ES2313806B1 - LASER CALIBRATION PROCEDURE CONSIDERING PULSE SOLUTION. - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de calibrado de láser considerando el solapamiento de los pulsos aplicable para calibrar los láseres de pulso gaussiano. Este procedimiento permite mejorar cualquier tipo de calibrado ya que considera la sobre-exposición energética que reciben los puntos circundantes a la zona en la que actúa el láser en un determinado momento. Los principios en los que se basa este procedimiento son fáciles de llevar a cabo en la práctica: en primer lugar se calcula el "coeficiente de solapamiento", que dependerá de las características del láser. Este coeficiente deberá ser aplicado en todos los casos en los que se emplee ese láser lo que, en la práctica, implica multiplicar este coeficiente de solapamiento por el algoritmo de ablación con el que trabaje ese láser.Laser calibration procedure considering the pulse overlap applicable to calibrate lasers Gaussian pulse. This procedure allows to improve any type of calibration as it considers the energy over-exposure that points receive surrounding the area where the laser acts in a given moment. The principles on which this procedure is based are easy to carry out in practice: first it is calculated the "overlap coefficient", which will depend on the laser characteristics This coefficient should be applied in all cases in which this laser is used which, in the practice, involves multiplying this overlap coefficient by the ablation algorithm with which that laser works.

Description

Procedimiento de calibrado de láser considerando el solapamiento de los pulsos.Laser calibration procedure considering pulse overlap.

Sector de la técnicaTechnical sector

Instrumentación láser empleada en Oftalmología.Laser instrumentation used in Ophthalmology.

Estado de la técnicaState of the art

El objeto de la cirugía refractiva es eliminar tejido corneal mediante fotoablación para corregir defectos refractivos (miopía, hipermetropía, astigmatismo). Además, en los últimos años se pretende a la vez corregir las aberraciones ópticas (que degradan la calidad de imagen); por tanto, la precisión con la que se realiza el modelado de la cornea cada vez debe ser mayor. En los últimos años se ha conseguido por ejemplo, que el spot del láser sea cada vez más pequeño, pero si no se corrige el efecto-solapamiento que describimos en esta patente, estos instrumentos cada vez más avanzados tendrán siempre la limitación que presentamos, que, tiene una influencia importante en la forma corneal final.The purpose of refractive surgery is to eliminate corneal tissue by photoablation to correct defects refractive (myopia, farsightedness, astigmatism). Also, in the In recent years, the aim is to correct optical aberrations (which degrade image quality); therefore, accuracy with the The modeling of the cornea is performed every time must be greater. In in recent years it has been achieved, for example, that the spot of laser is getting smaller, but if you don't correct the overlapping effect that we describe in this patent, these increasingly advanced instruments will always have the limitation that we present, which, has an important influence on The final corneal shape.

En la actualidad, los sistemas láser empleados en cirugía refractiva se calibran, por ejemplo, siguiendo un procedimiento en el cual se elimina una zona de una placa de polimetilmetacrilato (PMMA) y luego se estudia si esa ablación es la esperada o no (ES 2 136 727). Este modo de calibración no es un método muy preciso pues el análisis de la zona tratada se hace en conjunto, y no punto a punto. Haciendo una revisión de las patentes que encontramos para este tipo de calibrado, encontramos que en el procedimiento que describen, también se analiza la forma final de la cornea tratada, considerada como una superficie extensa (US6666855, ES 2 136 727).Currently, the laser systems used in refractive surgery they are calibrated, for example, following a procedure in which an area of a plate is removed from polymethylmethacrylate (PMMA) and then it is studied if that ablation is the  expected or not (ES 2 136 727). This calibration mode is not a very precise method because the analysis of the treated area is done in set, and not point to point. Making a patent review that we found for this type of calibration, we found that in the procedure described, the final form of the treated cornea, considered as an extensive surface (US6666855, ES 2 136 727).

Según las búsquedas realizadas no se han encontrado patentes o descripciones de las casas comerciales en las que se considere el factor de solapamiento de los pulsos gaussianos en una misma zona corneal dentro de la zona tratada.According to the searches performed, they have not been found patents or descriptions of commercial houses in the that the overlapping factor of Gaussian pulses be considered in the same corneal area within the treated area.

