RU2712087C2 - Устройство и способ разрезания роговицы или хрусталика - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицине. Устройство разрезания человеческой или животной ткани, такой как роговица или хрусталик, содержит фемтосекундный лазер, выполненный с возможностью излучения лазерного пучка в виде импульсов; средства, выполненные с возможностью направления и фокусировки пучка на ткань или в ткань для ее разрезания; средства формирования лазерного пучка, позиционируемые на траектории лазерного пучка, для модулирования фазы фронта волны лазерного пучка в соответствии с вычисленным заданным значением модуляции с целью распределения энергии единственного модулированного лазерного пучка в по меньшей мере двух точках воздействия в фокальной плоскости указанного единственного модулированного лазерного пучка, соответствующей плоскости резания. Способ управления устройством содержит следующие этапы, на которых: применяют заданное значение модуляции фазы для средств формирования лазерного пучка, модулируют фазу фронта волны лазерного пучка при помощи средств формирования лазерного пучка. При этом заданное значение модуляции вычисляют таким образом, чтобы распределить энергию единственного модулированного лазерного пучка в по меньшей мере двух точках воздействия в фокальной плоскости указанного единственного модулированного лазерного пучка, соответствующей плоскости резания. Применение данной группы изобретений позволит повысить качество разреза. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области хирургических операций, производимых при помощи фемтосекундных лазеров, и, в частности, к области хирургии глаза, в частности, для применения с целью разрезания роговиц или хрусталиков.

Изобретение относится к устройству и к способу разрезания человеческой или животной ткани, такой как роговица или хрусталик, при помощи фемтосекундного лазера.

Изобретение находит свое предпочтительное, но не ограничительное, применение для разрезания трансплантатов роговиц, хранящихся в банке роговиц, и для разрезания роговицы непосредственно на пациенте при операциях трансплантации роговиц, таких как вертикальные трепанации различных профилей или ламеллярные разрезания параллельно поверхности.

Фемтосекундным лазером называют световой источник, выполненный с возможностью излучения лазерного пучка в виде ультракоротких импульсов, продолжительность которых составляет от 1 фемтосекунды до 100 пикосекунд и предпочтительно от 1 до 1000 фемтосекунд, в частности порядка ста фемтосекунд.

Уровень техники

Известно выполнение хирургических операций на глазу при помощи фемтосекундного лазера, таких как операции разрезания роговиц или хрусталиков.

Таким образом, фемтосекундный лазер является инструментом, выполненным с возможностью рассечения роговичной ткани, например, посредством фокусирования лазерного пучка в строме роговицы и получения последовательности смежных мелких кавитационных пузырьков, которые образуют затем линию разрезания.

В частности, во время фокусирования лазерного пучка в роговице за счет нелинейной ионизации происходит генерирование плазмы, когда интенсивность лазера переходит пороговое значение, называемое порогом оптического пробоя. При этом образуется кавитационный пузырек, приводящий к сугубо локальному разрыву окружающих тканей. Таким образом, реально удаляемый лазером объем является очень незначительным по сравнению с разрываемой зоной.

Зона, разрезаемая лазером при каждом импульсе, является очень небольшой, порядка микрона или десятка микрон в зависимости от мощности и фокусировки пучка. Таким образом, ламеллярное разрезание роговицы можно произвести всего лишь за счет последовательности смежных воздействий на всю поверхность разрезаемой зоны.

Перемещение пучка можно производить при помощи сканирующего устройства, состоящего из управляемых гальванометрических зеркал и/или пластин, обеспечивающих перемещение оптических элементов, таких как зеркала или линзы. Согласно другому решению, предназначенному для разрезания трансплантатов, перемещают не лазерный пучок, а сам трансплантат при помощи автоматизированных пластин перемещения.

Эти операции перемещения лазерного пучка или самого трансплантата являются длительными и трудоемкими. Следовательно, хирургическая операция разрезания является долгой и более сложной, учитывая длительное время, в течение которого пациент может производить движения глаза.

Действительно, например, среднее время вырезания пластинки диаметром 8 мм в человеческой роговице при помощи фемтосекундного лазера с частотой 5 кГц при воздействиях с промежутком 2 мкм составляет примерно сорок минут.

Чтобы оптимизировать время резания, как известно, повышают частоту лазера. Однако повышение частоты приводит также к повышению скорости перемещения пучка при помощи пластин или соответствующих сканеров. Известно также решение, согласно которому увеличивают промежуток между воздействиями лазера на разрезаемую ткань, но, как правило, в ущерб качеству резания.

Большинство фемтосекундных лазеров для разрезания роговицы используют высокие рабочие частоты, в частности, превышающие 100 кГц, связанные с системами перемещения пучка с комбинацией сканеров и пластин перемещения, что влияет на общую стоимость установки и, следовательно, хирургической операции.

