Терагерцевое сканирование для оценки содержания воды в роговице и склере

Цель исследования — оценка возможности использования непрерывного ТГц-сканирования роговицы и склеры для определения концентрации содержащейся в них воды и разработка на основе полученных данных экспериментальной установки для контроля состояния водного баланса роговицы и склеры.

Материалы и методы. Для изучения спектров пропускания и отражения роговицы и склеры в ТГц-диапазоне на разработанных экспериментальных установках исследованы 3 роговицы и 3 склеры кролика, 2 целых глаза кролика, а также 3 склеры человека. Кроме того, исследованы in vivo глаза двух кроликов до, а также через 10 и 21 день после кераторефракционного вмешательства (LASIK).

Результаты. Впервые созданы экспериментальные установки, которые позволяют исследовать in vitro частотную зависимость коэффициентов пропускания роговицы и склеры, а также зависимость коэффициента отражения этих тканей от процентного содержания в них воды в ТГц-диапазоне. Установлено, что уменьшение содержания воды в роговице на 1% приводит к уверенно регистрируемому уменьшению отраженного сигнала на 13%. Проведены измерения спектра отражения целого глаза кролика в диапазоне 0,13–0,32 ТГц. Выявлены отличия показателей при исследовании роговицы и склеры кролика, а также склеры кролика и человека.

Разработан лабораторный макет установки для контроля состояния водного баланса роговицы и склеры с помощью терагерцевого излучения in vivo.

Заключение. Полученные предварительные результаты показывают, что предложенная методика, основанная на применении непрерывного ТГц-излучения, может быть использована для создания устройства для неинвазивного контроля степени гидратации роговицы и склеры.

