CN1045227A - 外科治疗屈光不正用的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学领域。

外科治疗屈光不正用的装置包括：在一个光轴上依序设置的脉冲激光器，使调整激光器辐射能量密度在光束横截面上均匀分布的组件(3)，使激光器辐射能量密度在光束横截面上达所需分布的整形器(6)，以及投射透镜(7)。按照本发明，均匀组件(3)可由截面为矩形的光导制成，也可以制成平行六面体的形状，在这种情况下，沿着辐射路径在它的前面装有透镜(4)光导也可以做或四棱台形状。

Description

本发明属于医学眼科领域，特别是涉及外科治疗屈光不正用的装置。

激光治疗法，尤其是利用受激二聚物激光器发射的紫外光治疗眼睛折光度畸变的激光治疗法，目前在世界上广泛地用于眼外科中。在设计用于这种目的的激光眼外科装置时，最重要的任务是要利用激光的作用在眼睛角膜上获得所要求的断面。为此，发射的激光射线能量密度沿光束截面上的分布必须是平滑对称的，最好是矩形（均匀的）分布。然而受激二聚物激光器的能量分布并不是这样的。因此现实的任务就是把不均匀和不对称的激光辐射分布转变成均匀分布。

公知的外科治疗屈光不正用的装置包括：依序设置在一个光轴上的紫外波段脉冲激光器，使激光辐射能量在该光束横截面上分布均匀的组件，使激光器辐射能量密度在其光束横截面上达到所要求分布的整形器以及一个投射透镜（SPIE.Vol.908    Lasser    interaction    With    Tissue，1988，P.R.Joder    et    al，“Beane    delivery    sistem    for    UV    laser    ablation    of    the    cornea”，P.77-82）。

在该装置中的使激光辐射能量密度分布均匀的组件是一个旋转反射镜系统，其作用类似于

OBe光学棱镜的一种作用。在这里是使光束作为整体绕着光轴旋转来调整能量密度在激光束截面上的分布。这时，虽然各个单个辐射脉冲仍保持着不均匀性，但是通过对序列辐射脉冲取平均的结果就可实现均匀化。用公知系统只能对能量密度在截面上分布为平滑和单调的激光才能进行有效地均匀化。对于实际的激光器的能量密度分布中总是存在清晰的尖锐峰值的。虽然采用只把这部分孤立的峰值去掉的方法可以使激光器辐射的能量密度分布均匀化，但是这个方法会损失大量的能量，从而使手术的质量降低并使手术的时间延长。

本发明的任务是要提供一种外科治疗屈光不正用的装置，它带有使激光辐射能量密度在光束截面上分布均匀的组件，该组件的结构适合于对每个脉冲辐射的横截面上的能量密度分布进行均匀化，而且适合于对从激光器输出的任意的辐射分布的均匀化。

本发明的特征在于，外科治疗屈光不正用的装置中包括有：在一个光轴上依序设置的紫外波段脉冲激光器，使激光能量密度在其辐射光束横截面上分布均匀的组件、使激光辐射能量密度在光束截面上达到所要求分布的整形器以及一个投射透镜。按照本发明的使能量密度分布均匀的组件是由一个可变的矩形截面的光导制成的。

可以把光导做成截面为正方形的平行六面体的形状，沿辐射路径在该光导的前面安装一个附加透镜。

附加透镜最好安装在垂直光轴的平面内，并且可以在该平面内振动。

此外，也可以把光导做成棱台的形状（即把棱锥的顶部截掉后剩下的部分的形状），使它的较大的底面朝向激光器。

在这种情况下，安装的棱台应能适合于在较小底面几何中心附近、在与光轴垂直的两个互相垂直的方向振动。

根据本发明的外科治疗屈光不正用的装置，可以使激光能量几乎完全得到利用，以及适合于激光器输出的辐射能量为任意密度分布的条件下，大大地提高了手术的质量，同时，可以使手术的时间至少缩短两倍。

