WO2007057174A1 - Anordnung und verfahren zur durchführung chirurgischer laserbehandlungen des auges - Google Patents

Anordnung und verfahren zur durchführung chirurgischer laserbehandlungen des auges Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for performing surgical laser treatments of the eye.
  • femtosecond lasers ie pulsed lasers with pulse durations in the femtosecond range
  • flap-cuts are performed, ie incisions in the eye from the side, to create a small flap ("flap"), which is flipped aside eg for a LASIK procedure, also found in the so-called keratoplasty Femtosecond laser use.
  • Femtosecond lasers used hitherto in ophthalmic surgery generally emit radiation with wavelengths in the IR range or in the visible range of the electromagnetic spectrum.
  • US Pat. No. 5,984,916 deals with comeal and intraocular laser surgery, using pulsed laser radiation whose pulse duration is between 10 fs and 2 ps at a wavelength of approximately 400 nm.
  • US 5,656,186 describes a method for determining a suitable pulse duration for the processing of materials of various kinds with pulsed laser radiation.
  • the dependence of the threshold for the optical breakdown of the material on the pulse duration is first determined experimentally at a given wavelength. Then, in a curve describing the found dependence, a point is determined from which, for shorter pulse durations, a quadratic dependence of the breakdown threshold on the pulse duration no longer applies.
  • the actual laser processing is then carried out with a pulse duration beyond this transition point. For this purpose, pulse durations in the femtosecond and picosecond range are indicated.
  • the invention has for its object to provide an arrangement and a method for performing surgical laser treatments of the eye, can be achieved with or with the improved surgical results.
  • the arrangement and the method are intended to make it possible to better avoid undesired changes in the tissue structures of the eye, such as, for example, damage to the lens or the retina during interventions in the cornea.
  • the invention is based on the finding that, when exposed to pulsed treatment radiation having a wavelength between about 190 nm and about 380 nm and a pulse duration in the femtosecond range, undesired impairments of eye areas which are not to be influenced by the electromagnetic radiation during the operation are better can be avoided.
  • the arrangement according to the invention preferably has means for focusing the treatment radiation on or in a cornea.
  • This makes it possible to surgically influence only the cortex, in particular by photoablation or / and disruption, for example to remove corneal material superficially or intrathially and / or to make incisions in the cornea, for example to produce a corneal flap (flap) Frame of a LASIK treatment. It can be avoided that other structures of the eye, such as the lens o and / or the retina, are hit in a significant way.
  • the wavelength of the emitted treatment radiation is between about 190 nm and about 200 nm or between about 260 nm and about 280 nm or between about 340 nm and about 360 5 nm.
  • the latter wavelength is, for example, by frequency tripling from a fundamental wavelength of 1040 nm can be generated.
  • the wavelength 193 nm can be generated for example from a fundamental wavelength of 1064 nm.
  • the person skilled in the art is familiar with concepts for frequency conversion, which is why details of the frequency conversion need not be discussed here.
  • Suitable converters can be constructed, for example, with components such as optical parametric generators / oscillators, sum frequency generators and generators for the second, third, fourth or fifth harmonic.
  • Femtosecond lasers emitting the above two fundamental wavelengths and also other short wavelength infrared wavelengths are commercially available.
  • the wavelength 267 nm can be generated, for example, as the third harmonic of the emission wavelength of a Ti: Sa laser.
  • a pulse repetition rate of the treatment radiation of at least about 10 kHz is preferably selected in the invention, preferably between about 100 kHz and about 500 kHz.
  • a pulse repetition rate can be selected down to the MHz range, even in the two-digit MHz range, for example.
  • the pulse energy of the treatment radiation is preferably between about 0.1 nJ and about 5 ⁇ J, preferably at most about 10 nJ.
  • pulse energies of not more than 0.8 nJ per pulse, in particular not more than 0.7 nJ per pulse and more particularly not more than 0.5 nJ per pulse can be used.
