CN1016490B - 外科治疗散光用的设备 - Google Patents

Abstract

外科治疗散光的设备，它包括准分子激光器(1)和激光束(2)横截面上辐射能量分布整形器(3)。按照本发明，此整形器就是一个光学器皿(7)，其光窗(8，9)设置成可绕着光束(2)的轴线(21)旋转，而且光窗(8，9)的内表面为二次柱面。器皿(7)中充以部分吸收激光的介质(10)。此设备能够用来同时辐照角膜的整个表面，并且通过辐照来获得给定断面的光滑表面。

Description

本发明属于眼科医学领域，更确切地说属于治疗散光（近视性、远视性和混合性）用的设备。

与近视及远视一起存在的散光，乃是世界上最流量的视觉缺陷，借助于眼镜来矫正散光，并不总能保证足够的矫正质量，而利用隐形眼镜则会给病人造成一定的不方便。矫正散光最有前途的方法是利用外科手术来改变眼睛的折光度。与现有的利用传统外科方法治疗散光的方法不同，激光外科具有一些实质性优点-完全无菌性、手术的结果可通过数学进行计算、精确度高。

当前最重要的任务，就是要建立理想的，使用方便而且制做并不复杂的借助激光对散光进行外科治疗的设备。

已知一种外科治疗散光用的设备，它包括紫外光脉冲激光器，以及设备在激光行进路程中的用以在光束横截面上形成一定的辐射能量密度分布的整形器（参见Report    of    the“Centre    Scientifique    IBM”，Paris，France，Dok，NF104，1986    K，Hanna    et    al“Excimer    Laser    Refractive    Keratoplasty”）。

这种外科治疗散光设备中采用的辐射能量密度分布整形器，被做成转盘的形式，上面带有预定形状的狭缝。当激光脉冲出现的时刻与狭缝相对病人眼球主轴的角度之间保持某种关系时，在许多激光脉冲的作用下，角膜表面形状将会发生必要的改变，从而对散光进行校正。

但是在利用这种已有设备时，同时被辐照的只是由狭缝的形状及其在该瞬间所处的角度位置所决定的那部分角膜，这样就很难获得给定断面的光滑表面，因为每一个脉冲激光能从角膜的垂直方向上剥除一层，而其形状与狭缝的形状是一致的，因此所获得的角膜表面为阶梯状。而为了得到光滑的表面就要求剥除的层深很浅而层数很多，这就会使手术时间延长，而且使手术难于进行，因为要求长时间地将病人的眼睛精确地对准激光光线。在这种情况下，激光能量的利用率不高，于是进一步延长了手术时间。这种设备制造复杂，因为狭缝及其旋转机构的制造精度要求精确，而且要求准确地测定狭缝的角度位置及其在激光脉冲出现时与其匹配。

上述因素会使手术结果的精度降低，并使出现并发症的病率增大。

作为本发明基楚提出的任务是要建立一种外科治疗散光设备，其中采用在激光束横截面上对辐射能量密度分布进行整形的整形器，它能够保证角膜的全部表面同时受到辐射，以便获得给定断面的光滑表面，从而缩短外科手术的时间、提高激光的利用率。

本发明的实质在于，外科治疗散光用的设备中包括有紫外光脉冲激光器以及设置在该激光束行进路程中用以在光束横截面上形成所需要的辐射能量密度分布的整形器，按照本发明，此辐射能量密度分布整形器就是一个光学器皿，其中的第一光窗和第二光窗均由透激光的材料制成、它们位于激光束行进路程中，并可绕光束的光轴旋转。

光窗的内表面为二次圆柱曲面，其中每个曲面的主方向均与激光束的对称轴垂直，此时的光学器皿中应充以部分吸收激光的介质。

最适宜的作法是将该器皿内充以流动的吸收介质，并与配备有能改变吸收介质光学密度设备的吸 收介质循环系统相联通。

为了治疗近视性散光，希望将器皿中两个光窗的内表面做成抛物线形柱面形状，并凸向器皿内部。

为了治疗远视性散光，希望将器皿中两个光窗的内表面做成圆柱面形状，并凸向器皿的外部。

为了治疗混合性散光，希望将器皿中两个光窗的内表面做成双曲线形柱面形状，其中一表面凸向容器的内部，而另一个则凸向容器的外部。

根据本发明制做的外科治疗散光的设备，能够将进行手术的时间大大缩短，并能保证激光能量有很高的利用率，有可能通过手术结果而获得所需断面的光滑表面。

随后本发明将通过具体的实施例及附图加以说明，其中：

图1表示本发明所述外科治疗散光设备;

