УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ НАДРЕЗОВ НА РОГОВИЦЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ГЛАЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СФОКУСИРОВАННОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE AND METHOD OF PERFORMING CUTS ON HUMAN EYE CORNEA WITH APPLICATION OF FOCUSED PULSE LASER RADIATION

Область техники
Изобретение относится к выполнению надрезов в роговице человеческого глаза посредством сфокусированного лазерного излучения и в особенности к получению надрезов, открывающих проход через роговицу.
Уровень техники
При применении сфокусированного лазерного излучения для выполнения надрезов в прозрачном (для лазерного излучения) материале в качестве физического эффекта используют так называемый оптический пробой, индуцированный лазером. Он реализуется в виде локального испарения облучаемого материала, которое именуется фотодеструкцией, причем фотодеструкция пространственно ограничена, по существу, фокальной зоной. Посредством множества таких фотодеструкций, примыкающих одна к другой, можно получить самые разнообразные конфигурации надрезов.
Из уровня техники известно выполнение надрезов в роговице человеческого глаза методом фотодеструкции посредством сфокусированного импульсного лазерного излучения с ультракороткими импульсами (с длительностью импульсов в границах фемтосекундного диапазона). В частности, этот прием выполнения надрезов многократно предлагался для формирования лоскута роговицы при осуществлении метода LASIK (laser in situ keratomileusis - лазерный интрастромальный кератомилез).
Однако надрезы роговицы приходится выполнять не только в операциях, использующих метод LASIK, но и в целой серии других вариантов хирургии. В качестве актуального примера можно сослаться на экстракцию внутрироговичного лентикула. В ходе этой процедуры в роговице отделяют часть ткани в форме линзы посредством двух планарных надрезов, расположенных друг над другом и соприкасающихся у своих границ.
С другой стороны, в контексте изобретения рассматриваются щелеобразные надрезы, проходящие насквозь от передней поверхности роговицы к задней. Такие надрезы, которые могут открывать канал доступа к внутренним зонам глаза, необходимы, чтобы получить возможность ввести и извлечь медицинские инструменты и/или медицинский материал (например, искусственные сменные линзы, донорскую ткань и другие подобные средства), в частности, в операциях на хрусталике человеческого глаза или при ламеллярных кератопластических пересадках роговичного эндотелия.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание в минимальной степени инвазивной альтернативы механическому выполнению непрерывных надрезов в роговице посредством скальпеля.
В рамках поставленной задачи изобретение предлагает устройство для выполнения по меньшей мере одного непрерывного щелеобразного надреза, проходящего от задней поверхности роговицы человеческого глаза до ее передней поверхности. Устройство содержит лазерный блок, выполняющий по меньшей мере одну часть надреза сфокусированным импульсным лазерным излучением. В свою очередь, лазерный блок содержит регулируемые компоненты, обеспечивающие локальное позиционирование фокуса пучка излучения, и управляющий компьютер, осуществляющий управление этими компонентами согласно заложенной в нем программе управления. В программе имеются команды, которые при исполнении их компьютером обеспечивают выполнение по меньшей мере одной части надреза, начинающейся от задней поверхности роговицы, причем эта часть надреза формируется с контуром сечения, который в направлении от передней поверхности к задней отклоняется от прямой линии, перпендикулярной к поверхности глаза. Предпочтительно использовать лазерное излучение с длительностью импульсов в интервале меньше одной пикосекунды. Длина волны излучения может лежать в близкой ИК-области или в ультрафиолетовом диапазоне при условии, что она обеспечивает прохождение излучения на достаточную глубину внутрь роговицы.