此外，本发明的装置在结构上比功能类似的现有装置更为简单。

下面通过结合附图描述具体的实施方案来说明本发明。

图1概略地示出了本发明的外科治疗屈光不正用的装置的侧视图，在该装置中装有平行六面体形状的光导;

图2与图1相同，为其俯视图;

图3与图1相同，为其侧视图，其中安装的光导是棱台状（即将棱锥截去顶部而剩下部分的形状）的。

图4与图3相同，为其俯视图;

图5为在激光辐射光束的光导中划分成多个区段的图形;

图6是激光辐射的能量密度E（纵座标轴）沿着与激光器发射光束的轴线垂直的方向（横座标轴）的能量密度分布曲线;

图7与图6相同，是能量密度沿着与光导输出的光束的轴垂直方向的分布曲线。

图1和图2示出的外科治疗屈光不正用的装置包括：在一个光轴上依序设置的紫外波段脉冲激光器1、矩形截面光栏2、使激光器1的能量密度在光束截面上分布均匀的组件3、在光栏后面沿激光器1的辐射路径设置的附加透镜4，又在它的后面依次设置的矩形截面的波导5，使能量密度在光束截面上达到所要求分布的整形器6以及把辐射引向患者眼睛角膜的投射透镜7。

设置的附加透镜可以在与光轴垂直的平面内独立地沿着两个互相垂直方向振动，它的边框与传动装置9伸出的部件相连接。

透镜4在子午面内和赤道面内具有不同的焦距f₁、f₂（在图中的焦点分别用F₁和F₂表示），透镜的曲面成交叉的圆柱形。

在所完成的方案中，光导5的形状是截面为正方形的平行六面体，它的内壁表面10涂有镜面反射涂层。

作为整形器6，可以使用可变截面圆形光栏，或者使用带有断面经设计计算过的狭缝的旋转圆盘，或者使用能使辐射吸收沿着截面发生变化的元件。

投射透镜7把光导5输出端平面p的象成象于眼睛角膜8上。

图3和图4所示的装置与已描述过的方案不同之处是：使激光能量密度分布均匀的组件3′是棱台状（即将一个棱锥截去顶部而成的图形）的波导11。安装时应使它的较大底面朝向激光器1，并使它能围绕较小底面的几何中心“O”在两个互相垂直的方向上振动，这两个方向都垂直于光轴，为此该棱台的较大底面与一振动传动装置9伸出的部件相连接。棱台（波导11）是由对激光辐射透明的材料，如氟化镁制成整体，棱锥外表面需经精密加工，以达到光学上的要求。

按照本发明在图1和图2中所示的外科治疗屈光不正的装置以如下的方式工作。

自激光器1输出的辐射光束12经过高为a宽为b的矩形孔径光栏2，光栏2从辐射光束中分出所希望的那部分辐射。这部分辐射光束13通过透镜4后，其横截面和孔径角发生了改变。辐射光束13通过透镜4后聚焦在与透镜4相距为f₁及f₂处的两个聚焦平面中。通过透镜4之后，光束13具有变化的矩形截面，该截面的大小取决于从透镜4到观察平面H的距离S。在距离S＞f₁处辐射光束13的横截面高度α₁以及在距离S＞f₂处辐射光束13的横截面宽度b₁分别为

a₁=(S-f₁) (a)/(f₁)

b₁=(S-f₂) (b)/(f₂)

在本装置的方案中a₁＝b₁＝C，在这个条件下，在距离为S＝f₁（ (c)/(a) +1）＝f₂（ (c)/(b) +1）的观察平面H处，进入光导5的辐射光束13的边缘上的光线射在截面为C×C的镜式光导5的壁上，它的输出端在位于与平面H距离为1的平面P处（1是光导5的工作段长度）

