專利名稱：用于眼科手術(shù)激光的具有可移動(dòng)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于利用飛秒激光進(jìn)行對眼的前段的手術(shù)的系統(tǒng)，更具體而言，涉及在掃描并將激光束聚焦到眼中的同時(shí)使激光束的光學(xué)畸變最小化的實(shí)施例。
背景技術(shù)：
本申請描述了用于在眼的前段內(nèi)通過激光脈沖造成的光離解(photodisruption) 對晶狀體進(jìn)行激光手術(shù)的技術(shù)和系統(tǒng)的實(shí)例和實(shí)施例。用于去除晶狀體的各種晶狀體手術(shù)過程利用各種技術(shù)，以將晶狀體破碎為可通過小切口從眼中取出的小碎片。這些過程使用人工設(shè)備、超聲波、加熱的流體或激光并傾向于具有顯著的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)包括需要用探頭進(jìn)入眼中以實(shí)現(xiàn)破碎，以及與這樣的晶狀體破碎技術(shù)相關(guān)的有限的精度。光離解激光技術(shù)可將激光脈沖傳送到晶狀體中以光學(xué)地破碎晶狀體而無需探頭的插入，因而可提供改善的晶狀體取出的潛力。激光誘導(dǎo)的光離解已經(jīng)被廣泛用于激光眼科手術(shù)，且Nd:YAG激光已經(jīng)常被用作激光源，包括通過激光誘導(dǎo)的光離解實(shí)現(xiàn)的晶狀體破碎。一些現(xiàn)有系統(tǒng)利用具有數(shù)mj的脈沖能量的納秒激光(E. H. Ryan等人，Americal Journal of Ophthalmology 104 :382_386，1987年 10 月；R. R. Kruger 等人，Ophthalmology 108 =2122-2129,2001)，以及具有數(shù)十 μ J 的皮秒激光(A. Gwon 等人，Cataract Refract Surg. 21,282-286,1995)。這些相對長的脈沖將相對大量的能量提供到手術(shù)點(diǎn)，導(dǎo)致對精確度和對過程的控制的顯著限制，同時(shí)產(chǎn)生了相對高程度的不想要的結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。相似地，在角膜手術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域，認(rèn)識到通過使用數(shù)百(hundreds of)飛秒持續(xù)時(shí)間的脈沖替代納秒和皮秒脈沖，可以實(shí)現(xiàn)更短的脈沖持續(xù)時(shí)間和更佳的聚焦。飛秒脈沖在每脈沖提供更少的能量，顯著提高了精確度和過程的安全性。目前多家公司將用于角膜眼科手術(shù)(例如，LASIK瓣(flap)和角膜移植)的飛秒激光技術(shù)商業(yè)化。這些公司包括美國htralase Corp. /Advanced Medical Optics、德國 20/10Perfect Vision Optische GerMte GmbH、德國 Carl Zeiss Meditec，Inc.以及瑞士 Ziemer Ophthalmic Systems AG。然而，根據(jù)角膜手術(shù)的要求設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)。關(guān)鍵地，激光聚焦的深度范圍典型地小于約1mm，即，角膜的厚度。因此，這些設(shè)計(jì)不能提供解決方案以用于在眼的晶狀體上進(jìn)行手術(shù)的重大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地且概括地，一種眼手術(shù)激光系統(tǒng)包括激光源，用于產(chǎn)生激光束；XY掃描器，用于沿基本上橫斷所述激光系統(tǒng)的光軸的XY方向掃描所接收的激光束的焦斑；以及透鏡組，其被設(shè)置在所述激光源與所述XY掃描器之間的光學(xué)路徑中，用于接收由所述激光源產(chǎn)生的所述激光束，預(yù)補(bǔ)償所述激光束的像差，且將經(jīng)預(yù)補(bǔ)償?shù)募す馐鴮?dǎo)引到所述XY掃描器，其中，所述透鏡組具有在沿光軸的Z方向上可移動(dòng)的可移動(dòng)透鏡。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)，以使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在ζ掃描范圍內(nèi)沿光軸移動(dòng)，所述Z掃描范圍的長度在0. 3-4 毫米的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)，以使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在ζ掃描范圍內(nèi)沿光軸移動(dòng)，所述Z掃描范圍的長度在0. 5-2 毫米的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠移動(dòng)到其中所述激光系統(tǒng)的Mrehl比率S高于值SOiiovable)的位置，至少在沿所述可移動(dòng)透鏡的Z移動(dòng)范圍的一個(gè)點(diǎn)處所述激光系統(tǒng)的Strehl比率S低于S (movable)，其中，S (movable)為0. 6,0. 7,0. 8 和0. 