专利名称：利用激光束提高材料处理的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域0001本发明通常是针对利用激光束进行材料处理的领域，更具体地说是针对这些材料处理的系统和方法。本发明适合于利用激光光离解作为材料处理的动作机制的场合，特别是当这些处理过程包含着位于材料表面、材料上或材料下部的多种激光束的场合。虽然此发明的应用场合很广，但是它作为一种系统和方法更有用，即利用激光束在材料内部形成的一系列重叠光破裂区作为一个新的内部区域，这样材料的先前部分就可以通过材料的新的内部区域。此应用的典型例子就是在矫正视力的眼科手术中，利用该应用可去掉至少角膜外层的一部分。通过在大量的角膜细胞内部生成新的内表面，然后再显现出这些潜在的内部角膜细胞，重新形成角膜，这样就提高了患者的视力。
本发明的背景0002材料和激光的相互作用主要有三种光凝结，光消融，光离解。光凝结使用激光光线形成的连续波，通过主要和次要的热损坏效应来吸收目标材料。该技术最广泛地应用于治愈视网膜疾病上，比如糖尿病引起的视网膜疾病和斑点恶化。光消融，高度吸收紫外光的光波长可用于蒸发具有表面的材料，主要是表面蚀刻和角膜内的折射手术。
0003当一个激光脉冲产生一个高强度的电区后，通向一个由电子和粒子组成的等离子体时，激光的减弱产生光离解。热离子体的膨胀使周围的物质产生位移，当热离子体的膨胀速度减慢后，位移前方在物质中以振动波的形式传播，振动波在传播过程中能量逐渐损失、速度逐渐减慢，成为一个普通的声波，绝热扩张等离子体会快速的重组并冷却下来，最终形成了一个气穴现象气泡，该气泡的组成取决于目标物质的组成成分。在气穴现象气泡的下层主要是由二氧化碳、氮气和水蒸气组成。
0004使用一个激光光离解装置和一个传递系统，被固定的光离解能被定位物体表面或下方，用来进行高精度的物质加工。一个加工实例通过预先设计路线的多重脉冲成型内表面，在特殊例子中，这些表面可能是水平，垂直或倾斜各方位上的平面。
0005使用光离解激光，会产生的一些可变的副产品，这些产品是由气、碎片和其他副产品的处理方式决定的。在一些物质中，光离解导致气、水蒸汽的形成。周围物质的性质和周边的激光脉冲影响，决定了产生的何种副产品。总的来说。一个气泡会最大膨胀达到最小阻力的大小，在膨胀中气体和组成物逐渐冷却，例如水蒸气会恢复到液态。在有另外激光脉冲的区域内产生的气、液、固体碎片等副产品往往是无益的，最近的发明在对消除或这种潜在的影响方法上取得了进展。
0006另一种发明是关于应用光离解激光用于通过制造角膜层来校正视力的眼科手术中。视力的损伤原因有许多种，一种最普通的为角膜中的折射体不能使平行光线聚焦在视网膜上，当眼睛位置固定，光线聚焦在视网膜前，这就是近视。另外，如果光线聚焦在视网膜后就是远视。近视和远视的情况不同导致不同程度的视力损伤，大多数情况下都可以得到矫正。
0007眼镜和隐形眼镜是最普通的用来矫正近视和远视的方法。
由于不同的原因，很多人都选择配戴眼镜或隐形眼镜来校正。其他可以选择矫正视力的方法就是通过手术重新塑造角膜形状以改变其折射。例如美国专利4665913和4669466。就是一个激光设施被描述成从眼睛前方表示角膜趋光性组织。在美国专利4988348中记载第一次用移动角膜组织的方法来校正视力。新的角膜表面为光滑的。
0008现在已经有一种用于移动内部基体组织的叫做基体组织光离解的方法是比用移动角膜前部组织或对其重新塑形更好的校正视力的方法。例如美国专利说明书j5993438和美国专利说明书b4907586中所描述的。美国专利说明书j6110160描述另一个用这种移动基质组织的过程。在此过程中，前部的角膜层用一束激光可以创建一系列交叠的光离解区域。这样外科医生就可以将角膜层剥离。然后可以对内部组织施行手术。用光离格激光激态原子激光改变内部组织的形状，然后再将角膜层复位，最后完成手术。
0009在前实施例子中，医生可以用将激光束聚集在位于即将创建的角膜层的中心或靠近中心点位置开始点上，开始创建角膜层，激光束在开始点上开始形成组织的光离解区。然后被按照预先设定的路径。典型的是螺旋式的，从将创建的角膜层的中心位置到一个预先设定的外圆周。最后激光束直接绕着预先设定的圆周进行对角膜外围进行切割。将角膜外层和角膜层分离。
0010可以在许多实例中观察到，当激光束按照预定的路线或图形工作时，会产生一个暂时的雾状外表。这种雾状外表被认为是在光电离过程中产生的气和碎片。因为没有排出口，而扩散到周围组织中造成的。这是暂时的，气和碎片几分钟后就会被周围的组织所吸收。尽管这种暂时的状态没有大的副作用，但气的扩散会使影响后来在预定的路径中激光脉冲高品质的内表层的形成。这些雾状外表和对后面激光脉冲的影响都是工作人员不愿看到的。
0011还有另外一种现象，就是在激光束沿着预定轨道移动时会产生液流，液流在周围组织中扩散，并会对后面的在预定路径中工作的激光脉冲造成影响，从而影响到的内表面的质量。会使新形成的内表面成为精度低无规则的内表面。
0012所以，显而易见需要设计一个特定的路径来避免气体和碎片或避免前面所说的液流的产生。这两者均可以影响到后面激光束的性质和质量。或者不能达到完全消除气、碎片或液流影响的其中之一，也应设计一个路径使得两者的副作用降低，另外还需要有一种方法和设备来实施这种需要的光离解图形和设计预先路径。
