goslasmedЛазерная медицинаLaser Medicine2071-80042686-8644Skobelkin Centre for Laser Medicine - a branch of the Federal Clinical Center for High Medical Technologies, FMBA of Russia10.37895/2071-8004-2022-26-3-4-47-55goslasmed-804Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯORIGINAL RESEARCHESФизическое моделирование для оценки воздействия микроимпульсных режимов лазерного излучения на хориоретинальный комплекс человеческого глаза на основе теории активированного комплексаPhysical modelling to assess the effect of micropulse modes of laser radiation at the chorioretinal complex of the human eye based on the theory of activated complexhttps://orcid.org/0000-0001-9044-3400ИвановаЕ. В.IvanovaE. V.

Иванова Елена Владимировна – кандидат медицинских наук, врач-офтальмолог отделения лазерной хирургии сетчатки

Москва

Ivanova Elena – Cand. Sc. (Med.), Ophthalmologist at the Department of Laser Retinal Surgery

Moscow

elena-mntk@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1460-9960ВолодинП. Л.VolodinP. L.

Володин Павел Львович – доктор медицинских наук, заведующий отделом лазерной хирургии сетчатки

Москва

Volodin Pavel – Dr. Sc. (Med.), Head of the Department of Laser Retinal Surgery

Moscow

volodinpl@mntk.ruФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава РоссииРоссияS. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State InstitutionRussian Federation202226032023263-44755Copyright © Иванова Е.В., Володин П.Л., 20232023Иванова Е.В., Володин П.Л.Ivanova E.V., Volodin P.L.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://goslasmed.elpub.ru/jour/article/view/804

Цель: построить физическую модель на основе теории активированного комплекса (ТАК) с показателями ΔH и ΔS из работ Г. И. Желтова и соавторов для оценки степени воздействия микроимпульсных режимов лазерного излучения на хориоретинальный комплекс (ХРК), провести сравнение с моделями на основе интеграла Аррениуса и результатами тестирования микроимпульсного режима по данным аутофлюоресценции.Материал и методы. Моделирование степени повреждения ХРК и прилежащих структур проводили с помощью уравнения Эйринга. Показатели ΔH = 360 000 Дж/моль и ΔS = 890 Дж/моль·град для комплекса белков и других органических структур РПЭ были определены Г. И. Желтовым с соавторами in vivo в серии лазерных экспериментов на приматах. Для моделирования применяли коэффициент поглощения 460 см–1, для длины волны 577 нм слоем РПЭ толщиной 10 мкм и пропускания 37 %. Тестирование микроимпульсного режима (50 мкс, 2,4 %, 10 мс, 100 мкм, 0,4–1,9 Вт) было проведено на навигационном лазере Navilas 577s у пациентов в возрасте 35–46 лет с 2–3-м типом внешности по шкале Фитцпатрика и оценено по данным коротковолновой аутофлюоресценции (488 нм).Результаты. Построена физическая модель на основе ТАК с применением интеграла Эйринга. Результаты моделирования степени повреждения РПЭ от мощности совпадают с результатами тестирования микроимпульсного режима на пациентах по данным аутофлюоресценции. Уточнен средний коэффициент поглощения РПЭ равный 440 см–1 для пациентов возраста 35–46 лет и 2–3-м типом внешности по шкале Фитцпатрика.Заключение. Компьютерное моделирование на основе ТАК с применением уравнения Эйринга с ΔH и ΔS для комплекса белков и других органических структур РПЭ, полученными в работах Г. И. Желтова, показало высокое соответствие с результатами тестирования микроимпульсного режима на реальных пациентах. Моделирование не требует подгонки каких-либо свободных параметров, в отличие от подходов, основанных на использовании уравнения Аррениуса, позволяет определять коэффициенты поглощения для узкой выборки пациентов и оценивать уровень повреждения РПЭ и прилежащих структур лазерным излучением.