Для решения этой проблемы скорости лазерного резания, как известно, используют гальванометрические зеркала для повышения частоты, скорости и увеличения пути отклонения лазерного пучка.

Однако эта технология не является полностью удовлетворительной с точки зрения результатов. Скорость резания можно увеличить еще больше.

Другим решением для сокращения времени резания является одновременное генерирование множества кавитационных пузырьков. В документах US 2010/0133246, EP 1 279 386 и DE 10 2007 019 812 описаны устройства резания, основанные на технологии разделения единого первичного лазерного пучка на множество вторичных лазерных пучков. Как правило, эти устройства содержат оптическую систему, такую как один или несколько делителей пучка для получения вторичных лазерных пучков, каждый из который генерирует соответствующий кавитационный пузырек.

Одновременное генерирование “n” кавитационных пузырьков позволяет уменьшить общее время резания в “n” раз.

Однако основным недостатком этих устройств является то, что они не позволяют гомогенизировать энергию, содержащуюся в каждом из вторичных лазерных пучков. Действительно, чтобы «отрегулировать» оптическую систему для генерирования гомогенных вторичных лазерных пучков, необходимо изменить элементы оптической системы (например, изменить положение или ориентацию делителя пучка, удалить/заменить/добавить линзу и т.д.). Это мешает получению однородных размеров кавитационных пузырьков, получаемых при помощи вторичных лазерных пучков, и контролю положения различных кавитационных пузырьков относительно друг друга.

Кроме того, технология разделения приводит к увеличению диаметра множества вторичных лазерных пучков по отношению к диаметру единого первичного лазерного пучка, производимого фемтосекундным лазером. Действительно, вторичные лазерные пучки соответствуют разделенным в пространстве «частям» единого первичного лазерного пучка. Учитывая не равное нулю расстояние между различными вторичными лазерными пучками, диаметр комплекса, образованного множеством вторичных лазерных пучков, превышает диаметр первичного лазерного пучка.

Это увеличение диаметра может быть недостатком, в частности, в случае, когда устройство разрезания содержит систему сканирования, такую как оптический сканер, для перемещения множества вторичных лазерных пучков в плоскости резания. Действительно, входной диаметр системы сканирования обычно имеет значение диаметра единого первичного лазерного пучка, поэтому некоторые вторичные пучки не попадают в систему сканирования.

Настоящее изобретение призвано предложить устройство разрезания, позволяющее преодолеть по меньшей мере один из вышеупомянутых недостатков.

Раскрытие сущности изобретения

Таким образом, изобретение призвано предложить устройство и способ разрезания человеческой или животной ткани, такой как роговица или хрусталик, которые позволяют производить быстрые и надежные операции разрезания.

Изобретение призвано также предложить такое устройство и такой способ, которые являются простыми и недорогими.

Чтобы решить вышеупомянутые задачи, было разработано устройство разрезания, содержащее, как известно, фемтосекундный лазер, выполненный с возможностью излучения лазерного пучка в виде импульсов, и средства, выполненные с возможностью направлять и фокусировать указанный пучок на ткань для ее разрезания.

Согласно изобретению, устройство дополнительно содержит средства формирования для модулирования фазы фронта волны лазерного пучка, позиционируемые на траектории указанного пучка, и средства управления средствами формирования путем направления в них определенного заданного значения таким образом, чтобы модулировать распределение энергии лазерного пучка в по меньшей мере двух разных точках воздействия в его фокальной плоскости, соответствующей плоскости резания.

Средства управления содержат, например компьютер(ы), процессор(ы), микроконтроллер(ы), микрокомпьютеры(ы), программируемый(ые) автомат(ы), специальную(ые) прикладную(ые) схему(ы), другие программируемые схемы или другие устройства, которые включают в себя компьютер, такие как рабочий пост.

В рамках настоящего изобретения под «точкой воздействия» следует понимать зону лазерного пучка, заключенную в его фокальной плоскости, в которой интенсивность указанного лазерного пучка является достаточной, чтобы генерировать кавитационный пузырек в ткани.

Таким образом, изобретение позволяет изменять профиль интенсивности лазерного пучка в плоскости резания, чтобы получить возможность повышения качества или увеличения скорости резания в зависимости от выбранного профиля. Этого изменения профиля интенсивности достигают за счет модулирования фазы лазерного пучка.

Целью формирования является модулирование конечного распределения энергии в пучке, например, чтобы оптимизировать резание лазером.

Оптическое модулирование фазы осуществляют при помощи фазного трафарета. Энергия падающего лазерного пучка после модулирования сохраняется, и формирование пучка осуществляют, воздействуя на его фронт волны. Фаза электромагнитной волны отображает моментальную ситуацию амплитуды электромагнитной волны. Фаза зависит как от времени, так и от пространства. В случае пространственного формирования лазерного пучка учитываются только изменения фазы в пространстве.

