專(zhuān)利名稱(chēng)：激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法和裝置。
背景技術(shù)：
要使外界物體在視網(wǎng)膜上能夠形成清晰的象，就要使來(lái)自物體的光在進(jìn)入眼球后產(chǎn)生生理的光學(xué)作用，使被屈折后的光在視網(wǎng)膜的感光層聯(lián)合起來(lái)結(jié)成清晰的物象以后，由視路把象的信息傳到視覺(jué)分析器，才能產(chǎn)生視覺(jué)。光進(jìn)入眼球后的路程變化系由角膜、房水、晶狀體、玻璃體以及它們的各個(gè)屈光介面所組成的屈光系統(tǒng)所決定的。
角膜是眼屈光系統(tǒng)的重要組成都分，角膜屈光度占整個(gè)眼球屈光度的四分之三。改變角膜前表面曲率半徑對(duì)眼球屈光度影響很大。因此改變角膜前表面曲率半徑以改變眼球屈光力是一種可行且有效的方法，并且角膜前表面的曲率是一個(gè)較容易被操縱的可變參數(shù)。例如，如圖1所示，將角膜前表面曲率半徑從7.7mm增加到8.7mm，屈光度可以減少5.6D；如果曲率半徑從7.7mm減少到6.7mm，屈光度可以增加7.3D。用準(zhǔn)分子激光對(duì)角膜表面或基質(zhì)內(nèi)進(jìn)行精確的定量切除，改變角膜的曲度，從而改變術(shù)眼的屈光狀態(tài)，達(dá)到矯治屈光不正的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法和裝置，該裝置產(chǎn)生的激光束以每秒發(fā)射5-500個(gè)脈沖的頻率高速掃描角膜組織，在程序控制下，使激光脈沖在設(shè)定的作用區(qū)域內(nèi)按程序設(shè)定的算法進(jìn)行兩個(gè)方向的掃描以到達(dá)角膜組織上特定的點(diǎn)，該方法要求激光脈沖的光斑為小光斑，激光光斑的直徑大小為0.4mm～1.2mm之間，而且激光光斑可呈柱狀、球狀、橢圓狀等等，根據(jù)角膜組織的情況，自動(dòng)調(diào)整光斑大小和形狀，能完成最復(fù)雜最精細(xì)的角膜組織整形，從而為消融角膜組織提供不同的切削方案，使被消融的角膜組織表面盡可能光滑，以矯正屈光不正和消除象差。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，包括下列步驟
(1)在計(jì)算機(jī)裝置的存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)角膜屈光手術(shù)過(guò)程中被消融的角膜表面上的所有位置的完備信息；(2)劃分激光脈沖片層按照激光脈沖光斑在同一層內(nèi)的排列方式來(lái)決定每層的消融厚度，排列方式?jīng)Q定于兩個(gè)脈沖點(diǎn)的X向距離ΔX和Y向距離ΔY，從而將整個(gè)角膜的消融組織劃分成若干層；(3)確定激光脈沖光斑位置每層激光脈沖光斑的位置由兩個(gè)脈沖點(diǎn)的X向距離ΔX和Y向距離ΔY決定，層與層之間的光斑位置于X、Y雙向隨機(jī)錯(cuò)位；(4)計(jì)算機(jī)裝置根據(jù)隨機(jī)分層點(diǎn)的位置信息，從中抽取點(diǎn)并發(fā)射出激光脈沖掃描到角膜組織上。
一種如上所述的激光脈沖消融角膜組織的掃描裝置，該裝置包括計(jì)算機(jī)裝置和激光脈沖裝置，激光脈沖裝置將產(chǎn)生的激光束通過(guò)聚焦裝置變換脈沖后引入X向掃描和Y向掃描器，X向掃描和Y向掃描器按照一定的掃描軌跡將變換后的脈沖掃描角膜組織表面，從而消融角膜組織，計(jì)算機(jī)裝置產(chǎn)生激光脈沖的位置信息控制X向掃描和Y向掃描器按照掃描軌跡掃描角膜組織表面，并使激光脈沖裝置和X向掃描和Y向掃描器同步工作。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明可以適當(dāng)選取光斑間距，使角膜表面的切削凹坑的深度小于1μm級(jí)。在臨床應(yīng)用中，這樣的光滑程度是相當(dāng)高的。如果用于矯正屈光和消除象差的手術(shù)，提高角膜手術(shù)面的光滑程度，在一定程度上可以減小手術(shù)后視力回退的后遺癥。


