專利名稱：用于眼科手術(shù)激光的具有多個(gè)掃描器的光學(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(duì)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(qǐng)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(duì)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(duì)長(zhǎng)的脈沖將相對(duì)大量的能量提供到手術(shù)點(diǎn)，導(dǎo)致對(duì)精確度和對(duì)過程的控制的顯著限制，同時(shí)產(chǎn)生了相對(duì)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(shí)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Intralase 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1_，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(jiǎn)要地且概括地，一種眼科手術(shù)激光系統(tǒng)包括激光引擎，用于產(chǎn)生激光束；第一Z掃描器，用于接收所產(chǎn)生的激光束，且沿所述激光系統(tǒng)的光軸在第一 Z間隔內(nèi)(over a first Z interval)掃描所述激光系統(tǒng)的焦斑；XY掃描器,用于接收由所述第一Z掃描器輸出的所述激光束，且沿基本上橫斷所述激光系統(tǒng)的光軸的方向掃描所述激光系統(tǒng)的所述焦斑；以及第二Z掃描器,用于從所述XY掃描器接收掃描的激光束，且沿所述激光系統(tǒng)的光軸在第二 Z間隔內(nèi)掃描所述激光系統(tǒng)的所述焦斑。在一些實(shí)施方式中，所述第一 Z掃描器被配置為使所述第一 Z間隔適合于角膜手術(shù)過程；且所述第二 Z掃描器被配置為使所述第二 Z間隔適合于前段手術(shù)過程。在一些實(shí)施方式中，所述第一 Z間隔的長(zhǎng)度在O. 05-1毫米的范圍內(nèi)；且所述第二 Z間隔的長(zhǎng)度大于I暈米。在一些實(shí)施方式中，所述第一 Z間隔的長(zhǎng)度在1-5毫米的范圍內(nèi)；且所述第二 Z間隔的長(zhǎng)度大于5暈米。在一些實(shí)施方式中，所述第一 Z間隔的長(zhǎng)度在O. 05-1毫米的范圍內(nèi)；且所述第一 Z掃描器被配置為在第一 Z掃描時(shí)間中在所述第一 Z間隔內(nèi)掃描所述焦斑,其中,所述第一 Z掃描時(shí)間為在10-100納秒、100納秒-I毫秒、I毫秒-10毫秒、10毫秒-100毫秒范圍中的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述第二 Z間隔的長(zhǎng)度大于5毫米；且所述第二 Z掃描器被配置為在第二 Z掃描時(shí)間中在所述第二 Z間隔內(nèi)掃描所述焦斑，其中所述第二 Z掃描時(shí)間為在10-100毫秒和100毫秒-I秒的范圍中。在一些實(shí)施方式中，所述第一 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于10%。在一些實(shí)施方式中，所述第二 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于10%。在一些實(shí)施方式中，所述第一 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于25%。在一些實(shí)施方式中，所述第二 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于25%。在一些實(shí)施方式中，一種手術(shù)激光系統(tǒng)包括激光引擎，用于產(chǎn)生激光束；多功能光束調(diào)節(jié)器，用于從所述激光引擎接收所述激光束，所述多功能光束控制器包括第一光束控制器、第二光束控制器，所述第一和第二控制器控制第一和第二光束特性；以及XY控制器，用于在XY橫斷方向上掃描所述光束。在一些實(shí)施方式中，所述第一和第二光束特性為下列中的一個(gè)焦斑的Z深度、數(shù)值孔徑、像差量度以及光束直徑，其中所述像差量度為Strehl比率S、球面像差量度α4(ι、焦斑半徑rf和RMS波前誤差ω中的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束特性能夠基本上獨(dú)立于所述第二光束特性而被控制。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器位于所述XY掃描器之前并輸出具有受控制的第一特性的光束；且所述第二光束控制器位于所述XY掃描器之后并輸出具有受控制的第一和第二特性的光束。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器和所述第二光束控制器都位于所述XY 掃描器之前。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器和所述第二光束控制器都位于所述 XY掃描器之后。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器和所述第二光束控制器共享一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器位于所述XY掃描器之前或之后。在一些實(shí)施方式中,所述第一光束控制器和所述第二光束控制器共享光學(xué)兀件。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第三控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第四控制器塊。在一些實(shí)施方式中，所述第一和第三控制器塊以及所述第二和第四控制器塊中的至少一方共享光學(xué)元件。在一些實(shí)施方式中，所述第一多塊控制器為數(shù)值孔徑控制器，且所述第二多塊控制器為Z掃描器。在一些實(shí)施方式中，所述多塊Z掃描器的所述第三控制器塊被配置為以第一 Z掃描速度掃描所述焦斑的Z深度；且所述多塊Z掃描器的所述第四控制器塊被配置為以第二 Z掃描速度掃描所述焦斑的Z深度。在一些實(shí)施方式中，一種調(diào)節(jié)手術(shù)激光束的方法包括產(chǎn)生激光束；通過多功能光束調(diào)節(jié)器接收所述激光束；通過所述多功能光束調(diào)節(jié)器控制第一光束特性和第二光束特性；以及用XY掃描器沿XY橫斷方向掃描所述光束。在一些實(shí)施方式中，所述第一和所述第二光束特性為下列中的一個(gè)焦斑的Z深度、數(shù)值孔徑、像差量度以及光束直徑，其中所述像差量度為Strehl比率S、球面像差量度 a4Q、焦斑半徑rf和咖5波前誤差ω中的一個(gè)。在一些實(shí)施方式中，基本上獨(dú)立于對(duì)所述第二光束特性的控制而進(jìn)行對(duì)所述第一光束特性的控制。 在一些實(shí)施方式中，在所述XY掃描之前控制所述第一光束特性；且在所述XY掃描之后控制所述第二光束特性。在一些實(shí)施方式中，在所述XY掃描之前控制所述第一光束特性和所述第二光束