Термин "щелеобразный надрез" в данном случае означает двумерный разрез, ширина которого невелика, предпочтительно пренебрежимо мала по отношению к размеру в плоскости продольного сечения. Например, она может соответствовать только одной фотодеструкции, если фотодеструкции следуют одна за другой, находясь в одной плоскости. Контур сечения, проходящего от передней поверхности к задней, в контексте изобретения должен считаться контуром продольного сечения. Длина надреза задается пространством от передней поверхности роговицы до задней и выбранным контуром сечения надреза на этом линейном сегменте. Надрез открывает щелеобразный доступ к внутреннему объему глаза через роговицу, причем на виде сверху на ее переднюю поверхность эта щель может быть, по существу, прямолинейной или более или менее сильно изогнутой. Длина щели на виде сверху (она соответствует ширине надреза) доходит, например, только до нескольких миллиметров, причем ее можно задать в зависимости от требований конкретного приложения, в частности в зависимости от размера вводимых или извлекаемых инструментов и материалов. На протяжении участка, на котором в роговице выполняют несколько непрерывных надрезов, по меньшей мере часть из них может совместно иметь контур сечения, изменяющийся при переходе от передней поверхности роговицы к задней, и/или переменную ширину. Должно быть понятно, что таким же образом по меньшей мере часть надрезов может иметь идентичный контур сечения, а также одинаковую ширину.
Чтобы обеспечить хорошее самосмыкание роговицы, раскрываемой посредством надреза, целесообразно выполнить контур его сечения по меньшей мере с одним резким изгибом (далее - резкий изгиб). В этом варианте контур сечения надреза может иметь по обе стороны от такого изгиба участки, по существу, прямолинейной формы. В порядке альтернативы или в дополнение к единичному или многократному изгибанию, продольное сечение надреза можно выполнить с одним или более дугообразных или волнистых сегментов. Это также может способствовать хорошему самосмыканию роговицы.
Чтобы обеспечить особенно хорошее самосмыкание, предусмотрена возможность выполнить контур сечения надреза с несколькими резкими изгибами. Обнаружено, что этот вариант полезен, если контур сечения надреза имеет по меньшей мере один прямолинейный участок, расположенный между двумя резкими изгибами и, по существу, перпендикулярный к поверхности глаза. У человека поверхность глаза искривлена, поэтому у различных ее точек перпендикуляр ориентирован по-разному. В подобных случаях всегда подразумевается, что конкретная ориентация контура (или части контура) сечения относительно перпендикуляра к поверхности глаза определена относительно перпендикуляра именно у данной точки надреза.
На протяжении зоны, в которой контур сечения надреза имеет по меньшей мере три прямолинейных участка, рекомендуется последовательность их расположения, образующая зигзагообразную конфигурацию.
Что касается местоположения надреза в глазе, предусмотрена возможность выполнить надрез в направлении, проходящем вдоль или поперек воображаемой кольцевой линии, по существу, концентричной зрачку глаза (это направление соответствует ориентации ширины надреза). В таком варианте надрез может проходить, например, по касательной к данной кольцевой линии, но возможно также прохождение надреза относительно данной линии под произвольным углом. На виде на глаз сверху вдоль оси зрачка воображаемая кольцевая линия может находиться внутри или снаружи периметра зрачка, но в любом случае она проходит внутри лимба глаза. На виде в сечении в направлении ориентации ширины контур надреза целесообразно выполнить прямолинейным.
Ширина надреза может быть, по существу, постоянной по всей его длине от передней поверхности роговицы до задней. В альтернативном варианте ширина надреза может сужаться (например, равномерно или ступенчатым образом) в сторону задней поверхности. Конечно, возможны также надрезы с шириной, увеличивающейся в сторону задней поверхности.
По отношению к зоне, выбранной для выполнения нескольких надрезов, команды, заложенные в программе управления, предпочтительно выбрать обеспечивающими выполнение в каждом случае по меньшей мере одной части нескольких надрезов. Из них эту по меньшей мере одну часть по меньшей мере двух надрезов можно распределить вдоль воображаемой кольцевой линии, по существу, концентричной зрачку глаза. В общем случае предусмотрена возможность распределить надрезы вдоль нескольких воображаемых кольцевых линий, по существу, концентричных зрачку глаза. Центрирование упомянутых кольцевых линий относительно центра зрачка является в данном случае визуальной процедурой, выполняемой на виде глаза сверху вдоль оси зрачка. В связи с этим должно быть понятно, что для модификаций этих кольцевых линий возможно также и эксцентричное их расположение относительно центра зрачка.
