DE102021127399A1

DE102021127399A1 - Verfahren zum Bereitstellen von Steuerdaten einer Laservorrichtung für die zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur

Info

Publication number: DE102021127399A1
Application number: DE102021127399.4A
Authority: DE
Inventors: Pascal Naubereit; Samuel Arba Mosquera
Original assignee: Schwind Eye Tech Solutions GmbH
Current assignee: Schwind Eye Tech Solutions GmbH
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-04-27
Also published as: CN115998520A; US20230130789A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Steuerdaten einer Laservorrichtung (10) für die zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur (14). Das Verfahren umfasst als Schritte ein Ermitteln (S10) eines jeweiligen Bestrahlungsparameterbereichs für vorgegebene Bestrahlungsparameter der Laservorrichtung (10) mittels eines Bestrahlungsmodells, wobei in dem Bestrahlungsmodell ein Eigenschaftsänderungsmodell bereitgestellt wird, in dem eine verursachte Eigenschaftsänderung der Polymerstruktur (14) in Abhängigkeit von den Bestrahlungsparametern modelliert wird, wobei in dem Bestrahlungsmodell ein Zerstörungsschwellenwertmodell bereitgestellt wird, in dem zumindest ein Schwellenwert für einen laserinduzierten optischen Durchbruch der Polymerstruktur in Abhängigkeit von den Bestrahlungsparametern modelliert wird, und wobei zur Ermittlung der Bestrahlungsparameterbereiche die verursachte Eigenschaftsänderung aus dem Eigenschaftsänderungsmodell unter Begrenzung durch den Schwellenwert aus den Zerstörungsschwellenwertmodell optimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Steuerdaten einer Laservorrichtung für die zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur, eine Laservorrichtung mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen, sowie ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium.
Verfahren für eine nicht-chirurgische beziehungsweise zerstörungsfreie Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur sind in der Ophthalmologie bekannt. Hierzu zählt beispielsweise die laserinduzierte Brechungsindexänderung („Laser induced refractive index change“, LIRIC), bei der mittels Lasereinstrahlung die Polymerstruktur eines künstlichen oder biologischen Gewebes derart verändert wird, dass eine Phasenänderung des durchtretenden Lichts und somit eine Brechungsindexänderung zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten erreicht werden kann. Mit zerstörungsfrei ist gemeint, dass die makroskopische Form der Polymerstruktur, beispielsweise einer Hornhaut oder einer künstlichen Linse, nicht verändert wird. Das heißt, es wird kein Lentikel aus der Polymerstruktur herausgeschnitten, um die Brechungsindexänderung zu erreichen. Daher kann dieses Verfahren auch als nicht-chirurgisch bezeichnet werden. Ein weiteres beispielhaftes Verfahren für eine zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung ist das sogenannte „cross-linking“-Verfahren, bei dem eine Quervernetzung der Polymerstruktur mittels Lasereinstrahlung erzeugt wird, was eine mechanische Stabilität erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bestrahlungsparameterbereiche für eine zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Computerprogramm gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche, die Beschreibung und die Figuren angegeben.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass für die Bestimmung der Bestrahlungsparameterbereiche ein Bestrahlungsmodell erstellt wird, bei dem die Eigenschaftsänderung in Abhängigkeit der Bestrahlungsparameter modelliert wird, wobei die Bestrahlungsparameter durch einen jeweiligen Schwellenwert begrenzt werden, der von einem weiteren Modell erhalten wird, zum Beispiel ein thermisches Modell und/oder ein Modell, das einen optischen Durchbruch modelliert.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Steuerdaten einer Laservorrichtung für die zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur. Das Verfahren kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung beziehungsweise von einer Recheneinrichtung durchgeführt werden. Unter einer Steuereinrichtung kann ein Gerät, eine Gerätekomponente oder eine Gerätegruppe verstanden werden, das/die zum Empfangen und Auswerten von Signalen ausgestaltet und eingerichtet ist, sowie zum Erzeugen von Steuersignalen. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel als Steuergerät oder Steuerchip oder Computerprogramm ausgestaltet sein. Als Schritte umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines jeweiligen Bestrahlungsparameterbereichs für vorgegebene Bestrahlungsparameter der Laservorrichtung mittels eines Bestrahlungsmodells, wobei in dem Bestrahlungsmodell ein Eigenschaftsänderungsmodell bereitgestellt wird, in dem eine verursachte Eigenschaftsänderung der Polymerstruktur in Abhängigkeit von den Bestrahlungsparametern modelliert wird, wobei in dem Bestrahlungsmodell ein Zerstörungsschwellenmodell bereitgestellt wird, in dem zumindest ein Schwellenwert für eine laserinduzierte Schädigung der Polymerstruktur in Abhängigkeit von den Bestrahlungsparametern modelliert wird, und wobei zur Ermittlung der Bestrahlungsparameterbereiche die verursachte Eigenschaftsänderung aus dem Eigenschaftsänderungsmodell unter Begrenzung durch den Schwellenwert aus dem Zerstörungsschwellenwertmodell berechnet beziehungsweise optimiert wird. Schließlich können die Steuerdaten für die Laservorrichtung bereitgestellt werden, wobei die Steuerdaten die ermittelten Bestrahlungsparameterbereiche umfassen.
