CN1528256A - 激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法和装置，该装置产生的激光脉冲高速扫描角膜组织，在程序控制下，使激光脉冲在设定的作用区域内按程序设定的算法进行两个方向的扫描以到达角膜组织上特定的点，该方法要求激光脉冲的光斑为小光斑，而且激光光斑可呈柱状、球状、椭圆状等等，根据角膜组织的情况，自动调整光斑大小和形状，能完成最复杂最精细的角膜组织整形，从而为消融角膜组织提供不同的切削方案，使被消融的角膜组织表面尽可能光滑，以矫正屈光不正和消除象差。

Description

激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法和装置

技术领域

本发明涉及一种激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法和装置。

背景技术

要使外界物体在视网膜上能够形成清晰的象，就要使来自物体的光在进入眼球后产生生理的光学作用，使被屈折后的光在视网膜的感光层联合起来结成清晰的物象以后，由视路把象的信息传到视觉分析器，才能产生视觉。光进入眼球后的路程变化系由角膜、房水、晶状体、玻璃体以及它们的各个屈光介面所组成的屈光系统所决定的。

角膜是眼屈光系统的重要组成都分，角膜屈光度占整个眼球屈光度的四分之三。改变角膜前表面曲率半径对眼球屈光度影响很大。因此改变角膜前表面曲率半径以改变眼球屈光力是一种可行且有效的方法，并且角膜前表面的曲率是一个较容易被操纵的可变参数。例如，如图1所示，将角膜前表面曲率半径从7.7mm增加到8.7mm，屈光度可以减少5.6D；如果曲率半径从7.7mm减少到6.7mm，屈光度可以增加7.3D。用准分子激光对角膜表面或基质内进行精确的定量切除，改变角膜的曲度，从而改变术眼的屈光状态，达到矫治屈光不正的目的。

发明内容

本发明的目的是：提供一种激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法和装置，该装置产生的激光束以每秒发射5-500个脉冲的频率高速扫描角膜组织，在程序控制下，使激光脉冲在设定的作用区域内按程序设定的算法进行两个方向的扫描以到达角膜组织上特定的点，该方法要求激光脉冲的光斑为小光斑，激光光斑的直径大小为0.4mm～1.2mm之间，而且激光光斑可呈柱状、球状、椭圆状等等，根据角膜组织的情况，自动调整光斑大小和形状，能完成最复杂最精细的角膜组织整形，从而为消融角膜组织提供不同的切削方案，使被消融的角膜组织表面尽可能光滑，以矫正屈光不正和消除象差。

本发明的技术方案是：一种激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，包括下列步骤：

(1)在计算机装置的存储器中，存储角膜屈光手术过程中被消融的角膜表面上的所有位置的完备信息；

(2)划分激光脉冲片层：按照激光脉冲光斑在同一层内的排列方式来决定每层的消融厚度，排列方式决定于两个脉冲点的X向距离ΔX和Y向距离ΔY，从而将整个角膜的消融组织划分成若干层；

(3)确定激光脉冲光斑位置：每层激光脉冲光斑的位置由两个脉冲点的X向距离ΔX和Y向距离ΔY决定，层与层之间的光斑位置于X、Y双向随机错位；

(4)计算机装置根据随机分层点的位置信息，从中抽取点并发射出激光脉冲扫描到角膜组织上。

一种如上所述的激光脉冲消融角膜组织的扫描装置，该装置包括计算机装置和激光脉冲装置，激光脉冲装置将产生的激光束通过聚焦装置变换脉冲后引入X向扫描和Y向扫描器，X向扫描和Y向扫描器按照一定的扫描轨迹将变换后的脉冲扫描角膜组织表面，从而消融角膜组织，计算机装置产生激光脉冲的位置信息控制X向扫描和Y向扫描器按照扫描轨迹扫描角膜组织表面，并使激光脉冲装置和X向扫描和Y向扫描器同步工作。

本发明的优点是：

本发明可以适当选取光斑间距，使角膜表面的切削凹坑的深度小于1μm级。在临床应用中，这样的光滑程度是相当高的。如果用于矫正屈光和消除象差的手术，提高角膜手术面的光滑程度，在一定程度上可以减小手术后视力回退的后遗症。

