CN1674840A - 用于在角膜移植中进行非机械的三维环钻的基于激光的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在角膜移植中进行非机械的三维环钻的基于激光的装置，它包括一个带有至少一个控制计算机(5、6、7)和至少一个显示单元(8、9)的计算机辅助的控制和调整单元(4)；一个用于产生一工作激光束(3)的激光源(2)；以及，一个多传感器处理头(1)，该处理头中集成有：一个轴向光束引导装置(11)，所述工作激光束(3)可接入所述光束引导装置；一个用于调整所述工作激光束(3)的焦点(13)的z－位置的焦点跟踪单元(12)；一个用于调整工作激光束(3)的x－y位置的x－y扫描单元(14、15)；一个用于检测眼睛位置的眼睛位置传感器单元(23、24、25、26)；和一个用于检测在角膜环钻时出现的原生质发光的原生质传感器单元(16、25)。

Description

用于在角膜移植中进行非机械的三维环钻的基于激光的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在角膜移植中进行非机械的三维环钻(trepanation)的基于激光的装置。这种装置应该特别用于切割自密封和自固定的用于角膜移植的组织小切片以及用于制备与角膜后表面(PLK)和前表面(板层角膜移植术)邻接的或位于角膜内部的角膜板层(cornealamellae)。
背景技术
下面结合用于获得捐献者-接收者角膜的装置对角膜移植中的眼科手术的现有技术进行简短的说明：
常规的植入技术是一种借助Keratom或圆形解剖刀的机械的环钻法。在进行角膜移植时，从捐献者(的眼中)取出一个直径约为7-8mm的小切片，并对于接受者将该小切片放置在同等的部位并进行缝合。
机械的方案的应用最为广泛，但这种方法的缺点是，只能垂直于组织得到圆形的切口，并且在获得角膜小切片时必须施加压力，这会造成机械变形和切割的不均匀性。这种压力和缝合植入物时保持缝合线的拉力通常会造成持续的组织应力并接下来会造成只有利用眼镜或隐性眼镜才能很困难地矫正的视觉失真/扭曲。
这种装置不具有任何传感器或位置反馈装置。所获得的植入物在精确限定的和可重复的切口几何形状上和光滑的切割面(边缘)上的质量只是唯一地取决于手术医生，即一系列的偶然影响因素都会影响到手术结果。
非机械式环钻法是基于激光的，并是利用一准分子激光器或钼：YAG激光器工作的，但目前应用不广。这种方法可避免机械变形，但存在这样的危险，即能量较大的激光束会加热切割区域并在这里造成热损伤。在这种方法中还可以相对于表面以几乎任何角度实现平直的切口，而且利用系统技术还不会产生底切/沉割。
这种系统通常配备有一个传感器和连接在后面的图像处理跟踪系统，所述跟踪系统可测量待处理物体频率上达200Hz的运动并可以大于5ms的反应时间跟踪处理部位。从而可对目前市场上可获得的激光器进行充分的重定位。
对于PLK法，与角膜移植相类似地，从患者的角膜中切出一个小切片以除去角膜后表面上的受损板层，随后由该小切片制备出一后板层。接下来代替除去的体积元在小切片的后面上放置并缝合一个植入物，再将带有植入物的整个小切片重新缝合到患者的伤口处。
对于已印刷出版的现有技术可参考各种出版物。US 2001/0010003 A1就公开了一种用于角膜手术的方法和装置，其中采用了具有较浅的切割深度的短的激光脉冲。这里所述装置具有，用于角膜处理的处理系统的各种基本构件，如一个计算机辅助的中央控制处理单元、一个相应的激光源和一个用于工作激光束的光束引导装置。通过一个可控制的激光扫描系统将每个脉冲引导至期望的位置，其中这样分配激光脉冲和施加到角膜表面的能量，以在一个规定的区域内控制表面的粗糙度。此外还设有一个激光强度传感器和一个用于激光强度的调整装置，从而可以在手术中保持恒定的能量水平。手术中眼睛的运动也会通过一个光束位置补偿装置进行校正，为此设有一个用于眼睛的位置识别系统。
根据前述文献的系统有这样的问题，即不能对工作激光束的切割深度进行精确和灵敏的监控。这对于以前已知的主要基于表层角膜切割目的的装置来说不是特别重要的参数。但对于如在环钻中进行的角膜完全分离，这个问题却很重要。
此外还应指出，该现有技术文献尽管给出了激光辅助的眼科手术系统的基本结构，这种系统由于其复杂的结构形式目前只是作为光具座上的实验设备来实现的。这种系统不适于广泛地投入实际使用。
