УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ХИРУРГИЧЕСКОЙ ОФТАЛЬМОЛОГИИ
APPARATUS FOR LASER SURGICAL OPHTHALMOLOGY

Область техники
Изобретение относится к устройству для офтальмологической лазерной хирургии. Более конкретно, изобретение относится к устройству для лазерной хирургии, обеспечивающему быстрые изменения положения фокуса лазерного пучка, формируемого данным устройством, по координате z. Термин "координата z" согласно общепринятым обозначениям соответствует направлению распространения пучка. Соответственно, любое направление, перпендикулярное координате z, рассматривается как направление в плоскости х-y. В этой плоскости традиционно осуществляется отклонение лазерного пучка посредством сканера с целью сканирования по области глаза, на которую должен воздействовать лазерный пучок.
Уровень техники
Лазерные системы, испускающие короткие импульсы излучения в пределах фемтосекундного (ФС) диапазона, применяются в офтальмологической хирургии, среди других задач, для выполнения разрезов в роговичной ткани, а также в хрусталике. Используемый при этом эффект представляет собой оптический пробой, приводящий к так называемой фотодеструкции облученной ткани. Для обеспечения фотодеструкции требуется довольно сильная фокусировка лазерного пучка, которая достигается применением в процессе фокусировки оптики с соответственно высокой апертурой. В известных офтальмологических ФС лазерных системах фокусирующая оптика обычно представляет собой f-theta объектив, гарантирующий плоское поле изображения и позволяющий избежать нежелательных перемещений фокуса пучка по координате z в процессе сканирования лазерным пучком.
ФС лазерные системы имеют прочные позиции в офтальмологии, например для операций LASIK (laser in-situ keratomileusis - лазерный интрастромальный кератомилез). LASIK представляет собой метод воздействия на роговицу с целью устранения дефектов зрения, в котором сначала из поверхности роговицы вырезают небольшой поверхностный диск (так называемый лоскут), остающийся присоединенным своим краем к роговичной ткани. Затем лоскут отгибают и производят абляцию стромы роговицы, открывшейся в результате отгибания лоскута, коротковолновым лазерным излучением, например от эксимерного лазера, излучающего у 193 нм, в соответствии с профилем абляции, разработанным для индивидуального пациента. В этом варианте ФС лазерная система используется для выполнения разреза при формировании лоскута.
Чтобы произвести вырезание лоскута, обычно уплощают поверхность подлежащей обработке роговицы посредством прижимаемой к ней аппланационной пластины и осуществляют управление фокусом пучка по двум координатам в плоскости внутри роговицы. Благодаря плоскому полю изображений, обеспечиваемому f-theta объективом, в этом случае не требуется перемещать фокус пучка по координате z. Такое перемещение может потребоваться только в краевой области лоскута, если представляется желательным направить траекторию разреза в краевой зоне лоскута вверх, чтобы вывести его из стромы роговицы.
Были предложены различные решения задачи перемещения фокуса по координате z. В WO 03/032803 А2 описано перемещение для этой цели вдоль оси z (т.е. вдоль направления распространения пучка) всего фокусирующего объектива. Альтернативное решение могло бы состоять в разработке фокусирующего объектива с возможностью зуммирования. Однако оба эти варианта обладают тем недостатком, что механическое перемещение или задание степени зуммирования фокусирующего объектива должно производиться с высокой точностью, поскольку оно в масштабе 1:1 переносится в изменение положения фокуса. Если желательное перемещение фокуса между последовательными импульсами лазерного излучения составляет несколько микрометров, необходимо соответственно быстрое механическое перемещение на такое же расстояние фокусирующего объектива или линзы объектива, обеспечивающей зуммирование. Известные механические приводы для этого непригодны.
