生折射至关重要。通过证明低能量脉冲可以有效工作，以及合成模型可以准确模拟真实眼睛，这项研究为开发更安全、更精确的治疗方法提供了清晰的路径，这些治疗方法有朝一日有望为那些遭受近视网膜飞蚊症困扰的人们恢复视力。