  • the minimum energy limit values depend on the repetition rate and the numerical aperture and must be set in such a way that the desired effect occurs, ie, for example, the ablation threshold is reached.
  • the invention enables the generation of a high quality corneal flap for LASIK surgery with pulsed UV radiation as low as 0.5 nJ / pulse. A time span of 30 seconds to 1 minute for the generation of the flap is achievable.
  • femtosecond range should also encompass pulse lengths of several hundred fs, that is, for example, pulse lengths with 230 fs half-value length.
  • this term is also intended to cover pulse lengths in the single-digit picosecond range up to about 10 ps.
  • FS laser pulse lengths lo can be stretched to 1 ps by using appropriate optical means.
  • FIGURE schematically shows a laser treatment system i5 with a pulsed femtosecond laser 10.
  • the laser 10 provides a wavelength of 347 nm by generating the third harmonic from a fundamental wavelength of 1040 nm.
  • the emitted radiation pulses 12 have pulse lengths of 250 fs (FWHM) at a repetition rate of 20 o MHz.
  • the power is 27 mW.
  • Means for beam shaping and guidance are indicated by the block 14 blanket and known as such to the expert. These means are in particular arranged to direct the radiation pulses in such a way that the entire target area is swept over.
  • the means 14 are also equipped with a focusing function which makes it possible to focus the radiation pulses to a desired point, which may be, for example, at the surface of the target tissue or in its depth.
  • the thus controlled by the means 14 in time and space radiation pulses, now designated 16, are directed in the example shown on a cornea 18, as to produce a flap.
  • the radiation shaping and guiding means 14 may include a lens assembly. However, such is not necessary in the context of the invention.
  • Good ablation results can be achieved, for example, at a wavelength of 347 nm 5 with repetition rates in the range of 20 MHz, a maximum energy of 1 nJ per pulse, and using a UV focusing objective (100X). This corresponds approximately to a fluence of 2 J / cm 2 .
  • a substantially complete radiation absorption in the cornea is possible with simultaneously extremely low radiation penetration into other eye areas.
  • very low pulse energy high quality flaps can be produced in an acceptable time of less than 1 minute.

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Abstract

Eine Anordnung zur Durchführung chirurgischer Laserbehandlungen des Auges ist dazu eingerichtet, gepulste Behandlungsstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 190 nm und etwa 380 nm und einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich zu emittieren. Derartige Behandlungsstrahlung erlaubt eine schonende korneale oder intraokulare Laserbehandlung des Auges, beispielsweise zur Anbringung von Hornhautschnitten oder zur gezielten Ablation von Hornhautgewebe.

Description

Anordnung und Verfahren zur Durchführung chirurgischer Laserbehandlungen des Auges
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Durchführung chirurgischer Laserbehandlungen des Auges.
Es ist im Stand der Technik bekannt, sogenannte Femtosekundenlaser, also gepulste Laser mit Pulsdauern im Femtosekundenbereich, für die ophthalmologische Chirurgie einzusetzen, insbesondere zur Trennung von Gewebestrukturen am oder im Auge. Zum Beispiel werden mit Femtosekundenlasern sogenannte Flap-Schnitte ausgeführt, also Einschnitte in das Auge von der Seite, um einen kleinen Deckel („Flap") zu erzeugen, der für z.B. einen LASIK-Eingriff zur Seite geklappt wird. Auch in der sogenannten Keratoplastik finden Femtosekundenlaser Verwendung.
Bisher in der ophthalmologischen Chirurgie verwendete Femtosekundenlaser emittieren in der Regel Strahlung mit Wellenlängen im IR-Bereich oder im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
US 5,984,916 befasst sich mit der komealen und intraokularen Laserchirurgie, wobei gepulste Laserstrahlung zum Einsatz kommt, deren Pulsdauer zwischen 10 fs und 2 ps bei einer Wellenlänge von etwa 400 nm aufwärts liegt.