В одной из модификаций по меньшей мере один надрез можно целиком выполнить посредством лазерного блока, т.е. в этой модификации команды, заложенные в программе управления, при исполнении их управляющим компьютером обеспечивают выполнение непрерывного надреза по всей его длине от задней поверхности роговицы до передней. В альтернативной модификации предусмотрена возможность запрограммировать лазерный блок таким образом, чтобы он выполнял только участок надреза, начинающийся от задней поверхности роговицы, но отстоящий от ее передней поверхности на какое-то расстояние. Например, этот участок надреза, выполняемый с использованием лазерной технологии, может заканчиваться ниже передней поверхности роговицы не более чем примерно на 100 мкм, а еще лучше - не более чем примерно на 70 мкм. Например, он может заканчиваться примерно на 50 мкм ниже передней поверхности роговицы, т.е. у точки, до которой доходит эпителий роговицы. Конечно, возможен вариант, в котором участок надреза, выполненный с использованием лазерной технологии, заканчивается на еще более коротком расстоянии (только около 20 или 30 мкм) от передней поверхности роговицы. В каждом случае остальную часть надреза предпочтительно выполнить более тонкой, чем зона роговицы, прорезанная данным участком. После выполнения надреза с использованием лазерной технологии его оставшаяся часть может быть выполнена хирургом, проводящим операцию, с помощью обычного механического режущего инструмента (скальпеля). Таким образом, предлагается способ, позволяющий участок надреза, выбранный для обработки с использованием лазерной технологии, выполнить первым в нестерильной окружающей среде без особой опасности для пациента, поскольку, находясь в этой среде, глаз еще полностью не вскрыт. Затем хирург, проводящий операцию, может в стерильной окружающей среде завершить выполнение надреза, разделяя вручную остальную часть роговицы в ходе выполняемой операции, для которой необходимо также обеспечить наличие канала для доступа в глаз. Для такой модификации в комплект устройства согласно изобретению может, в дополнение к лазерному блоку, входить по меньшей мере один скальпель, которым проводящий операцию хирург может завершить надрез, доведя его до передней поверхности роговицы.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 в виде схематичной блок-схемы представлен пример варианта осуществления лазерного блока для выполнения в роговице человеческого глаза нескольких непрерывных надрезов,
на фиг.2 схематично представлен пример схемы расположения нескольких непрерывных надрезов, выполненных в роговице,
на фиг.3 схематично представлен в сечении роговицы плоскостью x-z пример надреза, выполненного в роговице,
на фиг.4 тот же надрез показан в сечении роговицы плоскостью y-z.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен лазерный блок, в комплект которого входит лазерный источник 12, генерирующий лазерный пучок 14 с длительностью импульсов в границах фемтосекундного диапазона. По ходу пучка 14 размещен набор компонентов, в том числе сканер 16 (схематично показанный в данном случае в виде единого функционального блока), неподвижное отклоняющее зеркало 17, а также фокусирующий объектив 18. Назначение сканера 16 заключается в локальном управлении фокальной точкой пучка 14, осуществляемом в поперечном и продольном направлениях. В данном случае "поперечными" являются направления, ориентированные в зоне глаза под прямыми углами к направлению распространения пучка 14, которое, в свою очередь, соответствует "продольному" направлению. Согласно принятым обозначениям, поперечную плоскость и продольное направление именуют соответственно плоскостью x-y и z-направлением. На фиг.1, с иллюстративными целями, показана также система координат x-y-z.