其它示出激光辅助的眼科手术系统的文献还有US 6325792 B1和US5984916 A。
还可以参考其它现有技术作为背景技术。如DE 19932477 C2给出了一种用于对眼睛实施光线疗法的装置，特别是用于对眼底的确定部位进行光凝固。其中通过将由于激光照射造成的材料变化引起的声学或光学信号从只包含材料特性信息的所谓的热弹性信号中分离出来。为了产生可分析处理的测量信号，还说明了化学反应、切除术、纤维转变以及原生质形成等。
EP 0572435 B1公开了一种用于外路(ab externo)巩膜造口术的装置，其中通过一个光导向装置将一激光束导入眼中。在处理中使直接位于光导向装置端部前面的材料蒸发并形成气泡或原生质/等离子泡(plasmabubble)。所述泡在一确定时间后破裂并由新的液体或新的材料取代。所述泡的破裂时间是区别光导向装置端部是否位于眼房内的标准。由此可对在组织和液体直接的分界层区域内的处理进行监控。
发明内容
因此本发明的目的是，这样改进一基于激光的环钻装置，以利用一紧凑的易于操纵的手术系统可在角膜区域实现高精度的环钻结果。本发明的目的特别是，开发一种集成有一传感器的系统技术，该技术使得可形成三维的切口几何形状，利用这种几何形状可尽可能最好地使用自密封的和自固定(self-anchoring)的植入物。
根据权利要求1的特征部分，这样来实现所述目的，即设置一个多传感器处理头作为所述基于激光的环钻装置的核心部分，在所述处理头内集成有相关的光束引导部件和传感器单元。相应地，所述多传感器处理头具有：
-一个轴向光束引导装置，可在该引导装置中接入工作激光束，
-一个用于调整工作激光束的焦点的z-位置的焦点跟踪装置，
-一个用于调整工作激光束的x-y-位置的x-y-扫描单元，
-一个用于测量眼睛位置的眼睛位置传感器单元，和
-一个用来监测在角膜环钻中出现的原生质(plasma)发光的原生质
传感器单元。
各从属权利要求说明了所述环钻装置的有利的改进方案，为了避免重复，所述改进方案相应的功能和优点将借助对实施例的说明进行详细解释。
总之可以确定，根据本发明的环钻装置具有一激光辅助的处理头，所述处理头可设有多个用于识别待处理物体的位置、离物体距离的测量装置、原生质和焦点位置识别的传感器，激光功率调整装置以及多个直线(运动)和翻转轴线，并由此使得可实现高精度的具有位置反馈功能的三维组织环钻。利用传感器头可形成对接受者和捐献者的组织(接受者和捐献者的角膜)进行精确匹配(锁-钥匙原理)的沉割，所述沉割由于其几何结构或由于从内侧作用的眼压的支承具有自密封功能。也可这样将捐献者的角膜固定在接受者的角膜内，以使得事后对捐献者的小切片的缝合只在有限的程度上是必要的，或者甚至可以完全取消缝合。此外还可以通过在角膜后面上的聚焦和在切口轮廓上进行焦点跟踪来沿一平面去除受损的区域或体积单元。分离的体积单元可通过一个在真皮中形成的切口取出，同时还可通过所述切口置入并自附着地集成一同质的或人造的体积单元。
附图说明
由下面参考附图详细解释实施例的说明可得到本发明的其它特征、优点和细节。其中：
图1示出一基于激光的环钻装置的系统示意图，
图2和3示出在一第一应用场合中穿过接受者/捐献者角膜的一示意性切口的放大图，
图4和5示出在一第二应用场合中穿过接受者/捐献者角膜的一示意性切口，
图6示出在一第三应用场合中接受者/捐献者角膜的俯视图，和
图7示出角膜在图6中线VII-VII上的径向剖视图。
具体实施方式
图1中所示的基于激光的环钻装置的整个系统具有一个整体上用1表示的多传感器处理头作为核心部分，所述处理头配设有一个用于产生一工作激光束3的激光源2和一个整体上用4表示的控制和调整单元。如下面还要详细说明的那样，所述控制和调整单元具有三个的控制计算机5、6、7以及两个显示器8、9，所述显示器例如采用常见的监视器形式。
下面将详细说明多传感器处理头。通过一个折射棱镜10将工作激光束3接入确定所述多传感器处理头1的光轴的光束引导装置11。这里光束引导装置11与所述折射棱镜10相对的端部设有一个焦点跟踪单元12，所述焦点跟踪单元在沿光束引导装置11的方向延伸的z-方向上这样限定的z-位置上调节工作激光束3的焦点13。
一个两级的x-y扫描单元进行工作激光束3的x-y-位置的调整，所述x-y扫描单元由一个位于光束引导装置11的接入端部上的粗调单元14和一个位于光束引导装置11待处理物体侧的端部上的精调单元15组成。
