RU106837U1

RU106837U1 - OPHTHAL SURGICAL REFRACTION LASER SYSTEM

Info

Publication number: RU106837U1
Application number: RU2009121599/14U
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Тихов
Original assignee: Александр Викторович Тихов
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2011-07-27

Abstract

Офтальмохирургическая рефракционная лазерная система, содержащая импульсный лазер, соединенный с блоком питания и системой охлаждения, компьютерную систему управления, осветительную систему, систему аспирации, бинокулярный микроскоп, видеокамеру системы активного слежения, пилотный лазер видимого диапазона, диафрагму, а также модуль доставки излучения, содержащий двухкоординатный гальваносканер, проекционный объектив, поворотные зеркала, отличающаяся тем, что в качестве импульсного лазера применен твердотельный импульсный наносекундный лазер с активными элементами на основе кристаллов Nd:YAG (алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом) с длиной волны излучения 1064 нм или Nd:YLF (двойной литий-иттриевый фторид, легированный неодимом) с длиной волны излучения 1047 или 1053 нм, с оптической накачкой импульсной ксеноновой лампой с частотой генерации импульсов 50-500 Гц или блоком светодиодов с частотой генерации импульсов 100-500 Гц, модуляцией добротности резонатора электрооптическим затвором и системой нелинейного преобразования основной длины волны излучения, содержащей нелинейные кристаллы модификации длины волны второй, третьей, четвертой и пятой гармоник, с получением длины волны пятой гармоники смешением длины волны второй и третьей гармоник или смешением длины волны основной и четвертой гармоник, модулем доставки излучения, снабженным блоком регулирования энергии, содержащим фазовую полуволновую пластину (λ/2) и поляризатор в виде стопы пластин из кварцевого стекла, расположенных под углом Брюстера, с частотой генерации импульсов 50-500 Гц, длительностью импульса 5-15 нс, мощностью импульса в пятой гармон� An ophthalmic surgical refractive laser system containing a pulsed laser connected to a power supply and cooling system, a computer control system, a lighting system, an aspiration system, a binocular microscope, an active tracking system video camera, a visible laser, an aperture, and a two-axis radiation delivery module galvanoscanner, projection lens, rotary mirrors, characterized in that a solid-state pulsed deposit is used as a pulsed laser base laser with active elements based on Nd: YAG crystals (yttrium-aluminum garnet doped with neodymium) with a radiation wavelength of 1064 nm or Nd: YLF (neodymium-doped double lithium yttrium fluoride) with a radiation wavelength of 1047 or 1053 nm, with optical pumping a pulsed xenon lamp with a pulse generation frequency of 50-500 Hz or an LED block with a pulse generation frequency of 100-500 Hz, Q-switch of the resonator with an electro-optical shutter and a nonlinear system for converting the main radiation wavelength containing linear crystals of the modification of the wavelength of the second, third, fourth and fifth harmonics, with obtaining the fifth harmonic wavelength by mixing the second and third harmonics wavelength or by mixing the fundamental and fourth harmonics wavelength, a radiation delivery module equipped with an energy control unit containing a phase half-wave plate ( λ / 2) and a polarizer in the form of a stack of quartz glass plates located at a Brewster angle, with a pulse generation frequency of 50-500 Hz, a pulse duration of 5-15 ns, and a pulse power in fifth harmonic

Description

Изобретение относится к медицинской лазерной технике и может быть использовано в офтальмологии для проведения операций по изменению кривизны наружной поверхности роговицы с целью устранения аномалий рефракции при миопии, гиперметропии, астигматизме.The invention relates to medical laser technology and can be used in ophthalmology for operations to change the curvature of the outer surface of the cornea in order to eliminate refractive errors in myopia, hyperopia, astigmatism.

Известна установка для лазерной коррекции роговицы глаза (см патент РФ №2230538 Кл. A61F 9/008, 2004 г.), содержащая импульсно переодический эксимерный лазер, с блоком питания и системой охлаждения, модуль доставки излучения, содержащий диафрагму, двухкоординатный гальваносканер, проекционную линзу, формирующую на поверхности глаза пациента аблирующее пятно излучения хирургического лазера, поворотное дихроичное зеркало, микроскоп, центрирующий лазер видимого диапазона, компьютерную систему управления.A known installation for laser correction of the cornea of the eye (see RF patent No. 2230538 Cl. A61F 9/008, 2004), containing a pulse-periodic excimer laser, with a power supply and cooling system, a radiation delivery module containing a diaphragm, two-axis galvanoscanner, projection lens , forming on the surface of the patient’s eye an ablating spot of a surgical laser radiation, a rotating dichroic mirror, a microscope, a centering laser of the visible range, a computer control system.

Недостатком известной установки является использование в качестве источника рабочего ультрафиолетового (УФ) излучения аргон-фторного (ArF) эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Эксплуатация названной эксимерной лазерной системы сопряжена с опасностями: наличием токсичного фтора, повышенным давлением в рабочей камере и баллонах, проблемами, связанными с транспортировкой и хранением токсичного газа. Известны особенности конструкции газового эксимерного лазера, которые обуславливают сложность эксплуатации лазерной рефракционной хирургической установки. К таковым относятся:A disadvantage of the known installation is the use of an argon-fluorine (ArF) excimer laser with a wavelength of 193 nm as a source of working ultraviolet (UV) radiation. The operation of this excimer laser system is fraught with dangers: the presence of toxic fluorine, high pressure in the working chamber and cylinders, problems associated with the transportation and storage of toxic gas. Known design features of a gas excimer laser, which make it difficult to operate a laser refractive surgical unit. These include:

