专利名称：用于眼科手术激光的具有可移动透镜的光学系统的制作方法本申请描述了用于在眼的前段内通过激光脉冲造成的光离解(photodisruption) 对晶状体进行激光手术的技术和系统的实例和实施例。用于去除晶状体的各种晶状体手术过程利用各种技术，以将晶状体破碎为可通过小切口从眼中取出的小碎片。这些过程使用人工设备、超声波、加热的流体或激光并倾向于具有显著的缺点，这些缺点包括需要用探头进入眼中以实现破碎，以及与这样的晶状体破碎技术相关的有限的精度。光离解激光技术可将激光脉冲传送到晶状体中以光学地破碎晶状体而无需探头的插入，因而可提供改善的晶状体取出的潜力。激光诱导的光离解已经被广泛用于激光眼科手术，且Nd:YAG激光已经常被用作激光源，包括通过激光诱导的光离解实现的晶状体破碎。一些现有系统利用具有数mj的脉冲能量的纳秒激光(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)，以及具有数十 μ J 的皮秒激光(A. Gwon 等人，Cataract Refract Surg. 21,282-286,1995)。这些相对长的脉冲将相对大量的能量提供到手术点，导致对精确度和对过程的控制的显著限制，同时产生了相对高程度的不想要的结果的风险。相似地，在角膜手术的相关领域，认识到通过使用数百(hundreds of)飞秒持续时间的脉冲替代纳秒和皮秒脉冲，可以实现更短的脉冲持续时间和更佳的聚焦。飞秒脉冲在每脉冲提供更少的能量，显著提高了精确度和过程的安全性。目前多家公司将用于角膜眼科手术(例如，LASIK瓣(flap)和角膜移植)的飞秒激光技术商业化。这些公司包括美国htralase Corp. /Advanced Medical Optics、德国 20/10Perfect Vision Optische GerMte GmbH、德国 Carl Zeiss Meditec，Inc.以及瑞士 Ziemer Ophthalmic Systems AG。然而，根据角膜手术的要求设计这些系统。关键地，激光聚焦的深度范围典型地小于约1mm，即，角膜的厚度。因此，这些设计不能提供解决方案以用于在眼的晶状体上进行手术的重大挑战。
简要地且概括地，一种眼手术激光系统包括激光源，用于产生激光束；XY扫描器，用于沿基本上横断所述激光系统的光轴的XY方向扫描所接收的激光束的焦斑；以及透镜组，其被设置在所述激光源与所述XY扫描器之间的光学路径中，用于接收由所述激光源产生的所述激光束，预补偿所述激光束的像差，且将经预补偿的激光束导引到所述XY扫描器，其中，所述透镜组具有在沿光轴的Z方向上可移动的可移动透镜。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜能够在Z移动范围中移动，以使所述激光系统的所述焦斑在ζ扫描范围内沿光轴移动，所述Z扫描范围的长度在0. 3-4 毫米的范围内。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜能够在Z移动范围中移动，以使所述激光系统的所述焦斑在ζ扫描范围内沿光轴移动，所述Z扫描范围的长度在0. 5-2 毫米的范围内。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜能够移动到其中所述激光系统的Mrehl比率S高于值SOiiovable)的位置，至少在沿所述可移动透镜的Z移动范围的一个点处所述激光系统的Strehl比率S低于S (movable)，其中，S (movable)为0. 6,0. 7,0. 8 和0. 9中的一个。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜能够在Z移动范围中移动以使所述激光系统的Mrehl比率S在S(min)到S(max)的范围中变化，其中，S(min) = 0. 6且 S (max) = 0. 95。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜能够在Z移动范围中移动以使所述激光系统的Mrehl比率S在S(min)到S(max)的范围中变化，其中，S(min) = 0. 7且 S (max) = 0. 95。在一些实施方式中，所述Mrehl比率S对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中，相对于位于(0，0)处的所述目标区域的前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(Z，r)而被确定为Pl = (0,0), P2 = (2,6), P3 = (5,0), P4 = (8， 0)、P5= (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角Φ。