ОФТАЛЬМОХИРУРГИЧЕСКАЯ РЕФРАКЦИОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА

Изобретение относится к медицинской лазерной технике и может быть использовано в офтальмологии для проведения операций по изменению кривизны наружной поверхности роговицы с целью устранения аномалий рефракции при миопии, гиперметропии, астигматизме.
Известна установка для лазерной коррекции роговицы глаза (см патент РФ №2230538 Кл. A61F 9/008, 2004 г.), содержащая импульсно переодический эксимерный лазер, с блоком питания и системой охлаждения, модуль доставки излучения, содержащий диафрагму, двухкоординатный гальваносканер, проекционную линзу, формирующую на поверхности глаза пациента аблирующее пятно излучения хирургического лазера, поворотное дихроичное зеркало, микроскоп, центрирующий лазер видимого диапазона, компьютерную систему управления.
Недостатком известной установки является использование в качестве источника рабочего ультрафиолетового (УФ) излучения аргон-фторного (ArF) эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Эксплуатация названной эксимерной лазерной системы сопряжена с опасностями: наличием токсичного фтора, повышенным давлением в рабочей камере и баллонах, проблемами, связанными с транспортировкой и хранением токсичного газа. Известны особенности конструкции газового эксимерного лазера, которые обуславливают сложность эксплуатации лазерной рефракционной хирургической установки. К таковым относятся:
необходимость постоянного контроля за герметичностью газовых магистралей, необходимость регулярного технического обслуживания, направленного на замену рабочей газовой смеси, постоянную калибровку энергии, юстировку и чистку зеркал резонатора, расположенных внутри газовой камеры с агрессивной средой. Эксимерные лазеры имеют луч прямоугольного сечения и различную расходимость по двум перпендикулярным осям, а так же низкую степень когерентности. Излучение с длиной волны 193 нм активно поглощается парами воды, содержащейся в воздухе операционной, а так же молекулярным кислородом воздуха с образованием озона, который также поглощает УФ излучение. Рабочая смесь эксимерного лазера постоянно деградирует как активно (в ходе генерации излучения) так и пассивно (при хранении), приводя к снижению мощности УФ излучения и необходимости постоянной калибровки энергии, в зависимости от степени износа газовой смеси, температуры внутри газовой камеры в течение рабочего дня, а так же в зависимости от влажности воздуха и содержания в нем озона, что удлиняет время подготовки к операции и снижает общую производительность операционной бригады. Для того чтобы снизить потери УФ энергии за счет поглощения кислородом и парами воды и повысить качество аблирующего пятна с целью получения стабильного клинического результата, установка должна содержать сложные устройства модификации профиля луча, гомогенизирующие распределение плотности энергии в пятне луча, а так же устройства для продувки оптического тракта осушенным газообразным азотом. Атмосфера операционной, где установлена эксимерная лазерная система, должна подвергаться постоянному кондиционированию воздуха для снижения относительной влажности воздуха до 20-25 процентов. Побочным следствием кондиционирования является понижение температуры воздуха до 17-18 градусов, что снижает комфорт для пациентов и персонала. При выполнении рефракционных операций с применением эксимерной лазерной системы с длиной волны 193 нм хирург вынужден постоянно следить за гидратацией роговицы, не допуская подсушивания деэпителизированной стромы, либо напротив, удалять излишки слезы и рабочих растворов из конъюнктивальной полости, предотвращая избыточную гидратацию. Наличие вышеперечисленных факторов может приводить к нестабильным клиническим результатам, обусловленным избыточной или недостаточной абляцией ткани роговицы.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является выбранная в качестве прототипа известная офтальмохирургическая лазерная система (см. патент РФ №2301650, Кл, A61F 9\008, 2007 г.), содержащая ArF эксимерный импульсно-периодический лазер, имеющий газонаполненную камеру, расположенные в ней электроды, соединенные с источником питания, резонатор, модуль доставки излучения, содержащий сменную диафрагму, двухкоординатный гальваносканер, проекционный объектив, поворотное дихроичное зеркало, микроскоп, пилотный лазер видимого диапазона, компьютерную систему управления, модуль сужения линии излучения. В известной офтальмохирургической эксимерной лазерной системе частично решена проблема поглощения энергии УФ излучения кислородом при прохождении через естественную атмосферу и упрощена конструкция за счет отсутствия необходимости продувки оптического тракта азотом.