附图说明

下面结合实施例对本发明作进一步的描述：

图1为角膜曲率变化对屈光率影响的示意图；

图2为本实用新型的工作流程图；

图3为角膜上的扫描区域示意图；

图4为角膜组织消融区域示意图；

图5为激光脉冲片层划分示意图；

图6为激光脉冲片层之间的定点叠加位置关系示意图；

图7为激光脉冲片层之间的错层叠加位置关系示意图。

其中：1计算机装置；2激光脉冲装置；3聚焦装置；4X向扫描；5Y向扫描器；6角膜。

具体实施方式

实施例：一种激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，包括下列步骤：

第一阶段：计算机装置产生随机分层点的位置信息。

在计算机装置(1)的存储器中，存储角膜屈光手术过程中被消融的角膜表面上的所有位置的完备信息。

图4为角膜组织消融区域的示意图，根据个体的情况不同，消融区的形状和大小有所不同。

由于每个脉冲的消融深度有限，将所需消融的角膜组织，按片层分开。

图5为激光脉冲片层划分方法。按照激光脉冲在同一层内的排列方式(决定于ΔX，ΔY)决定每层的消融厚度，从而将整个角膜的消融组织划分层若干层。

每层激光脉冲的位置，两个脉冲点的X向的距离是ΔX，Y向的距离是ΔY。ΔX与ΔY的大小与激光脉冲光斑的形状、大小、激光的能量密度有关，每层的深度与激光光斑的形状、大小、单个脉冲的消融深度、光斑的叠加方式有关，可以通过理论计算和实验取得：

将沿z轴方向传播的高斯光束解析表达式描述如下[i]：

$\mathrm{\ζ}(r,z)=\frac{A_0{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}{e}^{{-r}^2/{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}{e}^{-i\left\{k\right[\frac{r^2}{2R\left(z\right)}+z]-\mathrm{\Ψ}\}}---\left(1\right)$

z轴坐标原点设在光束的腰处。ω₀为高斯光束的腰斑半径。式中R(z)，ω(z)——分别表示z坐标处高斯光束的等相位面曲率半径及等相位面上的光斑半径。高斯光束在任一z轴坐标处，其横向振幅分布为高斯分布，光斑半径随z坐标而变，即 $\mathrm{\ω}\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1+{\left(\frac{z}{z_0}\right)}^2};$ 沿高斯光束轴线每一点处的等相位面都可以视为球面，曲率半径也随z坐标而变，即 $R\left(z\right)=z_0(\frac{z}{z_0}+\frac{z_0}{z});$ $\mathrm{\Ψ}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{z}{z_0}$ 为高斯光束相位因子。此公式完整描述了高斯光斑大小与光斑内各点的能量密度分布及各点的相位。

在角膜的切削过程中，高斯光斑内各点的切削量与能量密度有关，相位部分对角膜的切削量几乎不产生任何影响。因此，基模高斯光束能量密度表达式简化为：

$E_0\left(r\right)=E_p{e}^{{-2r}^2/{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}---\left(2\right)$

其中，E_p为峰值能量密度。

在我们的系统中采用固定光斑大小，对此，给定Z值，可进一步简化高斯光束能量密度表达式：

$E_0\left(r\right)=E_p{e}^{-\frac{{2r}^2}{r_0^2}}---\left(3\right)$

根据参考文献[ii]，激光的蚀除深度与入射激光强度的关系表示为：

$d=\frac{1}{\mathrm{\α}}\ln \frac{E_0}{E_{\mathrm{ph}}}---\left(4\right)$

其中d为蚀除深度(μm)，E₀为入射激光能量密度(mJ/cm²)，E_ph为临界切削能量密度(阈值)；α为角膜能量吸收系数(μm^-1)。

在峰值能量密度E_p处产生最大切削量 E_p＝E_ph时，无切削量；若给定E_p＝e²E_ph，则在r＝r₀处切削量为零。

将公式(3)代入公式(4)得到

$d\left(r\right)=\frac{1}{\mathrm{\α}}[-2\left(\frac{r^2}{r_0^2}\right)+\ln \frac{E_p}{E_{\mathrm{ph}}}]---\left(5\right)$

