RU2423959C1

RU2423959C1 - Ophthalmosurgical laser system based on femtosecond laser

Info

Publication number: RU2423959C1
Application number: RU2010108414/14A
Authority: RU
Inventors: Сергей Каренович Вартапетов (RU); Сергей Каренович Вартапетов; Константин Эдуардович Лапшин (RU); Константин Эдуардович Лапшин; Алексей Захарович Обидин (RU); Алексей Захарович Обидин
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосистемы"
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-07-20
Also published as: DE212011100060U1; CN202682148U; WO2011112120A1

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medical equipment. System contains femtosecond laser, system of radiation delivery, scanning module for movement of focal point in accordance with selected algorithm, focusing system, whose optic elements have definite size, whose projection onto operation plane has boundaries, control system. Permitted focal points of focusing system are located beyond projection of system optic elements onto operation plane, are located at the distance from projection boundary equal to at least two sizes of focal spot and are available for observation during operation.

EFFECT: application of claimed system will make it possible to realise direct observation of operation field.

5 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к лазерным системам для офтальмохирургических операций, в частности к системам для интрастромального воздействия на роговицу.The present invention relates to laser systems for ophthalmic surgery, in particular to systems for intrastromal action on the cornea.

Известен патент США №4091814, в котором описан лазерный оптический аппарат для операции под микроскопом, в котором для направления лазерного луча использован отражатель, установленный под углом 45°, направляющий лазерный луч на параболическое зеркало, служащее линзой объектива микроскопа, на плоский отражатель, движимый мотором для перемещения точки фокусировки лазерного излучения. В данном техническом решении путь лазерного излучения и оптический путь наблюдения операционного поля совпадает, что можно использовать при точечном воздействии лазерным излучением на объект, но невозможно при сканировании лазерным лучом.Known US patent No. 4091814, which describes a laser optical apparatus for operation under a microscope, in which to direct the laser beam using a reflector mounted at an angle of 45 °, directing the laser beam to a parabolic mirror, which serves as the lens of the microscope objective, to a flat reflector driven by a motor to move the focus point of the laser radiation. In this technical solution, the path of laser radiation and the optical path of observation of the operating field are the same, which can be used for a point-by-point action of laser radiation on an object, but it is impossible when scanning with a laser beam.

Известна заявка США №20080051772, в которой описан метод и прибор для бесклапанного, интрастромального кератомилеза для коррекции миопии, гиперметропии и астигматизма. Система содержит лазер и в качестве объектива использовано параболическое зеркало. Однако излучение падает на роговицу почти по касательной к поверхности роговицы, что не позволяет использовать подобную систему для высокоточных лазерных операций, требующих точной фокусировки, так как при таком падении излучения велики искажения лазерного луча, к тому же велико отражение излучения. Кроме того, подобная система фокусирует лазерный луч в точку размером порядка 50 мкм, для проведения большинства операций это слишком низкая точность.Known application US No. 20080051772, which describes a method and device for valveless, intrastromal keratomileusis for the correction of myopia, hyperopia and astigmatism. The system contains a laser and a parabolic mirror is used as a lens. However, the radiation falls on the cornea almost tangentially to the surface of the cornea, which does not allow the use of such a system for high-precision laser operations that require precise focusing, since with such a drop in radiation, the laser beam is distorted, and the reflection of radiation is also high. In addition, such a system focuses the laser beam to a point of about 50 microns in size, for most operations this is too low accuracy.

Для осуществления операций на роговице, таких как формирование клапана для последующей эксимерлазерной абляции, интрастромальная хирургия, установка импланта роговицы, необходимо фокусировать луч лазера с очень короткой длительностью импульса в пятно минимально возможного размера, для этого используют системы фокусировки лазерного излучения с большой апертурой.To perform operations on the cornea, such as valve formation for subsequent excimer laser ablation, intrastromal surgery, and installation of a corneal implant, it is necessary to focus a laser beam with a very short pulse duration into a spot of the smallest possible size; for this, laser focusing systems with a large aperture are used.

