CN104814716A - 一种用于检测角膜的生物力学性能的激光系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于检测角膜的生物力学性能的激光系统，包括激光器、光束传输模块、采集过滤模块和光谱分析单元，激光器用于发射脉冲激光束；光束传输模块用于传输所述激光束，并将激光束聚焦至所述角膜，在所述角膜的表面产生激光诱导等离子体光信号；采集过滤模块采集并过滤所述激光诱导等离子体光信号；光谱分析单元对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，确定所述角膜的生物力学性能。本发明还提供一种采用上述激光系统确定角膜的生物力学性能的方法。本发明利用同一激光系统，实时、精确地测量角膜的生物力学性能，提高了工作效率。

Description

一种用于检测角膜的生物力学性能的激光系统及方法
【技术领域】
本发明涉及激光领域，尤其是涉及一种用于检测角膜的生物力学性能的激光系统及方法。
【背景技术】
对于不适合进行激光眼科手术的患者，最常见的原因是容易出现圆锥角膜，圆锥角膜也是目前激光眼科手术失败的一种主要临床表现。对患者是否容易出现圆锥角膜，是激光眼科手术必须考虑的问题。
目前对患者是否容易出现圆锥角膜的检查主要是测量患者的角膜生物力学参数，因为圆锥角膜患者的角膜生物力学参数均低于正常值。
目前临床上唯一能够活体测量角膜生物力学性能的仪器是眼反应分析仪。眼反应分析仪的测量方法类似于传统非接触眼压计：让患者将下颌放在仪器支架上，固定头部，尽量睁大双眼，测试眼注视仪器内绿色闪烁信号灯，按下“测量”按钮，仪器探头自动跟踪靠近测试眼，并吹出一股气体压平角膜，测得一系列参数。使用眼反应分析仪测量的当天，必须排除任何对测试眼的侵犯性操作及眼部滴眼液的使用，而且测试者须在安静、放松环境及知识情况下进行测量。通常每次检查测量3次，测量数据存在明显差异时，还增加测量次数至5次或更多，取其平均值。
由上可知，用目前的眼反应分析仪测量角膜生物力学性能时，存在测量受很多因素影响的问题，尤其是患者本身的状态对测量结果的影响很大，导致激光手术的术前检查效率很低。
【发明内容】
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于检测角膜的生物力学性能的激光系统及方法，实时、精确地测量角膜的生物力学性能，提高对工作效率。
本发明采用如下技术方案：
一种用于检测角膜的生物力学性能的激光系统，包括激光器、光束传输模块、采集过滤模块和光谱分析单元，所述激光器用于发射脉冲激光束；
所述光束传输模块用于传输所述激光束，并将所述激光束聚焦至所述角膜，在所述角膜的表面产生激光诱导等离子体光信号；
所述采集过滤模块采集并过滤所述激光诱导等离子体光信号，并传输所述激光诱导等离子体光信号至所述光谱分析单元；
所述光谱分析单元对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，确定所述角膜的生物力学性能。
本发明还提供一种利用上述激光系统确定角膜的生物力学性能的方法，其包括以下步骤：
S1：将激光器1启动，发射激光光束；
S2：把S1中发射的激光光束聚焦到角膜，并在角膜的表面产生激光诱导等离子体光信号；
S3：对S2中的激光诱导等离子体光信号进行采集和过滤；
S4：对S3中得到的过滤后的激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断角膜的生物力学性能。
与现有技术相比，本发明的激光系统及采用激光系统确定角膜的生物力学性能的方法中，增加光谱分析单元，对激光光束在角膜上产生的激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断角膜的生物力学性 能，实现了使用同一激光系统，实时、精确地测量角膜的生物力学性能。
【附图说明】
图1是本发明用于检测角膜的生物力学性能的激光系统的示意图；
图2是利用本发明用于检测角膜的生物力学性能的激光系统进行实验验证得到的光谱图；
图3是采用图1所示激光系统确定角膜的生物力学性能的方法流程图。
其中，附图标记说明如下：
      
100 激光系统
1 激光器
2 光强调节装置
3 激光扩束器
31、32 透镜
4 分色镜
5 聚焦透镜
6 角膜
7 近红外滤波片
8 光谱分析单元
【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。
请参阅图1，本发明提供一种激光系统100，用于检测角膜6的生物力学性能。激光系统100包括激光器1、光束传输模块(图未标)、采集过滤模块(图未标)和光谱分析单元8。