公式(5)描述了单脉冲高斯光束切削角膜轮廓的数学描述。

当 $-2\left(\frac{r^2}{r_0^2}\right)+\ln \frac{E_p}{E_{\mathrm{ph}}}=0,$ 即 ${\frac{r}{r_0}}_{=}\±\sqrt{\frac{1}{2}\ln \frac{E_p}{E_{\mathrm{ph}}}}$ 时，切削深度为零，

例如，采用的激光能量为每个脉冲的能量13mJ，实际衰减后激光到达角膜的能量为2～3mJ，光斑近似1.2mm的正方形，因此能量密度Ep＝130～200mJ/cm²，角膜的吸收系数为大约介于3.7～3.99μm^-1之间[iii]，临界切削能量密度为40mJ/cm²～60mJ/cm²[iv]。因而根据公式(4)理论可以得到，单个激光脉冲角膜切削量应在0.18μm～0.43μm。经过实验，一种激光器的单个激光脉冲角膜切削量为0.22μm。

假如激光器发射的准分子激光经光学系统变换后到达角膜表面的矩形光斑直径d为0.9mm，光斑行间距ΔX和列间距ΔY都为0.3mm，这样就可以确定总脉冲的数目以及每个脉冲的坐标位置。由于每个激光脉冲消融的角膜体积是一定的，消融的角膜厚度也是一定的。每个激光脉冲消融的角膜厚度为0.22um，由前面知道行间距和列间距都为0.4mm，则每层扫描后对同一位置准分子激光消融了9次((0.9/0.3)²)，则每层实际计算时消融的角膜厚度为0.22×9＝1.98um。

图6、图7表示片层之间的位置关系。激光脉冲消融角膜组织的扫描方法包括片层和片层之间的随机错位，以避免片层与片层之间定点消融引起较大的粗造度，引起角膜组织的不光滑。

层与层之间的光斑的位置，除了范围不同外，层层之间的X、Y双向是随机错位的，这样在多层叠加后，不在同一的位置进行叠加，而是错层叠加，波动较小，保证了角膜表面的光滑性。

第二阶段：计算机装置根据第一阶段随机分层点的位置信息后，从中抽取点发射出激光脉冲扫描到角膜组织上。

抽点的方法包含如下几种：

(1)在第一阶段计算出的全部激光脉冲数据点中，在保证不重复抽取的条件下，任意随机抽取其中的数据点，直到全部数据点遍历完毕。

(2)在第一阶段计算出的全部激光脉冲数据点中，间隔N点(例如10)抽取一个点，不断循环，直到全部数据点遍历完毕。

为了不使得准分子激光能量过于集中，可以将全部激光脉冲数据点分为N个数组，这里假设N为10，每个数组中选点规则为：每个数组中选定一个点后，再间隔10个点选一个。具体每个数组中点的顺序为：

数组1：0，10，20，30，40，50，60，70，……，4990，5000

数组2：1，11，21，31，41，51，61，71，……，4991，5001

数组10：9，19，29，39，49，59，69，79，……，4999，5009

准分子激光扫描时则是一个一个数组扫描，扫描完一个数组再扫描另外一个数组，扫描点的顺序相当于0，10，20，30，……，4990，5000，1，11，21，31，……，4991，5001，2，12，22，32，……，4999，5009。这样就能保证激光能量不会过于集中，能使切削后的角膜表面比较光滑。

(3)在方法(1)的基础上，加上考虑当前抽到的点，与前面的若干点不在激光光斑范围之内，至于与前面的几个点避开，则根据激光脉冲的发射频率和消融热效应的冷却时间而定。

具体实现方法如下：

由于采用的激光光斑直径为D，要使得连续两点间隔开，必须使得连续两点之间的间距大于D，知道了每个点的坐标，设连续两点坐标分别为：(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，扫描完第一点，则第二点与第一点间距为 $d=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}>D,$ 依次类推，连续两点不会出现激光光斑的范围内，可以保证角膜热迟豫时间，使得相互之间不会出现干扰现象。

(4)分层抽点，在第一阶段计算出的全部激光脉冲数据点，含有片层的信息，分层的方法包括随机遍历每层、按顺序遍历每层。而每层中数据点的抽取可以通过上述(1)、(2)、(3)的方法进行。

