准分子激光切削角膜机理及其应用木.pdf

第 2 3卷第 1 期 2 0 0 3年 2月 应 用 激 光 APPLl ED LAsER Vo 1 2 3，No 1 F eb r ua r y 20 03 准分 子激光切 削角膜机理及 其应 用 木 沈建新 林振能 廖文和(南京航空航天大学机电学院 南京 2 1 0 0 1 6)提要本文研究了准分子激光屈光手术的原理、切削机理、角膜切削方式 的选择、准分子激光切削量与能量密 度的 关系、。飞点扫描”技术。并在此基础上研制了准分子激光眼科治疗机，经过临床应用，取得 了满意的手术效果。关键词准分子激光 飞点扫描 角膜切削 M e c h a n i s m o f a c ti o n o f Ex c i me r La s e r Co r n e a l S u r g e r y a n d Ap p l i c a t i o n S h e n j i a n x i n L i n Z h e n n e n g I A a o w e n h e (N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n d A s t r o nau t s Na n j i n g 2 1 0 0 1 6)Ab s t r a c t T h e p a p e r d i s c u s s e d t h e p r i n c i p l e s o f P R K(P h o t o r e f mc t i v e K e mt e c t o my)a n d L A S I K(L a s e r i ns i t u k e r a t o m i l e u s i s)，m e c h a n i s m of a c t i o n of e x c i me r l a s e r o n c o r n e a，mo d e o f l ase r d e l i v e r y t o t h e c o n l e a，r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e a b l a t i o n l a t e a n d the e n e r g y of the e x c i me r l a s e r an d the“fl y i n gs p o t”s c a n n i n g t e c h n o l o g y Th e u l t s of t h i s p a pe r h a v e be e n a p p l i e d t o o p h tha l mi c e x c i me r l a s e r s y s t e m Du r i n g c l i nic p r a c t i c e，i t h a s a c h i e v e d s a t i s fi ed o u t c o me s Ke y wo r ds Ex c i me r L a s e r n y i n s s p o t S c a n n i n g c o r n e a a b l a ti o n 近几十年来，人们不断地探索各种手术 的方 法治疗屈光不正。各种角膜屈 光手术 如角膜 放射 状切 开术(r a d i a l k e r a t e c t o m y，R K)、角膜磨 镶术(k e r a t o mi l e u s i s)、表 层 角 膜 镜 片术(e p i k e r a t o p h a-k i a)等相继应用于临床。然而，由于这些手术各 自都存在一些不足之处，使其应用受到限制。激 光 因其所 具有 的独特 生 物效 应，能 够 极其 精确 地 对角膜组 织进行 切削、热凝，改 变角 膜 的形状 及屈 光状态，因此成为眼科医生关 注的焦点。