小光斑准分子激光治疗单纯近视的机理及应用.pdf

小光斑准分子激光治疗单纯近视的机理及应用3张运海1沈建新1廖文和1孙斌21(南京航空航天大学 机电学院,南京210016)2(苏州大学 附属儿童医院,苏州215003)摘要在准分子激光治疗近视的手术中,角膜修正量的精确描述和激光实现方法是重点和难点问题,它直接决定了手术的效果。本文针对单纯近视情况,提出了一种角膜修正量模型,给出了其数学形式,在此基础上,设计了一种用小光斑准分子激光实现该修正量的方法。基于这种激光修正角膜矫正近视的原理,我们研制的准分子激光眼科治疗仪实现了治疗近视。目前该治疗仪已经用于临床。39例单纯近视眼睛在接受用该治疗仪做的LA SIK手术后,眼屈光状况显著改善。术前平均球镜度为:-5.572.95 D,平均裸眼视力为:0.120.07;术后一天平均球镜度为:-0.030.57 D,平均裸眼视力为:0.900.29;术后一个月平均球镜度为:-0.680.98 D,平均裸眼视力为:1.00.26。关键词角膜近视准分子激光原位角膜磨镶术数学模型TheM echan ism and Application of the Correction for SphericalM yopia Using Small Beam Exci mer LaserZhang Yunha i1Shen Jianxin1L iaoW enhe1Sun Bin21(College of M echanical&E lectrical Engineering,N anjing U niversity of A eronautics and A stronautics,N anjing210016,China)2(T he Childrens H osp ital of S uzhou U niversity,S uzhou215003,China)AbstractIn the laser ablation refractive surgeries,the corneal ablation model and its realization by laser aredifficult to design.They greatly affect the results of those surgeries.This paper firstly presents a mathematicalmodel for corneal ablation to correct the refractive error of sphericalmyopia,and then gives a technique of planninglaser focus positions on cornea to realize the ablation model.Based on the principle of the correction for sphericalmyopia using small beam laser,our exci mer laser corneal surgery system has been able to perform such refractivesurgery.Now the corneal surgery system has been applied to clinical practice.Thirty2nine eyes w ith sphericalmyopia underwent LA SIK using this kind of system.Their refractive states have been greatly i mproved.Preoperatively,the mean sphere was-5.572.95D and the mean uncorrected visual acuity 0.120.07.One dayafter surgery,the mean sphere was-0.030.57D and the mean uncorrected visual acuity 0.900.29.Onemonth after surgery,the mean sphere was-0.680.98D,and the mean uncorrected visual acuity 1.00.26.Key wordsCorneaM yopiaL aser in situ keratom ileusis(LA SIK)M athematicalmodel1引言近视是日常生活中常见的眼屈光性疾病,单纯近视在近视眼中占有较大的比例。目前用准分子激光治疗近视已得到了普遍的认同,手术具有较高的有效性和安全性1。