СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСА ЛАЗЕРНОГО УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОГЕРЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА
METHOD OF PULSE ENERGY CALIBRATION OF LASER DEVICE WITH USING COHERENT OPTICAL INTERFEROMETER

Область техники
Изобретение относится к способу калибровки энергии импульса лазерного устройства, которое обеспечивает получение рабочего импульсного лазерного излучения. Согласно данному способу посредством рабочего лазерного излучения выполняют, на одном или более тестовых объектах, тестовые абляции, преимущественно тестовые абляции посредством множества импульсов, с различной энергией импульса для каждой из абляций. Для каждой из тестовых абляций измеряют глубину абляции и на основании измеренных значений глубины абляции и заданного значения (уставки) глубины абляции определяют соответствующую ей уставку энергии импульса, которую вводят в лазерное устройство.
Изобретение относится также к лазерному устройству, предназначенному для проведения калибровки рабочего лазера.
Уровень техники
Данные способ и лазерное устройство используются, в частности, в офтальмологической рефракционной лазерной хирургии.
В контексте изобретения под рефракционной лазерной хирургией понимается изменение, посредством лазерного излучения, изображающих свойств оптической системы, именуемой "глазом". Взаимодействие падающего лазерного излучения с глазом изменяет рефракционные свойства одного или более компонентов глаза. Поскольку изображающие свойства глаза определяются, в основном, роговицей, во многих случаях рефракционная лазерная хирургия глаза предусматривает воздействие на роговицу. Посредством целенаправленного удаления (абляции) материала обеспечивается изменение профиля роговицы. Используется также термин "профилирование роговицы".
Важным примером профилирования роговицы с целью изменения ее рефракционных свойств является метод LASIK (laser in-situ keratomileusis - лазерный интрастромальный кератомилез). В методе LASIK удаляют (аблируют) роговичную ткань, чтобы скорректировать дефекты зрения путем изменения профиля роговицы. Для абляции обычно используют эксимерный лазер, излучающий в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне (в типичном случае у 193 нм). Лазерное излучение перемещают по глазу с такими пространственно-временными характеристиками, чтобы в заданных зонах роговицы аблировать определенное количество ткани. Этот вид абляции описывается так называемым профилем абляции, т.е. данный профиль определяет, какое количество ткани должно быть удалено в соответствующем месте роговицы.
Профиль абляции обычно рассчитывают до осуществления хирургического воздействия на глаз, подлежащий коррекции. Основой для этого расчета являются результаты измерения глаза в текущем состоянии. Из уровня техники известны различные методы подобного измерения глаза, например с использованием топографов (так называемых "topolyzers"), анализаторов волнового фронта, Шеймпфлюг-камер (Scheimpflug devices) и пахиметров, а также субъективное определение рефракции.
Профиль абляции рассчитывают таким образом, чтобы по завершении абляции роговица имела оптимальную форму для прооперированного глаза, т.е. чтобы, насколько это возможно, были скорректированы ранее существовавшие дефекты изображающих свойств глаза. Соответствующие способы расчета профиля абляции доступны для специалистов в течение длительного времени.
После того как профиль абляции для оперируемого глаза будет рассчитан, определяют, как наиболее эффективно можно произвести требуемое удаление ткани с помощью используемого лазерного излучения. Следовательно, необходимо определить и учитывать зависимость между плотностью энергии в лазерном импульсе и количеством материала, удаляемого этим импульсом. Данная зависимость образует базис для калибровки рабочего лазера применительно к материалу, подвергаемому воздействию, и к объему удаляемого материала. Помимо плотности энергии в лазерном импульсе, на количество удаляемого материала влияет группа других параметров, например свойства самого материала, его температура и форма поверхности. Однако в данном описании рассматривается, в основном, вариабельность энергии импульса. Программа управления лазерными импульсами рассчитывается в предположении об удалении конкретного, постоянного количества материала за импульс. Поэтому важно точно настроить лазерную систему на генерацию энергии, которая обеспечит именно такое предполагаемое/заданное удаление.
В офтальмологической хирургии известны различные способы калибровки лазеров по энергии применительно к воздействию излучением импульсного лазера на обрабатываемый материал.
В первом таком способе посредством калибруемого лазерного пучка производится абляция специальной конденсаторной фольги. Абляция вызывает изменение цвета фольги, которое используют как меру энергии, воздействовавшей на фольгу при ее абляции.
В другом способе калибровки по энергии осуществляют рефрактивную абляцию образца полиметилметакрилата (ПММА). Затем с помощью соответствующего рефрактометра определяют изменение преломления в зоне абляции.
