CN104382689A - 一种同时用于成像和手术的飞秒激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光眼科手术技术领域，提供了一种同时用于成像和手术的飞秒激光系统。所述系统包括样品模块、飞秒激光手术模块和二次谐波信号成像模块；其中飞秒激光手术模块用于飞秒激光角膜切削手术，飞秒激光手术模块设有飞秒激光振荡器；飞秒激光振荡器产生的激光光源照射到样品模块的样品上产生二次谐波信号，通过二次谐波信号成像模块采集所述二次谐波信号成像，用于观测飞秒激光角膜切削效果。本发明可以应用于实际手术中，并且可以清晰地观测飞秒激光角膜切削效果，而不必对现有手术系统做过大改动。

Description

一种同时用于成像和手术的飞秒激光系统

【技术领域】

本发明涉及激光眼科手术技术领域，特别是涉及一种同时用于成像和手术的飞秒激光系统。

【背景技术】

过去十年，由于有着精确的切削精度和最小化的副作用效果，飞秒激光眼科手术领域发展十分迅速，有着广阔的临床应用前景，在实际手术中已经应用的包括飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术。为了取得最好的手术效果，手术中使用的飞秒激光系统都会同步观察飞秒激光烧蚀效果，精确地观察飞秒激光角膜烧蚀效果对于手术应用具有非常迫切的应用需求。

现在常用的测量飞秒激光角膜烧蚀效果的方法是通过可见光成像的显微镜系统来观测，并已经实际应用到手术中，但是该方法存在观测到的成像效果是否足够清晰的问题。由于在实际手术中飞秒激光切削角膜瓣在激光聚焦焦点处所产生的气泡透明无色，角膜组织本身也是透明无色的，因此通过可见光成像的显微镜系统用肉眼观察手术效果只能产生宏观的印象，无法清楚地辨析单脉冲飞秒激光烧蚀角膜组织的效果。

因此，迫切需要研发出一种可以应用于实际手术中，并且可以清晰地观测飞秒激光角膜切削效果，而不必对现有手术系统做过大改动的可同时用于成像和手术的飞秒激光系统。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种可以应用于实际手术中，并且可以清晰地观测飞秒激光角膜切削效果，而不必对现有手术系统做过大改动的可同时用于成像和手术的飞秒激光系统。

本发明采用如下技术方案：

一种同时用于成像和手术的飞秒激光系统，所述系统包括样品模块(100)、飞秒激光手术模块(200)和二次谐波信号成像模块(300)；

其中飞秒激光手术模块(200)用于飞秒激光角膜切削手术，飞秒激光手术模块(200)设有飞秒激光振荡器(201)；

飞秒激光振荡器(201)产生的激光光源照射到样品模块(100)的样品上产生二次谐波信号，通过二次谐波信号成像模块(300)采集所述二次谐波信号成像，用于观测飞秒激光角膜切削效果。

进一步地，所述二次谐波信号成像模块(300)包括扫描单元(301)、聚焦单元(302)和二次谐波信号成像单元(303)，扫描单元(301)出射的激光经过聚焦单元(302)汇聚到样品模块(100)的样品上，并在聚焦单元(302)的聚焦焦点处产生二次谐波信号，二次谐波信号通过二次谐波信号成像单元(303)采集成像。

进一步地，所述聚焦单元(302)包括沿激光入射光路依次设置的入射激光光强调节装置(3021)、扩束器(3022)和分光镜(3023)，以及在分光镜(3023)前方沿与激光入射光路垂直方向设置的汇聚透镜(3024)，所述汇聚透镜(3024)位于样品模块(100)和分光镜之间；所述二次谐波信号成像单元包括在分光镜后方沿与激光入射光路垂直方向依次设置的近红外滤波片、窄带滤波片和光电倍增管；

扫描单元出射的激光经过入射激光光强调节装置进行连续地从弱到强地调节，再经过扩束器对入射激光光束进行直径展宽，经过分光镜折射后的激光光束通过汇聚透镜汇聚到样品模块的样品上，并在汇聚透镜的聚焦焦点处产生二次谐波信号，二次谐波信号通过分光镜透射，经过近红外滤波片遮挡在二次谐波信号传输光路上的激光光束，再经过窄带滤波片滤除其余信号，最后被光电倍增管采集成像。