图2为治疗近视性散光情况下此光学器皿中两个光窗制作方案的等轴画法图;

图3为治疗远视性散光情况下此光学器皿中两个光窗制作方案的等轴画法图;

图4为治疗混合性散光情况下此光学器皿中两个光窗制作方案的等轴画法图;

图5a及5b为示意性表示治疗近视性散光过程中，在互相垂直的散光方向上的眼球截面图;

图6a及6b为示意性表示治疗远视性散光过程中，在互相垂直的散光方向上的眼球截面图;

图7a及7b为示意性表示治疗混合性散光过程中，在互相垂直的散光方向上的眼球截面图。

图1表示的外科治疗散光（近视性、远视性和混合性）用的设备，它包括紫外光脉冲激光器1以及按先后顺序设置在激光束2行进路程中的横截面上的辐射能量密度分布整形器3和用来决定病人眼球角膜6上手术区直径的光阑4及透镜5。

辐射能量密度分布整形器3乃是一个光学器皿7，其位于激光器1的光束2行进路程中的光窗8和9，是由透激光材料，例如石英，制成的。光窗的内表面为二次圆柱曲面，在这里我们是将光窗8和9的内表面一同理解为器皿7的内腔和光窗8和9材料之间的界面。器皿7中充以部分吸收激光的流动性介质10，并与吸收介质10的循环系统相连通，为此需在器皿的圆柱形外壳11的壁上安装输入管道接头12和输出管道接头13。输入管道接头12则借助导管14，经过作为改变介质10光学密度（气体压力）用的设备的气体感压器15被压缩后吸收气体（例如氨气）的蓄气瓶16相通。

依次接在管道接头13上的是气阀17和气体吸附器18。

在使用液体吸收介质的情况下，例如可以利用NaCl的水溶液作为吸收介质，此循环系统（图中未画出）需包括装液体的容器以及将此液体闭路经过器皿7即送用的泵。

作为激光器1可以利用光束横截面上辐射能量密度为均匀分布的紫外光受激准分子激光器。

光窗8和9分别固定在套管19和20中，而套管19和20装在圆柱形外壳11中并与其同轴，其中的每个套管都能绕着外壳11的轴线旋转，而该旋转轴与激光束2的轴线重合在一起。在套管19和20的外表面的端部刻有度盘，以进行转角读数。

器皿7的内腔需要借助公知的密封手段例如借助氟塑料填塞使其与周围的介质密封（图中未作示意性表示）。

可以利用望远透镜作为光窗8和9，其表面为二次圆柱曲面-抛物线形、双曲线形、椭圆形或圆柱形面，这些表面将器皿的内腔予以限定。

图2中表示治疗近视性散光情况下光学器皿的光窗8、9的制做方案，其中的内表面22及23具有抛物线形柱面形状，凸向器皿内部。表面22和23的主方向24和25分别与光束的对称轴21垂直。

作为曲面的主方向，我们将其理解为质向截面的曲率为最大值的表面方向。

图3中表示治疗远视性散光情况下光学器皿中光窗8、9的制做方案，其中的内表面26及27具有圆柱面形状，凸向器皿的外部。这时表面26和27的主方向28和29同样分别与光束的对称轴21垂直。

图4中表示治疗混合性散光时光学器皿中光窗8、9的制做方案，其中的内表面30和31具有双曲线形柱面形状，主面32及33分别与光束的对称轴21垂直。这时的表面30凸向器皿内部，而表面31则凸向器皿外部。

在图2、3、4表示的光窗8、9实施例中，也还可以采用其他的二次圆柱曲面，例如在图2表示的实例中，光窗8、9也可以具有双曲线形、椭圆形柱面或圆柱面，只不过这些表面要凸向器皿的内部，其主面要与光束的对称轴21垂直。上述情况同样适用于图3及图4所示的实施例，其差别仅在于 光窗8、9的内表面凸出方向也应与图3及图4方案中表示的方向相对应。