准分子 激光 治 疗 屈 光 不 正 的 有 效 性 和 安 全 性 被 证 实-3 J。用激光进 行 角膜 手 术 的机 理，国外 学 者对 此进 行 了一系列 的研究 J，国 内的首 都 医科 大 学、中国科学院上海光机所等单位也进行了广泛 的研究。本文在分析 了准分子激光屈光手术的原理，研究 了准分子激光的角膜切削机理，对角膜的切 削量与激光能量密度的关系进行 了定量的研究，对激 光在 角膜 上 的 消融 的叠 加“飞点 扫 描”技术 进行 了定性研究，这些研究 成果直接用于准分子 激光眼科治疗机，通过实验和临床验证，取得了满 意 的手术 效果。准分子 激光屈光手术的原理 眼的屈光系统可 以大致 看作为一套 复杂 的 由 多个光学元 件所构成 的同心共轴屈 光系统。光线 经过角膜 的前表面、角膜基质、角膜 后表面、房水、晶状体前 表面、晶状 体基 质 及核、晶状体 后 表 面、玻璃体 这样一 系列 的 屈光 介质 的屈 光作 用，才最 终 到达 视 网膜而成像。屈光不正(a me t r o p i a)是指 当眼球 在调节 松 弛 状态 下，来 自 5 m 以外 的平 行光线，经过 眼 的屈 光 系统 屈折后，不 能 聚焦在 视 网膜 上者 称 为屈 光 不 正，屈光不 正分 为 近视、远 视 和散 光三 大类，如 图 1所示。主要 原因是 由于 眼球 前后 径 过长、过短，或者 由于角膜 和晶体 的屈光力过 强或过弱所致，A 正视 B 远视 C 近 视 图 1 眼光线 聚 焦点示 意 图 I“十五”国家计委产业化项 目(计产业 2 0 0 2 1 3 2 9号)和江苏省十五高技术研究计划项 目(B G 2 0 0 2 0 1 2)资助 一41 维普资讯 http:/ 使从 远处 来 的平 行光线 进 入 眼 内经 过 屈光 介 质 聚焦后 的焦 点，位于视 网膜之前、之 后或 形成 多个 焦点，因而成像不清 J。角膜是 眼屈光 系统 的重要 组 成都 分，眼球 的 总屈光 力 是+5 8 6 4 D，而角 膜 的屈 光 力 为+4 3 0 5 D，角膜 的屈光 度 占整个 眼球屈 光度 的 3 4。改 变角膜前表 面的 曲率半径对 眼球 的屈光 度影 响很 大。因此 改变角膜前表面 的曲率半 径 以矫正 眼球 屈光力是一 种可行且有效 的方 法。并且 角膜前 表 面 的曲率 是 一个 较 容 易 被 操 纵 的可 变 参 数。例 如，将 角 膜 前 面 的曲率 半 径从 7 7 mm 增 加 到 8 7 mm，屈光 度可 以减少 5 6 D；如果 曲率 半 径从 7 7 mm减 少到 6 7 mm，屈光 度可 以增 加 7 3 D。A 矫正 近视 用准分子 激光 在角膜 表面或基 质 内进行 精确 的定量切 除，改变 角膜 的曲度，从而 改变术 眼 的屈 光状态，达到矫 治 屈 光不 正 的 目的。常用 氩氟 两 种气体混合产 生 的波长 为 1 9 3 n m紫外光 矫正屈光 不正，其原理是通过准分子激光光脉冲准确地击 中细胞 的分 子 键，每 脉 冲 蚀 除 约 0 2 u m 深 度，以 校正角膜前 表 面 的曲率，达到 重塑 角 膜弯 曲度 的 目的。例 如角膜 中 央部 分被 削 薄，可 以得 到 凹透 镜 的效果(治疗近视)(图 2一A)；周 边部被 削 薄，中央保 留，则可造成 凸透镜 的效果(治疗远 视)(图 2一B)；椭 圆 形 的切 割(治 疗 散 光)(图 2一 C)，均可 使 光线 聚 焦 于 视 网膜 上，而 重 获 清 晰 的“裸眼视力”。B 矫 正远 视 C 矫 正 散光 图2 角膜屈光矫正的三种主要类型 准分子激光进行角膜 切削机理 1 准 分 子 激 光 的 生物 效 应 激光 照射到角膜表 面后，可产生 四种反应：部 分激光 能量被角膜 直接 吸 收；部分 激光 被 角膜前 表 面反射；部分激 光 能量 透过 角膜 作用 于 眼 内组 织；部分激光 能量 被角 膜散 射。