Explicación de la invenciónExplanation of the invention. Objeto de la invenciónObject of the invention

Calibrar la emisión de los láseres empleados en cirugía refractiva de manera que conozcamos en cada punto corneal tratado el solapamiento de los pulsos gaussianos emitidos en las zonas circundantes para no eliminar más tejido del estrictamente necesario en cada punto.Calibrate the emission of lasers used in refractive surgery so that we know each corneal point treated the overlapping of the Gaussian pulses emitted in the surrounding areas so as not to remove more tissue from the strictly necessary at each point.

Resumen de la invenciónSummary of the Invention

El objeto de la invención es un procedimiento para optimizar el calibrado de los láseres empleados en la actualidad en las clínicas de cirugía refractiva.The object of the invention is a process to optimize the calibration of lasers used in the Present in refractive surgery clinics.

El problema que plantean otros métodos es que al hacer incidir sobre distintos puntos de la cornea diferentes pulsos láser, siempre existen zonas de la misma en las que se recibe el pulso correspondiente a esa zona y además pulsos de zonas cercanas, que alcanzan ese punto por la geometría del pulso (gaussiano) (Figura 1).The problem posed by other methods is that at make different pulses affect different points of the cornea laser, there are always areas of it in which the pulse corresponding to that area and also pulses from nearby areas, that reach that point by the pulse geometry (Gaussian) (Figure 1).

El procedimiento que presentamos permite hacer un calibrado mucho más preciso, en el que la intensidad real de energía que recibe cada punto de la córnea es conocida y por tanto, puede ajustarse a las necesidades reales de ablación. De esta forma, evitamos que un mismo punto corneal sea expuesto a más energía de la realmente necesaria, lo cual tiene como consecuencia una mayor eliminación de tejido. Este procedimiento puede aplicarse a todos los tipos de láseres (gaussiano o top-hat) empleados en la práctica clínica. Los principios en los que se basa este procedimiento son fáciles de llevar a cabo en la práctica. El procedimiento a seguir de forma resumida es el siguiente: en primer lugar se calcula lo que hemos llamado "coeficiente de solapamiento", este coeficiente corresponderá a un láser determinado. Una vez conocido el coeficiente, deberá ser aplicado en todos los casos en los que se aplique ese láser determinado (uso clínico, industrial, etc.), lo cual en la práctica implica multiplicar este coeficiente de solapamiento por el algoritmo de ablación con el que trabaje ese láser.The procedure we present allows you to do a much more precise calibration, in which the actual intensity of energy that receives each point of the cornea is known and therefore, It can be adjusted to the real needs of ablation. This form, we prevent the same corneal point from being exposed to more energy of the really necessary, which has as a consequence greater tissue removal This procedure can be applied. to all types of lasers (Gaussian or top-hat) employees in clinical practice. The principles on which it is based This procedure are easy to carry out in practice. He Summary procedure to follow is as follows: first place we calculate what we have called "coefficient of overlap ", this coefficient will correspond to a laser determined. Once the coefficient is known, it must be applied in all cases in which that particular laser is applied (use clinical, industrial, etc.), which in practice implies multiply this overlap coefficient by the algorithm of ablation with which that laser works.

Breve descripción de las ilustracionesBrief description of the illustrations

Figura 1: En esta figura observamos el efecto del solapamiento de dos pulsos en un mismo punto, P, de la superficie corneal, S. Este punto P, recibe energía correspondiente a los dos pulsos gaussianos representados (\Psi_{1}) y \Psi_{2}), aunque en realidad, si consideramos el punto P tridimensionalmente, estaría recibiendo energía de cada uno de los pulsos emitidos a su alrededor, por lo que el efecto no sería despreciable. D es el tamaño del spot del láser.Figure 1: In this figure we observe the effect overlapping two pulses at the same point, P, of the corneal surface, S. This point P, receives corresponding energy to the two Gaussian pulses represented (\ Psi_ {1}) and \ Psi_ {2}), although in reality, if we consider the point P three-dimensionally, I would be receiving energy from each of the pulses emitted around it, so the effect would not be negligible. D is the size of the laser spot.