Для отклонения пучка 14 в поперечном направлении (т.е. в плоскости x-y) сканер 16 можно снабдить, например, парой сканирующих зеркал с гальванометрическим управлением, которые могут наклоняться вокруг взаимно перпендикулярных осей. В альтернативном варианте приемлемо, в частности, отклонение в поперечном направлении посредством электрооптического кристалла. Для управления положением фокуса по оси z сканер 16 может содержать, например, линзы с регулируемым положением по продольной оси или с переменной преломляющей способностью или деформируемое зеркало. Посредством таких компонентов можно воздействовать на отклонение лазерного пучка 14 и, таким образом, на положение фокуса пучка по оси z (далее - z-положение), оставляя неизменной фокальную настройку фокусирующего объектива 18.
Должно быть понятно, что компоненты сканера 16, используемые для управления фокусом в поперечном и продольном направлениях, можно распределить вдоль пути пучка 14 и, в частности, разместить в различных модульных блоках. Например, функцию управления фокусом по оси z может выполнять линза в составе расширителя пучка (такой системой является, например, телескоп Галилея), а компоненты, выполняющие функцию управления фокусом в поперечном направлении, можно разместить в отдельном модульном блоке, расположенном между расширителем пучка и фокусирующим объективом 18. На фиг.1 изображение сканера 16 в виде единого функционального блока использовано только для упрощения понимания оптической схемы.
В предпочтительном варианте фокусирующий объектив 18 представляет собой f-theta объектив, который на своей стороне, соответствующей выходу пучка, разъемно связан с адаптером 20, образующим интерфейс, с которым контактирует роговица обрабатываемого глаза 22 пациента. Для этого у адаптера 20 имеется прозрачный для лазерного излучения контактный элемент 24, на нижней стороне которого, обращенной к глазу, предусмотрено наличие контактной поверхности 26, вступающей в контакт с роговицей. В приведенном примере, как показано на чертеже, контактная поверхность 26 выполнена плоской и служит для уплощения роговицы посредством контактного элемента 24, надавливающего на глаз 22, прилагая к нему соответствующее давление, или за счет того, что роговица присасывается к контактной поверхности 26 в результате создания пониженного давления.
Контактный элемент 24 (в случае выполнения его в виде плоскопараллельной детали, обычно именуемой уплощающей пластиной) прикреплен у узкого конца несущей втулки 28, которая выполнена конической. Элемент 24 и втулка 28 могут быть соединены неразъемно, например посредством склеивания. Однако предусмотрена возможность выполнить это соединение разъемным, например резьбовым. У своего широкого конца втулка 28 снабжена надлежащими соединительными средствами (на чертеже не показаны) для сопряжения с фокусирующим объективом 18.
Лазерный источник 12 и сканер 16 управляются управляющим компьютером 30, который функционирует в соответствии с управляющей программой 34, заложенной в память 32. Программа 34 содержит команды (в виде программного кода), которые при выполнении их компьютером 30 осуществляют локальное управление фокусом лазерного пучка 14 таким образом, чтобы в роговице глаза 22, упирающейся в контактный элемент 24, выполнялись один или более щелеобразных надрезов, не имеющих разрывов.
Возможная схема расположения этих надрезов схематично показана на фиг.2. Зрачок 36 обозначен на чертеже своим контуром и центром 38. Пунктиром проведена воображаемая кольцевая линия 40, окружающая зрачок 36 снаружи и концентричная ему. Вдоль линии 40 прорезаны три щелевидных надреза, разнесенные между собой на, по существу, одинаковые расстояния и прорезывающие роговицу глаза 22 на всю ее толщину, т.е. каждый из них открывает канал доступа к внутренней полости глаза и к его остальным внутренним зонам. Как показано на фиг.2, в приведенном на нем примере надрезы 42 имеют примерно одинаковые размеры по ширине и в направлении своей ширины выполнены прямолинейными. В данном случае по отношению к кольцевой линии 40 они расположены приблизительно по касательной. Должно быть понятно, что по меньшей мере некоторые из надрезов 42 можно по отношению к кольцевой линии 40 альтернативным образом сориентировать в поперечном направлении (под произвольным углом).
