用于眼科手术激光的具有多个扫描器的光学系统制作方法

F·拉克希, J·巴克

2012年7月18日

2010年7月21日

2009年7月29日

爱尔康蓝斯克斯股份有限公司

A61N5/067GK102596124SQ201080043145

扫描器 眼科 激光 手术 多个 用于 具有

1.一种眼科手术激光系统,包括激光引擎，用于产生激光束；第一 Z扫描器，用于接收所产生的激光束，且沿所述激光系统的光轴在第一 Z间隔内扫描所述激光系统的焦斑；XY扫描器，用于接收由所述第一 Z扫描器输出的所述激光束，且沿基本上横断所述激光系统的光轴的方向扫描所述激光系统的所述焦斑；以及第二 Z扫描器，用于从所述XY扫描器接收扫描的激光束，且沿所述激光系统的光轴在第二 Z间隔内扫描所述激光系统的所述焦斑2.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第一 Z扫描器被配置为使所述第一 Z间隔适合于角膜手术过程；且所述第二 Z扫描器被配置为使所述第二 Z间隔适合于前段手术过程3.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第一 Z间隔的长度在O. 05-1毫米的范围内；且所述第二 Z间隔的长度大于I毫米4.根据权利要求I的眼科手术激光系统,其中所述第一 Z间隔的长度在1-5毫米的范围内；且所述第二 Z间隔的长度大于5毫米5.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第一 Z间隔的长度在O. 05-1毫米的范围内；且所述第一 Z扫描器被配置为在第一 Z扫描时间中在所述第一 Z间隔内扫描所述焦斑, 其中，所述第一 Z扫描时间为在10-100纳秒、100纳秒-I毫秒、I毫秒-10毫秒、10毫秒-100 毫秒范围中的一个6.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第二 Z间隔的长度大于5毫米；且所述第二 Z扫描器被配置为在第二 Z扫描时间中在所述第二 Z间隔内扫描所述焦斑， 其中，所述第二 Z扫描时间为在10-100毫秒和100毫秒-I秒的范围中7.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第一 Z扫描器被配置为使所述系统的数值孔径的改变量多于10%8.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第二 Z扫描器被配置为使所述系统的数值孔径的改变量多于10%9.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第一 Z扫描器被配置为使所述系统的数值孔径的改变量多于25%10.根据权利要求I的眼科手术激光系统，其中所述第二 Z扫描器被配置为使所述系统的数值孔径的改变量多于25%11.一种手术激光系统，包括激光引擎，用于产生激光束；多功能光束调节器，用于从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横断方向上扫描所述光束12.根据权利要求11的激光系统，其中，所述第一和第二光束特性为下列中的一个 焦斑的Z深度、数值孔径、像差量度以及光束直径，其中，所述像差量度为Strehl比率S、球面像差量度α4(ι、焦斑半径波前误差 ω中的一个13.根据权利要求11的激光系统，其中 所述第一光束特性能够基本上独立于所述第二光束特性而被控制14.