在一些实施方式中，所述XY扫描器被配置为使所述激光系统的所述焦斑在目标区域中以XY扫描速度在所述XY方向上移动；且所述透镜组和所述可移动透镜被配置为使所述激光束的所述焦斑在目标区域中以Z扫描速度在Z方向上移动，其中所述Z扫描速度与最大XY扫描速度的比率大于扫描速度比率，其中，所述扫描速度比率为5%、10%和20% 中的一个。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜被配置为使所述激光系统的所述焦斑在Z扫描时间内在所述Z方向上移动0. 5-1毫米，其中，所述Z扫描时间为在10-100 纳秒、100纳秒-1毫秒、1-10毫秒以及10-100毫秒范围的一个。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜能够在Z移动范围中移动以使第一像差量度减小，减小的百分比至少为可移动百分比P(Hiovable)，其中所述第一像差量度为球面像差系数a4(l、RMS波前误差ω和焦斑半径rf中的一个；且所述可移动百分比 P(movable)为 10%、20%、30%和 40%中的一个。在一些实施方式中，所述透镜组的所述可移动透镜能够在Z移动范围中移动以使第二像差量度增加，增加的百分比至少为可移动百分比POiiovable)，其中所述第二像差量度为Mrehl比率S ；且所述可移动百分比P (movable)为10%、20%、30%和40%中的一个。在一些实施方式中，所述激光系统的特性包括所述激光系统的数值孔径、焦斑深度、像差量度以及光束直径，其中，所述可移动透镜和所述透镜组被配置为能够基本上独立于所述激光系统的三个特性而改变所述激光系统的特性中的其他一个特性。在一些实施方式中，第二可移动透镜，所述激光系统的特性包括所述激光系统的数值孔径、焦斑深度、像差量度以及光束直径，其中，所述第一和第二可移动透镜被配置为能够基本上独立于所述激光系统的两个特性而改变所述特性中的其他两个特性。在一些实施方式中，所述透镜组包括一个到五个透镜。在一些实施方式中，所述光学块包括三个透镜，这三个透镜具有在Dl * α * tl、 D2 * α *t2以及D3* α * t3范围内的折光力且以距离dl/α以及d2/α分离，其中， Dl在-3mm到_5mm的范围内，D2在3mm到5mm的范围内，且D3在-3. 5mm到_6mm的范围内；dl在60mm到IOOmm的范围内，且d2在3mm到9mm的范围内，其中dl和d2中的至少一个是可变距离；α在0. 3到3的范围内；且tl、t2和t3在0. 8到1. 2的范围内。在一些实施方式中，所述光学块包括四个透镜，这四个透镜具有在Dl * α * tl、 D2* α *t2、D3* α * t3以及D4 * α * t4范围内的折光力且以距离dl/α、d2/α 以及d3/a分离，其中，Dl在-15mm到-20mm的范围内，D2在-5mm到_8mm的范围内，D3 在-25mm到-35mm的范围内，且D4在7mm到IOmm的范围内；dl在IOOmm到130mm的范围内，d2在32mm到41mm的范围内，且d3在33mm到45mm的范围内，其中dl、d2和d3中的至少一个是可变距离；α在0. 2到5的范围内；且tl、t2、t3和t4在0. 7到1. 3的范围内。一种双扫描手术激光系统包括激光源，用于产生激光束；Z扫描器，用于从所述激光源接收所述激光束，所述Z扫描器包括可移动的Z光学元件，所述可移动的Z光学元件用于控制所述激光系统的焦斑以Z扫描速度在目标区域中的Z深度；以及XY扫描器，用于从所述Z扫描器接收所述激光束，所述XY扫描器包括可移动的XY光学元件，所述可移动的XY光学元件用于控制所述激光系统的焦斑以XY扫描速度在所述目标区域中的XY横断位置；其中所述焦斑的位置能够沿所述Z方向和所述XY方向同时移动以扫描出弯曲的 (curved)目标线；所述弯曲的目标线的半径的Z分量小于1、10和30毫米中的一个；且所述XY扫描速度在焦平面处大于0. 1米每秒。在一些实施方式中，所述Z可移动元件被配置为以Z扫描速度扫描所述焦斑的Z 深度；且所述XY可移动元件被配置为以XY扫描速度扫描所述焦斑的所述XY横断位置，其中，所述Z扫描速度与最大XY扫描速度的比率为5 %、10 %以及20 %中的一个。在一些实施方式中，所述Z扫描器被配置为在Z扫描时间中将所述焦斑的所述Z 深度移动0. 5毫米与1毫米之间的距离，其中，所述Z扫描时间为在10-100纳秒、100纳秒-1毫秒、1-10毫秒以及10-100毫秒范围中的一个。