1. Серов В.В., Шехтер А.Б. Соединительная ткань (функ­циональная морфология и общая патология). М: Медицина; 1981.
2. International review of connective tissue research. Vol. 10. Edited by Hall D.A., Jackson D.S. Elsevier; 2013.
3. Fatt I., Weissman B.A. Physiology of the eye: an introduction to the vegetative functions. Butterworth-Heinemann; 2013.
4. Vanmeter W.S., Lee W.B., Katz D.G. Corneal edema. In: Tasman W., Jaeger E.A. (editors). Duane’s Ophthalmology. Vol. 4. Philadelphia, PA: Lippincott Williams & Wilkins; 2013.
5. Lim G.C., Lin H.C., Shen S.C., Lin K.K. Toxic keratopathy-related corneal dehydration after laser in situ keratomileusis. J Cataract Refract Surg 2005; 31(8): 1656–1658, https://doi.org/10.1016/j.jcrs.2005.01.020.
6. Иомдина Е.Н. Биомеханические и биохимические нарушения склеры при прогрессирующей близорукости и методы их коррекции. В кн.: Зрительные функции и их коррекция у детей. Под ред. Аветисова С.Э., Кащенко Т.П., Шамшиновой А.М. М: Медицина; 2005; с. 163–183.
7. Иомдина Е.Н., Тарутта Е.П. Современные направ­ления фундаментальных исследований патогенеза прог­рес­сирующей миопии. Вестник Российской академии ме­­дицинских наук 2014; 69(3–4): 44–49, https://doi.org/10.1016/s1350-9462(02)00063-0.
8. McBrien N.A., Gentle A. Role of the sclera in the development and pathological complications of myopia. Prog Retin Eye Res 2003; 22(3): 307–338, http s://doi.org/10.1016/s1350-9462(02)00063-0.
9. Rada J.A.S., Shelton S., Norton T.T. The sclera and myopia. Exp Eye Res 2006; 82(2): 185–200, https://doi.org/10.1016/j.exer.2005.08.009.
10. Иомдина Е.Н., Игнатьева Н.Ю., Данилов Н.А., Ару­тюнян Л.Л., Киселева О.А., Назаренко Л.А. Биохимические и cтруктурно-биомеханические особенности матрикса склеры человека при первичной открытоугольной глаукоме. Вестник офтальмологии 2011; 127(6): 10–14.
11. Иомдина Е.Н., Бауэр С.М., Котляр К.Е. Биомеханика глаза: теоретические аспекты и клинические приложения. М: Реал Тайм; 2015.
12. Danilov N.A., Ignatieva N.Y., Grokhovskaya T.E., Lunin V.V., Iomdina E.N., Arutyunyan L.L. Sclera of the glaucomatous eye: physicochemical analysis. Biophysics 2011; 56(3): 490–495, https://doi.org/10.1134/s0006350911030067.
13. Coudrillier B., Tian J., Alexander S., Myers K.M., Quigley H.A., Nguyen T.D. Biomechanics of the human posterior sclera: age- and glaucoma-related changes measured using inflation testing. Invest Ophthalmol Vis Sci 2012; 53(4): 1714–1728, https://doi.org/10.1167/iovs.11-8009.
14. Singh R.S., Tewari P., Bourges J.L., Hubschman J.P., Bennett D.B., Taylor Z.D., Lee H., Brown E.R., Grundfest W.S., Culjat M.O. Terahertz sensing of corneal hydration. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2010; 2010: 3021–3024, https://doi.org/10.1109/iembs.2010.5626146.
15. Seliverstov S., Maslennikov S., Ryabchun S., Finkel M., Klapwijk T.M., Kaurova N., Smirnov Y., Voronov B., Gol’tsman G. Fast and sensitive terahertz direct detector based on superconducting antenna-coupled hot electron bolometer. IEEE Trans Appl Supercond 2015; 25(3): 1–4, https://doi.org/10.1109/tasc.2014.2372171.
16. Taylor Z.D., Singh R.S., Culjat M.O., Suen J.Y., Grundfest W.S., Brown E.R. THz imaging based on water-concentration contrast. In: Jensen J.O., Cui H.-L., Woolard D.L., Hwu R.J. (editors). Terahertz for military and security applications VI. SPIE; 2008, https://doi.org/10.1117/12.785337.
17. Wallace V.P., Fitzgerald A.J., Shankar S., Flanagan N., Pye R., Cluff J., Arnone D.D. Terahertz pulsed imaging of basal cell carcinoma ex vivo and in vivo. Br J Dermatol 2004; 151(2): 424–432, https://doi.org/10.1111/j.1365-2133.2004.06129.x.
18. Dougherty J.P., Jubic G.D., Kiser W.L. Jr. Terahertz imaging of burned tissue. In: Linden K.J., Sadwick L.P. (editors). Terahertz and gigahertz electronics and photonics VI. SPIE; 2007, https://doi.org/10.1117/12.705137.
19. Sensing with terahertz radiation. Springer series in optical sciences. Mittleman D. (editor). Springer Berlin Heidelberg; 2003, https://doi.org/10.1007/978-3-540-45601-8.
20. Bajwa N., Au J., Jarrahy R., Sung S., Fishbein M.C., Riopelle D., Ennis D.B., Aghaloo T., St John M.A., Grundfest W.S., Taylor Z.D. Non-invasive terahertz imaging of tissue water content for flap viability assessment. Biomed Opt Express 2017; 8(1): 460–474, https://doi.org/10.1364/boe.8.000460.
21. Bennett D.B., Taylor Z.D., Tewari P., Singh R.S., Culjat M.O., Grundfest W.S., Sassoon D.J., Johnson R.D., Hubschman J.P., Brown E.R. Terahertz sensing in corneal tissues. J Biomed Opt 2011; 16(5): 057003, https://doi.org/10.1117/1.3575168.
22. Taylor Z.D., Garritano J., Sung S., Bajwa N., Bennett D.B., Nowroozi B., Tewari P., Sayre J.W., Hubschman J.-P., Deng S.X., Brown E.R., Grundfest W.S. THz and mm-wave sensing of corneal tissue water content: in vivo sensing and imaging results. IEEE Trans Terahertz Sci Technol 2015; 5(2): 184–196, https://doi.org/10.1109/tthz.2015.2392628.
23. Nazarov M.M., Shkurinov A.P., Cherkasova O.P. Study of the dielectric function of aqueous solutions of glucose and albumin by THz time-domain spectroscopy. Quantum Electronics 2016; 46(6): 488–495, https://doi.org/10.1070/qel16107.
24. Liu W.-Q., Lu Y.-F., Jiao G.-H., Chen X.-F., Zhou Z.-S., She R.-B., Li J.-Y., Chen S.-H., Dong Y.-M., Lv J.-C. Spectroscopic measurements and terahertz imaging of the cornea using a rapid scanning terahertz time domain spectrometer. Chinese Physics B 2016; 25(6): 060702, https://doi.org/10.1088/1674-1056/25/6/060702.
25. Liu W.-Q., Lu Y.-F., Jiao G.-H., Chen X.-F., Li J.-Y., Chen S.-H., Dong Y.-M., Lv J.-C. Terahertz optical properties of the cornea. Optics Communications 2016; 359: 344–348, https://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.09.107.
26. Iomdina E.N., Goltsman G.N., Seliverstov S.V., Sianosyan A.A., Teplyakova K.O., Rusova A.A. Study of transmittance and reflectance spectra of the cornea and the sclera in the THz frequency range. J Biomed Opt 2016; 21(9): 097002, https://doi.org/10.1117/1.jbo.21.9.097002.

Iomdina E.N., Seliverstov S.V., Sianosyan A.A., Teplyakova K.O., Rusova A.A., Goltsman G.N. Terahertz Scanning for Evaluation of Corneal and Scleral Hydration. Sovremennye tehnologii v medicine 2018; 10(4): 143, https://doi.org/10.17691/stm2018.10.4.17