9中的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使所述激光系統(tǒng)的Mrehl比率S在S(min)到S(max)的范圍中變化，其中，S(min) = 0. 6且 S (max) = 0. 95。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使所述激光系統(tǒng)的Mrehl比率S在S(min)到S(max)的范圍中變化，其中，S(min) = 0. 7且 S (max) = 0. 95。在一些實(shí)施方式中，所述Mrehl比率S對應(yīng)于目標(biāo)區(qū)域中的五個(gè)參考點(diǎn)中的至少一個(gè)，其中，相對于位于(0，0)處的所述目標(biāo)區(qū)域的前中心，所述五個(gè)參考點(diǎn)通過其在所述目標(biāo)區(qū)域中的柱坐標(biāo)(Z，r)而被確定為Pl = (0,0), P2 = (2,6), P3 = (5,0), P4 = (8， 0)、P5= (8，3)，這些坐標(biāo)全都以毫米為單位并處于任意方位角Φ。在一些實(shí)施方式中，所述XY掃描器被配置為使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在目標(biāo)區(qū)域中以XY掃描速度在所述XY方向上移動(dòng)；且所述透鏡組和所述可移動(dòng)透鏡被配置為使所述激光束的所述焦斑在目標(biāo)區(qū)域中以Z掃描速度在Z方向上移動(dòng)，其中所述Z掃描速度與最大XY掃描速度的比率大于掃描速度比率，其中，所述掃描速度比率為5%、10%和20% 中的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡被配置為使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在Z掃描時(shí)間內(nèi)在所述Z方向上移動(dòng)0. 5-1毫米，其中，所述Z掃描時(shí)間為在10-100 納秒、100納秒-1毫秒、1-10毫秒以及10-100毫秒范圍的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使第一像差量度減小，減小的百分比至少為可移動(dòng)百分比P(Hiovable)，其中所述第一像差量度為球面像差系數(shù)a4(l、RMS波前誤差ω和焦斑半徑rf中的一個(gè)；且所述可移動(dòng)百分比 P(movable)為 10%、20%、30%和 40%中的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使第二像差量度增加，增加的百分比至少為可移動(dòng)百分比POiiovable)，其中所述第二像差量度為Mrehl比率S ；且所述可移動(dòng)百分比P (movable)為10%、20%、30%和40%中的一個(gè)。
在一些實(shí)施方式中，所述激光系統(tǒng)的特性包括所述激光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、焦斑深度、像差量度以及光束直徑，其中，所述可移動(dòng)透鏡和所述透鏡組被配置為能夠基本上獨(dú)立于所述激光系統(tǒng)的三個(gè)特性而改變所述激光系統(tǒng)的特性中的其他一個(gè)特性。在一些實(shí)施方式中，第二可移動(dòng)透鏡，所述激光系統(tǒng)的特性包括所述激光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、焦斑深度、像差量度以及光束直徑，其中，所述第一和第二可移動(dòng)透鏡被配置為能夠基本上獨(dú)立于所述激光系統(tǒng)的兩個(gè)特性而改變所述特性中的其他兩個(gè)特性。在一些實(shí)施方式中，所述透鏡組包括一個(gè)到五個(gè)透鏡。在一些實(shí)施方式中，所述光學(xué)塊包括三個(gè)透鏡，這三個(gè)透鏡具有在Dl * α * tl、 D2 * α *t2以及D3* α * t3范圍內(nèi)的折光力且以距離dl/α以及d2/α分離，其中， Dl在-3mm到_5mm的范圍內(nèi)，D2在3mm到5mm的范圍內(nèi)，且D3在-3. 5mm到_6mm的范圍內(nèi)；dl在60mm到IOOmm的范圍內(nèi)，且d2在3mm到9mm的范圍內(nèi)，其中dl和d2中的至少一個(gè)是可變距離；α在0. 3到3的范圍內(nèi)；且tl、t2和t3在0. 8到1. 2的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，所述光學(xué)塊包括四個(gè)透鏡，這四個(gè)透鏡具有在Dl * α * tl、 D2* α *t2、D3* α * t3以及D4 * α * t4范圍內(nèi)的折光力且以距離dl/α、d2/α 以及d3/a分離，其中，Dl在-15mm到-20mm的范圍內(nèi)，D2在-5mm到_8mm的范圍內(nèi)，D3 在-25mm到-35mm的范圍內(nèi)，且D4在7mm到IOmm的范圍內(nèi)；dl在IOOmm到130mm的范圍內(nèi)，d2在32mm到41mm的范圍內(nèi)，且d3在33mm到45mm的范圍內(nèi)，其中dl、d2和d3中的至少一個(gè)是可變距離；α在0. 2到5的范圍內(nèi)；且tl、t2、t3和t4在0. 7到1. 3的范圍內(nèi)。