Mit anderen Worten können die Bestrahlungsparameterbereiche mittels eines Bestrahlungsmodells bestimmt werden, um eine zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur zu erreichen. Zerstörungsfrei heißt in diesem Zusammenhang, dass eine makroskopische Form der Polymerstruktur stabil bleibt, wobei die Polymerstruktur biologisch oder künstlich sein kann. Zum Beispiel können eine künstliche optische Linse und/oder eine Kornea/Linse eines menschlichen oder tierischen Auges aus einer Polymerstruktur aufgebaut sein.
Bestrahlungsparameter, die für die Eigenschaftsänderung eingestellt werden und für die die jeweiligen Bestrahlungsparameterbereiche ermittelt werden, können beispielsweise eine numerische Apertur, eine Pulslänge, eine Energie, eine Wellenlänge, eine Wiederholungsfrequenz, ein Pulsbahnabstand und/oder ein Pulsabstand zwischen einzelnen Pulsen umfassen. In dem Bestrahlungsmodell kann ein Eigenschaftsänderungsmodell bereitgestellt sein, in dem mathematisch/physikalisch modelliert ist, welche Eigenschaftsänderung die Polymerstruktur bei vorgegebenen Bestrahlungsparametern erfährt. Beispielsweise kann bei einer laserinduzierten Brechungsindexänderung (LIRIC) die Phasenänderung in der Polymerstruktur in Abhängigkeit der Bestrahlungsparameter modelliert sein. Zusätzlich dazu kann ein Zerstörungsschwellenmodell bereitgestellt werden, mittels dem eine laserinduzierte Schädigung der Polymerstruktur, insbesondere ein optischer Durchbruch beziehungsweise eine Kavitationsblase und/oder eine thermische Denaturierung, in Abhängigkeit der jeweiligen Bestrahlungsparameter modelliert wird. Das heißt, es werden zwei antagonistische Modelle bereitgestellt, wobei eines den Effekt der Eigenschaftsänderung beschreibt und das andere eine Zerstörungsschwelle der Polymerstruktur. Aus einer Optimierung dieser beiden Modelle können dann die bevorzugten Bestrahlungsparameterbereiche bestimmt werden, wobei vorzugsweise die Bestrahlungsparameter so optimiert werden, dass die Eigenschaftsänderung maximiert wird, ohne eine Schädigung der Polymerstruktur zu erzeugen. Die so erhaltenen Bestrahlungsparameterbereiche können dann mittels der Steuerdaten für die Steuerung der Laservorrichtung bereitgestellt werden.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ein „Korridor“ aller Bestrahlungsparameter so bestimmt und definiert werden kann, dass ein klarer Eigenschaftsänderungseffekt erzielt werden kann, ohne die Polymerstruktur zu schädigen. Somit kann eine verbesserte Behandlung von biologischen Polymerstrukturen erreicht werden und es können Kosten bei der Bearbeitung von künstlichen Polymerstrukturen reduziert werden.
Die Erfindung umfasst auch Ausgestaltungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
In einer Ausgestaltungsform ist vorgesehen, dass die Steuerdaten für eine laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) der Polymerstruktur und/oder ein cross-linking-Verfahren der Polymerstruktur bereitgestellt werden. Bei der laserinduzierten Brechungsindexänderung (LIRIC) wird ein Brechungsindex eines menschlichen oder tierischen Auges durch Lasereinstrahlung verändert, ohne Gewebe aus dem Auge zu entfernen. Hierbei wird eine Linse in eine Kornea eingetragen, indem eine Molekülstruktur der Polymerstruktur verändert wird. Des Weiteren kann die laserinduzierte Brechungsindexänderung auch an künstlichen Strukturen durchgeführt werden, um für diese Linseneigenschaften zu erzeugen. Das cross-linking-Verfahren ist eine Anwendung, bei der nicht nur eine Fehlsichtigkeit behandelt werden kann, sondern auch diverse andere Krankheitsbilder behandelt werden können, zum Beispiel einen Keratokonus. Beim cross-linking-Verfahren werden Quervernetzungsverbindungen der Polymerstruktur erhöht, was eine Stabilität steigert. Bei dieser Ausgestaltungsform ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren für bevorzugte Anwendungsformen bereitgestellt werden kann.
