CN101686874B - 用于材料加工、特别是外科屈光手术的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置和一种计算机程序，用于材料加工、特别是利用脉冲的飞秒激光工作的眼屈光手术，单个的焦点为了避免规则的、不希望的衍射现象如此定位光栅结构，即相邻的焦点的距离绝大部分是变化的。

Description

用于材料加工、特别是外科屈光手术的装置
技术领域
本发明涉及一种用于材料加工、特别是眼屈光手术的装置，具有脉冲激光射线源，用于将从激光射线源发出的激光射线聚焦和引导到有待加工的材料、如特别是眼睛上的装置，以及具有如此控制引导装置的计算机辅助的控制装置，即将激光射线的焦点引导到可控的轨道上。 
背景技术
下面本发明将根据眼屈光手术、特别是根据LASIK(激光原位角膜磨镶术)进行描述。 
LASIK是目前的眼屈光手术中广泛建立的方法。在眼屈光手术中，用激光射线改变眼睛的折射性能。 
在LASIK中日益重要的仪器是飞秒激光，即具有极短的脉冲长度的脉冲激光，该脉冲长度可以位于直至几百个飞秒的范围中。由于这种短的脉冲长度，可以通过聚焦射线在很小的容积内产生电磁射线的极高的功率密度，以及因此产生极高的场强。飞秒激光在LASIK中目前主要用作产生所谓的瓣切割的仪器，其中，瓣切割即为穿过角膜产生覆盖层(“瓣”)的切割，覆盖层通常通过小的边缘部分与角膜保持连接，从而使该覆盖层可以被翻开，从而暴露位于其下面的基质，然后用(另一个)激光射线根据先前计算的烧蚀轮廓移除基质。在角膜重新成形之后将覆盖层翻回并且该覆盖层通常非常迅速地与角膜愈合。飞秒激光越来越多地替代了角膜刀。角膜刀是一种机械装置，具有摆动的刀片，用该刀片同样可以实施前面描述的用于产生覆盖层的切割。 
据估计，直到目前为止，全世界有一百万以上的此类患者用飞秒激光进行手术。 
用于前面描述的在角膜中的切割的飞秒激光的使用也被称作Fs-LASIK(飞秒激光原位角膜磨镶术)。Fs-LASIK相对于机械角膜刀的使 用具有一系列的优点，比如更小的并发症风险、所需的瓣切割厚度的更高的精确度以及更好地成形的边缘部分。 
当然，为了用Fs-LASIK达到如同用角膜刀的精密刀片所达到的切割体的质量以及也为了实现根据切割将瓣无并发症地揭开，必须在Fs-LASIK中非常精密地优化该方法的参数，特别是切割参数(见下文)。 
所需的Fs-LASIK的精密优化的原因在于产生切割的物理学。原则上通过小的所谓的微切割的紧密相连产生Fs-LASIK-切割，该微切割具有例如在5μm的范围中的直径。组织通过射线极高的局部功率密度(即高场强)裂开并且引起了角膜组织和位于其中的微纤维的局部分离。通过整个紧密相邻地聚焦的脉冲最终出现组织的平面分离。所需的场强利用如今可使用的激光通常仅到达焦点中。其优点在于，即便在组织表面以下很深处也可以准确地在焦点位置上进行组织分离。 
上述的、需要非常灵敏地优化的方法参数特别是激光脉冲能量、焦点直径、焦点距离以及对单个聚焦的脉冲在时间上和空间上的控制。 
为了利用紧密相邻的微切割通过在轨道上引导的焦点的狭小定位和时间上顺次的相连实施Fs-LASIK-切割，在现有技术中存在各种不同的方法。同时，为了实施用于产生瓣的整体切割的时间需求也是一个标准。 
现有技术公知了例如将单个射线拼接部分的焦点一个脉冲接一个脉冲地沿螺旋状的轨道引导以及特别也是时间上顺次的焦点的成行状的引导，类似在常见的显像管中的电子射线的控制。 
用来针对前述的目的将激光射线进行成形以及在空间中引导的装置在现有技术中公知。前述的、成行状的焦点的光栅是广泛使用的，因为同时可以动用可使用的扫描技术(发射镜及其控制装置)。为了利用顺次的激光射线脉冲的焦点的这种成行状的引导产生很好的Fs-LASIK切割，例如下面的方法参数可以是合适的： 
-激光脉冲能量：      1μJ 
-焦点直径：          ＜5μm 
-在一行中的焦点距离：～8μm 
-行距：              ～12μm 
-瓣直径：            9mm 
-激光脉冲频率：      60kHz 
利用这些参数可以例如在小于30秒内实现瓣切割。 