Недостатком известной эксимерной лазерной системы является наличие в импульсно-периодическом лазере газонаполненной камеры, газовых магистралей и газовых баллонов, присущих газовьм эксимерным лазерам. Особенности конструкции эксимерного лазера определяют указанные выше сложности его технического обслуживания и проблемы связанные с использованием токсичного фтора. УФ излучение с длиной волны 193 нм активно поглощается парами воды, содержащейся в воздухе операционной. Высокая чувствительность УФ излучения с длиной волны 193 нм к степени гидратации роговицы обуславливает проблемы в клиническом плане, связанные с возможностью избыточной или недостаточной абляцией стромы роговицы в ходе операции.
Задачей заявляемого изобретения является создание офтальмологической хирургической лазерной системы для рефракционных операций с высокими эргономическими показателями, экологически чистой и безопасной в эксплуатации. Заявляемая система должна давать более предсказуемые и стабильные клинические результаты.
Поставленная задача решается тем, что в офтальмо-хирургической лазерной рефракционной системе, содержащей импульсный лазер, соединенный с блоком питания и системой охлаждения, модуль доставки излучения, содержащий диафрагму, двухкоординатный гальваносканер, проекционный объектив, поворотные дуохромные зеркала, бинокулярный микроскоп, пилотный лазер видимого диапазона, видеокамеру системы активного слежения, осветительную систему, систему аспирации, компьютерную систему управления, по новому реализовано техническое решение получения рабочего УФ излучения. В качестве источника УФ излучения, применен твердотельный импульсный наносекундный лазер с активными элементами на основе кристалла Nd:YAG (аллюммоиттриевый гранат легированный неодимом), или кристалла Nd:YLF (двойной литий-иттриевый фторид легированный неодимом) с оптической накачкой и модуляцией добротности резонатора и системой нелинейного преобразования основной длины волны излучения, содержащей нелинейные кристаллы модификации длины волны второй, третьей, четвертой и пятой гармоник, модулем доставки излучения, снабженным блоком регулирования энергии, с частотой генерации импульсов 50-500 Гц, длительностью импульса 5-15 не, мощностью импульса в пятой гармонике 1-5 мДж. Использование в качестве активного элемента кристалла Nd:YAG, который генерирует инфракрасное излучение с длиной волны 1064 нм, позволяет получить в пятой гармонике длину волны УФ излучения 213 нм. Применение в качестве активного элемента кристалла Nd:YLF, который создает две линии излучения: 1047 нм или 1053 нм позволяет получить в пятой гармонике длину волны УФ излучения соответственно 209 нм или 211 нм. В блоке оптической накачки в качестве источника световой энергии может использоваться как импульсная ксеноновая лампа с частотой генерации импульсов 50-500 Гц, так и блок светодиодов с частотой генерации импульсов 100-500 Гц. Как в случае применения в качестве активного элемента Nd:YAG так и Nd:YLF получение рабочей длины волны пятой гармоники может быть достигнуто путем смешивания второй и третьей гармоники, либо смешивания основной длины волны генерируемого излучения и четвертой гармоники. В предложенной офтальмохирургической рефракционной твердотельной лазерной системе по новому решается техническая задача по регулированию и стабилизации энергии УФ излучения. Для этого на выходе рабочего луча импульсного лазера установлен блок регулирования энергии, включающий фазовую полуволновую (λ/2) пластину из кристалла кварца и поляризатор в виде стопы пластин из кварца, расположенных под углом Брюстера.