Альтернативное решение описано в DE 102005013949 А1. Лазерная система содержит установленный за сканером и выполненный по схеме телескопа двухлинзовый расширитель пучка, а также фокусирующую линзу, установленную непосредственно за сканером. Входная линза расширителя пучка (которая является положительной линзой) может перемещаться вдоль оси пучка (т.е. по координате z) посредством линейного привода. Такое перемещение входной линзы изменяет расходимость лазерного пучка, выходящего из расширителя пучка. При фиксированном положении фокусирующей линзы это приводит к изменению положения фокуса по координате z. Одно из преимуществ данного решения по сравнению с настройкой по координате z фокусирующей оптики состоит в улучшении воспроизводимости и точности перемещения, поскольку оптическая система преобразует перемещение входной линзы расширителя пучка в перемещение фокуса с уменьшением, например в 10 раз. Однако достижимые скорости изменения положения входной линзы накладывают ограничения на скорость перемещения фокуса пучка, который был преобразован в фокальную плоскость. Применительно к трехмерным разрезам, которые требуются при экстракции роговичного лентикула, способ изменения положения фокуса согласно DE 102005013949 А1 является значительно более быстрым, чем способ, описанный в WO 03/032803 А2, просто потому, что в случае перестройки положения входной линзы массы перемещаемых компонентов расширителя пучка, по существу, меньше, чем в случае изменения положения всей фокусирующей оптики или даже единственной фокусирующей линзы. Современная фокусирующая оптика может весить несколько килограммов, причем ее необходимо перемещать, не создавая вибраций. Входная линза расширителя пучка, напротив, может иметь относительно небольшую апертуру и иметь соответственно малые размеры и вес. Несмотря на это обычные линейные приводы не отвечают предъявляемым требованиям, если формирование лентикула в роговице или другие трехмерные разрезы необходимо провести за приемлемо короткое время с помощью лазера с достаточно высокой частотой повторения импульсов. Скорости надежного перемещения входной линзы расширителя пучка без каких-либо угловых смещений при использовании обычных линейных приводов могут равняться, например, 1-3 мм/с и даже (в случае соответствующего механического гидирования линзы) 5 мм/с. Однако для вырезания лентикула с применением ФС лазера с частотой импульсов в диапазоне десятков или сотен килогерц и более при реализации того же принципа перефокусировки по координате z требуются скорости движения входной линзы, составляющие 10 мм/с и более. Эти скорости не могут быть обеспечены доступными линейными приводами, по меньшей мере системами, которые удовлетворяют требованиям в отношении точности настройки.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании лазерного устройства, в большей степени отвечающего требованиям гидирования при выполнении трехмерного разреза в офтальмологической хирургии. Для решения этой задачи изобретение предлагает устройство для офтальмологической лазерной хирургии, содержащее: источник, генерирующий фемтосекундный лазерный пучок; телескоп для расширения лазерного пучка, содержащий входную линзу, выполненную как управляемая линза с изменяемой преломляющей способностью; установленный за телескопом сканер для отклонения лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной траектории пучка (в плоскости х-y); установленный за сканером по меньшей мере однолинзовый фокусирующий объектив, предпочтительно f-theta объектив, и программноуправляемое электронное управляющее средство, сконфигурированное для обеспечения профиля разреза, выполнение которого требует перемещений фокуса пучка вдоль траектории пучка (по координате z), с возможностью осуществлять указанные перемещения только путем управления линзой с изменяемой преломляющей способностью без изменения настройки фокусирующего объектива.
Линза с изменяемой преломляющей способностью предпочтительно выполнена с возможностью электрической настройки и представляет собой, например, жидкостную линзу, функционирующую в соответствии с принципом электросмачивания (именуемого также электрокапиллярностью), или, альтернативно, жидкокристаллическую линзу. Известные жидкостные линзы основаны на эффекте Липпмана (см., например, статью W.Monch, W.F.Krogmann, H.Zappe: Variable Brennweite durch flussige Mikrolinsen [Изменение фокусного расстояния посредством жидких микролинз], Photonik 4/2005, с.44-46). В результате приложения электрического напряжения к электродам жидкостной линзы изменяются поверхностное натяжение и, как следствие, кривизна граничной поверхности жидкости. Это изменение приводит, в свою очередь, к изменению фокусного расстояния жидкостной линзы. При этом жидкостные линзы при подаче на них электрического напряжения в состоянии изменять свою преломляющую способность в пределах 10 диоптрий (дптр) или более в течение нескольких миллисекунд.
Известны также жидкокристаллические линзы, основанные на переориентации и/или локальном сдвиге жидких кристаллов, образующих жидкокристаллический слой, и, например, мономеров в присутствии электрического поля. Переориентация или сдвиг жидких кристаллов вызывает изменение коэффициента преломления жидкокристаллического слоя и, как следствие, изменение преломляющей способности линзы.
Электрическая настройка линзы с изменяемой преломляющей способностью обеспечивает значительно более быструю перестройку по координате z, чем линейное перемещение самой линзы, не требуя при этом применения механических приводных устройств. В результате становится возможным получить более высокие скорости перестройки. При этом, как следствие отсутствия механических приводных средств и подвижных частей, не возникает никакого трения (за исключением внутреннего трения в жидкости или в жидких кристаллах). Тем самым достигаются высокая надежность, длительный срок службы и стабильность (отсутствует механический износ).
