CN104039284A - 眼科激光方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞秒激光器(14)眼科系统并且特别涉及飞秒激光器(14)用来产生用于LASIK屈光手术的瓣或用于需要在特定位置例如在角膜移植、基质隧道(stromal tunnel)、透镜状角膜切除术(corneal lenticular extraction)以及白内障手术中去除角膜组织或晶状体组织的其他应用的用途。飞秒激光器(14)的输出被扫描成重叠圆形的激光脉冲(32)，然后这些激光脉冲在患者的眼睛30上以重叠轨迹移动，从而以预定的模式消融眼组织。

Description

眼科激光方法和设备
发明背景
本发明涉及飞秒激光器眼科系统并且特别涉及飞秒激光器用来产生用于LASIK屈光手术的瓣或用于需要在特定位置例如在角膜移植、基质隧道(stromal tunnel)、透镜状角膜切除术(corneal lenticular extraction)以及白内障手术中去除角膜组织或晶状体组织的其他应用的用途。
目前，可以同通过屈光手术治疗永久性矫正眼屈光不正，例如近视(myopia或shortsightedness)、远视(hyperopia或long-sightedness或farsightedness)或散光。屈光手术治疗是在眼睛上进行的改变眼睛的光学屈光力的操作，目的在于尽可能地使其接近期望值。在屈光手术中，最重要的方法之一是准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)，其中，在角膜瓣预先被部分切断并折叠之后，在电脑控制准分子激光的辅助下将角膜组织去除。为了产生角膜瓣，使用机械微型角膜刀，其中受驱动的解剖刀切割角膜瓣。现在也可以在强聚焦飞秒激光脉冲的辅助下切割这样的角膜瓣，这种飞秒激光脉冲具有100飞秒到1,000飞秒(1飞秒＝10-15秒)的脉冲宽度。通过使用飞秒激光器，避免了在使用机械振荡解剖刀过程中存在的风险。这样一种系统例如由在美国加利福尼亚州欧文(Irvine,Calif.,USA)的飞秒激光(IntraLase)公司在名称推进飞秒激光器(Pulsion FS Laser)下销售。具有飞秒激光器的这些已知系统的总尺寸与准分子激光系统的总尺寸是相当的，缺点在于准分子激光系统所需要的空间在治疗室中对于飞秒激光系统同样需要。另外，在用飞秒激光系统切割角膜瓣之后，必须将患者转移至准分子激光器。飞秒激光系统的总尺寸取决于所使用的光源、扫描器技术以及辅助束引导系统。
借助于束偏转光学元件用一个大的透镜系统将该飞秒激光束聚焦到有待分离的眼睛的组织区域上。为了设计，在这种情况下，聚焦光学系统的最大可获得数值孔径(NA，与该透镜的孔径角的正弦的大小的一半成比例)受到限制(典型地NA＝0.2-0.3)。对于一个给定的工作区域，例如整个角膜，该扫描光学器件(典型地F-θ光学器件)需要一个最小的工作距离。结合这些束偏转光学元件所需要的运动和可获得的大小，该工作距离决定了该扫描光学器件的直径的设计极限。该直径的另外的设计上限遵循身体部分(眉毛、鼻子)碰撞的情况。甚至在使用大直径的时候，也有可能仅仅用扫描激光束照亮该光学器件的分区。这种情况的结果是该光学器件的有效有用的数值孔径的设计上限。高孔径是令人希望的，因为高的数值孔径(NA)有可能产生小焦点，并且因此更小的每脉冲切割带。相比于在较大的切割带中，每一脉冲在较小的切割带中产生较少的气体。由于这些切割带基本上没有因为内部气压而变形，借助于较小的气泡可以做出更精确的切割。另外，高数值孔径对于每一脉冲需要不成比例地更少的能量来做出切割。由于能量较低，由激光脉冲产生的空化气泡的大小也降低了，这对于切割质量具有正面影响。并且，这种空化气泡更快地被吸收。而且，由于高数值孔径，视网膜将经受更小的来自在焦点下游的更强发散的光束的应力。另一个优点是高数值孔径透镜的高度集中的聚焦能力对于焦点附近具有较少的影响。