一種雙掃描手術(shù)激光系統(tǒng)包括激光源，用于產(chǎn)生激光束；Z掃描器，用于從所述激光源接收所述激光束，所述Z掃描器包括可移動(dòng)的Z光學(xué)元件，所述可移動(dòng)的Z光學(xué)元件用于控制所述激光系統(tǒng)的焦斑以Z掃描速度在目標(biāo)區(qū)域中的Z深度；以及XY掃描器，用于從所述Z掃描器接收所述激光束，所述XY掃描器包括可移動(dòng)的XY光學(xué)元件，所述可移動(dòng)的XY光學(xué)元件用于控制所述激光系統(tǒng)的焦斑以XY掃描速度在所述目標(biāo)區(qū)域中的XY橫斷位置；其中所述焦斑的位置能夠沿所述Z方向和所述XY方向同時(shí)移動(dòng)以掃描出彎曲的 (curved)目標(biāo)線；所述彎曲的目標(biāo)線的半徑的Z分量小于1、10和30毫米中的一個(gè)；且所述XY掃描速度在焦平面處大于0. 1米每秒。在一些實(shí)施方式中，所述Z可移動(dòng)元件被配置為以Z掃描速度掃描所述焦斑的Z 深度；且所述XY可移動(dòng)元件被配置為以XY掃描速度掃描所述焦斑的所述XY橫斷位置，其中，所述Z掃描速度與最大XY掃描速度的比率為5 %、10 %以及20 %中的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述Z掃描器被配置為在Z掃描時(shí)間中將所述焦斑的所述Z 深度移動(dòng)0. 5毫米與1毫米之間的距離，其中，所述Z掃描時(shí)間為在10-100納秒、100納秒-1毫秒、1-10毫秒以及10-100毫秒范圍中的一個(gè)。一種眼手術(shù)方法，包括以下步驟產(chǎn)生手術(shù)激光束；將所述激光束接收到光束調(diào)節(jié)器中；通過使可移動(dòng)透鏡在所述光束調(diào)節(jié)器中移動(dòng)而基本上獨(dú)立于所述激光束的特性中的其他特性而控制所述特性中的一個(gè)，其中，所述激光系統(tǒng)的特性包括所述激光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、焦斑Z深度、像差量度以及光束直徑；將控制后的光束從所述光束調(diào)節(jié)器輸出到XY 掃描器；以及通過所述XY掃描器在目標(biāo)區(qū)域中掃描所述焦斑的XY位置。在一些實(shí)施方式中，所述控制步驟包括控制所述激光束的所述焦斑以Z掃描速度在所述目標(biāo)區(qū)域中的Z深度；且所述掃描步驟包括以XY掃描速度掃描所述焦斑的所述XY位置，其中，所述Z掃描速度與最大XY掃描速度的比率為5%、10%和20%中的一個(gè)。


圖1示例了手術(shù)激光傳輸系統(tǒng)1 ；圖2示例了高斯波前G和有像差的波前(aberrated wavefront)ff ；圖3A-B示例了在最優(yōu)和掃描焦平面處的光線；圖3C示例了焦斑半徑的定義；圖4示例了 Mrehl比率S與RMS波前誤差ω之間的關(guān)系；圖5示例了眼科手術(shù)的參考點(diǎn)；圖6Α-Β概念性地示例了預(yù)補(bǔ)償器200的操作；圖7Α-Β示例了有效Z掃描功能的各種應(yīng)用；圖8A-D示例了預(yù)補(bǔ)償器200的實(shí)施方式；圖9示例了具有兩個(gè)Z掃描器的激光傳輸系統(tǒng)1的實(shí)施方式；圖10示例了包含0、1或2個(gè)Z深度掃描器和0、1或2個(gè)NA修改器的配置的表；圖IlA-C示例了具有2、3和4個(gè)掃描反射鏡的XY掃描器；圖12A-D示例了作為數(shù)值孔徑的函數(shù)的像差以及作為Z焦深(focal depth)的函數(shù)的對應(yīng)光學(xué)數(shù)值孔徑NA。pt(z)；圖13A-B示例了第一擴(kuò)束器塊400和可移動(dòng)擴(kuò)束器塊500的兩個(gè)設(shè)置；圖14示例了 Z掃描器450的中間(intermediate)焦平面；圖15示例了物鏡700的實(shí)施方式；圖16示例了目標(biāo)區(qū)域中的彎曲焦平面；圖17示例了 XY掃描器傾斜角的列線圖(nomogram)；圖18示例了可移動(dòng)擴(kuò)束器位置的列線圖；以及圖19示例了計(jì)算控制方法的步驟。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一些實(shí)施例包括用于利用飛秒激光脈沖在眼的晶狀體中進(jìn)行手術(shù)的系統(tǒng)。一些整合的(integrated)實(shí)施例還能夠進(jìn)行角膜和晶狀體手術(shù)過程這二者。在眼的晶狀體中進(jìn)行眼科手術(shù)與在質(zhì)上不同于角膜手術(shù)過程的要求相關(guān)。當(dāng)前描述的晶狀體手術(shù)激光系統(tǒng)和角膜系統(tǒng)之間的主要區(qū)別包括1.飛秒激光脈沖將被可靠地產(chǎn)生。高重復(fù)頻率飛秒脈沖允許使用更小的每脈沖能量，這為系統(tǒng)的操作者提供更高的控制和精度。然而，與在一些現(xiàn)有系統(tǒng)中使用的納秒或皮秒脈沖相比，可靠地產(chǎn)生飛秒脈沖卻是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。2.手術(shù)激光束在傳播穿過最大為5毫米的包括角膜和前房水腔的折射介質(zhì)而正好到達(dá)手術(shù)目標(biāo)(晶狀體)時(shí)被顯著地折射。相比之下，用于角膜手術(shù)的激光束被聚焦在不足一毫米的深度處，因而在從手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)入角膜時(shí)基本上不被折射。3.手術(shù)激光傳輸系統(tǒng)被配置為掃描整個(gè)手術(shù)區(qū)域，例如，從典型的5mm深度處的晶狀體的前面/前部到在典型的IOmm深度處的晶狀體的后面/后部。