Применение терагерцового излучения в офтальмологии (обзор)
https://doi.org/10.29413/ABS.2021-6.6-1.20
Аннотация
Терагерцовое (ТГц) излучение – одна из новых, интенсивно исследуемых междисциплинарных областей научных знаний, включая медицину, первых десятилетий XXI века. В начале настоящей статьи (обзора) в краткой форме изложены базовые положения о ТГц-излучении, его основные параметры и свойства; рассматриваются современные ТГц-технологии биофтоники, применяемые в биологии и медицине: ТГц-рефлектометрия, методы ТГц- спектроскопии. Затем приводится ряд направлений и примеров возможного использования ТГц-технологий в биологии и медицине, включая фармацевтику. В основной части обзора представлены прогресс экспериментальных исследований и перспективы клинического применения медицинских технологий ТГц-спектроскопии, ТГц-визуализации в офтальмологии при изучении морфофункционального состояния структур глазной поверхности, диагностике, медицинском тестировании и лечении офтальмопатологии глазной поверхности. Завершает статью обзор экспериментальных исследований по безопасности применения волн ТГц-диапазона для медицинской диагностики и лечения офтальмопатологии. В заключительной части рассмотрены основные проблемы и перспективы внедрения медицинских ТГц-технологий в клиническую практику офтальмолога.
Об авторах
А. Г. Заболотний
Краснодарский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» имени академика С.Н. Фёдорова» Минздрава России;
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздрава России
Россия
Россия
кандидат медицинских наук, доцент, главный научный сотрудник научного отдела; доцент кафедры глазных болезней
350012, г. Краснодар, ул. Красных Партизан, 6, Россия
350063, г. Краснодар, ул. Митрофана Седина, 4, Россия
И. А. Гейко
Краснодарский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» имени академика С.Н. Фёдорова» Минздрава России
Россия
Россия
врач-офтальмолог
350012, г. Краснодар, ул. Красных Партизан, 6, Россия
Л. М. Балагов
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздрава России
Россия
Россия
аспирант кафедры глазных болезней
350063, г. Краснодар, ул. Митрофана Седина, 4, Россия
Список литературы
1. Lee YS. Principles of terahertz science and technology. NY: Springer; 2009. doi: 10.1007/978-0-387-09540-0
2. Shumyatsky P, Alfano RR. Terahertz sources. J Biomed Opt. 2011; 16(3): 033001. doi: 10.1117/1.3554742
3. Guerboukha H, Nallappan K, Skorobogatiy M. Toward real-time terahertz imaging. Adv Opt Photon. 2018; 10: 843-938. doi: 10.1364/AOP.10.000843
4. Майская В. Освоение терагерцовой щели. Полупроводниковые приборы вторгаются в субмиллиметровый диапазон. Электроника: Наука, технология, бизнес. 2011; 8: 74-87.
5. Ramundo-Orlando A, Gallerano GP. Terahertz radiation effects and biological applications. J Infrared Milli Terahz Waves. 2009; 30: 1308-1318. doi: 10.1007/s10762-009-9561-z
6. Бецкий О.В. Пионерские работы по миллиметровой электромагнитной биологии, выполненные в ИРЭ РАН. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003; 8: 11-20.
7. Бецкий О.В., Лебедева Н.Н. Биологические эффекты низкоинтенсивных миллиметровых волн (обзор). Биомедицинская радиоэлектроника. 2015; 1: 31-47.
8. Баграев Н.Т., Клячкин Л.Е., Маляренко А.М., Новиков Б.А. Применение кремниевых источников терагерцевого излучения в медицине. Биотехносфера. 2015; 41(5): 64-79.
9. Реуков А.С., Наймушин А.В., Симаков К.В., Морошкин В.С., Козленок А.В., Преснухина А.П. Применение инфракрасного излучения, модулированного терагерцевыми частотами, в комплексной терапии больных острым ишемическим инсультом. Артериальная гипертензия. 2016; 22(1): 94-102.
10. Назаров М.М., Шкуринов А.П., Кулешов Е.А., Тучин В.В. Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей. Квантовая электроника. 2008; 38(7): 647-654.
