CHIRURGIA REFRATTIVA CON LASER AD ECCIMERIPresentazione

di

Andrea Capozzi

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08-2

009

SOMMARIO Funzionamento dell’occhio come lente convergente Difetti rifrattivi dell’occhio e correzioni tradizionali

Miopia Ipermetropia Astigmatismo

Metodi correttivi moderni Perché il laser (funzionamento generale) Interazione laser tessuto biologico (scelta del laser) Funzionamento del laser ad eccimeri

Modalità di intervento PRK LASIK

Osservazioni e conclusioni

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

L’OCCHIO UMANOEsa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Sistema - ottico biologico convergente estremamente raffinato: Mette a fuoco oggetti su un

range di distanze elevato (punto prossimo e remoto);

Si adatta all’illuminazione esterna;

Distingue i colori dal rosso al porpora

Il bulbo ha forma sferica (22 mm di diametro)

Funzione: generare un’immagine reale nitida sulla superficie posteriore del bulbo

L’OCCHIO COME LENTE CONVERGENTE

…Il raggio luminoso entrando nell’occhio incontra…Cornea: Superficie trasparente spessa 0.6 mm nel centro Lente convergente con entrambi i raggi positivi (8 mm) nc = 1.376 determina il 73% della rifrazione

totaleUmor acqueo: Spesso s1 = 3 mm n1 = 1.336 rifrazione aggiuntiva trascurabile

(cornea + umore acqueo = diottro sferico)

Pupilla: Foro con diametro regolato da un diaframma (iride) a seconda

dell’illuminazione esterna (2 – 8 mm processo di adattamento)Cristallino: Lente biconvessa quasi simmetrica a focale variabile Il raggio della lente (potere convergente) varia tramite il

processo di accomodamento Struttura a cipolla ncr = 1.4 – 1.45 Determina l’ultima correzione rifrattiva

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Umore vitreo: Sostanza gelatinosa spessa s2 = 19 mm n2 = 1.337 molto simile all’umore acqueo cristallino

immerso nello

stesso mezzo

Retina: Tessuto cerebrale Densa di recettori (coni / bastoncelli visione diurna /

notturna) Nervo ottico punto cieco

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Occhio emmetrope: Punto prossimo ~ 25 cm (variabile con l’età 10 – 60 cm) Punto remoto ~ ∞

…processo di accomodamento… Prima rifrazione: sistema cornea – umor acqueo

naria/p1 + nc/q1 = (nc – n1)/Rc

p1 = 25 cm q1 = 3.2 cm p = ∞ q1 = 2.9 cm

…le immagini andrebbero oltre la retina…

Seconda rifrazione: cristallino

1/p2 + 1/q2 = (ncr – n1) * (1/Rcr - 1/-Rcr) = (ncr – n1) * 2/Rcr

q2 = 1.9 cm p2 = s1 – q1

p1 = 25 cm Rcr = 0.94 cm p = ∞ Rcr = 1.2 cm

NB: per oggetti vicini il potere convergente del cristallino aumenta

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

DIFETTI RIFRATTIVI DELL’OCCHIO

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Miopia: Bulbo oculare

assialmente più lungo Per gli oggetti lontani

l’immagine si forma avanti alla retina

Punto remoto a distanza finita

Visione da vicino potenziata

Correzione con lenti divergenti

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Ipermetropia: Bulbo oculare

assialmente più corto Per gli oggetti vicini

l’immagine si forma dietro la retina

Punto prossimo a distanza maggiore

Correzione con lenti convergenti

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Astigmtismo: Ineguale potere

rifrattivo di 2 meridiani corneali

I raggi rifratti non cadono mai nello stesso punto sulla retina

Cornea come un pallone da rugby

Correzione con lenti cilindriche

Regolare: meridiani perpendicolari

Irregolare: meridiani non perpendicolari

METODI CORRETIVI MODERNI Rimodellamento della curvatura della cornea

(lente più superficiale dell’occhio) tramite laser

Miopia: Si appiattisce la corna per renderla meno convergente

Ipermetropia: Si aumenta il raggio di curvatura agendo sui bordi

Astigmatismo Si rende la cornea il più sferico possibile

Fotoablazione espulsione di molecole dal tessuto corneale per

interazione con luce laser precisione richiesta 0.25 μm 15 μm per ogni diottria (miopia)

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

PERCHÉ IL LASER?Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

…luce monocromatica, collimata ed intensa…Un laser è costituito da 3 elementi fondamentali Mezzo attivo Pompaggio Cavità ottica

Sfrutta l’inversione di

popolazione emissione stimolata l’esistenza di livelli

metastabili nel mezzo attivo

Il mezzo attivo è costituito da atomi (molecole) nello stato fondamentale ed eccitati

La radiazione luminosa interagisce col mezzo attivo in 3 modi Consideriamo un sistema a 2 livelli tali che U2 – U1 = hν

Posso avere: Assorbimento:

elettrone in 1 assorbe un fotone di energia hν portandosi in 2

dN2/dt ~ (N1 – N2) I(ν) N1 – N2 > 0 Emissione stimolata:

elettrone in 2, l’arrivo di un fotone di energia hν stimola l’emissione di un fotone identico e non viene assorbito

dN2/dt ~ (N1 – N2) I(ν) N1 – N2 < 0

Emissione spontanea:elettrone in 2 con vita media τ ~ 108 s si diseccita emettendo un fotone di energia hν

dN2/dt = -N2/τ N2(t) = N2(0)e-t/τ

NB: la probabilità di emissione stimolata e assorbimento è la stessa

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

La distribuzione degli elettroni nei vari livelli è alla Boltzman:

N2 = N1e-(E2-E1)/kT quindi all’equilibrio termico sono favoriti i livelli a bassa energia l’assorbimento è dominante sull’emissione stimolata.