然而，近来结合Fs-LASIK切割得出了一种现象，即这样治疗的患者会产生错觉。患者在Fs-LASIK手术之后不时地在物体的尖锐的棱角上看见色彩分散的边缘结构，即彩虹形式。这被称作是“彩虹”效应。 
WO03/011175仅讨论了一种激光切除脉冲的不规则的顺序，用以将切除的空间频率保持为较低并且避免在PRK(准分子激光角膜切削术)中的切除区域的相互的热损害，以及达到极小的表面粗糙度。 
US2006/0095023的观点在于，在利用聚焦的射线脉冲的材料加工中，例如在角膜中，出现的效应具有特定的时间关系。单个射线脉冲的作用在于产生气穴，其“膨胀”并且又“崩溃”。为了避免在脉冲顺序中紧接着前面的脉冲的脉冲准确地落到前面的脉冲的作用区域中，将随后的脉冲的距离如此变大，使得其位于之前出现的气穴之外。 
发明内容
本发明的目的在于避免这种彩虹效应。 
在眼屈光手术的使用中，本发明利用一种装置实现该目的，该装置具有脉冲的激光射线源的装置、用于将从激光射线源发出的激光射线聚焦以及引导到眼睛上的装置，以及用于控制引导装置的计算机辅助的控制装置，该装置的工作方式为，将所引导的激光射线的焦点引导到在眼睛上或眼睛内的预设的轨道上，其中，相邻的焦点的距离至少绝大部分是变化的。 
本发明不限于在眼屈光手术中使用，而是可以普遍地在经常会出现所述的彩虹效应的材料加工中使用，例如加工光学部件或类似物。 
为此，本发明普遍地如此给出一种用于控制材料加工装置的计算机程序的教导，其中，该装置具有：脉冲的激光射线源、用于将由激光射线源发出的激光射线引导和聚焦到有待加工的材料上的装置、用于控制引导装置的计算机辅助的控制装置，即，将激光射线的焦点引导到材料上或材料内的预设的轨道上，其中，在材料上或在材料内的相邻的焦点的距离绝大部分是变化的。 
本发明从如下假设出发，即所述的彩虹效应由此发生，即在常见的射线焦点的空间位置的控制下，在加工的材料、即特别是在角膜中产生结构，其之后物理上例如引起光栅，穿过该光栅的白色光通过向其光谱分布中的衍射分解。换句话说，在现有技术中，通过单个射线焦点在此选定的空间定位产生了具有等距的焦点距离的规则结构，该结构特别可以形成二维光栅，该光栅例如在眼睛中在视网膜上产生衍射图像，从而使白色光的单色在观察尖锐棱角时不再准确地重叠在一起。 
可以理解，该效应在眼屈光手术中是最不希望发生的。 
根据本发明，如此选择相邻焦点的距离，即在相邻的材料中、特别是在角膜中不再出现所述的规则结构。换句话说，根据本发明如此定位激光射线的单个作用点，即不再出现规则的、引起不希望的衍射现象的结构。 
在以常见的方式的Fs-LASIK切割的情况下如此出现这种引起不希望的衍射效应的规则结构，激光射线的单个焦点基本等距地定位并且也根据翻回的瓣和整个治疗过程保留具有折射率的局部变化的规则光栅结构。 
根据本发明的优选的设计方案随机改变相邻焦点的距离。此外，可以例如为了计算空间上顺次的焦点的单个位置设置在计算中保持相同的基本距离，然后该基本距离一个脉冲接一个脉冲地在预设的极小的极限以内变化。此外，如此选择预设的偏差极限(即相对于等距焦点列的偏差的极限)，即尽管焦点的不均匀的距离仍然在结果中产生整洁的切割。例如可以将偏差极限调节到所述的计算上的基本光栅的常量的5％至20％，其中计算上的基本光栅的光栅常量小到即使在所产生的焦点位置的最大可能的距离中也足以能够进行连续的微切割。 
附图说明
下面参照附图详细描述本发明的实施例。其中： 
图1是用于眼屈光手术的装置的示意图； 
图2是根据在角膜中的飞秒激光脉冲的焦点在时间上顺次在角膜中控制的轨道的实施例；以及 
图3是图2的详细视图，其中，在单个焦点位置之间的规则的等距被消除。 
具体实施方式
图1示出了作为用于眼屈光手术的这种公知的装置的示意图，具有用于产生激光脉冲的激光射线源10，该激光脉冲具有在飞秒范围中的脉冲长度，其中，所发出的脉冲用附图标记12表示。激光脉冲在装置14中对准用于成形、特别是聚焦，以及将激光射线脉冲12′朝眼睛16的方法上引导。作为这种用于成形、聚焦和引导射线的装置同样也是公知的。计算机辅助的控制装置18控制激光射线源和用于射线成形以及射线引导的装置14。例如将激光射线脉冲12′对应于箭头20引导到用于屈光治疗的眼睛上。因为是离散的射线脉冲，所以可以将朝眼睛上的引导称为“光栅”。 