Фронт волны определяют как поверхность точек пучка, имеющих эквивалентную фазу (то есть поверхность, образованную точками, для которых время прохождения от излучающего пучок источника является одинаковым). Таким образом, изменение пространственной фазы пучка проходит через изменение его фронта волны.

Согласно частному варианту осуществления изобретения, средства формирования выполнены в виде жидкокристаллического пространственного модулятора света.

Такой модулятор, известный под сокращением SLM от английского “Spatial Light Modulator”, содержит слой жидких кристаллов с контролируемой ориентацией, позволяющий динамично профилировать фронт волны и, следовательно, фазу лазерного пучка.

В частности, модулятор SLM является устройством модуляции света, модулирующим фазу электромагнитного пучка при помощи жидких кристаллов. Эта система использует принцип анизотропии жидких кристаллов, то есть изменение показателя преломления жидких кристаллов в зависимости от их пространственной ориентации.

Ориентацию жидких кристаллов можно осуществлять при помощи электрического поля. Таким образом, изменяя локально показатель преломления жидких кристаллов, можно изменять фронт волны лазерного пучка. Эта система может иметь очень высокое разрешение, совместимое со сложным формированием пучков.

Фазный трафарет, то есть карту, показывающую, каким образом необходимо изменить фазу пучка, чтобы получить заданное распределение амплитуды, обычно вычисляют при помощи итеративного алгоритма с преобразованием Фурье или различных алгоритмов оптимизации, таких как генетические алгоритмы, или путем моделируемого отжига.

Таким образом, модулятор SLM позволяет динамично профилировать фронт волны лазерного пучка, так как его можно параметрировать цифровым путем. Это модулирование позволяет динамично и воспроизводимо формировать режущий пучок.

Согласно частному варианту осуществления изобретения, энергию лазерного пучка распределяют таким образом, чтобы генерировать множество точек лазерного воздействия в фокальной плоскости лазерного пучка.

Ранее уже были предложены устройства с использованием модулятора SLM (см. US 2012/271286). Однако в этих устройствах модулятор SLM конфигурирован для коррекции аберраций электромагнитного пучка, выходящего из источника излучения (а не для распределения энергии лазерного пучка между по меньшей мере двумя разными точками воздействия в его фокальной плоскости путем модулирования фазы фронта волны указанного лазерного пучка).

В рамках настоящего изобретения на основании единого гауссова пучка формирование позволяет распределять его энергию на несколько пятен, ограниченных по размеру и числу, за счет разрешения средств формирования и мощности пучка. Таким образом, число пятен в столько же раз сокращает время, необходимое для хирургической операции разрезания. Кроме сокращения времени резания настоящее изобретение обеспечивает и другие преимущества, такие как повышение качества поверхности после разрезания или сокращение эндотелиального омертвения. Разумеется, настоящее изобретение можно комбинировать с известными методами, состоящими в быстром перемещении пучка и с высокой частотой резания для еще большего повышения скорости резания.

Таким образом, воспроизводимая модуляция фронта волны фемтосекундного лазера позволяет генерировать множество одновременных точек резания, образующих рисунок, при этом каждая точка рисунка имеет контролируемое положение на поверхности или в объеме роговицы.

В рамках настоящего изобретения под «рисунком» следует понимать множество точек лазерного воздействия, генерируемых одновременно в фокальной плоскости сформированного лазерного пучка, то есть пучка, модулированного по фазе, чтобы распределять его энергию на несколько разных пятен в фокальной плоскости, соответствующей плоскости резания устройства.

Эта технология позволяет быстрее и эффективнее осуществлять операцию разрезания, так как она использует несколько лазерных пятен, каждое из которых производит резание в соответствии с контролируемым профилем.

Предпочтительно можно также модулировать форму каждой точки. Эту технологию можно идеально сочетать с существующими технологиями сканирования и/или перемещения при помощи пластин.

Предпочтительно различные точки рисунка равномерно распределены по двум размерам фокальной плоскости, образуя сетку лазерных пятен.

Таким образом, одно сканирование лазерного пучка, сформированного для одновременного генерирования множества точек воздействия, заменяет множество сканирований «несформированного» пучка, генерирующего единую точку воздействия.

Объектом изобретения является также способ разрезания человеческой или животной ткани, такой как роговица или хрусталик, при помощи фемтосекундного лазера, выполненного с возможностью излучения лазерного пучка в виде импульсов, сфокусированного на ткани для ее разрезания.