激光系统100的光路采用激光器1的聚焦光路。激光器1用于发射脉冲激光束；光束传输模块用于传输来自激光器1的激光束，并将所述激光束聚焦至角膜6，在角膜6的表面产生激光诱导等离子体光信号；采集过滤模块采集并过滤所述激光诱导等离子体光信号，使激光诱导等离子体光信号传输至光谱分析单元8；光谱分析单元8对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，从而确定角膜6的角膜生物力学性能。
激光器1可以是任何一种可以产生激光火花的光源，比如可以是但不限于：CO2、Nd:YAG、红宝石、钛蓝宝石、砷化镓等各种激光器。在本发明的优选实施方式中，激光器1采用啁啾脉冲放大全固体飞秒激光器，其中飞秒种子源优选产生的飞秒激光脉宽180飞秒、重复频率90MHz及平均功率90mW，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，再通过压缩器把激光脉宽从20皮秒压缩回500飞秒。本发明的优选实施方式中，激光器1发射的激光光束的模式是基横模，光束质量因子优于1.5，激光光束的平行性好，且发散角小。
光束传输模块依次包括光强调节装置2、激光扩束器3、分色镜4和聚焦透镜5。
光强调节装置2用于调节来自激光器1的入射激光光强，并将入 射激光引导至激光扩束器3。本优选实施方式中，光强调节装置2由半波片(图未示)和偏振片(图未示)组合而成，半波片使出射激光的振动方向发生转动，于是激光光束不能全部通过偏振片，也就是发生了激光光束的衰减。因此，只要让半波片围绕法线旋转，就可以改变光强调节装置2的激光透过率，从而实现对入射激光的强度进行精密衰减控制。
激光扩束器3用于对激光束进行扩束和准直。本优选实施方式中，激光扩束器3包括两个焦距不同的透镜31和透镜32，用于扩展激光束的直径和减小激光束的发散角，本实施方式中优选激光扩束器3为5倍扩束，以使激光束扩束和发散角压缩同时配合使光束质量较好。
分色镜4反射上述扩束和准直后的激光束，聚焦透镜5把分色镜4反射的激光束聚焦到角膜6，在角膜6的表面产生激光诱导等离子体光信号。由角膜6产生的激光诱导等离子体光信号包括由角膜本身产生的激光诱导等离子体光信号和由其他与角膜接触的物质产生的激光诱导等离子体光信号，如对角膜进行处理时使用的润滑液体等产生的激光诱导等离子体光信号。
采集过滤模块包括分色镜4和近红外滤波片7。其中分色镜4既属于光束传输模块也属于采集过滤模块。
激光诱导等离子体光信号先后通过聚焦透镜5和分色镜4透射，此时激光诱导等离子体光信号混杂着部分经过分色镜4折射的激光。
近红外滤波片7用于对激光诱导等离子体光信号和激光的混合光束进行过滤，激光诱导等离子体光信号可以透射通过近红外滤波片7，激光则被近红外滤波片7遮挡。近红外滤波片7将过滤后的等离子体光信号传输至光谱分析单元8。
光谱分析单元8接收和采集上述等离子体光信号，并对等离子体光信号进行光谱分析。由角膜本身产生的激光诱导等离子体光信号的光谱与由其他物质产生的激光诱导等离子体光信号的光谱不同，光谱分析单元8可以很明确的区别两者产生的光谱，从而剔除由其他物质产生的激光诱导等离子体光信号的光谱，只对由角膜本身产生的激光诱导等离子体光信号的光谱进行分析，清楚准确地判断患者的角膜生物力学性能。
请参阅图2，为利用本发明的激光系统100烧蚀角膜6，并利用光谱分析单元8得到的由角膜本身产生的激光诱导等离子体光信号的光谱。图2给出的是具有正常生物力学性能的角膜所得到的光谱。通过光谱分析单元8判断患者的角膜生物力学性能正常后，则可以进行下一步对角膜的处理流程。
请参阅图3，本发明还提供一种利用激光系统100确定角膜的生物力学性能的方法，其包括以下步骤：
S1：将激光器1启动，发射激光光束；
在本发明的优选实施方式中，激光器1采用啁啾脉冲放大全固体飞秒激光器，其中飞秒种子源优选产生的飞秒激光脉宽180飞秒、重复频率90MHz及平均功率90mW，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，再通过压缩器把激光脉宽从20皮秒压缩回500飞秒。本发明的优选实施方式中，激光器1发射的激光光束的模式是基横模，光束质量因子优于1.5，激光光束的平行性好，且发散角小。
S2：把S1中发射的激光光束聚焦到角膜6，并在角膜6的表面 产生激光诱导等离子体光信号；
具体地，利用光束传输模块把把S1中发射的激光光束聚焦到角膜6。光束传输模块依次包括光强调节装置2、激光扩束器3、分色镜4和聚焦透镜5。其中：
光强调节装置2用于调节来自激光器1的入射激光光强，并将入射激光引导至激光扩束器3。本优选实施方式中，光强调节装置2由半波片(图未示)和偏振片(图未示)组合而成，半波片使出射激光的振动方向发生转动，于是激光光束不能全部通过偏振片，也就是发生了激光光束的衰减。因此，只要让半波片围绕法线旋转，就可以改变光强调节装置2的激光透过率，从而实现对入射激光的强度进行精密衰减控制。