Eine weitere Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Steuerdaten für einen Festkörperlaser, insbesondere einen Faserlaser oder Kristalllaser, bereitgestellt werden. Bei einem Festkörperlaser wird ein Kristall oder ein Glas mit Ionen dotiert, wobei diese Ionen das aktive Medium des Festkörperlasers bereitstellen. Durch optische Anregungen dieser Ionen kann dann Laserstrahlung erzeugt werden, beispielsweise durch diodengepumpte Festkörperlaser. Ein Beispiel für einen Kristalllaser ist ein sogenannter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (YAG-Laser), wobei diese Laser sehr teuer sein können. Daher werden Faserlaser bevorzugt. Unter einem Faserlaser wird ein Gerät, eine Gerätegruppe oder Gerätekomponente verstanden, die einen Faseroszillator und/oder einen Faserverstärker aufweisen kann. Ein Faserlaser vereint viele Vorteile einzelner Lasertypen, ohne die entsprechenden Nachteile zu haben, weswegen die Verwendung eines Faserlasers für schnittfreie Eigenschaftsänderungsverfahren deutliche Vorteile bringen. Ein Faserlaser bietet eine nötige Flexibilität bezüglich der Bestrahlungsparameter, insbesondere um variable Wiederholungsfrequenzen und variable/kurze Pulsdauern zu erzeugen, er weist eine nötige Stabilität der Bestrahlungsparameter, insbesondere einer Energie, Pulsdauer, Wiederholungsfrequenz und Pulsform, auf und besitzt eine erhöhte Wartungsfreiheit. Insbesondere sind mit einem Faserlaser viele Bestrahlungsparameter leichter zu erreichen. Durch diese Ausgestaltungsform ergibt sich der Vorteil, dass die ermittelten Bestrahlungsparameter genauer eingestellt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass für eine laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) ein Bestrahlungsparameterbereich einer numerischen Apertur zwischen 0,15 bis 0,35, insbesondere zwischen 0,2 bis 0,3, einer Pulslänge zwischen 10 Femtosekunden bis 90 Femtosekunden, insbesondere zwischen 30 Femtosekunden bis 75 Femtosekunden, einer Energie zwischen 5 Nanojoule bis 95 Nanojoule, insbesondere zwischen 20 Nanojoule bis 80 Nanojoule, einer Wellenlänge zwischen 300 Nanometern bis 1.500 Nanometern, insbesondere zwischen 900 Nanometern und 1.100 Nanometern, und einer Wiederholungsfrequenz zwischen 100 Kilohertz und 100 Megahertz, insbesondere zwischen 5 Megahertz bis 75 Megahertz, als Steuerdaten bereitgestellt werden. Mit anderen Worten werden für die zuvor genannten Bestrahlungsparameter die angegebenen Bestrahlungsparameterbereiche für eine optimierte laserinduzierte Brechungsindexänderung bereitgestellt, die anschließend für eine Steuerung der Laservorrichtung verwendet werden können wobei auch die jeweiligen Grenzwerte in die jeweiligen Bereich mit eingeschlossen sind. Auch die Zwischenwerte innerhalb der jeweiligen Bestrahlungsparameterbereiche sollen hiermit als offenbart angesehen werden.
Eine weitere Ausgestaltungsform sieht vor, dass für die Steuerdaten ein Pulsabstand entlang einer Scanrichtung zwischen 1 Nanometer und 10 Mikrometer, insbesondere zwischen 10 Nanometern und 1 Mikrometer, bereitgestellt wird. Das heißt, dass der Bestrahlungsparameterbereich für den Pulsabstand zwischen den oben angegebenen Grenzen liegt, wobei auch die Grenzwerte in den jeweiligen Bereich eingeschlossen sind. Die hier genannten Bestrahlungsparameterbereiche können bevorzugt auch mit den zuvor genannten Bestrahlungsparameterbereichen verwendet werden, um eine bevorzugte Brechungsindexänderung zu erreichen. Der Pulsabstand kann beispielsweise mittels einer geeigneten Einstellung der Wiederholungsfrequenz und einer Scangeschwindigkeit eingestellt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für die Steuerdaten ein Pulsbahnabstand jeweilig benachbarter Laserpulsbahnen zwischen 10 Nanometern und 50 Mikrometern, insbesondere zwischen 50 Nanometern und 5 Mikrometern, bereitgestellt wird. Das heißt, dass in Raumrichtungen, die nicht entlang der Scanrichtung verlaufen, der Pulsbahnabstand mittels der zuvor genannten Bestrahlungsparameterbereiche eingestellt wird, um optimale Bestrahlungsparameter, insbesondere für die Brechungsindexänderung der Polymerstruktur, zu erhalten.