Быстрое перемещение фокуса (фокальной зоны) по координате z, обеспечиваемое изобретением, делает его применение особо привлекательным в офтальмологических приложениях, в которых используется сфокусированное ФС лазерное излучение и в которых требуется быстрое гидирование при выполнении трехмерных разрезов с целью сокращения времени воздействия. Одним из возможных применений, которое может выиграть от быстрого гидирования, является экстракция роговичного лентикула. В этой операции, проводимой с целью рефракционной коррекции, из стромы роговицы вырезают объем в форме линзового элемента. Для этого необходимо обеспечить точное и быстрое трехмерное позиционирование фокуса ФС лазерных импульсов. Эта задача не вызывает трудностей для направлений х, y благодаря соответственно высокой скорости сканера. Например, известные зеркальные сканеры, построенные с использованием гальванометрического принципа, способны обеспечить требуемые отклонения даже при частоте повторения импульсов в мегагерцевом диапазоне. Применение в телескопе входной линзы с изменяемой преломляющей способностью позволяет обеспечить перемещение фокуса по координате z в интервале от 50 мкм до сотен микрометров за несколько миллисекунд или по меньшей мере за несколько десятков миллисекунд. В частности, при экстракции роговичного лентикула это позволяет завершить требуемый разрез в течение нескольких минут (например за 2-4 мин), сведя неудобство, которое испытывает пациент в ходе такой операции, до приемлемо короткого времени. В дополнение, изобретение открывает путь к рефракционной коррекции глаза без ставшего обычным применения эксимерного лазера, поскольку высокая точность и воспроизводимость положения фокуса пучка по координате z позволяет осуществить в ходе экстракции лентикула такой разрез, который точно соответствует дефекту зрения, подлежащему удалению.
В ЕР 1837696 А1 уже была описана оптическая система, содержащая по меньшей мере одну фокусирующую линзу, по меньшей мере две линзы в телескопе и сканирующий блок, установленный на траектории пучка за телескопом и перед фокусирующей линзой для отклонения пучка в плоскости х-y, причем по меньшей мере одна из линз телескопа является электрически настраиваемой жидкостной линзой и служит для компенсации кривизны поля фокусирующей линзы. В отличие от данного решения линза с изменяемой преломляющей способностью согласно изобретению служит для перемещений фокуса пучка по координате z, которые задаются профилем производимого внутриглазного разреза.
Согласно изобретению линза с изменяемой преломляющей способностью может быть положительной или, альтернативно, отрицательной линзой.
Линза с изменяемой преломляющей способностью и ассоциированное с ней активирующее средство (в состав которого входит источник драйверного напряжения) предпочтительно сконфигурированы с возможностью обеспечения перемещения фокуса пучка вдоль траектории пучка на 100 мкм менее чем за 30 мс, предпочтительно менее чем за 24 мс, особенно предпочтительно менее чем за 18 мс.
Согласно дополнительному аспекту изобретения предложен способ офтальмологической лазерной хирургии, включающий следующие операции:
- формирование импульсного фемтосекундного лазерного пучка, направленного на глаз пациента,
- сканирование лазерного пучка посредством сканера в соответствии с профилем разреза, который должен быть выполнен внутри глаза и который требует перемещений фокуса пучка вдоль траектории пучка, и
- управление линзой с изменяемой преломляющей способностью для осуществления перемещений фокуса пучка без изменения настройки средства фокусировки лазерного пучка.
Профиль разреза может соответствовать, например, вырезанию роговичного лентикула.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано далее со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично в сечении изображена часть человеческого глаза, включающая роговицу, на которую наложен профиль роговичного лентикула.
На фиг.2 схематично представлен пример устройства согласно изобретению для осуществления офтальмологической лазерной хирургии.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображена, в сечении, роговица 10 человеческого глаза. Оптическая (зрительная) ось 12 глаза проведена штрихпунктирной линией. У роговицы 10 имеются передняя и задняя поверхности 14, 16. Толщина d роговицы типичного человеческого глаза составляет 500 мкм, разумеется, с возможными отклонениями в большую или меньшую стороны, от человека к человеку. Склера и лимб глаза обозначены на фиг.1 как 18; край лимба обозначен как 20.