необходимость постоянного контроля за герметичностью газовых магистралей, необходимость регулярного технического обслуживания, направленного на замену рабочей газовой смеси, постоянную калибровку энергии, юстировку и чистку зеркал резонатора, расположенных внутри газовой камеры с агрессивной средой. Эксимерные лазеры имеют луч прямоугольного сечения и различную расходимость по двум перпендикулярным осям, а так же низкую степень когерентности. Излучение с длиной волны 193 нм активно поглощается парами воды, содержащейся в воздухе операционной, а так же молекулярным кислородом воздуха с образованием озона, который также поглощает УФ излучение. Рабочая смесь эксимерного лазера постоянно деградирует как активно (в ходе генерации излучения) так и пассивно (при хранении), приводя к снижению мощности УФ излучения и необходимости постоянной калибровки энергии, в зависимости от степени износа газовой смеси, температуры внутри газовой камеры в течение рабочего дня, а так же в зависимости от влажности воздуха и содержания в нем озона, что удлиняет время подготовки к операции и снижает общую производительность операционной бригады. Для того чтобы снизить потери УФ энергии за счет поглощения кислородом и парами воды и повысить качество аблирующего пятна с целью получения стабильного клинического результата, установка должна содержать сложные устройства модификации профиля луча, гомогенизирующие распределение плотности энергии в пятне луча, а так же устройства для продувки оптического тракта осушенным газообразным азотом. Атмосфера операционной, где установлена эксимерная лазерная система, должна подвергаться постоянному кондиционированию воздуха для снижения относительной влажности воздуха до 20-25 процентов. Побочным следствием кондиционирования является понижение температуры воздуха до 17-18 градусов, что снижает комфорт для пациентов и персонала. При выполнении рефракционных операций с применением эксимерной лазерной системы с длиной волны 193 нм хирург вынужден постоянно следить за гидратацией роговицы, не допуская подсушивания деэпителизированной стромы, либо напротив, удалять излишки слезы и рабочих растворов из конъюнктивальной полости, предотвращая избыточную гидратацию. Наличие вышеперечисленных факторов может приводить к нестабильным клиническим результатам, обусловленным избыточной или недостаточной абляцией ткани роговицы.the need for constant monitoring of the tightness of gas lines, the need for regular maintenance aimed at replacing the working gas mixture, constant energy calibration, alignment and cleaning of the resonator mirrors located inside the gas chamber with an aggressive environment. Excimer lasers have a beam of rectangular cross section and different divergences along two perpendicular axes, as well as a low degree of coherence. Radiation with a wavelength of 193 nm is actively absorbed by water vapor contained in the operating room air, as well as by the molecular oxygen of the air with the formation of ozone, which also absorbs UV radiation. The excimer laser working mixture constantly degrades both actively (during radiation generation) and passively (during storage), leading to a decrease in the UV radiation power and the need for constant energy calibration, depending on the degree of wear of the gas mixture and the temperature inside the gas chamber during the working day , as well as depending on air humidity and ozone content in it, which lengthens the preparation time for surgery and reduces the overall performance of the operating team. In order to reduce the loss of UV energy due to absorption by oxygen and water vapor and to improve the quality of the ablating spot in order to obtain a stable clinical result, the installation should contain sophisticated beam profile modification devices that homogenize the energy density distribution in the beam spot, as well as devices for purging the optical tract drained with gaseous nitrogen. The operating room atmosphere, where the excimer laser system is installed, must be constantly air-conditioned to reduce the relative humidity by 20-25 percent. A side effect of conditioning is lowering the air temperature to 17-18 degrees, which reduces comfort for patients and staff. When performing refractive operations using an excimer laser system with a wavelength of 193 nm, the surgeon is forced to constantly monitor the corneal hydration, preventing drying of the de-epithelized stroma, or, on the contrary, to remove excess tears and working solutions from the conjunctival cavity, preventing excessive hydration. The presence of the above factors can lead to unstable clinical results due to excessive or insufficient ablation of corneal tissue.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является выбранная в качестве прототипа известная офтальмохирургическая лазерная система (см. патент РФ №2301650, Кл, A61F 9\008, 2007 г.), содержащая ArF эксимерный импульсно-периодический лазер, имеющий газонаполненную камеру, расположенные в ней электроды, соединенные с источником питания, резонатор, модуль доставки излучения, содержащий сменную диафрагму, двухкоординатный гальваносканер, проекционный объектив, поворотное дихроичное зеркало, микроскоп, пилотный лазер видимого диапазона, компьютерную систему управления, модуль сужения линии излучения. В известной офтальмохирургической эксимерной лазерной системе частично решена проблема поглощения энергии УФ излучения кислородом при прохождении через естественную атмосферу и упрощена конструкция за счет отсутствия необходимости продувки оптического тракта азотом.The closest technical solution to the claimed one is a well-known ophthalmic surgical laser system selected as a prototype (see RF patent No. 2301650, CL, A61F 9 \ 008, 2007), containing an ArF excimer pulse-periodic laser having a gas-filled chamber located in it electrodes connected to a power source, a resonator, a radiation delivery module containing a replaceable diaphragm, a two-axis galvanoscanner, a projection lens, a rotary dichroic mirror, a microscope, a visible visible laser pilot, comp computer control system, radiation line narrowing module. The known ophthalmic surgical excimer laser system partially solves the problem of absorbing the energy of UV radiation by oxygen when passing through the natural atmosphere and simplifies the design due to the absence of the need to purge the optical path with nitrogen.