0013因此需要设计一个含有与预先设定的工作路径或工作图形相联或临近的辅助路径或辅助工作图形的方法。辅助的路径和工作图形可以作为一储藏区来控制任何切割图形的副产品。并提供制造改种储藏方法的方法和装置。
本发明的概述0014与现有发明相比较，本发明提供一种用光离解来改善材料处理的方法和装置。这种方法包括一个装置能将激光束定位在材料表面上方，表面上和下方的特定开始点上，然后从开始点出发，沿优选的预先设定的路径工作，来减轻烟气、碎片或其他副产品在下一步激光束工作范围中的作用。
0015本发明的一个具体实施方案中，优化的预先设定路经。有一个在材料中特殊位置的开始点，用以减少在光离解较重要区域工作过程中产生的烟气、碎片和其他副产品的产生。例如预定路线的开始点位于物质里面或上面的图形的外圆周上。就会减弱光离解在其中心部位工作时，烟气、碎片和副产品的不良影响。很多例子中，焦点沿着一个在螺旋图形中预先设定的路径中，由外圆周上的点向中心移动，另外的实施中，预先设定路径是在一个光栅形状图形中，其运动路线是由位于路径的外圆周附近的开始点开始，前后往复的在圆周内进行。第三种实例中，路径为一组同心圆，由外向内逐层进行。这些实施例中光离解开始时产生的烟气、碎片和其他副产品的影响被局部化，副作用程度也可由开始点的选择来控制。
0016本发明的另外实施例。材料处理可以建立被称作为储藏室的附属图形(带有与之相配的主图形或预定路径)，该附属图形可以减弱或消除主路经中的烟、碎片等副产品。
0017本发明另一实施方案为副图形可优化选择特定的几何形状、内部的激光束包括区域深度，光束间距和能量等特性可以是不同于主图形的。
0018本发明的另一实施方案。材料处理结果会受到自然形成的储藏区的影响。如果他们被用来收集主工作图形中产生的烟气、碎片和其他副产品。就要建立主图形和天然的储藏室间的连接，该副图形可以在可优化选择特定的几何形状、内部的激光束包括区域深度，光束间距和能量等特性可以是不同于主图形的。
0019本发明的另一实施方案。在上一个有效的储藏室实施例中，也可以通过调整主要图形或路径中使用的激光束的区域深度，光束间距和能量等特性来控制主工作图形中产生的烟气、碎片和其他副产品。
0020当材料为眼角膜并且其目的为制造一个角膜层，预先设定的路径为通过基体组织来形成一个角膜层。在前内表面和外层角膜之间创建一个两者有连接或无连接的前内表面。主要预设路径的开始点可以设在外表面下方或外表面上，预设的路径外围可以有多种类型。例如一般的圆环形或卵形。主要的预设路径的形状可以有许多种，如内前表面为平面，球面、锥面、或者任一激态原子要去除的前内层角膜下的组织的形状。
0021本发明的另一面可以用来直接用一系列重叠光离解。一个预先设计的外围用一系列光离解的方式使角膜内部表面凸现出来，再通过基质组织生成一个具有前后表面的角膜层。这个角膜层至少有一部分从原角膜分离下来的，这个方法包括将激光束焦点定位在内表面预先设定路径附近的开始点。正在离解的组织由开始点，然后移动中的聚焦激光束，沿着设定路线前进。离解组织沿着该路径形成交叠的区域围绕着将被暴露出来的角膜内表面。本专利的其他实施例在这方面与这里描述的相似。
0022这个方法也可以包括由角膜内后表面到外表面组成的角度伸展出成为一个球面状表面。这球状表面是由移动着的激光束聚焦点和正在光离解组织在一条由邻近角膜前内表面到角膜外表面的多点形成的。在一个实施例中，半球表面与后内表面组成的角大于90度。另外一个实施例中，半球表面与后内表面组成的角小于90度。
0023在形成角膜层的例子中，在激光束作用的地方，气体会形成一个阻断来分离两表面。内部的液体会形成不平坦的表面。前者能在接近气泡形成部分的水平位置阻力较高时发生，会在角膜的空间内扩展，会产生一些外部的气泡。后者发生在如果阻力很低的情况下，在接近气泡形成过程中的水平位置。气体会很快扩散，导致快速冷却和水蒸气的聚集。形成液流会回渗到激光作用的区域内，可以造成局部深度变化。并且使得大表面产生如脊状或波浪状的异常形态。
0024在形成角膜层的例子中，储藏区辅助方式或预先设定的路径。可以有以下的参数加以优化，以用来减少气泡和促进角膜层的形成，大的储藏范围，深度加大，高的激光束能量，近点的间距，来减少液流在激光作用处的影响。消除上述可能出现的异常现象。
0025在形成角膜层的例子中，可以优化特殊设定的主要图形或路径(例如平面切割)的方式来减少气泡的产生(增进角膜的成型)优化的方式有减小点间距和光束能量。减少液流影响的方法与上面相反。
0026在形成角膜层的例子中，一个储藏区或一个连接可以被形成从前内表面到面向或去向角膜与巩膜的连接处。储藏区可以在和外表面成任何角度，并且可以扩散成任何外围和形状，这个储藏区用来辅助控制气、液和碎片的聚集。另外，储藏区可以对组织的分离特征起到一定的作用，尤其对想要形成特殊形状和位置深度的表面或内表面时，可以起到不使气体或碎片可复原部分的中心位置产生障碍的作用。尽管，这里所讨论的是处于角膜组织内部的储藏区，也能在其他组织或非生物材料中，被用来辅助主要光离解切割过程中的碎片复原。