Известна система Intralase, заявка US 20070106285, содержащая фемтосекундный лазер, систему фокусировки, систему сканирования, в которой система фокусировки представляет собой дорогой сложный объектив. Оптическая система объектива, благодаря изменению числа линз в нем, имеет несколько положений. В одном из положений возможно наблюдение операционного поля в микроскоп, в другом положении возможно проведение операций. Так как источником излучения является фемтосекундный лазер, обладающий широким спектром излучения, то фокусирующий объектив содержит множество элементов, в том числе и для компенсации аберраций и дисперсионных свойств линз.Known Intralase system, application US 20070106285, containing a femtosecond laser, a focusing system, a scanning system in which the focusing system is an expensive complex lens. The optical system of the lens, due to a change in the number of lenses in it, has several positions. In one of the positions, it is possible to observe the surgical field in a microscope, in another position, operations are possible. Since the source of radiation is a femtosecond laser with a wide spectrum of radiation, the focusing lens contains many elements, including to compensate for the aberrations and dispersion properties of the lenses.

Известна офтальмохирургическая лазерная система, заявка EP 1880698 (A1), содержащая фемтосекундный лазер, систему сканирования, систему фокусировки, в которой система фокусировки содержит подвижное поворотное зеркало и подвижный объектив, фокусирующий луч фемтосекундного лазера в роговицу. Непосредственно в процессе операции поворотное зеркало и объектив с высокой числовой апертурой полностью перекрывают операционное поле от внешнего наблюдения и не позволяют наблюдать операционное поле.Known ophthalmic laser system, application EP 1880698 (A1), containing a femtosecond laser, a scanning system, a focusing system in which the focusing system contains a movable rotary mirror and a movable lens focusing the beam of the femtosecond laser into the cornea. Directly during the operation, the rotary mirror and the lens with a high numerical aperture completely block the surgical field from external observation and do not allow observing the surgical field.

Задачей изобретения является создание лазерной системы на основе фемтосекундного лазера для проведения офтальмохирургических операций, позволяющей осуществить прямое непрерывное наблюдение за процессом операции.The objective of the invention is the creation of a laser system based on a femtosecond laser for ophthalmic surgery, which allows direct continuous monitoring of the operation.

Для решения поставленной задачи офтальмохирургическая лазерная система, содержащая фемтосекундный лазер, систему доставки излучения, сканирующий модуль для перемещения фокальной точки по выбранному алгоритму, систему фокусировки, оптические элементы которой имеют определенный размер, проекция которых на плоскость операции имеет границы, разрешенные фокальные точки системы фокусировки расположены вне проекции оптических элементов системы на плоскость операции, отстоят от границы проекции хотя бы на два размера фокального пятна и доступны для наблюдения в процессе операции. Расположение разрешенных фокальных точек вне проекции оптических элементов системы фокусировки на плоскость операции позволяет установить микроскоп и наблюдать операционное поле без дополнительных оптических элементов как в процессе подготовки к операции, так и в процессе операции. То есть, такая система позволяет осуществить прямое наблюдение операционного поля, что делает систему более удобной для хирурга и более безопасной для пациента. Кроме того, угол падения излучения хирургического лазера на глаз отличается от нормали, поэтому изучение, прошедшее в глаз, не имеет возможности попасть на сетчатку, что также позволяет сделать процедуру более безопасной.To solve this problem, an ophthalmic surgical laser system containing a femtosecond laser, a radiation delivery system, a scanning module for moving the focal point according to the selected algorithm, a focusing system, the optical elements of which are of a certain size, the projection of which onto the operation plane has boundaries, the allowed focal points of the focusing system are located outside the projection of the optical elements of the system on the plane of the operation, at least two sizes of the focal spot and d Feet for monitoring during surgery. The location of the allowed focal points outside the projection of the optical elements of the focusing system on the plane of the operation allows you to install a microscope and observe the surgical field without additional optical elements both in preparation for the operation and during the operation. That is, such a system allows direct observation of the surgical field, which makes the system more convenient for the surgeon and safer for the patient. In addition, the angle of incidence of the radiation of a surgical laser on the eye differs from the normal, therefore, a study that has passed into the eye does not have the opportunity to reach the retina, which also makes the procedure safer.