进一步地，所述入射激光光强调节装置由半波片和偏振片组成。

进一步地，所述汇聚透镜为数值孔径0.12、放大倍数5倍的汇聚透镜。

进一步地，所述飞秒激光手术模块包括飞秒激光振荡器、展宽器、再生放大器、压缩器、扫描单元和聚焦单元，所述飞秒激光振荡器产生的激光光源经过展宽器进行脉宽展宽，再进入再生放大器进行单脉冲能量放大，再通过压缩器将脉宽压缩，最后通过扫描单元扫描和聚焦单元聚焦后汇聚在样品模块的样品内。

进一步地，所述飞秒激光手术模块和二次谐波信号成像模块共用扫描单元和聚焦单元。

进一步地，所述扫描单元为二维扫描镜。

进一步地，所述样品模块包括上下两层玻璃载玻片和中间夹持的角膜样品。

进一步地，所述飞秒激光振荡器产生的飞秒激光脉宽为180飞秒，重复频率为90MHz，平均功率为90mW。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用现有飞秒激光手术系统中的振荡器所输出飞秒激光对角膜组织产生二次谐波信号，并利用二次谐波信号成像来观察手术效果，由于二次谐波信号只会由角膜产生，不会由在实际手术中在角膜内所产生的气泡产生，因此可以清楚地观测飞秒激光角膜切削效果。本发明提供的方法可以应用于手术实际中，并且可以清晰地观测飞秒激光角膜切削效果而不必对现有手术系统做过大的改动。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的同时用于成像和手术的飞秒激光系统的结构框图；

图2是图1中二次谐波信号成像模块的结构框图；

图3是图2中二次谐波信号成像模块的具体结构示意图；

图4是图1中飞秒激光手术模块的结构示意图；

图5是实验验证效果图。

附图标记如下：

100-样品模块；200-飞秒激光手术模块；201-飞秒激光振荡器；202-展宽器；203-再生放大器；204-压缩器；205-扫描单元；206-聚焦单元；300-二次谐波信号成像模块；301-扫描单元；302-聚焦单元；3021-入射激光光强调节装置；3022-扩束器；3023-分光镜；3024-汇聚透镜；303-二次谐波信号成像单元；3031-近红外滤波片；3032-窄带滤波片；3033-光电倍增管。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。、

本发明附图中，如无特别提示，单箭头代表激光光路，实线双箭头二次谐波信号光路。

本发明实施例提供了一种同时用于成像和手术的飞秒激光系统，既能进行飞秒激光角膜切削手术，又可以清楚地观测飞秒激光角膜切削效果。如图1所示，该系统包括样品模块100、飞秒激光手术模块200和二次谐波信号成像模块300；其中飞秒激光手术模块200用于飞秒激光角膜切削手术，飞秒激光手术模块200设有飞秒激光振荡器201；飞秒激光振荡器201产生的激光光源照射到样品模块100的样品上产生二次谐波信号，通过二次谐波信号成像模块300采集二次谐波信号成像，用于观测飞秒激光角膜切削效果。其中样品模块100包括上下两层玻璃载玻片和中间夹持的角膜样品，飞秒激光振荡器201产生的飞秒激光脉宽为180飞秒，重复频率为90MHz，平均功率为90mW。

如图2所示，二次谐波信号成像模块300包括扫描单元301、聚焦单元302和二次谐波信号成像单元303，扫描单元301出射的激光经过聚焦单元302汇聚到样品模块100的样品上，并在聚焦单元302的聚焦焦点处产生二次谐波信号，二次谐波信号通过二次谐波信号成像单元303采集成像。扫描单元301为二维扫描镜。下面对二次谐波信号成像模块300的具体结构做进一步详细说明：

如图3所示，聚焦单元302包括沿激光入射光路依次设置的入射激光光强调节装置3021、扩束器3022和分光镜3023，以及在分光镜3023前方沿与激光入射光路垂直方向设置的汇聚透镜3024，汇聚透镜3024位于样品模块100和分光镜3023之间，其中入射激光光强调节装置3021由半波片和偏振片组成，汇聚透镜3024为数值孔径0.12、放大倍数5倍的汇聚透镜。二次谐波信号成像单元303包括在分光镜3023后方沿与激光入射光路垂直方向依次设置的近红外滤波片3031、窄带滤波片3032和光电倍增管3033；扫描单元301出射的激光经过入射激光光强调节装置3021续地从弱到强地调节，再经过扩束器3022对光束进行直径展宽，从而使得激光光束可以完全充满后面的汇聚透镜3024的孔径。然后，经过分光镜3023折射后的激光光束通过汇聚透镜3024汇聚到样品模块100的样品上，并在汇聚透镜3024的聚焦焦点处产生二次谐波信号，二次谐波信号通过分光镜3023透射，经过近红外滤波片3031遮挡在二次谐波信号传输光路上的激光光束，再经过窄带滤波片3032滤除其余信号，最后被光电倍增管3033采集成像。