Недостатком известной эксимерной лазерной системы является наличие в импульсно-периодическом лазере газонаполненной камеры, газовых магистралей и газовых баллонов, присущих газовьм эксимерным лазерам. Особенности конструкции эксимерного лазера определяют указанные выше сложности его технического обслуживания и проблемы связанные с использованием токсичного фтора. УФ излучение с длиной волны 193 нм активно поглощается парами воды, содержащейся в воздухе операционной. Высокая чувствительность УФ излучения с длиной волны 193 нм к степени гидратации роговицы обуславливает проблемы в клиническом плане, связанные с возможностью избыточной или недостаточной абляцией стромы роговицы в ходе операции.A disadvantage of the known excimer laser system is the presence in the pulse-periodic laser of a gas-filled chamber, gas lines and gas cylinders inherent in gas excimer lasers. The design features of an excimer laser determine the above difficulties in its maintenance and problems associated with the use of toxic fluorine. UV radiation with a wavelength of 193 nm is actively absorbed by water vapor contained in the operating room air. The high sensitivity of UV radiation with a wavelength of 193 nm to the degree of hydration of the cornea causes clinical problems associated with the possibility of excessive or insufficient ablation of the corneal stroma during surgery.

Задачей заявляемого изобретения является создание офтальмологической хирургической лазерной системы для рефракционных операций с высокими эргономическими показателями, экологически чистой и безопасной в эксплуатации. Заявляемая система должна давать более предсказуемые и стабильные клинические результаты.The task of the invention is the creation of an ophthalmic surgical laser system for refractive surgeries with high ergonomic indicators, environmentally friendly and safe to use. The inventive system should give more predictable and stable clinical results.

Поставленная задача решается тем, что в офтальмо-хирургической лазерной рефракционной системе, содержащей импульсный лазер, соединенный с блоком питания и системой охлаждения, модуль доставки излучения, содержащий диафрагму, двухкоординатный гальваносканер, проекционный объектив, поворотные дуохромные зеркала, бинокулярный микроскоп, пилотный лазер видимого диапазона, видеокамеру системы активного слежения, осветительную систему, систему аспирации, компьютерную систему управления, по новому реализовано техническое решение получения рабочего УФ излучения. В качестве источника УФ излучения, применен твердотельный импульсный наносекундный лазер с активными элементами на основе кристалла Nd:YAG (аллюммоиттриевый гранат легированный неодимом), или кристалла Nd:YLF (двойной литий-иттриевый фторид легированный неодимом) с оптической накачкой и модуляцией добротности резонатора и системой нелинейного преобразования основной длины волны излучения, содержащей нелинейные кристаллы модификации длины волны второй, третьей, четвертой и пятой гармоник, модулем доставки излучения, снабженным блоком регулирования энергии, с частотой генерации импульсов 50-500 Гц, длительностью импульса 5-15 не, мощностью импульса в пятой гармонике 1-5 мДж. Использование в качестве активного элемента кристалла Nd:YAG, который генерирует инфракрасное излучение с длиной волны 1064 нм, позволяет получить в пятой гармонике длину волны УФ излучения 213 нм. Применение в качестве активного элемента кристалла Nd:YLF, который создает две линии излучения: 1047 нм или 1053 нм позволяет получить в пятой гармонике длину волны УФ излучения соответственно 209 нм или 211 нм. В блоке оптической накачки в качестве источника световой энергии может использоваться как импульсная ксеноновая лампа с частотой генерации импульсов 50-500 Гц, так и блок светодиодов с частотой генерации импульсов 100-500 Гц. Как в случае применения в качестве активного элемента Nd:YAG так и Nd:YLF получение рабочей длины волны пятой гармоники может быть достигнуто путем смешивания второй и третьей гармоники, либо смешивания основной длины волны генерируемого излучения и четвертой гармоники. В предложенной офтальмохирургической рефракционной твердотельной лазерной системе по новому решается техническая задача по регулированию и стабилизации энергии УФ излучения. Для этого на выходе рабочего луча импульсного лазера установлен блок регулирования энергии, включающий фазовую полуволновую (λ/2) пластину из кристалла кварца и поляризатор в виде стопы пластин из кварца, расположенных под углом Брюстера.The problem is solved in that in an ophthalmic-surgical laser refractive system containing a pulsed laser connected to a power supply and cooling system, a radiation delivery module containing a diaphragm, a two-coordinate galvanoscanner, a projection lens, rotary duochrome mirrors, a binocular microscope, a visible visible laser , camera active tracking system, lighting system, aspiration system, computer control system, a new technical solution is implemented working UV radiation. As a source of UV radiation, a solid-state pulsed nanosecond laser with active elements based on an Nd: YAG crystal (neodymium doped yttrium aluminum garnet), or an Nd: YLF crystal (double lithium yttrium fluoride doped with neodymium) with optical pumping and a resonator Q-switched and a Q-switched system was used nonlinear transformation of the main wavelength of the radiation containing nonlinear crystals of the wavelength modification of the second, third, fourth and fifth harmonics, a radiation delivery module equipped with a reg lation of energy generation with a frequency of 50-500 Hz pulses, pulse width 5-15 is not, the pulse power of the fifth harmonic of 1-5 mJ. The use of an Nd: YAG crystal as an active element, which generates infrared radiation with a wavelength of 1064 nm, makes it possible to obtain a wavelength of 213 nm of UV radiation in the fifth harmonic. The use of an Nd: YLF crystal as an active element, which creates two emission lines: 1047 nm or 1053 nm, allows obtaining the wavelength of UV radiation in the fifth harmonic, respectively, 209 nm or 211 nm. In the optical pumping unit, both a pulsed xenon lamp with a pulse generation frequency of 50-500 Hz and an LED block with a pulse generation frequency of 100-500 Hz can be used as a source of light energy. As in the case of using the Nd: YAG and Nd: YLF as the active element, obtaining the working wavelength of the fifth harmonic can be achieved by mixing the second and third harmonics, or by mixing the main wavelength of the generated radiation and the fourth harmonic. In the proposed ophthalmic surgical refractive solid-state laser system, the technical task of regulating and stabilizing the energy of UV radiation is being solved in a new way. For this, an energy control unit is installed at the output of the working beam of a pulsed laser, including a phase half-wave (λ / 2) plate made of a quartz crystal and a polarizer in the form of a stack of plates made of quartz located at a Brewster angle.

