Study of the possibility of using cavitation microcurrents in an ultrasonic scalpel for the glaucoma treatment

Authors

DOI:

https://doi.org/10.20535/2521-1943.2024.8.4(103).316187

Keywords:

ultrasound, cavitation, microjets, elasticity, scalpel, glaucoma, trabeculae

Abstract

Розробка нового медичного інструментарію для хірургічного лікування хворих на глаукому є актуальним науково-прикладним завданням сучасного машинознавства, оскільки кількість інвалідів по зору на Україні з приводу глаукоми з кожним роком зростає. Доведено роль внутрішньоочного тиску (ВОТ), як основного фактору ризику в патогенезі розвитку і прогресування глаукоми. Встановлено, що при глаукомі швидкість секреції водянистої вологи не змінюється, тоді як опір відтоку зростає в ділянці трабекулярної сітки, що призводить до підвищення ВОТ. Чимало доказів свідчить про те, що опір відтоку внутрішньоочної рідини створюється в ділянці внутрішньої стінки трабекулярної сітки. На сьогоднішній день точне структурне розташування і молекулярна природа створення опору трабекулярного відтоку в ділянці внутрішньої стінки трабекулярної сітки точно не встановлені і потребує подальшого вивчення. На сьогодні у техніці широко використовується явище ультразвукової кавітації, яке виникає при введенні в рідину ультразвукових коливань високої інтенсивності і забезпечує якісне видалення забруднень з поверхонь, знезараження, дрібнодисперсне розпилення, утворення інтенсивних мікротечій і тп. Наша робота досліджує зміни в біомеханічних реакціях в результаті малоінвазивної хірургії глаукоми – розширення фізіологічних шляхів відтоку внутрішньоочної рідини (трабекулярного апарату, Шлеммового каналу тощо) за допомогою процедур з використанням ультразвукової кавітації. Шляхом модернізації факоемульсифікатора, створено ультразвуковий глаукомний скальпель, який дозволить очистити пори трабекулярної сітки, відновити і зберегти її еластичність, знизити опір відтоку очної рідини, знизити очний тиск. Застосування такого інструменту допоможе офтальмологам проводити малоінвазивні втручання, направлені на нормалізацію рівня очного тиску менш інвазивним та більш безпечним шляхом, що буде сприяти упередженню прогресування та успішному лікуванню глаукоми. Розробка новітнього медичного інструментарію дасть змогу розробляти індивідуальні стратегії лікування на основі конкретних потреб і тяжкості захворювання кожного пацієнта і створити досконалу систему лікування хворих на глаукому.

