CN105044045A - 利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光眼科手术技术领域，具体公开一种利用光谱分析检测角膜切削阈值的飞秒激光系统，包括样品模块、飞秒激光发射模块、激光聚焦模块、光谱分析模块；飞秒激光发射模块发射激光束，所述激光束经过激光聚焦模块聚焦，照射于所述样品模块的角膜样品上，所述角膜样品受激光诱导后发出激光诱导等离子体光信号，所述激光诱导等离子体光信号经激光聚焦模块发送至所述光谱分析模块，所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析并计算角膜。本发明对应公开一种利用光谱分析检测角膜切削阈值的方法。本发明利用对激光诱导等离子体光信号光谱分析，确定角膜切削阈值，实现了在手术中实时、精确的确定角膜的激光切割阈值的有益效果。

Description

利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统及检测方法
技术领域
本发明涉及激光眼科手术技术领域，特别涉及一种利用光谱分析检测切削阈值的飞秒激光系统及角膜切削阈值的检测方法。
背景技术
过去十年，由于有着较为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，最有临床应用前景的就是飞秒激光眼科手术，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脉冲能量需要尽可能的接近而略高于角膜激光切削阈值。精确的实时测量飞秒激光角膜切削阈值对于手术应用就具有非常迫切的应用需求。
通过散射光信号测量角膜激光切削阈值可以在实验室实现，但是由于散射光的位置通常正交于入射激光，并且散射光强度较弱，需要在暗背景下进行观测，难以实际应用到手术中。现在常用的测量飞秒激光角膜切削阈值方法是通过激光诱导等离子体光信号测量角膜激光切削阈值，原理为在和切削激光垂直方向使用光电倍增管来监测激光诱导等离子体光信号，逐渐增加入射切削激光能量的同时监测激光诱导等离子体光信号是否出现，当激光诱导等离子体光信号出现的时候所对应的入射切削激光能量就是阈值时的激光能量。此方法由于探测光信号在切削光平行方向，可以实际应用到手术中，但是存在测量是否准确的问题。由于在实际手术中和角膜直接紧密接触的光学部件的切削阈值和角膜的切削阈值非常接近，而且人角膜本身的厚度又只有半个毫米，因此很有可能出现由于精密聚焦的偏差而把光学部件的切削阈值当作角膜的切削阈值，即激光聚焦在和角膜直接紧密接触的光学部件中而测量得到阈值而误以为是角膜的切削阈值。
发明内容
本发明旨在克服现有飞秒激光系统无法实时准确测量角膜切削阈值的技术缺陷，提高测量精度，提供一种利用光谱分析检测切削阈值的飞秒激光系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种利用光谱分析检测切削阈值的飞秒激光系统，包括样品模块、飞秒激光发射模块、激光聚焦模块，还包括光谱分析模块；
所述样品模块，用于放置角膜样品；
所述飞秒激光发射模块，用于发射激光束；
所述激光聚焦模块，用于将所述激光束聚焦至所述样品模块；
所述光谱分析模块，用于对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，计算角膜切割阈值；
飞秒激光发射模块发射激光束，所述激光束经过激光聚焦模块聚焦，照射于所述样品模块的角膜样品上，所述角膜样品受激光诱导后发出激光诱导等离子体光信号，所述激光诱导等离子体光信号经激光聚焦模块发送至所述光谱分析模块，所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析并计算角膜切削阈值。
一些实施例中，所述光谱分析模块包括激光诱导等离子体光信号接收单元及分析单元；所述激光诱导等离子体光信号接收单元获取所述角膜样品受激产生的激光诱导等离子体光信号，并发送给分析单元，分析单元对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析。
一些实施例中，所述激光诱导等离子体光信号接收单元为用于过滤激光束的近红外滤波片。
一些实施例中，所述激光聚焦模块包括沿激光入射光路依次设置的入射激光光强调节装置、扩束器及分光镜，以及设置于分光镜与所述样品模块之间的会聚透镜；