0027本发明还包括一个计算机程序，来实现在此描述的实施步骤，在一个具体的眼科手术中计算机应用。计算机系统用来引导激光束来创建适合的图形和激光束。这个系统包括一个输入的控制装置，用来接收用户对于设定路径的选择。一个与输入控制装置配套的后续单元来记载用户输入的过程信息，来识别被选择的设定路径并对按照设定路径进行工作的激光束进行控制。一个输出装置用来显示各个步骤，一个激光光源可以在角膜表面的上面，角膜表面和角膜表面下聚焦和分离物质，还有与执行程序和输出显示相配套的聚焦或导向机构，0028本发明还包括一个千万亿分之一秒的激光装置，包括一个激光源，用来产生光束，并可以在角膜表面的上面，角膜表面和角膜表面下聚焦和分离物质。这个系统执行定位聚焦光束于开始点，控制聚焦光束沿优选的设定路线工作，这个路径可以减少在光离解过程中产生烟气、碎片和其他副产品对另外光束工作时的影响。本发明的另外一方面是计算机实现方法，用来定位一束激光来创建一个优化的在物质表面上方、在物质表面或在物质表面的下方的预先设定的路径。一个图形切割几何形状的选择是由用户选择或从文件数据中读取和软件中所记载的几何参数。几何体边界，由一种假想的物质来展示。定义物质的一个中心点，用于边界的定位。最初的中心点定位是程序化的。然而，使用者也可以自己定位几何边界。切割图形的种类是由用户选择的或是从文件或数据库中读取的，选择后被储存在软件中。一束激光就会按选定切割图形和几何形状轮廓在制定的物质中产生光离解的作用。离解作用一般来说会按照设定的深度在物质的表面下发生。和其他相同，图形种类可能为同心圆状、螺旋状和光栅状的。光离解可以在物质中建立一个水平的切割图形。随后，激光束可能会被设定在水平切除外表的周围。创建一个垂直切除图形。如果垂直切除图形如果设计为对水平外围进行不完全切割，在新形成的两个表面之间就会形成一个连接。
0029当前发明要求有特定的激光类型将用于完成该图形，是将连续的激光脉冲合并成一束。预期的激光脉冲的持续时间为十亿分之一秒、兆一分之一秒甚至千万亿分之一秒。
本发明示图的简单描述0030本发明有创造性的部分。与发明本身结合示图本发明及其本发明的有创造性地部分将会被很好的理解，下面结合示图进行描述。其中0031
图1一个病人在接受当前发明的治疗的远景图0032图2眼睛的透视图0033图3沿图2中线4的眼睛角膜的剖视图，显示创建的前内表面和后内表面0034图4沿图2中线4的眼睛角膜的剖视图，显示被移动的前内表面和暴露出来的后内表面或者是被移动的角膜层暴露角膜的内表面。
0035图5沿图2中线3-3所示的眼角膜平面图，显示了向外螺旋图形，来创建前内表面和后内表面或是角膜层的路径。
0036图6沿图2中线3-3平面图，所示的是向内螺旋。
0037图7沿图2中线3-3平面图，所示的是光栅路径。
0038图8沿图2中线3-3平面图，所示的是同心圆路径。
0039图9(9a9b)沿图2中线3-3方向平面图，所示的是对外围的切割路径。
0040图10a10b显示实施例中靠近切割图形形成的储藏区和图11另一个实例。
0041图11为另一个实施例的平面图，其储藏区靠近切割图形。
具体实施例方式
0042如图1所示，设备10是用来产生激光束12的激光束直接作于病人16的眼睛14上。根据现有发明成果，设备10能够实现激光束12所具有的物理特征与在美国专利No.4,764,930中披露的激光束的性能相似。该专利排他性的受让于本专利受让人。另外，在本发明中希望激光束12的脉冲时间达到十亿分之几秒。
0043在一个实施例中一个被计算机程序操控的用来产生角膜光离解的激光单位组成一个脉冲光学链持续时间接近千万亿分之六百秒频率，相当于几十万赫兹，发射出的脉冲链实际能量由一个作用在步伐控制仪器下面的旋转的可变的衰减器来控制。
0044能量测量仪器被安装在光路上在衰减器和安全开关之间，这些仪器用来测量由于能量穿过光学传输系统所产生的一个固定的摩擦数值。光学传递装置由一个有铰链的指针，z轴提升器，X轴和Y轴转换器，XYZ轴检流计扫描仪、望远镜、Z轴聚焦透镜，可转向镜子、显微镜还有一个可以用于连接病人眼睛的随意改变方向的扁平透镜组成。
0045光学传递系统在病人眼中确定激光聚焦的三维空间点，当激光发出，能量传递到聚焦点，可以充分使物质被电离在一个很小的体积内。重新在被切割的组织平面上进行聚焦点和光束的定位。
0046图2所示，是解剖状态下的眼睛14的结构，特殊的是角膜18在瞳仁20、虹膜22和巩膜24的前面，另外图2还揭示了眼睛的光学轴26，通过角膜18角膜的透明组织可以看见光线。
0047如图3所示，角膜18含有5个可以定义的解剖学上的组织层。图3中从前到后角膜的组织层为[上皮细胞26、Bowman膜28、基质30、Decemet膜32和内皮34]前内表面35和后内表面38，后内表面38是由聚焦的激光束由预设起点42沿着预定路径在基本组织过程中产生的一系列的交叠光离解区形成的，角膜层36也可以用相似的方法制成。
0048图4为前内表面35或是角膜层36从眼睛中移开的情况。角膜层36有一个外表面37也是角膜的外表面。角膜层36完全可以从眼球中移走，或者只留下一点连接如图4所示，移走后暴露出的角膜内表面39即将是被光离解的。
0049激光运动的图形是本发明的一个方面。如图5，在开始的实验中医生可以选择靠近中心的开始点42并沿螺旋线移动激光束，直到预先设定的外围处。如前所述，在某些实施例中可以看到，这种图形会在角膜中心产生雾状物质。这种雾状物质是激光工作时产生的气和一些碎片。介于这种由内向外的切割方法，因为向外的出口很少，这些气和碎片就被封闭在角膜内部，这种雾状的东西就会影响后续的激光束在角膜上的作用。相反的，如果烟可以进入预先设置的或自然形成的储藏区内，液流就会进入到后续光束所将要达到的区域内，所以，在组织离解的过程中就会造成不平坦的形成表面。