References

  1. S. Resnikoff, D. Pascolini, D. Etya'ale, I. Kocur, R. Pararajasegaram, G. P. Pokharel and S. P. Mariotti, "Global data on visual impairment in the year 2002", Bulletin of the World Health Organization, vol. 82, no. 11, pp. 844-851, 2004.
  2. P. J. Foster, R. Buhrmann, H. A. Quigley and G. J. Johnson, “The definition and classification of glaucoma in prevalence surveys”, British Journal of Ophthalmology, vol. 86, no. 2, pp. 238–242, 2002. DOI: https://doi.org/10.1136/bjo.86.2.238.
  3. Y. H. Kwon, J. H. Fingert, M. H. Kuehn and W. L. M. Alward, “Primary open-angle glaucoma”, New England Journal of Medicine, vol. 360, no. 11, pp. 1113–1124, 2009. DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMra0804630.
  4. S. O. Rykov, N. V. Medvedovska and Yu. V. Barinov, “Retrospective analysis of regional features of staffing of the ophthalmic service of Ukraine”, Archive of Ukrainian Ophthalmology, vol. 7, no. 2, pp. 6–10, 2019. DOI: https://doi.org/10.22141/2309-8147.7.2.2019.169681.
  5. Collaborative Normal-Tension Glaucoma Study Group, “Comparison of glaucomatous progression between untreated patients with normal-tension glaucoma and patients with therapeutically reduced intraocular pressures”, American Journal of Ophthalmology, vol. 126, no. 4, pp. 487–497, 1998. DOI: https://doi.org/10.1016/S0002-9394(98)00223-2.
  6. Collaborative Normal-Tension Glaucoma Study Group, “The effectiveness of intraocular pressure reduction in the treatment of normal-tension glaucoma”, American Journal of Ophthalmology, vol. 126, no. 4, pp. 498–505, 1998. DOI: https://doi.org/10.1016/S0002-9394(98)00272-4.
  7. The AGIS Investigators, “The advanced glaucoma intervention study (AGIS): 7. the relationship between control of intraocular pressure and visual field deterioration”, American Journal of Ophthalmology, vol. 130, no. 4, pp. 429–440, 2000. DOI: https://doi.org/10.1016/S0002-9394(00)00538-9.
  8. P. R. Lichter, D. C. Musch, B. W. Gillespie, K. E. Guire, N. K. Janz, P. A. Wren et al., “Interim clinical outcomes in the Collaborative Initial Glaucoma Treatment Study comparing initial treatment randomized to medications or surgery”, Ophthalmology, vol. 108, no. 11, pp. 1943–1953, 2001. DOI: https://doi.org/10.1016/S0161-6420(01)00873-9.
  9. M. O. Gordon, J. A. Beiser, J. D. Brandt, D. K. Heuer, E. J. Higginbotham, C. A. Johnson et al., “The Ocular Hypertension Treatment Study: baseline factors that predict the onset of primary open-angle glaucoma”, Archives of Ophthalmology, vol. 120, no. 6, pp. 714–720, 2002. DOI: https://doi.org/10.1001/archopht.120.6.714.
  10. M. A. Kass, D. K. Heuer, E. J. Higginbotham, C. A. Johnson, J. L. Keltner, J. P. Miller et al., “The Ocular Hypertension Treatment Study: a randomized trial determines that topical ocular hypotensive medication delays or prevents the onset of primary open-angle glaucoma”, Archives of Ophthalmology, vol. 120, no. 6, pp. 701–713, 2002. DOI: https://doi.org/10.1001/archopht.120.6.701.
  11. M. C. Leske, A. Heijl, M. Hussein, B. Bengtsson, L. Hyman, E. Komaroff et al., “Factors for glaucoma progression and the effect of treatment: the early manifest glaucoma trial”, Archives of Ophthalmology, vol. 121, no. 1, pp. 48–56, 2003. DOI: https://doi.org/10.1001/archopht.121.1.48.
  12. H. A. Quigley, “Glaucoma”, The Lancet, vol. 377, no. 9774, pp. 1367–1377, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(10)61423-7.
  13. M. R. Hernandez, H. Ye and S. Roy, “Collagen type IV gene expression in human optic nerve heads with primary open angle glaucoma”, Experimental Eye Research, vol. 59, no. 1, pp. 41–51, 1994. DOI: https://doi.org/10.1006/exer.1994.1079.
  14. H. A. Quigley, “Neuronal death in glaucoma”, Progress in Retinal and Eye Research, vol. 18, no. 1, pp. 39–57, 1999. DOI: https://doi.org/10.1016/S1350-9462(98)00014-7.