Согласно изобретению и в соответствии с вышесказанным, способ состоит в том, что:

- применяют заданное значение модуляции фазы для средств формирования лазерного пучка, позиционируемых на траектории указанного пучка,

- модулируют фазу фронта волны лазерного пучка при помощи средств формирования, при этом заданное значение модуляции вычисляют таким образом, чтобы распределить энергию лазерного пучка в по меньшей мере двух точках воздействий в его фокальной плоскости, соответствующей плоскости резания.

Таким образом, способ обеспечивает быстрое и надежное разрезание.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые фигуры.

На фиг. 1 показан схематичный вид схемы заявленного устройства разрезания;

на фиг. 2 – схематичный вид возможного формирования лазерного пучка заявленного устройства разрезания;

на фиг. 3 – вид фазного трафарета, позволяющего получить распределение энергии, показанное на фиг. 2;

на фиг. 4 – вид трансплантата роговицы перед операцией разрезания;

на фиг. 5 – вид, аналогичный фиг. 4, при этом трансплантат роговицы показан после выравнивания;

на фиг. 6 – вид, аналогичный фиг. 5, с показом трансплантата роговицы после первого лазерного разрезания;

на фиг. 7 – распределение интенсивности лазерного пучка в его фокальной плоскости;

на фиг. 8 – распределение интенсивности, полученное посредством модулирования фазы фронта лазерного пучка при помощи пространственного модулятора света.

Осуществление изобретения

Объектом изобретения является устройство 1 разрезания человеческой ткани при помощи фемтосекундного лазера 2. В дальнейшем изобретение будет описано на примере разрезания роговицы 3 глаза человека или животного.

Как показано на фиг. 1, где представлена схема такого устройства 1 разрезания, оно содержит фемтосекундный лазер 2, выполненный с возможностью излучения лазерного пучка в виде импульсов. Например, лазер излучает свет с длиной волны 780 нм в виде импульсов в 150 фемтосекунд. Лазер имеет мощность 2 Вт и частоту 5 кГц.

Лазерный пучок 4, излучаемый лазером 2, направляют и фокусируют на предназначенную для разрезания роговицу через множество оптических элементов. В частности, первое зеркало 5 отражает лазерный пучок 4, выходящий непосредственно из лазера 2, и направляет его на хорошо известную полуволновую пластинку 6, чтобы получить сдвиг фазы на 180°, то есть задержку на половину длины волны. Волна, выходящая из такой пластинки 6, имеет симметричную поляризацию входящей волны по отношению к оптической оси.

Затем лазерный пучок 4, выходящий из полуволновой пластинки 6, проходит через тоже известный поляризующий куб 7, позволяющий разделить случайную поляризацию лазерного пучка 4 на две ортогональные и линейные составляющие поляризации. Одна составляющая отражается под 90°, тогда как другая составляющая является проходящей. Проходящая составляющая поляризации отражается вторым зеркалом 8 в сторону средств 9 формирования лазерного пучка 4.

Средства пространственного формирования лазерного пучка 4 в фокальной плоскости позволяют менять поверхность волны лазерного пучка 4 для получения точек воздействия, отделенных друг от друга в фокальной плоскости.

В частности, средства формирования позволяют модулировать фазу лазерного пучка 4, выходящего из фемтосекундного лазера, чтобы получить пики интенсивности в фокальной плоскости пучка, при этом каждый пик интенсивности создает соответствующую точку воздействия в фокальной плоскости, соответствующей плоскости резания.

Согласно представленному варианту осуществления изобретения средства формирования представляют собой пространственный жидкокристаллический модулятор света, известный под сокращением SLM от английского “Spatial Light Modulator”.

Модулятор SLM 9 позволяет модулировать конечное распределение энергии лазерного пучка 4, в частности, в фокальной плоскости, соответствующей плоскости разрезания роговицы.

В частности, модулятор SLM выполнен с возможностью изменения пространственного профиля фронта волны первичного лазерного пучка 4, выходящего из фемтосекундного лазера 4, чтобы распределить энергию лазерного пучка 4 по разным пятнам фокусировки в фокальной плоскости.

Модулятор SLM 9 является хорошо известным устройством, он состоит из слоя жидких кристаллов с контролируемой ориентацией, позволяющего динамично профилировать фронт волны и, следовательно, фазу лазерного пучка 4. Слой жидких кристаллов модулятора SLM скомпонован в виде пиксельной сетки (или матрицы). Оптическую толщину каждого пикселя контролируют электрически посредством ориентации молекул жидкого кристалла, принадлежащих к соответствующей поверхности пикселя.

Модулятор SLM 9 использует принцип анизотропии жидких кристаллов, то есть изменение показателя преломления жидких кристаллов в зависимости от их пространственной ориентации. Ориентацию жидких кристаллов можно осуществлять при помощи электрического поля. Таким образом, изменение показателя преломления жидких кристаллов приводит к изменению фронта волны лазерного пучка 4.