Сущность заявленной офтальмохирургической рефракционной твердотельной лазерной системы поясняется схематическим чертежом, где в корпусе 1 смонтированы оптико-механический блок (0МБ) 2 импульсного твердотельного лазера, соединенный с блоком 3 питания лазера и компьютерной системой 4 управления, системой 5 охлаждения лазера, системой 6 аспирации и осветительной системой 7. 0МБ 2 лазера содержит блок 8 излучателя, в котором смонтированы:The essence of the claimed ophthalmic surgical refractive solid-state laser system is illustrated by a schematic drawing, where in the housing 1 is mounted an optical-mechanical unit (0MB) 2 of a pulsed solid-state laser connected to a laser power unit 3 and a computer control system 4, a laser cooling system 5, an aspiration system 6 and a lighting system 7. 0MB 2 of the laser contains a block 8 of the emitter, in which are mounted:

активный элемент 9 задающего генератора и активный элемент 10 усилителя, представляющие из себя кристаллы аллюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG), блок оптической накачки 11, содержащий источник световой энергии. В качестве источника световой энергии использована импульсная ксеноновая лампа с частотой генерации импульсов 100 Гц. В блоке 8 излучателя смонтированы "глухое" 12 и выходное 13 зеркала оптического резонатора, электрооптический затвор 14, содержащий кристалл DKDP (ди-дейтеро фосфат калия), внутрирезонаторный 15 и усилительный 16 телескопы, поляризатор 17, призма 18, поворотные зеркала 19. Зеркало 12 полностью отражает на длине волны 1064 нм. Выходное зеркало 13 частично прозрачно для этой длины волны. Блок 11 оптической накачки, активный элемент 9 задающего генератора и активный элемент 10 усилителя охлаждается за счет циркуляции деионизированной воды, охлаждаемой принудительной вентиляцией в системе 5 охлаждения. Далее, по ходу лазерного луча 0МБ 2 импульсного твердотельного лазера содержит модификационный блок 20 второй гармоники из кристалла КТР (KTiOP0₄), модификационный блок 21 третьей гармоники из кристалла LBO (LiB₃O₅), модификационный блок 22 пятой гармоники, включающий кристалл ВВО (ВаВ₃О₃). Для обеспечения стабильности выходной энергетики все нелинейные кристаллы термостатируются. На выходе рабочего УФ луча в 0МБ 2 импульсного твердотельного лазера установлен блок 23 регулирования энергии, включающий фазовую полуволновую пластину (λ/2) из кристалла кварца и поляризатор виде стопы пластин из кварца, расположенных под углом Брюстера, диафрагма 24 и электро-механическая шторка 25. Модуль 26 доставки излучения содержит двухкоординатный гальваносканер 27, представляющий из себя два перпендикулярно расположенных зеркала 28, смонтированные на осях высокоточных гальваномоторов, управляемых общей компьютерной программой через интерфейсную плату совмещения, модуль 26 доставки излучения содержит также проекционный объектив 29, имеющий форму двояковыпуклой линзы с просветляющим покрытием на длину волны 213 нм и два поворотных, перпендикулярно расположенных зеркала 30, обеспечивающие попадание рабочего излучения с длиной волны 213 нм и излучения пилотного лазера 31 с длиной волны 635 нм на поверхность роговицы 32 пациента. Осветительная система 7 связана оптоволоконным световодом с объективом осветителя 33, снабженным поляризационным светофильтром 34. Такой же светофильтр 35 расположен перед объективом 36 видеокамеры 37, совмещенной с бинокулярным микроскопом 38. Оси поляризации светофильтров 34 и 35 расположены перпендикулярно для подавления паразитных бликов на роговице. Модуль 26 доставки излучения содержит два дополнительных прицельных лазера видимого диапазона 39, расположенных по углом 45 градусов к оси луча пилотного лазера 31.the active element 9 of the master oscillator and the active element 10 of the amplifier, which are crystals of aluminum-yttrium garnet doped with neodymium (Nd: YAG), an optical pump unit 11 containing a light energy source. As a source of light energy, a pulsed xenon lamp with a pulse generation frequency of 100 Hz was used. In the block 8 of the emitter mounted "blind" 12 and the output 13 of the mirror optical resonator, an electro-optical shutter 14 containing a DKDP crystal (potassium di-deutero phosphate), intracavity 15 and amplifying 16 telescopes, polarizer 17, prism 18, rotary mirrors 19. Mirror 12 fully reflects at a wavelength of 1064 nm. The output mirror 13 is partially transparent for this wavelength. The optical pumping unit 11, the active element 9 of the master oscillator and the active element 10 of the amplifier are cooled by circulation of deionized water cooled by forced ventilation in the cooling system 5. Further, along the 0MB 2 laser beam of a pulsed solid-state laser, it contains a second harmonic modification block 20 from a KTP crystal (KTiOP0 ₄ ), a third harmonic modification block 21 from an LBO crystal (LiB ₃ O ₅ ), and a fifth harmonic modification block 22 including a BBO crystal ( BaB ₃ O ₃ ). To ensure the stability of the output energy, all non-linear crystals are thermostated. At the output of the working UV beam, an energy control unit 23 is installed in a 0MB 2 pulsed solid-state laser, including a phase half-wave plate (λ / 2) made of a quartz crystal and a polarizer in the form of a stack of quartz plates located at a Brewster angle, aperture 24, and an electro-mechanical shutter 25 The radiation delivery module 26 contains a two-axis galvanoscanner 27, which is two perpendicular mirrors 28 mounted on the axes of high-precision galvanic motors controlled by a common computer program through the registration interface board, the radiation delivery module 26 also contains a projection lens 29 having the form of a biconvex lens with an antireflective coating at a wavelength of 213 nm and two rotary, perpendicularly arranged mirrors 30, which ensure the penetration of working radiation with a wavelength of 213 nm and radiation from a pilot laser 31 s a wavelength of 635 nm on the surface of the cornea of 32 patients. The lighting system 7 is connected by a fiber optic waveguide to the illuminator lens 33 provided with a polarizing filter 34. The same filter 35 is located in front of the lens 36 of the video camera 37, combined with a binocular microscope 38. The polarization axes of the filters 34 and 35 are perpendicular to suppress parasitic glare on the cornea. The radiation delivery module 26 contains two additional sighting lasers of the visible range 39 located at an angle of 45 degrees to the axis of the beam of the pilot laser 31.