0050本发明减少气、液、碎片和其他副产品，在后续光束将达到的位置或物质中将要被处理的一些敏感表面上的聚集量。如图6所示，将开始点设定在角膜下方的42点上，接近于外围轮廓线43，将激光束聚焦点在由外向里的图形下运作，如图6或图7中的光栅图形或是图8中的同心圆图形。终点达到点44，这样在中心点，气和碎片的聚集量就会很少。就会减少雾状现象的产生。角膜36上面预先设定的外围轮廓43可能为一个圆形或椭圆形。实施图形可不受图中所示的路径类型限制。
0051图8所显示的是同心圆路径，每个同心圆都有一个不同的开始点，第一个开始点42很接近预先设计的外围轮廓线43，当光束绕着预先路线经过一圈以后回到接近于起点42的终点46。接下来，光束来到下一个出发点48，同样的绕一周后到达第二个接近于起点48的终点50，这种过程将一直进行到大到最后的起点52，最后达到最后一个终点44(接近52)。
0052预设路径可能是在一个平面内，也可以像前内面35或机制组织内表面39一样是圆锥形的或球面的。
0053当光束沿预定路线完成后，就会在角膜36的外围轮廓43周围产生一个外围轮廓的表面45，或是前后内表面连接角膜外表面37到内表面35的角膜层36。创建的外围表面45可由圆9中的虚线所示。是由激光束创建的在角膜内或外表面与角膜外表面间产生的一系列交叠的光离解区域所实现的。并且使形成外围表面45与后内表面38成一定角度。这个角可以大于90度，这样的话半球表面45和后内表面38就会成为一个碗形。或是小于90度，则两者形成圆锥形。想达到大于90度的角，聚焦光束首先要沿外轮廓线43工作，接下来在比43大一点的外轮廓上进行工作。相反的，如要形成一个小于90度的角就将首先沿线43工作然后再沿一个较小一点的面积外轮廓上工作。
0054外围表面45完全沿线43切割或不完全切割，留下一部分角膜上的36或内表面的点35形成一个连接54。如图9b所示。外围面45形成后，医生，可以剥离前内表面35使后内表面38露出来，然后这个步骤就完成了。本发明中也可以描述成剥离角膜层36将基质组织内表面36露出来来完成该步骤。
0055要进一步减少气、液、碎片和其他副产品在预先图形和设定路径中的聚集。需要在外围或接近预先图形的地方建立辅助图形或储藏区，来存储主要图形运行中所产生的废物。这种储藏区可以预先为主要图形建立，它可以有多种形状和不同的大小，并且最好是与主图形直接或通过天然的出口通道或角膜中潜在的通道连接起来。气和碎片能够聚集在这样的储存区内或由通道排到外面。
0056推荐在主图形和储藏室之间建立的液气通道，但这样的通道并不一定要需要人工来做。有时候自然通道也可以达到相同的效果。
0057提供一个液气、碎片和其他副产品的路径。在主图形和预先路径中有时会产生不良的作用，因为液流能进入激光束工作的区域内部。在一个实施例中，全部储藏区的面积占到整个主切割面积的10％。另外一个实施例中，光束间的距离大于6微米，光束强度小于8微焦。一个实施例中，小连接被用于主图形和储藏区间，这样的小连接可能会具有进一步的调节能力。
0058增加储藏区角度，增加储藏区直径，增加储藏区深度是加大排泄力度的方法，增加排泄力度能够使是主图形切割区域增大，减小主切割深度，并在切割时可使用较高激光束(激光束能量越高则产生的烟气越大)。为增加对排泄的控制，则要减小储藏区的面积，储藏区内部的阻力会随着光束能量减少和点间距的增加而增加。
0059如图10a和10b所示。一个储藏区62被显示位于切割图形60附近，抽样表明主图形60是一个平面栅状切割图形，但也可用其他图形作为初始图形来进行。储藏区的位置、宽度、深度、角度都是依照初始图形所确定的以及区域大小所确定的，靠近主切割区域60的储藏区62，是一个半径为4.1mm与眼睛中心成120度角的储藏角。该储藏区的宽度约为300-400um。最佳角度为45--90度。最佳的最大储藏宽度为300微米。储藏区62应在主切割之前完成，储藏区底面距离角膜为160um。第二弧线在靠近异色组织61处。
0060如图11所示，另外一个储藏区的实施例71是在靠近主切割图形70处，该实施例是一个包含在异色组织73的廓线内整圆周的，主切割区域70的外切圆。在本例中，储藏区的宽度为100-200um。储藏区71也要先于主切割区70完成。
0061一种本发明所要使用的设备，具有计算机控制系统的激光器。可以实现这里所说的全部工作。计算机控制系统，包括一个输入控制装置来接收。用户所选择的预定图形。并存储该选定图形。还有一个与之配套的处理器来记载用户所入的各步骤地相关信息。一个输出设备来实现各步骤。一个激光源，可实现将光束在角膜表面上下的聚焦和分散。还有一个聚焦仪器，用来与处理器和输出装置配合使用。
0062另一种本发明可使用的设备。用一软件程序控制一束聚焦激光来实现前述方法。一种实施例，一种程序具有输入控制装置和一输出控制装置。输入装置可能是键盘、鼠标、触摸屏或其它计算机用的输入装置。输出装置是监视器或是计算机屏幕。该程序与一数据库连接来储存或废除数据和一些应用参数。
0063计算机程序还有许多其它功能。提供选择项或确定图形切割的几何形状。在角膜上定位几何形状。控制激光的运动方面。选择切割图形，选择附加参数。
0064图形几何形状的确定软件程序用一个定义好的几何图形来作为水平切割的外轮廓。几何图形的边就是这个水平切割图形的外围边界。应用程序可能只设定了一种几何形状例如圆周，作为其默认的图形。或者程序也允许操作者选择一系列的形状中选择一种几何形状。也可选择各种图形的中的一个部分来组成一个不规则的图形来建造储藏区或排泄通道。典型的用户界面为监视器，会将用户所选择的在角膜组织上的工作图形显示出来。如果手术医生想要选择不同的几何边界，则用户就要选择新的平面切割区域。例如，计算机程序选择圆形作为切割区域的外周形状，但操作者可能根据患者的实际情况选择一个不同的外围形状，例如椭圆形作为实际的工作路线。