Figura 2: Diferencia corneal media entre datos experimentales y teóricos simulados a partir de 3 valores de a. Para cada valor de a, los datos fueron simulados con y sin (c=1) el factor de corrección del solapamiento de los pulsos gaussianos. Los datos incluyen el error estándar. D es el nº de dioptrías a corregir.Figure 2: Mean corneal difference between experimental and theoretical data simulated from 3 values of a . For each value of a, the data were simulated with and without ( c = 1) the correction factor of the Gaussian pulse overlap. The data includes the standard error. D is the number of diopters to correct.

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

El procedimiento de calibrado que presentamos depende exclusivamente de las características del láser. Se trata de determinar la fluencia real del láser que llega a cada punto de la córnea. Por una parte, llegará energía que corresponde a pulsos que inciden en esa región concreta, pero a la vez, a ese mismo punto, llegará una cantidad de energía consecuencia de la forma gaussiana del pulso emitido por el láser (Figura 1). Así, en función de las características del láser exclusivamente podemos determinar y medir estas energías y corregir la ablación para conseguir que una misma zona corneal no reciba más energía de la estrictamente necesaria.The calibration procedure we present It depends exclusively on the characteristics of the laser. It is about of determining the actual creep of the laser that reaches each point of the cornea On the one hand, energy corresponding to pulses will arrive that affect that specific region, but at the same time point, an amount of energy will come as a result of the form Gaussian pulse emitted by the laser (Figure 1). So in function of laser characteristics exclusively we can determine and measure these energies and correct the ablation to ensure that the same corneal area does not receive more energy from the strictly necessary.

Detallaremos a continuación el desarrollo matemático seguido para obtener la expresión que nos proporciona el coeficiente de solapamiento que usaremos para mejorar el calibrado de los láseres. La exposición radiante (energía por área) del láser está directamente relacionada con la profundidad de ablación por pulso mediante la ley de Lambert-Beer:We will detail the development below mathematician followed to get the expression provided by the overlap coefficient that we will use to improve the calibration of lasers. Radiant exposure (energy per area) of the laser is directly related to the depth of ablation by pulse through the Lambert-Beer law:

1one

donde d_{p} es la profundidad de ablación por pulso, m es el perfil de eficiencia luminosa, F_{0} es la exposición radiante (energía por área iluminada) y F_{th} representa la exposición radiante umbral para que haya ablación. F_{0} es una constante que depende del tipo de láser, usualmente varía entre 120 mJ/cm^{2} y 400 mJ/cm^{2}, con F_{th} = 50 mJ/cm^{2}. Para considerar el efecto-solapamiento de los pulsos gaussianos, habremos de incluir un factor de corrección en la ley de Lambert-Beer. En un pulso gaussiano, la exposición incidente (fluencia) viene dada por:where d p is the pulse ablation depth, m is the luminous efficiency profile, F 0 is the radiant exposure (energy per illuminated area) and F th represents the radiant threshold exposure so that There is ablation. F 0 is a constant that depends on the type of laser, usually varies between 120 mJ / cm2 and 400 mJ / cm2, with F th = 50 mJ / cm2 } To consider the effect-overlap of Gaussian pulses, we will have to include a correction factor in the Lambert-Beer law. In a Gaussian pulse, the incident exposure (creep) is given by:

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donde x, y son coordenadas espaciales perpendiculares al eje óptico, w es el tamaño del haz (beam radius) y F_{0} es la exposición máxima, la cual está limitada por un tamaño de spot de D mm.where x , y are spatial coordinates perpendicular to the optical axis, w is the beam radius and F 0 is the maximum exposure, which is limited by a spot size of D mm.