11. Hwang Y, Ahn J, Mun J, Bae S, Jeong YU, Vinokurov NA, Kim P. In vivo analysis of THz wave irradiation induced acute inflammatory response in skin by laser-scanning confocal microscopy. Opt Express. 2014; 22(10):11465-11475. doi: 10.1364/OE.22.011465
12. Гареев Г., Лучинин В. Применение терагерцевого излучения в биологии и медицине. Наноиндустрия. 2014; 52(6): 34-44.
13. Dabouis V, Chancerelle Y, Crouzier D, Debouzy JC. A la frontière onde-lumière: Que peuvent apporter les techniques terahertz (THz) dans le domaine de la santé? [What’s new in biomedical applications for terahertz (THz) technology]. Med Sci (Paris). 2009; 25(8-9): 739-743. [In French]. doi: 10.1051/medsci/2009258-9739
14. Son JH. Principle and applications of terahertz molecular imaging. Nanotechnology. 2013; 24(21): 214001. doi: 10.1088/0957-4484/24/21/214001
15. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Логинов А.П., Головцов Н.И., Рыжова Т.А. Разработка метода спектроскопии поверхностных плазмонов терагерцового диапазона. Discrete and Continuous Models and Applied Computational Science. 2008; (1): 54-65.
16. Pickwell-MacPherson E, Wallace VP. Terahertz pulsed imaging – A potential medical imaging modality? Photodiagnosis Photodyn Ther. 2009; 6(2): 128-134. doi: 10.1016/j.pdpdt.2009.07.002
17. Qi N, Zhang ZY, Xiang YH. [Application of terahertz technology in medical testing and diagnosis]. Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi. 2013; 33(8): 2064-2070. [In Chinese].
18. Smolyanskaya O, Chernomyrdin N, Konovko A, Zaytsev K, Ozheredov I, Cherkasova O, et al Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids. Prog Quantum Electron. 2018; 62: 1-77.
19. Bajwa N, Au J, Jarrahy R, Sung S, Fishbein MC, Riopelle D, et al. Non-invasive terahertz imaging of tissue water content for flap viability assessment. Biomed Opt Express. 2016; 8(1): 460-474. doi: 10.1364/BOE.8.000460
20. Tewari P, Taylor ZD, Bennett D, Singh RS, Culjat MO, Kealey CP, et al. Terahertz imaging of biological tissues. Stud Health Technol Inform. 2011; 163: 653-657.
21. Езерская А.А., Романов И.В., Смолянская О.А., Грачев Я.В. Ранняя диагностика кариеса твердых тканей зубов с помощью лазерного излучения терагерцового диапазона. Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011; 76(6): 92-97.
22. Усанов Д.А., Романова Н.В., Салдина Е.А. Перспективы и тенденции развития терагерцовых технологий: патентный ландшафт. Экономика науки. 2017; 3(3): 189-202.
23. Shen YC. Terahertz pulsed spectroscopy and imaging for pharmaceutical applications: A review. Int J Pharm. 2011; 417(1-2): 48-60. doi: 10.1016/j.ijpharm.2011.01.012
24. Haaser M, Gordon KC, Strachan CJ, Rades T. Terahertz pulsed imaging as an advanced characterisation tool for film coatings – A review. Int J Pharm. 2013; 457(2): 510-520. doi: 10.1016/j.ijpharm.2013.03.053
25. Kim KW, Kim KS, Kim H, Lee SH, Park JH, Han JH, et al. Terahertz dynamic imaging of skin drug absorption. Opt Express. 2012; 20(9): 9476-9484. doi: 10.1364/OE.20.009476
26. Sterczewski LA, Westberg J, Yang Y, Burghoff D, Reno J, Hu Q, et al. Terahertz hyperspectral imaging with dual chip-scale combs. Optica. 2019; 6: 766-771. doi: 10.1364/OPTICA.6.000766
27. Вiт В.В. Будова здоровоi системи людини. Одеса: Астропинт; 2003.
28. Ozheredov I, Prokopchuk M, Mischenko M, Safonova T, Solyankin P, Larichev A, et al. In vivo THz sensing of the cornea of the eye. Laser Phys. Lett. 2018; 15: 055601. doi: 10.1088/1612-202X/aaac76
29. Аветисова С.Э., Егорова Е.А., Мошетовой Л.К., Нероева В.В., Тахчиди Х.П. Заболевания роговицы и склеры. В: Офтальмология: национальное руководство. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2018.