Eine weitere Ausgestaltungsform sieht vor, dass bei der Ermittlung der Bestrahlungsparameterbereiche die Bestrahlungsparameter durch einen vorgegebenen Faktor von dem Schwellenwert begrenzt werden. Mit anderen Worten kann bei der Optimierung der Modelle, insbesondere beim Zerstörungsschwellenwertmodell, auch vorgesehen sein, dass die Bestrahlungsparameter durch einen vorgegebenen Faktor vom Schwellenwert begrenzt werden, wobei der Faktor bei einer Division des Schwellenwerts mit dem Faktor größer oder gleich 1 sein kann und bei einer Multiplikation des Schwellenwerts mit dem Faktor kleiner gleich 1. Das heißt, dass durch den vorgegebenen Faktor ein Sicherheitsabstand vom Schwellenwert berücksichtigt werden kann, so dass die Bestrahlungsparameter unterhalb des Schwellenwerts bleiben. Durch diese Ausgestaltungsform kann eine Sicherheit bei der Bestrahlung der Polymerstruktur erhöht werden.
Eine weitere Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Steuerdaten für eine Eigenschaftsänderung eines Biopolymers, insbesondere einer Kornea eines menschlichen oder tierischen Auges, bereitgestellt werden. Mit anderen Worten ist die Polymerstruktur ein Biopolymer, für das die Bestrahlungsparameterbereiche ermittelt werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Behandlung eines menschlichen oder tierischen Auges verbessert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltungsform ist vorgesehen, dass die Steuerdaten für eine Eigenschaftsänderung eines Kunststoffpolymers, insbesondere zur Erzeugung von künstlichen Linsen, bereitgestellt werden. Mit anderen Worten ist die Polymerstruktur ein Kunststoffpolymer. Durch diese Ausgestaltungsform können insbesondere künstliche Linsen verbessert erzeugt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in den Steuerdaten eine Energie und/oder ein Laserpulsabstand für die Erzeugung der Eigenschaftsänderung der Polymerstruktur durch einen variabel veränderlichen Wert innerhalb des jeweiligen Bestrahlungsparameterbereichs bereitgestellt werden, wobei die weiteren Bestrahlungsparameter innerhalb ihrer Bestrahlungsparameter konstant gehalten werden. Das heißt, dass beispielsweise die Energie und/oder der Laserpulsabstand für unterschiedliche Eigenschaftsänderungen, insbesondere für eine Brechungsindexänderung in Abhängigkeit einer Bestrahlungsposition, innerhalb der jeweiligen ermittelten Bestrahlungsparameterbereiche veränderlich sein können und die weiteren Bestrahlungsparameter, beispielsweise die numerische Apertur, Pulslänge und/oder Wellenlänge dabei auf einen festgelegten Wert innerhalb der jeweiligen Bestrahlungsparameterbereiche festgesetzt sind. Somit kann einfacher und besser der gewünschte Effekt erzielt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Laservorrichtung für eine zerstörungsfreie laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) einer Polymerstruktur, umfassend ein Steuern der Laservorrichtung mittels einer Steuereinrichtung derart, dass diese gepulste Laserpulse in einer Schussabfolge in einem vorgegebenen Muster in die Polymerstruktur abgibt, wobei die Laserpulse zur zerstörungsfreien Brechungsindexänderung der Polymerstruktur mit einer numerischen Apertur zwischen 0,15 bis 0,35, einer Pulslänge zwischen 10 fs bis 90 fs, einer Energie zwischen 5 nJ bis 95 nJ, einer Wellenlänge zwischen 300 nm bis 1500 nm, und einer Wiederholungsfrequenz zwischen 100 kHz und 100 MHz abgegeben werden, wobei die Wellenlänge besonders bevorzugt zwischen 800 nm bis 1450 nm, insbesondere zwischen 900 nm bis 1100 nm, gewählt werden kann, um den Laser in einen bevorzugten Wellenlängenbereich für die laserinduzierte Brechungsindexänderung zu betreiben. Mit anderen Worten wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem die Laservorrichtung mittels der Steuerdaten, die im vorhergehenden Aspekt bereitgestellt wurden, gesteuert wird. Besonders bevorzugt kann die Wellenlänge zwischen 800 nm bis 1450 nm, insbesondere zwischenweitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Erfindungsaspekts sind den Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung zu entnehmen, wobei sich die gleichen Vorteile und Variationsmöglichkeiten ergeben.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Es ergeben sich die oben aufgeführten Vorteile. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel als Steuerchip, Steuergerät oder Anwenderprogramm („App“) ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung kann vorzugsweise eine Prozessoreinrichtung aufweisen und/oder einen Datenspeicher. Unter einer Prozessoreinrichtung wird ein Gerät oder eine Gerätekomponente zur elektronischen Datenverarbeitung verstanden. Die Prozessoreinrichtung kann zum Beispiel mindestens einen Mikrocontroller und/oder mindestens einen Mikroprozessor aufweisen. Auf dem optionalen Datenspeicher kann vorzugsweise ein Programmcode zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt sein. Der Programmcode kann dann dazu ausgelegt sein, bei Ausführung durch die Prozessoreinrichtung die Steuereinrichtung dazu zu veranlassen, eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit mindestens einer Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung, kann dazu eingerichtet sein, eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Es ergeben sich die oben aufgeführten Vorteile. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel als Steuerchip, Steuergerät oder Anwenderprogramm („App“) ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung kann vorzugsweise eine Prozessoreinrichtung aufweisen und/oder einen Datenspeicher. Unter einer Prozessoreinrichtung wird ein Gerät oder eine Gerätekomponente zur elektronischen Datenverarbeitung verstanden. Die Prozessoreinrichtung kann zum Beispiel mindestens einen Mikrocontroller und/oder mindestens einen Mikroprozessor aufweisen. Auf dem optionalen Datenspeicher kann vorzugsweise ein Programmcode zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt sein. Der Programmcode kann dann dazu ausgelegt sein, bei Ausführung durch die Prozessoreinrichtung die Steuereinrichtung dazu zu veranlassen, eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung einen Festkörperlaser, insbesondere einen Faserlaser aufweist. Unter einem Faserlaser wird ein Gerät, eine Gerätegruppe oder Gerätekomponente verstanden, die einen Faser-Oszillator und/oder einen FaserVerstärker umfasst. Ein Faserlaser vereint viele Vorteile der einzelnen Lasertypen, ohne die entsprechenden Nachteile zu haben, weswegen die Verwendung eines Faserlasers die zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur deutliche Vorteile bringt. Ein Faserlaser bietet die nötige Flexibilität bezüglich des Parameterraums (insbesondere zum Beispiel variable Rep-rate und variable/kurze Pulsdauer), die nötige Stabilität der Parameter (insbesondere zum Beispiel Pulsenergie, Pulsdauer, Rep-rate, und Pulsform), und eine erhöhte Wartungsfreiheit (zum Beispiel eine Luftkühlung („air-cooled“), und eine lange Lebensdauer). Die Flexibilität bezüglich des Parameterraums ergibt sich dadurch, dass viele Parameter mit einem Faserlaser leichter zu erreichen sind. Erfindungsgemäß können dabei zum Beispiel ein Faser-Oszillator und ein Faserverstärker von dem Faserlaser umfasst sein, jedoch auch zum Beispiel ein Faser-Oszillator und ein Festkörperverstärker. Durch den Einsatz des Faserlasers, der im Stand der Technik bisher nur zum Entfernen von Lentikeln benutzt wird, also für chirurgische und damit invasive Verfahren, wird durch die Erfindung ein nicht-chirurgisches oder schnittfreies Verfahren optimiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung kann die Laservorrichtung dazu geeignet sein, Laserpulse in einem Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 900 nm und 1100 nm, bei einer jeweiligen Pulsdauer zwischen 10 fs und 90 fs, vorzugsweise zwischen 30 fs und 75 fs, und einer Wiederholungsfrequenz größer 10 Kilohertz (KHz), vorzugsweise zwischen 100 KHz und 100 Megahertz (MHz), abzugeben. Es ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Laservorrichtung kann die Steuereinrichtung mindestens eine Speichereinrichtung zur zumindest temporären Speicherung von mindestens einem Steuerdatensatz aufweisen, wobei der oder die Steuerdatensätze Steuerdaten zur Positionierung und/oder zur Fokussierung und/oder zur Bestrahlungsparametereinstellung einzelner Laserpulse umfassen; und kann mindestens eine Strahleinrichtung zur Strahlführung und/oder Strahlformung und/oder Strahlablenkung und/oder Strahlfokussierung eines Laserstrahls des Lasers aufweisen. Die genannten Steuerdatensätze werden dabei vorzugsweise anhand des ersten Aspekts der Erfindung und/oder einer gemessenen Topografie und/oder Pachymetrie und/oder Morphologie erzeugt.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des jeweils anderen Erfindungsaspekts anzusehen sind.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Laservorrichtung gemäß dem dritten Erfindungsaspekt die Verfahrensschritte gemäß dem ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekt ausführt.
Ein sechster Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm gemäß dem vierten Erfindungsaspekt gespeichert ist. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten bis vierten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des jeweils anderen Erfindungsaspekts anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Laservorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 ein schematisches Verfahrensdiagramm gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laservorrichtung 10 mit einem Laser 12, insbesondere einen Festkörperlaser, für die zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur 14. Die Polymerstruktur 14 kann in diesem Ausführungsbeispiel ein Biopolymer sein, insbesondere ein Bereich einer Kornea 14 eines menschlichen oder tierischen Auges 16, und die Eigenschaftsänderung kann eine laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) der Kornea 14 sein. Eine Laserpulsabfolge, eine Laserpulsverteilung und Bestrahlungsparameter zur Brechungsindexänderung der Kornea 14 können in Form von Steuerdaten durch eine Steuereinrichtung 18 bereitgestellt werden, sodass der Laser 12 gepulste Laserpulse an durch die Steuerdaten vorgegebenen Laserpulspositionen mit durch die Steuerdaten bereitgestellten Bestrahlungsparametern abgibt, um die Brechungsindexänderung zu erreichen. Alternativ kann die Steuereinrichtung 18 eine in Bezug auf die Laservorrichtung 10 externe Steuereinrichtung 18 sein.