美国专利号5,549,632描述了一种具有用于分解眼组织的激光源的眼科设备，该设备可以用于切割角膜瓣。根据这个专利的设备包括一个激光源和光学连接到该激光源上的一个投影头，该投影头在与该激光源分开的一个壳体中。该专利还包括控制由该激光源发射的激光脉冲的束径的束控制装置，使得在一个参考坐标系中的点相对于该激光源被固定并且经由光学连接到相对于该投影头固定的一个参考坐标系中的相应点上而被成像。该光学连接被设计为万向转镜臂，这样，被该束控制装置偏转的激光脉冲可以相对于该手持式器具的参考坐标系而被成像。该投影头连接到可以被持久连接到眼睛上的应用板上意味着该投影头的固定参考坐标系被持久地成像到该应用板上并且因此成像到眼睛上。在这个专利中，通过使用该束控制装置来控制相对于该应用板的脉冲激光光束的位置并且经由该光学连接和该投影头的光学投影系统将它成像到眼睛上，这些激光脉冲被送到所希望的眼睛位置。例如，为了进行在长度上为5到15mm的切割，该投影头的光学投影系统必须具有其直径大于眼球的直径的光学透镜。这样一种大尺寸的投影头将遮住将被治疗的眼睛的视野。此外，正如从这些束的较小汇聚可以看出，该设备的数值孔径是小的。大透镜系统还具有引起装置变得沉重和笨拙的缺点，因而使得手动保持应用复杂化。
在授予拉特延(Rathjen)的美国专利申请公开号US2004/0254568中，显示了一种用于分解眼组织的眼科设备，其包括可以被安装到眼睛上的应用头，并且配备有一个光投影仪。该光投影仪借助于移动驱动器而移动，以便将焦点带到所希望的部位而用于组织分解。根据这个公开，焦点的精细移动可另外通过光学微扫描器而叠加到该光投影仪的平移运动上。然而，为了能够使极度扩展的非汇聚光束偏转而方便切割，需要必须以较大角度(例如4度)倾斜的较大反射镜(例如14mm)。然而，这样的大扫描器系统不允许现有技术所给予的高速度，并且不能具有紧凑的设计。如果目标在于避免上述应用头的大的总尺寸的缺点，并且如果目标在于防止在眼组织中的同一个部位被激光脉冲反复击中，有可能利用简单光学微扫描器的应用头的低脉冲速率。然而，低脉冲速率意味着减慢并且因此较不稳定的操作程序。
在授予拉特延(Rathjen)等人的美国专利号7,621,637中，一种用于分解眼组织的眼科设备不具有现有技术的某些缺点。这种眼科设备具有具备用于产生光脉冲的光源的基站和可以安装到眼睛上的应用头。该应用头配备有一个用于聚焦这些光脉冲的投影的光投影仪，以便用于眼组织的点状分解，并且具有在一个自由方向和在一个第一扫描方向上移动该光投影仪的移动驱动器。该应用头例如具有可以安装在眼睛上的一个接触体，该接触体至少部分透明并且被配置和安排为使得它设置为在安装状态下以距离工作表面等距的方式与一个眼睛区域进行接触。该应用头例如还具有用于通过低压将该应用头固定在眼睛上的固定装置。
在专利号7,621,637中描述的眼科设备中，在基站中使用旋转反射镜来建立行激光脉冲扫描模式。在这个系统中的一个缺点是，当这些激光脉冲扫描跨过该聚焦透镜的行时，光束的入射角发生改变并且产生的焦点与焦平面的距离发生改变。在扫描过程中将这些点重新定位，使得它们全部都在该焦平面上的方法是拉特延(Rathjen)的另一个美国专利号7,597,444主要关注的。这个专利的第二个缺点是，在已经通过传送臂传输之后，必须将该激光脉冲行扫描模式精确对齐，以便与低速平移马达的轨迹垂直，否则由该低速马达在眼睛上产生的最终模式将被扭曲。这个专利利用了旋转元件来补偿由该铰接臂的光学传输系统引起的光脉冲行扫描方向的旋转。这种设备的第三个缺点是，如果该轨迹不是线性的，则扫描过的分区的宽度可能改变。这限制了在目标上可用的轨迹，因而限制了可能的应用，特别是在角膜组织或晶状体组织内部需要三维曲率时。在这两种情况下，通过使用同心的或螺旋形的轨迹，可以更有效地消融规则和不规则的拓扑结构。
