УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ, В ЧАСТНОСТИ, В РЕФРАКЦИОННОЙ ХИРУРГИИ
DEVICE FOR MATERIAL PROCESSING, USED IN PARTICULAR, IN REFRACTIVE SURGERY

Область техники
Изобретение относится к устройству для обработки материала и, более конкретно, к устройству для рефракционной хирургии глаза, содержащему импульсный источник, генерирующий лазерный пучок, средства, фокусирующие лазерный пучок, испускаемый данным источником, и направляющие его на материал, подлежащий обработке, в частности на глаз, и подключенный к компьютеру контроллер для управления указанными средствами таким образом, чтобы обеспечить последовательное размещение фокальных точек лазерного пучка вдоль заданной траектории.
Далее изобретение будет описано применительно к рефракционной хирургии глаза, в частности, методом лазерного интрастромального кератомилеза (LASIK, laser in-situ keratomileusis).
Уровень техники
LASIK - это широко применяемый в настоящее время метод рефракционной хирургии. В процессе рефракционной хирургии рефракционные свойства глаза модифицируют посредством лазерного излучения.
Прибором, применение которого в методе LASIK постоянно расширяется, является фемтосекундный лазер, т.е. импульсный лазер с предельно короткими длительностями импульсов излучения, не превышающими сотен фемтосекунд. Благодаря столь коротким длительностям становится возможным, фокусируя излучение внутри очень малых объемов, получить предельно высокие значения плотности энергии электромагнитного излучения и соответственно очень высокие напряженности поля. Фемтосекундный лазер в настоящее время используется в технологии LASIK преимущественно как прибор для срезания так называемого лоскута, т.е. для формирования среза роговицы с получением лоскута, который остается связанным с роговицей небольшим краевым участком. Это позволяет отогнуть лоскут, чтобы открыть нижележащую строму, которую затем частично удаляют посредством (другого) лазерного пучка в соответствии с предварительно разработанным профилем абляции. После завершения профилирования роговицы лоскут возвращают в начальное положение и он в сравнительно короткое время сращивается с роговицей. Фемтосекундный лазер все в большей степени заменяет микрокератом - механическое устройство с осциллирующим лезвием, посредством которого также можно произвести вышеупомянутый срез, чтобы сформировать лоскут.
По имеющимся оценкам, к настоящему времени с применением фемтосекундного лазера было проведено более миллиона операций описанного типа.
Использование фемтосекундного лазера для выполнения надреза роговицы именуется также операцией fs-LASIK. По сравнению с применением механического микрокератома данная операция обладает рядом преимуществ, например пониженным риском осложнений, большей точностью в получении требуемой толщины лоскута и лучше сформированным краевым участком.
Тем не менее, чтобы получить с помощью фемтосекундного лазера такое же качество поверхности среза, как и с прецизионным лезвием микрокератома, и обеспечить возможность отделения, без осложнений, лоскута после его срезания, параметры метода fs-LASIK (особенно параметры резания, рассматриваемые ниже) должны быть тщательно оптимизированы.
Причина необходимости такой оптимизации метода fs-LASIK определяется физикой формирования среза. В сущности, срез при использовании данного метода производится формированием последовательности близкорасположенных так называемых микросечений, например, с диаметром около 5 мкм. В результате предельно высокой локальной плотности энергии излучения (т.е. высокой напряженности поля) ткань разрывается, и имеет место локальное проникновение излучения в роговичную ткань и в содержащиеся в ней микрофибриллы. В совокупности, множество последовательных импульсов, сфокусированных в близлежащие точки, обеспечивает экстенсивное разрушение ткани. С доступными в настоящее время лазерами требуемые значения напряженности поля обычно достигаются только в фокальной зоне. Тем самым достигается то преимущество, что обеспечивается возможность разрушения ткани, лежащей достаточно глубоко под поверхностью, точно в фокальной зоне.
Параметрами метода, требующими тщательной оптимизации, являются, прежде всего, энергия в лазерном импульсе, диаметр фокальной точки, расстояние между фокальными точками и параметры управления индивидуальными сфокусированными импульсами во времени и в пространстве.
Из уровня техники известны различные подходы к выполнению разреза методом fs-LASIK с созданием близкорасположенных смежных микросечений путем формирования последовательности близкорасположенных фокальных точек, лежащих на заданной траектории. Одним из критериев является также время, необходимое для выполнения всего среза, позволяющего сформировать лоскут.