Purpose

Purpose: to construct a physical model based on the theory of activated complex (TAC) with indicators ΔH and ΔS mentioned in works of G.I. Zheltov and his colleagues so as to assess the impact of laser radiation micropulse modes at the chorioretinal complex (CRC), as well as to compare it with models based on the Arrhenius integral and with results of micropulse mode testing using autofluorescence method.Material and methods. Modeling of the degree of damage to CRC and adjacent structures was carried out using Eyring equation. Values of ΔH = 360 000 J/mol and ΔS = 890 J/mol·deg for complex of proteins and other RPE organic structures were determined by G.I. Zheltov and co-authors in vivo in a series of laser experiments on primates. For modeling, absorption coefficient of 460 cm–1 was used, for wavelength 577 nm – 10-micron-thick RPE layer and transmission 37 %. Micropulse mode testing (50 μs, 2.4 %, 10 ms, 100 mkm, 0.4–1.9 W) was performed using Navilas 577s navigation laser in patients aged 35–46 with appearance of types 2–3 by the Fitzpatrick scale; results of this testing were assessed using short-wave autofluorescence (488 nm) method.Results. A physical model based on TAC and Eyring integral was constructed. Results of modeling of the degree of RPE injury depending on power coincide with the results of testing of micropulse mode in patients according to autofluorescence method. The average RPE absorption coefficient equal to 440 cm–1 for patients aged 35–46 years and with appearance of type 2–3 by the Fitzpatrick scale was clarified.

Conclusion

Conclusion. The computer modeling based on TAC using the Eyring equation with ΔH and ΔS for a complex of proteins and other RPE organic structures, which are described in works of G.I. Zheltov and his co-authors, has shown a high degree of compliance with the results of micro-pulse mode testing in real patients. Modeling does not require adjustment of any free parameters unlike approaches based on the Arrhenius equation; it also allows to find absorption coefficients for a small sample of patients and to assess the level of laser radiation damage to RPE and adjacent structures.