該5mm或更大的深度掃描范圍或“Z掃描范圍”顯著寬于用于對角膜進(jìn)行的手術(shù)的Imm深度的掃描范圍。典型地，手術(shù)光學(xué)裝置(optics)，特別是這里使用的高數(shù)值孔徑光學(xué)裝置，被最優(yōu)化為將激光束聚焦到特定的操作深度。在角膜手術(shù)過程期間，Imm深度的掃描僅僅造成與最優(yōu)操作深度的中度偏離(departure)。相比之下，在晶狀體手術(shù)時(shí)的從5到IOmm的掃描期間，系統(tǒng)被驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)離固定的最優(yōu)操作深度。因此，晶狀體手術(shù)激光傳輸系統(tǒng)采用更精細(xì)化的適應(yīng)性光學(xué)裝置以能夠掃描晶狀體手術(shù)所需的寬深度掃描范圍。4. 一些實(shí)施例被整合，以便被配置為對角膜和晶狀體二者進(jìn)行手術(shù)。在這些整合的實(shí)施例中，深度掃描范圍最大為IOmm而不是5mm，這提出更難的挑戰(zhàn)。5.在諸如許多LASIK變異的角膜手術(shù)過程期間，垂直于光軸(“在XY面內(nèi)”)掃描激光束。在典型的過程中，XY掃描范圍僅僅覆蓋具有IOmm直徑的角膜的中心部分。然而， 在整合的手術(shù)系統(tǒng)中，還形成額外的切口。一種類型的切口為進(jìn)入切口(entry cut)，這為抽吸針和常規(guī)手術(shù)工具提供到眼內(nèi)部的入口。另一類型的切口為角膜緣松解切口(limbal relaxing incision, LRI)，其包括恰好在血管弓(vascular arcade)前面的角膜緣部處的切口對。通過調(diào)整這些弓形切口的長度、深度以及位置，可以誘導(dǎo)角膜像散的變化。進(jìn)入切口和LRI可以被設(shè)置在角膜的周邊，典型地具有12mm的直徑。雖然將XY掃描直徑從IOmm 增加到12mm與LASIK瓣的常規(guī)直徑相比僅僅增加了 20%，但在這樣的直徑下將激光傳輸系統(tǒng)的離軸像差保持在控制之下是重大挑戰(zhàn)，這是因?yàn)殡x軸像差與在焦平面處的場直徑的更高功率成比例地增長。6.晶狀體激光手術(shù)過程需要來自精細(xì)成像系統(tǒng)的導(dǎo)引。在一些成像系統(tǒng)中，角膜緣血管被標(biāo)識以用作眼上的參考標(biāo)記，以在手術(shù)時(shí)間期間校準(zhǔn)眼的環(huán)轉(zhuǎn) (cyclo-rotational)對準(zhǔn)，在一些情況下，相對于在眼的外科手術(shù)前的診斷期間所標(biāo)識的參考坐標(biāo)而進(jìn)行該校準(zhǔn)。在手術(shù)區(qū)域周邊選擇的血管最不會受到手術(shù)的干擾，因而是最可靠的。然而，被導(dǎo)引到這樣的周邊血管的成像系統(tǒng)要求成像光學(xué)對具有大于10mm(例如， 12mm)的半徑的區(qū)域成像。7.激光束在沿光學(xué)路徑在眼內(nèi)傳播時(shí)會形成各種像差。激光傳輸系統(tǒng)可以通過補(bǔ)償這些像差而改善精度。這些像差的附加方面為，像差依賴于光的頻率，該事實(shí)稱為“色差”。補(bǔ)償這些頻率相關(guān)的像差增加了對系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。補(bǔ)償這些色差的難度隨激光系統(tǒng)的激光束的帶寬而增加。應(yīng)記得束的光譜帶寬與脈寬成反比。因此，飛秒脈沖的帶寬通常比皮秒脈沖的帶寬大一個(gè)量級或更多，這使得在飛秒激光系統(tǒng)中的更好的色度補(bǔ)償(chromatic compensation)成為必要。8.使用高重復(fù)頻率的飛秒激光手術(shù)系統(tǒng)的手術(shù)過程要求在絕對意義上關(guān)于目標(biāo)組織中的目標(biāo)位置和在相對意義上關(guān)于之前的脈沖來定位每個(gè)脈沖時(shí)的高精度。例如，要求激光系統(tǒng)在脈沖之間的時(shí)間(其可具有微秒量級)內(nèi)以僅僅數(shù)微米(a few microns)來重新導(dǎo)引光束。由于兩個(gè)后續(xù)脈沖之間的時(shí)間短且脈沖定位(placement)的精確度要求高，因此在現(xiàn)有低重復(fù)頻率的晶狀體手術(shù)系統(tǒng)中使用的手動(dòng)瞄準(zhǔn)(targeting)不再是合適的或可行的。9.激光傳輸系統(tǒng)被配置為通過折射介質(zhì)將飛秒激光脈沖傳輸?shù)窖鄣木铙w的整個(gè)手術(shù)體積中且保持其時(shí)間、光譜以及空間完整性。10.為了確保僅僅在手術(shù)區(qū)域中的組織接收具有足夠高的能量密度的激光束以產(chǎn)生手術(shù)效果(例如，組織切除)，激光傳輸系統(tǒng)具有異乎尋常地高的數(shù)值孔徑(NA)。該高NA導(dǎo)致小的斑點(diǎn)尺寸(spot size)并為手術(shù)過程提供必要的控制和精度。數(shù)值孔徑的典型范圍可包括大于0. 3的NA值，這產(chǎn)生3微米或更小的斑點(diǎn)尺寸。11.給定用于晶狀體手術(shù)的激光的光學(xué)路徑的復(fù)雜性，激光傳輸系統(tǒng)通過包括高性能計(jì)算機(jī)管理的成像系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)高精度和控制，而角膜手術(shù)系統(tǒng)在沒有這樣的成像系統(tǒng)或具有低水平的成像系統(tǒng)的情況下就可以實(shí)現(xiàn)令人滿意的控制。