Как известно, в модуляторе SLM 9 применяют фазный трафарет 10, то есть карту, определяющую, каким образом необходимо изменить фазу пучка 4, чтобы получить заданное распределение амплитуды в его фокальной плоскости.

Фазный трафарет является двухмерным изображением, в котором каждая точка связана с соответствующим пикселем модулятора SLM. Этот фазный трафарет позволяет управлять показателем преломления каждого жидкого кристалла модулятора SLM, преобразуя значение, связанное с каждой точкой трафарета, представленное по уровням серого от 0 до 255 (то есть от черного до белого), в управляющее значение, представленное по фазе от 0 до 2π. Таким образом, фазный трафарет является заданным значением модуляции, выводимым на модулятор SLM, чтобы при отражении получить неравный пространственный сдвиг фазы лазерного пучка 4, освещающего модулятор SLM. Разумеется, специалисту в данной области понятно, что диапазон уровня серого может меняться в зависимости от модели используемого модулятора SLM. Например, в некоторых случаях диапазон уровня серого может составлять от 0 до 220.

Как правило, фазный трафарет рассчитывают при помощи итеративного алгоритма, основанного на преобразовании Фурье, или при помощи других алгоритмов оптимизации, таких как генетические алгоритмы, или путем моделируемого отжига. Для модулятора SLM можно применять разные фазные трафареты в зависимости от числа и от положения необходимых точек воздействия в фокальной плоскости лазерного пучка 4. Во всех случаях специалист в данной области может вычислить значение в каждой точке фазного трафарета, чтобы распределить энергию лазерного пучка 4 по разным пятнам фокусировки в фокальной плоскости.

Таким образом, модулятор SLM 9 позволяет динамично профилировать фронт волны лазерного пучка 4. Эта модуляция позволяет динамично и воспроизводимо формировать режущий пучок 4.

На основании гауссова лазерного пучка 4, генерирующего единую точку воздействия, и при помощи фазного трафарета 10, показанного на фиг. 3, модулятор SLM 9 позволяет распределить его энергию путем фазовой модуляции таким образом, чтобы одновременно генерировать несколько точек воздействия в его фокальной плоскости.

Таким образом, изобретением предложено генерировать множество точек воздействия при помощи единого лазерного пучка, формируемого посредством фазовой модуляции (один пучок на входе и на выходе модулятора SLM), в отличие от устройств, описанных в документах US 2010/0133246, EP 1 279 386 и DE 10 2007 019 812, в которых множество точек лазерного воздействия получают путем деления первичного пучка на множество вторичных пучков (один пучок на входе делителя пучка и несколько пучков на выходе делителя), при этом каждый вторичный пучок создает соответствующую точку воздействия.

Затем лазерный пучок 4, сформированный путем фазовой модуляции, направляют на ряд зеркал 11 и оптических линз 12, расположенных таким образом, чтобы направлять и фокусировать указанный пучок 4, сформированный путем фазовой модуляции, на поверхность предназначенной для разрезания роговицы 3.

Как показано на фиг. 2, различные полученные лазерные пятна 13 равномерно распределены, например, по двум размерам фокальной плоскости лазерного пучка 4, образуя сетку лазерных пятен 13. Например, формирование лазерного пучка 4 посредством фазовой модуляции при помощи фазного трафарета 10 позволяет получить рисунок, состоящий из трех линий по 7 пятен 13, отстоящих друг от друга на 45 мкм по двум размерам указанной фокальной плоскости, соответствующей плоскости резания.

Число пятен рисунка в столько же раз сокращает время, необходимое для хирургической операции разрезания. Кроме сокращения времени разрезания роговицы 3, настоящее изобретение имеет и другие преимущества, такие как повышение качества поверхности после разрезания или уменьшение эндотелиального омертвения. Разумеется, настоящее изобретение можно комбинировать с известными технологиями, состоящими в быстром перемещении пучка или пучков 4 и с высокой частотой резания, чтобы еще больше повысить скорость разрезания.

Воспроизводимая модуляция фронта волны фемтосекундного лазера позволяет одновременно генерировать множество точек разрезания, каждая из которых имеет контролируемое положение на поверхности или в объеме роговицы 3.

Таким образом, из всего вышесказанного следует, что изобретение позволяет осуществлять хирургическое разрезание роговицы быстро и эффективно, так как оно использует несколько лазерных пятен 13, каждое из которых производит разрезание в соответствии с контролируемым профилем.

Модулятор SLM 9 можно также выполнить с возможностью по-другому формировать фронт волны лазерного пучка 4. Например, полученное лазерное пятно для разрезания роговицы может иметь любую геометрическую форму, отличную от круглой. Это может давать некоторые преимущества в зависимости от предусматриваемого применения, например повышение скорости и/или качества резания.