所述多传感器处理头还配设有另外的照射单元，即首先配设有一个调整激光器7，所述激光器通过一个可在x-y-z方向上定位的折射棱镜8同轴地接入光束引导装置11的光轴。调整激光器17发射处于肉眼可见的波长范围的光线，并用于使手术者可对多传感器处理头1进行粗定位。所述用于棱镜18的调整单元具有5mm的工作范围，同时其定位精度为+/-0.1mm。
此外还设有一个红外线照射单元19，其红外光束20同样通过一个可沿x-y-z方向调整的折射棱镜21“同轴地”接入光束引导装置11。该红外线照射单元用于对瞳孔进行高对比度的照明，这会带来下面说明的优点。例如红外激光二极管可用于所述红外线照射单元19，其中通过调整电流和电压可实现照度的变化。
在所述多传感器处理头1中还集成有各种照相机和传感器单元，为了清楚起见这里只列出所述照相机和传感器单元并在后面还将对其进行详细说明。在粗调单元14后面设有一个激光功率传感器22。其后在光束引导装置11中设置两个形成眼睛位置传感器单元一部分的CCD线扫描照相机23、24。所述CCD线扫描照相机23、24联机地确定瞳孔的位置或设置在眼睛的角膜或真皮上的专门用于手术的标志的位置。所述照相机包括两个红外线敏感的高速线扫描照相机，其扫描线的走向相互垂直设置并接合在一光束路径中。所述照相机具有在约为20-25mm大小的眼睛图像局部上8192像素的分辨率。由此得到的位置误差小于10μm。照相机每秒钟提供超过250线，所述线被实时地处理，从而在手术中可监测眼睛的所有本能运动，包括快速的眼急动(Sakkade)。数据通过RS422接口或CameraLink接口输入起定位计算机作用的计算机单元6。
通过所述计算机6处理照相机的数据，并利用当今的数码图像分析方法提取出眼睛在x-y平面内的位置。此时在虹膜和瞳孔之间采用由红外线照射单元19产生的类似强度的对比度。通过红外线照射在视网膜上的反向散射，瞳孔在照相机23、24的扫描线数据中比虹膜明显要亮并且界限清晰。在线扫描照相机23、24的物镜前面的针对红外线照射调谐的滤波器防止环境光对测量结果的影响，并保证虹膜和瞳孔之间的足够对比度，以可靠地检测结构。将由此确定的位置数据传送给计算机，并在位置变化的情况下将其用于光束位置的修正。
替代所述的原生质传感器16或附加地也可设有一个CCD面扫描照相机25，以借助当今的数码图像处理方法检测和分析原生质的质量。在上述激光接入组织时原生质发光，但不在水中，特别不在角膜内皮后面的眼房水中发光。由此可确定工作激光束3的焦点13是位于前房中还是位于角膜组织中。这对于在穿透式的角膜环钻中监控角膜板层的完全分离是重要的。利用CCD面扫描照相机25以定位解算地检测原生质发光。对比具有和不具有原生质发光的图像可以得出组织是否完全分离的结论。如果没有完全环钻，和此前一样可以看到原生质发光，激光束重新接入该位置，并分离保持连接的组织残存部。当不再检测到原生质发光时，组织已完全分离，切割过程停止。
照相机25每秒钟可提供超过250幅分辨率为768×560像素的图像，并将所获得的图像数据输送给计算机7，所述计算机作为控制计算机进行处理，并根据瞳孔轮廓和由原生质检测得到的数据对激光器进行控制。在照相机前面设有一个针对角膜组织的原生质发光调谐的滤波器。如果不需要在位置分辨率上确定原生质发光，则只需使用原生质传感器16。
如上面已经说明的那样，一方面通过包括一x-轴预定位单元26和一y-轴预定位单元27的粗调单元14对工作激光束3在其x-y位置上进行控制。所述两个预定位单元26、27可以是安装在相应轴上的折射镜，其中两个预定位单元可包括两个直线(运动)轴线、一个直线(运动)轴和一个翻转轴线、两个翻转轴线、或者也可包括两个转动轴线。所述轴线的定位精度约为+/-0.1mm。在可借助于进入光束引导装置11的调整激光器17的光束完成的粗调之后，将所述轴线锁止，以防止在精调或眼睛测量时出现无意的误调。
此外，CCD面扫描照相机25的图像数据还用于测量瞳孔的轮廓。在环钻过程开始时，借助于计算机7上的边缘检测过滤器确定瞳孔的轮廓。所述轮廓数据用于瞳孔在x-y面内的位置计算，以补偿相对于瞳孔理想的圆形形状的偏差。
所述激光功率传感器22在处理时测量激光功率以实现最佳的处理结果，并由此使得可实现功率调整。为此可同一个同轴地安装在光束引导装置11中的分离透镜28将约1-5％的激光功率分离出来，并利用传感器22对其进行检测。由此获得的信号用作工作激光束3的实时功率调整的调整参数，并用于统计目的。为此激光功率传感器22通过一个相应的接口与中央控制计算机5相连。