特別地，該系統(tǒng)的手術(shù)和成像功能、以及常規(guī)觀測光束通常都在不同的譜帶中操作。作為實(shí)例，手術(shù)激光器可在 1. 0-1. 1微米的帶中的波長處操作、觀測光束處在0. 4-0. 7微米的可見帶中操作，成像光束在0. 8-0. 9微米的帶中操作。在公共或共享的光學(xué)部件中組合光束路徑對激光手術(shù)系統(tǒng)的光學(xué)裝置提出了苛刻的色度要求。差異1-11通過幾個(gè)實(shí)例例證了 ⑴對晶狀體(ii)利用飛秒脈沖進(jìn)行的眼科激光手術(shù)引入了在質(zhì)上與僅僅使用納秒或皮秒激光脈沖的角膜手術(shù)和甚至晶狀體手術(shù)不同的要求。圖1示例了激光傳輸系統(tǒng)1。在對其進(jìn)行詳細(xì)描述之前，我們提及一些實(shí)施例將成像或觀測系統(tǒng)與圖1的激光傳輸系統(tǒng)組合。在一些諸如LASIK處理的角膜手術(shù)過程中， 眼跟蹤器憑借成像和圖像處理算法通過諸如對虹膜的中心的標(biāo)識的視覺線索來典型地在眼表面上建立眼的位置參考。然而，現(xiàn)有的眼跟蹤器識別并分析二維空間中的特征，缺乏深度信息，這是因?yàn)閷悄?眼的最外層)進(jìn)行外科手術(shù)。通常，角膜甚至被弄平以確保該表面真正為二維的。當(dāng)將激光束聚焦在深入眼內(nèi)部的晶狀體中時(shí)，情況非常不同。不僅在先前的測量與手術(shù)之間，而且在手術(shù)期間，晶狀體都可以在適應(yīng)性調(diào)節(jié)(accommodation)期間改變其位置、形狀、厚度和直徑。通過機(jī)械裝置將眼附接到手術(shù)設(shè)備還會以不明確的方式改變眼的形狀。這樣附接裝置包括用吸環(huán)固定眼或者用平面或曲形透鏡對眼消球差。此外，患者在手術(shù)期間的移動(dòng)會引入附加的改變。這些改變會增加視覺線索在眼內(nèi)的多達(dá)數(shù)微米的位移。因此，當(dāng)對眼的晶狀體或其他內(nèi)部部分進(jìn)行精確的激光手術(shù)時(shí)，機(jī)械地參考和固定諸如角膜或緣的前表面的眼表面是不令人滿意的。為了解決該問題，激光傳輸系統(tǒng)1可以與在R. M. Kurtz, F. Raksi和M. Karavitis 的共同待審的申請序列號為12/205，844的美國專利申請中描述的成像系統(tǒng)組合，通過引用將該申請的全部內(nèi)容并入到本文中。該成像系統(tǒng)被配置為對手術(shù)區(qū)域的一部分成像以基于眼的內(nèi)部特征建立三維位置參考。這些圖像可在手術(shù)之前產(chǎn)生并與手術(shù)過程并行地更新以考慮到個(gè)體的差異和改變。該圖像可被用于以高精度和控制將激光束安全地導(dǎo)引到希望的位置。在一些實(shí)施方式中，成像系統(tǒng)可以為光學(xué)相干斷層成像(OCT)系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)的成像束可以具有單獨(dú)的成像光學(xué)路徑或與手術(shù)光束部分地或完全地共享的光學(xué)路徑。具有部分地或完全地共享的光學(xué)路徑的成像系統(tǒng)降低了成本并簡化了對成像和手術(shù)系統(tǒng)的校準(zhǔn)。該成像系統(tǒng)還可以使用與激光傳輸系統(tǒng)1的激光器相同或不同的光源。該成像系統(tǒng)還可以具有其自身的光束掃描子系統(tǒng)，或者可以利用激光傳輸系統(tǒng)1的掃描子系統(tǒng)。在所引用的共同待審的申請中描述了這樣的OCT系統(tǒng)的幾種不同結(jié)構(gòu)。還可以與視覺觀測用光學(xué)裝置組合來實(shí)施激光傳輸系統(tǒng)1。觀測用光學(xué)裝置可幫助手術(shù)激光的操作者觀測手術(shù)激光束的效果并響應(yīng)于觀測結(jié)果來控制光束。
最后，在使用紅外并由此不可見的手術(shù)激光束的一些實(shí)施例中，可以采用在可見頻率下操作的附加的跟蹤激光?？梢姼櫦す饪梢员粚?shí)施為跟蹤紅外手術(shù)激光的路徑。跟蹤激光可以在足夠低的能量下操作以便不會導(dǎo)致對目標(biāo)組織的任何破壞。觀測用光學(xué)裝置可以被配置為將從目標(biāo)組織反射的跟蹤激光導(dǎo)引到激光傳輸系統(tǒng)1的操作者。在圖1中，與成像系統(tǒng)和視覺觀測用光學(xué)裝置相關(guān)的光束可被耦合到激光傳輸系統(tǒng)1中(例如，通過分束器/分色鏡600)。本申請將不再廣泛討論激光傳輸系統(tǒng)1與成像、 觀測系統(tǒng)以及跟蹤系統(tǒng)的各種組合。在并入的美國專利申請12/205,844中廣泛討論的大量的這樣的組合都在本申請的總范圍內(nèi)。圖1示例了激光傳輸系統(tǒng)1，其包括激光引擎100、預(yù)補(bǔ)償器200、XY掃描器300、 第一擴(kuò)束器塊400、可移動(dòng)擴(kuò)束器塊500、分束器/分色鏡600、物鏡700以及患者接口 800， 其中，第一擴(kuò)束器塊400和可移動(dòng)擴(kuò)束器塊500將合稱為Z掃描器450。在下面的一些實(shí)施方式中，使用這樣的規(guī)定Z軸為基本上沿激光束的光學(xué)路徑的方向或沿光學(xué)元件的光軸的方向。橫斷Z方向的方向稱為XY方向。在更寬泛的意義上使用術(shù)語“橫斷”以包括以下情況在一些實(shí)施方式中，橫斷方向和Z方向可以不嚴(yán)格垂直于彼此。在一些實(shí)施方式中，可以關(guān)于徑向坐標(biāo)更好地描述橫斷方向。由此，在所描述的實(shí)施方式中，術(shù)語“橫斷”、XY或徑向方向表示類似的方向，全都近似(必要時(shí)精確地)垂直于 Z方向。