Сущность заявленной офтальмохирургической рефракционной твердотельной лазерной системы поясняется схематическим чертежом, где в корпусе 1 смонтированы оптико-механический блок (0МБ) 2 импульсного твердотельного лазера, соединенный с блоком 3 питания лазера и компьютерной системой 4 управления, системой 5 охлаждения лазера, системой 6 аспирации и осветительной системой 7. 0МБ 2 лазера содержит блок 8 излучателя, в котором смонтированы:
4
3
5
3
3
активный элемент 9 задающего генератора и активный элемент 10 усилителя, представляющие из себя кристаллы аллюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG), блок оптической накачки 11, содержащий источник световой энергии. В качестве источника световой энергии использована импульсная ксеноновая лампа с частотой генерации импульсов 100 Гц. В блоке 8 излучателя смонтированы "глухое" 12 и выходное 13 зеркала оптического резонатора, электрооптический затвор 14, содержащий кристалл DKDP (ди-дейтеро фосфат калия), внутрирезонаторный 15 и усилительный 16 телескопы, поляризатор 17, призма 18, поворотные зеркала 19. Зеркало 12 полностью отражает на длине волны 1064 нм. Выходное зеркало 13 частично прозрачно для этой длины волны. Блок 11 оптической накачки, активный элемент 9 задающего генератора и активный элемент 10 усилителя охлаждается за счет циркуляции деионизированной воды, охлаждаемой принудительной вентиляцией в системе 5 охлаждения. Далее, по ходу лазерного луча 0МБ 2 импульсного твердотельного лазера содержит модификационный блок 20 второй гармоники из кристалла КТР (KTiOP0), модификационный блок 21 третьей гармоники из кристалла LBO (LiBO), модификационный блок 22 пятой гармоники, включающий кристалл ВВО (ВаВО). Для обеспечения стабильности выходной энергетики все нелинейные кристаллы термостатируются. На выходе рабочего УФ луча в 0МБ 2 импульсного твердотельного лазера установлен блок 23 регулирования энергии, включающий фазовую полуволновую пластину (λ/2) из кристалла кварца и поляризатор виде стопы пластин из кварца, расположенных под углом Брюстера, диафрагма 24 и электро-механическая шторка 25. Модуль 26 доставки излучения содержит двухкоординатный гальваносканер 27, представляющий из себя два перпендикулярно расположенных зеркала 28, смонтированные на осях высокоточных гальваномоторов, управляемых общей компьютерной программой через интерфейсную плату совмещения, модуль 26 доставки излучения содержит также проекционный объектив 29, имеющий форму двояковыпуклой линзы с просветляющим покрытием на длину волны 213 нм и два поворотных, перпендикулярно расположенных зеркала 30, обеспечивающие попадание рабочего излучения с длиной волны 213 нм и излучения пилотного лазера 31 с длиной волны 635 нм на поверхность роговицы 32 пациента. Осветительная система 7 связана оптоволоконным световодом с объективом осветителя 33, снабженным поляризационным светофильтром 34. Такой же светофильтр 35 расположен перед объективом 36 видеокамеры 37, совмещенной с бинокулярным микроскопом 38. Оси поляризации светофильтров 34 и 35 расположены перпендикулярно для подавления паразитных бликов на роговице. Модуль 26 доставки излучения содержит два дополнительных прицельных лазера видимого диапазона 39, расположенных по углом 45 градусов к оси луча пилотного лазера 31.
Офтальмохирургическая рефракционная лазерная система работает следующим образом. Перед началом операции в компьютерную систему 4 управления установкой вводятся индивидуальные показатели субъективной рефракции пациента: величина сферической рефракции, величина цилиндрической рефракции, величина оси астигматизма, величина исходной кривизны роговицы, а так же величины оптической и переходной зон. Программа управления установкой содержит алгоритм, рассчитывающий последовательность координат для перемещения аблирующего пятна на поверхности роговицы 32 в зависимости от введенных индивидуальных параметров, размера и профиля лазерного луча, а так же величины энергии в импульсе. Алгоритм расчета координат устроен таким образом, чтобы результирующая кривизна поверхности роговицы 32 обеспечивала оптической системе глаза эмметропическую рефракцию. Основное излучение с длиной волны 1064 нм образуется путем стимулированного излучения активного элемента 9 при накачке излучением от источника световой энергии. Для получения гигантского импульса наносекундной длительности производится модуляция добротности лазерного резонатора электрооптическим затвором 14. Работа затвора 14 происходит следующим образом: к кристаллу DKDP прикладывается постоянное четвертьволновое напряжение (Uλ/4), обеспечивающее за счет электрооптического эффекта в кристалле