  15. M. R. Hernandez, “The optic nerve head in glaucoma: role of astrocytes in tissue remodeling”, Progress in Retinal and Eye Research, vol. 19, no. 3, pp. 297–321, 2000. DOI: https://doi.org/10.1016/S1350-9462(99)00017-8.
  16. C. F. Burgoyne, “A biomechanical paradigm for axonal insult within the optic nerve head in aging and glaucoma”, Experimental Eye Research, vol. 93, no. 2, pp. 120–132, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2010.09.005.
  17. E. R. Tamm, “The role of the ciliary body in aqueous humor dynamics structural aspects”, in Encyclopedia of the Eye. Oxford: Academic Press, 2010, pp. 179–186. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374203-2.00085-3.
  18. E. R. Tamm, “The trabecular meshwork outflow pathways. Functional morphology and surgical aspects”, in T. M. Shaarawy, M. B. Sherwood, R. A. Hitchings, J. G. Crowston (eds.), Glaucoma, vol. II. Amsterdam: Saunders, 2009, pp. 31–44.
  19. E. R. Tamm, “The trabecular meshwork outflow pathways: structural and functional aspects”, Experimental Eye Research, vol. 88, no. 4, pp. 648–655, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2009.02.007.
  20. M. Johnson, “What controls aqueous humour outflow resistance?”, Experimental Eye Research, vol. 82, no. 4, pp. 545–557, 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2005.10.011.
  21. D. R. Overby, W. D. Stamer and M. Johnson, “The changing paradigm of outflow resistance generation: towards synergistic models of the JCT and inner wall endothelium”, Experimental Eye Research, vol. 88, no. 4, pp. 656–670, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2008.11.033.
  22. R. F. Brubaker, “Flow of aqueous humor in humans [The Friedenwald Lecture]”, Investigative Ophthalmology & Visual Science, vol. 32, no. 13, pp. 3145–3166, 1991. Available: https://iovs.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2160397.
  23. W. M. Grant, “Clinical measurements of aqueous outflow”, Archives of Ophthalmology, vol. 46, no. 2, pp. 113–131, 1951. DOI: https://doi.org/10.1001/archopht.1951.01700020119001.
  24. M. Johnson, D. Chan, A. T. Read, C. Christensen, A. Sit and C. R. Ethier, “The pore density in the inner wall endothelium of Schlemm's canal of glaucomatous eyes”, Investigative Ophthalmology & Visual Science, vol. 43, no. 9, pp. 2950–2955, 2002. Available: https://iovs.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2162671.
  25. E. R. Tamm and R. Fuchshofer, “What increases outflow resistance in primary open-angle glaucoma?”, Survey of Ophthalmology, vol. 52, no. 6, pp. S101–S104, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.survophthal.2007.08.002.
  26. M. Johnson and K. Erickson, “Mechanisms and routes of aqueous humor drainage“, in D. M. Albert, F. A. Jakobiec (eds.), Principles and Practice of Ophthalmology, vol. 4. Philadelphia: WB Saunders Co, 2000, pp. 2577–2595.
  27. J. W. Rohen and R. Witmer, “Electron microscopic studies on the trabecular meshwork in glaucoma simplex”, Albrecht von Graefes Archiv für klinische und experimentelle Ophthalmologie, vol. 183, no. 4, pp. 251–266, 1972. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00496153.
  28. E. Lütjen-Drecoll, T. Shimizu, M. Rohrbach and J. W. Rohen, “Quantitative analysis of ‘plaque material’ in the inner- and outer wall of Schlemm’s canal in normal- and glaucomatous eyes”, Experimental Eye Research, vol. 42, no. 5, pp. 443–455, 1986. DOI: https://doi.org/10.1016/0014-4835(86)90004-7.
  29. O.-Y. Tektas and E. Lütjen-Drecoll, “Structural changes of the trabecular meshwork in different kinds of glaucoma”, Experimental Eye Research, vol. 88, no. 4, pp. 769–775, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2008.11.025.
  30. E. Lütjen-Drecoll, “Morphological changes in glaucomatous eyes and the role of TGFbeta2 for the pathogenesis of the disease”, Experimental Eye Research, vol. 81, no. 1, pp. 1–4, 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2005.02.008.