30. Зайцев К.И., Долганова И.Н., Черномырдин Н.В., Командин Г.А., Лаврухин Д.В., Решетов И.В., и др. Применение терагерцовых технологий в биофотонике. Часть 1: Методы терагерцовой спектроскопии и визуализации тканей. Фотоника. 2019; 13(7): 680-687. doi: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.680.687
31. Bennett DB, Taylor ZD, Tewari P, Singh RS, Culjat MO, Grundfest WS, et al. Terahertz sensing in corneal tissues. J Biomed Optics. 2011; 16(5): 057003. doi: 10.1117/1.3575168
32. Taylor ZD, Garritano J, Sung S, Bajwa N, Bennett DB, Nowroozi B, et al. 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. doi: 10.1109/TTHZ.2015.2392628
33. Taylor ZD, Garritano J, Sung S, Bajwa N, Bennett DB, Nowroozi B, et al. THz and mm-wave sensing of corneal tissue water content: Electromagnetic modeling and analysis. IEEE Trans Terahertz Sci Technol. 2015; 5(2): 170-183. doi: 10.1109/TTHZ.2015.2392619
34. Заболотний А.Г., Сахнов С.Н., Парахуда С.Е., Смолянская О.А., Езерская А.А., Гейко И.А. Изучение взаимодействия терагерцового излучения с глазной поверхностью – фиброзной оболочкой глазного яблока, роговицей и склерой, в эксперименте. Вестник ОГУ. 2012; 148(12): 50-54.
35. Ангелуц А.А., Балакин А.В., Евдокимов М.Г., Есаулков М.Н., Назаров М.М., Ожередов И.А., и др. Характерные отклики биологических и наноразмерных систем в терагерцевом диапазоне частот. Квантовая электроника. 2014; 44(7): 614-632. doi: 10.1070/QE2014v044n07ABEH015565
36. Иомдина Е.Н., Селиверстов С.В., Сианосян А.А., Теплякова К.О., Русова А.А., Гольцман Г.Н. Терагерцевое сканирование для оценки содержания воды в роговице и склере. Современные технологии в медицине. 2018; 4: 143-150. doi: 10.17691/stm2018.10.4.17
37. Сафонова Т.Н., Сикач Е.И., Ожередов И.А. Современные методы исследования стабильности слезной пленки. Вестник офтальмологии. 2019; 135(5): 92-98. doi: 10.17116/oftalma201913505192
38. Кекконен Э.А., Коновко А.А., Ли Ю.С., Ли И.M., Ожередов И.А., Парк К.Х., и др. Оценка степени гидратации тканей глазной поверхности методом терагерцевой рефлектометрии. Квантовая электроника. 2020; 50(1): 61-68.
39. Сикач Е.И., Сафонова Т.Н., Ожередов И.А., Прокопчук М.Н., Мищенко М.Д., Листопадская Ю.В. Непрерывная терагерцовая рефлектометрия: возможности и перспективы нового метода оценки степени гидратации роговицы. Современные технологии в офтальмологии. 2020; 4: 126. doi: 10.25276/2312-4911-2020-4-104-105
40. Sung S, Dabironezare S, Llombart N, Selvin S, Bajwa N, Chantra S, et al. Optical system design for noncontact, normal incidence, THz imaging of in vivo human cornea. IEEE Trans Terahertz Sci Technol. 2018; 8(1): 1-12. doi: 10.1109/TTHZ.2017.2771754
41. Sung S, Selvin S, Bajwa N, Chantra S, Nowroozi B, Garritano J, et al. THz imaging system for in vivo human cornea. IEEE Trans Terahertz Sci Technol. 2018; 8(1): 27-37. doi: 10.1109/TTHZ.2017.2775445
42. Yao J, Ma J, Zhao J, Qi P, Li M, Lin L, et al. Corneal hydration assessment indicator based on terahertz time domain spectroscopy. Biomed Opt Express. 2020; 11(4): 2073-2084. doi: 10.1364/BOE.387826
43. Ke L, Wu QYS, Zhang N, Yang Z, Teo EPW, Mehta JS, et al. Terahertz spectroscopy analysis of human corneal sublayers. J Biomed Opt. 2021; 26(4): 043011. doi: 10.1117/1.JBO.26.4.043011
44. Ke L, Zhang N, Wu QYS, Gorelik S, Abdelaziem A, Liu Z, et al. In vivo sensing of rabbit cornea by terahertz technology. J Biophotonics. 2021: e202100130. doi: 10.1002/jbio.202100130