Des Weiteren zeigt die 1, dass der durch den Laser 12 erzeugte Laserstrahl 20 mittels einer Strahlablenkeinrichtung 22, nämlich einer Strahlablenkvorrichtung wie zum Beispiel einem Rotationsscanner, in Richtung des Auges 16 abgelenkt werden kann, um die Brechungsindexänderung in der Kornea 14 zu erzeugen. Die Strahlablenkvorrichtung 22 kann ebenfalls durch die Steuereinrichtung 18 gesteuert werden.
Bei dem dargestellten Laser 12 kann es sich vorzugsweise um einen Faserlaser handeln, der zumindest dazu ausgebildet ist, Laserpulse in einem Wellenlängenbereich zwischen 300 Nanometern und 1500 Nanometern, vorzugsweise zwischen 900 Nanometern und 1100 Nanometern, bei einer jeweiligen Pulsdauer zwischen 10 Femtosekunden und 90 Femtosekunden, vorzugsweise zwischen 30 Femtosekunden und 75 Femtosekunden, und einer Wiederholungsfrequenz größer 10 Kilohertz, vorzugsweise zwischen 100 Kilohertz und 100 Megahertz, abzugeben.
Die Steuereinrichtung 18 weist optional zudem eine Speichereinrichtung (nicht dargestellt) zur zumindest temporären Speicherung von zumindest einem Steuerdatensatz auf, wobei der oder die Steuerdatensätze Steuerdaten zur Bestrahlungsparametereinstellung, Positionierung und/oder zur Fokussierung einzelner Laserpulse in das Auge 16 umfassen.
Bei einer laserinduzierten Brechungsindexänderung aber auch bei anderen nichtchirurgischen Verfahren zur Eigenschaftsänderung der Polymerstruktur 14, wie beispielsweise dem cross-linking-Verfahren, ist vorgesehen, einen maximierten Effekt der Eigenschaftsänderung pro Laserpuls zu erzielen, ohne dabei die Polymerstruktur 14 zu schädigen. Insbesondere bei einer zu hohen Energiedichte können Kavitationsblasen entstehen, was vermieden werden soll. Um die optimalen Bestrahlungsparameter zu erhalten kann die Steuereinrichtung 18 daher das in 2 gezeigte Verfahren durchführen.
In 2 ist ein schematisches Verfahrensdiagramm zum Bereitstellen von Steuerdaten für die Laservorrichtung 10 zur zerstörungsfreien laserinduzierten Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur dargestellt, wobei die Polymerstruktur in diesem Ausführungsbeispiel eine Kornea 14 eines Auges 16 sein kann und die Eigenschaftsänderung kann eine laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) sein.
In einem Schritt S10 kann durch die Steuereinrichtung 18 ein optimaler Bestrahlungsparameterbereich für einen jeweiligen Bestrahlungsparameter bestimmt werden, wobei Bestrahlungsparameter beispielsweise eine numerische Apertur, eine Pulslänge, eine Energie, eine Wellenlänge, eine Wiederholungsfrequenz, ein Pulsabstand und/oder ein Pulsbahnabstand sein können. Zur Bestimmung der optimalen Bestrahlungsparameterbereiche kann ein Bestrahlungsmodell verwendet werden, in dem ein Eigenschaftsänderungsmodell und ein Zerstörungsschwellenwertmodell bereitgestellt werden. Das Eigenschaftsänderungsmodell kann in diesem Ausführungsbeispiel ein LIRIC-Modell sein, das eine induzierte Phasenänderung durch Laserbestrahlung beschreibt. Insbesondere kann die Phasenänderung mittels der Formel $Δ ϕ = γ \cdot P_{avg}^{m} \cdot {NA}^{2 (m - 2)} \cdot m^{m - 2} \cdot υ^{1 - m} \cdot τ^{1 - m} \cdot λ_{write}^{3 - 2 m} \cdot λ_{read}^{- 1} \cdot S^{- 1} \cdot t^{- 1}$
bestimmt werden, wobei ΔΦ die induzierte Phasenänderung, γ eine Materialkonstante, P_avg die durchschnittliche Leistung des Lasers, NA die numerische Apertur der Laservorrichtung 10, m die Ordnung der Multiphotonenabsorption, v die Wiederholungsfrequenz des Lasers 12, τ die Pulsdauer, λ_read die Wellenlänge der Laserstrahlung 20, λ_write die Wellenlänge, für die die Phasenänderung bereitgestellt werden soll, S eine Scangeschwindigkeit und t ein Pulsbahnabstand ist.