激光扩束器3用于对激光束进行扩束和准直。本优选实施方式中，激光扩束器3包括两个焦距不同的透镜31和透镜32，用于扩展激光束的直径和减小激光束的发散角，本实施方式中优选激光扩束器3为5倍扩束，以使激光束扩束和发散角压缩同时配合使光束质量较好。
分色镜4反射上述扩束和准直后的激光束，聚焦透镜5把分色镜4反射的激光束聚焦到角膜6，在角膜6的表面产生激光诱导等离子体光信号。由角膜6产生的激光诱导等离子体光信号包括由角膜本身产生的激光诱导等离子体光信号和由其他与角膜接触的物质产生的激光诱导等离子体光信号，如对角膜进行处理时使用的润滑液体等产生的激光诱导等离子体光信号。
S3：对S2中的激光诱导等离子体光信号进行采集和过滤；
具体地，利用采集过滤模块对S2中产生的激光诱导等离子体光信号进行采集和过滤。采集过滤模块包括分色镜4和近红外滤波片7。
激光诱导等离子体光信号先后通过聚焦透镜5和分色镜4透射，此时激光诱导等离子体光信号混杂着部分经过分色镜4折射的激光。
近红外滤波片7用于对激光诱导等离子体光信号和激光的混合光束进行过滤，激光诱导等离子体光信号可以透射通过近红外滤波片7，激光则被近红外滤波片7遮挡。
S4：对S3中得到的过滤后的激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断角膜6的生物力学性能。
具体地，由于角膜本身产生的激光诱导等离子体光信号的光谱与其他物质产生的激光诱导等离子体光信号的光谱不同，利用光谱分析单元8可以很明确的区别两者产生的光谱，从而剔除由其他物质产生的激光诱导等离子体光信号的光谱，只对由角膜本身产生的激光诱导等离子体光信号的光谱进行分析，清楚准确地判断患者的角膜生物力学性能。
本发明的激光系统100及采用激光系统100确定角膜的生物力学性能的方法中，增加光谱分析单元8，对激光光束在角膜6上产生的激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断角膜6的生物力学性能，实现了使用同一激光系统100，实时、精确地测量角膜的生物力学性能，提高了工作效率。
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)

1.一种用于检测角膜的生物力学性能的激光系统，其特征在于，所述激光系统包括激光器、光束传输模块、采集过滤模块和光谱分析单元，
所述激光器用于发射脉冲激光束；
所述光束传输模块用于传输所述激光束，并将所述激光束聚焦至所述角膜，在所述角膜的表面产生激光诱导等离子体光信号；
所述采集过滤模块采集并过滤所述激光诱导等离子体光信号，并传输所述激光诱导等离子体光信号至所述光谱分析单元；
所述光谱分析单元对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，确定所述角膜的生物力学性能。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述光束传输模块依次包括光强调节装置、激光扩束器、分色镜及聚焦透镜。
3.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述采集过滤模块包括分色镜和近红外滤波片。
4.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述激光器为啁啾脉冲放大全固体飞秒激光器。
5.根据权利要求4所述的激光系统，其特征在于，所述激光器发射的激光光束的模式是基横模，光束质量因子优于1.5。
6.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述光强调节装置由半波片和偏振片组合而成。
7.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述激光扩束器包括两个焦距不同的透镜，所述两个透镜构成5倍激光扩束和准直系统。
8.一种采用权利要求1所述激光系统确定角膜的生物力学性能的方法，其包括以下步骤：
S1：将激光器1启动，发射激光光束；
S2：把S1中发射的激光光束聚焦到角膜，并在角膜的表面产生激光诱导等离子体光信号；
S3：对S2中的激光诱导等离子体光信号进行采集和过滤；
S4：对S3中得到的过滤后的激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断角膜6的生物力学性能。
9.根据权利要求8所述的确定角膜的生物力学性能的方法，其特征在于，步骤S2中利用光束传输模块传输激光光束聚焦到所述角膜，所述光束传输模块依次包括光强调节装置、激光扩束器、分色镜及聚焦透镜。
10.根据权利要求8所述的确定角膜的生物力学性能的方法，其特征在于，步骤S3中利用采集过滤模块对所述激光诱导等离子体光信号进行采集和过滤，所述采集过滤模块包括分色镜和近红外滤波片。
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