45. Smolyanskaya OA, Schelkanova IJ, Kulya MS, Odlyanitskiy EL, Goryachev IS, Tcypkin AN, et al. Glycerol dehydration of native and diabetic animal tissues studied by THz-TDS and NMR methods. Biomed Opt Express. 2018; 9(3): 1198-1215. doi: 10.1364/BOE.9.001198
46. Musina GR, Dolganova IN, Chernomyrdin NV, Gavdush AA, Ulitko VE, Cherkasova OP, et al. Optimal hyperosmotic agents for tissue immersion optical clearing in terahertz biophotonics. J Biophotonics. 2020; 13(12): e202000297. doi: 10.1002/jbio.202000297
47. Сафонова Т.Н., Патеюк Л.С. Система глазной поверхности. Вестник офтальмологии. 2015; 131(1): 96-103. doi: 10.17116/oftalma2015131196-102
48. Wolffsohn J, Arita R, Chalmers R, Djalilian A, Dogru M, Dumbleton K, et al. TFOS DEWS II diagnostic methodology report. Ocul Surf. 2017; 15(3): 539-574. doi: 10.1016/j.jtos.2017.05.001
49. Ozheredov I, Prokopchuk M, Safonova T, Sikach E, Solyankin P, Angeluts A, et al. Application of THz radiation for in situ control of eye cornea hydration level. EPJ Web of Conferences. 2018; 195: 10009. doi: 10.1051/epjconf/201819510009
50. Онуфрийчук О.Н., Куроедов А.В. Распространенность синдрома «сухого глаза» в России. РМЖ. Клиническая офтальмология. 2021; 21(2): 96-102. doi: 10.32364/2311-7729-2021-21-2-96-102
51. Geyko IA, Smolyanskaya OA, Sulatskiy MI, Parakhuda SE, Sedykh EA, Zabolotniy AG, et al. Impact of terahertz radiation on the epithelialization rate of scarified Cornea. In: Lilge LL, Sroka R (eds). Medical Laser Applications and Laser-Tissue Interactions VII: Proceedings of SPIE-OSA Biomedical Optics. 2015; 9542: 954. doi: 10.1117/12.2183866
52. Zabolotniy AG. The study of interaction of terahertz radiation with the cornea in experiment in vivo. J Clin Exp Ophthalmol 2017; 8: 4. doi: 10.4172/2155-9570-C1-065
53. Iomdina EN, Seliverstov SV, Teplyakova KO, Jani EV, Pozdniakova VV, Polyakova ON, et al. Terahertz scanning of the rabbit cornea with experimental UVB-induced damage: In vivo assessment of hydration and its verification. J Biomed Opt. 2021; 26(4): 043010. doi: 10.1117/1.JBO.26.4.043010
54. Koyama S, Narita E, Shimizu Y, Shiina T, Taki M, Shinohara N, et al. Twenty four-hour exposure to a 0.12 THz electromagnetic fi eld does not affect the genotoxicity, morphological changes, or expression of heat shock protein in HCE-T cells. Int J Environ Res Public Health. 2016; 13: 793. doi: 10.3390/ijerph13080793
55. Liu YC, Ke L, Yang SWQ, Nan Z, Teo EPW, Lwin NC, et al. Safety profiles of terahertz scanning in ophthalmology. Sci Rep. 2021; 11(1): 2448. doi: 10.1038/s41598-021-82103-9
56. Сафонова Т.Н., Федоров А.А., Сурнина З.В., Сикач Е.И., Ожередов И.А. Экспериментальное обоснование безопасности применения терагерцового излучения для анализа изменений гидратации роговицы. Вестник офтальмологии. 2021; 137(3): 58-67. doi: 10.17116/oftalma202113703158
Рецензия
Для цитирования:
Заболотний А.Г., Гейко И.А., Балагов Л.М. Применение терагерцового излучения в офтальмологии (обзор). Acta Biomedica Scientifica. 2021;6(6-1):168-180. https://doi.org/10.29413/ABS.2021-6.6-1.20
For citation:
Zabolotniy A.G., Geiko I.A., Balagov L.M. Terahertz radiation in ophthalmology (review). Acta Biomedica Scientifica. 2021;6(6-1):168-180. (In Russ.) https://doi.org/10.29413/ABS.2021-6.6-1.20
Просмотров: 621
Послать статью по эл. почте 