Из уровня техники известно, например, формирование фокальных точек с их взаимным смещением от импульса к импульсу вдоль спиральной траектории, а также применение линейной развертки последовательности фокальных точек, аналогично движению электронного пучка в обычных электронно-лучевых трубках.
Из уровня техники известны также средства, посредством которых лазерное излучение фокусируется и направляется в пространстве для описанных выше целей. Так, широко применяется растрирование фокальных точек, поскольку для этого можно использовать имеющиеся средства сканирования (зеркала и средства управления ими). Чтобы получить хороший срез методом fs-LASIK с применением подобной линейной развертки фокальных точек последовательных лазерных импульсов, могут быть приемлемыми, например, следующие параметры:
энергия лазерного импульса
1 мкДж
диаметр фокальной точки
<5 мкм
расстояние между фокальными точками в строке
~8 мкм
расстояние между строками
~12 мкм
диаметр лоскута
9 мм
частота следования лазерных импульсов
60 кГц
При использовании указанных параметров срезание лоскута может быть проведено, например, менее чем за 30 с.
Однако недавно был обнаружен следующий эффект, обусловленный выполнением среза методом fs-LASIK и вызывающий неприятные ощущения у пациентов: после выполнения операции данным методом пациенты иногда видят хроматически разрешенные краевые структуры (похожие на радугу) у острых кромок объектов. Данный эффект именуется радужным.
В WO 03/011175 обсуждается использование нерегулярной последовательности лазерных импульсов при абляции с целью поддержания низкой локальной частоты абляции и предотвращения взаимных термических помех смежных зон абляции при осуществлении фоторефракционной кератомии и обеспечения тем самым малой шероховатости формируемой поверхности.
Предложения в US 20060095023 основаны на понимании того, что эффекты, возникающие при обработке материала, например роговицы, сфокусированными лазерными импульсами, имеют определенную временную зависимость. Эффект от одиночных лазерных импульсов состоит в генерировании полостей, которые расширяются и схлопываются. Чтобы предотвратить попадание следующего импульса в последовательности импульсов непосредственно в зону действия эффекта от предыдущего импульса, расстояние между последовательными импульсами делается достаточно большим, чтобы выйти за пределы ранее образованной полости.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в предотвращении вышеупомянутого радужного эффекта.
Изобретение обеспечивает решение этой задачи применительно к рефракционной хирургии глаза созданием устройства, содержащего импульсный источник, генерирующий лазерный пучок, средства, фокусирующие лазерный пучок, испускаемый указанным источником, и направляющие его на глаз, и подключенный к компьютеру контроллер для управления указанными средствами таким образом, чтобы обеспечить размещение фокальных точек указанного лазерного пучка вдоль заданной траектории на поверхности глаза или внутри него. При этом расстояния между смежными фокальными точками варьируются, по меньшей мере, на большей части траектории.
Однако изобретение не ограничивается областью рефракционной хирургии: оно может быть использовано в любых процессах обработки материала, в которых могут иметь место радужные эффекты, например при обработке оптических компонентов или аналогичных объектов.
В рамках решения указанной задачи изобретение использует компьютерную программу для управления устройством, осуществляющим обработку материала, которое содержит импульсный источник, генерирующий лазерный пучок, средства, фокусирующие лазерный пучок, испускаемый указанным источником, и направляющие его на глаз, и подключенный к компьютеру контроллер для управления указанными средствами таким образом, чтобы обеспечить размещение фокальных точек указанного лазерного пучка вдоль заданной траектории на поверхности глаза или внутри него, причем расстояния между смежными фокальными точками варьируются, по меньшей мере, на большей части траектории.
Изобретение основано на понимании того, что указанные радужные эффекты возникают потому, что при использовании известных средств управления положениями фокальных точек пучка излучения в обработанном материале, в частности в роговице, возникают структуры, которые затем действуют подобно дифракционной решетке, разлагающей в результате дифракции проходящий сквозь нее белый свет на спектральные компоненты. Другими словами, пространственное позиционирование, выбираемое согласно уровню техники для индивидуальных фокальных точек, создает регулярные структуры с эквидистантным расположением данных точек, а это может приводить к образованию двухмерной дифракционной решетки, которая формирует дифракционные изображения, например, на сетчатке глаза. В результате при наблюдении острых кромок индивидуальные цвета в составе белого света больше не накладываются точно один на другой.