Офтальмохирургическая рефракционная лазерная система работает следующим образом. Перед началом операции в компьютерную систему 4 управления установкой вводятся индивидуальные показатели субъективной рефракции пациента: величина сферической рефракции, величина цилиндрической рефракции, величина оси астигматизма, величина исходной кривизны роговицы, а так же величины оптической и переходной зон. Программа управления установкой содержит алгоритм, рассчитывающий последовательность координат для перемещения аблирующего пятна на поверхности роговицы 32 в зависимости от введенных индивидуальных параметров, размера и профиля лазерного луча, а так же величины энергии в импульсе. Алгоритм расчета координат устроен таким образом, чтобы результирующая кривизна поверхности роговицы 32 обеспечивала оптической системе глаза эмметропическую рефракцию. Основное излучение с длиной волны 1064 нм образуется путем стимулированного излучения активного элемента 9 при накачке излучением от источника световой энергии. Для получения гигантского импульса наносекундной длительности производится модуляция добротности лазерного резонатора электрооптическим затвором 14. Работа затвора 14 происходит следующим образом: к кристаллу DKDP прикладывается постоянное четвертьволновое напряжение (Uλ/4), обеспечивающее за счет электрооптического эффекта в кристалле превращение линейно - поляризованного в плоскости падения на поляризатор 17 излучения, в циркулярно-поляризованное. Отразившись от "глухого" 12 зеркала с коэффициентом отражения R>99% и вторично пройдя через кристалл DKDP излучение приобретает линейную поляризацию с "S" поляризацией (поляризация в плоскости перпендикулярной плоскости падения на поляризатор). "S" поляризация отражается от поляризатора 17 и не возвращается в резонатор. Потери в резонаторе велики и генерация отсутствует. В момент достижения в активном элементе 9 наибольшей инверсии на затвор 14 подается импульсное напряжение равное по величине, но противоположное по полярности постоянному четверть волновому напряжению Ш/4. При этом изменения поляризации излучения в затворе 14 не происходит, добротность резонатора резко возрастает и 0МБ лазера 2 генерирует "гигантский" импульс. Внутрирезонаторный телескоп 15 производит модовую селекцию, повышая когерентность лазерного излучения. Активный элемент 10 усилителя выходной энергии накачивается лампой одновременно с активным элементом 9 задающего генератора. Телескоп 16 усилителя служит для более полного заполнения апертуры усилителя. Полученное лазерное излучение с длиной волны 1064 нм проходит через блок 20 второй гармоники и преобразуется в излучение с длиной волны 532 нм. Преобразование излучения основной длины волны (1064 нм) в излучение второй гармоники (532 нм) осуществляется в кристалле КТР, вырезанном по второму типу скалярного 90° синхронизма. Преобразование основной длины волны (1064 нм) и длины волны второй гармоники (532 нм) в излучение третьей гармоники (355 нм) производится в кристалле LBO, вырезанном для преобразования по первому типу скалярного синхронизма, расположенном в блоке 21 третьей гармоники. Далее излучение попадает в блок 22 пятой гармоники, где с помощью кристалла ВВО излучение второй (532 нм) гармоники и третьей (355 нм) гармоники суммируется и модифицируется в излучение пятой гармоники (213 нм). Селекция рабочего излучения осуществляется спектроделителем, а остаточное излучение предыдущих диапазонов поглощается фильтрами. Твердотельный импульсный лазер работает с частотой 100 Гц. Электрическая энергия импульса накачки составляет 20Дж при мощности ксеноновой лампы 1000W. Длительность импульса излучения по уровню 0,5 составляет 15 не. Выходная мощность излучения пятой гармоники с длиной волны 213 нм составляет 4 мДж, что более чем в 4 раза превышает необходимый порог абляции коллагена роговицы. Выходное пятно излучения пятой гармоники имеет круглую форму диаметром 3 мм с Гауссовым распределением плотности энергии и высокой когерентностью, с энергетической расходимостью (по уровню 0,86) менее 1,5 мРад. Вне момента операционного вмешательства лазерное излучение не попадает в модуль 26 доставки излучения, а с помощью электромеханической шторки 25 отсекается от последнего. При выходе рабочего луча из корпуса 0МБ 2 лазера с ним соосно совмещается излучение пилотного лазера 31. Далее соосные лучи попадают в двухкоординатный гальваносканер 27, который позиционирует зеркала в соответствии с заранее рассчитанными координатами для выполнения процедуры абляции на роговице 32 конкретного пациента с учетом поправок, выдаваемых системой активного слежения за глазом в режиме реального времени. Пилотный и рабочий лучи, проходя через проекционный объектив 29, попадают на поворотные зеркала 30, которые направляют лучи на поверхность роговицы 32 пациента, расположенной под срезом оптического тракта лазерной рефракционной установки. Наведение и центровка рабочего луча производится путем совмещения оси луча пилотного лазера 31 и лучей нацеливающих лазеров 39 с оптической прицельной сеткой операционного микроскопа 38. Видеокамера 37 с объективом 36, закрепленная на микроскопе 38, направлена на операционное поле. Видеокамера 37 производит фиксацию положения глаза пациента с частотой съемки до 1000 Гц. Видеоряд передается в общую программу управления, обрабатывается по специальному алгоритму с вычислением абсолютных координат положения оптического центра роговицы 32 пациента. Перед началом операции пациент должен установить и зафиксировать взгляд на сигнальный зеленый светодиод, расположенный в блоке микроскопа 38 соосно с лучом пилотного лазера 31. Хирург, манипулируя джойстиком операционного стола и клавишами управления установкой, совмещает оптический центр роговицы 32, определяемый по отражению луча пилотного лазера 31 от макулы сетчатки глаза с центром виртуальной разметки системы активного слежения, отображаемым на компьютерном мониторе, транслирующем видеоизображение операционного поля с учетом угла "гамма", индивидуального для каждого пациента. Далее система активного слежения будет проводить мониторинг положения глаза, и выдавать координаты смещения глаза в реальном режиме времени в общую программу управления. Хирург включает систему аспирации, и подтверждает начало операции нажатием ножной педали включения генерации. Перед проведением генерации очередного импульса лазерного излучения в заранее рассчитанную координату вводится поправка в соответствии с реальным положением глаза. Результирующая координата подается на блок управления зеркалами гальваносканера 27, которые устанавливаются в нужную позицию. После получения сигнала синхроимпульса, подтверждающего готовность зеркал 28 гальваносканера 27, подается напряжение на электрооптический затвор 14, который обеспечивает генерацию рабочего импульса наносекундной длительности. Основное излучение лазера с длиной волны 1064 нм преобразуется в ультрафиолетовое излучение пятой гармоники с длиной волны 213 нм, которое проходит через элементы оптического тракта и попадает на поверхность роговицы 32 в заданную точку. Продукты абляции ткани роговицы 32 удаляются системой 6 аспирации. После этого рабочий цикл повторяется. При отклонении глаза из границ операционного поля, на величину, более заданной, система 4 управления автоматически блокирует генерацию импульсов. Система 4 останавливает генерацию импульсов лазера, устанавливает зеркала 28 гальваносканера 27 в нерабочее положение, обеспечивающее отклонение оси рабочего луча в специальную оптическую ловушку и дополнительно перекрывает оптический тракт механической шторкой 25. После корректировки положения глаза пациента хирург подтверждает продолжение операции нажатием ножной педали, включая генерацию импульсов. После окончания абляции поверхность роговицы имеет оптически правильную поверхность, новая кривизна которой в сочетании с другими оптическими элементами глаза (стекловидное тело, хрусталик) обеспечивают эмметропическую рефракцию.Ophthalmic refractive laser system operates as follows. Before the operation, individual indicators of patient subjective refraction are introduced into the computer control system 4 of the installation: the magnitude of