特性二者。在一些實(shí)施方式中，在所述XY掃描之后控制所述第一光束特性和所述第二光束
特性二者。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器位于所述XY掃描器之前或之后。在一些實(shí)施方式中，所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第三控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第四控制器塊。在一些實(shí)施方式中，所述第一多塊控制器為數(shù)值孔徑控制器，且所述第二多塊控制器為Z掃描器。


圖I不例了手術(shù)激光傳輸系統(tǒng)I ;圖2示例了高斯波前G和有像差的波前(aberrated wavefront) W ；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 Strehl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不例了具有兩個(gè)Z掃描器的激光傳輸系統(tǒng)I的實(shí)施方式；圖10示例了包含O、I或2個(gè)Z深度掃描器和O、I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(duì)應(yīng)光學(xué)數(shù)值孔徑ΝΑ_(ζ)；圖13A-B不例了第一擴(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I.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10_深度處的晶狀體的后面/后部。該5_或更大的深度掃描范圍或“Z掃描范圍”顯著寬于用于對(duì)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(duì)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5_，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(Iimbal 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(duì)。通過調(diào)整這些弓形切口的長(zhǎng)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(chǎng)直徑的更高功率成比例地增長(zhǎng)。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(shí)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(duì)準(zhǔn)，在一些情況下，相對(duì)于在眼的外科手術(shù)前的診斷期間所標(biāo)識(shí)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(jí)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(duì)意義上關(guān)于目標(biāo)組織中的目標(biāo)位置和在相對(duì)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(jí))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)值孔徑的典型圍可包括大于O. 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(cè)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 I. 0-1. I微米的帶中的波長(zhǎng)處操作、觀測(cè)光束處在O. 4-0. 7微米的可見帶中操作，成像光束在O. 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(duì)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(duì)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I示例了激光傳輸系統(tǒng)I。在對(duì)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(cè)系統(tǒng)與圖I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(duì)虹膜的中心的標(biāo)識(shí)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(shí)別并分析二維空間中的特征，缺乏深度信息，這是因?yàn)閷?duì)角膜(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(cè)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(huì)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(duì)眼消球差。此外，患者在手術(shù)期間的移動(dòng)會(huì)引入附加的改變。這些改變會(huì)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(duì)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)I可以與在R. M. Kurtz, F. Raksi和M. Karavitis 的共同待審的申請(qǐng)序列號(hào)為12/205，844的美國專利申請(qǐng)中描述的成像系統(tǒng)組合，通過引用將該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容并入到本文中。該成像系統(tǒng)被配置為對(duì)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(jiǎn)化了對(duì)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)I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)I的掃描子系統(tǒng)。