0065在角膜上定位几何形状的外边界几何形状的外边界是一个在病人角膜上的假想边界，这个边界可以真正是在病人角膜上的假想边界或是计算机中生成的眼睛的图象。几何图形是依靠使其中心点与眼睛的中心点重合来定位的。这个中心点可以是在角膜表面上的眼睛的视线轴或者是基于瞳人中心的在角膜上的对称轴。
0066操作者可以通过与用户图形界面的交互来实现将几何区域的边界移动、旋转、重新设定大小等功能。通过用户图形界面操作者可以确定图形方向在即将要进行水平切割的角膜特定区域内进行的图形边界定位。程序会将超出激光工作范围的几何图形边界显现出来并会给出声音或图象方面的提示。例如，显示会指出那些是几何图形外边界的范围，如果在该几何外边界范围内包含了不能做光离解区域，则激光器在这些区域内就不会发射激光。
0067几何边界有设定的一段作为平面连接，这个预先设定的一段将不进行光离解切割。这个连接部分将用一种与其他边界线不同颜色的加粗的线条表示。操作者也可以在边界其他位置设置这个连接，操作者可以改变连接的位置和长度。另外操作者也可以将角膜层全部取下，这样就不用留出连接的位置了。
0068几何形状的边界是用其距离中心点的距离来设定的，例如；一个圆周的半径设为4mm，计算机程序就会从用中心点作为圆心来限定这个圆周。水平和垂直切割都要按照圆周的边界来进行，如果操作者想要改变圆周的大小，几何形状的尺寸就要被一个输入装置重新设定。或者将由一个输入装置重新将半径数值输入。
0069通过扫描图形来控制界面激光束参数一种软件会被用来控制界面上的工作图形参数。例如光束间距，光束能量还有其他一些工作参数用来调节切割或控制气体/碎片/也六的聚集等所有可能对界面性能产生影响的条件。
0070激光移动导向程序还可以用来控制聚焦的激光光束的运动方向。对于每一个特定的激光光源都程序都会选择一个特定的的标准点间距与之相对应。点间距值为移动着的前后两光聚焦点间的距离。另外程序还用到了线间距作为参数。在光栅形图形中线间距被用来控制将激光聚焦点移动到下一条切割线上的位置。对于同心圆图形来说线间距就是由后一个同心圆圆周距离前一个同心圆圆周距离。
0071选择切割图形操作者可以通过计算机程序来选择切割图形的种类。程序可以将选择的切割图形通过激光束来实现。一个具体实施例，可供选择的有螺旋图形、同心圆图形、光栅图形。其他的图形也可以通过编制程序来获得，包括但不仅限于以下所示用来提供球面运动或收集副产品从而达到控制创建的新表面的特性的多种样式的储藏区。或者程序将会预先设定工作图形或将工作图形控制在一定的选择范围内。螺旋图形为从中心点开始以螺旋路径工作在角膜组织上面的光离解。更可取的是螺旋图形的开始点被定在在假定的外圆周上。同心圆图形就是使激光光离解由角膜的中心处的圆周开始，更加优化的同心圆图形是开始点在最外圆周上的同心圆工作图形。
0072标准的点间距或线间距会根据特定的图形发生改变，以用来控制组织的分离特点烟气、碎片的聚集和运动，也会影响到创建表面的性能。
0073选择附加参数程序还可以设定一些水平切割的附加的参数项。这些项目包括用同样的定位方式重复光离解的选择图形，旋转和重复选择图形的定位，在完成第一图形平面切割后使用第二图形或间隙图形。重复图形可以用与原先图形相同或不同的激光参数，例如点间距、光能和深度。
0074选择储藏区和连接参数程序为操作者提供建立一个储藏区或是连接已有储藏区通道的选择，例如下面有很多参数可以用来创建储藏区或联系储藏区的通道。首要图形的参数是可控制的用改变点间距，增大或减少点间距，或改变形状(大小或位置)来为主图形优化特定的储藏区形状和储藏区内部结构。当能被用来作为储藏区的位置很有限时用来布置储藏区。
0075例如，主图形已经选定为光栅形状的水平切割，点间距设置为12线间距值为10光束能量J值设定为5，深度定为130UM，直径为8.2mm。将要建立的储藏区一个扫描圆弧线，参数为120度储藏角，光点距离为9，切线点间距为7，光束开始能量为8J随后下降到5J，储藏区开始深度为160UM结束深度为130UM储藏区宽度为300-400UM。
表一
0076一个具有圆周轮廓的光栅图形。下面是一个由有圆周轮廓的光栅图形建立的平面的例子。在角膜上确定一个中心点，中心点的XY轴的给定值均为0。水平切割开始于外圆周上Y值负值最小处。激光源发出激光束光离解角膜组织在目前设定的XYZ坐标上。
0077扁平射线是一个在美国专利09/772,539中描述的设备，可以被用来平整角膜表面来防止球面视觉失常等。这样，在水平切割时就要保证Z轴所表示的深度值(距离角膜表面的距离)在整个切割过程中是一个固定的数值。使用一束扁平透镜和保持Z轴数值不变会使在切割过程中的角膜组织的厚度相同。当使用一个扁平透镜装置时，典型的Z轴深度值为，在透镜与角膜接触的表面下方160μm。
0078如果不使用扁平透镜或相似的装置角膜一般呈球形，就不能使用固定的Z轴数值来进行角膜组织的切割，这时就要应用计算机程序来对Z轴数值加以控制。眼球将会被固定，用仪器来测量眼球的对称情况和眼球的直径，可能用于确定X轴数值，Z轴数值将随着为切除相同厚度角膜组织而变化。
0079在光栅图形中激光束聚焦点由X轴最大值向X轴最小值对组织进行光离解聚焦点的移动是基于光间距进行的。合适的光间距设置使得聚焦激光形成一个交叠的光离解区域。
