Láseres y sus aplicaciones en la corrección de la miopía

INTRODUCCIÓN

La mayoría de los láseres comerciales para medicina se emplean en la disciplina de oftalmología, seguida bastante detrás por la odontología. El láser en oftalmología se emplea tanto en diagnóstico como en terapia. Aunque en el presente trabajo nos centraremos en la terapia,  debemos decir que el diagnóstico por microscopía láser con focal es clave para la detención de estados tempranos de alteración en la retina, que pueden ocasionar desprendimientos de retina o glaucomas. Actualmente las enfermedades oculares más comunes que se tratan con láser son la miopía, el glaucoma, las cataratas, la presbicia y está muy en auge recientemente la cirugía corneal refractiva, entre otras.

Antes de entrar en materia, es conveniente repasar los conocimientos de los diferentes componentes del globo ocular (figura 1).

Figura 1: Esquema de la anatomía ocular tanto de la cámara anterior (Córnea, iris y cristalino) como posterior (esclerótica, coroides y retina). Imagen extraída de Manual AMIR OFTALMOLOGÍA (11 ª edición).

También será interesante tener en mente las diferentes capas que constituyen la córnea cuando nos refiramos a cirugía corneal. Además, muchos se refieren a la córnea como la ventana del ojo dado que es la componente con mayor capacidad de dioptrías del ojo, hasta 40.

Figura 2: Esquema las capas constituyentes de la cornea. Imagen extraída de Manual AMIR OFTALMOLOGÍA (11.ª edición).

Entre las intervenciones con cirugía láser más comunes comentadas con anterioridad, hablaremos hoy de la miopía cuya patología reside en la córnea.

MIOPÍA

Mientras que en un ojo con visión normal (emétrope) los rayos procedentes de un punto situado en infinito (respecto al ojo) focalizan sobre la retina, y así forman la imagen nítida, en un ojo miope los rayos de luz procedentes del infinito focalizan delante de la retina. Para el caso hipermétrope ocurre lo todo lo contrario y el foco se localiza por detrás de la retina (ver figura 3). La miopía puede ser originada por dos causas. La primera se debe a una longitud axial del ojo demasiado larga para la potencia refractiva del mismo. Y la segunda se formula a la inversa, se tiene una potencia refractiva ocular demasiado elevada para la longitud axial del ojo. Estas causas son originadas debido a anomalías en uno o más índices de refracción de los medios oculares, a la disminución del radio de curvatura de una o más de las superficies refractivas del ojo, o  a un detrimento de la profundidad de cámara anterior del ojo.

Figura 3: Esquema de la formación de la imagen de un punto procedente de infinito para el caso de la miopía I e hipermetropía II. Imagen extraída de [1].
Tradicionalmente los defectos refractivos de la miopía e hipermetropía se han corregido con el uso de gafas. Generalmente las lentes empleadas son esféricas. Se distinguen dos casos: el uso de lentes divergentes y el uso de las convergentes. En el caso divergente (con potencia negativa) el objetivo es compensar el exceso positivo inducido con la miopía. Y en el caso convergente (con potencia positiva), corregir el desenfoque en todos sus ejes generado por la hipermetropía, con el fin de que el foco se situé en la retina. Se espera que para el año 2050, 4.758 millones de personas (49, 8% del global del la población mundial) sean miopes. Por ello, es necesario el desarrollo de técnicas que permitan corregir la miopía y así mejorar la calidad de vida de las personas. El problema es que las gafas llevan asociados algunos inconvenientes, tales como limitación del campo visual, aberraciones o intolerancia a las lentes de contacto. Todo esto ha impulsado a que en las últimas décadas la cirugía láser se haya impuesto como una opción terapéutica más.

Figura 4: La gráfica muestra el número de personas que se esperan que tengan miopía e hipermetropía hasta el año 2050. Imagen extraída de [2].

Cirugía láser refractiva corneal

La técnica de cirugía láser refractiva corneal surge en los años 70 y 90 con el objetivo de corregir la miopía en la visión. Se pueden destacar cinco intervenciones principales, que describiremos a continuación:

  • Queratotomía radial (RK, Radial keratotomy) surge en 1974 con Svyatoslav Fyodorov y consiste en realizar incisiones radiales con una cuchilla de diamante, distribuidas alrededor de la córnea (sin incluir la zona central). Aunque esta cirugía era mejor cuanto más incisiones se hacían, la técnica era efectiva a largo plazo entorno a los 10 años, y en muchos casos tras la década desencadenaba hipermetropía o manchas en la visión [3]. Debido a los problemas derivados de la técnica se buscaron nuevos procedimientos para resolver esta enfermedad.
  • Queratectomía fotorrefractiva (PRK, Photorefractive Keratectomy) desarrollada por por Trokel en 1983. Consiste en la extirpación parcial o total de las capas anteriores de la córnea, incluyendo la membrana de Bowman (ver figura 2), con el fin de aplanar la superficie corneal.
    Posteriormente a la ablación láser este tejido puede ser reposicionado. Un primer intento con láser de CO2 (10 600 nm) fracasó por exceso de coagulación, cicatrización e irregularidades en los cortes [4]. Se intentó posteriormente con otros láseres, como el erbium yttrium- aluminumgarnet (Er: YAG)(2900 nm) en modo Q-Switch con obturador electro-óptico, que resultaba útil pero dañaba demasiado el tejido circundante [5]. Finalmente, se usó el láser excímero de ArF con emisión 193 nm, permite mediante fotoablación la eliminación de forma precisa del tejido estromal, sin daños colaterales y produciendo cortes de elevada precisión, controlados a través la energía del pulso. Esto se debe a que por un lado la interacción entre el láser-tejido es de naturaleza fotoquímica es decir que, induce a la rotura de los enlaces moleculares orgánicos sin calentamiento del tejido. Y por otro lado, los láseres de emisión en UV-lejano (200-150nm) se caracterizan por la generación de luz pulsada y con altas potencias de pico. Además tienen la capacidad de sintonizar su emisión en función de la disociación molecular de gas-halógeno que tiene lugar. De todas las posibles, se seleccionó la emisión 193 nm con el excímero ArF debido a que se ha demostrado que el epitelio de la cornea es sensible a la ablación a esta longitud de onda [6].
  • Un caso particular de la PKR consiste en eliminar completamente el epitelio previamente a la ablación láser. Este caso particular se denomina Queratomiolisis subepitelial asistida por láser (LASEK, Laser-Assited Subepitelial Keratomileusis). Si el epitelio no se elimina completamente, sino que se mantiene ligado a la cornea a modo de bisagra se dice que forma un colgajo o “flap”. Entonces la técnica se conoce con el nombre de Queratomiolisis in situ asistida con láser (LASIK, Laser-Assisted in Situ Keratomileusis). Estas variantes de
    PRK actualmente siguen siendo realizadas por láseres de excímero.

El principio de la cirugía refractiva convencional con láser de cornea (LASIK) se muestra en figura 5, su objetivo es aplanar la cornea para la corrección de la miopía.

 

Figura 5: Pasos en cirugía refractiva LASIK: En un primer paso, se realiza un corte intrastromal lamelar mediante un corte mecánico de un microqueratomo. En un segundo paso, el colgajo anterior de la córnea se levanta y se remodela el radio de curvatura de la córnea con un láser excímero de ArF (193nm). Finalmente, el colgajo se recoloca de nuevo. Imagen extraída de [7].
En 1998, Tibor Juhasz y su grupo reemplazaron el microqueratomo mecánico y emplearon por primera vez un láser ultra-rápido [8]. Esto permitió la introducción de un nuevo procedimiento llamado Extracción de Lentículas de Femtosegundo (FLEX, (Femtosecond Lenticule Extraction) introducido por Carl Zeiss Meditec. En este procedimiento en el segundo paso (figura 5) también se emplea un láser ultra-rápido para eliminar el tejido de la córnea, en vez del láser excímero. Además, en este procedimiento, se realiza otro corte por donde posteriormente se extrae la parte del tejido del estroma excedente (ver figuras 2 y 6).

 

Figura 6: Esquema de cirugía refractiva FLEX con uso de láser ultra-rápido para corte de extracción y redefinición del estroma. Imagen extraída de [7].
  • La técnica FLEX es tan solo una rápida transición hacía la que será la cirugía corneal mínimamente invasiva. En el año 2011, el procedimiento evolucionó a la técnica de Extracción del lentículo a través de una micro-incisión (SMILE, Small Incision Lenticule Extraction). A diferencia del FLEX, la extracción del lentículo ya no se llevaría a cabo a través de la creación de un colgajo corneal, sino mediante la ejecución de una pequeña incisión por la cuál se extraería el lentículo. Para que una técnica oftalmológica se pueda catalogar como efectiva tiene que garantizar seguridad, eficacia y predicibilidad. En nuestro caso esta garantizada en base a los estudios [9, 10]. Aunque esta técnica mejora respecto al resto, en cuanto a sensibilidad corneal y menor sequedad inducida por la cirugía [9].

¿POR QUÉ LÁSERES DE FEMTOSEGUNDO?