микроимпульсхориоретинальный комплекскомпьютерное моделированиелазеруравнение Аррениусауравнение Эйрингаmicropulsechorioretinal complexcomputer modellinglaserArrhenius equationEyring equationReferencesЖелтов Г.И. Воздействие интенсивного оптического излучения на ткани глаз: исследования и приложения: диссертация ... д-ра мед. наук. Минск; 1996.Zheltov G.I. The effect of intense optical radiation on eye tissue: research and applications: Dissertation of the Dr. Sc. (Med.). Minsk; 1996. [In Russ.].Желтов Г.И. Биофизика деструктивного действия надпорогового лазерного излучения на ткани глазного дна. II Всероссийский семинар «МАКУЛА 2006»: материалы научнопрактической конференции. Ростов н/Д.; 2006: 71–85.Zheltov G.I. Biophysics of destructive action of supra-threshold laser radiation on the fundus tissue. II Vserossiyskiy seminar «MAKULA 2006»: materialy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Rostov-on-Don; 2006: 71–85. [In Russ.].Тахчиди Х.П., Качалина Г.Ф., Желтов Г.И., Иванова Е.В. Новая технология восстановления зрительных функций, основанная на избирательном воздействии коротких импульсов лазерного излучения на пигментный эпителий сетчатки. Офтальмология в Беларуси. 2010; 4 (7): 79–83.Takhchidi K.P., Kachalina G.F., Zheltov G.I., Ivanova Е.V. New technique of rehabilitation of visual function based on selective influence of short laser pulses on retinal pigment epithelium. Ophthalmology in Belarus. 2010; 4 (7): 79–83. [In Russ.].Качалина Г.Ф., Желтов Г.И., Иванова Е.В. Оптимизация режимов лазера IRIS Medical IQ 577 для избирательного воздействия на пигментный эпителий сетчатки. Офтальмология Восточная Европа. 2015; 4 (27): 69–77.Kachalina G.F., Zheltov G.I., Ivanova E.V. Optimization of operating modes of IRIS Medical IQ 577 laser for selective action onto retinal pigment epithelium. Ophthalmology Eastern Europe. 2015; 4 (27): 69–77. [In Russ.].Ivanova E.V., Volodin P.L., Guskov A.V. Determination of micropulse modes with targeted damage to the retinal pigment epithelium using computer modeling for the development of selective individual micropulse retinal therapy. Curr Eye Res. 2022; 47 (1): 107–114. DOI: 10.1080/02713683.2021.1 962360Ivanova E.V., Volodin P.L., Guskov A.V. Determination of micropulse modes with targeted damage to the retinal pigment epithelium using computer modeling for the development of selective individual micropulse retinal therapy. Curr Eye Res. 2022; 47 (1): 107–114. DOI: 10.1080/02713683.2021.1962360Schuele G., Rumohr M., Huettmann G., Brinkmann R. RPE damage thresholds and mechanisms for laser exposure in the microsecond-to-millisecond time regimen. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2005; 46 (2): 714–719. DOI: 10.1167/iovs.040136Schuele G., Rumohr M., Huettmann G., Brinkmann R. RPE damage thresholds and mechanisms for laser exposure in the microsecond-to-millisecond time regimen. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2005; 46 (2): 714–719. DOI: 10.1167/iovs.040136Alt C., Pitsillides C.M., Roegener J., Lin C.P. Monitoring intracellular cavitation during selective targeting the retinal pigment epithelium. Proc SPIE. 2003; 4951: 48–55. DOI: 10.1117/12.477956Alt C., Pitsillides C.M., Roegener J., Lin C.P. Monitoring intracellular cavitation during selective targeting the retinal pigment epithelium. Proc SPIE. 2003; 4951: 48–55. DOI: 10.1117/12.477956Banerjee R.K., Zhu L., Gopalakrishnan P., Kazmierczak M.J. Influence of laser parameters on selective retinal treatment using single-phase heat transfer analyses. Med Phys. 2007; 34 (5): 1828–1841. DOI: 10.1118/1.2718731Banerjee R.K., Zhu L., Gopalakrishnan P., Kazmierczak M.J. Influence of laser parameters on selective retinal treatment using single-phase heat transfer analyses. Med Phys. 2007; 34 (5): 1828–1841. DOI: 10.1118/1.2718731Denton M.L., Clark C.D., Foltz M.S., et al. In-vitro retinal model reveals a sharp transition between laser damage mechanisms. J Biomedical Optics. 2010; 15 (3): 030512. DOI: 10.1117/1.3449107Denton M.L., Clark C.D., Foltz M.S., et al. In-vitro retinal model reveals a sharp transition between laser damage mechanisms. J Biomedical Optics. 