决 定激 光 以何种 方 式作 用 于 角膜，最关 键 的因 素是 激光 的波 长。这 是因为、不同波长 的激 光对 角膜 组 织 的生物 学 反应 完全不 向，产 生的效果也不 同。一般来 说，角 膜对 位于可见光谱 内 的激 光透 射率 很高 吸 收率 很低；对位 于红外 光 谱 区 内的激光 也 有较 高 的透 射率；而 中红外 和紫外 光谱 区内的激光，角膜 的透 射率 非常低，吸收率很高。因此，选择用于 屈光手 术 的激光时，首先 要 在这 两个 光谱 区 内研究。因 为这两个谱段 的激光 能量可大部分被 角膜组织 吸 收，产生应 有 的生物学反应、达到矫正 屈光 不正之 目的。当然除 了激 光 的波 长 之外，其 他 参数 如能 量、能量密度、脉宽、光斑直径和频率也 与激光对 角膜 的生物学效应 密切相关。利用光 化学效应切 除组织 的激光主要是准分 一4 2 一 子激光。这是一类具有高能量光子的紫外激光，波长大都在远紫外段。以 1 9 3 n m氩氟(A r F)准分 子激光为例，它 的每 个 光 子具 有 6 4 e V 的能 量，而生物组织 中分子 键维 持能量 仅 为 3 4 e v。在这 些光子 的冲击 下，分 子 内部 的化学键被打 断，断键 剩余 的光子 能量使靶 区组织 部位的分子碎片 以超 音 速 喷 射 出 来，从 而 实 现 切 除 组 织 的 目 的。1 9 3 n m波长 的远 紫外 线无 角 膜穿 透力，因此 对 眼 球 内部 的组 织没有任何 不 良副作用。2 准分 子激光进行 角膜切 削方式的选择 光斑直 径是指激光 光束 照射到组织表面 时的 直径 大小，它 与激 光 的能 量密 度密 切相关。在输 出能虽相 同的情 况下，光 斑直 径 的大小 与 激光 能 量 密度成反 比。因此 在角膜屈光手术 中选择 合适 的光斑直 径，对 于达 到 消融 的能 量密 度 和手术 的 成 功率也是至关重 要的 在用激光对 角膜 切 削 的发展过 程 中，根 据光 斑 直径 的不 同有二 种 切削模式：光斑式、扫 描式。传统准分子 激 光 是 以 6 mm 至 6 5 mm 的 大 光 斑(B r o a d B e a m)照射 方式，这 是 因为考 虑到 一般 角 维普资讯 http:/ 膜直径 为 l O至 1 2 mm，而 瞳孔在 放大缩 小 的范 围 为 3至 6 ram，所 以 6至 6 5 mm光斑足够 视力矫正 所需。此外激光发射过程 中，即使患者作轻微 的 上下 左右偏移转 动，也不会对矫 正结果有所 影响。但是光 斑式 的切削会 有 以下 的问题：第一是 中心 岛效应，准 分子 激光 脉 冲照 射 到 角膜表 面时产生的碎屑在反作用力的作用下以 I 一2 k m s的速度 飞离 角膜 表 面，高速 摄影 技 术 显 示 有类 似原子 弹爆 炸形成的蘑菇 云产生。在 涡流 作用下，光束边缘部分的颗粒迅速飞离照射区，而 中央部分 颗粒 则较难飞离，甚至被压 回角膜表面。这种 差别在光斑 直径大于 2 53 0 mm 时趋 于明 显，而在 2 0 mm 以下 时 几乎 不存 在。其 结 果，在 用较大 直径光 斑消融表 面组织 时中心部位远 比周 围切除 的少。这种现象称为 中央岛效应。第 二个问题是 角膜 混 浊，消融 表 面 的不平 整 及随之 引起 的修 复过程，是角 膜雾 状混 浊 的 主要 成 因，也是 回退 的原 因之一。大光 斑 治疗 方式 时 光束 的能量均匀性，无 论 是宏 观还 是微 观 上 的缺 陷，都会直 接影 响消融 表 面 的平 整 度。不 同直径 治疗光 束对角膜 表 面消融 时，在 光束 边缘 两侧 也 会因有无消融作用而形成消融台阶。努力改善光 束的能量均匀性及尽力消除消融台阶是大光斑治 疗 系统 的设计关键。对 于扫描 式系统，光束 中的能 量均 匀性 对 消 融 表面 的整体平 整性 影 响很小，扫 描算 法本 身也 必须着重考 虑能量分布 的均匀性。