Должно быть понятно, что данный эффект в рефракционной хирургии является крайне нежелательным.
Согласно изобретению расстояния между смежными фокальными точками выбирают так, чтобы исключить образование регулярных структур в обработанном материале, в частности в роговице. Другими словами, согласно изобретению индивидуальные точки, в которых происходит воздействие лазерного излучения, позиционируют по правилам, исключающим возникновение регулярных структур, создающих нежелательные дифракционные эффекты.
Применительно к известному методу fs-LASIK такие регулярные структуры, создающие нежелательный дифракционный эффект, возникали потому, что индивидуальные фокальные точки пучка лазерного излучения были расположены, по существу, эквидистантно, так что регулярные дифрагирующие структуры с локальными вариациями показателя преломления оставались даже после возвращения лоскута в начальное положение и завершения процесса заживления.
Согласно предпочтительной конфигурации изобретения расстояния между смежными фокальными точками варьируются стохастически. Чтобы рассчитать положения пространственно смежных фокальных точек, определяется, например, базовое расстояние, которое в расчетах принимается постоянным, а затем это расстояние варьируют от импульса к импульсу в небольших заданных пределах. Заданные пределы отклонения расстояний от базового значения (т.е. пределы отклонений от эквидистантности в последовательности фокальных точек) выбираются такими, чтобы фокальные точки обеспечивали получение чистого среза, несмотря на неравные расстояния между ними. Например, пределы отклонения могут быть заданы составляющими 5-20% постоянной для расчетной базовой дифракционной решетки. Эта постоянная должна быть достаточно малой, чтобы обеспечить формирование непрерывных микросечений даже при максимальном расстоянии между положениями фокальных точек, определенных при ее использовании.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи будет в качестве примера описан вариант осуществления изобретения.
На фиг.1 схематично показано устройство для рефракционной хирургии глаза.
На фиг.2 показан вариант траектории, вдоль которой внутри роговицы последовательно, управляемым образом позиционируют фокальные точки импульсов фемтосекундного лазера.
На фиг.3 представлен фрагмент фиг.2, иллюстрирующий нарушение регулярной эквидистантности индивидуальных фокальных точек.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично показано известное само по себе устройство для рефракционной хирургии глаза. Оно содержит источник 10, генерирующий лазерный пучок, т.е. генерирующий пучок 12 лазерных импульсов с длительностью, лежащей в фемтосекундном диапазоне. Лазерные импульсы поступают в средства 14, профилирующие, в частности фокусирующие, и направляющие пучок 12' сфокусированных лазерных импульсов в сторону глаза 16. Указанные средства 14 сами по себе известны. Подключенный к компьютеру контроллер 18 управляет источником, генерирующим лазерный пучок, и средствами 14, фокусирующими и направляющими лазерный пучок. Например, сфокусированные лазерные импульсы позиционируются внутри глаза для осуществления рефракционной хирургии в соответствии с траекторией, условно обозначенной стрелкой 20. Поскольку импульсы излучения являются дискретными, описанное перемещение лазерного пучка по глазу может быть также названо "растрированием".
На фиг.2 схематично иллюстрируется подобное растрирование фокальных точек F для осуществления надреза методом fs-LASIK. Краевой участок обозначен как R. Например, срез может иметь диаметр 9 мм. Индивидуальные фокальные точки F показаны только в верхней половине фиг.2; однако следует понимать, что в ее нижней половине фокальные точки расположены аналогичным образом.
0
0
Фокальные точки F, соответствующие пучку 12' лазерных импульсов, следующих один за другим, направляют по траектории, соответствующей строкам (рядам) Z, тогда как скачки между строками иллюстрируются стрелками. Видно, что хронологический порядок следования импульсов соответствует линейному перемещению по строкам справа налево или слева направо. Как показано на фиг.2, это приводит к возникновению регулярных дифрагирующих структур типа решетки, в которых смежные фокальные точки F в строке Z всегда находятся на расстоянии Δx. Расстояние Δy между строками также является постоянным. Как было упомянуто, образования именно таких регулярных структур следует избежать.
i
i+1
С этой целью в примере осуществления изобретения, представленном на фиг.3, расстояния Δx между положениями смежных фокальных точек в строке Z варьируются. Например, расстояние Δx между смежными фокальными точками F превышает расстояние Δx, соответствующее следующему интервалу между фокальными точками.