如图4所示，飞秒激光手术模块200包括飞秒激光振荡器201、展宽器202、再生放大器203、压缩器204、扫描单元205和聚焦单元206，飞秒激光振荡器201产生的激光光源经过展宽器202进行脉宽展宽，再进入再生放大器203进行单脉冲能量放大，再通过压缩器204将脉宽压缩，最后通过扫描单元205扫描和聚焦单元206聚焦后汇聚在样品模块100的样品内。扫描单元205为二维扫描镜。在本发明实施例中，飞秒激光手术模块200和二次谐波信号成像模块300可共用扫描单元205(301)和聚焦单元206(302)，这样就不必对现有手术系统做过大的改动。

飞秒激光手术模块为成熟产品。飞秒激光眼科手术在西欧和北美已经成为眼科门诊的常规项目。所用的飞秒激光器主要供应商都是美国，德国和瑞士的。其中原美国Intralase公司的产品是国际市场上的主流产品，原美国LenSx公司也生产用于飞秒激光原位角膜磨镶术的飞秒激光器。原德国公司20/10完美视力所生产的飞秒激光器也是国际市场上的主流产品之一。这三种目前国际市场上的主流产品其原理都是啁啾脉冲放大全固体飞秒激光器，都是由振荡器产生重复频率百万赫兹、单脉冲能量纳焦、激光脉宽一百飞秒左右的种子光，先由展宽器将从种子光产生的激光脉冲的脉宽展宽到皮秒量级，再进入再生放大器把单脉冲能量放大到微焦量级，从再生放大器出来的脉宽皮秒量级、单脉冲能量微焦量级的激光束最后通过压缩器把脉宽再压缩回到飞秒量级。这样最终输出的飞秒激光的重复频率由再生放大器里的普克尔斯盒(光电开关)的开关频率决定，在千赫兹量级，单脉冲能量在微焦量级，激光脉宽在百飞秒量级。

现在常用的商用飞秒激光系统中从振荡器里产生而没有通过再生放大器的光脉冲都被垃圾桶吸收而浪费掉，本发明利用以前类似设备中废弃不用的从振荡器里产生而没有通过再生放大器的光脉冲对角膜组织实现二次谐波成像，可以清楚地观测飞秒激光角膜切削效果。由于二次谐波信号只会由角膜组织产生，不会由在实际手术中在角膜内所产生气泡产生，并且角膜组织产生二次谐波信号的阈值要远远低于烧蚀阈值，所以利用从振荡器里产生而没有通过再生放大器的光脉冲就可以对角膜组织实现二次谐波成像，同时还可以利用从振荡器里产生而通过再生放大器进行了能量放大的光脉冲可以对角膜组织实现切削。通过增加二次谐波信号成像模块，一台飞秒激光器就可以同时实现切削和准实时的成像观察。

具体应用：

本发明提供的同时用于成像和手术的飞秒激光系统可用于激光眼科手术，尤其适用于飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术。

实验验证：

我们根据本发明搭建了实验装置进行实验验证。飞秒种子源是商用产品，来自于奥地利HIGH Q公司，产生的飞秒激光脉宽180飞秒，重复频率90MHz，平均功率90mW。为了节省空间，同一个透射体全息光栅即用作展宽器又用作压缩器。展宽器把180飞秒的种子源光束展宽到20皮秒，然后通过磁光隔离器注入再生放大器。激光束在再生放大器里来回往复约100次，单脉冲能量逐次放大到最大值，然后通过磁光隔离器射出再生放大器。从再生放大器出射的经过能量放大的激光束通过压缩器把激光脉宽从20皮秒压缩回500飞秒。激光光束的模式是基横模，光束质量因子优于1.5。激光光束通过扫描和聚焦后汇聚在角膜样品内，焦点直径为5微米，可以在X和Y方向实现快速扫描，在Z方向实现聚焦深度调节。这一激光系统可以实施常规的飞秒激光角膜手术实验，在图5中可以清楚地看到单脉冲飞秒激光作用于角膜样品的效果。

