Inducci ´on de la cavitaci ´on l ´aser en ojos de cerdo ex-vivo

Figura 18: Arreglo ´optico de la t ´ecnica STM en un ojo de cerdoex-vivopresurizado.

El arreglo experimental utilizado para la implementaci ´on de la t ´ecnica STM en ojos de cerdoex-vivoconsta de la misma etapa que se utiliz ´o para la generaci ´on de cavitaci ´on con HA en las cubetas de cuarzo o pl ´astico (Ver. Fig. 16). Sin embargo, el haz de prueba se configura como se muestra en la figura 18. Esta nueva configuraci ´on consta de 3 nuevas secciones: (i) compresi ´on del haz, (ii) ´angulo de incidencia con respecto a la superficie corneal y (iii) colecci ´on del haz en el fotodiodo-1. Para la secci ´on de compresi ´on del haz, se utiliz ´o un telescopio Kepleriano con un factor G de 0.4X, para obtener a la salida un di ´ametro aproximado del haz de 1.6 mm (FWHM). El ´angulo de incidencia y la colecci ´on del haz de prueba dependen de la manera en la que se est ´a irradiando el ojo con el haz de bombeo; para este trabajo esto se esquematiza en la Fig. 19. Como se muestra en la Fig. 19, el haz de bombeo se propaga a incidencia normal en la zona central de la c ´ornea, mientras que el haz de prueba incide de manera oblicua con respecto a la superficie corneal y cerca de la zona donde incide el haz de bombeo. El iris se utiliza como superficie reflectora y se colecta el haz esparcido mediante un sistema de lentes

(L5 yL6 con longitudes focales de: 10 y 2.54 cm, respectivamente) que lo enfocan sobre

el fotodiodo-1. La utilizaci ´on de un espejo en el trayecto del haz de prueba permite ajustar la localizaci ´on del haz de prueba en la zona donde se est ´an generando las burbujas de cavitaci ´on dentro de la CA.

Figura 19: Adaptaci ´on de la t ´ecnica STM dentro de la CA en un ojo de cerdoex-vivo. La zona de irradiaci ´on indicada en la vista frontal (c´ırculo amarillo), corresponde tanto al haz de bombeo como al de prueba.

Por otro lado, cada ojo de cerdo fue colocado sobre un soporte de pl ´astico donde queda expuesta s ´olo el ´area de la c ´ornea y la zona del nervio ´optico (Ver Fig. 20:A-B). En la Fig. 20:B, se observa la adaptaci ´on de la t ´ecnica STM en un ojo de cerdo; se tiene control sobre dos ejesx−y y el ´angulo de rotaci ´onθ. Para lograr un mayor control y precisi ´on tanto en la zona como en la profundidad de irradiaci ´on, se utilizaron dos monturas de traslaci ´on y una de rotaci ´on. La montura que controla el movimento en el eje x que da la profundidad de penetraci ´on del haz de bombeo, ofrece un paso m´ınimo de 10 µm, mientras que la montura que controla el movimiento en el ejey, da un paso m´ınimo de 25µm.

Como se observa en la parte B de la figura 20, se utiliz ´o una jeringa para atravezar el nervio ´optico y llegar a la c ´amara posterior (C.P.) donde se encuentra el humor vitreo (HV). Una vez dentro de la C.P., ´este se presuriza con aire gradualmente hasta alcanzar 10 mmHg. Seg ´un lo obtenido por (He et al., 2012) en experimentos con ojos de cerdoex- vivo, al realizar una canulaci ´on al interior de la C.P. para inducir condiciones de glaucoma, los efectos de acomodaci ´on del iris, cristalino y c ´ornea se traducen en que la presi ´on ejercida dentro de la C.P. sea la misma que la que se mide dentro de la CA. Sin embargo, las dimensiones de las dos c ´amaras se modifican, ya que mientras en la C.P. existe un

Figura 20: Condiciones de irradiaci ´on y presurizaci ´on en un ojo de cerdoex-vivopara inducir ca- vitaci ´on l ´aser y monitorearlo mediante la t ´ecnica STM. (A) Pieza sujetadora para ojos de cerdo, (B) Adaptaci ´on de la t ´ecnica STM en ojos de cerdo y (C) Ejemplo de haz esparcido cuando el haz de prueba se refleja en el iris y atravieza la c ´ornea.

desplazamiento de alrededor de 170µm, en la CA hay una disminuci ´on de alrededor de 80µm (PIO: 10- 26 mmHg).

Antes de iniciar con los experimentos de cavitaci ´on, es necesario identificar la ubicaci ´on de la cintura del haz de bombeo dentro de la CA, para esto se utiliz ´o el sistema de PEB, as´ı se ubica la superficie del epitelio corneal y a partir de esta superficie se puede ubicar la localizaci ´on de la cintura del haz a lo largo del eje de propagaci ´on. Se corrobor ´o que es necesario ubicar la cintura del haz de bombeo a∼ 1 mm por debajo de la superficie corneal para generar las burbujas de cavitaci ´on. 1 mm corresponde a lo que la literatura indica como la profunidad necesaria para atravesar el espesor corneal y estar dentro de la CA en ojos de cerdo de la especiesus scrofa domestica(Irene Sanchez et al., 2011).