在所引用的共同待審的申請(qǐng)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(cè)用光學(xué)裝置組合來實(shí)施激光傳輸系統(tǒng)I。觀測(cè)用光學(xué)裝置可幫助手術(shù)激光的操作者觀測(cè)手術(shù)激光束的效果并響應(yīng)于觀測(cè)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(huì)導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)組織的任何破壞。觀測(cè)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)I的操作者。在圖I中，與成像系統(tǒng)和視覺觀測(cè)用光學(xué)裝置相關(guān)的光束可被耦合到激光傳輸系統(tǒng)I中(例如，通過分束器/分色鏡600)。本申請(qǐng)將不再廣泛討論激光傳輸系統(tǒng)I與成像、 觀測(cè)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(qǐng)12/205,844中廣泛討論的大量的這樣的組合都在本申請(qǐng)的總范圍內(nèi)。圖I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。I.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I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I皮秒范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時(shí)間。該激光脈沖可具有在O. I微焦到1000微焦范圍內(nèi)、在其他實(shí)施例中在I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(zhǎng)可以在紅外或可見范圍。在一些實(shí)施例中，操作波長(zhǎng)可以在700nm-2微米范圍內(nèi)。在一些情況下，例如，在基于Yb或Nd的紅外激光器中，操作波長(zhǎng)可以在I. 0-1. I 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)I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)I的感測(cè)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。可以以各種順序進(jìn)行這些過程。可以將以每秒數(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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)量或基于與年齡相關(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(huì)聚到波前G的曲面中心處的點(diǎn)Pl。G也稱為高斯參考球。有像差的波前W偏離G并會(huì)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(duì)于未畸
變的參考球G的路徑的光程(optical length)表征:嫌=”翻2 ,其中，Iii為在像空間中
的介質(zhì)的折射率，002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(huì)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(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的系統(tǒng)，AW可以關(guān)于r和r’中的二重冪級(jí)數(shù)展開而被寫為
權(quán)利要求
1.一種眼科手術(shù)激光系統(tǒng),包括激光引擎，用于產(chǎn)生激光束；第一 Z掃描器，用于接收所產(chǎn)生的激光束，且沿所述激光系統(tǒng)的光軸在第一 Z間隔內(nèi)掃描所述激光系統(tǒng)的焦斑；XY掃描器，用于接收由所述第一 Z掃描器輸出的所述激光束，且沿基本上橫斷所述激光系統(tǒng)的光軸的方向掃描所述激光系統(tǒng)的所述焦斑；以及第二 Z掃描器，用于從所述XY掃描器接收掃描的激光束，且沿所述激光系統(tǒng)的光軸在第二 Z間隔內(nèi)掃描所述激光系統(tǒng)的所述焦斑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第一 Z掃描器被配置為使所述第一 Z間隔適合于角膜手術(shù)過程；且所述第二 Z掃描器被配置為使所述第二 Z間隔適合于前段手術(shù)過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第一 Z間隔的長(zhǎng)度在O. 05-1毫米的范圍內(nèi)；且所述第二 Z間隔的長(zhǎng)度大于I毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng),其中所述第一 Z間隔的長(zhǎng)度在1-5毫米的范圍內(nèi)；且所述第二 Z間隔的長(zhǎng)度大于5毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第一 Z間隔的長(zhǎng)度在O. 05-1毫米的范圍內(nèi)；且所述第一 Z掃描器被配置為在第一 Z掃描時(shí)間中在所述第一 Z間隔內(nèi)掃描所述焦斑, 其中，所述第一 Z掃描時(shí)間為在10-100納秒、100納秒-I毫秒、I毫秒-10毫秒、10毫秒-100 毫秒范圍中的一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第二 Z間隔的長(zhǎng)度大于5毫米；且所述第二 Z掃描器被配置為在第二 Z掃描時(shí)間中在所述第二 Z間隔內(nèi)掃描所述焦斑， 其中，所述第二 Z掃描時(shí)間為在10-100毫秒和100毫秒-I秒的范圍中。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第一 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于10%。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第二 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于10%。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第一 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于25%。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的眼科手術(shù)激光系統(tǒng)，其中所述第二 Z掃描器被配置為使所述系統(tǒng)的數(shù)值孔徑的改變量多于25%。