Угол падения центральной части излучения фемтосекундного лазера на плоскость операции отличается от нормали на угол, больший половины апертуры системы фокусировки не более чем на 2°. При таком отклонении от нормали периферическая часть пучка, сфокусированного оптическими элементами системы фокусировки, попадает на роговицу под углом, существенно отличающемся от угла Брюстера. Это позволяет осуществить операцию с высокой точностью, так как проникновение фокусируемого в роговицу луча не зависит от поляризации падающего луча и не приводит к деформации пятна в фокусе.The angle of incidence of the central part of the femtosecond laser radiation on the operation plane differs from the normal by an angle greater than half the aperture of the focusing system by no more than 2 °. With such a deviation from the normal, the peripheral part of the beam focused by the optical elements of the focusing system falls on the cornea at an angle significantly different from the Brewster angle. This allows the operation to be performed with high accuracy, since the penetration of the beam focused into the cornea does not depend on the polarization of the incident beam and does not lead to deformation of the spot in the focus.

Основным элементом системы фокусировки является внеосевое параболическое зеркало с числовой апертурой более 0,35 и углом отклонения менее 90°. Использование параболического зеркала с числовой апертурой менее 0,3 может привести к возникновению эффекта самофокусировки в роговице глаза пациента. Параболическое зеркало с углом отклонения менее 90° позволяет сфокусировать излучение фемтосекундного лазера в выбранную точку глаза с высокой точностью, осуществить сканирование с высокой точностью фокусировки и производить прямое наблюдение операционного поля. Использование линзового объектива с высокой числовой апертурой может привнести отклонения однородности излучения в фокусе за счет дисперсионных свойств материала линзы объектива, что необходимо компенсировать усложнением конструкции. Использование параболического зеркала в качестве основного элемента системы фокусировки исключает возникновение проблем, связанных с дисперсионными свойствами материалов. Кроме того, параболическое зеркало, в отличие от линз, не требует сложной оправы, которая может частично перекрывать операционное поле от внешнего наблюдения, увеличивая проекцию оптических элементов на плоскость операции, что позволяет максимально приблизить угол падения луча хирургического лазера к нормали, с условием прямого наблюдения процедуры в микроскоп. Использование параболического зеркала позволяет создать более легкую конструкцию, упростить оптическую схему, так как в подобной схеме не требуется наличие поворотного зеркала. Кроме того, это делает систему более надежной и легкой в эксплуатации и обслуживании.The main element of the focusing system is an off-axis parabolic mirror with a numerical aperture of more than 0.35 and a deflection angle of less than 90 °. Using a parabolic mirror with a numerical aperture of less than 0.3 can lead to the appearance of a self-focusing effect in the cornea of the patient’s eye. A parabolic mirror with an angle of deviation of less than 90 ° allows you to focus the radiation of a femtosecond laser at a selected point in the eye with high accuracy, to scan with high focal accuracy and to directly observe the surgical field. The use of a lens with a high numerical aperture can introduce deviations in the uniformity of radiation in focus due to the dispersion properties of the material of the lens of the lens, which must be compensated by the complexity of the design. Using a parabolic mirror as the main element of the focusing system eliminates the problems associated with the dispersion properties of materials. In addition, a parabolic mirror, unlike lenses, does not require a complex frame that can partially overlap the surgical field from external observation, increasing the projection of optical elements on the plane of the operation, which allows you to maximize the angle of incidence of the surgical laser beam to normal, with the condition of direct observation procedures under the microscope. The use of a parabolic mirror makes it possible to create a lighter structure and simplify the optical design, since a rotary mirror is not required in such a design. In addition, this makes the system more reliable and easier to operate and maintain.