因此在 我们 的项 目研究 中，通过 比较，采用 飞 点扫描技 术。所谓 飞 点扫 描，是指 每个 激光 光 点 打到角 膜上 的位 置是 随机 抽取 的，但所 有光 点 迭 加 的结 果可使光点 在 角膜 上获得 理 想 的分 布，以 获得 完美 的光学抛面。高斯 光束的切削量与能量 密度的关 系 I 基模 高斯光束 的数 学描 述与 简化 现将沿 z 轴方 向传播 的基模 高斯 光束解 析表 达 式描述如下：A(r，Z)=e_ r 2 (z)e _ i j k(r 2 2 R(z)+z)轴 坐标 原点设 在光 束 的腰处。为 高斯 光 束 的腰斑 半径。式 中 R(z)，(z)分 别 表示 坐标 处高斯光束 的等相位面 曲率半 径及 等相位 面上的 光斑半 径。高斯 光束 在任一 轴 坐标 处，其横 向振 幅分 布为高斯分布，光斑半 径随坐标而变，即 厂=_ 一(I)(z)=0 I+(三)0 沿高斯光束轴线每一点处的等相位面都可以 视 为球 面，曲率半径也 随坐 标而变，R(z)=z。(z z。+z。z)；：t g z z。为高斯光束相位 因子。此公式完整 的描述 了基模高斯光斑 大小 的确 定方法，光斑 内各 点 的能量 密 度分布 与各 点 的相 位。在角膜 的切削 过程 中，高 斯光斑 内各点 的切 削量与能量密 度有 关，相 位部 分对角 膜 的切 削量 几乎不产 生任何 影 响。在 此，引 入基 模 高斯 光束 能量密度 表达式：E o(r)_E ；(2)其 中 一r 为脉宽，E为峰值能 量密度。目前，所有基 于小光斑飞点 扫描技术 的准 分 子激光治疗 仪 均采 用 固定 光斑大 小。对 此，给 定 z值，可进一步得 出基模高斯光束 能量 密度公 式：E 0(r)=E p e x p(一2 r r o )(3)2 单脉 冲条件 下 角膜切 削量的数 学描述 将 激光能量密度转 换为角膜 的切 削深度 n 0 J d：l n (4)乜 p h 其中 d为切削深度，单位(Ix m)，E。为人射激光能 量 密度，单 位(m J c m)；E。为 临界 切 削 能量 密 度；o t 为角膜能 量吸收系数，单位(Ix m )由公式(3)和(4)推 出 d(r)=一2(r)+I n (5)r o l Sph 由公式(5)便推出了单脉冲高斯光束切削角 膜轮廓 的数学 描述。以下是对公 式展开的讨论：当 d(r)=0时，切削深 度为零，解 出：l n (6)1 0 z l S p h 在峰值 能量密度处产 生最大切削量 l n ；U l Sph E =E p h 时，无 切 削 量；若 给 定 E =e E p h，则 在 r =r o 处 切削量 为零。此 处，角膜 的 吸收系数 为大 约介于 3 73 9 1 x m (3 9 9 ix m)之 间 川；临 界 切削能量密度 为 4 0 m J c m 6 0 m J c m 。川 准分子激光 切 削角 膜 的能 力，具 有超 细 微 的 精密度 和超 细微 的损伤 程度。1 9 3 n m波长远 紫外 光只产生很少 的热 效应，从 而对 周 围组织 损伤 限 一43 维普资讯 http:/ 制在很小 的范 围。而且，还提供 了特 别 平滑 的切 削平面。切 削率 约 为每个 脉 冲 0 2 5 u m。尽 管这 种远紫外线产生的热效应非常少，但也不等于零，每个激光脉冲的切削面上会造成小于 l u m的微小 损伤，因此准分子激光要 比任何其他眼科激光精 确 5 01 0 0 0倍。激光作用于人体(目标)的总能量和作用面 积之 比称 为能量密度(激光的剂量)，即 E=J S=Pt S=P。t (mJ c m)(7)激光的能量密度就是作用于切削区单位面积 上的激光 能量大小。