Кроме того, был разработан способ, в котором заданную тестовую абляцию осуществляют на диске из ПММА, предназначенном для определения плотности. Под "плотностью" в данном описании понимается энергия лазерного пучка, приходящаяся на единичную площадь поверхности. Глубину тестовой абляции измеряют посредством механического зонда. Если измеренная глубина абляции находится внутри заданного интервала, энергия лазерной системы настроена правильно.
Однако описанные способы и ассоциированные с ними системы обладают рядом недостатков. Например, если при определении плотности используются, как это описано выше, механические измерения диска из ПММА, пользователь после каждой абляции и соответствующего измерения должен решать, следует ли изменить настройку энергии или она проведена правильно. Чтобы обеспечить требуемую уставку для энергии лазерного пучка, может оказаться необходимым повторить описанную процедуру несколько раз. Это может оказаться довольно сложным для пользователя, который должен добиваться оптимальной глубины абляции и соответствующей ей энергии излучения методом последовательного подбора, увеличивая или уменьшая испускаемую энергию.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании улучшенного способа калибровки по энергии и соответствующего лазерного устройства, свободных от рассмотренных выше недостатков.
Согласно изобретению для решения данной задачи разработан способ, согласно которому измерения значений глубины абляции производят посредством когерентного оптического интерферометрического измерительного устройства. Такое выполнение делает возможными бесконтактные измерения в зонах абляции на тестовом объекте (тестовых объектах), что является обязательным условием автоматизации способа калибровки. При этом обеспечивается возможность измерения как значений глубины абляции, так и расстояния от лазерного устройства до тестового объекта. Кроме того, при использовании когерентного оптического интерферометрического способа становится возможным проводить измерения с применением направленного пучка и на некотором расстоянии от тестового объекта, т.е. интегрировать способ измерений в существующее лазерное устройство, которое обеспечивает получение импульсного рабочего лазерного излучения.
Бесконтактное определение глубины абляции и возможность интегрировать способ, измерений в имеющееся оборудование обеспечивают совершенно новый подход к определению глубины абляции на тестовом объекте. Действительно, калибровка энергии импульса может быть усовершенствована настолько, что измерения на тестовом объекте можно проводить сразу же после тестовой абляции, без необходимости перемещения тестового объекта для проведения измерений. Это позволяет автоматизировать способ калибровки. Кроме того, повышается сходимость результатов калибровки, поскольку посредством когерентного оптического интерферометрического измерительного устройства можно одновременно с глубиной абляции определять положение тестового объекта относительно рабочей плоскости лазерного устройства и настраивать это положение. Тем самым повышается точность определения энергии импульса излучения рабочего лазера, поскольку результаты измерений лучше адаптированы к условиям их использования.
Согласно предпочтительному варианту способа измерительное устройство основано на принципе оптической низко-когерентной рефлектометрии (optical low-coherence reflectometry, OLCR). Этот принцип измерений используется в пахиметрии для измерения толщины роговицы. Таким образом, изобретение предлагает использование способа, предназначенного для измерения толщины роговицы, для измерения глубины тестовой абляции на тестовом объекте. В этом случае изменения рефракционных свойств тестового объекта, вызванные абляцией, могут быть определены с высокой точностью и с высокой воспроизводимостью.
Например, интегрировать интерферометрическое измерительное устройство становится особенно легко, если значения глубины абляции измерять с использованием формируемого измерительным устройством измерительного пучка, совпадающего по направлению с рабочим лазерным излучением. Уже имеющиеся оптические устройства, такие как зеркала, линзы и т.д., используемые, чтобы направлять и профилировать рабочий лазерный пучок, могут быть одновременно использованы для измерительного пучка измерительного устройства. Чтобы автоматизировать способ калибровки по энергии, можно выполнить несколько тестовых абляций на одном и том же тестовом объекте, который между последовательными тестовыми абляциями можно перемещать относительно измерительного устройства. При этом можно предусмотреть перемещение тестового объекта посредством двигателя, а не вручную, что позволит выполнить на тестовом объекте, без вмешательства пользователя, серию тестовых абляций.
Согласно одному из вариантов тестовые абляции выполняют на расстоянии от центра диска, используемого в качестве тестового объекта, а в интервалах между последовательными тестовыми абляциями узел тестового диска, который несет тестовый диск, поворачивают на заданный угол. В результате тестовые абляции будут равномерно распределены по тестовому диску на максимальном удалении одна от другой, тогда как движение тестового объекта обеспечивается технически простыми средствами. Тем самым уменьшается или устраняется искажение результатов измерений вследствие попадания материала от смежных абляций.