一种眼手术方法，包括以下步骤产生手术激光束；将所述激光束接收到光束调节器中；通过使可移动透镜在所述光束调节器中移动而基本上独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个，其中，所述激光系统的特性包括所述激光系统的数值孔径、焦斑Z深度、像差量度以及光束直径；将控制后的光束从所述光束调节器输出到XY 扫描器；以及通过所述XY扫描器在目标区域中扫描所述焦斑的XY位置。在一些实施方式中，所述控制步骤包括控制所述激光束的所述焦斑以Z扫描速度在所述目标区域中的Z深度；且所述扫描步骤包括以XY扫描速度扫描所述焦斑的所述XY位置，其中，所述Z扫描速度与最大XY扫描速度的比率为5%、10%和20%中的一个。 图1示例了手术激光传输系统1 ；图2示例了高斯波前G和有像差的波前(aberrated wavefront)ff ；图3A-B示例了在最优和扫描焦平面处的光线；图3C示例了焦斑半径的定义；图4示例了 Mrehl比率S与RMS波前误差ω之间的关系；图5示例了眼科手术的参考点；图6Α-Β概念性地示例了预补偿器200的操作；图7Α-Β示例了有效Z扫描功能的各种应用；图8A-D示例了预补偿器200的实施方式；图9示例了具有两个Z扫描器的激光传输系统1的实施方式；图10示例了包含0、1或2个Z深度扫描器和0、1或2个NA修改器的配置的表；图IlA-C示例了具有2、3和4个扫描反射镜的XY扫描器；图12A-D示例了作为数值孔径的函数的像差以及作为Z焦深(focal depth)的函数的对应光学数值孔径NA。pt(z)；图13A-B示例了第一扩束器块400和可移动扩束器块500的两个设置；图14示例了 Z扫描器450的中间(intermediate)焦平面；图15示例了物镜700的实施方式；图16示例了目标区域中的弯曲焦平面；图17示例了 XY扫描器倾斜角的列线图(nomogram)；图18示例了可移动扩束器位置的列线图；以及图19示例了计算控制方法的步骤。
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1的操作者。在图1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1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1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1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。1.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1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1皮秒范围内的脉冲持续时间。该激光脉冲可具有在0.1微焦到1000微焦范围内、在其他实施例中在1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％或而的红外激光器中，操作波长可以在1.0-1. 1 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1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1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參数和扫描图形。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參数和扫描图形。同样可基于晶状体的光学或结构特性的术前測量或基干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PI。G也称为高斯參考球。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可由相对于未畸变的參考球G的路径的光程(optical length)表征= η^ ^，其中，Iii为在像空间中的介质的折射率，为点Ql与Q2之间的距离。通常，像差AW依赖于在出瞳处以及焦平面处的坐标。因此，该像差AW还可被认
为是相关函数该函数表示其像会聚到从光轴上的Pl移动r’后的P2的点的集合位于表面
W上，该表面W在出瞳ExP处的径向距离r处从參考球G偏离了 AW的量。对于旋转对称的
系统，AW可以关于r和r’中的二重幂级数展开而被写为


一种眼手术激光系统包括激光源，用于产生激光束；XY扫描器，用于沿基本上横断所述激光系统的光轴的XY方向扫描所接收的激光束的焦斑；以及透镜组，其被设置在所述激光源与所述XY扫描器之间的光学路径中，用于接收由所述激光源产生的所述激光束，预补偿所述激光束的像差，且将经预补偿的激光束导引到所述XY扫描器，其中，所述透镜组具有在沿光轴的Z方向上可移动的可移动透镜。