Las cirugías vistas en esta sección nos hablan del salto tecnológico, desde los excímeros de pulsos en los nanosegundos hasta las nuevas técnicas de cirugía de cornea refractiva que implementan pulsos ultra-cortos en femtosegundos . Cabe preguntarse por qué hablamos de pulsos en femtosegundos y no en picosegundos. Primeramente, ya adelantamos que la ventaja principal que al incrementar la frecuencia del pulso láser de ns a fs, hay una disminución en el daño de los tejidos circundantes a la ablación. Para poder entender los diferentes daños ocasionados por ablación láser en el ojo, hay que conocer los procesos físicos que tienen lugar. Veamos pues, las propiedades más básicas de un láser de femtosegundos o láseres ultra-cortos.

Se llaman pulsos ultra-cortos porque su duración esta en femtosegundos. Para hacernos una idea de orden de magnitud estos recorrerían el espesor de un tercio de un pelo del cabello humano en 100 fs, mientras que en ese tiempo transportan potencias entorno a los nano o micro julios, que hablando en términos de potencia es equivalente a los mega o giga watios. Es como si el pelo recibiera potencias equivalentes a las que se pueden encontrar en las centrales nucleares. Hablábamos de que en los inicios de la técnica corneal refractiva se empleaban excímeros, los cuales se basan en absorción lineal por fotodescomposición ablativa. Una mezcla de gas argón-fluor a través de electricidad de alto voltaje en una cavidad de láser produce un estado de dímero excitado (de ahí el término “excimer”) con un alto nivel de energía. La posterior emisión resultante de pulsos de láser ultravioleta logra romper enlaces moleculares de proteínas, glucosaminoglicanos y
ácidos nucleicos de la córnea, produciendo así la vaporización de fragmentos de tejido del estromal.

En cambio, los láseres de femtosegundo se caracterizan por tener una absorción no lineal regida por un proceso conocido como fotorisdupción, que consiste en la aplicación de muchos fotones de energía láser en el mismo lugar y tiempo. Debido al efecto multifotónico, así como al fenómeno de la avalancha de electrones, la absorción de energía por parte del tejido supera el umbral para la ruptura óptica.

Figura 7: Muestra el proceso de la fotodisrupción. A) Formación del plasma, así como su expansión.
B) Generación de ondas de choque y burbuja de cavitación, que empuja el medio circundante lejos de su centro, formándose así la burbuja de cavitación. C) La burbuja de cavitación crece D) Cuando alcanza su máximo colapsa, generando una burbuja de gas que contiene dióxido de carbono entre otras moléculas de gas. Imagen extraída de [7].
En este proceso de fotodisrupción crea un plasma , una onda de choque acústica y algo de energía térmica. Posteriormente la burbuja de cavitación que se expande a velocidad supersónica disminuye su velocidad y acaba implosionando. Finalmente, se forma una burbuja de gas que está compuesta de dióxido de carbono, agua, nitrógeno y otros elementos.

El umbral de la ruptura óptica en la fotodisrupción es inversamente proporcional a la intensidad del láser. Cuanto menor es el pulso así como el tamaño del haz, menor energía umbral es requerida para fotodisrupción.

Las incisiones producidas por láseres de ns, ps y fs son las que se muestran en la siguiente figura:

Figura 8: Imagen de microscopía electrónica que muestra las incisiones causadas en el tejido corneal para los casos: A) 240 pulsos a 8ns, B)1000 pulsos a 1ps, C) 200 pulsos a 100fs. Imagen extraída de [11].
Se descartan los láseres de nanosegundos porque sus escisiones sobre el tejido corneal son demasiado profundas para el espesor de la córnea, así como un corte no preciso (ver figura 8). Además, posteriormente pueden desencadenar en lesiones retinarias hemorragícas. Para los láseres de picosegundos hay una clara mejora de las escisiones y un mayor control. Esto se debe a que para la ablación corneal asistida por plasma la ruptura óptica es un proceso dependiente de la fluencia, es decir, la energía requerida para introducir la rotura óptica aumenta a medida que la duración del pulso aumenta. La energía umbral varía con la raíz cuadrada de la duración del pulso. A menor duración de pulso la energía umbral requerida es menor, por ello ganan los pulsos de fs frente a ps. Además, que sea de menor duración implica que la energía que absorbe el plasma de la remanente del pulso en la emisión láser va a ser muy pequeña lo cual se traduce en un menor daño por ablación. Aunque parezca que la figura 8 B) tenga mejor corte que la C) hay que tener en cuenta que la C) esta formada por un conjunto de pulsos debido a la generación de pulsos ultracortos con Q-switch y la B) es un único pulso. Con un único pulso para obtener el corte se tienen que dar más pulsos y se tarda más por ello hay que encontrar un compromiso entre eficacia en precisión y rapidez de la operación.

