DE19702335C1 - Vorrichtung für die Materialbearbeitung mit einem gepulsten Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Materialbearbei­ tung mit einem gepulsten Laser, dessen Pulsfolgefrequenz ein­ stellbar ist und dessen Strahl auf das zu bearbeitende Objekt gerichtet wird, und mit einer Einrichtung zum Nachführen des Strahls dann, wenn sich das Objekt relativ zu einer Bezugsachse bewegt, wobei die Einrichtung zum Nachführen eine Bildaufnahme­ einrichtung mit einer Bildwiederholrate größer als 60 Hz, die das Objekt mit einer Bildfolgefrequenz aufnimmt, eine Bildverar­ beitungseinrichtung, die aufeinanderfolgende Bilder verarbeitet, um die Bewegung des Objektes zu ermitteln, und eine Steuerung zum Abgeben eines einer Objektbewegung entsprechenden Signals an eine optische Einrichtung zum Steuern des Laserstrahls aufweist.

Insbesondere kann eine solche Vorrichtung für die sogenannte PRK (Foto-Refraktive Keratektomie, englisch: Photorefractive Keratectomy) verwendet werden, d. h. ein Verfahren zur Korrektur der Fehlsichtigkeit des menschlichen Auges, bei dem insbesondere die Cornea neu geformt wird. Zum Stand der Technik der PRK wird auf folgende Dokumente des Standes der Technik verwiesen: Gobbi, Pier Giorgie et al.: Automatic Eye Tracker for Excimer Laser Photorefractive Keratectomy; Supplement to Journal of Refractive Surgery, Vol. 11, Mai/Juni 1995; weiterhin: Lin, J. T., Ophtalmic Surgery Method Using Non-Contact Scanning Laser, U. S. Patent 5,520,679, 28. Mai 1996; und Manns, Fabrice, et al., Optical profilometry of poly(methylmethacrylate) surfaces after reshaping with a scanning photorefractive keratectomy (SPRK) system, Zeitschrift APPLIED OPTICS, Vol. 35. NO. 19, 1. Juli 1996.

Als Laserstrahlungsquelle für die PRK sind, neben anderen Lasern (Excimer), insbesondere Er: YAG-Festkörperlaser bekannt.

Bei der PRK wird Material der Hornhaut abgetragen. Der Abtrag ist eine Funktion der auf die Hornhaut auftreffenden Energie­ dichte (Energie pro Flächeneinheit) des Laserstrahls. Es sind unterschiedliche Techniken für die Strahlformung und Strahlfüh­ rung bekannt, so zum Beispiel die sogenannte Schlitz-Abtastung (slit scanning), bei der die Strahlung mittels eines bewegten Schlitzes über den zu bearbeitenden Bereich geführt wird, das sogenannte Fleck-Abtasten (spot-scanning), bei dem ein Strah­ lungsfleck mit sehr geringen Abmessungen über das abzutragende Gebiet geführt wird, und auch die sogenannte Vollabtragung (full-ablation), bei der die Strahlung großflächig über den ge­ samten abzutragenden Bereich eingestrahlt wird und wobei die Energiedichte sich über das Strahlprofil ändert, um den ge­ wünschten Abtrag der Hornhaut zu erreichen. Der Stand der Tech­ nik kennt für die genannten Strahl-Führungen jeweils geeignete Algorithmen zum Steuern der Strahlung, um die Hornhautoberfläche so abzutragen, daß die Cornea schließlich den gewünschten Krüm­ mungsradius erhält.

Das vorstehend bereits erwähnte "Fleck-Abtasten" (spot-scanning) verwendet einen auf einen relativ kleinen Durchmesser (0,1-2 mm) fokussierten Laserstrahl, der mittels einer Strahlführungsein­ richtung auf verschiedene Stellen der Hornhaut gerichtet und durch einen sogenannten Abtaster (scanner) sukzessive so bewegt wird, daß letztlich der gewünschte Abtrag von der Cornea er­ reicht wird. Bei der PRK sind insbesondere sogenannte galvano­ metrische Abtaster (Scanner) verwendbar (vgl. Aufsatz G. F. Marshall in LASER FOCUS WORLD, Juni 1994, S. 57).