the spherical refraction, the magnitude of the cylindrical refraction, the magnitude of the axis of astigmatism, the magnitude of the initial curvature of the cornea, as well as the magnitude of the optical and transition zones. The installation control program contains an algorithm that calculates the sequence of coordinates for moving the ablative spot on the surface of the cornea 32 depending on the entered individual parameters, the size and profile of the laser beam, as well as the magnitude of the energy in the pulse. The coordinate calculation algorithm is designed so that the resulting curvature of the surface of the cornea 32 provides the optical system of the eye with emmetropic refraction. The main radiation with a wavelength of 1064 nm is formed by stimulated emission of the active element 9 when pumped by radiation from a light energy source. To obtain a giant nanosecond pulse, the Q-factor of the laser resonator is modulated by an electro-optical shutter 14. The shutter 14 operates as follows: a constant quarter-wave voltage (Uλ / 4) is applied to the DKDP crystal, which, due to the electro-optical effect, transforms a linearly polarized plane into the plane of incidence radiation polarizer 17, in a circularly polarized. Reflected from a “deaf” 12 mirror with a reflection coefficient R> 99% and after passing through a DKDP crystal a second time, the radiation acquires linear polarization with an “S” polarization (polarization in the plane perpendicular to the plane of incidence on the polarizer). The “S” polarization is reflected from the polarizer 17 and does not return to the resonator. Losses in the cavity are large and there is no generation. At the time of reaching the highest inversion in the active element 9, a pulse voltage equal in magnitude but opposite in polarity to a constant quarter of the wave voltage W / 4 is applied to the gate 14. In this case, there is no change in the polarization of radiation in the gate 14, the quality factor of the resonator increases sharply, and the 0MB laser 2 generates a "giant" pulse. The intracavity telescope 15 produces mode selection, increasing the coherence of laser radiation. The active element 10 of the output energy amplifier is pumped by the lamp simultaneously with the active element 9 of the master oscillator. The amplifier telescope 16 serves to more fully fill the aperture of the amplifier. The resulting laser radiation with a wavelength of 1064 nm passes through the second harmonic block 20 and is converted into radiation with a wavelength of 532 nm. The conversion of the radiation of the fundamental wavelength (1064 nm) to the radiation of the second harmonic (532 nm) is carried out in a KTP crystal cut out according to the second type of scalar 90 ° synchronism. The fundamental wavelength (1064 nm) and the second harmonic wavelength (532 nm) are converted to third harmonic radiation (355 nm) in an LBO crystal cut for conversion according to the first type of scalar synchronism located in block 21 of the third harmonic. Then the radiation enters the fifth harmonic block 22, where, using the BBO crystal, the radiation of the second (532 nm) harmonic and the third (355 nm) harmonic is summed and modified into fifth harmonic radiation (213 nm). The selection of the working radiation is carried out by a spectro-splitter, and the residual radiation of the previous ranges is absorbed by the filters. A solid state pulsed laser operates at a frequency of 100 Hz. The electric energy of the pump pulse is 20 J with a xenon lamp power of 1000W. The duration of the radiation pulse at a level of 0.5 is 15 ns. The output radiation power of the fifth harmonic with a wavelength of 213 nm is 4 mJ, which is more than 4 times the required threshold for corneal collagen ablation. The fifth harmonic output spot is circular in shape with a diameter of 3 mm with a Gaussian distribution of energy density and high coherence, with an energy divergence (at a level of 0.86) of less than 1.5 mrad. Outside the moment of surgical intervention, the laser radiation does not enter the radiation delivery module 26, but is cut off from the latter with the help of an electromechanical shutter 25. When the working beam exits the laser 0MB 2 laser beam, the radiation of the pilot laser 31 is coaxially aligned with it. Next, the coaxial rays enter the two-coordinate galvanoscanner 27, which positions the mirrors in accordance with pre-calculated coordinates for the ablation procedure on the cornea 32 of a particular patient, taking into account the amendments issued real-time active eye tracking system. The pilot and working beams, passing through the projection lens 29, fall onto the rotary mirrors 30, which direct the beams to the surface of the cornea 32 of the patient, located under the cut of the optical path of the laser refractive system. Aiming and centering of the working beam is done by combining the axis of the beam of the pilot laser 31 and the beams of the targeting lasers 39 with the optical reticle of the operating microscope 38. A video camera 37 with a lens 36 mounted on a microscope 38 is directed to the operating field. The video camera 37 fixes the position of the patient’s eye with a recording frequency of up to 1000 Hz. The video sequence is transmitted to the general control program, processed according to a special algorithm with the calculation of the absolute coordinates of the position of the optical center of the cornea 32 of the patient. Before starting the operation, the patient must establish and fix a glance at the signal green LED located in the microscope unit 38 coaxially with the pilot laser beam 31. The surgeon, manipulating the operating table joystick and installation control keys, combines the optical center of the cornea 32, determined by the reflection of the pilot laser beam 31 from the macula of the retina with the center of the virtual marking of the active tracking system displayed on a computer monitor broadcasting a video image of the surgical field taking into account the angle "gamma", individual for each patient. Next, the active tracking system will monitor the position of the eye, and provide the coordinates of the displacement of the eye in real time to the general control program. The surgeon turns on the suction system, and confirms the start of the operation by pressing the foot pedal to turn on the generation. Before generating the next laser pulse, a correction is introduced into the pre-calculated coordinate in accordance with the actual position of the eye. The resulting coordinate is supplied to the control unit of the mirrors of the galvanoscanner 27, which are installed in the desired position. After receiving a sync pulse signal confirming the readiness of the mirrors 28 of the galvanoscanner 27, a voltage is applied to the electro-optical shutter 14, which provides the generation of a working pulse of nanosecond duration. The main laser radiation with a wavelength of 1064 nm is converted to ultraviolet radiation of the fifth harmonic with a wavelength of 213 nm, which passes through the elements of the optical path and enters the surface of the cornea 32 at a given point. Corneal tissue ablation products 32 are removed by an aspiration system 6. After that, the work cycle is repeated. When the eye deviates from the boundaries of the surgical field, by an amount more than specified, the control system 4 automatically blocks the generation of pulses. System 4 stops the generation of laser pulses, sets the mirrors 28 of the galvanoscanner 27 to an inoperative position, which deviates the axis of the working beam in a special optical trap and additionally blocks the optical path with a mechanical shutter 25. After adjusting the position of the patient’s eye, the surgeon confirms the continuation of the operation by pressing the foot pedal, including pulse generation . After the end of ablation, the surface of the cornea has an optically correct surface, the new curvature of which in combination with other optical elements of the eye (vitreous body, lens) provide emmetropic refraction.