Das Zerstörungsschwellenwertmodell, das einen Schwellenwert für eine laserinduzierte Schädigung der Polymerstruktur beschreibt, kann in diesem Ausführungsbeispiel eine Modellierung eines optischen Durchbruchs sein, wobei das Modell des optischen Durchbruchs gegeben sein kann durch die Formel $E_{Th} \propto \sqrt[3]{τ} \cdot λ \cdot \sqrt m \cdot M 2^{2} \cdot {NA}^{- 2}$
wobei E_TH der Pulsenergieschwellenwert für den optischen Durchbruch darstellt und M2 eine Strahlqualität. Alternativ oder zusätzlich können weitere Zerstörungsschwellenwertmodelle berücksichtigt werden, die eine Schädigung der Polymerstruktur beschreiben, wie beispielsweise thermische Modelle.
Um aus diesen Bestrahlungsmodell die optimalen Bestrahlungsparameterbereiche zu ermitteln, ist es vorzugsweise vorgesehen, die Phasenänderung zu maximieren ohne, ohne den optischen Durchbruch auszulösen.
Als Schritt S12 können dann die so ermittelten Steuerdaten für die Laservorrichtung 10 bereitgestellt werden, mittels denen beispielsweise die Steuereinrichtung 18 den Laser 12 und die Strahlablenkeinrichtung 22 zur Brechungsindexänderung ansteuern kann. Für die laserinduzierte Brechungsindexänderung kann in den Steuerdaten vorzugsweise ein Bestrahlungsparameterbereich einer numerischen Apertur zwischen 0,15 bis 0,35, insbesondere zwischen 0,2 bis 0,3, einer Pulslänge zwischen 10 Femtosekunden bis 90 Femtosekunden, insbesondere zwischen 30 Femtosekunden bis 75 Femtosekunden, einer Energie zwischen 5 Nanojoule bis 95 Nanojoule, insbesondere zwischen 20 Nanojoule bis 80 Nanojoule, einer Wellenlänge zwischen 300 Nanometern bis 1.500 Nanometern, insbesondere zwischen 900 Nanometern und 1.100 Nanometern, und einer Wiederholungsfrequenz zwischen 100 Kilohertz und 100 Megahertz, insbesondere zwischen 5 Megahertz bis 75 Megahertz, zur Steuerung der Laservorrichtung 10 bereitgestellt werden. Des Weiteren kann vorzugsweise ein Pulsabstand entlang einer Scanrichtung mittels der Strahlablenkeinrichtung 22 zwischen 1 Nanometer und 10 Mikrometer, insbesondere zwischen 10 Nanometern und 1 Mikrometer, bereitgestellt werden und ein Pulsbahnabstand jeweilig benachbarter Laserpulsbahnen zwischen 10 Nanometern und 50 Mikrometern, insbesondere zwischen 50 Nanometern und 5 Mikrometern.
Zur geeigneten Steuerung der Laservorrichtung 10, um beispielsweise eine Brechungsindexänderung zu erreichen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass in den Steuerdaten in Abhängigkeit von einer Bestrahlungsposition in der Kornea 14 nur die Energie und/oder ein Laserpulsabstand innerhalb der jeweiligen Bestrahlungsparameterbereiche verändert wird, wobei aus den weiteren Bestrahlungsparameterbereichen jeweils ein Wert gewählt und konstant gehalten wird. Somit kann die geeignete Brechungsindexänderung an jeder Stelle der Kornea 14 erhalten werden, ohne Kavitationsblasen zu erzeugen.
Das zuvor gezeigte Ausführungsbeispiel ist nur eines von mehreren Beispielen, bei denen eine Eigenschaftsänderung, insbesondere eine laserinduzierte Brechungsindexänderung, in einem Biopolymer, insbesondere der Kornea 14, erzeugt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann als Eigenschaftsänderung auch ein cross-linking-Verfahren durchgeführt werden, wobei hierfür beispielsweise das Eigenschaftsänderungsmodell angepasst werden kann. Des Weiteren kann die Polymerstruktur auch ein Kunststoffpolymer sein, insbesondere zur Erzeugung von künstlichen Linsen.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung optimierte Bestrahlungsparameter für ein nicht-chirurgisches Verfahren bereitgestellt werden können.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen von Steuerdaten einer Laservorrichtung (10) für die zerstörungsfreie laserinduzierte Eigenschaftsänderung einer Polymerstruktur (14), umfassend: - Ermitteln (S10) eines jeweiligen Bestrahlungsparameterbereichs für vorgegebene Bestrahlungsparameter der Laservorrichtung (10) mittels eines Bestrahlungsmodells; - wobei in dem Bestrahlungsmodell ein Eigenschaftsänderungsmodell bereitgestellt wird, in dem eine verursachte Eigenschaftsänderung der Polymerstruktur (14) in Abhängigkeit von den Bestrahlungsparametern modelliert wird; - wobei in dem Bestrahlungsmodell ein Zerstörungsschwellenwertmodell bereitgestellt wird, in dem zumindest ein Schwellenwert für eine laserinduzierte Schädigung der Polymerstruktur in Abhängigkeit von den Bestrahlungsparametern modelliert wird; und - wobei zur Ermittlung der Bestrahlungsparameterbereiche die verursachte Eigenschaftsänderung aus dem Eigenschaftsänderungsmodell unter Begrenzung