激光束经入射激光光强调节装置调节光强后，由扩束器进行扩束，激光扩束后照射于分光镜上，分光镜将扩束后的激光反射至会聚透镜上，会聚透镜将所述激光束聚焦于样品模块上。
一些实施例中，所述入射激光光强调节装置由半波片及偏振片组合而成。
一些实施例中，所述会聚透镜的数值孔径为0.12，放大倍数为5倍。
一些实施例中，所述飞秒激光发射模块(1)包括扫描单元(105)、飞秒激光振荡器、展宽器、再生放大器及压缩器；所述飞秒激光振荡器产生激光束经过展宽器进行脉宽，再通过再生放大器进行单脉冲能量放大，经压缩器进行脉宽压缩，通过扫描单元射出。
一些实施例中，所述扫描单元为XY二维扫描镜。
相应地，本发明还提供一种利用光谱分析检测角膜切削阈值的方法，包括以下步骤：
S1、飞秒激光发射模块发射激光束；
S2、激光会聚模块将所述激光束进行处理，使聚焦于样品模块的角膜样品上，所述角膜样品受激产生激光诱导等离子体光信号；
S3、会聚模块接收所述激光诱导等离子体光信号，并发送给光谱分析模块；
S4、所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，并计算角膜切削阈值。
一些实施例中，所述步骤S2包括以下步骤：
S21、入射激光光强调节装置调节所述激光束的光强；
S22、扩束器对所述激光束进行扩束；
S23、分光镜将扩束后的激光束反射至会聚透镜上；
S24、所述会聚透镜将所述激光束聚焦于样品模块的角膜样品上。
本发明的有益效果在于：本发明利用对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，来确定角膜切削阈值，从而实现了在手术中实时、精确的确定角膜的激光切割阈值的有益效果。
附图说明
图1为本发明的利用信号分析检测角膜激光切削阈值的飞秒激光系统的模块图；
图2为本发明利用信号分析检测角膜激光切削阈值的飞秒激光系统的一个具体实施例；
图3为本发明利用信号分析检测角膜激光切削阈值的飞秒激光系统中飞秒激光发射模块的一个具体实施例；
图4为本发明利用光谱分析检测角膜切削阈值的方法流程图；
图5为本发明利用光谱分析检测角膜切削阈值的方法中激光聚焦的方法流程图；
图标说明：
1飞秒激光发射模块2激光聚焦模块
3光谱分析模块4样品模块
101飞秒激光振荡器102展宽器
103再生放大器104压缩器
105扫描单元201入射激光光强调节装置
202扩束器203分光镜
204会聚透镜301激光诱导等离子体光信号接收单元
302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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明的技术关键点在于利用角膜组织产生的光谱和其他与角膜接触的物质产生的光谱完全不同这一特性，通过分析激光聚焦点的光谱信息准确确定激光聚焦在角膜上还是其他物质里来测定飞秒激光角膜切削阈值。本发明利用同一台飞秒激光器增加等离子体光谱分析单元来实现手术期间实时准确的确定飞秒激光角膜切削阈值的效果。
请参阅图1，为本发明的利用信号分析检测角膜激光切削阈值的飞秒激光系统。包括以下模块：飞秒激光发射模块1、激光聚焦模块2、光谱分析模块3及样品模块4。飞秒激光发射模块1发射激光束，激光束通过激光聚焦模块2聚焦至样品模块4上，样品模块4上的角膜样品受激光诱导产生激光诱导等离子体光信号，激光诱导等离子体光信号通过激光聚焦模块2发送至光谱分析模块3，光谱分析模块3对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，并计算角膜切削阈值。当计算出角膜切削阈值时，飞秒激光发射模块1发射激光对角膜样品进行切削。
优选的，本发明的利用信号分析检测角膜激光切削阈值的飞秒激光系统，还包括提示模块，提示模块与光谱分析模块3连接，用于在达到角膜切削阈值时进行提醒。
请参阅图2，为本发明利用信号分析检测角膜激光切削阈值的飞秒激光系统的一个具体实施例。包括激光发射模块1、激光聚焦模块2、光谱分析模块3及样品模块4。
激光聚焦模块2包括沿激光入射光路依次设置的入射激光光强调节装置201、扩束器202及分光镜203，以及设置于分光镜203与所述样品模块4之间的会聚透镜204。激光束经入射激光光强调节装置201调节光强后，由扩束器202进行扩束，激光经扩束后照射于分光镜203上，分光镜203将扩束后的激光反射至会聚透镜204上，会聚透镜204将激光聚焦于样品模块4上。
优选的，入射激光光强调节装置201由半波片及偏振片组合。