Положительными конструктивными свойствами твердотельной лазерной рефракционной системы являются: отсутствие расходных газовых смесей, отсутствие токсичного элемента (фтора) в установке, отсутствие газонаполненной камеры, газовых баллонов, герметичных газовых соединений, клапанов, сменных фильтров, а также малый вес системы. Высокая стабильность энергетических показателей в течение всего срока службы установки, нахождение зеркал резонатора, активных элементов, источника оптической накачки и других оптических элементов в неагрессивной нетоксичной среде, высокая автономность и быстрый выход на рабочий режим при включении установки, обеспечивают высокие эргономические показатели и удобство обслуживания. Более высокая по сравнению с эксимерным излучением когерентность, круглая форма профиля луча, равномерное Гауссиановское распределение плотности энергии в пятне луча, а так же высокие показатели стабильности энергетических параметров от импульса к импульсу позволяет улучшить качественные показатели абляции и повысить гладкость оптической зоны оперируемой поверхности роговицы. Кроме того, ультрафиолетовое излучение с волны 213 нм проходя по оптическому тракту прибора и через слой воздуха между срезом лазерной рефракционной установки и поверхностью роговицы не теряет энергию за счет поглощения кислородом и парами воды. Не происходит также образование озона из-за взаимодействия излучения с молекулами кислорода. Это обеспечивает подведение ультрафиолетовой энергии с заданной величиной к поверхности роговицы без потерь независимо от влажности воздуха в операционной и продолжительности работы лазерной системы в течение дня. Длина волны излучения 213 нм твердотельного Nd:YAG лазера имеет преимущества по сравнению с длиной волны 193 нм ArF эксимерного лазера, так как расположена ближе к пику поглощения коллагена роговицы. Длина волны 213 нм имеет лучшее пропускание через воду и физиологический раствор, что снижает нагрев роговицы и уменьшает ее повреждение. Толерантность УФ излучения с длиной волны 213 нм к степени гидратации роговицы обеспечивает абляцию стромы роговицы в заданном объеме независимо от степени ее гидратации. Соответствие заданных параметров абляции, реально произведенным в ходе операции, обуславливает моделирование оптически правильной кривизны наружной поверхности роговицы, обеспечивающей эмметропическую рефракцию пациента.Positive constructive properties of a solid-state laser refractive system are: the absence of consumable gas mixtures, the absence of a toxic element (fluorine) in the installation, the absence of a gas-filled chamber, gas cylinders, sealed gas connections, valves, replaceable filters, and also the low weight of the system. High stability of energy indicators throughout the entire service life of the installation, the presence of resonator mirrors, active elements, an optical pump source and other optical elements in a non-aggressive non-toxic environment, high autonomy and quick access to the operating mode when the installation is turned on, provide high ergonomic indicators and ease of maintenance. Higher coherence compared to excimer radiation, the round shape of the beam profile, the uniform Gaussian distribution of the energy density in the spot of the beam, as well as high stability parameters of energy parameters from pulse to pulse can improve the quality of ablation and increase the smoothness of the optical zone of the corneal surface being operated on. In addition, ultraviolet radiation from a wave of 213 nm passing through the optical path of the device and through the air layer between the section of the laser refractive unit and the surface of the cornea does not lose energy due to absorption by oxygen and water vapor. The formation of ozone also does not occur due to the interaction of radiation with oxygen molecules. This provides the supply of ultraviolet energy with a given value to the surface of the cornea without loss, regardless of the humidity in the operating room and the duration of the laser system during the day. The emission wavelength of 213 nm solid-state Nd: YAG laser has advantages compared to the wavelength of 193 nm ArF excimer laser, as it is located closer to the peak absorption of corneal collagen. The wavelength of 213 nm has the best transmission through water and physiological saline, which reduces the heating of the cornea and reduces its damage. Tolerance of UV radiation with a wavelength of 213 nm to the degree of hydration of the cornea provides ablation of the corneal stroma in a given volume regardless of the degree of hydration. Correspondence of the specified ablation parameters actually produced during the operation leads to the modeling of the optically correct curvature of the outer surface of the cornea, which ensures the patient's emmetropic refraction.