Hay que tener en consideración que no todos los láseres valen para la cirugía corneal. Principalmente se buscan láseres que emitan en visible e infrarrojo cercano, ya que la cornea es transparente a esas longitudes de onda a intensidad suficientemente alta producir rotura óptica (véase figura 9).

Figura 9: Cada curva muestra la diferente transmitancia de los distintos medios oculares. Imagen extraída de [12].

CONCLUSIONES

Existen dos puntos fundamentales a la hora de escoger un láser para realizar un procedimiento quirúrgico: la transmitancia y la absorbancia de las distintas regiones oculares que deba atravesar el láser y los mecanismos de absorción que dan lugar a la interacción entre el el tejido donde se van a realizar las incisiones y el láser.

En este trabajo se ha encontrado que para cirugías refractivas corneal lo más adecuado es un láser de excímero de ArF. El motivo es que la emisión a 193 nm de este compuesto coincide con la región de absorción del epitelio de la córnea.

Finalmente, se ha destacado el creciente interés en los láseres de femtosegundos en el área de Oftalmología, arraigado en dos grandes ventaja: en lugar de la absorción lineal por fotodescomposición en la que se basan láseres como los de excímeros, estos láseres se caracterizan por una absorción no lineal basada en la fotodisrupción, la cuál permite realizar la cirugía sin causar daños térmicos colindantes adicionales. Y además, el umbral que presentan para la ablación por ruptura óptica disminuye con la duración del pulso, de modo que las incisiones realizadas con pulsos ultra cortos ofrecen gran control y precisión durante la intervención.

 

BIBLIOGRAFÍA

[1] González, J. M. S. (2017). Análisis del tratamiento de fotoqueratectomía refractiva en ametropía miópica mediante las técnicas LASIK (laser assisted in situ keratomileusis) con femtosegundo y relex smile (small incision lenticule extract(Doctoral dissertation, Universidad de Sevilla).

[2] Holden, B. A., Fricke, T. R., Wilson, D. A., Jong, M., Naidoo, K. S., Sankaridurg, P., … & Resnikoff, S. (2016). Global prevalence of myopia and high myopia and temporal trends from 2000 through 2050. Ophthalmology123(5), 1036-1042.

[3] Waring, G. O., Lynn, M. J., & McDonnell, P. J. (1994). Results of the prospective evaluation of radial keratotomy (PERK) study 10 years after surgery. Archives of ophthalmology112(10), 1298-1308.

[4] Wolbarsht, M. (1984). Laser surgery: CO 2 or HF. IEEE journal of quantum electronics20(12), 1427-1432.

[5] Peyman, G. A., & Katoh, N. (1987). Effects of an erbium: YAG laser on ocular structures. International Ophthalmology10(4), 245-253.

[6] Taboada, J., Mikesell Jr, G. W., & Reed, R. D. (1981). Response of the corneal epithelium to KrF excimer laser pulses. Health Physics40(5), 677-683.

[7] Lubatschowski, H. (2010). Ultrafast lasers in ophthalmology. Physics Procedia5, 637-640.

[8] Juhasz, T., Loesel, F. H., Horvath, C., Kurtz, R. M., & Mourou, G. (1998). Femtosecond Lasers for ultra-accurate surgery: Application to corneal surgery. In Ultrafast Phenomena XI (pp. 687-691). Springer, Berlin, Heidelberg.

[9] Shen, Z., Shi, K., Yu, Y., Yu, X., Lin, Y., & Yao, K. (2016). Small incision lenticule extraction (SMILE) versus femtosecond laser-assisted in situ keratomileusis (FS-LASIK) for myopia: a systematic review and meta-analysis. PLoS One11(7), e0158176.

[10] Zhang, Y., Shen, Q., Jia, Y., Zhou, D., & Zhou, J. (2016). Clinical outcomes of SMILE and FS-LASIK used to treat myopia: a meta-analysis. Journal of Refractive Surgery32(4), 256-265.

[11] David Stern, Robert W Schoenlein, Carmen A Puliato, Ernest T Dobi, Reginald Birngruber, and James G Fujimoto. Corneal ablation by nanosecond, picosecond, and femtosecond lasers at 532 and 625 nm. Archives of ophthalmology, 107(4):587-592, 1989.

[12] Edward A Boettner and J Reimer Wolter. Transmission of the ocular media. Investigative ophthalmology & visual science, 1(6):776-783, 1962.

AGRADECIMIENTOS

Dedicado a mi mellizo, porque este trabajo ha vuelto a ser nuestro
punto de unión entre nuestros diferentes mundos.

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