Такое варьирование расстояний между фокальными точками производится нерегулярным образом в каждой строке, по меньшей мере, для большинства таких расстояний. Выражение "по меньшей мере, для большинства" в данном случае означает такое варьирование, при котором не создается никакой регулярной дифрагирующей структуры, способной генерировать возмущающие дифракционные эффекты типа описанных выше. С учетом этого условия несколько эквидистантных позиций фокальных точек не создают никаких проблем.
Один из возможных вариантов варьирования расстояний Δх между фокальными точками в строке соответствует следующему стохастическому подходу:
Δx<sub>i</sub>=Δx<sub>0</sub>+а(I·Δx<sub>0</sub>)
расстояние между фокальными точками (i-1) и i
Δx<sub>i+1</sub>=Δx<sub>0</sub>+a[(I+1)Δx<sub>0</sub>],
расстояние между фокальными точками i и (i+1)
например, Δx<sub>0</sub>=const=5 мкм
a=0,10
уровень модуляции
I; (I+1)
генерируемые случайные числа между 0…1
0
0
0
Δх - это чисто расчетная величина, соответствующая базовому расстоянию между смежными фокальными точками в строке Z. Реальные расстояния варьируются стохастически, т.е. в соответствии со случайной последовательностью, в пределах, задаваемых приведенными формулами. Например, расчетное базовое расстояние Δx равно 5 мкм при диаметре фокальной зоны 3 мкм. Коэффициент а задает пределы допустимого варьирования расстояния между смежными фокальными точками. Если он равен 0,10, то допустимое варьирование составляет 10%, т.е. данный коэффициент определяет глубину модуляции расстояний. Параметры I, (I+1) - это случайные числа, генерируемые генератором случайных чисел в интервале [0…1], которые стохастически определяют расстояния между смежными фокальными точками для индивидуальной пары точек. Параметры Δx, a, I выбирают такими, чтобы, несмотря на варьирование расстояний, фокальные точки находились достаточно близко одна к другой для формирования требуемой "непрерывной" поверхности среза.
Критическим фактором является то, что описанное варьирование расстояний между фокальными точками гарантирует невозможность формирования регулярными дифрагирующими структурами дифракционного изображения, которое является нежелательным эффектом для рассматриваемого применения.
Аналогично, независимо или в дополнение к варьированию расстояний в строке, можно варьировать также расстояния S между смежными фокальными точками в столбце. Например, регулярность этих расстояний по координате y может быть устранена выбором следующих соотношений:
Δy<sub>i</sub>=Δy<sub>0</sub>+b(I·Δy<sub>0</sub>)
расстояние между строками (i-1) и i
Δy<sub>i+1</sub>=Δy<sub>0</sub>+b[(I+1)·Δy<sub>0</sub>],
расстояние между строками i и (i+1)
например, b=0,15
уровень модуляции
Δy<sub>0</sub>=10 мкм
базовое расстояние между строками
0
Использованные в формулах параметры имеют значения, аналогичные значениям параметров, использованных для варьирования расстояний в строке Z. Соответственно, коэффициент b=0,15 задает пределы допустимого варьирования расстояний по координате y, составляющие в данном примере 15%, а Δy - расчетное базовое расстояние между фокальными точками в столбце S. И в этом случае индивидуальные параметры должны быть выбраны и оптимизированы из условия получения качественной поверхности среза при заданных диаметре фокальной зоны и энергии импульса фемтосекундного лазера.
Использование изобретения дает остаточную шероховатость открываемой поверхности, обусловленную варьированием плотности энергии; однако эти шероховатости достаточно нерегулярны, чтобы предотвратить нежелательные дифракционные эффекты.
Вышеописанный эффект варьирования расстояний между фокальными точками, который был реализован расчетным методом, с применением генератора случайных чисел или аналогичного средства, теоретически можно обеспечить, по меньшей мере, частично механическим нестабильным перемещением пучка; однако осуществление описанного процесса под управлением от компьютера представляется предпочтительным.