Штриховой линией на фиг.1 показан внутрироговичный - точнее, интрастромальный - лентикул 22, который должен быть вырезан путем воздействия сфокусированным ФС лазерным излучением с последующим удалением, хирургическим путем, через отверстие, которое будет выполнено в роговице 10. Это отверстие также может быть сформировано посредством лазерного разреза. Фемтосекундная экстракция лентикула позволяет корректировать дефекты зрения, например миопию и миопический астигматизм. Обычно лентикул 22 формируют посредством выполнения, по существу, плоского заднего разреза 24 и криволинейного переднего (фронтального) разреза 26. Должно быть понятно, что плоская задняя (нижняя) поверхность лентикула не должна рассматриваться как необходимая. В принципе, траектория разреза может свободно выбираться как для верхней, так и для нижней стороны лентикула. Диаметр лентикула - обозначенный на фиг.1 как а - выбирается, например, в интервале 4-10 мм, а его максимальная толщина b составляет, например, 50-150 мкм. При этом выбор а=6-8 мм и b=80-100 мкм позволяет корректировать дефекты зрения в пределах от -5 до -6 дптр. Должно быть понятно, что диаметр и толщину лентикула можно варьировать в зависимости от тяжести корректируемого дефекта зрения. Часто толщина лентикула может составлять всего лишь несколько десятков микрометров, что в сочетании с его, по существу, плоской нижней стороной (формируемой посредством плоского заднего разреза 24) означает, что в процессе сканирования лазерным пучком за пределами вершины лентикула (т.е. зоны, в которой лентикул 22 имеет максимальную толщину) фокус лазерного пучка должен перемещаться вдоль направления распространения (траектории) пучка на расстояние, соответствующее толщине лентикула.
Далее будет описано представленное на фиг.2 лазерное устройство, которое содержит фемтосекундный лазерный источник 28 (образованный, например, волоконным лазером), генерирующий импульсное лазерное излучение 30 с длительностями импульсов в пределах фемтосекундного диапазона и с частотой повторения импульсов, предпочтительно лежащей в диапазоне от более 50 кГц до тысяч килогерц или даже более 1 МГц. Генерируемый лазерный пучок 30 расширяется посредством многолинзового расширителя 32 пучка. Расширенный лазерный пучок 34 поступает на сканер 36, предназначенный для отклонения лазерного пучка 34 в плоскости х-y, ортогональной направлению распространения пучка (координате z системы координат, также показанной на фиг.2), и, тем самым, сканирования лазерным пучком зоны глаза, подвергаемой воздействию. В представленном варианте сканер 36, функционирующий в соответствии с гальванометрическим принципом, образован двумя наклоняемыми плоскими зеркалами 40, 42, которые находятся под контролем блока 38 управления. Должно быть понятно, что в равной мере применимы и сканеры, основанные на других принципах (например, осуществляющие сканирование с помощью соответственно управляемого кристалла).
За сканером 36 установлен фокусирующий f-theta объектив 44 с линзами 46, 48, который фокусирует лазерный пучок в фокус 50. Использование фокусирующего объектива 44 в форме f-theta объектива обеспечивает плоскую поверхность изображения, так что независимо от угла наклона лазерного пучка его фокус 50 всегда находится в плоскости, ортогональной координате z. Должно быть понятно, что двухлинзовая конструкция фокусирующего объектива 44 приведена на фиг.2 только как пример: объектив 44 может быть построен и с любым другим количеством линз.
В представленном примере расширитель 32 пучка является телескопом по схеме Галилея, т.е. с отрицательной (например, двояковогнутой) входной линзой 52 и с положительной (например, двояковыпуклой) выходной линзой 54. Альтернативно можно использовать телескоп по схеме Кеплера с двумя положительными линзами. Входная линза 52 построена как линза с изменяемой преломляющей способностью, т.е. ее преломляющая способность может изменяться под воздействием прикладываемого электрического драйверного напряжения ±U. Достижимый диапазон перестройки преломляющей способности линзы 52 предпочтительно заметно превышает 10 дптр. Изменение преломляющей способности входной линзы 52 приводит к изменению расходимости лазерного пучка, падающего на выходную линзу 54, и, следовательно, к перемещению фокуса 50 пучка по координате z. Входная линза 52 выполнена как жидкостная линза или жидкокристаллическая линза, снабженная электродами 56 (очень схематично изображенными на фиг.2), к которым прикладывается драйверное напряжение. Штриховыми линиями показаны линии управления, связывающие блок 38 управления с отклоняющими зеркалами 40, 42 и с источником 58 драйверного напряжения ±U.