根据权利要求11的激光系统,其中所述第一光束控制器位于所述XY扫描器之前并输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扫描器之后并输出具有受控制的第一和第二特性的光束15.根据权利要求11的激光系统,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扫描器之前16.根据权利要求11的激光系统，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扫描器之后17.根据权利要求11的激光系统,其中所述第一光束控制器和所述第二光束控制器共享一个或多个光学元件18.根据权利要求11的激光系统，其中所述第一光束控制器为多块控制器，其具有位于所述XY扫描器之前的第一控制器块和位于所述XY扫描器之后的第二控制器块；且所述第二光束控制器位于所述XY扫描器之前或之后19.根据权利要求18的激光系统，其中所述第一光束控制器和所述第二光束控制器共享光学元件20.根据权利要求11的激光系统,其中所述第一光束控制器为多块控制器，其具有位于所述XY扫描器之前的第一控制器块和位于所述XY扫描器之后的第二控制器块；且所述第二光束控制器为多块控制器，其具有位于所述XY扫描器之前的第三控制器块和位于所述XY扫描器之后的第四控制器块21.根据权利要求20的激光系统，其中所述第一和第三控制器块以及所述第二和第四控制器块中的至少一方共享光学元件22.根据权利要求20的激光系统，其中所述第一多块控制器为数值孔径控制器，且所述第二多块控制器为Z扫描器23.根据权利要求20的激光系统，其中所述多块Z扫描器的所述第三控制器块被配置为以第一 Z扫描速度扫描所述焦斑的Z深度；且所述多块Z扫描器的所述第四控制器块被配置为以第二 Z扫描速度扫描所述焦斑的Z 深度24.一种调节手术激光束的方法，所述方法包括产生激光束；通过多功能光束调节器接收所述激光束；通过所述多功能光束调节器控制第一光束特性和第二光束特性；以及用XY扫描器沿XY横断方向扫描所述光束25.根据权利要求24的方法，其中，所述第一和所述第二光束特性为下列中的一个 焦斑的Z深度、数值孔径、像差量度以及光束直径，其中，所述像差量度为Strehl比率S、球面像差量度α 4(|、焦斑半径rf和RMS波前误差 ω中的一个26.根据权利要求24的方法，其中基本上独立于对所述第二光束特性的控制而进行对所述第一光束特性的控制27.根据权利要求24的方法，其中在所述XY扫描之前控制所述第一光束特性；且在所述XY扫描之后控制所述第二光束特性28.根据权利要求24的方法，其中在所述XY扫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.根据权利要求24的方法，其中在所述XY扫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.根据权利要求24的方法，其中所述第一光束控制器为多块控制器，其具有位于所述XY扫描器之前的第一控制器块和位于所述XY扫描器之后的第二控制器块；且所述第二光束控制器位于所述XY扫描器之前或之后31.根据权利要求24的方法，其中所述第一光束控制器为多块控制器，其具有位于所述XY扫描器之前的第一控制器块和位于所述XY扫描器之后的第二控制器块；且所述第二光束控制器为多块控制器，其具有位于所述XY扫描器之前的第三控制器块和位于所述XY扫描器之后的第四控制器块32.根据权利要求31的方法，其中所述第一多块控制器为数值孔径控制器，且所述第二多块控制器为Z扫描器