Система содержит пилотный лазер. Система содержит операционный микроскоп. Использование параболического зеркала, у которого отсутствуют дисперсионные свойства, позволяет ввести в существующую системуThe system contains a pilot laser. The system contains an operating microscope. Using a parabolic mirror, which has no dispersion properties, allows you to enter into the existing system

вспомогательный лазер настойки, то есть пилотный лазер, что вкупе с наблюдением в микроскоп облегчает работу хирурга и делает систему более безопасной и предсказуемой.an auxiliary tincture laser, that is, a pilot laser, which, coupled with observation through a microscope, facilitates the work of the surgeon and makes the system safer and more predictable.

Техническим результатом изобретения является создание безопасной и удобной в использовании системы на основе фемтосекундного лазера для проведения офтальмохирургических операций, позволяющей осуществлять прямое наблюдение операции.The technical result of the invention is the creation of a safe and convenient to use system based on a femtosecond laser for ophthalmic surgery, allowing direct observation of the operation.

На Фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема системы.Figure 1 presents a schematic optical diagram of the system.

На Фиг.2 представлена схема падения излучения на поверхность глаза по предлагаемому техническому решению.Figure 2 presents a diagram of the incidence of radiation on the surface of the eye according to the proposed technical solution.

На фиг.1 система содержит лазер 1 с длиной волны излучения около 1050 нм и длительностью импульса порядка 300 фс, аттенюатор 2, монитор энергии 3, оптический затвор 4, систему сканирования, содержащую модуль быстрого сканирования 5, модуль подстройки направления сканирования 6, систему доставки излучения, содержащую линию доставки 7, сенсор положения пучка 8, оптический затвор 9, расширитель луча 10, систему фокусировки, содержащую внеосевое параболическое зеркало 11, установленное на подвижном основании 12, соединенном с сенсором двумерного позиционирования 13. Все основные модули системы соединены с системой управления 14. Система наблюдения содержит микроскоп 15, который установлен в зоне прямой видимости операционного поля 16, и видеокамеру 17, установленную через разделительное зеркало 18, видеокамера подключена к дисплею 19. Глаз пациента 20 фиксируется с помощью системы стабилизации 21. Система содержит вакуумный насос 22 для системы стабилизации 21, для начала/окончания операции используется ножная педаль 23. При включении системы лазер 1 излучает лазерные импульсы с длительностью порядка нескольких сот фемтосекунд, система доставки излучения обеспечивает доставку указанных импульсов в систему сканирования, система фокусировки фокусирует импульсы лазера в объем ткани глаза пациента 20. Область воздействия находится в поле прямой видимости системы наблюдения 15. Система сканирования осуществляет сканирование луча по выбранному алгоритму.In Fig. 1, the system comprises a laser 1 with a radiation wavelength of about 1050 nm and a pulse duration of about 300 fs, an attenuator 2, an energy monitor 3, an optical shutter 4, a scanning system comprising a quick scan module 5, a scan direction adjustment module 6, a delivery system radiation containing a delivery line 7, a beam position sensor 8, an optical shutter 9, a beam expander 10, a focusing system containing an off-axis parabolic mirror 11 mounted on a movable base 12 connected to a two-dimensional position sensor 13. All the main modules of the system are connected to the control system 14. The observation system contains a microscope 15, which is installed in the direct visibility zone of the operating field 16, and a video camera 17 installed through the dividing mirror 18, the video camera is connected to the display 19. The eye of the patient 20 is fixed with using the stabilization system 21. The system contains a vacuum pump 22 for the stabilization system 21, the foot pedal 23 is used to start / end the operation. When the system is turned on, the laser 1 emits laser pulses with a duration of a few hundred femtoseconds, the radiation delivery system ensures the delivery of these pulses to the scanning system, the focusing system focuses the laser pulses into the volume of the patient’s eye tissue 20. The exposure area is in the line of sight of the observation system 15. The scanning system scans the beam according to the selected algorithm.