Las distintas regiones corneales están sobre-expuestas ya que reciben energía extra cuando los puntos cercanos son tratados (ver figura 1). Por tanto, podemos calcular la foto-ablación causada en un punto determinado que es debida a la ablación en los puntos circundantes:The different corneal regions are overexposed since they receive extra energy when nearby points are treated (see figure 1). Therefore we can calculate the photo-ablation caused at one point determined that it is due to the ablation in the points surrounding:

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Este factor de corrección daría cuenta del efecto solapamiento (s) en un punto de los pulsos recibidos en zonas cercanas de la córnea. El límite de la integral r' viene condicionado por el tamaño del spot del láser D y por la superficie r donde se produce la ablación. De modo que r' vendrá dado por el valor mínimo de D/2 ó r. Podemos comprobar que s será =1 cuando el haz sea uniforme (w = \infty, pulso tipo top-hat), lo cual indicaría que no existe solapamiento. Por tanto, se puede aplicar este factor de corrección a todos los láseres empleados en la actualidad en las clínicas de cirugía fotorefractiva sean del tipo que sean (gaussiano o top-hat).This correction factor would account for the overlapping effect ( s ) at one point of the pulses received in areas near the cornea. The limit of the integral r 'is conditioned by the size of the spot of the laser D and by the surface r where the ablation occurs. So r 'will be given by the minimum value of D / 2 or r . We can verify that s will be = 1 when the beam is uniform ( w = \ infty, top-hat type pulse), which would indicate that there is no overlap. Therefore, this correction factor can be applied to all lasers currently used in photorefractive surgery clinics of any type (Gaussian or top-hat).

Resolviendo la ecuación (3) obtenemos:Solving equation (3) we obtain:

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Cualquier algoritmo de ablación utilizado por los láseres empleados en clínica, al ser multiplicado por este factor s de corrección (que depende exclusivamente del tamaño del haz, la exposición radiante y del tamaño del spot), estará considerando el efecto de solapamiento de los pulsos emitidos.Any ablation algorithm used by lasers used in clinic, when multiplied by this correction factor s (which depends exclusively on the size of the beam, radiant exposure and spot size), will be considering the overlapping effect of the emitted pulses.

Si calibramos el láser siguiendo este procedimiento, es decir, multiplicando el algoritmo de ablación con el que trabaje, por el valor obtenido para este coeficiente de solapamiento s, la predicción de la potencia corneal tras la ablación es significativamente mayor que si no lo consideramos.If we calibrate the laser following this procedure, that is, by multiplying the ablation algorithm with which it works, by the value obtained for this overlapping coefficient s , the prediction of the corneal power after the ablation is significantly greater than if we do not consider it.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Ejemplo Example Modo de Realización PreferidoPreferred Embodiment

Para calibrar un láser comercial determinado, hay que calcular el correspondiente coeficiente de solapamiento s, para ello hay que medir la exposición radiante F_{0} (energía por área) de ese láser (con un detector de energía para ultravioleta), y calcular r' (valor mínimo del tamaño del spot dividido entre dos (D/2)) (se mide también el tamaño del spot) y el área de la zona corneal que consideramos. w es un parámetro característico de cada láser. F_{th} es conocido para tejido corneal (50 mJ/cm^{2}).To calibrate a given commercial laser, the corresponding overlap coefficient s must be calculated, for this the radiant exposure F 0 (energy per area) of that laser (with an ultraviolet energy detector) must be measured, and calculated r '(minimum value of the spot size divided by two ( D / 2 )) (the spot size is also measured) and the area of the corneal area that we consider. w is a characteristic parameter of each laser. F th is known for corneal tissue (50 mJ / cm 2).

Así, la propia casa comercial puede calcular el coeficiente de solapamiento de cada láser y tenerlo en cuenta a la hora de programarlo para la aplicación clínica, de forma que se mejore la predicción del algoritmo de ablación utilizado, una vez calibrado de este modo.Thus, the commercial house itself can calculate the Overlap coefficient of each laser and take it into account time to schedule it for clinical application, so that improve the prediction of the ablation algorithm used, once calibrated in this way.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