本发明涉及用于利用飞秒激光进行对眼的前段的手术的系统，更具体而言，涉及在扫描并将激光束聚焦到眼中的同时使激光束的光学畸变最小化的实施例

本发明的一些实施例包括用于利用飞秒激光脉冲在眼的晶状体中进行手术的系统一些整合的(integrated)实施例还能够进行角膜和晶状体手术过程这二者在眼的晶状体中进行眼科手术与在质上不同于角膜手术过程的要求相关当前描述的晶状体手术激光系统和角膜系统之间的主要区别包括I.飞秒激光脉冲将被可靠地产生高重复频率飞秒脉冲允许使用更小的每脉冲能量，这为系统的操作者提供更高的控制和精度然而，与在一些现有系统中使用的纳秒或皮秒脉冲相比，可靠地产生飞秒脉冲却是相当大的挑战2.手术激光束在传播穿过最大为5毫米的包括角膜和前房水腔的折射介质而正好到达手术目标(晶状体)时被显著地折射相比之下，用于角膜手术的激光束被聚焦在不足一毫米的深度处，因而在从手术系统进入角膜时基本上不被折射3.手术激光传输系统被配置为扫描整个手术区域,例如,从典型的5mm深度处的晶状体的前面/前部到在典型的10_深度处的晶状体的后面/后部该5_或更大的深度扫描范围或“Z扫描范围”显著宽于用于对角膜进行的手术的Imm深度的扫描范围典型地，手术光学装置(optics)，特别是这里使用的高数值孔径光学装置，被最优化为将激光束聚焦到特定的操作深度在角膜手术过程期间，Imm深度的扫描仅仅造成与最优操作深度的中度偏离(departure)相比之下，在晶状体手术时的从5到IOmm的扫描期间，系统被驱动远离固定的最优操作深度因此，晶状体手术激光传输系统采用更精细化的适应性光学装置以能够扫描晶状体手术所需的宽深度扫描范围4. 一些实施例被整合，以便被配置为对角膜和晶状体二者进行手术在这些整合的实施例中，深度扫描范围最大为IOmm而不是5_，这提出更难的挑战5.在诸如许多LASIK变异的角膜手术过程期间，垂直于光轴(“在XY面内”)扫描激光束在典型的过程中，XY扫描范围仅仅覆盖具有IOmm直径的角膜的中心部分然而， 在整合的手术系统中，还形成额外的切口一种类型的切口为进入切口(entry cut)，这为抽吸针和常规手术工具提供到眼内部的入口另一类型的切口为角膜缘松解切口(Iimbal relaxing incision, LRI),其包括恰好在血管弓(vascular arcade)前面的角膜缘部处的切口对通过调整这些弓形切口的长度、深度以及位置，可以诱导角膜像散的变化进入切口和LRI可以被设置在角膜的周边，典型地具有12mm的直径虽然将XY扫描直径从IOmm 增加到12mm与LASIK瓣的常规直径相比仅仅增加了 20%，但在这样的直径下将激光传输系统的离轴像差保持在控制之下是重大挑战，这是因为离轴像差与在焦平面处的场直径的更高功率成比例地增长6.晶状体激光手术过程需要来自精细成像系统的导引在一些成像系统中，角膜缘血管被标识以用作眼上的参考标记，以在手术时间期间校准眼的环转 (cyclo-rotational)对准，在一些情况下，相对于在眼的外科手术前的诊断期间所标识的参考坐标而进行该校准在手术区域周边选择的血管最不会受到手术的干扰，因而是最可靠的然而，被导引到这样的周边血管的成像系统要求成像光学对具有大于10mm(例如， 12mm)的半径的区域成像7.激光束在沿光学路径在眼内传播时会形成各种像差激光传输系统可以通过补偿这些像差而改善精度这些像差的附加方面为，像差依赖于光的频率，该事实称为“色差”补偿这些频率相关的像差增加了对系统的挑战补偿这些色差的难度随激光系统的激光束的带宽而增加应记得束的光谱带宽与脉宽成反比因此，飞秒脉冲的带宽通常比皮秒脉冲的带宽大一个量级或更多，这使得在飞秒激光系统中的更好的色度补偿(chromatic compensation)成为必要8.使用高重复频率的飞秒激光手术系统的手术过程要求在绝对意义上关于目标组织中的目标位置和在相对意义上关于之前的脉冲来定位每个脉冲时的高精度例如，要求激光系统在脉冲之间的时间(其可具有微秒量级)内以仅仅数微米(a few microns)来重新导引光束由于两个后续脉冲之间的时间短且脉冲定位(placement)的精确度要求高，因此在现有低重复频率的晶状体手术系统中使用的手动瞄准(targeting)不再是合适的或可行的9.