下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述圖1為角膜曲率變化對(duì)屈光率影響的示意圖；圖2為本實(shí)用新型的工作流程圖；圖3為角膜上的掃描區(qū)域示意圖；圖4為角膜組織消融區(qū)域示意圖；圖5為激光脈沖片層劃分示意圖；圖6為激光脈沖片層之間的定點(diǎn)疊加位置關(guān)系示意圖；圖7為激光脈沖片層之間的錯(cuò)層疊加位置關(guān)系示意圖。
其中1計(jì)算機(jī)裝置；2激光脈沖裝置；3聚焦裝置；4X向掃描；5Y向掃描器；6角膜。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一種激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，包括下列步驟第一階段計(jì)算機(jī)裝置產(chǎn)生隨機(jī)分層點(diǎn)的位置信息。
在計(jì)算機(jī)裝置(1)的存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)角膜屈光手術(shù)過(guò)程中被消融的角膜表面上的所有位置的完備信息。
圖4為角膜組織消融區(qū)域的示意圖，根據(jù)個(gè)體的情況不同，消融區(qū)的形狀和大小有所不同。
由于每個(gè)脈沖的消融深度有限，將所需消融的角膜組織，按片層分開(kāi)。
圖5為激光脈沖片層劃分方法。按照激光脈沖在同一層內(nèi)的排列方式(決定于ΔX，ΔY)決定每層的消融厚度，從而將整個(gè)角膜的消融組織劃分層若干層。
每層激光脈沖的位置，兩個(gè)脈沖點(diǎn)的X向的距離是ΔX，Y向的距離是ΔY。ΔX與ΔY的大小與激光脈沖光斑的形狀、大小、激光的能量密度有關(guān)，每層的深度與激光光斑的形狀、大小、單個(gè)脈沖的消融深度、光斑的疊加方式有關(guān)，可以通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)取得將沿z軸方向傳播的高斯光束解析表達(dá)式描述如下[i]ζ(r,z)=A0ω0ω(z)e-r2/ω2(z)e-i{k[r22R(z)+z]-Ψ}---(1)]]>z軸坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在光束的腰處。ω0為高斯光束的腰斑半徑。式中R(z)，ω(z)——分別表示z坐標(biāo)處高斯光束的等相位面曲率半徑及等相位面上的光斑半徑。高斯光束在任一z軸坐標(biāo)處，其橫向振幅分布為高斯分布，光斑半徑隨z坐標(biāo)而變，即ω(z)=ω01+(zz0)2;]]>沿高斯光束軸線每一點(diǎn)處的等相位面都可以視為球面，曲率半徑也隨z坐標(biāo)而變，即R(z)=z0(zz0+z0z);]]>Ψ=tg-1zz0]]>為高斯光束相位因子。此公式完整描述了高斯光斑大小與光斑內(nèi)各點(diǎn)的能量密度分布及各點(diǎn)的相位。
在角膜的切削過(guò)程中，高斯光斑內(nèi)各點(diǎn)的切削量與能量密度有關(guān)，相位部分對(duì)角膜的切削量幾乎不產(chǎn)生任何影響。因此，基模高斯光束能量密度表達(dá)式簡(jiǎn)化為E0(r)=Epe-2r2/ω2(z)---(2)]]>其中，Ep為峰值能量密度。
在我們的系統(tǒng)中采用固定光斑大小，對(duì)此，給定Z值，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化高斯光束能量密度表達(dá)式E0(r)=Epe-2r2r02---(3)]]>根據(jù)參考文獻(xiàn)[ii]，激光的蝕除深度與入射激光強(qiáng)度的關(guān)系表示為d=1αlnE0Eph---(4)]]>其中d為蝕除深度(μm)，E0為入射激光能量密度(mJ/cm2)，Eph為臨界切削能量密度(閾值)；α為角膜能量吸收系數(shù)(μm-1)。