Para ubicar la superificie corneal de los ojos de cerdo con respecto a la cintura del haz de bombeo, se puede analizar una imagen del perfil de intensidad del haz enfocado en la superficie de la c ´ornea mediante el PEB (Ver Fig. 21). Al ubicar la superficie corneal a la distancia focal de la lente el haz reflejado se contrapropaga siguiendo exactamente el mismo camino ´optico de incidencia y al pasar por la lente ser ´a colimado y ser ´a enfocado por la segunda lente en el plano de la c ´amara CCD (Ver Fig. 21:B). Si la superficie corneal se coloca lejos de la distancia focal, es decir, fuera de la distancia de Rayleigh, donde la fase de los frentes de onda dejan de ser planos, entonces el haz en retrorreflexi ´on ahora converje o diverje y al pasar por la lente el haz no ser ´a colimado resultando en una imagen desenfocada del haz en la c ´amara CCD (Ver Fig. 21:C-D).

Figura 21: Propagaci ´on de un haz gaussiano enfocado en espacio libre y frente a un obst ´aculo: ojo de cerdo.

3.3.1. Procedimiento

Con la t ´ecnica STM adaptada en la CA de los ojos de cerdo ex-vivo, se pretende com- prender la din ´amica de las burbujas de cavitaci ´on en funci ´on de la energ´ıa del pulso de bombeo y la presi ´on externa ejercida dentro del rango de la PIO. Con el fin de cumplir con estos objetivos, se establecieron dos procedimientos: (I) Obtenci ´on de la curva P vs τc

y (II) Variabilidad deτc(Ep, P). Se utiliz ´o el arreglo experimental mostrado en la Ver Fig.

22, comparando los resultados obtenidos para varios ojos de cerdo al variar la presi ´on ejercida y la energ´ıa por pulso, principalmente.

3.3.1.1. Obtenci ´on de la curva presi ´on vs tiempo de colapso

Para poder demostrar que es posible implementar un sensor de presi ´on del tipo tonom ´etri- co por cavitaci ´on l ´aser en un globo ocular, se recurre al modelo deRayleigh-Plesset que relaciona el radio m ´aximo de la burbuja de cavitaci ´on Rmax, la densidad del medio ρ y

la presi ´on ejercida por el medio P, con el primer tiempo de colapso τc de la burbuja de

cavitaci ´on. En nuestro caso, si es posible adaptar la t ´ecnica STM en la CA de un globo ocular para tener un estudio resuelto en el tiempo de las burbujas de cavitaci ´on, se puede

Figura 22: Arreglo experimental de la t ´ecnica STM para cavitaci ´on en ojos de cerdoex-vivo.

entonces obtener una relaci ´on directa entreτcyP.

Cada uno de los ojos utilizados se irradiaron en la zona central de la c ´ornea (Ver Fig. 19) con el fin de generar burbujas en la zona m ´as amplia de la CA y as´ı reducir la interacci ´on de las ondas de choque y la burbuja con las fronteras (iris y c ´ornea). La profundidad de enfoque del haz de bombeo con respecto a la superficie corneal fue de≈1mm, los pulsos de bombeo se depositaron a una tasa de repetici ´on de 1 Hz, promediando 16 muestras por se ˜nal STM registrada por el fotodiodo-1, se uso una energ´ıa por pulso Ep de: 13 y

16.4 mJ, y se vari ´o la presi ´on externa ejercidaP de 10 a 60 mmHg, en pasos de 4 mmHg.

3.3.1.2. Variabilidad del tiempo de colapso en funci ´on de la presi ´on y energ´ıa de bombeo

Un aspecto importante es determinar la dispersi ´on de τc en funci ´on de P y EP para

distintos ojos de cerdo, y as´ı establecer la reproducibilidad de la t ´ecnica.

La meta es el poder implementar la t ´ecnica STM como sensor de presi ´on; suponiendo que se deban aplicar no m ´as de cinco pulsos del haz de bombeo para poder determinar

la PIO del paciente. Los resultados obtenidos sirvieron para conocer los valores de EP

que ofrecen mayor estabilidad y menor dispersi ´on deτc. Mientras que para la curva deP

vsτc, se pudieron validar y comparar los resultados obtenidos en la Sec. 3.2 para cubetas

de cuarzo o pl ´astico con HA.

Para la dispersi ´on de τc en funci ´on de EP, se utilizaron tres ojos de cerdo aplicando

las mismas condiciones de frecuencia de repetici ´on (1 Hz), adquisici ´on de la se ˜nal STM (sin promediar), presi ´on externa (12 mmHg) y ubicaci ´on de la cintura del haz de bombeo (≈1 mm). El sistema atenuador de energ´ıa se configur ´o para que el haz de bombeo emita a: 12, 13 y 13.9 mJ, y se utiliz ´o un medidor de energ´ıa piroel ´ectrico (PM320E, Thorlabs) colocado en uno de los brazos del D.H., para monitorear en tiempo real la energ´ıa por pulso depositada.

Por ´ultimo, para la validaci ´on deτc en funci ´on deP, se utilizaron tres ojos de cerdo apli-

cando las mismas condiciones de frecuencia de repetici ´on (1 Hz), adquisici ´on de la se ˜nal STM (sin promediar), ubicaci ´on de la burbuja de cavitaci ´on (≈1 mm) y energ´ıa del pulso de bombeo (13 mJ), para una presi ´on externa entre 13 y 40 mmHg, con incrementos de 3 mmHg.