激光传输系统被配置为通过折射介质将飞秒激光脉冲传输到眼的晶状体的整个手术体积中且保持其时间、光谱以及空间完整性10.为了确保仅仅在手术区域中的组织接收具有足够高的能量密度的激光束以产生手术效果(例如，组织切除)，激光传输系统具有异乎寻常地高的数值孔径(NA)该高NA 导致小的斑点尺寸(spot size)并为手术过程提供必要的控制和精度数值孔径的典型围可包括大于O. 3的NA值，这产生3微米或更小的斑点尺寸11.给定用于晶状体手术的激光的光学路径的复杂性，激光传输系统通过包括高性能计算机管理的成像系统而实现高精度和控制，而角膜手术系统在没有这样的成像系统或具有低水平的成像系统的情况下就可以实现令人满意的控制特别地，该系统的手术和成像功能、以及常规观测光束通常都在不同的谱带中操作作为实例，手术激光器可在 I. 0-1. I微米的带中的波长处操作、观测光束处在O. 4-0. 7微米的可见带中操作，成像光束在O. 8-0. 9微米的带中操作在公共或共享的光学部件中组合光束路径对激光手术系统的光学装置提出了苛刻的色度要求差异1-11通过几个实例例证了 ⑴对晶状体(ii)利用飞秒脉冲进行的眼科激光手术引入了在质上与仅仅使用纳秒或皮秒激光脉冲的角膜手术和甚至晶状体手术不同的要求图I示例了激光传输系统I在对其进行详细描述之前，我们提及一些实施例将成像或观测系统与图I的激光传输系统组合在一些诸如LASIK处理的角膜手术过程中， 眼跟踪器凭借成像和图像处理算法通过诸如对虹膜的中心的标识的视觉线索来典型地在眼表面上建立眼的位置参考然而，现有的眼跟踪器识别并分析二维空间中的特征，缺乏深度信息，这是因为对角膜(眼的最外层)进行外科手术通常，角膜甚至被弄平以确保该表面真正为二维的当将激光束聚焦在深入眼内部的晶状体中时，情况非常不同不仅在先前的测量与手术之间，而且在手术期间，晶状体都可以在适应性调节(accommodation)期间改变其位置、形状、厚度和直径通过机械装置将眼附接到手术设备还会以不明确的方式改变眼的形状这样附接装置包括用吸环固定眼或者用平面或曲形透镜对眼消球差此外，患者在手术期间的移动会引入附加的改变这些改变会增加视觉线索在眼内的多达数微米的位移因此，当对眼的晶状体或其他内部部分进行精确的激光手术时，机械地参考和固定诸如角膜或缘的前表面的眼表面是不令人满意的为了解决该问题,激光传输系统I可以与在R. M. Kurtz, F. Raksi和M. Karavitis 的共同待审的申请序列号为12/205，844的美国专利申请中描述的成像系统组合，通过引用将该申请的全部内容并入到本文中该成像系统被配置为对手术区域的一部分成像以基于眼的内部特征建立三维位置参考这些图像可在手术之前产生并与手术过程并行地更新以考虑到个体的差异和改变该图像可被用于以高精度和控制将激光束安全地导引到希望的位置在一些实施方式中，成像系统可以为光学相干断层成像(OCT)系统该成像系统的成像束可以具有单独的成像光学路径或与手术光束部分地或完全地共享的光学路径具有部分地或完全地共享的光学路径的成像系统降低了成本并简化了对成像和手术系统的校准该成像系统还可以使用与激光传输系统I的激光器相同或不同的光源该成像系统还可以具有其自身的光束扫描子系统，或者可以利用激光传输系统I的扫描子系统在所引用的共同待审的申请中描述了这样的OCT系统的几种不同结构还可以与视觉观测用光学装置组合来实施激光传输系统I观测用光学装置可帮助手术激光的操作者观测手术激光束的效果并响应于观测结果来控制光束最后，在使用红外并由此不可见的手术激光束的一些实施例中，可以采用在可见频率下操作的附加的跟踪激光可见跟踪激光可以被实施为跟踪红外手术激光的路径跟踪激光可以在足够低的能量下操作以便不会导致对目标组织的任何破坏观测用光学装置可以被配置为将从目标组织反射的跟踪激光导引到激光传输系统I的操作者在图I中，与成像系统和视觉观测用光学装置相关的光束可被耦合到激光传输系统I中(例如，通过分束器/分色镜600)本申请将不再广泛讨论激光传输系统I与成像、 