在条件1＝n（S-f₁）＝m（S-f₂）下，其中，n.m＝2、4、6…，为任意偶数，射入波导5的辐射光束13被分成（n+1）（m+1）个基本光束，它们受到光导5的壁的不同次数的反射。所有这些光束充满光导5的整个输出端。

图5示出将输入光束13划分为35个部分的实例，其中n＝6m＝4，曲线14为激光器1的输出光束12的等强度线;直线15表示光束13通过光栏之后的边界，虚线15将辐射光束13划分成35个部分，其中的每个部分都投射到光导的输出端（平面P），并充满整个输出端。

光导5输出端平面P上的能量密度分布是由（n+1）（m+1）束辐射构成的干涉图样。光导5输出端的坐标点（x，y）处的强度

式中E₁，E₂…为相应的波束在点（x，y）处的强度，

为干涉项，其中每一项都与cos δij成比例，其中δij＝ (2π)/(λ) △ij，△ij是第i波和第j波的光程差，λ是辐射的波长。

如果把强度分布对干涉图样的周期t取平均，则由于cos δij＝0，得到

。

由此可见，在对干涉图样的周期t取平均后，从波导5输出的能量密度分布是（n+1）（m+1）束光分布的总和，即使输出的分布变得均匀。例如对于将输入光束13任意划分成（n+1）（m+1）个相等的部分，能量密度的均方根偏差缩小了 $\sqrt{\mathrm{(n+1)(m+1)}}$ 倍。

现在来估算干涉图样周期的数值。

为简单起见，只研究两束光在中空光导内的干涉，也就是通过装置但不从壁上反射的一束光与经过一次反射的一光束的干涉，两个邻近的最大强度值之间的间隔即为周期 $\mathrm{t\approx }\frac{{\mathrm{［1+(s-f}}_1\mathrm{)\; ］\lambda }}{C}$

如1≤30mm，（S-f₁）≈50mm，C≈7mm，λ＝0.2μm则周期t＜10μm。实际上由于具有大幅度光程差的大量光束间的干涉作用，在相邻的两个最大（最小）强度之间的距离要比这个数值小一些，精确地计算出干涉图样是非常困难的，因而采用上述的数值t≈10μm作为波导输出处的强度分布干涉的不均匀尺度的上限估算值。在眼外科手术过程中会自发地发生对小的周期t进行所需的平均。这是因为在使用约500-1000个激光脉冲的手术过程中，由于眼睛的偶然运动，患者心脏的跳动，呼吸;仪器振动等原因会引起干涉图样完全变模糊;所说的眼睛运动是指由眼睛固有的、并非是由医生和患者控制的振荡，其频率可达300赫兹（眼球的震颤）

不管这些因素如何，由于透镜4在两个彼此垂直方向上的振动，使光导5的输出的干涉图样被完全均匀化。

对于组件3的上述参数，透镜4以大于10-20μm（MKM）的振幅振荡就可以使与一个序列脉辐射相对应的干射图样完全均匀化，同时也使激光器1辐射强度中的尖锐峰值（过热点）变模糊。

图6和图7用曲线说明了均匀化组件3的作用。图6示出了在子午面内激光辐射能量密度在光束12的横截面上的分布;而图7示出了在光导5输出端（平面P内）的激光辐射能量密度在光束12的横截面上的分布。

从光导5端部输出的辐射束通过能完成在横截面上达到所需能量密度分布的整形器6，在整形器6中，平面P处的均匀的辐射线的能量密度按照实施该手术所规定的要求来调整。作为整形器6可采用圆形可变截面的光栏，或可采用具有给定形状狭缝的旋转圆盘，也可以采用使激光器1的辐射沿横截面上的吸收是可变的光学元件。此后，辐射光束17经透镜7投射到接受手术的眼睛角膜8上，透镜7应按照满足平面P的像成在眼睛角膜8上的条件来放置。