现在常用 的准分 子激光 系统 采用 的 能量 密 度 大 多 落 在 l O 0-2 5 0 m J c m 间，如：VI S X=1 6 0 m J c m、S u mmi t=1 8 0 mJ c m 、Ke r a t o m=2 5 0 mJ c m、Te c h n o l a s=1 3 0 mJ c m、Ni d e k=1 3 0 mJ c m。了解激 光能量密度 的重要性在 于能够确定 每 个激光脉冲所切除的角膜组织量。能量密度决定 了切削速度，根据当时能量密度的高低，由计算机 程序对任一屈光矫正量计算出需要使用的激光脉 冲数。了解每个脉冲所传输 的精确能量值，有助 于确定治疗结果的可预见性。当能量 密度低至 5 0 m J c m 2时，只有很小的切削效果；当能量密度 达到 1 2 0 m J c m 2时，切削的效果才出现稳定。随 着能量密度的增加，脉冲之间稳定性也增加，光束 的质量也得到提高。增大能量密度，虽然改善了 光束的均匀性，但却伴随着激光能量的热效应增 加，光能损 失增加，有声 响的冲击波也增加。飞点扫描算法 飞点扫描是在程序控制下，使激光脉冲在设 定的手术区域 内按程序设定的算法进行两个方向 的扫描 以到达 角膜上特定 点 的方法。飞点 扫 描可 以避 免 大光 斑 激 光 中 问题 的发 生。激光 的光 束 比较均 匀，减少 了激 光 光波 产生 的震波 和中心 岛效 应 的发生，并 且可 以用程 序控 制多种扫描方式。飞点扫描能够非常精确地消融 角膜，使 角膜 的曲率 改 变，使 切 削 的表 面更 加光 滑。飞点扫 描可覆 盖整 个切 削 区，随机 非连 贯性 切削(No nS e q u e n t i M s h o t p a t t e r n)，可避 开 羽 毛 状(P l u m e)雾 化团，并使 被击组织更好 地散热。飞点扫 描的示意 图如 图 3所示。以矫 正近视眼为例，来说明飞点 扫描的算法，矫正 的过程 是在手 术 区域 内，在 角 膜表 面消融 成 正常 曲率半径，以近 视眼 而言，将屈 光度 大 的(曲 4 4 率半径小)消融 成 屈 光度 小 的(曲率 半 径大)，图 中 R Ri。经过上 述 的数学 模型 算法 的计算，计 算出每层激光脉冲的位置，两个脉冲点的 x向的 距离是 x，Y向的距 离是 AY。x与 AY的大 小 与激光 光斑 的形 状、大小、激光 的能量 密度有 关；每层的深度与激光光斑的形状、大小、单脉冲的消 融深度、光斑的叠加方式有关。层与层 之间 的光斑 的位置，除 了范围不 同外，层层之间 的 x、Y双 向是 随机 错位 的，这 样在多层 叠加 后，不 在 同一 的位 置 进 行 叠加，而 是错 层 叠 加，保证了角膜表面的光滑性，示意如图4。图 3 飞点扫描示意图 图 二 弼7 第 i+1 层 的 消 的 示 意 图 一 =乡 一 、天 一 入 丁 定点叠加 话层叠加 图 4片层 之 间 的叠 加 示意 图 激光扫描的顺序，是从最后一层开始(激光 点少，范围小)，逐 渐 向上 扩 展 到最 外 层(激光 点 数多，范 围大)，不容 易形 成集 中的温 度场 和 汽化 场，同样进 一步 保证 角 膜表 面 的光滑 性。达 到匀 光的 目的。准分子激 光手术治疗仪 的过程原理 目前临床上用于屈光手术的准分子激光主要 是波长 为 1 9 3 n m 的 氟化 氩 准分 子 激 光。基本 原 理是利用惰性气体氩及二价卤素元素氟在电子泵 产生高能 电子放 电时被 激 活，形成 不稳 定 的氟化 氩分子，当分子延搁 时可释放高能 紫外光 子，并通 维普资讯 http:/ 过谐 振腔形成激光。激光 束发 出后、经过衰减 器，光 闸，一 系列透镜组、x、Y扫描 器、折 光镜 片 等 复 杂的传输系统，在 计算 机 控制 下 到达角 膜表 面完 成各种操作，如 图 5。器 图 5 准分子激光手术治疗仪的光路原理框图 图 6 XY扫描器控制激光过程 X、Y扫 描 器是 接受计 算 机 发 出 的激 光脉 冲 的 X Y位置，通过 电路 的转换，转变成 能控 制 X、Y 两个方向扫描器的电信号，使 x、Y偏转一定 的角 度，从 而在 角膜表 面相应 的位置上 打上激光 脉冲，达 到切削角膜表 面的 目的，如图 6所 示。