11.一種手術(shù)激光系統(tǒng)，包括激光引擎，用于產(chǎn)生激光束；多功能光束調(diào)節(jié)器，用于從所述激光引擎接收所述激光束，所述多功能光束控制器包括第一光束控制器；第二光束控制器；所述第一和第二控制器控制第一和第二光束特性；以及 XY控制器，用于在XY橫斷方向上掃描所述光束。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng)，其中，所述第一和第二光束特性為下列中的一個(gè) 焦斑的Z深度、數(shù)值孔徑、像差量度以及光束直徑，其中，所述像差量度為Strehl比率S、球面像差量度α4(ι、焦斑半徑波前誤差 ω中的一個(gè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng)，其中 所述第一光束特性能夠基本上獨(dú)立于所述第二光束特性而被控制。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng),其中所述第一光束控制器位于所述XY掃描器之前并輸出具有受控制的第一特性的光束；且所述第二光束控制器位于所述XY掃描器之后并輸出具有受控制的第一和第二特性的光束。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng),其中所述第一光束控制器和所述第二光束控制器都位于所述XY掃描器之前。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng)，其中所述第一光束控制器和所述第二光束控制器都位于所述XY掃描器之后。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng),其中所述第一光束控制器和所述第二光束控制器共享一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng)，其中所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器位于所述XY掃描器之前或之后。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的激光系統(tǒng)，其中所述第一光束控制器和所述第二光束控制器共享光學(xué)元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的激光系統(tǒng),其中所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第三控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第四控制器塊。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的激光系統(tǒng)，其中所述第一和第三控制器塊以及所述第二和第四控制器塊中的至少一方共享光學(xué)元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的激光系統(tǒng)，其中所述第一多塊控制器為數(shù)值孔徑控制器，且所述第二多塊控制器為Z掃描器。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的激光系統(tǒng)，其中所述多塊Z掃描器的所述第三控制器塊被配置為以第一 Z掃描速度掃描所述焦斑的Z深度；且所述多塊Z掃描器的所述第四控制器塊被配置為以第二 Z掃描速度掃描所述焦斑的Z 深度。
24.一種調(diào)節(jié)手術(shù)激光束的方法，所述方法包括產(chǎn)生激光束；通過多功能光束調(diào)節(jié)器接收所述激光束；通過所述多功能光束調(diào)節(jié)器控制第一光束特性和第二光束特性；以及用XY掃描器沿XY橫斷方向掃描所述光束。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中，所述第一和所述第二光束特性為下列中的一個(gè) 焦斑的Z深度、數(shù)值孔徑、像差量度以及光束直徑，其中，所述像差量度為Strehl比率S、球面像差量度α 4(|、焦斑半徑rf和RMS波前誤差 ω中的一個(gè)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中基本上獨(dú)立于對(duì)所述第二光束特性的控制而進(jìn)行對(duì)所述第一光束特性的控制。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中在所述XY掃描之前控制所述第一光束特性；且在所述XY掃描之后控制所述第二光束特性。
28.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中在所述XY掃描之前控制所述第一光束特性和所述第二光束特性二者。
29.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中在所述XY掃描之后控制所述第一光束特性和所述第二光束特性二者。
30.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器位于所述XY掃描器之前或之后。
31.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述第一光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第一控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第二控制器塊；且所述第二光束控制器為多塊控制器，其具有位于所述XY掃描器之前的第三控制器塊和位于所述XY掃描器之后的第四控制器塊。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述第一多塊控制器為數(shù)值孔徑控制器，且所述第二多塊控制器為Z掃描器。
全文摘要
一種眼科手術(shù)激光系統(tǒng)包括激光引擎，用于產(chǎn)生激光束；第一Z掃描器，用于接收所產(chǎn)生的激光束，且沿所述激光系統(tǒng)的光軸在第一Z間隔內(nèi)掃描所述激光系統(tǒng)的焦斑；XY掃描器，用于接收由所述第一Z掃描器輸出的所述激光束，且沿基本上橫斷所述激光系統(tǒng)的光軸的方向掃描所述激光系統(tǒng)的所述焦斑；以及第二Z掃描器，用于從所述XY掃描器接收掃描的激光束，且沿所述激光系統(tǒng)的光軸在第二Z間隔內(nèi)掃描所述激光系統(tǒng)的所述焦斑。
文檔編號(hào)A61N5/067GK102596124SQ201080043145
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:愛爾康藍(lán)斯克斯股份有限公司