US 5,656,186 beschreibt eine Methode zur Bestimmung einer geeigneten Pulsdauer für die Bearbeitung von Materialien unterschiedlichster Art mit gepulster Laserstrahlung. Gemäß dieser Methode wird zunächst experimentell bei einer gegebenen Wellenlänge die Abhängigkeit der Schwelle für den optischen Durchbruch des Materials von der Pulsdauer ermittelt. Sodann wird in einer die gefundene Abhängigkeit be- schreibenden Kurve ein Punkt ermittelt, ab dem zu kürzeren Pulsdauern hin eine quadratische Abhängigkeit der Durchbruchschwelle von der Pulsdauer nicht mehr gilt. Die eigentliche Laserbearbeitung wird dann mit einer Pulsdauer jenseits dieses Übergangspunkts durchgeführt. Hierfür werden Pulsdauern im Femto- und Pikose- kundenbereich angegeben.
Die in US 5,656,186 beschriebene Methode soll anwendbar sein in einem äußerst breiten Wellenlängenbereich, der nahezu das gesamte praktisch genutzte Laserspekt- rum abdeckt. Jedenfalls ist in dieser Schrift ein Wellenlängenbereich von 200 nm bis hin zu 2 μm erwähnt. Als Beispiele für die Materialvielfalt, bei der die Methode anwendbar sein soll, werden Metalle wie Gold oder Aluminium, Glaswerkstoffe, aber auch lebendes Gewebe genannt, insbesondere die Kornea. Für die Laserbehandlung 5 der Kornea ist konkret eine Wellenlänge von 770 nm angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Durchführung chirurgischer Laserbehandlungen des Auges bereitzustellen, mit der bzw. mit dem verbesserte Operationsergebnisse erreichbar sind. Insbesondere sollen lo es die Anordnung und das Verfahren ermöglichen, unerwünschte Änderungen in den Gewebestrukturen des Auges besser vermeiden zu können, wie zum Beispiel Schädigungen der Linse oder der Retina bei Eingriffen in die Kornea.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Einwirkung gepulster Behand- i5 lungsstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 190 nm und etwa 380 nm und einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich unerwünschte Beeinträchtigungen von Augenbereichen, die nicht durch die elektromagnetische Strahlung bei der Operation beeinflusst werden sollen, besser vermieden werden können.
o Hingegen können bei Verwendung von Strahlung im Infrarot-Bereich oder auch im sichtbaren Bereich derartige Schädigungen nicht (immer) ausgeschlossen werden.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Anordnung Mittel zur Fokussierung der Behandlungsstrahlung auf oder in einer Kornea auf. Damit ist es möglich, nur die Kor- 5 nea chirurgisch zu beeinflussen, insbesondere durch Photoablation oder/und - disruption, etwa um oberflächlich oder intrageweblich Hornhautmaterial abzutragen und/oder um Schnitte in der Hornhaut anzubringen, beispielsweise zur Erzeugung eines Hornhautscheibchens (Flap) im Rahmen einer LASIK-Behandlung. Dabei kann vermieden werden, dass andere Strukturen des Auges, wie zum Beispiel die Linse o und/oder die Retina, in erheblicher Weise getroffen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt die Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 190 nm und etwa 200 nm oder zwischen etwa 260 nm und etwa 280 nm oder zwischen etwa 340 nm und etwa 360 5 nm. Insbesondere kann die Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung bei etwa 193 nm oder etwa 267 nm oder etwa 347 nm liegen. Letztere Wellenlänge ist beispielsweise durch Frequenzverdreifachung aus einer Grundwellenlänge von 1040 nm erzeugbar. Die Wellenlänge 193 nm kann beispielsweise aus einer Grundwellenlänge von 1064 nm erzeugt werden. Der Fachmann ist mit Konzepten zur Frequenzkonversion vertraut, weswegen auf Einzelheiten der Frequenzwandlung hier nicht näher eingegangen werden muss. Geeignete Wandler können beispielsweise mit Komponenten wie optisch parametrischen Generatoren/Oszillatoren, Summenfre- quenzgeneratoren und Generatoren für die zweite, dritte, vierte oder fünfte Harmonische aufgebaut werden. Femtosekundenlaser, welche die vorstehenden beiden Grundwellenlängen und auch andere Wellenlängen im kurzwelligen Infrarotbereich emittieren, sind handelsüblich erhältlich. Die Wellenlänge 267 nm kann beispielswei- se als dritte Harmonische der Emissionswellenlänge eines Ti:Sa-Lasers erzeugt werden.
Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Laserpulsen der genannten Wellenlängen und Pulsdauern im Femtosekundenbereich zur Korneabehandlung, etwa zur Erzeugung eines Flaps, nahezu die gesamte eingestrahlte Energie in der Kornea umgesetzt wird und etwaige als Resttransmission durch die Kornea tretende Strahlung von der humanen Linse und nicht der Retina absorbiert wird.
Infolge relativ hoher Pulsrepetitionsraten kann auch die sogenannte Ablationsschwel- Ie gesenkt werden, ab der - statistisch betrachtet - Photoablation in signifikantem Maß auftritt. Zumindest bei einer Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm wird bei der Erfindung deshalb vorzugsweise eine Pulsrepetitionsrate der Behandlungsstrahlung von wenigstens etwa 10 kHz gewählt, vorzugsweise zwischen etwa 100 kHz und etwa 500 kHz. Selbstverständlich kann auch eine Pulsrepetitionsrate bis hin in den MHz-Bereich gewählt werden, sogar beispielsweise im zweistelligen MHz-Bereich.
Zumindest bei einer Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm beträgt bei der Erfindung die Pulsenergie der Be- handlungsstrahlung vorzugsweise zwischen etwa 0,1 nJ und etwa 5 μJ, vorzugsweise höchstens etwa 10 nJ. Beispielsweise können Pulsenergien von nicht mehr als 0,8 nJ pro Puls, insbesondere nicht mehr als 0,7 nJ pro Puls und weiter insbesondere von nicht mehr als 0,5 nJ pro Puls eingesetzt werden. Die minimalen Energiegrenzwerte hängen dabei von der Repetitionsrate und der numerischen Apertur ab und sind jeweils so einzustellen, dass der gewünschte Effekt eintritt, also zum Beispiel die Ablationsschwelle erreicht wird. Als Beispiel ermöglicht die Erfindung die Erzeugung eines Hornhautflaps höchster Qualität für die LASIK-Operation mit gepulster UV-Strahlung mit nur 0,5 nJ/Puls. Eine Zeitspanne von 30 Sekunden bis 1 Minute für die Erzeugung des Flaps ist dabei erreichbar.
5
Der Begriff Femtosekundenbereich soll im Rahmen der Erfindung auch Pulslängen von mehreren hundert fs erfassen, also zum Beispiel Pulslängen mit 230 fs Halbwertslänge. Insbesondere soll dieser Begriff auch Pulslängen im einstelligen Pikose- kundenbereich bis hin zu etwa 10 ps erfassen. Zum Beispiel können die Pulslängen lo bei FS-Lasern auf 1 ps durch Verwendung geeigneter optischer Mittel gestreckt werden.
Nachfolgend wird mit Blick auf die beigefügte einzige Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Figur zeigt schematisch ein Laserbehandlungssystem i5 mit einem gepulsten Femtosekundenlaser 10.