由于角膜组织的各向异性，极容易在飞秒激光的照射下产生二次谐波。飞秒激光由于其超短的脉宽，只需要极小的单脉冲能量就可以在角膜组织里产生很强的二次谐波信号，此时激光能量远远低于角膜的激光切削阈值，可以实现无损观察。飞秒种子源就可以用作角膜组织二次谐波成像的光源。在本实验的啁啾脉冲放大飞秒激光器中，振荡器的频率是90MHz，也就是一秒钟的时间从振荡器产生九千万个光脉冲，而再生放大器的频率是1kHz，也就是在前面的九千万个光脉冲中，一秒钟内只有一千个被再生放大器利用，其他的都浪费了。本实验充分利用八千九百九十九万九千个没有被放大的光脉冲，改变以前系统把这些脉冲用垃圾箱吸收掉的做法，把没有放大的种子光脉冲不通过再生放大器而直接导出激光器，用来对角膜组织成像，经过再生放大的一千个光脉冲用作飞秒激光角膜切削，从而用一台激光器实现成像和切削的准同步过程，实现同时用于成像和手术的飞秒激光系统。

如图5所示，为利用本发明的系统实现的产生单脉冲飞秒激光烧蚀角膜组织结果和利用飞秒激光观察切削效果图。这是一幅由角膜组织所产生二次谐波信号形成的图像，非常清楚地给出了激光和角膜组织相互作用的结果，既展示了飞秒激光对角膜的烧蚀效果，又展示了利用飞秒激光对角膜组织二次谐波所成的像，实现了利用同一台飞秒激光器既手术又成像的完美效果。图中箭头标出的圆形即为飞秒激光在聚焦焦点处的烧蚀效果，由于此处的角膜组织已经被等离子化而消失，所残留的气体不具备产生二次谐波的能力，从而非常清楚地呈现出黑色的圆形图案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同时用于成像和手术的飞秒激光系统，其特征在于，所述系统包括样品模块(100)、飞秒激光手术模块(200)和二次谐波信号成像模块(300)；

其中飞秒激光手术模块(200)用于飞秒激光角膜切削手术，飞秒激光手术模块(200)设有飞秒激光振荡器(201)；

飞秒激光振荡器(201)产生的激光光源照射到样品模块(100)的样品上产生二次谐波信号，通过二次谐波信号成像模块(300)采集所述二次谐波信号成像，用于观测飞秒激光角膜切削效果。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二次谐波信号成像模块(300)包括扫描单元(301)、聚焦单元(302)和二次谐波信号成像单元(303)，扫描单元(301)出射的激光经过聚焦单元(302)汇聚到样品模块(100)的样品上，并在聚焦单元(302)的聚焦焦点处产生二次谐波信号，二次谐波信号通过二次谐波信号成像单元(303)采集成像。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述聚焦单元(302)包括沿激光入射光路依次设置的入射激光光强调节装置(3021)、扩束器(3022)和分光镜(3023)，以及在分光镜(3023)前方沿与激光入射光路垂直方向设置的汇聚透镜(3024)，所述汇聚透镜(3024)位于样品模块(100)和分光镜之间；所述二次谐波信号成像单元包括在分光镜后方沿与激光入射光路垂直方向依次设置的近红外滤波片、窄带滤波片和光电倍增管；

扫描单元出射的激光经过入射激光光强调节装置进行连续地从弱到强地调节，再经过扩束器对入射激光光束进行直径展宽，经过分光镜折射后的激光光束通过汇聚透镜汇聚到样品模块的样品上，并在汇聚透镜的聚焦焦点处产生二次谐波信号，二次谐波信号通过分光镜透射，经过近红外滤波片遮挡在二次谐波信号传输光路上的激光光束，再经过窄带滤波片滤除其余信号，最后被光电倍增管采集成像。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述入射激光光强调节装置由半波片和偏振片组成。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述汇聚透镜为数值孔径0.12、放大倍数5倍的汇聚透镜。

6.如权利要求2-5任一项所述的系统，其特征在于，所述飞秒激光手术模块包括飞秒激光振荡器、展宽器、再生放大器、压缩器、扫描单元和聚焦单元，所述飞秒激光振荡器产生的激光光源经过展宽器进行脉宽展宽，再进入再生放大器进行单脉冲能量放大，再通过压缩器将脉宽压缩，最后通过扫描单元扫描和聚焦单元聚焦后汇聚在样品模块的样品内。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述飞秒激光手术模块和二次谐波信号成像模块共用扫描单元和聚焦单元。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述扫描单元为二维扫描镜。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品模块包括上下两层玻璃载玻片和中间夹持的角膜样品。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞秒激光振荡器产生的飞秒激光脉宽为180飞秒，重复频率为90MHz，平均功率为90mW。