优选的，会聚透镜204的数值孔径为0.12，放大倍数为5倍。
光谱分析模块3包括激光诱导等离子体光信号接收单元301及分析单元302。所述激光诱导等离子体光信号接收单元301获取所述样品受激产生的激光诱导等离子体光信号，并发送给分析单元302，分析单元302对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，并进行角膜切削阈值的计算。
优选的，所述激光诱导等离子体光信号接收单元301为用于过滤激光束的近红外滤波片。
本实施例的具体工作过程为：飞秒激光发射模块1射出的激光经入射激光光强调节装置201调节光强，再由扩束器202进行扩束，激光扩束后照射于分光镜203上，分光镜203将扩束后的激光反射至会聚透镜204上，会聚透镜204将激光聚焦于样品模块4的角膜样品上。
样品模块4的角膜样品受激产生激光诱导等离子体光信号，激光诱导等离子体光信号经会聚透镜204及分光镜203传至光谱分析模块3的近红外滤波片，近红外滤波片将分光镜203折射过来的激光过滤掉，只允许激光诱导等离子体光信号穿过红外滤波片，发送至分析单元302，分析单元302对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，分析激光是否聚焦在角膜上，并计算角膜切削阈值。
请参阅图3，在本发明利用信号分析检测角膜激光切削阈值的飞秒激光系统中飞秒激光发射模块1的一个具体实施例中，所述飞秒激光发射模块1包括扫描单元105、飞秒激光振荡器101、展宽器102、再生放大器103及压缩器104；所述飞秒激光振荡器101产生激光束经过展宽器102进行脉宽展宽，再通过再生放大器103进行单脉冲能量放大，经压缩器104进行脉宽压缩，通过扫描单元105射出。
优选的，扫描单元105为XY二维扫描仪。
优选的，本发明中的激光发射单元可以使用啁啾脉冲放大全固体飞秒激光器。飞秒种子源是商用产品，来自于奥地利HIGHQ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。激光束的模式是基横模，光束质量因子优于1.5。激光束通过扫描和聚焦系统汇聚在角膜样品内，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。
请参阅图4，为本发明利用光谱分析检测角膜切削阈值的方法流程图。该方法采用本发明利用光谱分析检测切削阈值的激光系统来实现。具体通过如下步骤实现：执行步骤S1，飞秒激光发射模块发射激光束。飞秒激光发射模块的激光振荡器产生激光束，并经过展宽器进行脉宽展宽，再通过再生放大器进行单脉冲能量放大，经压缩器进行脉宽压缩，通过扫描单元射出。
执行步骤S2，激光会聚模块将所述激光束进行处理，使聚焦于样品模块的角膜样品上，所述角膜样品受激产生激光诱导等离子体光信号。具体通过图5流程图中的如下步骤实现：入射激光光强调节装置调节所述激光束的光强(步骤S21)，扩束器对所述激光束进行扩束(步骤S22)，分光镜将扩束后的激光束反射至会聚透镜上(步骤S23)，会聚透镜将所述激光束聚焦于样品模块的角膜样品上(步骤S24)，从而使得角膜受激产生激光诱导等离子体光信号。
执行步骤S3，会聚模块接收所述激光诱导等离子体光信号，并发送给光谱分析模块。
执行步骤S4，所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，并计算角膜切削阈值。
利用本发明所阐述的系统及方法实现的单脉冲飞秒激光烧蚀角膜组织并利用激光诱导等离子体观察得到的光谱。只有角膜组织才具有这样的元素，而其他物质(如手术中使用的润滑液体，手术中和角膜直接紧密接触的光学部件)所产生的诱导等离子体光信号的光谱则不含这些元素。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，包括样品模块(4)、飞秒激光发射模块(1)、激光聚焦模块(2)，其特征在于，还包括光谱分析模块(3)；
所述样品模块(4)，用于放置角膜样品；
所述飞秒激光发射模块(1)，用于发射激光束；
所述激光聚焦模块(2)，用于将所述激光束聚焦至所述样品模块(4)；
所述光谱分析模块(3)，用于对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，计算角膜切割阈值；