图2示出了在Fs-LASIK切割中的焦点F的这种光栅的示意图。切割的边缘用R表示。该切割例如可以具有9mm的直径。在图2中仅在上半部分中示出了单个的焦点F，可以设想将焦点的下半部分相应地补充。 
按时间顺序的射线脉冲12′的焦点F被引导到行Z中，其中，行跳跃通过箭头示出。脉冲的时间上的顺次在行中从右向左或者从左向右直线延伸。如图2所示，出现了规则的光栅结构，其中，相邻的焦点F在一行Z中始终具有相同的距离Δx0。行与行之间的距离Δy0也是恒定的。如前所述，要避免这种规则的光栅结构。 
为此在根据图3所示的实施例中在一行Z中相邻的焦点位置之间的距离Δx0发生变化。例如所示的两个相邻的焦点F的距离Δxi大于在下一个区间中的两个焦点之间的距离Δxi+1。 
距离的变化不规则地在每一行中在至少大部分的焦点间距下实现。该说明“至少大部分”是如此选择，即总体上没有出现足够规则的光栅结构，该光栅结构会以上面描述的方法产生破坏性的衍射效应。在该原则下很少的几个等距的焦点位置不会产生不利影响。 
在一行中需要变化的焦点距离Δx的一种可能性为下面的随机方法： 
Δxi＝Δx0+a(i·Δx0)      在第(i-1)个焦点和第i个焦点之间 
Δxi+1＝Δx0+a[(i+1)·Δx0]在第i个焦点和第(i+1)个焦点之间 
例如Δx0＝常量＝5μm 
a＝0.10                    按百分比的调节率 
I；(I+1)                   产生的随机数字在0…1之间 
Δx0是在行Z中纯计算上预设的相邻的焦点的基本距离。该距离根据前面的公式随机地，即根据随机结果在极限中变化。例如在焦点直径为3μm时计算的基本距离Δx0为5μm。系数a给出了针对相邻焦点的距离的允许变化的极限。如果a为0.10，则焦点距离的允许变化为10％。因此系数a确定了焦点距离的调节极限。值i、(i+1)为用随机发生器产生的在数字区间[0…1]中的随机数字，其针对相邻的焦点的距离的个别情况随机确定。参数Δx0、a、i如此选择，尽管距离发生变化，焦点仍然足够紧密地位于一起，用以产生很好的连贯的“连续的”切割体。 
重要的是，焦点距离的变化导致不再会出现通过规则的光栅结构的针对各使用产生不利影响的衍射图像。 
类似地，也可以要么将焦点距离在列S中进行变化要么附加于在行中的距离变化也将焦点距离在列S中进行变化。相应地也可以如下消除在y方向上的焦点距离的规则性： 
Δyi＝Δy0+b(i·Δy0)      在第(i-1)行和第i行之间的直线距离 
Δyi+1＝Δy0+b[(i+1)·Δy0]在第i行和第(i+1)行之间的直线距离 
例如b＝0.15                调节宽度 
Δy0＝10μm                行距 
此外，单个参数具有类似于上面参照在行Z中的距离变化所描述的意义。即，为0.15的系数b给出了针对在y方向上的距离变化的极限，这里该极限为15％，并且Δy0是在列S中的焦点的计算上预设的基本距离。这里也必须如此选择及优化单个参数，即在任何情况下在预设的焦点直径和调节出的飞秒射线的脉冲能量下都能得出很好的连贯的切割面。 
然后总体上在切割体中出现具有密度偏差的保留的剩余粗糙度，但其足够地不规则用以排除不希望的衍射效应。 
理论上可以想象，计算上地通过随机发生器或类似装置获得的改变前面描述的效应的焦点距离也通过机械不稳定的射线引导至少部分地实现，然而优选对过程计算上地进行控制和掌控。 

Claims (2)

1.一种用于眼屈光手术的LASIK瓣切割装置，具有：
-脉冲的激光射线源(10)，
-用于将从激光射线源中发出的激光射线(12)聚焦和引导到眼睛(16)上的装置(14)，
-计算机辅助的控制装置(18)，用于如此控制聚焦和引导激光射线的装置(14)，即将所引导的激光射线(12′)的焦点(F)引导到在眼睛上或在眼睛内预设的轨道(S、Z)上，所述轨道是成行状或成列状的，
其中，相邻的焦点(F)的距离至少绝大部分是变化的，
其特征在于，
-在一行(Z)中相邻的焦点(F)的距离随机变化，或者
-在一列(S)中相邻的焦点(F)的距离随机变化。
2.按照权利要求1所述的LASIK瓣切割装置，其特征在于，所述激光射线源(10)是飞秒激光源。
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