Предпочтительно, как показано на фиг. 4 и 5, поверхность разрезаемой роговицы 3 выравнивают при помощи хорошо известной выравнивающей пластинки 14. Эта пластинка 14 обеспечивает нивелирование кривизны роговицы, упрощая путь резания для лазерных пятен 13, что позволяет повысить скорость резания. Пластинка 14 служит также базой отсчета для позиционирования лазерных пятен 13 по оси Z, то есть вдоль оси, ортогональной к плоскости резания. Таким образом, выравнивающая пластинка 14 обеспечивает более высокую точность разрезания трансплантатов. Каждое пятно 13 оказывает воздействие на роговицу, испаряя ткань указанной роговицы, чтобы получить точку 23 разрезания.

Наконец, чтобы обеспечивать точное позиционирование разрезаемой роговицы 3, установка содержит конфокальную схему 15 визуализации. Эта схема 15 обеспечивает позиционирование роговицы вдоль оси Z с точностью около микрометра. Как показано на фиг. 1, эта схема 15 содержит дихроическое зеркало 16 и фокусирующую линзу 24, которые могут отражать, направлять и фокусировать часть интенсивности пучка 4, сформированного посредством фазовой модуляции, то есть пучка 4, выходящего из модулятора SLM 9, на поверхность разрезаемой роговицы 3. Другую часть интенсивности сформированного пучка 4 направляют в сторону системы, содержащей зеркала 17, линзу 18 и второе дихроическое зеркало 19, которые, с одной стороны, направляют часть интенсивности пучка 4, отходящего от дихроического зеркала 16, на датчик 20 CCD, и, с другой стороны, направляют второй лазерный пучок 21, исходящий от второго источника 22 света, на дихроическое зеркало 16 и на поверхность разрезаемой роговицы 3. Эта схема 15 не является частью изобретения, и ее подробное описание опускается.

Изобретением предложен оригинальный метод, основанный на модуляции фазы фронта волны лазерного пучка, для перераспределения энергии указанного лазерного пучка в виде множества отдельных точек воздействия указанного лазерного пучка. Таким образом, из одного модулированного лазерного пучка получают несколько точек воздействия.

Это явление можно рассматривать как явление интерференций в двух измерениях. Каждую часть выходящего из источника первоначального лазерного пучка задерживают или ускоряют по отношению к первоначальному фронту волны, чтобы перенаправить каждую из этих частей для получения конструктивной интерференции в N разных точках в фокальной плоскости линзы. Это перераспределение энергии на множество точек воздействия происходит только в одной плоскости (то есть в фокальной плоскости), а не вдоль всего пути распространения модулированного лазерного пучка. Таким образом, наблюдение модулированного лазерного пучка до или после фокальной плоскости не позволяет идентифицировать перераспределение энергии на множество разных точек воздействия по причине этого явления, которое можно уподобить конструктивным интерференциям (которые происходят только в одной плоскости, а не вдоль пути распространения, как в случае разделения первоначального лазерного пучка на множество вторичных лазерных пучков).

Чтобы лучше понять это явление фазовой модуляции фронта волны, на фиг. 7 схематично представлены профили 36а-36е интенсивности, полученные для трех разных примеров оптических схем.

Как показано на фиг. 7, лазерный пучок 32, излучаемый лазерным источником 31, производит пик 36а интенсивности гауссовой формы в точке 35а воздействия в фокальной плоскости 34.

При установке делителя 37 пучка между источником 31 и фокальной плоскостью 34 получают множество вторичных лазерных пучков 32’, при этом каждый вторичный лазерный пучок 32’ производит соответствующую точку 35b, 35с воздействия в фокальной плоскости 34 вторичных лазерных пучков 32’.

Наконец, если между источником 31 и фокальной плоскостью 34 установить модулятор SLM 38, программируемый при помощи фазного трафарета, образующего заданное значение модуляции, это приводит к модуляции фронта волны лазерного пучка 32, выходящего из источника 31. Лазерный пучок 32”, фаза фронта которого была модулирована, позволяет получить несколько пиков 36d, 36e интенсивности, разделенных в пространстве в фокальной плоскости 34 лазерного пучка, при этом каждый пик 36d, 36е соответствует точке 35d, 35е воздействия, производящей резание.

Заявленный оригинальный метод, основанный на модуляции фазы фронта волны, позволяет генерировать одновременно несколько кавитационных пузырьков без деления первоначального лазерного пучка, излучаемого фемтосекундным лазерным источником, в отличие от известных систем и способов, использующих оптические устройства дублирования пучка, такие как делители пучка (см. US 2010/0133246, EP 1 279 386 и DE 10 2007 019 812).