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Nel mezzo attivo sono presenti stati con vita media lunga (10-6 – 10-3 s) metastabili

Per favorire l’emissione stimolata devo popolare maggiormente il livello 2 (inversione di popolazione)

Emissione stimolata comporta emissione di un fotone con stessa: Direzione Fase Frequenza

TIPICO SCHEMA LASER A 4 LIVELLI

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Si dimostra che un sistema a 2 livelli non può laserare (il pompaggio non riesce a mantenere l’inversione di popolazione)

Lo schema classico è a 4 livelli: Pompaggio da 0 a 3 Rilassamento da 3 a

2 Amplificazione della

luce da 2 a 1 Rilassamento da 1 al

livello fondamentale

EMISSIONE DEL FASCIO, IL RUOLO DELLA CAVITÀ OTTICA

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Per moltiplicare l’emissione stimolata racchiudo il mezzo pompato fra due specchi (riflettente SX semiriflettente DX)

In questo modo prediligo l’emissione nella direzione assiale

Dimensiono la cavità per selezionare una frequenza particolare 2L = λm (modo normale)

A regime i fotoni che fuoriescono sono uguali a quelli generati in ogni attraversamento

Ottengo un fascio caratterizzato da: Ottima coerenza temporale Ottima coerenza spaziale Elevata brillanza

INTERAZIONE LASER TESSUTO BIOLOGICO, LA SCELTA DEL LASER

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Radiazione incidente sulla cornea: In parte riflessa In parte trasmessa

La parte trasmessa interagisce col tessuto biologico Assorbimento di tipo

esponenziale Coefficiente α funzione

della frequenza Più è grande α meno la

radiazione penetra (1/α lunghezza di assorbimento)

I(z) = I0e-αz

α = 4πνni/c

NB: ad una data ν ho tessuti molto assorbenti o poco assorbenti.

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Si vuole rimodellare solo la parte superficiale della cornea: Cerco un laser che emetta

ad una ν alla quale corrisponde un grande α

In questo modo non si va ad intaccare il tessuto più interno

Cornea costituita in gran parte da H2O

H2O ha il massimo di assorbimento nel UV

Laser adatto con λ < 200 nm

Intensità della radiazione incidente sufficiente a provocare l’ablazione corneale

Intervallo di interazione piccolo per minimizzare il danno fototermico del tessuto circostante

Candidato ideale laser ad eccimeri ArF:•Ipicco = 108 W/cm2

•Impulsato con Δt = 10ns• λ = 193 nm

FOTODISSOCIAZIONE E FOTOABLAZIONE DEL TESSUTO CORNEALE

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

La parte di radiazione assorbita trasferisce energia al tessuto: Spacca i legami molecolari

(fotodissociazione) Si trasforma in Ek di

traslazione Alcune molecole vengono

espulse dal tessuto (fotoablazione)

…nel nostro caso…

λ = 193 nm hν = 6.4eV

El ~ 3.5 eV

h

assorbimento rapido fondamentale

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Caratteristiche fotoablazione: Danno fototermico

trascurabile ΔT piccolo Gran parte dell’energia

è impiegata nella rottura dei legami

Danno fotomeccanico (causato da espulsione molecole) da controllare

È necessario che Ith < I< Is (zona lineare)

Per I < Ith fotoablazione parziale

Per I > Is fotodistruzione Nel tratto lineare

fotoablazione rapida e danno biologico trascurabile

…nel nostro caso con ArF…

Is ~ 108 W/cm2

Essendo l’intensità di picco del laser stesso,

lavora al limite fra zona lineare e saturazioneMASSIMO EFFETTO!!!