1.激光引擎100激光引擎100可包括以預(yù)定激光參數(shù)發(fā)送激光脈沖的激光器。這些激光參數(shù)可包括在1飛秒到100皮秒范圍內(nèi)、或在10飛秒到10皮秒范圍內(nèi)、或在一些實(shí)施例中在100飛秒到1皮秒范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時(shí)間。該激光脈沖可具有在0.1微焦到1000微焦范圍內(nèi)、在其他實(shí)施例中在1微焦到100微焦范圍內(nèi)的每脈沖能量。脈沖可具有在IOkHz到IOOMHz 范圍內(nèi)、在其他實(shí)施例中在IOOkHz到IMHz范圍內(nèi)的重復(fù)頻率。其他實(shí)施例可具有落入這些范圍限制的組合內(nèi)的激光參數(shù)，例如，1-1000飛秒的脈沖持續(xù)時(shí)間的范圍。例如，在預(yù)操作過程期間或基于根據(jù)患者的諸如其年齡的特定數(shù)據(jù)的計(jì)算，在這些寬范圍內(nèi)選擇用于特定過程的激光參數(shù)。激光引擎100的實(shí)例可包括Nd:玻璃和Nd:Yag激光器以及各種其他激光器。激光引擎的操作波長可以在紅外或可見范圍。在一些實(shí)施例中，操作波長可以在700nm-2微米范圍內(nèi)。在一些情況下，例如，在基于％或而的紅外激光器中，操作波長可以在1.0-1. 1 微米范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，激光脈沖的激光參數(shù)可以是可調(diào)整的和可變的?？梢砸远痰那袚Q時(shí)間調(diào)整激光參數(shù)，由此使手術(shù)激光傳輸系統(tǒng)1的操作者可以在復(fù)雜的手術(shù)期間改變激光參數(shù)?？梢皂憫?yīng)于通過激光傳輸系統(tǒng)1的感測或成像子系統(tǒng)的讀數(shù)(reading)來啟動(dòng)這樣的參數(shù)改變?？梢詧?zhí)行其他參數(shù)改變，作為在激光傳輸系統(tǒng)首先用于第一手術(shù)過程且隨后用于不同的第二手術(shù)過程的多步過程的一部分。實(shí)例包括首先在眼的晶狀體的區(qū)域中進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)手術(shù)步驟(例如，囊切手術(shù)步驟)，隨后在眼的角膜區(qū)域中進(jìn)行第二手術(shù)過程?？梢砸愿鞣N順序進(jìn)行這些過程?？梢詫⒁悦棵霐?shù)萬到數(shù)十萬次擊發(fā)(shot)或更高的脈沖重復(fù)頻率操作并具有相對低的每脈沖能量的高重復(fù)頻率脈沖激光用于手術(shù)應(yīng)用以獲得特定的有益效果。這樣的激光使用相對低的每脈沖能量以使由激光誘導(dǎo)的光離解導(dǎo)致的組織影響局域化。在一些實(shí)施例中，例如，可以將離解的組織的范圍限制到數(shù)微米或數(shù)十微米。該局域化的組織影響可改善激光手術(shù)的精度，并且在特定手術(shù)過程中是所希望的。在這樣的手術(shù)的各種實(shí)施方式中， 數(shù)百、數(shù)千或數(shù)百萬個(gè)脈沖可被傳輸?shù)竭B續(xù)的、近似連續(xù)的或通過受控的距離而分隔的斑點(diǎn)的序列。這些實(shí)施方式可以實(shí)現(xiàn)特定的所希望的手術(shù)效果，例如，組織切開、分離或破碎?？梢酝ㄟ^各種方法選擇脈沖參數(shù)和掃描圖形。例如，可以基于晶狀體的光學(xué)或結(jié)構(gòu)特性的術(shù)前測量而選擇脈沖參數(shù)和掃描圖形。同樣可基于晶狀體的光學(xué)或結(jié)構(gòu)特性的術(shù)前測量或基干與年齡相關(guān)的算法來選擇激光能量和斑點(diǎn)分隔。2.預(yù)補(bǔ)償器200圖2示例了激光束的波前可以以幾種不同方式并由于幾個(gè)不同的原因而偏離理想特性。這些偏離的大組稱為像差。像差(和其他波前畸變)使實(shí)際像點(diǎn)從理想的近軸高斯像點(diǎn)移位。圖2示例了通過出瞳(exit pupil)ExP引出的光的波前。未畸變的球面波前 G從該瞳孔發(fā)射并會聚到波前G的曲面中心處的點(diǎn)PI。G也稱為高斯參考球。有像差的波前W偏離G并會聚到不同的P2。有像差的波前W的在點(diǎn)Ql處的像差A(yù)W可由相對于未畸變的參考球G的路徑的光程(optical length)表征= η^ ^，其中，Iii為在像空間中的介質(zhì)的折射率，為點(diǎn)Ql與Q2之間的距離。通常，像差A(yù)W依賴于在出瞳處以及焦平面處的坐標(biāo)。因此，該像差A(yù)W還可被認(rèn)
為是相關(guān)函數(shù)該函數(shù)表示其像會聚到從光軸上的Pl移動(dòng)r’后的P2的點(diǎn)的集合位于表面
W上，該表面W在出瞳ExP處的徑向距離r處從參考球G偏離了 AW的量。對于旋轉(zhuǎn)對稱的
系統(tǒng)，AW可以關(guān)于r和r’中的二重冪級數(shù)展開而被寫為
權(quán)利要求