Ein besonderes Problem bei der PRK ist die relative Positionie­ rung von Laserstrahl und Auge. Aus medizinischen Gründen ist eine mechanische Fixierung des Auges nicht befriedigend. Der Stand der Technik kennt deshalb eine sogenannte optische Fi­ xierung, bei der mit dem materialbearbeitenden Laserstrahl in der Regel koaxial ein sogenannter Fixierstrahl verwendet wird. Der Patient ist angehalten, genau auf den durch den Fixierstrahl definierten Punkt zu schauen, damit das Auge während der gesam­ ten Operation immer die gleiche Position einnimmt. Allerdings gelingt dies nicht, jedenfalls nicht mit hinreichender Zuver­ lässigkeit, so daß es zu Bewegungen des Auges kommt, die den gesamten Ablationsvorgang massiv beeinträchtigen können.

Der Stand der Technik (s. o.) kennt deshalb sogenannte "Eye- Tracker", also Einrichtungen, die Bewegungen des Auges ermit­ teln, um dann den für die Ablation verwendeten Laserstrahl ent­ sprechend den Augenbewegungen zu steuern (nachzuführen). Der­ artige "Eye-Tracker" nehmen in schneller Folge Bilder des Auges auf und diese werden verarbeitet, um die Bewegungen des Auges zu ermitteln. Aus aufeinanderfolgenden Bildern (zum Beispiel zwei aufeinanderfolgenden Bildern) kann eine Veränderung der Position des Auges (Pupillenlage) ermittelt werden. Entsprechend der Au­ genbewegung läßt sich dann der Ablations-Laserstrahl mittels geeigneter Strahlführungseinrichtungen (z. B. dem obengenannten galvanometrische Scanner) nachführen.

Es sind im Stand der Technik auch sogenannte passive "Eye- Tracker"-Systeme bekannt, bei denen zwar eine Bewegung des Auges erkannt wird, die Nachführung aber unterbleibt. Vielmehr wird für die Zeitspannen, in denen das Auge aus der gewünschten Soll-Position bewegt ist, der Materialabtrag ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Materialbearbeitung mit gepulsten Laserstrahlen der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine optimale Strahlnach­ führung ermöglicht ist.

Erreicht wird dieses Ziel bei der oben beschriebenen Vorrichtung dadurch, daß bei einer Änderung der Pulsfolgefrequenz in Bereichen größer als 100 Hz die Bildfolgefrequenz synchron dazu veränderbar ist, wobei die Bild­ folgefrequenz immer mindestens zweimal so groß ist wie die Pulsfolge­ frequenz. Je höher die Bildfrequenz im Verhältnis zur Repeti­ tionsrate des Lasers ist, umso schneller und zuverlässiger kön­ nen Bewegungen des Objektes erfaßt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt in der oben de­ finierten PRK eingesetzt werden, ist jedoch nicht auf diese An­ wendung beschränkt. Vielmehr kann die Vorrichtung zur Material­ bearbeitung eines beliebigen Objektes verwendet werden, wenn die Relativposition zwischen dem bearbeitenden Laserstrahl und dem Objekt unerwünschten Veränderungen unterliegt. Eine andere Anwen­ dung der Erfindung ist die Bearbeitung einer Vielzahl von gleich­ artigen Objekten, die sich an einer Bearbeitungsstation vorbei bewegen, zum Beispiel Objekte, die auf einem Fließband abgelegt sind und in gleichartiger Weise mittels eines gepulsten Lasers bearbeitet werden.

Bei Anwendung in der PRK wird für die Strahlnachführung das Auge mit Infrarotstrahlung (nicht zu verwechseln mit der eigentlichen Laserstrahlung für die Materialbearbeitung) bestrahlt. Eine Kame­ ra, insbesondere eine Festkörper-Bildkamera (CCD-Kamera) nimmt durch die IR-Strahlung erzeugte Bilder des Auges, insbesondere der Pupille auf, und zwar in Form des Hell/Dunkel-Kontrastes. Dabei ermittelt der an die Festkörper-Kamera angeschlossene Rech­ ner z. B. den Schwerpunkt des dunklen Feldes (also der Pupille) oder auch den Rand der Pupille, so daß die Ermittlung der Augen­ bewegungen unabhängig ist vom momentanen Pupillendurchmesser. Mit anderen Worten: Der Pupillendurchmesser kann sich während des Eingriffs ändern, ohne daß die Messung und die Strahlnach­ führung beeinträchtigt wird. Die Bildverarbeitung ermöglicht auch eine zusätzliche visuelle Überwachung durch die Bedienungs­ person.