2010; 15 (3): 030512. DOI: 10.1117/1.3449107Schlott K., Koinzer S., Ptaszynski L., et al. Automatic temperature controlled retinal photocoagulation. J Biomed Opt. 2012; 17 (6): 061223. DOI: 10.1117/1.JBO.17.6.061223Schlott K., Koinzer S., Ptaszynski L., et al. Automatic temperature controlled retinal photocoagulation. J Biomed Opt. 2012; 17 (6): 061223. DOI: 10.1117/1.JBO.17.6.061223Wang J., Quan Y., Dalal R., Palanker D. Comparison of continuous-wave and micropulse modulation in retinal laser therapy. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2017; 58 (11): 4722–4732. DOI: 10.1167/iovs.17-21610Wang J., Quan Y., Dalal R., Palanker D. Comparison of continuous-wave and micropulse modulation in retinal laser therapy. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2017; 58 (11): 4722–4732. DOI: 10.1167/iovs.17-21610Sanchez-Ruiz J.M. Protein kinetic stability. Biophys Chem. 2010; 148 (1–3): 1–15. DOI: 10.1016/j.bpc.2010.02.004Sanchez-Ruiz J.M. Protein kinetic stability. Biophys Chem. 2010; 148 (1–3): 1–15. DOI: 10.1016/j.bpc.2010.02.004Godoy-Ruiz R., Ariza F., Rodriguez-Larrea D., et al. Natural selection for kinetic stability is a likely origin of correlations between mutational effects on protein energetics and frequencies of amino acid occurrences in sequence alignments. J Mol Biol. 2006; 362 (5): 966–978. DOI: 10.1016/j.jmb.2006.07.065Godoy-Ruiz R., Ariza F., Rodriguez-Larrea D., et al. Natural selection for kinetic stability is a likely origin of correlations between mutational effects on protein energetics and frequencies of amino acid occurrences in sequence alignments. J Mol Biol. 2006; 362 (5): 966–978. DOI: 10.1016/j. jmb.2006.07.065Geeraets W, Williams R, Chan G, et al. The relative absorption of thermal energy in retina and choroid. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1962; 1: 340–347.Geeraets W, Williams R, Chan G, et al. The relative absorption of thermal energy in retina and choroid. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1962; 1: 340–347.Ivanova E.V., Volodin P.L. Development of the selective micropulse individual retinal therapy depends on age and type on the Fitzpatrick scale. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2022; 261 (2): 381–390. DOI: 10.1007/s00417-022-05800-9Ivanova E.V., Volodin P.L. Development of the selective micropulse individual retinal therapy depends on age and type on the Fitzpatrick scale. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2022; 261 (2): 381–390. DOI: 10.1007/s00417-022-05800-9Preece S.J., Claridge E. Monte Carlo modelling of the spectral reflectance of the human eye. Phys Med Biol. 2002; 47 (16): 2863–2877. DOI: 10.1088/0031-9155/47/16/303Preece S.J., Claridge E. Monte Carlo modelling of the spectral reflectance of the human eye. Phys Med Biol. 2002; 47 (16): 2863–2877. DOI: 10.1088/0031-9155/47/16/303Eyring H. The activated complex in chemical reactions. J Chem Phys. 1935; 3 (2): 107–115. DOI: 10.1063/1.1749604Eyring H. The activated complex in chemical reactions. J Chem Phys. 1935; 3 (2): 107–115. DOI: 10.1063/1.1749604Гапеева Т.А., Глазков В.Н., Подольцев А.С. и др. Лазерный метод определения температурной зависимости константы скорости реакции фотокоагуляции in vivo. Весцi АН БССР. Серыя фiзiка-матэматычных навук. 1986; 3: 81–85.Gapeeva T.A., Glazkov V.N., Podoltsev A.S., et al. Laser method for determining the temperature dependence of the photocoagulation reaction rate constant in vivo. Vestsi AN BSSR. Seryya fizika-matematychnykh navuk. 1986; 3: 81–85. [In Russ.].Федоров С.Н., Ивашина А.И., Антонова Е.Г. и др. Математическое моделирование термохимических процессов при термокоагуляции. Офтальмохирургия. 1992; 3: 8–13.Fyodorov S.N., Ivashina A.I., Antonova E.G., et al. Mathematical modeling of thermochemical processes under thermocoagulation. Fyodorov Journal of Ophthalmic Surgery. 1992; 3: 8–13. [In Russ.].Boettner E.A., Walter J.R. Transmission of the ocular media. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1962; 1: 776–783.Boettner E.A., Walter J.R. Transmission of the ocular media. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1962; 1: 776–783.Guo Y., Yao G., Lei B., Tan J. Monte Carlo model for studying the effects of melanin concentrations on retina light absorption. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 2008; 25 (2): 304–311. DOI: 10.1364/josaa.25.000304Guo Y., Yao G., Lei B., Tan J. Monte Carlo model for studying the effects of melanin concentrations on retina light absorption. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 2008; 25 (2): 304–311. DOI: 10.1364/josaa.25.000304Hammer M., Roggd A., Schweitzert D., Muller G. Optical properties of ocular fundus tissues – an in vitro study using the double-integrating-sphere technique and inverse Monte Carlo simulation. Phys Med Biol. 1995; 40 (6): 963–978. DOI: 10.1088/0031-9155/40/6/001Hammer M., Roggd A., Schweitzert D., Muller G. Optical properties of ocular fundus tissues – an in vitro study using the double-integrating-sphere technique and inverse Monte Carlo simulation. Phys Med Biol. 1995; 40 (6): 963–978. DOI: 10.1088/0031-9155/40/6/001Durairaj C., Chastain J.E., Kompella U.B. Intraocular distribution of melanin in human, monkey, rabbit, minipig and dog eyes. Exp Eye Res. 2012; 98 (1): 23–27. DOI: 10.1016/j. exer.2012.03.004Durairaj C., Chastain J.E., Kompella U.B. Intraocular distribution of melanin in human, monkey, rabbit, minipig and dog eyes. Exp Eye Res. 2012; 98 (1): 23–27. DOI: 10.1016/j. exer.2012.03.004Geeraets W.J., Berry E.R. Ocular spectral characteristics as related to hazards from lasers and other light sources. Am J Ophthalmol. 1968; 66 (1): 15–20. DOI: 10.1016/00029394(68)91780-7Geeraets W.J., Berry E.R. Ocular spectral characteristics as related to hazards from lasers and other light sources. Am J Ophthalmol. 1968; 66 (1): 15–20. DOI: 10.1016/00029394(68)91780-7Schmidt S.Y., Peisch R.D. Melanin concentration in normal human retinal pigment epithelium. Regional variation and age-related reduction. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1986; 27 (7): 1063–1067.Schmidt S.Y., Peisch R.D. Melanin concentration in normal human retinal pigment epithelium. Regional variation and age-related reduction. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1986; 27 (7): 1063–1067.Shu X., Li H., Dong B., et al. Quantifying melanin concentration in retinal pigment epithelium using broadband photoacoustic microscopy. Biomed Opt Express. 2017; 8 (6): 2851–2865. DOI: 10.1364/BOE.8.002851Shu X., Li H., Dong B., et al. Quantifying melanin concentration in retinal pigment epithelium using broadband photoacoustic microscopy. Biomed Opt Express. 2017; 8 (6): 2851–2865. DOI: 10.1364/BOE.8.002851Shu X., Liu W., Zhang H.F. Monte Carlo investigation on quantifying the retinal pigment epithelium melanin concentration by photoacoustic ophthalmoscopy. J Biomed Opt. 2015; 20 (10): 106005. DOI: 10.1117/1.JBO.20.10.106005Shu X., Liu W., Zhang H.F. Monte Carlo investigation on quantifying the retinal pigment epithelium melanin concentration by photoacoustic ophthalmoscopy. J Biomed Opt. 2015; 20 (10): 106005. DOI: 10.1117/1.JBO.20.10.106005Картель Н.Т., Лобанов В.В. Теория активированного комплекса. Кн. 1. Физика поверхности. Киев: Институт химии поверхности НАН Украины; ООО “Интерсервис”; 2015; 1 (9): 363–389.Kartel N.T., Lobanov V.V. Theory of the activated complex. Book 1. Physics of the surface. Kyiv: Institute of Surface Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine; LLC «Interservice»; 2015; 1 (9): 363–389. [In Russ.].Володин П.Л., Иванова Е.В., Соломин В.А. Возможности современных методов диагностики и компьютерной обработки данных с помощью программы «Фемтоскан» для выявления слабых термических повреждений клеток ретинального пигментного эпителия. Лазерная медицина. 2018; 22 (1): 52–56. DOI: 10.37895/2071-8004-2018-22-152-56Volodin P.L., Ivanova E.V., Solomin V.A. Possibilities of modern diagnostic techniques and comp data processing using «FemtoScan» programs for revealing weak thermal injuries in cells of the retinal pigment epithelium. Laser Medicine. 2018; 22 (1): 52–56. DOI: 10.37895/2071-8004-2018-22-1-52-56Framme C., Schüle G., Brinkmann R., et al. Fundus autofluorescence after selective RPE laser treatment. Ophthalmologe. 2002; 99 (11): 854–860. DOI: 10.1007/ s00347-002-0684-zFramme C., Schüle G., Brinkmann R., et al. Fundus autofluorescence after selective RPE laser treatment. Ophthalmologe. 2002; 99 (11): 854–860. DOI: 10.1007/s00347-0020684-z

The authors declare that there are no conflicts of interest present.