在峰值能量密度Ep處產(chǎn)生最大切削量 Ep＝Eph時(shí)，無(wú)切削量；若給定Ep＝e2Eph，則在r＝r0處切削量為零。
將公式(3)代入公式(4)得到d(r)=1α[-2(r2r02)+lnEpEph]---(5)]]>公式(5)描述了單脈沖高斯光束切削角膜輪廓的數(shù)學(xué)描述。
當(dāng)-2(r2r02)+lnEpEph=0,]]>即rr0=±12lnEpEph]]>時(shí)，切削深度為零，例如，采用的激光能量為每個(gè)脈沖的能量13mJ，實(shí)際衰減后激光到達(dá)角膜的能量為2～3mJ，光斑近似1.2mm的正方形，因此能量密度Ep＝130～200mJ/cm2，角膜的吸收系數(shù)為大約介于3.7～3.99μm-1之間[iii]，臨界切削能量密度為40mJ/cm2～60mJ/cm2[iv]。因而根據(jù)公式(4)理論可以得到，單個(gè)激光脈沖角膜切削量應(yīng)在0.18μm～0.43μm。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，一種激光器的單個(gè)激光脈沖角膜切削量為0.22μm。
假如激光器發(fā)射的準(zhǔn)分子激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換后到達(dá)角膜表面的矩形光斑直徑d為0.9mm，光斑行間距ΔX和列間距ΔY都為0.3mm，這樣就可以確定總脈沖的數(shù)目以及每個(gè)脈沖的坐標(biāo)位置。由于每個(gè)激光脈沖消融的角膜體積是一定的，消融的角膜厚度也是一定的。每個(gè)激光脈沖消融的角膜厚度為0.22um，由前面知道行間距和列間距都為0.4mm，則每層掃描后對(duì)同一位置準(zhǔn)分子激光消融了9次((0.9/0.3)2)，則每層實(shí)際計(jì)算時(shí)消融的角膜厚度為0.22×9＝1.98um。
圖6、圖7表示片層之間的位置關(guān)系。激光脈沖消融角膜組織的掃描方法包括片層和片層之間的隨機(jī)錯(cuò)位，以避免片層與片層之間定點(diǎn)消融引起較大的粗造度，引起角膜組織的不光滑。
層與層之間的光斑的位置，除了范圍不同外，層層之間的X、Y雙向是隨機(jī)錯(cuò)位的，這樣在多層疊加后，不在同一的位置進(jìn)行疊加，而是錯(cuò)層疊加，波動(dòng)較小，保證了角膜表面的光滑性。
第二階段計(jì)算機(jī)裝置根據(jù)第一階段隨機(jī)分層點(diǎn)的位置信息后，從中抽取點(diǎn)發(fā)射出激光脈沖掃描到角膜組織上。
抽點(diǎn)的方法包含如下幾種(1)在第一階段計(jì)算出的全部激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)中，在保證不重復(fù)抽取的條件下，任意隨機(jī)抽取其中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到全部數(shù)據(jù)點(diǎn)遍歷完畢。
(2)在第一階段計(jì)算出的全部激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)中，間隔N點(diǎn)(例如10)抽取一個(gè)點(diǎn)，不斷循環(huán)，直到全部數(shù)據(jù)點(diǎn)遍歷完畢。