Названные преимущества предложенной системы позволяют получать более предсказуемые и стабильные клинические результаты.The named advantages of the proposed system allow to obtain more predictable and stable clinical results.

Опытный образец офтальмохирургической рефракционной твердотельной лазерной системы разработан и изготовлен в ЗАО "Межрегиональная клиника", г.Ярославль.A prototype of an ophthalmic surgical refractive solid-state laser system was developed and manufactured in CJSC Interregional Clinic, Yaroslavl.

Claims

An ophthalmic surgical refractive laser system containing a pulsed laser connected to a power supply and cooling system, a computer control system, a lighting system, an aspiration system, a binocular microscope, an active tracking system video camera, a visible laser, an aperture, and a two-axis radiation delivery module galvanoscanner, projection lens, rotary mirrors, characterized in that a solid-state pulsed deposit is used as a pulsed laser base laser with active elements based on Nd: YAG crystals (yttrium-aluminum garnet doped with neodymium) with a radiation wavelength of 1064 nm or Nd: YLF (neodymium-doped double lithium yttrium fluoride) with a radiation wavelength of 1047 or 1053 nm, with optical pumping a pulsed xenon lamp with a pulse generation frequency of 50-500 Hz or an LED block with a pulse generation frequency of 100-500 Hz, Q-switch of the resonator with an electro-optical shutter and a nonlinear system for converting the main radiation wavelength containing linear crystals of the modification of the wavelength of the second, third, fourth and fifth harmonics, with obtaining the fifth harmonic wavelength by mixing the wavelength of the second and third harmonics or by mixing the wavelength of the fundamental and fourth harmonics, a radiation delivery module equipped with an energy control unit containing a phase half-wave plate ( λ / 2) and a polarizer in the form of a stack of quartz glass plates located at a Brewster angle, with a pulse generation frequency of 50-500 Hz, a pulse duration of 5-15 ns, and a pulse power in the fifth harmonic ke 1-5 mJ, the wavelength at the fifth harmonic is 209, 211, 213 nm.