В способе согласно изобретению может быть предусмотрено, что на тестовом объекте, предпочтительно на таком, на котором уже была проведена по меньшей мере одна тестовая абляция, выполняют контрольную абляцию с использованием найденной уставки энергии импульса, а затем измеряют, посредством измерительного устройства, глубину контрольной абляции. Это особенно полезно после выполнения на тестовом объекте серии тестовых абляций. Например, после определения значений глубины нескольких тестовых абляций, в предположении существования функциональной зависимости между используемой энергией импульса и глубиной абляции, можно определить уставку энергии импульса, которая коррелирует с уставкой глубины абляции. Выполняя контрольную абляцию с использованием найденной уставки энергии импульса, можно верифицировать, что применение уставки энергии импульса обеспечивает желательную уставку глубины абляции.
Для охлаждения тестового объекта (тестовых объектов) и/или для очистки области над зонами тестовых абляций рекомендуется формировать поток воздуха и направлять его по меньшей мере на часть тестового объекта, подвергнутую абляции. Эту операцию можно выполнять во время выполнения тестовой абляции или по меньшей мере по ее завершении, чтобы сдувать продукты абляции, образующие неизбежные облака продуктов абляции и обеспечить тем самым точные оптические измерения абляционных кратеров.
В дополнение к способу калибровки энергии импульса, изобретательский замысел охватывает также лазерное устройство, которое содержит:
- источник лазерного излучения, обеспечивающий получение импульсного рабочего лазерного излучения для воздействия на объект,
- когерентное оптическое интерферометрическое измерительное устройство для измерения по меньшей мере одной длины с использованием измерительного пучка, совпадающего по направлению с рабочим лазерным излучением,
- управляемый позиционирующий модуль для позиционирования узла тестового объекта, образованного по меньшей мере одним тестовым объектом, в заданные положения относительно источника лазерного излучения,
- компьютер, управляющий источником лазерного излучения, измерительным устройством и позиционирующим модулем и выполненный с возможностью осуществления, под управлением управляющей программы, следующих операций по калибровке источника лазерного излучения:
- выполнение, на одном или более тестовых объектах посредством рабочего лазерного излучения, тестовых абляций, преимущественно тестовых абляций посредством множества импульсов, с различным значением энергии для каждой из указанных абляций,
- управление позиционирующим модулем для перемещения узла тестового объекта в интервалах между последовательными тестовыми абляциями в различные заданные положения относительно источника лазерного излучения,
- измерение, посредством измерительного устройства, глубины каждой из тестовых абляций,
- определение, на основе измеренных глубин абляции и уставки глубины абляции, уставки энергии импульса, и, в случае ее приемлемости, задание найденной уставки энергии импульса для рабочего лазерного излучения.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 представлена блок-схема варианта способа согласно изобретению, предназначенного для калибровки лазерного устройства по энергии.
На фиг.2 приведен график зависимости между энергией и глубиной абляции для различных тестовых абляций.
На фиг.3а и 3b представлен, в виде блок-схемы, вариант лазерного устройства согласно изобретению до и после выполнения тестовой абляции соответственно.
На фиг.4а и 4b показан, на видах сверху и сбоку соответственно, позиционирующий модуль для фиксации тестового объекта в определенной, изменяемой позиции.
На фиг.5 представлен, на виде сверху, тестовый объект, на котором отмечены зоны для тестовых абляций и зона для контрольной абляции.
Осуществление изобретения
На фиг.1 иллюстрируется вариант способа согласно изобретению, включающий операции S1-S8. Чтобы откалибровать энергию импульса лазерного устройства, обеспечивающего подачу импульсного лазерного излучения, сначала на лазерном устройстве задается начальная (первая) энергия импульса (S1). Это начальное значение энергии импульса может быть выбрано близким желательной уставке энергии или лежащим на краю диапазона возможных значений энергии импульса.
Используя это начальное значение энергии импульса, выполняют тестовую абляцию на тестовом объекте, например, с использованием нескольких тысяч лазерных импульсов (S2). Воздействие рабочего лазерного пучка с заданной энергией импульса на зону тестовой абляции приводит к удалению определенного количества материала тестового объекта, так что на тестовом объекте образуется углубление.