0080产生光离解的聚焦点被按照线间距的大小来移动到X值较小的线上，这时聚焦点会沿着X值相同的直线上运动，激光沿着X/Y轴运动，达到一个底X轴位置然后在外围边界范围沿Y轴方向运动。当路线的X轴位置为边界内的最小值时光离解停止。
0081如果需要在外围建立一个储藏区来控制气、碎片的聚集和运动，以及切割组织，形成表面的性质等，一系列有特殊内部参数(点、线距离、能量)的光束将会在光栅图形(或其他图形)被定位之前或之后达到外围轮廓的任一一处。
0082为了进行垂直切割(边部切割)，激光将会被聚焦在将切割形状的外围内部或附近。典型的有，光束被聚焦在距外轮廓线50μm处。深度则被定在低于平面20μm处。计算机控制光束沿外轮廓工作，要求的激光聚焦点距离来决光束的运动速度。对于一个圆形边界，激光束按照从操作者方向看的顺时针方向工作。激光光源发射出一系列光束进入圆周内完成水平切割。当整个圆周切割完成激光束作用点Z轴坐标会在原基础上被升高一点。激光接下来将按照原来的水平轨道完成另外一层角膜组织的切割。这个程序将会被继续直到角膜的表面被光离解。更好的是使用扁平连接透镜来压平角膜，这个过程会进入扁平透镜内几微米。使用同心圆作为边缘切割形成外围边界一般情况外围边界是垂直于XY轴的。
0083另外，边缘切割会加大几何边缘的扩大和减小的程度。举例来说给定一个切割范围的外轮廓，第一圈光离解切割可能在水平切割的前内表面上。第二次圆周光离解切割可能被按照比第一次圆周稍大的半径的圆周进行，以后每次切割都将使圆周扩大一点，直到切割到角膜的表面。这种方式的切割就会形成一个角度大于90度外翻的外围边界。换句话说，角膜上面的切割外围半径将比组织里面的切割半径大。
0084另外的切割图形会使外围轮廓逐渐减小，这种情况下，第一圈光离解切割。第二次圆周光离解切割可能被按照比第一次圆周稍小的半径的圆周进行，以后每次切割都将使圆周缩小一点，直到切割到角膜的表面。角膜上面的切割外围半径将比组织里面的切割半径大。
0085也可以这样理解从内向外每一次的切割半径将会按照一定的数值增大，直到达到垂直切割完成，切割直径达到最大。
0086连接的部分就是在外围轮廓上不会被切割的部分，储藏区被认为最好选择在靠近连接的位置上。激光束沿着几何图形的外周运动。然而一段连续的边界被指定为连接处，在此不会发生光离解。举例来说，在圆形几何边界上，连接处是一段由位置和角度确定的圆弧。当激光到达预定的圆弧位置就会停止，然后高于原位置的地方按原路径返回完成下一圈的切割。这样方式的每一圈都包含着垂直切割部分。在这样的切割方式下，一端垂直切割被掩盖了，因此形成了一个连接。在实施例中，储藏角和连接角是大致相同的。
0087利用激光束提高材料处理的方法和系统正如这里详细披露的那样，能够在包括以前技术的基础上有所创新，应该理解，这仅是本发明的优选的实施例的展示，不是对结构或设计的细节做任何限制，除了本发明的权利要求中所限制的。
权利要求
1.一种形成眼睛角膜前内表面和后内表面的方法，本方法包括如下步骤聚焦激光束并光离解组织以形成储藏区；将激光束焦点指向起始点并光离解起始点的组织；从起点开始沿着预定的路径移动激光束的焦点到多个位置并光离解所到之处的组织以形成前内表面和后内表面，这里所述的表面具有预定义的周缘。
2.权利要求1的方法，其中移动激光束焦点的步骤包括沿着预订的路径以光栅图案的形式移动激光束的焦点，激光束的焦点从起点到终点在基质组织中前后移动，基质组织位于预定的周缘内，终点位于预定周缘的对面。
3.权利要求1的方法，其中移动激光束焦点的步骤包括沿着预订的路径以螺旋图案的形式移动激光束的焦点，激光束的焦点从起点到预定周缘的中心在基质组织中移动，基质组织位于预定的周缘内。
4.权利要求1的方法，其中移动激光束焦点的步骤包括沿着预订的路径以一系列同心圆图案的形式移动激光束的焦点，激光束的焦点从起点到预定周缘的中心在基质组织中移动，基质组织位于预定的周缘内。
5.权利要求1的方法，进一步包括形成外周表面的方法，外周表面扩展一个角度，这个角度是从后内表面到角膜的外表面的夹角，外周表面通过沿着某种路径移动激光束焦点到若干点并光离解组织而形成，这种路径使激光束焦点从角膜外表面附近移动到前内表面。
6.权利要求5的方法，其中形成外周表面的步骤包括在与后内表面夹角大于90度的角度上形成外周表面。
7.权利要求5的方法，其中形成外周表面的步骤包括在与后内表面夹角大于90度的角度上形成外周表面。
8.权利要求5的方法，其中形成外周表面的步骤包括沿着比预定周缘小的路径移动激光束的焦点并光离解组织以形成未切割的组织段，这些组织段象铰链一样，这样前内表面可以被升高但是仍然附着在角膜上。
9.权利要求8的方法，其中所谓铰链位置临近储藏区。
10.权利要求1的方法，其中移动激光束焦点的步骤包括沿着预定周缘留下未破坏的基质组织部分用于形成铰链，这是为了后内表面被暴露出来的时候前内表面和角膜间保持接触。
11.权利要求1的方法，其中移动激光束焦点的步骤包括沿着内表面的整个预定周缘引导激光束的焦点，这样当后内表面被暴露出来的时候前内表面可以从角膜上被完全剥离。
12.权利要求1的方法，其中起点位于角膜外表面之下。
13.权利要求1的方法，其中起点位于角膜的外表面上。
14.权利要求1的方法，其中预定路径被定形为使预定周缘总体上是圆形的。
15.权利要求1的方法，其中预定路径被定形为使预定周缘总体上是椭圆形的。