在激光的控制过程中，由激光能量传感器和 衰减器协同闭环工作，使得激光能量在整个手术 过程 中保持稳定状态。使每个进行消融的激光脉 冲恒 定，从 而保证 每个 激光 脉 冲 的消融 的深 度 和 形 状保持一致。激光 的光闸和脚控 开关 的协 同工 作，可以使激光脉冲随时收发，使医生控制 自如。结论 本 文从理 论上研究 了准分 子激光人 眼屈 光手 术的原理 和控 制方 式，重点 研究 了准分 子 激光 的 切削原理和飞点扫描的算法。首次在理论上建立 病人眼球 的角膜 激光能量密度 和 消融 深度 的关 系，根据 本 文理 论 研制 的准分子 激光 治疗 机 已经 完成，通 过 了动 物 试验，正在临床使用。应用效果表明，整个仪器工 作稳定，扫描效果好，治疗效果明显改善。参 考 文 献 1 T S e i l e r，e t a l，E x c i m e r l a s e r p h o t o r e f r a c t i v e k e r a t ect o-my S u r v O p h t h al mo 1 1 9 9 54 0：8 9一l】8 2 F a r a h S，A z a r D，Wo n g J，L a s e r i n s i t u k e r a t o mi l e u s i s：l i t e r a t u r e r e v i e w o f a d e v e l o p i n g t e c h n i q u e J c a t a r t wt R e f r a c t S u r g 1 9 9 8，2 4：9 8 91 0 0 6 3 T S a l a h，e t a l，E x c i m e r l a s e r i n s i t u k e mt o mi l e u s i s a n-d e r a c o r n e a l fla p f o r my o p i a o f 2 t o 2 0 d i a p t e r s Am J O p mo t 1 9 9 6，1 2 1：1 43 1 5 5 4 S T mk e l，Hi s t o r y a n d Me c h ani s m of A c t i o n of E x c i m e r L a s e r C o me M S u r g e ryC o r n e a l L a s e r S u r g e ry；1 9 9 5(I S B N 08 1 5 1 7 5 1 32)5 L E s p e r a n e e F A：Op h t h A l mi c L a s e r s，2 n d E d，P 4，1 9 8 3 (I S B N 08 0 1 62 8 2 3 7)6 J J S a l z，C o r n e a l L a s e r S u r g e ry，1 9 9 5(I S B N 08 1 5 1 7 51 321 7 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 2 0 0 0 1 1 第一版 8 章玲等，1 9 3 n m和 3 0 8 n m准分子激光对 聚合 物的刻 蚀特性的比较，中国激光，2 9(1)，2 0 0 2 9 吕百达编著，激光光学，成都，四川大学出版社，1 9 9 2 1 0 张镇西等译，H Ma r k o l f 著，激光 与生 物组 织的相互 作用，西安交通大学出版社，1 9 9 9 1 1 G P e t t i t e t a l，A p p L O p t 1 9 9 6，3 5(1 9)，3 3 8 6 45 维普资讯 http:/