观测系统以及跟踪系统的各种组合在并入的美国专利申请12/205,844中广泛讨论的大量的这样的组合都在本申请的总范围内图I示例了激光传输系统1，其包括激光引擎100、预补偿器200、XY扫描器300、 第一扩束器块400、可移动扩束器块500、分束器/分色镜600、物镜700以及患者接口 800， 其中，第一扩束器块400和可移动扩束器块500将合称为Z扫描器450在下面的一些实施方式中，使用这样的规定Z轴为基本上沿激光束的光学路径的方向或沿光学元件的光轴的方向横断Z方向的方向称为XY方向在更宽泛的意义上使用术语“横断”以包括以下情况在一些实施方式中，横断方向和Z方向可以不严格垂直于彼此在一些实施方式中，可以关于径向坐标更好地描述横断方向由此，在所描述的实施方式中，术语“横断”、XY或径向方向表示类似的方向，全都近似(必要时精确地)垂直于 Z方向I.激光引擎100激光引擎100可包括以预定激光参数发送激光脉冲的激光器这些激光参数可包括在I飞秒到100皮秒范围内、或在10飞秒到10皮秒范围内、或在一些实施例中在100飞秒到I皮秒范围内的脉冲持续时间该激光脉冲可具有在O. I微焦到1000微焦范围内、在其他实施例中在I微焦到100微焦范围内的每脉冲能量脉冲可具有在IOkHz到IOOMHz 范围内、在其他实施例中在IOOkHz到IMHz范围内的重复频率其他实施例可具有落入这些范围限制的组合内的激光参数，例如，1-1000飞秒的脉冲持续时间的范围例如，在预操作过程期间或基于根据患者的诸如其年龄的特定数据的计算，在这些宽范围内选择用于特定过程的激光参数激光引擎100的实例可包括Nd玻璃和Nd = Yag激光器以及各种其他激光器激光引擎的操作波长可以在红外或可见范围在一些实施例中，操作波长可以在700nm-2微米范围内在一些情况下，例如，在基于Yb或Nd的红外激光器中，操作波长可以在I. 0-1. I 微米范围内在一些实施方式中，激光脉冲的激光参数可以是可调整的和可变的可以以短的切换时间调整激光参数，由此使手术激光传输系统I的操作者可以在复杂的手术期间改变激光参数可以响应于通过激光传输系统I的感测或成像子系统的读数(reading)来启动这样的参数改变可以执行其他参数改变，作为在激光传输系统首先用于第一手术过程且随后用于不同的第二手术过程的多步过程的一部分实例包括首先在眼的晶状体的区域中进行一个或多个手术步骤(例如，囊切手术步骤)，随后在眼的角膜区域中进行第二手术过程可以以各种顺序进行这些过程可以将以每秒数万到数十万次击发(shot)或更高的脉冲重复频率操作并具有相对低的每脉冲能量的高重复频率脉冲激光用于手术应用以获得特定的有益效果这样的激光使用相对低的每脉冲能量以使由激光诱导的光离解导致的组织影响局域化在一些实施例中，例如，可以将离解的组织的范围限制到数微米或数十微米该局域化的组织影响可改善激光手术的精度，并且在特定手术过程中是所希望的在这样的手术的各种实施方式中， 数百、数千或数百万个脉冲可被传输到连续的、近似连续的或通过受控的距离而分隔的斑点的序列这些实施方式可以实现特定的所希望的手术效果，例如，组织切开、分离或破碎可以通过各种方法选择脉冲参数和扫描图形例如，可以基于晶状体的光学或结构特性的术前测量而选择脉冲参数和扫描图形同样可基于晶状体的光学或结构特性的术前测量或基于与年龄相关的算法来选择激光能量和斑点分隔2.预补偿器200图2示例了激光束的波前可以以几种不同方式并由于几个不同的原因而偏离理想特性这些偏离的大组称为像差像差(和其他波前畸变)使实际像点从理想的近轴高斯像点移位图2示例了通过出瞳(exit pupil)ExP引出的光的波前未畸变的球面波前 G从该瞳孔发射并会聚到波前G的曲面中心处的点PlG也称为高斯参考球有像差的波前W偏离G并会聚到不同的P2有像差的波前W的在点Ql处的像差AW可由相对于未畸