对于每种具体情况来说，选择器皿7的实施方案取决于病人眼睛散光的度数和类型、所使用的吸收介质10的参数以及设备的制造工艺和使光学系统的象差最小的要求。

本外科治疗散光设备的工作方式如下：

现在我们以治疗近视性散光为例看看该设备如何工作。

众所周知，正常眼球的角膜表面可以用旋转抛物面方程进行描述。

在近视性散光的情况下，人眼的角膜表面需要用椭圆抛物面方程进行描述，其所有截面上顶部的曲率半径均比正常眼球的相应半径为小。

为了对近视性散光进行治疗，需要从眼球角膜上除掉由两个抛物面-即椭圆抛物面的表面35和旋转抛物面的表面36（正常眼球的角膜表面）之间所限定的那部分区间34（图5a及5b）。

在这种情况下角膜表面被去除部分34的厚度变化，是用椭圆抛物面方程来描述的，在光束的对称轴21上为最大。在相互垂直的散光方向（即眼睛的最大及最小折光方向）上那部分区间34的截面，表示在图5a及5b中。在借助本设备对近视性散光进行治疗时，为了去除那部分区间34，按照本发明，在考虑介质10（图1）吸收系数的前提下，要予先算出光窗8和9（图1）的主方向24和25（图2）之间的夹角大小，并通过套管19和20的旋转来使光窗8、9转动，以使主方向24（图2）及25之间的夹角等于计算值，而此角度的平分线则与散光方向之一相重合，具体说就是要和眼睛的最大折光方向重合。然后接通激光器1（图1），由激光器1输出的光束截面能量密度分布为均匀的激光束2，将要通过器皿7的光窗8、光窗8.9之间充有吸收介质10的空间、光窗9、光阑4和透镜5并射在眼睛角膜6上。由于光窗8.9的内表面为曲面，所以激光束2行进路程上介质层10的厚度是不均匀的，且由器皿7的中央到外缘逐渐增加，而且存在着最大的厚度增加方向和与其垂直的最小厚度增加方向。与此相应，激光在介质10中的吸收也是从光束2的中央到外缘按不同的方向以不同的速度增加的。通过器皿7之后在其输出端的激光束37是不均匀的，但相对两个互相垂直的能量分布平面是对称的，其形状和参数则取决于：

1.光窗8和9内表面的形状;

2.介质10的吸收系数，它可以进行变化，例如通过改变吸收气体的压力或溶液（在使用液体介质时）的浓度来进行。在整个光束37横截面上的能量密度分布，可以用接近于椭圆抛物面方程的方程式加以描述，在光束2的对称轴21上密度最大，并从光束2外缘向中心的方向上逐渐增大，而趋近于大值。

随后光束37将通过光阑4和透镜5（在激光束发散度足够小的情况下也可以不用）并射在眼球的角膜6上。

在手术进行过程中吸收介质10都是借助循环系统不断地经过器皿7内腔压送的，为的是避免在激光1连续作用下介质10发生分解。

众所周知，生物组织在远紫外辐射的作用下将会产生光消蚀作用（即光汽化作用），而且在一定的辐射能量密度范围内，被消蚀层的厚度与辐照的能量密度成正比。

光束37中的能量分布如上所述可以用椭圆抛物面方程作近似描述，最大的能量密度位于光束的对称轴上，而光束37与角膜6的相互作用则将导致角膜的一部分区间34（图5）被除去，它是由椭圆抛物面的表面和旋转抛物面的表面所限定的，其中前一个表面就是病人在治疗前的角膜起始表面，而后一个表面就是激光1辐射作用之后（图1）的角膜表面。辐射一直作用到近视性散光消除为止。