16.权利要求1的方法，其中预定路径被定形为使预定前内表面总体上是平面的。
17.权利要求1的方法，其中预定路径被定形为使预定前内表面总体上是凸起的。
18.权利要求1的方法，其中预定路径被定形为使预定前内表面总体上是凹进的。
19.权利要求1的方法，其中储藏区外周为前内表面和后内表面。
20.权利要求1的方法，其中储藏区直接连接到眼睛的角膜-巩膜连接处。
21.权利要求1的方法，其中储藏区通过向外的通道连接到角膜-巩膜连接处。
22.权利要求1的方法，其中储藏区通过角膜潜在的的通道连接到角膜-巩膜连接处。
23.权利要求1的方法，其中储藏区在距离前内表明和后内表面较浅的深度上建立。
24.权利要求1的方法，其中储藏区在距离前内表明和后内表面较深的深度上建立。
25.权利要求1的方法，其中储藏区在后内表面的中间位置上建立。
26.权利要求1的方法，其中储藏区通过带有可变激光脉冲能量和/或分离的光离解来控制气体/液体和碎片的堆积。
27.权利要求1的方法，其中储藏区通过带有可变形状尺寸的光离解来控制气体/液体和碎片的堆积。
28.权利要求1的方法，进一步包含在接近预定周缘的角膜组织中创建一个或多个附加储藏区的步骤。
29.权利要求1的方法，进一步包含创建通道的步骤，通道是通过从储藏区到预定的周缘间光离解角膜组织创建的。
30.权利要求1的方法，进一步包含重复移动步骤。
31.权利要求30的方法，其中重复移动步骤使用不同于第一个移动步骤的激光参数。
32.权利要求1的方法，进一步包括沿着不同的预定路径移动激光束焦点到多个位置并光离解所到之处的组织。
33.权利要求1的方法，进一步包括除去角膜层的至少一部分，用来暴露角膜的前内表面和后内表面。
34.权利要求1的方法，其中起点在预定周缘的附近。
35.权利要求1的方法，其中储藏区被创建在预定周缘的附近。
36.一种计算机实现的方法用于引导激光束来形成角膜组织的被割除区域，所述方法包括接收选择用于几何边界；确定角膜显示的几何边界，几何边界具有预定的周缘；接收选择用于切割图案的类型；引导激光束对角膜组织进行光离解来创建储藏区；引导激光束使用所选切割图案对角膜组织进行光离解来得到所选的几何边界，其中切割图案决定角膜组织的前内表面和后内表面。
37.权利要求36中计算机实现的方法，进一步包含确定角膜的中心点以定位角膜几何边界的周缘。
38.权利要求36中计算机实现的方法，其中角膜具有外部表面并且光离解在角膜表面下所选深度上进行。
39.权利要求36中计算机实现的方法，其中切割图案的类型是螺旋形的。
40.权利要求36中计算机实现的方法，其中切割图案的类型是同心圆形的。
41.权利要求36中计算机实现的方法，其中切割图案的类型是光栅形的。
42.权利要求36中计算机实现的方法，其中引导激光束实现对角膜组织的光离解完成水平切除术。
43.权利要求42中计算机实现的方法，进一步包含引导激光束实现对角膜组织光离解的步骤，用于在水平切除术外完成垂直切除术。
44.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区外周为前内表面和后内表面。
45.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区直接连接到眼睛的角膜-巩膜连接处。
46.权利要求36中计算机实现的方法，其中对角膜组织的光离解开始于预定的周缘附近，光离解使用选定的切割图案。
47.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区通过向外的通道连接到角膜-巩膜连接处。
48.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区通过角膜潜在的的通道连接到角膜-巩膜连接处。
49.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区在距离前内表面和后内表面较浅的深度上建立。
50.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区在距离前内表面和后内表面较深的深度上建立。
51.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区在后内表面的中间位置上建立。
52.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区通过带有可变激光脉冲能量和/或分离的光离解来控制气体/液体和碎片的堆积。
53.权利要求36中计算机实现的方法，其中储藏区通过带有可变形状尺寸的光离解来控制气体/液体和碎片的堆积。
54.权利要求36中计算机实现的方法，进一步包含在接近几何边界的角膜组织中创建一个或多个附加储藏区的步骤。
55.权利要求36中计算机实现的方法，进一步包含创建通道的步骤，通道是通过从储藏区到几何边界间光离解角膜组织创建的。
56.权利要求36中计算机实现的方法，进一步包含对引导激光束实现对角膜组织按选定切割图案进行光离解的步骤的重复。
57.权利要求56中计算机实现的方法，其中重复的移动步骤使用与第一个移动步骤不同的激光参数。
58.权利要求36中计算机实现的方法，进一步包含旋转所选的切割图案并引导激光束使用旋转的切割图案实现对角膜组织的光离解。
59.权利要求36中计算机实现的方法，进一步包含选择第二切割图案并引导激光束使用第二切割图案实现对角膜组织的光离解。