拉特延(Rathjen)也是关于一种眼科装置的美国专利申请公开号US2011/0205492的发明人，该眼科装置利用了可控制的光学修正元件中的飞秒激光器，该光学修正元件用于偏转的飞秒激光脉冲的波前的可变调制。
在本发明中，眼科设备具有一个其光束被放大并且被XY检流计装置以重叠圆形扫描模式在一个基站中偏转的飞秒激光器。一个光传输路径将圆形扫描模式的激光脉冲从该基站传输到一个远程应用头，该远程应用头具有XYZ压电定位台支持的聚焦透镜，其以一种重叠方式以预定的轨迹将该重叠圆形扫描模式驱动到患者的眼睛上，以便消融正在被扫描的区域。激光束斑点的重叠圆形扫描模式围绕聚焦透镜的中心轴以与该中心轴的恒定距离碰撞在该聚焦透镜上，使得所有焦点在该焦平面中，而不需要如现有技术所需要的补偿光学器件。此外，由于该重叠圆形扫描模式对于由镜臂诱导的任何旋转因子都不敏感，该圆形扫描模式自动垂直地与该XY压电定位台的轨迹对齐。所生成的消融模式具有一致的行宽，该行宽对轨迹的方向不敏感。这对不同的轨迹例如行模式、同心圆模式以及螺旋形模式提供了灵活性。
发明概述
一种消融眼组织的方法，该方法包括从飞秒激光器产生一种脉冲激光束并且将该产生的激光束施加到一个激光扫描器中而产生重叠的大致圆形扫描模式的激光脉冲。将该重叠的圆形扫描模式的激光脉冲同轴地施加于XYZ压电定位台支持的聚焦透镜，该聚焦透镜将该重叠圆形模式的激光脉冲聚焦到一个焦平面例如患者的眼睛上。该重叠圆形模式的激光脉冲以大致重叠的轨迹扫描到患者的眼睛上，从而在患者的眼睛中消融预定模式的眼组织。因而用具有重叠圆形扫描模式的激光脉冲的控制焦距的飞秒激光器以预定的重叠轨迹将患者的眼睛消融。这种重叠的轨迹包括同心圆、平行线、螺旋形模式以及其他规则和不规则的拓扑结构。
该眼科设备具有一个主柜以及用铰接臂连接到其上的一个手持件。一个飞秒激光器定位于该主柜中并且具有激光脉冲的激光束输出。一个激光束放大器定位为放大该飞秒激光束激光脉冲。一个XY检流计激光扫描器定位于该主柜中，用于将该激光束扫描为重叠圆形扫描模式的激光脉冲。一个XYZ压电定位台位于该手持件中，该手持件支持一个聚焦透镜并且被定位为接收来自该激光扫描器的重叠圆形扫描模式的激光脉冲，将其集中在该聚焦透镜的中心轴上。该聚焦透镜被定位为将该重叠圆形扫描模式的激光脉冲聚焦到患者的眼睛上，同时用该XYZ压电定位台以预定重叠轨迹扫描该重叠圆形扫描模式的激光脉冲，从而在患者的眼睛上消融预定分区的组织。由此患者的眼睛在其上具有由重叠圆形激光脉冲消融的预定区域。
附图简要说明
被包括在内以便为本发明提供进一步的理解的、并且被结合在说明书中且构成说明书的一部分的这些附图阐释了本发明的一种实施例，并且与该说明一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1显示了根据本发明的眼科激光外科设备的框图；
图2是在聚焦透镜上的激光束斑点的重叠圆形扫描模式；
图3是一致聚焦在一个焦平面上的激光束斑点的重叠圆形扫描模式；
图4显示了激光束斑点的重叠圆形扫描模式的同心圆轨迹；
图5显示了激光束斑点的重叠圆形扫描模式的平行线轨迹；并且
图6显示了激光束斑点的重叠圆形扫描模式的螺旋形轨迹。
示例性实施例的详细说明