Ejemplo de aplicaciónExample of application

Para comprobar que aplicar este factor de ajuste es realmente una mejora en la predicción de los datos experimentales en cirugía refractiva, se puede simular una aplicación de este a un determinado algoritmo de ablación. Para ello consideraremos este coeficiente de solapamiento s junto con otro conocido (ec 5) que da cuenta de las pérdidas por reflexión que se producen al incidir el láser sobre la córnea y de las pérdidas energéticas cuando el láser se aleja del eje óptico, y por tanto la incidencia deja de ser normal:To verify that apply this adjustment factor it's really an improvement in data prediction Experimental in refractive surgery, you can simulate a application of this to a certain ablation algorithm. For it we will consider this overlap coefficient s together with another known (ec 5) that accounts for the reflection losses that are produced when the laser affects the cornea and losses energy when the laser moves away from the optical axis, and therefore the incidence is no longer normal:

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donde, en esta expresión, R es el radio corneal post-quirúrgico, p es la asfericidad corneal pre-quirúrgica, y es la altura de incidencia y a = 1/1n(F_{0}/F_{th}).where, in this expression, R is the post-surgical corneal radius, p is the pre-surgical corneal asphericity, and is the height of incidence and a = 1 / 1n ( F 0 / F th).

Para considerar la corrección del solapamiento s, junto con el factor de ajuste (\rho), debemos multiplicar ambos factores (ecs. 4 y 5), de modo que cualquier algoritmo de ablación, que se corrija para considerar estos efectos, quedará multiplicado por s':To consider the overlap correction s, together with the adjustment factor (\ rho), we must multiply both factors (ecs. 4 and 5), so that any algorithm of ablation, which is corrected to consider these effects, will remain multiplied by s':

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Para calcular la influencia práctica de s' en cirugía refractiva podemos calcular el radio corneal predicho utilizando este coeficiente de corrección s' y comparar con resultados experimentales. La potencia corneal (\varphi) se calcula:
\varphi = \Deltan/R siendo R el 10 radio y \Deltan = 0.375 la diferencia entre el índice de refracción del aire y de la cornea. Apliquemos la ec. (6) a un algoritmo en particular. Muchos de los algoritmos de ablación que se utilizan están bajo propiedad de los autores, pero sí conocemos el algoritmo de Munnerlyn, en el cual se basa la cirugía refractiva no personalizada o cirugía estándar, y viene dado por la ecuación siguiente:
To calculate the practical influence of s 'in refractive surgery we can calculate the predicted corneal radius using this correction coefficient s' and compare with experimental results. The corneal power (\ varphi) is calculated:
var = Δ n / R where R is the 10 radius and Δ n = 0.375 the difference between the refractive index of the air and the cornea. Let's apply ec. (6) to a particular algorithm. Many of the ablation algorithms that are used are the property of the authors, but we do know the Munnerlyn algorithm, on which non-personalized refractive surgery or standard surgery is based, and is given by the following equation:

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donde D es el nº de dioptrías a corregir y d es el diámetro de la zona corneal tratada. La superficie corneal podemos representarla por un conicoide:where D is the number of diopters to be corrected and d is the diameter of the corneal area treated. The corneal surface can be represented by a conicoid:

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donde R es el radio de curvatura y p representa el factor-p o factor de asfericidad, con el eje óptico en el eje z y siendo x e y coordenadas espaciales.where R is the radius of curvature and p represents the p-factor or asphericity factor, with the optical axis on the z axis and where x and y are spatial coordinates.

Para determinar el radio corneal esperado tras una ablación dada por s'z(y), aplicamos un procedimiento matemático y encontramos las siguientes expresiones para el radio tras la cirugía:To determine the expected corneal radius after an ablation given by s' z (y) , we apply a mathematical procedure and find the following expressions for the radius after surgery:

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Observamos que el valor de R' depende de R, s, d y D. En nuestra simulación consideramos 3 valores diferentes de a: a = 0.48, 0.62 y 1.14, que corresponden a distintos valores de exposición incidente y a un factor de corrección del solapamiento de (a partir de (4)): s=0.93, 0.90 y 0.83, respectivamente.We observe that the value of R 'depends on R , s , d and D. In our simulation we consider 3 different values of a : a = 0.48, 0.62 and 1.14, which correspond to different incident exposure values and an overlap correction factor of (from (4)): s = 0.93, 0.90 and 0.83 respectively.