飞秒激光发射模块(1)发射激光束，所述激光束经过激光聚焦模块(2)聚焦，照射于所述样品模块(4)的角膜样品上，所述角膜样品受激光诱导后发出激光诱导等离子体光信号，所述激光诱导等离子体光信号经激光聚焦模块(2)发送至所述光谱分析模块(3)，所述光谱分析模块(3)对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析并计算角膜切削阈值。
2.如权利要求1所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，其特征在于，所述光谱分析模块(3)包括激光诱导等离子体光信号接收单元(301)及分析单元(302)；所述激光诱导等离子体光信号接收单元(301)获取所述角膜样品受激产生的激光诱导等离子体光信号，并发送给分析单元(302)，分析单元(302)对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析。
3.如权利要求2所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，其特征在于，所述激光诱导等离子体光信号接收单元(301)为用于过滤激光束的近红外滤波片。
4.如权利要求1所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，其特征在于，所述激光聚焦模块(2)包括沿激光入射光路依次设置的入射激光光强调节装置(201)、扩束器(202)及分光镜(203)，以及设置于分光镜(203)与所述样品模块(4)之间的会聚透镜(204)；
激光束经入射激光光强调节装置(201)调节光强后，由扩束器(202)进行扩束，激光扩束后照射于分光镜(203)上，分光镜(203)将扩束后的激光反射至会聚透镜(204)上，会聚透镜(204)将所述激光束聚焦于样品模块(4)上。
5.如权利要求1所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，其特征在于，所述入射激光光强调节装置(201)由半波片及偏振片组合而成。
6.如权利要求1所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，其特征在于，所述会聚透镜(204)的数值孔径为0.12，放大倍数为5倍。
7.如权利要求1所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，其特征在于，所述飞秒激光发射模块(1)包括扫描单元(105)、飞秒激光振荡器(101)、展宽器(102)、再生放大器(103)及压缩器(104)；所述飞秒激光振荡器(101)产生激光束经过展宽器(102)进行脉宽，再通过再生放大器(103)进行单脉冲能量放大，经压缩器(104)进行脉宽压缩，通过扫描单元(105)射出。
8.如权利要求7所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统，其特征在于，所述扫描单元(105)为XY二维扫描镜。
9.一种利用光谱分析检测角膜切削阈值的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、飞秒激光发射模块发射激光束；
S2、激光会聚模块将所述激光束进行处理，使聚焦于样品模块的角膜样品上，所述角膜样品受激产生激光诱导等离子体光信号；
S3、会聚模块接收所述激光诱导等离子体光信号，并发送给光谱分析模块；
S4、所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，并计算角膜切削阈值。
10.如权利要求9所述的利用光谱分析检测角膜切削阈值的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S21、入射激光光强调节装置调节所述激光束的光强；
S22、扩束器对所述激光束进行扩束；
S23、分光镜将扩束后的激光束反射至会聚透镜上；
S24、所述会聚透镜将所述激光束聚焦于样品模块的角膜样品上。
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CN108072635A (zh) * 2016-11-15 2018-05-25 中国科学院光电研究院 一种利用激光诱导等离子体光谱分析设备实时在线测量玻璃生产过程中成分的方法

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