1.一種眼手術(shù)激光系統(tǒng)，包括 激光源，用于產(chǎn)生激光束；XY掃描器，用于沿基本上橫斷所述激光系統(tǒng)的光軸的XY方向掃描所接收的激光束的焦斑；以及透鏡組，其被設(shè)置在所述激光源與所述XY掃描器之間的光學(xué)路徑中，用于接收由所述激光源產(chǎn)生的所述激光束，預(yù)補(bǔ)償所述激光束的像差，且將經(jīng)預(yù)補(bǔ)償?shù)募す馐鴮?dǎo)引到所述 XY掃描器；其中，所述透鏡組包括在沿光軸的Z方向上可移動(dòng)的可移動(dòng)透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)，以使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在Z掃描范圍內(nèi)沿光軸移動(dòng)，所述Z掃描范圍的長度在0. 3-4毫米的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)，以使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在Z掃描范圍內(nèi)沿光軸移動(dòng)，所述Z掃描范圍的長度在0. 5-2毫米的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠移動(dòng)到其中所述激光系統(tǒng)的Mrehl比率S高于值 S (movable)的位置；且至少在沿所述可移動(dòng)透鏡的Z移動(dòng)范圍的一個(gè)點(diǎn)處所述激光系統(tǒng)的^rehl比率S低于 S(movable)，其中，S (movable)為 0. 6,0. 7,0. 8 和 0. 9 中的一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使所述激光系統(tǒng)的Mrehl 比率S在S(min)到S(max)的范圍中變化，其中， S(min) = 0. 6 且 S (max) = 0. 95。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使所述激光系統(tǒng)的Mrehl 比率S在S(min)到S(max)的范圍中變化，其中， S (min) = 0. 7 且 S (max) =0.95。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述Mrehl比率S對應(yīng)于目標(biāo)區(qū)域中的五個(gè)參考點(diǎn)中的至少一個(gè)，其中，其中， 相對于位于(0，0)處的所述目標(biāo)區(qū)域的前中心，所述五個(gè)參考點(diǎn)通過其在所述目標(biāo)區(qū)域中的柱坐標(biāo)(z，r)而被確定為 Pl= (0,0),P2 = (2，6)、P3= (5，0)、P4= (8，0)、P5 = (8，3)，這些坐標(biāo)全都以毫米為單位并處于任意方位角Φ。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述XY掃描器被配置為使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在目標(biāo)區(qū)域中以XY掃描速度在所述XY方向上移動(dòng)；且所述透鏡組和所述可移動(dòng)透鏡被配置為使所述激光束的所述焦斑在目標(biāo)區(qū)域中以Z 掃描速度在Z方向上移動(dòng)，其中，所述Z掃描速度與最大XY掃描速度的比率大于掃描速度比率，其中，所述掃描速度比率為5%、10%和20%中的一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡被配置為使所述激光系統(tǒng)的所述焦斑在Z掃描時(shí)間內(nèi)在所述ζ方向上移動(dòng)0. 5-1毫米，其中，所述ζ掃描時(shí)間為在10-100納秒、100納秒-1毫秒、1-10毫秒以及10-100毫秒范圍的一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使第一像差量度減小，減小的百分比至少為可移動(dòng)百分比P (movab 1 e)，其中，所述第一像差量度為球面像差系數(shù)a4(l、RMS波前誤差ω和焦斑半徑rf中的一個(gè)；且所述可移動(dòng)百分比P(movable)為10%、20%、30%和40%中的一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述透鏡組的所述可移動(dòng)透鏡能夠在Z移動(dòng)范圍中移動(dòng)以使第二像差量度增加，增加的百分比至少為可移動(dòng)百分比POiiovable)，其中， 所述第二像差量度為Mrehl比率S ；且所述可移動(dòng)百分比P (movable)為10%、20%、30%和40%中的一個(gè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述激光系統(tǒng)的特性包括所述激光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、焦斑深度、像差量度以及光束直徑，其中所述可移動(dòng)透鏡和所述透鏡組被配置為能夠基本上獨(dú)立于所述激光系統(tǒng)的三個(gè)特性而改變所述激光系統(tǒng)的特性中的其他一個(gè)特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的眼手術(shù)激光系統(tǒng)，還包括 第二可移動(dòng)透鏡，其中，所述激光系統(tǒng)的特性包括所述激光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、焦斑深度、像差量度以及光束直徑，其中所述第一和第二可移動(dòng)透鏡被配置為能夠基本上獨(dú)立于所述激光系統(tǒng)的兩個(gè)特性而改變所述激光系統(tǒng)的所述特性中的其他兩個(gè)特性。