如在这些附图中看到的，根据本发明的激光眼科外科设备包括一个连接到在图1中的主柜9上的用户界面。在该主柜中，产生的激光脉冲被XY-检流计(电流计)17偏转，从而产生在图2中的重复的重叠圆形扫描模式18。激光束斑点32的重叠圆形扫描模式18穿过一个中继透镜19和镜臂，到达一个远程手持件25，在此它具有与扫描自检流计17的输出相同的特征和特性。在该手持件内，使用一个聚焦透镜26来减小激光束斑点32的大小以及该重叠圆形扫描模式18的大小。根据在角膜或晶状体上的预定轨迹，使用一个XYZ压电定位台27来移动重叠圆形扫描模式18。该手持件25经由一个吸环28附着到眼睛30上。该吸环通过一个平移轨道连接到手持件25上。由于该吸环28是完全透明的，当在显微镜下观看时，更容易进行对齐。
以下更详细地描述光路，该光脉冲发生器是一个飞秒激光器14(波长340nm到2000nm，脉冲宽度小于1000飞秒并且脉冲重复率在10KHz到1MHz之间)。激光束斑尺寸被扩束器15放大并且然后被光闸16阻断，直到脚踏开关11被压低时为止。当该脚踏开关被压下时，该光束被允许延续到XY-检流计17，在此处它被偏转，从而产生如在图2中所示的重复的重叠圆形扫描模式18。该重叠圆形扫描模式18可以具有高达5Khz的重复率。该激光束重叠圆形模式18穿过一个中继透镜19并且穿过在其中具有反射镜23和24的镜臂，然后进入中继透镜21。这些透镜和反射镜的目的在于使得该重叠圆形扫描模式18以与扫描自检流计17的输出相同的特征和特性进入该手持件25。
在该手持件25内，一个紧凑的低焦距比数(高NA)的聚焦透镜26被安装在XYZ压电定位台27上，从而将这些激光束斑点的斑点尺寸减小至小于3微米并且将该重叠圆形扫描模式18的尺寸减小至小于500微米的直径。相比于在本领域中最常使用的F-θ透镜，该聚焦透镜26具有更小的尺寸并且具有更高的聚焦能力。该更高的聚焦能力可以产生小的激光束斑尺寸，从而基于相同的能量密度减少了所需要的能量。降低的能级形成更小的被周围组织更快吸收的空化气泡。这也意味着由光致破裂引起的声波影响也被降低了。此外，更小尺寸的透镜可以结合到小的手持件中，使得更易于将这种激光设备整合到现有的LASIK外科器械中。
用一次性吸环28将手持件25附着到眼睛30上。首先，将该一次性吸环28通过一个平移轨道连接到手持件25上。将该吸环置于眼睛上并且使用显微镜对齐。一旦对齐，如由该吸环指示的，将该手持件手动推入适当的位置。
由这种激光设备产生的这些消融模式是基于一系列重叠圆形——而不是现有技术所使用的一系列短的线段。因此，所生成的消融模式具有一致的行宽，该行宽对轨迹的方向不敏感。这将提供不同轨迹例如平行线模式、同心圆形模式、螺旋形模式、或其他规则或不规则的拓扑结构模式的灵活性。并且，该激光束重叠圆形扫描模式总是具有一致的距离该聚焦透镜中心的半径，使得这些焦点全部在该焦平面上，而不需要如现有技术所需要的任何补偿光学器件。此外，由于该重叠圆形扫描模式对于由镜臂诱导的任何旋转因子都不敏感，该激光束圆形扫描模式18自动垂直地与该XY压电定位台27的轨迹对齐。
参考这些附图，在图1中展示了一种飞秒激光器眼科设备。脚踏开关11和用户界面10连接到在主柜9中的电脑12上。该主柜9容纳产生激光脉冲的飞秒激光器14。该激光束穿过用于放大激光束斑尺寸的扩束器15。该激光束被光闸16阻挡，直到脚踏开关11被压低时为止。当该脚踏开关11被压低时，该激光束碰撞在XY检流计或电流计17上。该检流计17将该光束偏转成如在图2中看到的重叠圆形扫描模式18。该激光束重叠圆形扫描模式18然后穿过中继透镜19和21的一个系统并且被反射镜22、23和24偏转，这些反射镜用保持这些反射镜和中继透镜的铰接臂将来自主柜9的激光束重叠圆形扫描模式18连接至远程手持件25。该手持件25容纳聚焦透镜26，将该聚焦透镜安装到一个XYZ压电定位台27上。该激光束重叠圆形扫描模式18被该聚焦透镜26聚焦，从而形成由该XYZ压电定位台27设置的最终轨迹。