手术的类型主要有:准分子激光3“十五”国家计委产业化资助项目(计产业20021329号);江苏省十五高技术计划资助项目(GB2002012)通讯作者。E2mail:原位角膜磨镶术LA SIK(L aser in situ keratom il2eusis)和 准 分 子 激 光 屈 光 性 角 膜 切 削 术PRK(Photorefractive keratectomy)。手术中的难点问题是定量地计算角膜的修正量和激光对修正量的实现方法。中国科学院安徽光机所提出了一种角膜修正量模型,并采用大光斑掩模法实现了治疗近视2。国外学者对此也做了较多的研究,N agy等3引入了眼波前像差技术治疗近视和近视散光,并采用光斑直径为1.8 mm的激光对角膜进行飞点扫描切削;L ieberman等4采用NURBS曲面对角膜进行建生物医学工程学杂志J Biomed Eng2005;22(2)355359 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/模,并用大光斑激光治疗了近视。我们针对单纯近视情况提出了一种角膜修正量模型,并研制了用光斑直径为1.2 mm的准分子激光实现该修正量的方法。基于这种激光修正角膜矫正近视的原理,我们研制的准分子激光眼科治疗仪实现了治疗近视。目前该眼科治疗仪已经应用于临床。2角膜修正量的数学描述2.1角膜修正原理根据Gullstrand设计眼模型及光学常数可知眼球的总屈光力是+58.64D,而角膜的屈光力为+43105 D,占总屈光力的70%,其中角膜前表面的屈光力是+48103 D,后表面的屈光力是-5188 D,角膜组织的屈光力是+011 D,由此可见,眼球的屈光力主要决定于角膜,而角膜的屈光力主要决定于其前表面的屈光力,因此改变角膜前表面的曲率半径以矫正眼球的屈光力是可行且有效的5。近视时眼屈光系统对光线的汇聚能力过强,使得平行光线经过角膜,晶状体,玻璃体后不能聚焦在视网膜上,而是在视网膜之前。对近视眼来说,应将角膜表面修正得平坦些,从而减小角膜表面的屈光力,使平行光线重新聚焦在视网膜上6。图1是近视矫正原理示意图。激光切削后,角膜表 面变平,曲率半径增加。图1中,部分球面PAQCB和PAQCB1分别表示手术前后术区范围内的角膜表面,两者的曲率半径分别记为Ri和Rf。图1角膜修正示意图Fig 1The correction model for sphericalmyopia角膜修正量可以表示为:Z(x,y)=R2i-x2-y2-R2f-x2-y2+c(1)上式:Ri为修正前角膜表面的曲率半径,Rf为修正后角膜表面的曲率半径;C为一个常数。修正区域为一个圆形区域,其直径PQ或AC通常取为6.5 mm,可根据病人的角膜厚度和近视的度数等做些调整,使得术后留有安全的剩余角膜厚度。将该直径用2r表示,则c可由边界条件求出:c=R2f-r2-R2i-r2(2)可以看出在(0,0)点处,角膜的修正深度最大,其值为:Hm ax=Ri-Rf+R2f-r2-R2i-r2(3)2.2修正量公式中的参数确定方法为了确定角膜修正量公式(1)中Ri和Rf,术前应检查出眼的屈光状态,用静态检影法或主觉插片法测量出患眼的矫正镜片值(球镜度Dsph和散光度Dcyl),单纯近视时Dcyl=0D。尚需用角膜地形图仪测量出患眼的角膜屈光度平均值K(用Dk表示),它能够精确分析角膜表面95%的屈光度状况,对角膜中央8.0 mm范围内测量精度达00.07 D7。Dsph相当于普通眼镜的屈光度,需将其转换为人眼上的屈光不正度Dsphc(相当于角膜接触镜的度数)8:Dsphc=Dsph?(1-dDsph)(4)式中:d为配戴的镜片和眼睛之间的距离(单位为m,国人一般约为01012m);Dsph、Dsphc的单位均为D,Dsph为负数形式。在测量得到了Dk和计算出Dsphc后,Ri和Rf可下列两式计算:Ri=10003(n-1)Dk(5)Rf=10003(n-1)(Dk+Dsphc)(6)上两式中:n为角膜折射率,通常取为1.376;1为空气的折射率;Ri、Rf的单位为mm。这样就可以用公式(1)计算角膜上每一点的切削深度。3准分子激光实现角膜修正量的方法在眼屈光性手术中大都采用波长为193 nm的氩氟(A rF)准分子激光,这种激光具有很高的光子能量(6.4 eV),而人眼角膜组织中肽键与碳链分子键的结合能量仅为3.4 eV,在这些光子的冲击下,分子内部的化学键被打断,导致角膜组织碎裂飞出而达到消融的目的。193 nm的A rF准分子激光能653生 物 医 学 工 程 学 杂 志第22卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/被角膜很好地吸收,它与角膜发生的是光蚀除作用,几乎不产生热损伤,这使得193 nm的A rF准分子激光很适合做角膜手术。