Der Laser 10 stellt durch Erzeugung der dritten Harmonischen aus einer Grundwellenlänge von 1040 nm eine Wellenlänge von 347 nm bereit. Die emittierten Strahlungspulse 12 haben Pulslängen von 250 fs (FWHM) bei einer Repetitionsrate von 20 o MHz. Die Leistung liegt bei 27 mW. Mittel zur Strahlformung und -führung sind mit dem Block 14 pauschal angedeutet und als solches dem Fachmann bekannt. Diese Mittel sind insbesondere dazu eingerichtet, die Strahlungspulse so zu lenken, dass der gesamte Zielbereich überstrichen wird. Auch sind die Mittel 14 mit einer Fokus- sierfunktion ausgestattet, die es gestattet, die Strahlungspulse auf einen gewünsch- 5 ten Punkt zu fokussieren, der beispielsweise an der Oberfläche des Zielgewebes oder in dessen Tiefe liegen kann. Die so durch die Mittel 14 in Zeit und Raum gesteuerten Strahlungspulse, nunmehr mit 16 bezeichnet, werden im dargestellten Beispielfall auf eine Kornea 18 gerichtet, etwa um ein Flap zu erzeugen.
o Die Mittel 14 zur Strahlungsformung und -führung können gewünschtenfalls eine Objektivanordnung enthalten. Eine solche ist jedoch im Rahmen der Erfindung nicht notwendig.
Gute Ablationsergebnisse können beispielsweise bei einer Wellenlänge von 347 nm 5 mit Repetitionsraten im Bereich von 20 MHz, einer maximalen Energie von 1 nJ pro Puls und unter Verwendung eines UV-Fokussierungsobjektivs (100X) erreicht werden. Dies entspricht etwa einer Fluence von 2 J/cm2. Mit den vorstehend genannten Parametern ist eine im wesentlichen vollständige Strahlungsabsorption in der Kornea möglich bei gleichzeitig äußerst geringer Strahlungspenetration in andere Augenbereiche. Mit sehr geringer Pulsenergie können qualitativ hochwertige Flaps in einer akzeptablen Zeit von weniger als 1 Minute erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Durchführung chirurgischer Laserbehandlungen des Auges, wobei die Anordnung dazu eingerichtet ist, gepulste Behandlungsstrahlung mit einer
5 Wellenlänge zwischen etwa 190 nm und etwa 380 nm und einer Pulsdauer im Fem- tosekundenbereich zu emittieren.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Fokussierung der Behandlungsstrahlung auf oder in lo einer Kornea.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 190 nm und etwa 200 nm oder zwischen etwa 260 nm und etwa 280 i5 nm oder zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm liegt.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung bei etwa 193 nm oder etwa 267 nm oder etwa 347 nm liegt. 0
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm die Pulsenergie der Behandlungsstrahlung zwischen etwa 0,1 nJ und etwa 5 μJ liegt, vorzugsweise 5 höchstens etwa 10 nJ beträgt.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm die Pulsrepetitionsrate 0 der Behandlungsstrahlung wenigstens etwa 10 kHz beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 100 kHz und etwa 500 kHz liegt.
7. Verfahren zur Durchführung einer chirurgischen Laserbehandlung eines Auges, umfassend den Schritt der Emission einer gepulsten Behandlungsstrahlung mit 5 einer Wellenlänge zwischen etwa 190 nm und etwa 380 nm und einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich in Richtung auf das zu behandelnde Auge.
8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend den Schritt der Fokussierung der Behandlungsstrahlung auf oder in einer Kornea.
5 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 190 nm und etwa 200 nm oder zwischen etwa 260 nm und etwa 280 nm oder zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm liegt.
lo 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung bei etwa 193 nm oder etwa 267 nm oder etwa 347 nm liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, i5 wobei zumindest bei einer Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm die Pulsenergie der Behandlungsstrahlung zwischen etwa 0,1 nJ und etwa 5 μJ liegt, vorzugsweise höchstens etwa 10 nJ beträgt.
0 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei zumindest bei einer Wellenlänge der emittierten Behandlungsstrahlung zwischen etwa 340 nm und etwa 360 nm die Pulsrepetitionsrate der Behandlungsstrahlung wenigstens etwa 10 kHz beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 100 kHz und etwa 500 kHz liegt. 5
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