一次性吸环28通过平移轨道与该手持件25连接并且被定位为通过真空泵31产生和维持的低压而固定到患者的眼睛30上。该激光束穿过该一次性吸环28，进入眼睛30的角膜中。
图2展示了碰撞到聚焦透镜26上的由XY-检流计17产生的激光束斑点32的重叠圆形扫描模式18。该重叠圆形扫描模式的半径33展示在图2中。在图2中，可以看到激光束斑点32的圆形18在距离透镜中心相同的半径上穿过该聚焦透镜26，其中该透镜对于整个圆形的折射相同，使得穿过该透镜的激光束斑点的折射对于每个激光束斑点32是相同的。也就是说，由于该扫描是以聚焦透镜上的圆形模式进行的，因此光束的入射角总是一致的，具有距离该透镜中心轴的特定半径，并且焦点全都在焦平面上。
在图3中，这些圆形模式18的激光束斑点32由该聚焦透镜26以连续的焦点保持到焦平面F上。
图4展示了激光束斑点32的重叠圆形扫描模式18的许多可能轨迹中的一种。在图4中，激光束斑点32的重叠圆形扫描模式18的轨迹在多个同心圆的周围移动，从而在电脑12的控制下消融被聚焦的区域。
图5展示了呈平行线的激光束斑点32的重叠圆形扫描模式18的轨迹。
图6展示了呈螺旋形模式的激光束斑点32的重叠圆形扫描模式18的轨迹。
本发明的激光束眼科手术方法包括产生激光束的步骤，该激光束用XY-检流计17或其他产生重复的重叠圆形模式18的扫描装置以一系列重叠圆形进行扫描。该光束通过一个光学系统分程传递到一个远处位置，在此它具有与扫描自检流计17的输出相同的特征和特性。然后使用一个聚焦透镜26来减小该激光束的斑点尺寸(减小至大约0.002mm)以及扫描的圆形的尺寸(减小至在目标平面上在0.05mm到0.5mm之间范围的直径)。根据在角膜或晶状体中的预定消融轨迹，使用一个XYZ压电定位台27来移动该激光束。相比于在现有系统中最常使用的F-θ透镜，该方法具有更小的并且具有更高聚焦能力的简单聚焦透镜26。该更高的聚焦能力可以产生更小的激光束斑点，从而基于相同的能量密度减少了所需要的能量。降低的能级形成更小的被周围组织更快吸收的空化气泡。由光致破裂引起的声波影响也被降低了。更小的透镜26可以有利地结合到小的手持件25中，使得更易于将该激光设备整合到现有的LASIK外科器械中。由本发明产生的这些消融模式是基于一系列重叠圆形18，而不是在现有系统中所使用的一系列短的线段，使得生成的消融模式具有一致的行宽(在目标平面上范围从0.05mm到0.5mm的直径)，该行宽对运动方向不敏感。这提供了用于包括角膜移植、基质隧道、透镜状角膜切除术以及白内障手术在内的广泛应用范围的灵活性。
此时应当清楚的是，已经提供的飞秒激光器眼部外科手术方法和设备有利地允许激光束斑点的重叠圆形扫描模式，同时针对预定轨迹维持一致的聚焦平面。然而，应当清楚的是，本发明并不被视为受限于所显示的形式，这些形式应该被视为是说明性的而不是限制性的。

Claims (16)

1.一种消融眼组织的方法，该方法包括以下步骤：
从一个飞秒激光器(14)产生一种激光束；
将该产生的激光束施加到激光扫描器(17)而产生一种重叠的大致圆形的扫描模式(18)的激光脉冲(32)；
选择一个XYZ压电定位台(27)支持的聚焦透镜(26)；
将由所述激光扫描器产生的该重叠的大致圆形的扫描模式(18)的激光脉冲(32)施加到该聚焦透镜(26)上，使其集中在该聚焦透镜(26)的中心轴周围；
使该重叠的大致圆形的扫描模式(18)的激光脉冲(32)聚焦在患者的眼睛(30)上；并且