参见图1,角膜修正量呈中心最厚(修正深度为Hmax),越向修正区域边缘靠近,修正深度越小,可以用中心的修正深度Hmax将角膜修正量分为多层来实现,每一层的厚度为一个定值,也就是说对角膜进行一层一层切削,角膜上从上向下各层的切削区域依次增大。把角膜修正量分为Nmax层,将最上面一层记为第Nmax层,最下面一层记为第1层,从上往下各层的编号依次递减。将角膜上每一层的切削厚度定为210m,这样可以通过最大修正深度Hmax计算出激光对角膜的最大切削层数:Nm ax=Hm ax?d(7)式中:d为激光对角膜单层切削深度,此处为210m。在实现角膜修正量时采用的是小光斑准分子激光,光斑直径为1.2mm。通过调整激光脉冲的能量可以使单个脉冲对角膜的消融深度达到0.22m。激光脉冲作用在角膜上一层内的位置如图2时,可以使得角膜上每一层的消融深度达到约2.0m。图2激光脉冲在一层内的分布状况Fig 2The distribution of laser focus positions in one ablation layer图2中ABCD是一个比角膜修正区域略大的矩形区域,中心点在坐标原点O(修正区域的中心),边长a对于各层来说在略大于修正区域直径2r的范围内随机取值;圆形区域是该层的切削区域(不必求出),对于不同的层大小是不同的;代表单个激光脉冲作用在角膜上的位置;从ABCD的左边到右边上边到下边作间距为0.4 mm的等距线,可得到图中的网格交点,由于a可能不是0.4的整数倍,图中的网格交点关于x轴和y轴不一定对称。确定激光脉冲在修正量某一层中的位置时,对图中的每个网格交点,用公式(1)计算该点的修正深度 z(x,y)。假定这是在第n层扫描,判断:1000(x,y)-2.0n0是否成立,若成立则记下该网格点的位置坐标,它就是一个激光脉冲作用在角膜上的位置坐标,不成立,则不记录。这样就计算出了该层内需要发射激光的点的位置坐标。准分子激光眼科治疗仪中有两个很关键的部件:x扫描器和y扫描器。这两个扫描器的移动位置控制了激光脉冲作用在角膜上的位置。在计算完所有激光脉冲作用在角膜上的位置坐标后,用位置坐标(x,y)分别控制x扫描器和y扫描器的运动,由它们的运动来控制激光束打在角膜上的相应位置。这样就实现了对角膜的精确切削。4临床应用结果文中激光修正角膜矫正近视的原理用在了我们研制的准分子激光眼科治疗仪上。通过采用不同的角膜修正方法,该治疗仪也能矫正其他的眼屈光不正情况,如散光、远视、散光同近视或远视的复合情况。另外,该治疗仪既能做PRK手术也能做LA SIK手术,目前它已经用于临床。治疗仪的主要参数为:激光波长193 nm;单束激光脉冲持续时间8 ns;扫描频率最高可达200 Hz,一般选120 Hz;激光光斑直径1.2 mm;术区直径为6.5 mm,可调整。在河南省安阳市,39例单纯近视眼睛在用了我们的准分子激光眼科治疗仪矫正后,眼屈光情况显著改善。这些眼睛接受的是LA SIK手术。术前检查为:常规裂隙灯及眼底检查、散瞳后检影及电脑验光、测量角膜地形图、超声角膜厚度测量、眼压检查、获得最佳矫正视力。手术过程:按常规洗眼、消毒、角结膜表麻。颞侧角膜上皮划痕作角膜瓣定位标记,启动自动微型板层角膜刀,在角膜中央切削直径8.0mm的带蒂板层角膜瓣。将角膜瓣翻转,暴露角膜基质后,用准分子激光进行切削,切削后用平衡盐液冲洗切面,再将角膜瓣复位,不作缝合。术后1 d及1月分别检查了屈光状态(散瞳后电脑验光及裸眼视力检查)。图3反映了术前、术后1 d和术后1月的球镜度。术前球镜度平均为-51572.95 D,48.7%的眼睛球镜度-5 D,7414%的眼睛球镜度-315 D;术后第1 d平均为-01030.57D,97.4%的眼睛球镜度在-110+753第2期张运海等。小光斑准分子激光治疗单纯近视的机理及应用 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/110 D之间,61.5%的眼睛球镜度在-015+015D之间,所有眼睛球镜度在-115+110 D之间;术后一月平均为-01680198 D,8211%的眼睛球镜度在-110+110 D之间,53.8%的眼睛球镜度在-015+015 D之间。图3术前、术后1 d及1月的球镜度o:术前球镜度;:术后1 d的球镜度;3:术后1月的球镜度Fig 3Sphere before LASIK,one day and one month after the surgeryo:The sphere determ ined before surgery;:The sphere determ ined one day after surgery;3:The sphere determ ined one month after surgery图4反映了术前、术后1 d和术后1月的裸眼视力。