同样通过分离透镜29至31向已经提及的CCD线扫描照相机23、24和可选的原生质传感器16提供来自光束引导装置11的相应信号。
在进一步的光束引导过程中，沿朝向处理部位的方向在光束引导装置11中接入一个手术显微镜32，利用该显微镜手术者可用常规的方式观察并监控环钻过程。
上述精调单元15原则上可采用嵌套的具有有限的动态的单轴或多轴的转动轴(例如电势扫描仪)或压电致动器(带平移的直线轴或倾斜轴)作为具有极高动态的系统或采用两者的组合用于利用镜或棱镜折射光束。由于对于根据本发明的应用场合只需要覆盖较小的工作区域，接入光束路径的镜翻转系统33、34中使用了压电驱动装置，所述镜翻转系统使光束3偏转以在x-y面内进行精处理，叠置的压电致动器用于提供必要的对于压电致动器较高的+/-2°的翻转角度。其它的标准有超过1kHz的高谐振频率、在0.04％的再现性时的0.1％的高位置精度以及倾斜轴在定位区域内极高的直线度。
所述多传感器处理头1在其下端还设有另外两个激光距离传感器35、36，其中一个确定到角膜中心的距离，而另一个测量角膜边缘区域内一点的距离。激光距离传感器利用一较弱的处于红外区域(约810-1200nm)激光束例如按照三角测量原理工作。两个传感器35、36都以一1kHz的输出序列频率提供到角膜的距离测量值。借助中央控制计算机5由所述两个距离值确定眼睛相对于处理头1的位置。所述传感器的精度约为10mm。借助于由位置确定系统得出在x-y面内的测量值和所述两个距离传感器35、36的测量值，位置确定计算机6确定眼睛沿三个空间方向的位置。此时如果存在此前侧得的关于角膜形状和角膜厚度的数据，则使用所述数据。如果不存在所述形状数据，则假设角膜的边界面的几何形状为球形表面，以便于建立模型。
所述中央计算机5实现系统的焦点跟踪。原则上可采用两种系统技术，即借助于自适应光学装置进行焦点跟踪或通过移动一焦阑/远心的聚焦透镜进行焦点跟踪。所述自适应光学装置可设计成透过式元件(借助透镜)或反射元件(借助镜子)。两种系统的特征在于，通过对透镜或镜子作用压力改变透镜或镜子的曲率，并由此造成焦点的偏移。本发明优选采用通过移动一远心的聚焦透镜37进行的焦距跟踪。此时与精调单元15的镜翻转系统33、34的位置无关地这样移动可在z平面内移动地设置的具有固定焦距的透镜37，以使激光源的焦点在空间内扫描一预定的曲线。
如翻转系统33、34的聚焦透镜的控制装置可设有未详细示出的位置反馈输出装置，以对所述部件进行位置控制。
此外以修正的方式将借助位置确定系统23、24和位置传感器35、36获得眼睛位置用于控制过程中。在焦点跟踪时反馈扫描单元的每个镜轴线的位置，并由中央控制计算机5监控并在必要时修正所述位置。
开头所述的显示器8、9包括一个与所述中央控制计算机5相连的监视器8，所述监视器显示计划、监控和模拟的图像和数据。
第二显示器9与和所述CCD面扫描照相机25相连的控制计算机7相连，并可显示实时图像或眼睛的位置。
利用所述环钻系统可除去角膜的后板层，而不必临时地完全除去患者的一小片角膜。只要求在患者眼睛的真皮上形成一个附加的相当于一白内障切口的切口，可通过该切口将所述板层取出或装入并调整植入物。
对于这种技术特别要求高精度的传感器和激光控制装置。为了可切割不同厚度的板层，在激光器具有极短的轴长度(Taillenlaenge)的情况下，必须精确地限定和控制焦点的位置。
总之，利用现有技术的系统无法这样切割角膜中的自密封和自固定的结构，以便可大大减少接下来的移植物的缝合工作甚至完全取消缝合。此外利用以前的系统无法以较低的花费实现分层地对角膜后面进行处理，而不必损伤角膜的前面。
根据图2至7详细说明根据本发明的环钻装置的应用。图2和3示出眼睛的角膜区域38的径向局部剖视图，其中保留的接受者角膜39在其边缘上具有锯齿形的(图2)或隆起状的(图3)凸起40，所述凸起与在捐献者角膜41中反向形成的相应的凹陷部42相对应。如两个图中所示的那样，整个结构在一个穿过角膜厚度的约为45°的角度w上延伸，从而通过眼内压p(见图2和3中的箭头)凸起40和凹陷部42之间的齿形部相互推合并由此实现一种平密封形式的密封作用，同时与此相关联地形成一种自固定作用。
在图4和5中示出与图2和3相类似的剖视图，其中接受者角膜39中的一个较大的环绕的槽43接纳捐献者角膜41上一个相应的连接凸起部44。在所述槽上形成有密封唇口45，所述密封唇口又通过眼内压p提供密封。