Блок 38 управления управляет источником 58 драйверного напряжения и, следовательно, напряжением на электродах входной линзы 52 в соответствии с профилем внутриглазного разреза. Соответствующая управляющая программа для блока 38 управления записана в его памяти (не изображена). В случае жидкостных линз, основанных на принципе электросмачивания, преломляющая способность линзы зависит от квадрата приложенного напряжения. Поэтому, если входная линза 52 выполнена как жидкостная линза, управление ее фокальным расстоянием может осуществляться посредством относительно небольших изменений напряжения. Например, при изменении напряжения примерно на 10 В можно легко добиться, при условии правильного подбора параметров входной линзы 52 (включая ее апертуру и электрострикционные свойства), изменения ее преломляющей способности примерно на 10 дпт. При этом, при условии правильного конструирования, время реакции жидкостной линзы может составлять от десятков до нескольких миллисекунд.
Таким образом, изменения положения фокуса f-theta объектива 44 могут производиться достаточно быстро, т.е. соответствовать требованиям быстрого эффективного вырезания лентикула ФС лазерной системой. Например, полное линейное сканирование с перемещением фокуса пучка по координате z примерно на 100 мкм может занимать около 10-40 мс. При использовании согласно изобретению в расширителе 32 пучка линзы с электрическим управлением ее преломляющей способностью обеспечиваются перемещения фокуса (фокусной зоны) с частотами, требуемыми для эффективного применения фемтосекундной экстракции лентикула.
Имеющиеся на рынке жидкостные линзы, функционирующие на основе принципа электросмачивания, содержат жидкости, обладающие высокой прозрачностью внутри интервала 300-1300 нм. Соответственно, для экстракции лентикула (а также для других роговичных разрезов) можно использовать как основную частоту излучения типичных ФС лазерных источников, соответствующую длине волны в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне, так и гармонику, соответствующую ультрафиолетовому (УФ) диапазону, например третью гармонику.
Длина волны в УФ диапазоне особенно удобна для коррекции рефракции посредством фемтосекундной экстракции лентикула, поскольку требуемые точности управления фокусом пучка легче обеспечиваются для длины волны, близкой, например, к 340 нм. В частности, желательно получить диаметр фокальной зоны не более 1 мкм. Для длин волн в БИК диапазоне получение названного значения диаметра вызывает определенные трудности.
Конструкция входной линзы 52 расширителя 32 пучка в форме линзы с изменяемой преломляющей способностью обладает также тем преимуществом, что позволяет применять линзы с относительно малой апертурой, например линзы с диаметром 2-6 мм. Это дает возможность использовать небольшое драйверное напряжение и обеспечить более высокие частоты перефокусировки.
Кроме того, влияния погрешностей волнового фронта, вносимых входной линзой 52, на качество фокусировки оказываются достаточно малыми. В частности, имеющиеся на рынке жидкостные линзы обладают погрешностью волнового фронта на уровне λ/4. Использование линз такого качества в фокусирующем объективе 44 с переменным фокусным расстоянием не позволило бы получить качество фокусировки, ограничиваемое дифракцией.
Линза с изменяемой преломляющей способностью, используемая в контексте изобретения, должна быть пропускающей по меньшей мере для ФС лазерных импульсов внутри БИК диапазона, предпочтительно в интервале 1000-1100 нм. При этом желательно обеспечить перемещение фокуса пучка по координате z по меньшей мере на 300 мкм, предпочтительно по меньшей мере на 350 мкм и наиболее предпочтительно по меньшей мере на 400 мкм, только путем настройки линзы с изменяемой преломляющей способностью, без дополнительного перемещения для этой цели фокусирующей оптики. Указанное максимальное перемещение фокуса желательно обеспечить перестройкой линзы с изменяемой преломляющей способностью по меньшей мере в пределах 7,5 дптр, предпочтительно в пределах 8 дптр и даже 8,5 дптр. Оптическая система, которая проецирует лазерный пучок в его фокальную зону (т.е. телескоп-расширитель пучка, фокусирующий объектив и любые оптические элементы, установленные между ними), должна обладать соответствующей пропускающей способностью. Погрешность настройки линзы с изменяемой преломляющей способностью в пределах рабочего диапазона перестройки (который может составлять около 9 или 10 дптр) предпочтительно не должна превышать 3%, предпочтительно 2% и, в качестве конкретного примера, примерно 1%. С использованием имеющихся на рынке компонентов может быть получена конструкция, в которой изменение управляющего напряжения, приложенного к линзе с изменяемой преломляющей способностью, примерно на 1 В приводит к изменению ее преломляющей способности примерно на 1 дптр, причем изменение ее преломляющей способности примерно на 0,1 дптр вызывает перемещение фокальной зоны по координате z примерно на 3-4 мкм.