术前裸眼视力平均为0.120.07,94.9%的眼睛裸眼视力0.2;术后第1 d的裸眼视力平均为0.900.29,74.4%的眼睛裸眼视力0.8,术后20.5%的眼睛裸眼视力1.2;术后1月的裸眼视力平均为1.00.26,84.6%的眼睛裸眼视力0.8,33.3%的眼睛裸眼视力1.2。图4术前、术后1 d及1月的裸眼视力o:术前裸眼视力;:术后1 d的裸眼视力;3:术后1月的裸眼视力Fig 4Uncorrected visual acuity before LASIK,one day and one month after the surgeryo:U ncorrected visual acuity before surgery;:U ncorrected visual acuity one day after surgery;3:U ncorrected visual acuity one month aftersurgery853生 物 医 学 工 程 学 杂 志第22卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/手术后带来了少量的散光。术后第1 d散光度平均为-0.340.65 D,94.9%的眼睛散光度在-110+1.0 D之间,5.1%的眼睛散光度在-115-110 D之间。单纯近视术后产生散光与角膜损伤修复、切削偏中心、角膜瓣移位等因素有关9。术后1个月内,球镜度有些回退。术前近视程度越高(图3中术前球镜度越靠近图形下方的眼睛),回退越明显,但出现这种回退是很常见的10。由于术后不少眼睛有轻微的远视,屈光回退使得裸眼视力有所提高。5结论本文针对单纯近视情况提出了一种角膜修正量模型,并给出了用小光斑准分子激光实现该修正量的方法。本文的激光修正角膜矫正近视的原理在临床应用中取得了较好的手术效果。39例单纯近视眼睛使用了文中修正量模型和激光实现方法指导的LA SIK手术,手术结果表明,术后第1 d同术前相比,散瞳后电脑验光中的球镜度大大地减退了,9714%的眼睛球镜度在-110+110 D之间;裸眼视力大大提高了,术后74.4%的眼睛裸眼视力018。术后1个月,球镜度有些减退,但裸眼视力有所提高,视力0.8的眼睛占84.6%。这说明,本文的角膜修正量模型具有较高的精确性,修正量的激光激光实现方法具有较高的有效性。参考文献1Zaldivar R,DavidorfJM,O scherowS.Laserinsitukeratom ileusis for myopia from-5.50 to-11.50 dioptersw ith astigmatism.Journal of Refractive Surgery,1998;14(1)192Jiang HH,Yu YS,Lu ZX,et al.The principle and controllingmethod of excimer laser photorefrect kerectectomy.ACTALaser Biology Sinica,1998;7(4)249 江海河,余吟山,陆志贤等.近视眼角膜切除术原理及控制方法.激光生物学报,1998;7(4)2493Nagy ZZ,Palgyi2DekI,Kelemen E,et al.W avefront2guided photorefractive keratectomy for myopia and myopicastigmatism.Journal of Refractive Surgery,2002;18(5)6154L ieberman DM,Grierson JW.A mathematicalmodel for laserin situ keratom ileusis and photorefractive keratectomy.Journalof Refractive Surgery,2000;16(2)1775Lu WX.Excimer laser refractive corneal surgery.Beijing:Scientific and Technical Document Publishing House,200057258陆文秀主编.准分子激光屈光性角膜手术学.北京:科学技术文献出版社,2000202576L iu L.Morden ocular refractive surgery.Beijing:PeooplesM 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