Estos resultados teóricos predichos utilizando los coeficientes de corrección se compararon con valores reales de sujetos operados. Se consideraron datos de 141 ojos miopes operados, los cuales fueron emetropizados aplicando el algoritmo de ablación de Munnerlyn (ec. 7). En la figura 2 se muestra la diferencia que aparece entre los resultados experimentales y los teóricos. Para cada valor de a la predicción se hizo considerando y sin considerar (s=1) el factor de corrección del solapamiento. Observamos que la predicción del radio corneal (el parámetro refractivo más importante) es mucho mejor cuando consideramos este factor de solapamiento.These predicted theoretical results using the correction coefficients were compared with real values of operated subjects. Data from 141 operated nearsighted eyes were considered, which were measured using the Munnerlyn ablation algorithm (ec. 7). Figure 2 shows the difference that appears between experimental and theoretical results. For each value of the prediction it was made considering and without considering ( s = 1) the overlap correction factor. We observe that the prediction of the corneal radius (the most important refractive parameter) is much better when we consider this overlap factor.

TABLA 1TABLE 1

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En la Tabla 1 pueden observarse las diferencias medias entre valores experimentales y teóricos para la potencia corneal (\Delta\varphi). Los datos teóricos han sido simulados con y sin el factor de corrección que considera el solapamiento de los pulsos gaussianos.Table 1 shows the differences. means between experimental and theoretical values for power corneal (\ Delta \ varphi). The theoretical data has been simulated with and without the correction factor that considers the overlap of Gaussian pulses

^{c}:La simulación incluye el factor de corrección del solapamiento.^ c: The simulation includes the factor of overlap correction.

*: Se encuentran diferencias significativas (p<0.05) para la potencia corneal aunque son menores en todos los casos en los que consideramos la corrección del solapamiento.*: Significant differences are found (p <0.05) for corneal power although they are lower in all the cases in which we consider the correctness of the overlap.

Los resultados encontrados para la potencia corneal muestran la importancia de usar este factor de corrección del solapamiento en los algoritmos de ablación. Las diferencias medias de potencia corneal entre datos teóricos y experimentales usando el factor de solapamiento o no varían entre 0.15 D y 0.35 D para a = 0.48 y a = 1.14, respectivamente. Estas diferencias pueden influir significativamente en la función visual del observador, pues sabemos que pequeños valores de desenfoque deterioran la agudeza visual.The results found for corneal power show the importance of using this overlap correction factor in ablation algorithms. The mean differences in corneal power between theoretical and experimental data using the overlapping factor or do not vary between 0.15 D and 0.35 D for a = 0.48 and a = 1.14, respectively. These differences can significantly influence the visual function of the observer, as we know that small blur values impair visual acuity.

A la vista de estos datos puede verse como considerar un factor de corrección que cuantifique el efecto del solapamiento de los pulsos gaussianos durante la ablación corneal puede mejorar significativamente la predicción de los datos corneales (potencia corneal).In view of this data it can be seen as consider a correction factor that quantifies the effect of overlapping Gaussian pulses during corneal ablation can significantly improve data prediction corneal (corneal power).

Claims (1)

1. Método de optimización del calibrado de los láseres empleados en cirugía fotorefractiva, caracterizado por reprogramar el software de ablación del láser multiplicando el algoritmo definido en dicho software por el valor obtenido para el coeficiente de solapamiento, s, determinado por1. Method of optimizing the calibration of lasers used in photorefractive surgery, characterized by reprogramming the laser ablation software by multiplying the algorithm defined in said software by the value obtained for the overlap coefficient, s , determined by 11eleven donde r' viene dado por la mitad del tamaño del spot del láser (característico de cada láser); w es el tamaño del haz láser (característico según el tipo de láser); F_{0} es la exposición radiante del láser y F_{th} representa la exposición radiante umbral para que haya ablación (en el caso concreto de ablación de tejido corneal F_{th}=50 mJ/cm^{2}).where r 'is given by half the size of the laser spot (characteristic of each laser); w is the size of the laser beam (characteristic according to the type of laser); F 0 is the radiant exposure of the laser and F th represents the radiant threshold exposure for ablation (in the specific case of corneal tissue ablation F th = 50 mJ / cm 2) ).
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