Um eine optimale Anpassung der Strahlnachführung an die Pulsfol­ gefrequenz des Lasers zu erreichen, wird die Bildaufnahmefre­ quenz f_B deutlich größer als die Pulsfolgefrequenz f_p des Bear­ beitungslasers gewählt, insbesondere mindestens etwas mehr als zweimal so groß, damit zwischen zwei Laserpulsen mindestens zwei Bilder erzeugt und verarbeitet werden können, aus denen eine mögliche Bewegung des Auges ermittelt werden kann, so daß der nachfolgende Laserpuls bereits entsprechend der Augenbewegung nachgeführt werden kann.

Fortgeschrittene PRK-Systeme ermöglichen eine Verkleinerung des Durchmessers des Laserstrahlfleckes für die Ablation. Mit "Spots" kleineren Durchmessers können feinere und kompliziertere Formungen des zu bearbeitenden Materials, z. B. der Cornea, vor­ genommen werden. Eine Verkleinerung des Fleckdurchmessers erfor­ dert aber eine erhöhte Pulsfolgefrequenz (Repitionsrate) des Lasers, damit die Behandlungszeit nicht unnötig verlängert wird. Die Erfindung sieht vor, daß bei einer Änderung der Pulsfolge­ frequenz auch die Bildfolgefrequenz entsprechend angepaßt wird, insbesondere proportional, d. h. bei einer Verdoppelung der Puls­ folgefrequenz wird auch die Bildfolgefrequenz verdoppelt, so daß immer gewährleistet ist, daß zwischen zwei Laserpulsen jeweils zumindest zwei Bilder geschossen werden, aus deren Vergleich eine Augenbewegung ableitbar ist, um gegebenenfalls einen ent­ sprechenden Befehl an die Steuerung des Laserstrahls zum Nach­ führen zu geben. Insbesondere sieht die Erfindung vor, daß die Pulsfolgefrequenz f_p der für die Ablation verwendeten Laser­ strahlung größer als 100 Hz ist. Die Bildfolgefrequenz f_B ist dann entsprechend größer als 200 Hz und beide Frequenzen können synchron variiert werden, zum Beispiel die Repititionsrate im Bereich von 100 bis 400 Hz und die Bildfolgefrequenz entspre­ chend im Bereich von 200 bis 800 Hz. Zu einer Pulsfolgefrequenz (Repititionsrate) des materialbearbeitenden Lasers von 100 Hz kann auch eine Bildfolgefrequenz von 250 Hz gewählt werden.

Wird die Pulsfolgefrequenz des Materialbearbeitungslasers rela­ tiv niedrig gewählt, muß die Bildfolgefrequenz nicht notwendig streng proportional folgen, vielmehr kann es genügen, die Bild­ folgefrequenz langsamer abzusenken. Bei im Vergleich zur Repeti­ tionsrate des Lasers hoher Bildfolgefrequenz kann eine gute Auf­ lösung der Bewegung des Objektes erreicht werden. Wichtig ist, daß in jeder Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bear­ beitungslaserpulsen jeweils hinreichend viele Bildaufnahmen ge­ macht werden (mindestens zwei), damit aus einem Vergleich auf­ einanderfolgender Bilder auf eine Augenbewegung geschlossen wer­ den kann und der Laserstrahl bei Bedarf bereits im nächsten Schuß nachgeführt werden kann.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere bei Anwendung in der PRK, sieht vor, daß der auf das zu bearbeitende Objekt gerichtete Laserstrahl für die Materialbearbeitung auf dem Objekt die Form eines Sechsecks hat, insbesondere die Form eines regelmäßigen Sechsecks mit gleichen Kantenlängen. Eine solche Form des Laserflecks auf dem zu bearbeitenden Objekt (insbesondere der Cornea) ermöglicht einen besonders gleich­ mäßigen Materialabtrag (Ablation), und zwar sowohl bei überlap­ pender als auch bei jeweils angrenzend versetzter Führung des Laserstrahls über das Objekt (das obengenannte spot-scanning).