Глубину абляции определяют посредством пахиметра (S3). Использование пахиметрии позволяет точно задать расстояние от лазерного устройства до тестового объекта и одновременно измерить толщину тестового объекта. Подходящим для тестового объекта применительно к абляции является материал, который либо взаимодействует с рабочим лазерным пучком на уровне, сопоставимом с уровнем взаимодействия между последующим целевым объектом (например роговицей) и рабочим лазерным пучком, либо реагирует на облучающие лазерные импульсы отличным от материала, подлежащего последующему воздействию (например от биологической ткани), образом (например с другой интенсивностью). Однако соотношение между реакцией тестового материала и реакцией целевого материала должно быть известно, например, из эмпирических данных, по меньшей мере приблизительно. Кроме того, материал тестового объекта должен быть доступен для пахиметрии. В этой связи было обнаружено, что особенно подходящим тестовым материалом является ПММА в форме тонкой пластинки. После того как будет определена глубина абляции, появляется первая пара значений глубина абляции/энергия импульса.
Получив первое измеренное значение, изменяют энергию импульса для следующей тестовой абляции (S4). Для этой цели следующее значение энергии импульса задают, увеличивая/уменьшая первое значение энергии импульса на один шаг. В качестве альтернативы этому пошаговому сканированию диапазона энергий импульса, возможны и другие варианты. Так, значение, соответствующее уставке по энергии, может быть определено итеративным методом вложенных интервалов.
Способ продолжается путем повторения операций S2-S4 до тех пор, пока не будет перекрыт весь заранее выбранный интервал энергий импульса или на тестовом объекте не будет произведено максимальное количество тестовых абляций.
Затем определяют функциональную зависимость между измеренными значениями глубины абляции и ассоциированными с ними значениями энергии импульса (S5). Например, можно принять наличие между данными значениями линейной корреляции, так что для пар значений энергия импульса/глубина абляции может быть построен график в виде прямой ("линейное приближение"). Если это целесообразно, может быть использован регрессионный анализ высших порядков или осуществлена подгонка согласно другим моделям.
По функциональной зависимости, определенной описанным путем, может быть рассчитана требуемая уставка энергии, соответствующая желательной уставке глубины абляции (S6).
После задания уставки энергии выполняется контрольная абляция с использованием найденной уставки энергии (S7). Найденное в результате значение глубины контрольной абляции должно соответствовать желательной уставке глубины абляции, что верифицируется сравнением глубины контрольной абляции с уставкой глубины абляции (S8).
Таким образом, в результате реализации способа согласно изобретению рабочий лазер будет просто и точно откалиброван по эффекту абляции, т.е. подготовлен, например, для осуществления офтальмологической лазерной хирургии.
На фиг.2 иллюстрируется пример осуществления способа калибровки согласно изобретению. На представленном графике по оси абсцисс откладывается энергия лазерного импульса в миллиджоулях, причем представлен интервал 1,58-1,76 мДж. Были проведены тестовые абляции с энергиями 1,60 мДж, 1,65 мДж, 1,70 мДж и 1,75 мДж. Значения глубины абляции в интервале 35-75 мкм, определенные посредством пахиметрии, отложены по оси ординат. Значения глубины абляции, соответствующие использованным значениям энергии импульса, равны 55 мкм, 60 мкм, 65 мкм и 70 мкм. Данные четыре пары A-D найденных значений могут быть аппроксимированы следующей прямой:
y=100x-105.
y
x
Параметр у соответствует глубине абляции в микрометрах, а параметр x - энергии лазерного импульса в миллиджоулях. Так, уставке глубины абляции, равной 63,5 мкм (которая обозначена на графике, как E), соответствует рекомендуемая уставка энергии, равная 1,658 мДж (на графике она обозначена, как E).
Разумеется, использование линейной регрессии является только одним из вариантов определения желательной уставки энергии для заданной уставки глубины абляции по найденным парам измеренных значений.