  31. J. M. Bradley, J. Vranka, C. M. Colvis, D. M. Conger, J. P. Alexander, A. S. Fisk et al., “Effect of matrix metalloproteinases activity on outflow in perfused human organ culture”, Investigative Ophthalmology & Visual Science, vol. 39, no. 13, pp. 2649–2658, 1998. Available: https://iovs.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2161843.
  32. A. Lepple-Wienhues, F. Stahl and M. Wiederholt, “Differential smooth muscle-like contractile properties of trabecular meshwork and ciliary muscle”, Experimental Eye Research, vol. 53, no. 1, pp. 33–38, 1991. DOI: https://doi.org/10.1016/0014-4835(91)90141-Z.
  33. M. Wiederholt, H. Thieme and F. Stumpff, “The regulation of trabecular meshwork and ciliary muscle contractility”, Progress in Retinal and Eye Research, vol. 19, no. 3, pp. 271–295, 2000. DOI: https://doi.org/10.1016/S1350-9462(99)00015-4.
  34. B. Tian, B. Geiger, D. L. Epstein and P. L. Kaufman, “Cytoskeletal involvement in the regulation of aqueous humor outflow”, Investigative Ophthalmology & Visual Science, vol. 41, no. 3, pp. 619–623, 2000. Available: https://iovs.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2199886.
  35. B. Tian, B. T. Gabelt, B. Geiger and P. L. Kaufman, “The role of the actomyosin system in regulating trabecular fluid outflow”, Experimental Eye Research, vol. 88, no. 4, pp. 713–717, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2008.08.008.
  36. J. A. Last, T. Pan, Y. Ding, C. M. Reilly, K. Keller, T. S. Acott et al., “Elastic modulus determination of normal and glaucomatous human trabecular meshwork”, Investigative Opthalmology & Visual Science, vol. 52, no. 5, pp. 2147–2152, Apr. 2011. DOI: https://doi.org/10.1167/iovs.10-6342.
  37. R. Fuchshofer and E. R. Tamm, “Modulation of extracellular matrix turnover in the trabecular meshwork”, Experimental Eye Research, vol. 88, no. 4, pp. 683–688, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2009.01.005.
  38. A. F. Lugovskiy and N. V. Chukhrayev, Ul'trazvukovaya kavitatsiya v sovremennykh tekhnologiyakh. Kyiv: VPTS "Kyyivsʹkyy universytet", 2007, 244 p.
  39. O. M. Yakhno, Ye. A. Lugovskaya and A. V. Movchanyuk, "Issledovaniye vozmozhnostey tekhnologii ul'trazvukovoy kavitatsionnoy ochistki elastichnykh poverkhnostey", Journal of Mechanical Engineering NTUU "Kyiv Polytechnic Institute", no. 58, pp. 234-240, 2010. Available: https://core.ac.uk/download/pdf/47221735.pdf.
  40. A. F. Lugovskiy, A. V. Movchanyuk and I. A. Grishko, "Otsenka metodov obezzarazhivaniya vody", Visnyk Natsionalʹnoho tekhnichnoho universytetu Ukrayiny "Kyyivsʹkyy politekhnichnyy instytut", seriya Mashynobuduvannya, no. 52, pp. 103–111, 2008.
  41. E. A. Brujan, “The role of cavitation microjets in the therapeutic applications of ultrasound”, Ultrasound in Medicine & Biology, vol. 30, no. 3, pp. 381–387, 2004. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2003.10.019.
  42. Ya. Gritsenko, S. Dmitriev, A. Kovalchuk, M. Skipa, V. Belikov, A. Batir and N. Pasechnikova, “An improved method for determining the density characteristics of the lens in patients with age-related cataract by ultrasound B-scan”, Oftalmologicheskii Zhurnal, vol. 53, no. 1, pp. 96–102, 2015. DOI: https://doi.org/10.31288/oftalmolzh2015196102.
  43. G. Czygan and C. Hartung, “Mechanical testing of isolated senile human eye lens nuclei”, Medical Engineering & Physics, vol. 18, no. 5, pp. 345–349, 1996. DOI: https://doi.org/10.1016/1350-4533(95)00076-3.
  44. O. F. Lugovsky, A. V. Movchanyuk, I. M. Bernyk, A. V. Shulga and I. A. Grishko, Aparatne zabezpechennya ulʹtrazvukovykh kavitatsiynykh tekhnolohiy: monohrafiya. Kyiv: "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", 2021, 216 p.
  45. P. P. M. Chan, M. D. Larson, J. E. Dickerson Jr, K. Mercieca, V. T. C. Koh, R. Lim et al., “Minimally Invasive Glaucoma Surgery: Latest Developments and Future Challenges”, Asia-Pacific Journal of Ophthalmology, vol. 12, no. 6, pp. 537–564, 2023. DOI: https://doi.org/10.1097/APO.0000000000000646.