Bei überlappender Führung der einzelnen Laserflecken auf dem zu bearbeitenden Objekt ist die Intensitätsverteilung im Laserfleck zu berücksichtigen. Ist das Intensitätsprofil des Laserstrahls im abgebildeten Fleck nicht weitestgehend "top flat", d. h. recht­ eckförmig, sondern mit einem merklichen Anstiegsgradienten, z. B. trapezförmig oder gaussförmig, so wird die Überlappung der ein­ zelnen Laser-Spots entsprechend so gesteuert, daß insgesamt ein gleichmäßiger, homogener Materialabtrag erfolgt. Auch für diese Verhältnisse ist die Sechseckform des Spots günstig.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung für die Materialbearbei­ tung mit gepulster Laserstrahlung und

Fig. 2 schematisch die Form eines bevorzugten Laserstrah­ lungsflecks (spot) auf einem zu bearbeitenden Objekt, wie der Hornhaut.

Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Vorrichtung dient dazu, ein Objekt 10 mit Laserstrahlung zu bearbeiten. Bei dem Objekt 10 kann es sich zum Beispiel um die Cornea des menschlichen Auges handeln. Ein Laser 12 erzeugt die für die Ablation des Materials erforderliche Laserstrahlung, zum Beispiel ein Er: YAG-Festkörper­ laser mit einer Wellenlänge von 2,94 µm.

Die Laserstrahlung wird mittels eines galvanometrischen Ab­ tasters (Scanner) 14 umgelenkt und der umgelenkte Laserstrahl 16 wird auf das Objekt 10 gerichtet.

Koaxial mit dem Laserstrahl 10 wird ein weiterer Strahl 32 einer sogenannten Fixierlichtquelle 18 auf das Objekt gerichtet. Der Strahl 32 definiert eine Bezugsachse A, die im Raum ortsfest ist. Im Idealfall bewegt sich das Objekt 10 nicht in bezug auf die Achse A. Dann braucht der Bearbeitungsstrahl 16 nicht nach­ geführt zu werden.

Im Realfall bewegt sich jedoch das Objekt 10 in bezug auf die Achse A. Um in diesem Fall den Bearbeitungsstrahl 16 entspre­ chend den Bewegungen des Objektes 10 nachzuführen, wird das Ob­ jekt 10 mit Infrarotstrahlung (nicht gezeigt) beleuchtet, und mittels einer CCD-Kamera 20 werden Bilder aufgenommen, und zwar mit einer Bildfolgefrequenz f_B. Die die Bilder in der Kamera 20 erzeugende Strahlung ist in Fig. 1 schematisch mit dem Bezugs­ zeichen 24 angedeutet. Ist das Objekt 10 ein menschliches Auge, so nimmt die Kamera 20 fortlaufend Bilder der Pupille auf, um durch einen Hell/Dunkel-Vergleich die Lage der Pupille unabhän­ gig von deren Durchmesser zu ermitteln, d. h. es wird der Mittel­ punkt der Pupille durch Kontrastvergleich ermittelt. Hierzu wer­ den die Ausgangssignale 26 der Festkörper-Kamera 20 in eine mit einem Rechner versehene Bildverarbeitungseinrichtung 22 einge­ geben.