Чтобы лучше понять это явление модуляции, рассмотрим волну, распространяющуюся через оптическую систему, которую можно уподобить тонкой линзе с фокусом f. Электрические поля объекта

и изображения

, находящиеся соответственно в фокальных плоскостях объекта и изображения линзы, связаны следующим отношением:

. С другой стороны, электрическое поле электромагнитной волны в рамках уравнения распространения можно выразить в виде:

, где

называют пространственной фазой. Экспериментально было отмечено, что влияние пространственной фазы в поле объекта имеет определяющее значение на распределение амплитуды в плоскости изображения. При этом путем правильного выбора пространственной фазы в поле объекта можно получить произвольное распределение амплитуды в поле изображения (в данном случае в фокусе линзы). Эти же рассуждения можно применить, когда поля объекта и изображения не совпадают с фокальными плоскостями. В этом случае при вычислении фазы необходимо учитывать распространение волны (вычисление не приведено).

Цифровая адресация модулятора SLM позволяет облегчить его программирование. Таким образом, можно точно отрегулировать модулятор SLM для получения однородных точек 35d, 35c воздействия в фокальной плоскости, что невозможно при технологии деления пучка, при которой размеры и положения получаемых точек 35b, 35с воздействия могут быть самыми разнородными, что не позволяет динамично корректировать ошибки, поскольку технологии деления пучка основаны на использовании жестких оптических элементов.

Тонкое регулирование модулятора SLM осуществляют, изменяя фазный трафарет, используемый для его управления.

Регулирование модулятора SLM можно осуществить, поместив анализатор пучка (такой как камера CCD) в фокальную плоскость и проецируя модулированный лазерный пучок на анализатор пучка. При этом значение фазного трафарета меняют до получения равномерно распределенных пиков интенсивности однородных размеров. После точного вычисления фазного трафарета его можно использовать во всех изготавливаемых устройствах разрезания. Его сохраняют в качестве заданного значения модуляции в памяти средств управления устройствами для управления их соответствующим модулятором SLM при помощи указанного фазного трафарета. После вычисления фазный трафарет является фиксированным и не меняется в зависимости от свойств (то есть формы фронта волны) лазерного пучка, с которым связан модулятор SLM.

С этой точки зрения фазный трафарет рассчитывают независимо от формы фронта волны лазерного пучка до модуляции, в отличие от фазного трафарета модуляторов SLM, используемых для коррекции аберраций, как в известных технических решениях.

Например, фазная модуляция позволила получить экспериментально матрицу лазерных пятен 35f-35k такой однородности, при которой каждое пятно 35f, 35g, 35h, 35i, 35j, 35k имеет одинаковую пиковую флуктуацию плюс-минус менее 5%, при этом измерение производили при помощи датчика CCD, как показано на фиг. 8.

Одновременное генерирование нескольких точек воздействия посредством дублирования пучка не позволяет настолько же точно и легко контролировать положение и размеры в сечении различных вторичных лазерных пучков.

Таким образом, изобретением предложено эффективное устройство инструмента резания, так как лазерные воздействия получают при помощи по существу одинаковых пятен энергии, и кавитационные пузырьки, разрывающие разрезаемые биологические ткани, имеют по существу одинаковые размеры. Это позволяет повысить качество получаемого результата при однородной плоскости резания, в которой все остаточные тканевые перемычки имеют по существу одинаковый размер, что позволяет хирургу производить рассечение приемлемого качества с точки зрения качества состояния поверхности разрезаемой ткани, когда речь идет, например, о роговице. Известные системы и способы, использующие оптические устройства дублирования пучка, такие как делители пучка (см. US 2010/0133246, EP 1 279 386 и DE 10 2007 019 812), не позволяют получить однородную плоскость резания с учетом невозможности точного контроля расположения каждого пучка и распределения энергии в каждом пучке, что приводит к неоднородному разрезанию ткани с тканевыми перемычками разного размера, при этом рассечение иногда является легким, иногда трудным, что не позволяет гарантировать приемлемое состояние поверхности разрезаемой ткани.

Кроме того, при одинаковом числе точек воздействия диаметр сечения нескольких дублированных пучков превышает диметр сечения лазерного пучка, модулированного по фазе в соответствии с изобретением. Это связано с тем, что дублированные пучки должны отстоять друг от друга на достаточное расстояние, чтобы ограничить риски интерференций.

Таким образом, чтобы генерировать множество точек воздействия, легче связать лазерный пучок, модулированный по фазе в соответствии с изобретением, с оптическим устройством, имеющим вход ограниченного размера, чем множество вторичных лазерных пучков.

Например, лазерный пучок, модулированный по фазе в соответствии с изобретением, является совместимым с использованием оптического сканера, состоящего из одного или нескольких оптических зеркал, поворачивающихся по меньшей мере вокруг двух осей.