以大致重叠的轨迹将该重叠的大致圆形的扫描模式(18)的激光脉冲(32)扫描到患者的眼睛(图4，5，6)上而在患者的眼睛(30)上消融预定模式的眼组织；
由此可以用具有重叠圆形激光脉冲的控制焦距的飞秒激光器(14)以预定轨迹将患者的眼睛(30)消融。
2.根据权利要求1所述的消融眼组织的方法，包括以大致同心的重叠圆形激光脉冲的轨迹(图4)扫描重叠的大致圆形的扫描模式(18)的激光脉冲(32)。
3.根据权利要求1所述的消融眼组织的方法，包括以重叠圆形激光脉冲的大致平行线的轨迹(图5)扫描重叠的大致圆形的扫描模式(18)的激光脉冲(32)。
4.根据权利要求1所述的消融眼组织的方法，包括以大致螺旋形的重叠圆形激光脉冲的轨迹(图6)扫描重叠的大致圆形的扫描模式(18)的激光脉冲(31)。
5.根据权利要求1所述的消融眼组织的方法，包括用XY检流计(17)扫描产生激光束的飞秒激光器(14)，从而产生重叠的大致圆形扫描模式(18)的激光脉冲(32)。
6.根据权利要求1所述的消融眼组织的方法，包括将所述选择的XYZ压电定位台(27)支持的聚焦透镜(26)安装在可调的手持件(25)中。
7.根据权利要求6所述的消融眼组织的方法，包括将所述飞秒激光器(14)和XY检流计(17)安装在主柜(9)中，该主柜用铰接臂与所述可调手持件(25)连接。
8.根据权利要求1所述的消融眼组织的方法，包括选择用于放大飞秒激光器(14)束斑尺寸的扩束器(15)的步骤。
9.根据权利要求7所述的消融眼组织的方法，包括选择具有吸环(28)的手持件(25)，该吸环用于将所述手持件(25)附着到患者的眼睛(30)上。
10.根据权利要求1所述的消融眼组织的方法，包括以重叠的圆形激光脉冲(32)的规则或不规则拓扑的轨迹扫描重叠的大致圆形的激光扫描模式(18)的激光脉冲(32)。
11.一种眼科设备，包括：
一个主柜(9)以及用铰接臂与所述主柜连接的手持件(25)；
一个飞秒激光器(14)，该飞秒激光器定位于所述主柜(9)中并且具有激光脉冲的激光束输出；
一个激光束脉冲放大器(15)，该激光束脉冲放大器被定位为放大所述飞秒激光束(14)激光脉冲；
一个激光扫描器(17)，该激光扫描器定位于所述主柜(9)中，用于将所述激光束扫描为重叠圆形扫描模式的激光脉冲；
一个ΧYZ压电定位台(27)，该ΧYZ压电定位台位于所述手持件(25)中；以及
一个聚焦透镜(26)，该聚焦透镜被安装在所述XYZ压电定位台(27)上并且被定位为接收来自所述激光扫描器(17)的重叠圆形扫描模式的激光脉冲，将其集中于所述聚焦透镜(26)的中心轴上，所述聚焦透镜(26)被定位为将所述重叠圆形扫描模式的激光脉冲聚焦到患者的眼睛(30)上，同时用所述XYZ压电定位台(27)以预定重叠轨迹扫描所述重叠圆形扫描模式的激光脉冲，从而在患者的眼睛(30)上消融预定模式的组织；
由此患者的眼睛(30)可以在其上具有由重叠圆形激光脉冲消融的预定区域。
12.根据权利要求11所述的眼科设备，其中所述激光扫描器(17)是一种XY检流计式扫描器(17)。
13.根据权利要求11所述的眼科设备，其中所述铰接臂具有多个在其中的反射镜(22，23，24)。
14.根据权利要求13所述的眼科设备，其中所述铰接臂具有多个在其中的中继透镜(19，21)。
15.根据权利要求12所述的眼科设备，包括安装在所述飞秒激光器(14)与所述检流计XY扫描器(17)之间的手动激活的光闸(16)。
16.根据权利要求11所述的眼科设备，其中所述手持件(25)具有吸环(28)，该吸环用于将所述手持件(25)附着到患者的眼睛(30)上。
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