Ist die Pulsfolgefrequenz f_p der Laserstrahlung 16 vorgegeben, so wird die Bildfolgefrequenz f_B, mit der mittels der Kamera 20 Bildaufnahmen gemacht werden, so gewählt, daß zwischen zwei La­ serpulsen 16 mindestens zwei Bilder erzeugt werden, um eine Be­ wegung des Objektes 10 relativ zur Achse A zu ermitteln. Dies leistet die Bildverarbeitungseinrichtung 22 mit als solches be­ kannten Bildverarbeitungsalgorithmen. Ermittelt die Bildverar­ beitungseinrichtung 22, daß sich das Objekt 10 relativ zur Achse A um mindestens einen vorgegebenen Betrag verschoben hat, wird ein entsprechendes Signal an eine Steuerung 30 abgegeben, die den galvanometrischen Abtaster 14 steuert. Der Abtaster 14 spiegelt den vom Laser 12 kommenden Strahl und kann somit durch Veränderung seiner Stellung die Position ändern, in der der Strahl 16 auf das Objekt 10 trifft. Zum Nachführen des Strahls 16 entsprechend einer Relativverschiebung zwischen Objekt 10 und Achse A gibt die mit einem Mikroprozessor versehene Steuerung 30 ein entsprechendes Stellsignal 28 an den galvanometrischen Scanner 14.

Der Scanner 14 steuert den Lichtfleck 40 auf dem Objekt 10 gemäß einem von der Steuerung 30 ausgeführten Abtastalgorithmus, gemäß dem der Fleck sukzessive über die abzutragende Fläche geführt wird, und zwar derart, daß letztlich eine gewünschte, ortsabhän­ gige Schichtdicke abgetragen wird, um das Material, wie ge­ wünscht, neu zu formen.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Form eines insbesondere nach Fokus­ sierung auf dem Objekt 10 abgebildeten Laserstrahls 16, nämlich ein regelmäßiges Sechseck mit konstanter Kantenlänge. Ein sol­ cher Fleck auf einem zu bearbeitenden Objekt ermöglicht bei Ver­ schiebung einen gleichmäßigen (homogenen) Materialabtrag, sowohl bei überlappendem Betrieb als auch bei quasi flächendeckender Aneinanderreihung sukzessiver Laserpulse, was in Fig. 2 durch gestrichelte Flecken 40' und 40'' angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt auch, daß sich bei Verwendung von regelmäßigen Sechs­ ecken als Form des Laser-Spots eine sogenannte hexagonale Abtast­ struktur ergibt, d. h. die Mittelpunkte M der einzelnen Sechsecke, die nacheinander auf dem Objekt abgebildet werden, liegen selbst auf einem Sechseck, das in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist.

Claims (4)

1. Vorrichtung für die Materialbearbeitung mit einem gepulsten Laser (12), dessen Pulsfolgefrequenz (f_p) einstellbar ist und dessen Strahl (16) auf das zu bearbeitende Objekt (10) gerichtet wird, und mit einer Einrichtung (14, 20, 22, 30) zum Nachführen des Strahls (16) dann, wenn sich das Objekt (10) relativ zu ei­ ner Bezugsachse (A) bewegt, wobei die Einrichtung zum Nachführen eine Bildaufnahmeeinrichtung (20), die das Objekt (10) mit einer Bildfolgefrequenz (f_B) aufnimmt, eine Bildverarbeitungseinrich­ tung (22), die aufeinanderfolgende Bilder verarbeitet, um die Bewegung des Objektes (10) zu ermitteln, und eine Steuerung (30) zum Abgeben eines einer Objektbewegung entsprechenden Signals (28) an eine optische Einrichtung (14) zum Steuern des Laser­ strahls (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Änderung der Pulsfolgefrequenz (f_p) in Bereichen größer als 100 Hz die Bildfolgefrequenz (f_B) synchron dazu veränderbar ist, wo­ bei die Bildfolgefrequenz (f_B) immer mindestens zweimal so groß ist wie die Pulsfolgefrequenz (f_p).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Formung des Objektes in Form der Cornea des Au­ ges, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildverarbeitung zur Ermittlung einer Bewegung der Cornea das Zentrum der Pupille ermittelt und dessen Bewegung festgestellt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Formung des Objektes in Form der Cornea des Au­ ges, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildverarbeitung zur Ermittlung einer Bewegung der Cornea der Rand der Pupille ermittelt und dessen Bewegung festgestellt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl in Form eines Sechsecks (40, 40', 40'') auf das zu be­ arbeitende Objekt abgebildet wird.