在远视性散光的情况下，人眼角膜的表面可以用椭圆抛物面方程加以描述，在所有截面上顶部的曲率半径均比正常眼球的相应半径为大。为对远视性散光进行治疗，需要把由两个抛物面-即椭圆抛物面的表面39和旋转抛物面的表面40（正常眼的角膜表面）所限定的那部分区间38（图6a、b）从角膜上去除。实现远视性散光的治疗与近视性散光情况下的描述类似，其差别仅在于，作为光束2横截面辐射能量密度分布整形器3（图1），所选择的器皿7的光窗8.9方案为图3。其结果是器皿7输出端的光束37（图1）所具有的能量密度分布，可以用椭圆抛物面方程加以描述，光束2对称轴21上最小。此光束与角膜的相互作用（图6a、6b）可导致区间部分38从角膜表面上去除。

在混合性散光的情况下，人眼角膜的表面可以用椭圆抛物面方程加以描述，在最大折光方向上的曲率半径要比正常眼的曲率半径小，而在最小折光 方向上的曲率半径要比正常眼的曲率半径大。为对混合性散光进行治疗，需要从角膜上将区间部分41（图7a、7b）去除，它在角膜面上的厚度变化可以用双曲线形抛物面方程加以描述。混合性散光的治疗也与近视性和远视性散光的治疗类似，其差别仅在于，作为光束2横截面辐射能量密度分布的整形器3（图1），所选择的器皿7的光窗8.9的方案为图4。其结果是器皿7输出端的光束37（图1）所具有的能量密度分布，可以近似地用双曲线形抛物面方程加以描述。此光束与角膜6的相互作用，可以导致区间部分41（图7a、7b）从角膜表面上去除。

为了更好地理解本发明的实质，现援引如下的具体实施例。

曾经根据本发明对制造了该设备中的一个方案并进行了试验。为了改变家兔眼睛的折光，所利用的激光1（λ＝193nμ）为横截面上能量分布均匀并整形为直径6毫米的平行光束2，它所经过的能量密度分布整形器3具有两个同样的光窗8和9，均由光学石英玻璃做成望远透镜的形式，其表面为圆形柱面。真空密实固定以使其中一块透镜凸向器皿7内部，而另一块透镜凸向器皿7外部（如图4中表示的那样）。光窗8、9被固定在套管19、20中，而套管可以在由不锈钢制做的圆柱形外壳11中转动。整形器3则经过管道接头12、13接在用以保证1×10⁵-3×10⁶帕斯卡压力作用下使一氧化氮N₂O流通的系统中。激光1脉冲的重复频率为10周，脉冲能量为100～300兆焦耳（ΜДЖ）。为了进行实验，曾经在四只家兔的八只眼上采用热凝固及使用金钢石刀刻出切向刻痕的方法得到人工混合散光。借助本发明推荐的设备依靠激光的作用曾经在以下范围内对于人工制造的混合性散光实现了矫正：近视在0-3屈光度;远视在0-2.5屈光度，而且在激光作用后得到了光滑的角膜表面。

采用本发明推荐的设备，能够提高获得给定形状的角膜表面的精度并使治疗时间大为缩短。

本发明所述的设备能够广泛地应用在近视性、远视性和混合性散光的外科治疗。

Claims (5)

1、一种外科治疗散光用的设备，它包括紫外光脉冲激光器(1)以及设置在激光束(2)行进路程中的光束(2)横截面辐射能量密度分布整形器(3)，其特征在于此能量密度分布整形器(3)，乃是一个光学器皿(7)，位于激光束行进路程上的该器皿(7)的光窗(8，9)可绕着光束(2)的轴线(21)旋转，并且由透激光材料制做，其内表面为二次旋转柱面，其中每个表面的主方向均与激光束(2)的轴线21垂直，器皿(7)由部分透过激光的介质(10)所充填。

2、如权利要求1所述的设备，其特征在于器皿（7）中充以流动的吸收介质（10），并与配备有改变吸收介质（10）光学密度设备的吸收介质（10）循环系统相通。

3、如权利要求1所述的设备，其特征在于，器皿（7）光窗（8，9）的内表面具有抛物线形柱面形状，而且凸面朝向器皿（7）内部。

4、如权利要求1所述的设备，其特征在于，器皿（7）光窗（8，9）的内表面具有圆柱面形状，而且凸面朝向器皿（7）的外部。

5、如权利要求1所述的设备，其特征在于，器皿（7）光窗（8，9）的内表面具有双曲线形柱面形状，这时的内表面之一凸向器皿（7）之内部，而另一内表面凸向器皿（7）外部。

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