durch den Schwellenwert aus den Zerstörungsschwellenwertmodell optimiert wird; - Bereitstellen (S12) der Steuerdaten für die Laservorrichtung (10), die die ermittelten Bestrahlungsparameterbereiche umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuerdaten für eine laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) der Polymerstruktur (14) und/oder ein cross-linking-Verfahren der Polymerstruktur (14) bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerdaten für einen Festkörperlaser (12), insbesondere einen Faserlaser oder Kristallaser, bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) ein Bestrahlungsparameterbereich - einer numerischen Apertur zwischen 0,15 bis 0,35, insbesondere zwischen 0,2 bis 0,3; - einer Pulslänge zwischen 10 fs bis 90 fs, insbesondere zwischen 30 fs bis 75 fs; - einer Energie zwischen 5 nJ bis 95 nJ, insbesondere zwischen 20 nJ bis 80 nJ; - einer Wellenlänge zwischen 300 nm bis 1450 nm, insbesondere zwischen 900 nm und 1100 nm; - und einer Wiederholungsfrequenz zwischen 100 kHz und 100 MHz, insbesondere zwischen 5 MHz bis 75 MHz; als Steuerdaten bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Steuerdaten ein Pulsabstand entlang einer Scanrichtung zwischen 1 nm und 10 µm, insbesondere zwischen 10 nm und 1 µm, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Steuerdaten ein Pulsbahnabstand jeweilig benachbarter Laserpulsbahnen zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 50 nm und 5 µm, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Ermittlung der Bestrahlungsparameterbereiche die Bestrahlungsparameter durch einen vorgegebenen Faktor von dem Schwellenwert begrenzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerdaten für eine Eigenschaftsänderung eines Biopolymers, insbesondere einer Kornea eines menschlichen oder tierischen Auges (16), bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerdaten für eine Eigenschaftsänderung eines Kunststoffpolymers, insbesondere zur Erzeugung von künstlichen Linsen, bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Steuerdaten eine Energie und/oder ein Laserpulsabstand für die Erzeugung der Eigenschaftsänderung der Polymerstruktur durch einen variabel veränderlichen Wert innerhalb des jeweiligen Bestrahlungsparameterbereichs bereitgestellt werden, wobei die weiteren Bestrahlungsparameter innerhalb ihrer Bestrahlungsparameterbereiche konstant gehalten werden.
Verfahren zur Steuerung einer Laservorrichtung (10) für eine zerstörungsfreie laserinduzierte Brechungsindexänderung (LIRIC) einer Polymerstruktur (14), umfassend: - Steuern der Laservorrichtung (10) mittels einer Steuereinrichtung (18) derart, dass diese gepulste Laserpulse in einer Schussabfolge in einem vorgegebenen Muster in die Polymerstruktur (14) abgibt, wobei die Laserpulse zur zerstörungsfreien Brechungsindexänderung der Polymerstruktur mit einer numerischen Apertur zwischen 0,15 bis 0,35, einer Pulslänge zwischen 10 fs bis 90 fs, einer Energie zwischen 5 nJ bis 95 nJ, einer Wellenlänge zwischen 300 nm bis 1500 nm, und einer Wiederholungsfrequenz zwischen 100 kHz und 100 MHz abgegeben werden.
Laservorrichtung (10) mit einer Steuereinrichtung (18), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.
Laservorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei die Laservorrichtung (10) einen Festkörperlaser (12), insbesondere einen Faserlaser aufweist.
Laservorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Laservorrichtung (10) dazu geeignet ist, Laserpulse in einem Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 900 nm und 1100 nm, bei einer jeweiligen Pulsdauer zwischen 10 fs und 90 fs, vorzugsweise zwischen 30 fs und 75 fs, und einer Wiederholungsfrequenz größer 10 KHz, vorzugsweise zwischen 100 KHz und 100 MHz, abzugeben.
Laservorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Steuereinrichtung (18): - mindestens eine Speichereinrichtung zur zumindest temporären Speicherung von mindestens einem Steuerdatensatz aufweist, wobei der oder die Steuerdatensätze Steuerdaten zur Positionierung und/oder zur Fokussierung und/oder zur Bestrahlungsparametereinstellung einzelner Laserpulse umfassen; und - mindestens eine Strahleinrichtung (22) zur Strahlführung und/oder Strahlformung und/oder Strahlablenkung und/oder Strahlfokussierung eines Laserstrahls (20) der Laservorrichtung (10) umfasst.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Laservorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt.
Computerlesbares Medium, auf welchem das Computerprogramm nach Anspruch 16 gespeichert ist.