為了不使得準(zhǔn)分子激光能量過(guò)于集中，可以將全部激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)分為N個(gè)數(shù)組，這里假設(shè)N為10，每個(gè)數(shù)組中選點(diǎn)規(guī)則為每個(gè)數(shù)組中選定一個(gè)點(diǎn)后，再間隔10個(gè)點(diǎn)選一個(gè)。具體每個(gè)數(shù)組中點(diǎn)的順序?yàn)閿?shù)組10，10，20，30，40，50，60，70，……，4990，5000數(shù)組21，11，21，31，41，51，61，71，……，4991，5001數(shù)組109，19，29，39，49，59，69，79，……，4999，5009準(zhǔn)分子激光掃描時(shí)則是一個(gè)一個(gè)數(shù)組掃描，掃描完一個(gè)數(shù)組再掃描另外一個(gè)數(shù)組，掃描點(diǎn)的順序相當(dāng)于0，10，20，30，……，4990，5000，1，11，21，31，……，4991，5001，2，12，22，32，……，4999，5009。這樣就能保證激光能量不會(huì)過(guò)于集中，能使切削后的角膜表面比較光滑。
(3)在方法(1)的基礎(chǔ)上，加上考慮當(dāng)前抽到的點(diǎn)，與前面的若干點(diǎn)不在激光光斑范圍之內(nèi)，至于與前面的幾個(gè)點(diǎn)避開(kāi)，則根據(jù)激光脈沖的發(fā)射頻率和消融熱效應(yīng)的冷卻時(shí)間而定。
具體實(shí)現(xiàn)方法如下由于采用的激光光斑直徑為D，要使得連續(xù)兩點(diǎn)間隔開(kāi)，必須使得連續(xù)兩點(diǎn)之間的間距大于D，知道了每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)連續(xù)兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)，掃描完第一點(diǎn)，則第二點(diǎn)與第一點(diǎn)間距為d=(x1-x2)2+(y1-y2)2>D,]]>依次類(lèi)推，連續(xù)兩點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)激光光斑的范圍內(nèi)，可以保證角膜熱遲豫時(shí)間，使得相互之間不會(huì)出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。
(4)分層抽點(diǎn)，在第一階段計(jì)算出的全部激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)，含有片層的信息，分層的方法包括隨機(jī)遍歷每層、按順序遍歷每層。而每層中數(shù)據(jù)點(diǎn)的抽取可以通過(guò)上述(1)、(2)、(3)的方法進(jìn)行。
實(shí)現(xiàn)上述掃描方法的激光脈沖消融角膜組織掃描裝置，包括計(jì)算機(jī)裝置(1)和激光脈沖裝置(2)，激光脈沖裝置(2)將產(chǎn)生的激光束通過(guò)聚焦裝置(3)變換脈沖后引入X向掃描(4)和Y向掃描器(5)，X向掃描(4)和Y向掃描器(5)按照一定的掃描軌跡將變換后的脈沖掃描角膜組織表面，從而消融角膜組織，計(jì)算機(jī)裝置(1)產(chǎn)生激光脈沖的位置信息控制X向掃描器(4)和Y向掃描器(5)按照掃描軌跡掃描角膜組織表面，并使激光脈沖裝置(2)和X向掃描器(4)和Y向掃描器(5)同步工作。
參考文獻(xiàn)i.LU Baida，Laser optics-Laser Beam Propagation and Beam QualityControl[M]，Cheng Du:Si Chuan University Publishing House 199260-64ii.Markolf H.Niemz著，張鎮(zhèn)西等譯。Laser-Tissue InteractionsFundamentals and Applications，激光與生物組織的相互作用-原理及應(yīng)用[M].成都西安交通大學(xué)出版社，199975iii.G.H.Pettit and M.N.Ediger，Corneal-tissue absorptioncoefficientsfor 193-and 213-nm ultraviolet radiation[J]，Appl.Opt.，1996，35(19)3386-3391.