Использование такого оптического сканера в заявленном устройстве разрезания позволяет перемещать рисунок точек воздействия (образованный лазерным пучком, модулированным по фазе для распределения энергии лазерного пучка по меньшей мере на две разные точки воздействия) в плоскости резания во множество разных положений. Такой системой перемещения можно управлять при помощи средств управления устройством разрезания.

Изобретение было описано для операций разрезания роговицы 3 в области хирургии глаза, но, разумеется, его можно применять для других типов операций в области хирургии глаза, не выходя за рамки изобретения. Например, изобретение можно применять в рефракционной хирургии на роговице, такой как исправление близорукости, дальнозоркости, астигматизма, для лечения потери аккомодации, в частности пресбиопии. Изобретение находит применение также для лечения катаракты с надрезом роговицы 3, разрезанием задней капсулы хрусталика и фрагментацией хрусталика. Наконец, в целом изобретение можно применять во всех клинических или экспериментальных областях на роговице 3 или хрусталике глаза человека или животного.

В еще более общем плане изобретение относится к широкой области лазерной хирургии и находит свое предпочтительное применение, когда речь идет о разрезании и, в частности, испарении мягких человеческих или животных тканей с повышенным содержанием воды.

Claims (12)

1. Устройство (1) разрезания человеческой или животной ткани, такой как роговица (3) или хрусталик, при этом указанное устройство (1) содержит фемтосекундный лазер (2), выполненный с возможностью излучения лазерного пучка (4) в виде импульсов, и средства, выполненные с возможностью направления и фокусировки указанного пучка (4) на ткань или в ткань для ее разрезания, отличающееся тем, что оно содержит средства (9) формирования лазерного пучка, позиционируемые на траектории указанного лазерного пучка (4), для модулирования фазы фронта волны лазерного пучка (4) в соответствии с вычисленным заданным значением модуляции с целью распределения энергии единственного модулированного лазерного пучка в по меньшей мере двух точках воздействия в фокальной плоскости указанного единственного модулированного лазерного пучка, соответствующей плоскости резания.

2. Устройство (1) разрезания по п. 1, которое дополнительно содержит средства управления средствами (9) формирования лазерного пучка с использованием заданного значения модуляции.

3. Устройство (1) разрезания по п. 1 или 2, в котором средства (9) формирования лазерного пучка выполнены в виде жидкокристаллического пространственного модулятора света.

4. Устройство (1) разрезания по п. 3, в котором заданное значение модуляции является двухмерным изображением, выводимым на пространственный модулятор света, чтобы получить при отражении неравный пространственный сдвиг фазы лазерного пучка (4) с целью распределения энергии лазерного пучка (4) в по меньшей мере двух точках воздействия в его фокальной плоскости.

5. Устройство (1) разрезания по п. 3 или 4, в котором заданное значение модуляции является двухмерным изображением с уровнями серого, содержащим периодическую форму, повторяющуюся в изображении.

6. Устройство (1) разрезания по любому из пп. 1–5, в котором заданное значение модуляции вычислено независимо от фронта волны лазерного пучка (4) до модулирования.

7. Устройство (1) разрезания по любому из пп. 1–6, в котором энергия лазерного пучка (4) распределена в фокальной плоскости во множестве разных точек воздействия лазерного пучка (4), образующих рисунок, при этом каждая точка выполнена с возможностью осуществления разрезания ткани.

8. Устройство (1) разрезания по п. 7, в котором точки лазерного воздействия рисунка равномерно распределены по двум размерам фокальной плоскости, образуя сетку лазерных пятен (13).

9. Устройство (1) разрезания по п. 7 или 8, которое дополнительно содержит систему оптических зеркал, поворачивающихся вокруг по меньшей мере двух осей для перемещения рисунка в плоскости резания.

10. Способ управления устройством (1) разрезания человеческой или животной ткани, такой как роговица (3) или хрусталик, при этом указанное устройство (1) содержит фемтосекундный лазер (2), выполненный с возможностью излучения лазерного пучка (4) в виде импульсов, и средства, выполненные с возможностью направления и фокусировки указанного пучка (4) на ткань для ее разрезания, отличающийся тем, что содержит следующие этапы, на которых:

- применяют заданное значение модуляции фазы для средств формирования лазерного пучка (4), позиционируемых на траектории указанного лазерного пучка (4),

- модулируют фазу фронта волны лазерного пучка (4) при помощи средств формирования лазерного пучка, при этом заданное значение модуляции вычисляют таким образом, чтобы распределить энергию единственного модулированного лазерного пучка в по меньшей мере двух точках воздействия в фокальной плоскости указанного единственного модулированного лазерного пучка, соответствующей плоскости резания.

Images