Inoltre nel UV α ~ 10-4-10-5 cm-1

1/α ~ 0.1 – 1 μm

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

LASER AD ECCIMERI

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Sviluppato negli anni ‘70 – ’80

Legato alla scoperta di dimolecole di gas nobili

Il nome proviene da dimero eccitato

Gas nobile: Chimicamente inerte nello

stato fondamentale Può generare stati legati se

eccitato Il potenziale del dimero

presenta un minimo solo nello statoeccitato

Lo stato fondamentale è repulsivo o debolmente legato (dissociativo a T ambiente) A + B* (AB)*

(AB) * A + B * hν

FORMAZIONE DEGLI ECCIMERI ED EMISSIONE LASER

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Gli eccimeri costituiscono un buon mezzo attivo (facile inversione di popolazione): Stato fondamentale

dissociativo (10-13 s) praticamente vuoto

Creato l’eccimero ho già l’inversione di popolazione

τeccitato ~ 10-9 s Eccimeri moderni

costituiti da alogenuri di gas nobili (KrF, XeF, ArF, ArCl)

Gli eccimeri vengono già creati nello stato eccitato:• Pressione > 10 atm• Preionizzazione• Scarica elettrica nel gas

ANALISI DEI LIVELLI PER GLI ALOGENURI DI GAS NOBILI

Nello stato fondamentale sono costituiti da un atomo di gas nobile e uno di alogeno

Lo stato generale della molecola deriva da: Stato fondamentale del gas nobile

ns2, np6 1S Stato fondamentale dell’alogeno

2Σ (Lz = 0)ns2, np5 2P

2П (Lz = ±1)

2Σ corrisponde al livello ad energia minore

X (debolmente legato)

2П corrisponde al livello ad energia maggiore

A (repulsivo)

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Lo stato eccitato è uno stato di legame ionico Gli ioni costituenti hanno la stessa configurazione

elettronica degli atomi nello stato fondamentale ma con ruoli scambiati Gas nobile eccitato simile all’alcalino successivo

ns2, np5, (n + 1) s1

Facile interazione con l’alogeno per la differente elettronegatività Formazione del legame ionico:

l’alogeno acquista un elettrone ns2, np6 (carica -)il gas nobile perde un elettrone ns2, np5 (carica +)

La configurazione elettronica della molecola è la stessa:

2Σ corrisponde al livello ad energia minore

B (debolmente legato)

2П corrisponde al livello ad energia maggiore

C (repulsivo)

NB: ho emissione laser nella transizione B X

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Vediamo un esempio: interazione Kr – F dopo l’eccitazione e formazione del KrF Una miscela tipica è 1-10 % gas nobile, 0.2-0.5%

alogeno, 90-99% gas raro più leggero (He), pressione qualche atm

Eccitazione elettronica del Kr:

e- + Kr 2e- + Kr+

Eccitazione di F:

e- + F2 F- + F

Interazione:

F- + Kr+ + M (KrF)* + MM rappresenta il gas raro più leggero necessario nella

reazione per la conservazione dell’impulso

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

La velocità di ricombinazione dell’ultima reazione scritta è data da:

K = 4qe2(μ+ + μ-)

a pressione atmosferica raggiunge il massimo per

10-6 cm3/s Per composti di alogenuri pesanti e gas nobili leggeri il K non è abbastanza

elevato da permettere la formazione dell’eccimero il minimo della curva ionica coincide quasi con il livello eccitato dell’alogeno

ho predissociazione

L’ECCIMERO NON PUO’ LASERARE

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

MODALITÀ DI INTERVENTO

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Laser ad eccimeri a ArF Lunghezza d’onda 193nm Energia di un fotone 6.4eV Intensità ~108W/cm2

Durata dell’impulso ~10ns Frequenza ~ 100 Hz Coefficiente di

assorbimento ( nelle specie biologiche) ~104-105 cm-1

Lo spot del laser ha un diametro di 2 mm

Caratteristiche del laser

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

PKR (Chetectomia fotorefrattiva) Corregge difetti fino

ad 8 diottrie Intervento in

anestesia topica Rimozione

dell’epitelio Agisce sulla parte

superficiale della cornea

Ogni impulso vaporizza 0.25 μm di tessuto

Utilizzo di una lente a contatto antidolorifica

Tempi di recupero lunghi

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

LASIK (Laser in situ Cheratomileusi) Corregge difetti

medio-alti Epitelio sollevato dal

“microcheratomo” Agisce sulla parte

interna della cornea Ogni impulso

vaporizza 0.25 μm di tessuto

Al termine del rimodellamento si riposiziona l’epitelio

Tempi di recupero rapidi

DATI TECNICI

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

Esempio Occhio miope con

grado di miopia pari a 2.75 diottrie.

Per ogni diottria si deve appiattire di 15 m (zona ottica)

In tot 41.25 m. Ogni impulso

asporta 0.25 m di spessore.

Servono 165 impulsi

TECNICA LASIK PER LA CURA DELLA MIOPIA

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

NOTE CONCLUSIVE

Supporto computerizzato nel centrare la zona da trattare

Utilizzo della tecnica “Flying Spot” per minimizzare i traumi al tessuto corneale “Eyetracker” per seguire i movimenti

dell’occhio Necessità che il difetto sia stabile prima di

operare (dopo i 20-25 anni) Tecnica in voga da una quindicina d’anni

In continuo sviluppo

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09

BIBLIOGRAFIA

[1] Pedrotti – Introduction to Optics[2] Mazzoldi, Nigro, Voci – Fisica Volume II[3] Seminario conclusivo del corso di Ottica

Quantistica, Prof. Danilo Giulietti A.A. 2001/02

[4] Dispense del corso di Ottica A.A. 2008/09

Esa

me d

i Ottica

A.A

. 20

08

-20

09