На фиг.2 показана система фокусировки, основным элементом которой является подвижное внеосевое параболическое зеркало с углом отклонения менее 90° и высокой числовой апертурой. Параллельный сканирующий луч фемтосекундного лазера, центральная ось показана пунктирной линией, попадает на параболическое зеркало 11 и фокусируется в объем тканей глаза пациента 20. Угол между падающим на параболическое зеркало и отраженным лучами составляет примерно 70°. Числовая апертура ~0,3-0,4. При таких параметрах пятно фокусировки расположено вне проекции параболического зеркала на плоскость операционного поля 16, что позволяет осуществить прямое наблюдение поля операции при помощи микроскопа 15 либо камеры наблюдения. Это делает процедуру контролируемой и более безопасной.Figure 2 shows a focusing system, the main element of which is a movable off-axis parabolic mirror with a deflection angle of less than 90 ° and a high numerical aperture. A parallel scanning beam of a femtosecond laser, the central axis is shown by a dashed line, hits the parabolic mirror 11 and focuses in the volume of the tissue of the patient's eye 20. The angle between the incident beam and the reflected rays is approximately 70 °. The numerical aperture is ~ 0.3-0.4. With these parameters, the focus spot is located outside the projection of the parabolic mirror onto the plane of the surgical field 16, which allows direct observation of the operation field using a microscope 15 or an observation camera. This makes the procedure controlled and safer.

Такая система позволяет фокусировать излучение в объем ткани глаза пациента с большой точностью, так как угол падения максимально приближен к нормали и поле операции находится в зоне прямой видимости системы наблюдения. Это позволяет проводить различные типы операций, такие как формирование лоскута, интрастромальная коррекция, формирование реза для имплантирования донорской роговицы и т.д.Such a system allows focusing radiation into the volume of the patient’s eye tissue with great accuracy, since the angle of incidence is as close to normal as possible and the field of operation is in the line of sight of the observation system. This allows you to carry out various types of operations, such as the formation of a flap, intrastromal correction, the formation of a cut for implantation of a donor cornea, etc.

Использование параболического зеркала позволяет существенно упростить систему фокусировки луча фемтосекундного лазера из-за отсутствия дисперсионных свойств зеркала и установить пилотный лазер, что также позволяет сделать процедуру более безопасной и предсказуемой.The use of a parabolic mirror allows one to significantly simplify the beam focusing system of a femtosecond laser due to the lack of dispersion properties of the mirror and to establish a pilot laser, which also makes the procedure safer and more predictable.

Claims

1. An ophthalmic surgical laser system containing a femtosecond laser, a radiation delivery system, a scanning module for moving the focal point according to the selected algorithm, a focusing system, the optical elements of which are of a certain size, whose projection onto the operation plane has boundaries, a control system characterized in that the focal points of the focusing system are located outside the projection of the optical elements of the system on the plane of the operation, at least two foci away from the projection boundary sore spot and are available for observation during the operation.

2. The ophthalmic surgical laser system according to claim 1, characterized in that the angle of incidence of the central part of the femtosecond laser radiation on the plane of the operation differs from the normal by an angle greater than half the aperture of the focusing system by no more than 2 °.

3. The ophthalmic surgical laser system according to claim 2, characterized in that the main element of the focusing system is an off-axis parabolic mirror with a numerical aperture of more than 0.35 and a deflection angle of less than 90 °.

4. The ophthalmic surgical laser system according to claim 3, characterized in that the system comprises a pilot laser.

5. Ophthalmic surgical laser system according to claims 3, 4, characterized in that the system contains an operating microscope.