iv.George H.Pettit.Excimer laser ablaion of the cornea[J].OpticalEngineering.，1995，34(3)661-66權(quán)利要求
1.一種激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，包括下列步驟(1)在計(jì)算機(jī)裝置的存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)角膜屈光手術(shù)過(guò)程中被消融的角膜表面上的所有位置的完備信息；(2)劃分激光脈沖片層按照激光脈沖光斑在同一層內(nèi)的排列方式來(lái)決定每層的消融厚度，排列方式?jīng)Q定于兩個(gè)脈沖點(diǎn)的X向距離ΔX和Y向距離ΔY，從而將整個(gè)角膜的消融組織劃分成若干層；(3)確定激光脈沖光斑位置每層激光脈沖光斑的位置由兩個(gè)脈沖點(diǎn)的X向距離ΔX和Y向距離ΔY決定，層與層之間的光斑位置于X、Y雙向隨機(jī)錯(cuò)位；(4)計(jì)算機(jī)裝置根據(jù)隨機(jī)分層點(diǎn)的位置信息，從中抽取點(diǎn)并發(fā)射出激光脈沖掃描到角膜組織上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于步驟(2)中每層片層的深度由激光脈沖光斑的形狀、大小、單個(gè)脈沖的消融深度、光斑的疊加方式?jīng)Q定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于步驟(3)中ΔX與ΔY的大小由激光脈沖光斑的形狀、大小、激光的能量密度決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于步驟(4)在激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)中，不重復(fù)地隨機(jī)抽取其中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到全部數(shù)據(jù)點(diǎn)遍歷完畢。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于步驟(4)在激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)中，每間隔N點(diǎn)抽取一個(gè)點(diǎn)，不斷循環(huán)，直到全部數(shù)據(jù)點(diǎn)遍歷完畢。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于步驟(4)在激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)中，避開(kāi)前若干個(gè)點(diǎn)的位置抽取當(dāng)前的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到全部數(shù)據(jù)點(diǎn)遍歷完畢。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于步驟(4)將激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)分成N個(gè)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組中前點(diǎn)與后點(diǎn)間隔為N，掃描完一個(gè)數(shù)再掃另一個(gè)數(shù)組，直到全部數(shù)據(jù)點(diǎn)遍歷完畢。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6或7所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于所述激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)為全部激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6或7所述的激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法，其特征在于所述激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)為每層激光脈沖數(shù)據(jù)點(diǎn)，即分層抽點(diǎn)法。
10.一種如上所述的激光脈沖消融角膜組織的掃描裝置，其特征在于該裝置包括計(jì)算機(jī)裝置(1)和激光脈沖裝置(2)，激光脈沖裝置(2)將產(chǎn)生的激光束通過(guò)聚焦裝置(3)變換脈沖后引入X向掃描(4)和Y向掃描器(5)，X向掃描(4)和Y向掃描器(5)按照一定的掃描軌跡將變換后的脈沖掃描角膜組織表面，從而消融角膜組織，計(jì)算機(jī)裝置(1)產(chǎn)生激光脈沖的位置信息控制X向掃描器(4)和Y向掃描器(5)按照掃描軌跡掃描角膜組織表面，并使激光脈沖裝置(2)和X向掃描器(4)和Y向掃描器(5)同步工作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種激光脈沖消融角膜組織的分層掃描方法和裝置，該裝置產(chǎn)生的激光脈沖高速掃描角膜組織，在程序控制下，使激光脈沖在設(shè)定的作用區(qū)域內(nèi)按程序設(shè)定的算法進(jìn)行兩個(gè)方向的掃描以到達(dá)角膜組織上特定的點(diǎn)，該方法要求激光脈沖的光斑為小光斑，而且激光光斑可呈柱狀、球狀、橢圓狀等等，根據(jù)角膜組織的情況，自動(dòng)調(diào)整光斑大小和形狀，能完成最復(fù)雜最精細(xì)的角膜組織整形，從而為消融角膜組織提供不同的切削方案，使被消融的角膜組織表面盡可能光滑，以矯正屈光不正和消除象差。
文檔編號(hào)A61F9/007GK1528256SQ20031010609
公開(kāi)日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者廖文和, 沈建新, 林振能 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué), 蘇州六六視覺(jué)科技股份有限公司