实现上述扫描方法的激光脉冲消融角膜组织扫描装置，包括计算机装置(1)和激光脉冲装置(2)，激光脉冲装置(2)将产生的激光束通过聚焦装置(3)变换脉冲后引入X向扫描(4)和Y向扫描器(5)，X向扫描(4)和Y向扫描器(5)按照一定的扫描轨迹将变换后的脉冲扫描角膜组织表面，从而消融角膜组织，计算机装置(1)产生激光脉冲的位置信息控制X向扫描器(4)和Y向扫描器(5)按照扫描轨迹扫描角膜组织表面，并使激光脉冲装置(2)和X向扫描器(4)和Y向扫描器(5)同步工作。

参考文献：

i.LU Baida，Laser optics-Laser Beam Propagation and Beam QualityControl[M]，Cheng Du:Si Chuan University Publishing House 1992：60-64

ii.Markolf H.Niemz著，张镇西等译。Laser-Tissue Interactions：Fundamentals and Applications，激光与生物组织的相互作用-原理及应用[M].成都：西安交通大学出版社，1999：75

iii.G.H.Pettit and M.N.Ediger，Corneal-tissue absorptioncoefficientsfor 193-and 213-nm ultraviolet radiation[J]，Appl.Opt.，1996，35(19)：3386-3391.

iv.George H.Pettit.Excimer laser ablaion of the cornea[J].OpticalEngineering.，1995，34(3)：661-667

Claims (10)

1.一种激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，包括下列步骤：

(1)在计算机装置的存储器中，存储角膜屈光手术过程中被消融的角膜表面上的所有位置的完备信息；

(2)划分激光脉冲片层：按照激光脉冲光斑在同一层内的排列方式来决定每层的消融厚度，排列方式决定于两个脉冲点的X向距离ΔX和Y向距离ΔY，从而将整个角膜的消融组织划分成若干层；

(3)确定激光脉冲光斑位置：每层激光脉冲光斑的位置由两个脉冲点的X向距离ΔX和Y向距离ΔY决定，层与层之间的光斑位置于X、Y双向随机错位；

(4)计算机装置根据随机分层点的位置信息，从中抽取点并发射出激光脉冲扫描到角膜组织上。

2.根据权利要求1所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：步骤(2)中每层片层的深度由激光脉冲光斑的形状、大小、单个脉冲的消融深度、光斑的叠加方式决定。

3.根据权利要求1所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：步骤(3)中ΔX与ΔY的大小由激光脉冲光斑的形状、大小、激光的能量密度决定。

4.根据权利要求1所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：步骤(4)在激光脉冲数据点中，不重复地随机抽取其中的数据点，直到全部数据点遍历完毕。

5.根据权利要求1所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：步骤(4)在激光脉冲数据点中，每间隔N点抽取一个点，不断循环，直到全部数据点遍历完毕。

6.根据权利要求1所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：步骤(4)在激光脉冲数据点中，避开前若干个点的位置抽取当前的数据点，直到全部数据点遍历完毕。

7.根据权利要求1所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：步骤(4)将激光脉冲数据点分成N个数组，每个数组中前点与后点间隔为N，扫描完一个数再扫另一个数组，直到全部数据点遍历完毕。

8.根据权利要求4或5或6或7所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：所述激光脉冲数据点为全部激光脉冲数据点。

9.根据权利要求4或5或6或7所述的激光脉冲消融角膜组织的分层扫描方法，其特征在于：所述激光脉冲数据点为每层激光脉冲数据点，即分层抽点法。

10.一种如上所述的激光脉冲消融角膜组织的扫描装置，其特征在于：该装置包括计算机装置(1)和激光脉冲装置(2)，激光脉冲装置(2)将产生的激光束通过聚焦装置(3)变换脉冲后引入X向扫描(4)和Y向扫描器(5)，X向扫描(4)和Y向扫描器(5)按照一定的扫描轨迹将变换后的脉冲扫描角膜组织表面，从而消融角膜组织，计算机装置(1)产生激光脉冲的位置信息控制X向扫描器(4)和Y向扫描器(5)按照扫描轨迹扫描角膜组织表面，并使激光脉冲装置(2)和X向扫描器(4)和Y向扫描器(5)同步工作。

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