превращение линейно - поляризованного в плоскости падения на поляризатор 17 излучения, в циркулярно-поляризованное. Отразившись от "глухого" 12 зеркала с коэффициентом отражения R>99% и вторично пройдя через кристалл DKDP излучение приобретает линейную поляризацию с "S" поляризацией (поляризация в плоскости перпендикулярной плоскости падения на поляризатор). "S" поляризация отражается от поляризатора 17 и не возвращается в резонатор. Потери в резонаторе велики и генерация отсутствует. В момент достижения в активном элементе 9 наибольшей инверсии на затвор 14 подается импульсное напряжение равное по величине, но противоположное по полярности постоянному четверть волновому напряжению Ш/4. При этом изменения поляризации излучения в затворе 14 не происходит, добротность резонатора резко возрастает и 0МБ лазера 2 генерирует "гигантский" импульс. Внутрирезонаторный телескоп 15 производит модовую селекцию, повышая когерентность лазерного излучения. Активный элемент 10 усилителя выходной энергии накачивается лампой одновременно с активным элементом 9 задающего генератора. Телескоп 16 усилителя служит для более полного заполнения апертуры усилителя. Полученное лазерное излучение с длиной волны 1064 нм проходит через блок 20 второй гармоники и преобразуется в излучение с длиной волны 532 нм. Преобразование излучения основной длины волны (1064 нм) в излучение второй гармоники (532 нм) осуществляется в кристалле КТР, вырезанном по второму типу скалярного 90° синхронизма. Преобразование основной длины волны (1064 нм) и длины волны второй гармоники (532 нм) в излучение третьей гармоники (355 нм) производится в кристалле LBO, вырезанном для преобразования по первому типу скалярного синхронизма, расположенном в блоке 21 третьей гармоники. Далее излучение попадает в блок 22 пятой гармоники, где с помощью кристалла ВВО излучение второй (532 нм) гармоники и третьей (355 нм) гармоники суммируется и модифицируется в излучение пятой гармоники (213 нм). Селекция рабочего излучения осуществляется спектроделителем, а остаточное излучение предыдущих диапазонов поглощается фильтрами. Твердотельный импульсный лазер работает с частотой 100 Гц. Электрическая энергия импульса накачки составляет 20Дж при мощности ксеноновой лампы 1000W. Длительность импульса излучения по уровню 0,5 составляет 15 не. Выходная мощность излучения пятой гармоники с длиной волны 213 нм составляет 4 мДж, что более чем в 4 раза превышает необходимый порог абляции коллагена роговицы. Выходное пятно излучения пятой гармоники имеет круглую форму диаметром 3 мм с Гауссовым распределением плотности энергии и высокой когерентностью, с энергетической расходимостью (по уровню 0,86) менее 1,5 мРад. Вне момента операционного вмешательства лазерное излучение не попадает в модуль 26 доставки излучения, а с помощью электромеханической шторки 25 отсекается от последнего. При выходе рабочего луча из корпуса 0МБ 2 лазера с ним соосно совмещается излучение пилотного лазера 31. Далее соосные лучи попадают в двухкоординатный гальваносканер 27, который позиционирует зеркала в соответствии с заранее рассчитанными координатами для выполнения процедуры абляции на роговице 32 конкретного пациента с учетом поправок, выдаваемых системой активного слежения за глазом в режиме реального времени. Пилотный и рабочий лучи, проходя через проекционный объектив 29, попадают на поворотные зеркала 30, которые направляют лучи на поверхность роговицы 32 пациента, расположенной под срезом оптического тракта лазерной рефракционной установки. Наведение и центровка рабочего луча производится путем совмещения оси луча пилотного лазера 31 и лучей нацеливающих лазеров 39 с оптической прицельной сеткой операционного микроскопа 38. Видеокамера 37 с объективом 36, закрепленная на микроскопе 38, направлена на операционное поле. Видеокамера 37 производит фиксацию положения глаза пациента с частотой съемки до 1000 Гц. Видеоряд передается в общую программу управления, обрабатывается по специальному алгоритму с вычислением абсолютных координат положения оптического центра роговицы 32 пациента. Перед началом операции пациент должен установить и зафиксировать взгляд на сигнальный зеленый светодиод, расположенный в блоке микроскопа 38 соосно с лучом пилотного лазера 31. Хирург, манипулируя джойстиком операционного стола и клавишами управления установкой, совмещает оптический центр роговицы 32, определяемый по отражению луча пилотного лазера 31 от макулы сетчатки глаза с центром виртуальной разметки системы активного слежения, отображаемым на компьютерном мониторе, транслирующем видеоизображение операционного поля с учетом угла "гамма", индивидуального для каждого пациента. Далее система активного слежения будет проводить мониторинг положения глаза, и выдавать координаты смещения глаза в реальном режиме времени в общую программу управления. Хирург включает систему аспирации, и подтверждает начало операции нажатием ножной педали включения генерации. Перед проведением генерации очередного импульса лазерного излучения в заранее рассчитанную координату вводится поправка в соответствии с реальным положением глаза. Результирующая координата подается на блок управления зеркалами гальваносканера 27, которые устанавливаются в нужную позицию. После получения сигнала синхроимпульса, подтверждающего готовность зеркал 28 гальваносканера 27, подается напряжение на электрооптический затвор 14, который обеспечивает генерацию рабочего импульса наносекундной длительности. Основное излучение лазера с длиной волны 1064 нм преобразуется в ультрафиолетовое излучение пятой гармоники с длиной волны 213 нм, которое проходит через элементы оптического тракта и попадает на поверхность роговицы 32 в заданную точку. Продукты абляции ткани роговицы 32 удаляются системой 6 аспирации. После этого рабочий цикл повторяется. При отклонении глаза из границ операционного поля, на величину, более заданной, система 4 управления автоматически блокирует генерацию импульсов. Система 4 останавливает генерацию импульсов лазера, устанавливает зеркала 28 гальваносканера 27 в нерабочее положение, обеспечивающее отклонение оси рабочего луча в специальную оптическую ловушку и дополнительно перекрывает оптический тракт механической шторкой 25. После корректировки положения глаза пациента хирург подтверждает продолжение операции нажатием ножной педали, включая генерацию импульсов. После окончания абляции поверхность роговицы имеет оптически правильную поверхность, новая кривизна которой в сочетании с другими оптическими элементами глаза (стекловидное тело, хрусталик) обеспечивают эмметропическую рефракцию.
Положительными конструктивными свойствами твердотельной лазерной рефракционной системы являются: отсутствие расходных газовых смесей, отсутствие токсичного элемента (фтора) в установке, отсутствие газонаполненной камеры, газовых баллонов, герметичных газовых соединений, клапанов, сменных фильтров, а также малый вес системы. Высокая стабильность энергетических показателей в течение всего срока службы установки, нахождение зеркал резонатора, активных элементов, источника оптической накачки и других оптических элементов в неагрессивной нетоксичной среде, высокая автономность и быстрый выход на рабочий режим при включении установки, обеспечивают высокие эргономические показатели и удобство обслуживания. Более высокая по сравнению с эксимерным излучением когерентность, круглая форма профиля луча, равномерное Гауссиановское распределение плотности энергии в пятне луча, а так же высокие показатели стабильности энергетических параметров от импульса к импульсу позволяет улучшить качественные показатели абляции и повысить гладкость оптической зоны оперируемой поверхности роговицы. Кроме того, ультрафиолетовое излучение с волны 213 нм проходя по оптическому тракту прибора и через слой воздуха между срезом лазерной рефракционной установки и поверхностью роговицы не теряет энергию за счет поглощения кислородом и парами воды. Не происходит также образование озона из-за взаимодействия излучения с молекулами кислорода. Это обеспечивает подведение ультрафиолетовой энергии с заданной величиной к поверхности роговицы без потерь независимо от влажности воздуха в операционной и продолжительности работы лазерной системы в течение дня. Длина волны излучения 213 нм твердотельного Nd:YAG лазера имеет преимущества по сравнению с длиной волны 193 нм ArF эксимерного лазера, так как расположена ближе к пику поглощения коллагена роговицы. Длина волны 213 нм имеет лучшее пропускание через воду и физиологический раствор, что снижает нагрев роговицы и уменьшает ее повреждение. Толерантность УФ излучения с длиной волны 213 нм к степени гидратации роговицы обеспечивает абляцию стромы роговицы в заданном объеме независимо от степени ее гидратации. Соответствие заданных параметров абляции, реально произведенным в ходе операции, обуславливает моделирование оптически правильной кривизны наружной поверхности роговицы, обеспечивающей эмметропическую рефракцию пациента.
Названные преимущества предложенной системы позволяют получать более предсказуемые и стабильные клинические результаты.
Опытный образец офтальмохирургической рефракционной твердотельной лазерной системы разработан и изготовлен в ЗАО "Межрегиональная клиника", г.Ярославль.