Кроме того, должно быть понятно, что количество надрезов 42 может быть переменной величиной. В зависимости от проводимой операции может быть достаточно одного надреза 42, но могут оказаться необходимыми и несколько таких надрезов. Необязательно также распределять все надрезы 42 вдоль одной и той же кольцевой линии 40, и приемлемо размещение по меньшей мере некоторых из них на разных радиальных расстояниях от центра 38 зрачка. Такой вариант можно получить, например, расположив кольцевую линию 40 относительно центра 38 зрачка эксцентричным образом. В порядке альтернативы, предусмотрена возможность решить эту задачу, распределяя надрезы по нескольким концентричным кольцевым линиям, как это показано в качестве примера на фиг.2, где в основу такого распределения положены дополнительные кольцевые линии 40a, 40b (проведенные пунктиром) и добавочные надрезы 42a, 42b. Схематично изображенный на этом чертеже лимб глаза обозначен как 43. Следует еще раз отметить, что нет необходимости располагать надрезы вдоль именно кольцевой траектории.
В общем, на схему расположения надрезов 42 по отношению к распределению их как в радиальном, так и в периферийном направлениях, в принципе, не накладывается никаких ограничений.
Предусмотрена возможность придать надрезам 42 идентичные или различающиеся конфигурации. Возможная конфигурация одного из надрезов проиллюстрирована на фиг.3 и 4, где представлен в сечениях один и тот же надрез на видах с разных направлений и с показом использованной системы координат x-y-z.
Подлежащая обработке роговица глаза на фиг.3 и 4 обозначена как 44. Она имеет переднюю поверхность 46, а также заднюю поверхность 48. На обоих чертежах роговица представлена в своем релаксированном, неуплощенном состоянии (т.е. после удаления контактного элемента 24).
Пример надреза 42, представленный на фиг.3 и 4, в сечении на виде от узкой стороны щели демонстрирует на протяжении от передней поверхности 46 до задней поверхности 48 зигзагообразную форму, имеющую несколько прямолинейных участков (в данном случае три участка) 50, 52, 54, попарно разделенных в каждом случае резким изгибом 56, 58. Средний участок 52 проходит, по существу, параллельно нормали 60, проведенной к поверхности глаза и показанной пунктиром (в данном случае поверхность глаза - это передняя поверхность 46 роговицы). Должно быть понятно, что эти рассуждения справедливы только для нормали, проведенной к поверхности в зоне надреза 42, т.к. в других зонах передней поверхности глаза соответствующая нормаль, проведенная к поверхности, ориентирована в пространстве не так, как показанная на чертеже нормаль 60.
Вместо зигзагообразной конфигурации, проиллюстрированной на фиг.3, легко получить надрез с волнистым профилем. В таком варианте резкие изгибы 56, 58 заменены дугами, близкими к дугам окружности.
В дополнение к сказанному, надрез 42, показанный на фиг.4 в сечении, на виде от широкой стороны щели, является иллюстрацией того, что в приведенном примере надрез 42 имеет по всей своей длине, по существу, постоянную ширину (хотя в данном случае приемлема и альтернативная конфигурация с сужением в сторону задней поверхности 48). Для выполнения надреза 42 фокус используемого лазерного пучка перемещают в линейной сетке согласно последовательности линий сканирования, причем, чтобы избежать возможных экранирующих эффектов, выполнение надреза целесообразно начинать на задней поверхности 48 роговицы 44, а затем производить развертку индивидуальных линий сканирования с этого места в возрастающей степени в сторону передней поверхности 46. Линии, проходящие на фиг.4 в границах ширины щели, представляют собой иллюстрацию линейного сканирования фокуса пучка в ходе выполнения надреза 42.