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的激光傳輸系統(tǒng)，其中 所述透鏡組包括一個(gè)到五個(gè)透鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的激光傳輸系統(tǒng)，其中所述光學(xué)塊包括三個(gè)透鏡，這三個(gè)透鏡具有在Dl ± a ± tl、D2女α * t2以及D3 * α * t3范圍內(nèi)的折光力且以距離dl/α以及d2/a分離，其中，Dl在-3mm到_5mm的范圍內(nèi)，D2在3mm到5mm的范圍內(nèi)，且D3在-3. 5mm到_6mm的范圍內(nèi)；dl在60mm到IOOmm的范圍內(nèi)，且d2在3mm到9mm的范圍內(nèi)，其中dl和d2中的至少一個(gè)是可變距離；α在0.3到3的范圍內(nèi)；且 tl、t2和t3在0. 8到1.2的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的激光傳輸系統(tǒng)，其中所述光學(xué)塊包括四個(gè)透鏡，這四個(gè)透鏡具有在Dl女α * tl、D2 * α * t2、D3 * α *t3以及D4* α * t4范圍內(nèi)的折光力且以距離dl/α、d2/a以及d3/α分離，其中，Dl在-15mm到-20mm的范圍內(nèi)，D2在-5mm到_8mm的范圍內(nèi)，D3在-25mm到-;35mm的范圍內(nèi)，且D4在7mm到IOmm的范圍內(nèi)；dl在IOOmm到130mm的范圍內(nèi)，d2在32mm到41mm的范圍內(nèi)，且d3在33mm到45mm的范圍內(nèi)，其中dl、d2和d3中的至少一個(gè)是可變距離； α在0.2到5的范圍內(nèi)；且 tl、t2、t3和t4在0. 7到1.3的范圍內(nèi)。
17.—種雙掃描手術(shù)激光系統(tǒng)，包括 激光源，用于產(chǎn)生激光束；Z掃描器，用于從所述激光源接收所述激光束，所述Z掃描器包括 可移動(dòng)的Z光學(xué)元件，所述可移動(dòng)的Z光學(xué)元件用于控制所述激光系統(tǒng)的焦斑以Z掃描速度在目標(biāo)區(qū)域中的Z深度；以及XY掃描器，用于從所述Z掃描器接收所述激光束，所述XY掃描器包括 可移動(dòng)的XY光學(xué)元件，所述可移動(dòng)的XY光學(xué)元件用于控制所述激光系統(tǒng)的焦斑以XY 掃描速度在所述目標(biāo)區(qū)域中的XY橫斷位置；其中，所述焦斑的位置能夠沿所述Z方向和所述XY方向同時(shí)移動(dòng)而掃描出彎曲的目標(biāo)線； 所述彎曲的目標(biāo)線的半徑的ζ分量小于1、10和30毫米中的一個(gè)；且所述XY掃描速度在焦平面處大于0.1米每秒。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的激光系統(tǒng)，其中所述Z可移動(dòng)元件被配置為以Z掃描速度掃描所述焦斑的Z深度；且所述XY可移動(dòng)元件被配置為以XY掃描速度掃描所述焦斑的所述XY橫斷位置，其中，所述ζ掃描速度與最大XY掃描速度的比率為5 %、10 %和20 %中的一個(gè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的激光系統(tǒng)，其中所述ζ掃描器被配置為在Z掃描時(shí)間中將所述焦斑的所述Z深度移動(dòng)0. 5毫米與1毫米之間的距離，其中，所述ζ掃描時(shí)間為在10-100納秒、100納秒-1毫秒、1-10毫秒以及10-100毫秒范圍中的一個(gè)。
20.一種眼手術(shù)方法，所述方法包括以下步驟 產(chǎn)生手術(shù)激光束；將所述激光束接收到光束調(diào)節(jié)器中；通過使可移動(dòng)透鏡在所述光束調(diào)節(jié)器中移動(dòng)而基本上獨(dú)立于所述激光束的特性中的其他光束特性而控制所述激光束的所述特性中的一個(gè)，其中所述激光系統(tǒng)的特性包括 所述激光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、焦斑Z深度、像差量度以及光束直徑； 將控制后的光束從所述光束調(diào)節(jié)器輸出到XY掃描器；以及通過所述XY掃描器在目標(biāo)區(qū)域中掃描所述焦斑的XY位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述控制步驟包括控制所述激光束的所述焦斑以Z掃描速度在所述目標(biāo)區(qū)域中的Z深度；且所述掃描步驟包括以XY掃描速度掃描所述焦斑的所述XY位置，其中， 所述ζ掃描速度與最大XY掃描速度的比率為5 %、10 %和20 %中的一個(gè)。
全文摘要
一種眼手術(shù)激光系統(tǒng)包括激光源，用于產(chǎn)生激光束；XY掃描器，用于沿基本上橫斷所述激光系統(tǒng)的光軸的XY方向掃描所接收的激光束的焦斑；以及透鏡組，其被設(shè)置在所述激光源與所述XY掃描器之間的光學(xué)路徑中，用于接收由所述激光源產(chǎn)生的所述激光束，預(yù)補(bǔ)償所述激光束的像差，且將經(jīng)預(yù)補(bǔ)償?shù)募す馐鴮?dǎo)引到所述XY掃描器，其中，所述透鏡組具有在沿光軸的Z方向上可移動(dòng)的可移動(dòng)透鏡。
文檔編號A61N5/067GK102596125SQ201080043147
公開日2012年7月18日 申請日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者F·拉克希, J·巴克 申請人:愛爾康藍(lán)斯克斯股份有限公司