在图6和7中又示出捐献这角膜41形式的植入物的一个自固定的几何形状。为此形成接受者和捐献者角膜39、41的形锁合的沉割连接，即通过形成一径向齿部或通过捐献者角膜41和接受者角膜39上的径向连接凸起46和相应的槽47形成所述连接。所述连接凸起还起接受者角膜39种的植入物41的转动位置的标志的作用。

Claims (14)

1.用于在角膜移植中进行非机械的三维环钻的基于激光的装置，包括
-一个带有至少一个控制计算机(5、6、7)和至少一个显示单元(8、9)的计算机辅助的控制和调整单元(4)；
-一个用于产生一工作激光束(3)的激光源(2)；
其特征在于，
-一个多传感器处理头(1)，该处理头中集成有：
-一个轴向光束引导装置(11)，所述工作激光束(3)可接入所述光束引导装置，
-一个用于调整所述工作激光束(3)的焦点(13)的z-位置的焦点跟踪单元(12)，
-一个用于调整工作激光束(3)的x-y位置的x-y扫描单元(14、15)，
-一个用于检测眼睛位置的眼睛位置传感器单元(23、24、25、26)，和
-一个用于检测在角膜环钻时出现的原生质发光的原生质传感器单元(16、25)。
2.按权利要求1所述的环钻装置，其特征为：一个调整激光器(17)，所述激光器的可见调整光束通过一个可在x-y-z方向上定位的折射棱镜(18)接入所述轴向光束引导装置(11)。
3.按权利要求1或2所述的环钻装置，其特征为：设有一个红外线照射单元(19)，其红外线光束(20)通过一个可在x-y方向上定位的折射棱镜(21)接入所述轴向光束引导装置(11)。
4.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：所述焦点跟踪单元(12)具有一个自适应光学装置或一个可移动的远心的聚焦透镜(37)。
5.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：所述x-y扫描单元具有一个具有两个调整轴(26、27)的粗调单元(14)和一个最好具有压电驱动的翻转镜子(33、34)的精调单元(15)。
6.按权利要求4和5所述的环钻装置，其特征为：所述x-y扫描单元(14、15)和焦点跟踪单元(12)具有位置反馈输出，所述位置反馈输出与所述控制和调整单元(4)相连以控制所述工作激光束(3)的焦点(13)的实际x-y-z位置。
7.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：所述眼睛位置传感器单元具有两个扫描线方向相互垂直的CCD线扫描照相机(23、24)。
8.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：所述眼睛位置传感器单元具有两个激光位置传感器(35、36)，其中一个激光位置传感器确定该激光位置传感器到待处理角膜的中心的位置，而另一个激光位置传感器确定该激光位置传感器到角膜的一个边缘点的距离。
9.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：所述原生质传感器单元由一个用于定位解算地检测原生质发光的CCD面扫描照相机(25)或一个原生质传感器(16)形成。
10.按权利要求9所述的环钻装置，其特征为：所述CCD面扫描照相机(25)的图像数据可用于确定待处置眼睛的瞳孔轮廓。
11.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：在所述多传感器处理头(1)中设有一个激光功率传感器(22)。
12.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：在所述多传感器处理头(1)中集成一个手术显微镜(32)。
13.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：所述控制和调整单元(4)具有一个中央计算机(5)、一个与所述CCD线扫描照相机(23、24)和所述红外线照射单元(19)相连的位置确定计算机(6)和一个与所述CCD面扫描照相机(25)相连的控制计算机(7)。
14.按前述权利要求中任一项所述的环钻装置，其特征为：所述显示单元具有多个用于以原生质发光显示待处置眼睛的实时图像和用于显示计划、监控和模拟的图像和数据的显示器(8、9)。
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