图3和图4中所示装置的方案的工作与图1和图2所示装置的方案相类似，其不同之处仅在于光束13通过光栏2以后直接射入光导11的输入端。

这束辐射光13穿过光导11，光导11呈四棱台形（即将棱锥截去顶部后剩下的几何图形），它的输入端尺寸为a′×b′，且a′≥a，b′≥b，其输出端的尺寸为a″×b″，其中a″＜a′b″＜b′，特别是可以选择a″＝b″及a′＝b′。

射入光导11的辐射光束13的中央部分穿过光导而不受反射，但光束13的边缘部分则受到一个面的1、2、3…P次反射，同时又受到与第一面垂直的面的1、2、3…q次反射。这样就使得有（2P+1）（2q+1）束光经过光导11的输出端，所有的这些光束充满在整个输出端，这样就完成了能量密度均匀化。从光导11输出的辐射在子午面和赤道面内的孔径角（α₁，α₂）分别为

α₁＝2pβ₁

α₂＝2qβ₂

式中β₁，β₂分别是子午面内和赤道面内棱锥顶点处的角

光导11的长度1应同时满足条件：

$\mathrm{1\ge }\frac{\mathrm{a\prime -a″}}{\mathrm{2tg}\frac{a_1}{2}}\mathrm{1\ge }\frac{\mathrm{b\prime -b″}}{\mathrm{2tg}\frac{a_2}{2}}$

由于棱台的较大的底面围绕中心“O”沿着两个相互垂直方向迴转产生的角度改变，将入射光束分成（2p+1）（2q+1）个某种新的子光束，从而完成了辐射能量密度对时间的第二次均匀化。

棱台输出端的强度分布是（2p+1）（2q+1）个子光束干涉的结果。

现在来估算干涉图样的周期。为此，先研究穿过光导但不受光导壁反射的光束和受到张角为β的锥体侧面一次反射的光束的干涉。

相靠近的两个最大值（最小值）之间的间隔即为周期t＝ (λ)/(2sin2α) 。

在典型的情况下β≈0.02～0.04，λ＝193nm

t＝ (0.2～0.4)/(2×0.04) ≤5μm

和图1、图2所示的方案一样，这种程度为不均匀性对于眼科手术来说根本没有影响。

棱台的较大的底面相对于点“O”迴转的一个小角度γ的范围为0.01弧度，由于这个迴转引起输出端边缘的直线位移△（a″），

$\mathrm{△(a″)=}\frac{\mathrm{a″}}{\mathrm{cos\gamma }}\mathrm{-\; a″\approx a″}\frac{{\gamma }^2}{2}$

式中a″为输出端的尺寸，如a″＝7mm，则

$\mathrm{△(a″)\approx }\frac{{\mathrm{10}}^{\mathrm{-4}}}{2}\mathrm{\approx 0.3\mu m}$

这样小的数值对手术根本没有影响。

不难看出，由于光导输入端的这些振动使序列辐射脉冲的干涉图样完全变模糊，更重要的是使输入的激光光束的不均匀性在宏观上变模糊。

Claims (5)

1、一种外科治疗屈光不正用的装置，包括：在一个光轴上依序设置的紫外波段脉冲激光器(1)，使激光器的能量密度在辐射光束横截面上分布均匀的组件(3)，使激光器辐射的能量密度在光束横截面上达到所需要分布的整形器(6)，以及投射透镜(7)，其特征在于，使能量密度分布均匀的组件(3)是由横截面为矩形的光导5制成。

2、一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：光导（5）的形状为正方形截面的平行六面体，并沿辐射路径上在该光导前面装有附加透镜（4）。

3、一种如权利要求2所述的装置，其特征在于，该附加透镜（4）安装在垂直光轴的平面内，并且在该平面内振动。

4、一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：光导11的形状为一棱台（即将棱柱的顶部截去后剩余部分的几何图形），并且使该棱台的较大的底面朝向激光器（1）。

5、一种如权利要求4所述的装置，其特征在于：

该棱台可以围绕较小底面的几何中心（“O”）在与光轴垂直的两个互相垂直的方向上振动。

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