  46. B. A. Francis, K. Singh, S. C. Lin, E. Hodapp, H. D. Jampel, J. R. Samples and S. D. Smith, “Novel glaucoma procedures: a report by the American academy of ophthalmology”, Ophthalmology, vol. 118, no. 7, pp. 1466–1480, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ophtha.2011.03.028.
  47. Christopher Kent, "MIGS and the General Ophthalmologist", Review of Ophthalmology, vol. XXVI, no. 6, pp. 24-34, 2019. Available: https://www.reviewofophthalmology.com/article/migs-procedures-and-the-general-ophthalmologist.
  48. O. Buchacra, S. Duch, E. Milla and O. Stirbu, “One-year analysis of the iStent trabecular microbypass in secondary glaucoma”, Clinical Ophthalmology, vol. 5, pp. 321–326, 2011. DOI: https://doi.org/10.2147/OPTH.S15025.
  49. I. Patel, T. A. de Klerk and L. Au, “Manchester iStent study: early results from a prospective UK case series”, Clinical & Experimental Ophthalmology, vol. 41, no. 7, pp. 648–652, 2013. DOI: https://doi.org/10.1111/ceo.12098.
  50. T. W. Samuelson, D. F. Chang, R. Marquis, B. Flowers, K. S. Lim, I. I. K. Ahmed et al., “A Schlemm canal microstent for intraocular pressure reduction in primary open-angle glaucoma and cataract”, Ophthalmology, vol. 126, no. 1, pp. 29–37, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ophtha.2018.05.012.
  51. D. S. Grover, D. G. Godfrey, O. Smith, W. J. Feuer, I. M. de Oca and R. L. Fellman, “Gonioscopy-assisted transluminal trabeculotomy, ab interno trabeculotomy”, Ophthalmology, vol. 121, no. 4, pp. 855–861, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ophtha.2013.11.001.
  52. W. W. Liu, D. Petkovsek, W. S. Shalaby, A. Arbabi and M. R. Moster, “Four-year surgical outcomes of gonioscopy-assisted transluminal trabeculotomy in patients with open-angle glaucoma”, Ophthalmology Glaucoma, vol. 6, no. 4, pp. 387–394, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ogla.2023.01.005.
  53. J. E. Dickerson and K. Dhamdhere, “Combined circumferential canaloplasty and trabeculotomy ab interno with the OMNI Surgical System”, Frontiers in Ophthalmology, vol. 1, no. 2, p. 106, 2021. DOI: https://doi.org/10.36879/FrO.21.000106.
  54. Z. M. Naumkina and V. I. Zubchuk, "The phacoemulsification tool modernization for different types of oscillations", Biomedical Engineering and Technology, no. 4, pp. 8-13, 2020. DOI: https://doi.org/10.20535/2617-8974.2020.4.221831.
  55. B. M. Aznabaev, V. N. Barakov, T. R. Mukhamadeev and T. I. Dibaev, Ultrasonic instrument of phacoemulsifier. Russia Patent RU2470620C1, published 27.12.2012.
  56. S. V. Sharhorodskyy and O. F. Luhovskyy, "Mozhlyvistʹ zastosuvannya kavitatsiynykh mikrostrumeniv dlya vidnovlennya elastychnosti trabekuly kuta perednʹoyi kamery ochey khvorykh na glaukomu", in Materialy XV Mizhnarodnoyi naukovo-tekhnichnoyi konferentsiyi molodykh vchenykh ta studentiv “Innovatsiyi molodi v mashynobuduvanni”. Kyiv, Ukraine, 2024.

Downloads

Published

2024-12-26

How to Cite

[1]
S. Sharhorodskyi and O. Luhovskyi, “Study of the possibility of using cavitation microcurrents in an ultrasonic scalpel for the glaucoma treatment”, Mech. Adv. Technol., vol. 8, no. 4(103), pp. 397–404, Dec. 2024.

Issue

Vol. 8 No. 4(103) (2024)

Section

Mechanics

License

Copyright (c) 2024 Сергій Шаргородський, Олександр Луговський

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

The ownership of copyright remains with the Authors.
 
Authors may use their own material in other publications provided that the Journal is acknowledged as the original place of publication and National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” as the Publisher.

Authors who publish with this journal agree to the following terms:

  1. Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under CC BY 4.0 that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.

  2. Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.

  3. Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work