На фиг.3а и 3b представлено лазерное устройство 100, предназначенное, например, для офтальмологической лазерной хирургии. В качестве источника лазерного излучения оно содержит рабочий лазер 110, который пригоден для абляций роговицы и который испускает импульсное излучение. Устройство содержит также систему 120 для слежения за движениями глаза в процессе воздействия на роговицу ("eyetracker") и фиксирующий источник 140, на котором пациент должен зафиксировать свой взгляд в процессе воздействия на роговицу, чтобы, насколько это возможно, уменьшить движения глаза. В лазерное устройство 100 интегрирован также пахиметр 130, который пригоден для определения толщины роговицы посредством OLCR. Для всех названных компонентов 110-140 имеется общая оптическая ось X, которая задается различными оптическими компонентами, такими как зеркала, линзы и др. На фиг.3a и 3b эти оптические компоненты представлены весьма схематично, в виде зеркал 160. Помимо описанных, по отдельности известных компонентов, лазерное устройство согласно изобретению содержит позиционирующий модуль 170 и компьютер 150. Позиционирующий модуль 170, схематично представленный в виде блока, будет более подробно описан далее со ссылками на фиг.4a и 4b. На позиционирующем модуль закреплен, с возможностью замены, так называемый тестовый диск 180 из ПММА для определения плотности. И компоненты 110-140, и позиционирующий модуль 170 связаны линиями 190 управления с компьютером 150. Компьютер имеет управляющую программу 200, предназначенную для управления компонентами 110-140 и позиционирующим модулем 170.
Чтобы определить уставку энергии импульса для лазерного устройства 100, определяют, например посредством пахиметра 130, расстояние от лазерного устройства 100 до тестового диска 180, обозначенное двойной стрелкой 210, и толщину тестового диска 180, обозначенную другой двойной стрелкой 220. По результатам этих измерений осуществляется управление рабочим лазером 110 и позиционирующим модулем 170 таким образом, чтобы произвести серию тестовых абляций в различных зонах тестового диска 180. На фиг.3b схематично показана такая тестовая абляция 230. Сразу же по выполнении тестовой абляции посредством пахиметра 130 производится соответствующее измерение зоны тестовой абляции 230 с определением ее глубины. На фиг.3b эта глубина схематично обозначена, как 240. По завершении серии тестовых абляций, выполняемых с различными значениями энергии импульса (как это было описано со ссылками на фиг.1 и 2), можно определить уставку энергии импульса для целевой глубины абляции.
На фиг.4a и 4b более детально изображен позиционирующий модуль 170, описанный выше со ссылками на фиг.3a и 3b. На фиг.4a он схематично показан на виде сверху, а на фиг.4b - на виде сбоку. У позиционирующего модуля 170 имеется корпус 171. На его верхней стороне имеется приемная пластина 172 для тестового диска 180, которая установлена на приемном узле 173, неразъемно прикрепленном к корпусу 171. В приемном узле 173 имеется выпускное отверстие 174 для воздуха.
Тестовый диск 180 удерживается приемной пластиной 172. При проведении серии тестовых абляций зоны 230 этих абляций равномерно распределяются по тестовому диску 180 с угловым шагом 90° благодаря тому, что тестовый диск в интервале между индивидуальными тестовыми абляциями поворачивают на 90° (например, против часовой стрелки), например, посредством механизированного привода, которым управляет компьютер. На фиг.4a этот поворот обозначен стрелкой 175. Чтобы добиться воспроизводимых результатов измерений, на верхнюю поверхность тестового диска подают поток воздуха, который выходит через отверстие 174 и движется по поверхности этого диска. Поток воздуха может использоваться для отвода любого тепла. Вентилятор для создания потока воздуха и серводвигатель для приведения во вращение приемной пластины 172 (не изображены) могут быть размещены, например, в корпусе 171. Поток воздуха желательно направить таким образом, чтобы он удалял продукты абляции, образующие облако, появляющееся над тестовым диском. В результате диск остается чистым, т.е. свободным от мешающих частиц.
На фиг.5 в увеличенном масштабе показан тестовый диск 180. Этот круглый тестовый диск может состоять, например, из ПММА, иметь радиус 30 мм и толщину около 4 мм. Разумеется, тестовый диск может иметь любую форму (например квадрата или полоски) и размеры, отличные от указанных выше. У тестового диска 180 имеются четыре периферийные зоны 230-233 абляции, расположенные на равных расстояниях одна от другой и как можно ближе к краю диска. Назначение такого расположения состоит в том, чтобы предотвратить загрязнение участков диска, которые еще будут использоваться для абляции, продуктами предыдущих тестовых абляций за счет обеспечения максимальных расстояний между зонами 230-233 тестовой абляции.
В центре тестового диска находится позиция 234 для контрольной абляции. После завершения измерений глубины тестовых абляций в зонах 230-233 тестовых абляций и анализа глубины абляций производится абляция в контрольной позиции с энергией импульса, соответствующей определенной уставке энергии. При наличии соответствующего механизма перемещения измерение посредством пахиметра 130 может быть проведено и в позиции 234 контрольной абляции. Однако, в качестве альтернативы, может быть использован механический метод измерений, например посредством измерительного зонда. Использование двух независимых способов измерений снижает вероятность ошибки.