60.一种使用激光束在组织中创建前内表面和后内表面时控制气体和碎片堆积的方法，包括如下步骤通过光离解一些角膜组织在角膜组织中创建储藏区；通过光离解一些所述储藏区附近的角膜组织创建主要的切割图案，由此主要切割图案的前内表面和后内表面被塑造出来。
61.权利要求60的方法，其中储藏区外周为前内表面和后内表面。
62.权利要求60的方法，其中储藏区直接连接到眼睛的角膜-巩膜连接处。
63.权利要求60的方法，其中储藏区通过向外的通道连接到角膜-巩膜连接处。
64.权利要求60的方法，其中储藏区通过角膜潜在的的通道连接到角膜-巩膜连接处。
65.权利要求60的方法，其中储藏区在距离前内表明和后内表面较浅的深度上建立。
66.权利要求60的方法，其中储藏区在距离前内表明和后内表面较深的深度上建立。
67.权利要求60的方法，其中储藏区在后内表面的中间位置上建立。
68.权利要求60的方法，其中储藏区通过带有可变激光脉冲能量和/或分离的光离解来控制气体/液体和碎片的堆积。
69.权利要求60的方法，其中储藏区通过带有可变形状尺寸的光离解来控制气体/液体和碎片的堆积。
70.权利要求60的方法，进一步包含通过光离解一些角膜组织在角膜组织中创建一个或多个附加储藏区的步骤。
71.权利要求60的方法，其中主要切割图案具有周缘，并且储藏区限制了主要切割图案的周缘。
72.权利要求60的方法，其中主要切割图案具有周缘，并且进一步包含通道，通道是通过从储藏区到主要切割图案的周缘间光离解角膜组织创建的。
73.权利要求60的方法，进一步包含重复创建主要切割图案的步骤。
74.权利要求73的方法，其中重复的步骤使用不同的激光参数。
75.权利要求60的方法，进一步包含通过光离解一些角膜组织创建第二切割图案的步骤。
76.一种控制材料中气体和碎片堆积的方法，所述方法包含如下步骤通过光离解一些材料在所述材料中创建储藏区；通过光离解一些所述储藏区附近的材料创建主要的切割图案，由此主要切割图案的前内表面和后内表面被塑造出来。
77.权利要求76的方法，其中材料是哺乳动物组织。
78.权利要求76和77的任意一个方法，其中储藏区外周为前内表面和后内表面。
79.权利要求76和77的任意一个方法，其中储藏区在距离前内表明和后内表面较浅的深度上建立。
80.权利要求76和77的任意一个方法，其中储藏区在距离前内表明和后内表面较深的深度上建立。
81.权利要求76和77的任意一个方法，其中储藏区在后内表面的中间位置上建立。
82.权利要求76和77的任意一个方法，其中储藏区通过带有可变激光脉冲能量和/或分离的光离解被建立，以控制气体/液体和碎片的堆积。
83.权利要求76和77的任意一个方法，其中储藏区通过带有可变形状尺寸的光离解被建立，以控制气体/液体和碎片的堆积。
84.权利要求76和77的任意一个方法，其中主要切割图案具有周缘，并且储藏区限制了主要切割图案的周缘。
85.权利要求76和77的任意一个方法，其中主要切割图案具有周缘，并且进一步包含建立通道，通道是通过从储藏区到周缘间光离解材料创建的。
86.权利要求76和77的任意一个方法，其中主要切割图案具有预定的边界，并且创建步骤开始于在预定边界附近的起始点。
87.权利要求76和77的任意一个方法，进一步包含重复创建主要切割图案的步骤。
88.权利要求76和77的任意一个方法，进一步包含通过光离解一些材料创建第二切割图案的步骤。
89.一种利用激光束改善材料处理的方法，包括如下步骤引导激光束焦点到材料表面或之下；在材料光离解的初级图案上移动激光束焦点；在一个或多个次级图案上移动激光束焦点，这些图案专用于这些材料以减少或减轻气体、碎片、流体或其它光离解产物的堆积，这个堆积无论发生在附加激光脉冲所在位置还是材料的其它敏感位置。
90.权利要求89的方法，其中材料是无机的。
91.权利要求89的方法，其中材料是有机的。
92.权利要求89的方法，其中材料是组织。
93.权利要求89的方法，其中材料是眼睛。
94.权利要求93的方法，其中材料是眼睛的角膜。
95.权利要求89的方法，其中一个或多个次级图案包括接近或连接在初级图案上的储藏区。
96.权利要求89的方法，其中一个或多个次级图案包括到材料中已有储藏区的连接，储藏区接近或连接在初级图案上。
97.权利要求89的方法，其中激光束具有脉冲特性，并且激光脉冲特性包含初级和/或次级图案中2-20毫微秒的现场分离。
98.权利要求89的方法，其中激光束具有脉冲特性，并且初级图案中激光脉冲特性包含1-10微焦耳的激光脉冲能量。
99.一种基于计算机的系统，它用于引导激光束来形成角膜组织的被割除区域，系统包括一个输入控制设备；用于存储从所述输入控制设备接收到信息的存储器；一个处理器单元，它连接到输入控制设备和存储器上用来处理信息；一个输出显示器用于显示信息；一个激光源用来产生激光束；一个聚焦机构，它以机电方式连接到处理单元；和一个可运行于所述处理单元上的软件程序，所述软件程序用于执行下面步骤定位激光束焦点并光离解组织来创建储藏区，定位激光束焦点到位于要暴露出来的内表面外角附近的起始点上，并光离解所述的起始点，以及从起点开始沿着预定的路径移动激光焦点并光离解沿路径处的组织，用于创建连接跨越暴露表面的点之间的图案，它形成被割掉的角膜组织层。
100.权利要求99的计算机系统，其中所述移动激光束焦点的步骤包括沿着预订的路径以光栅图案的形式移动激光束的焦点，激光束的焦点从起点到终点在基质组织中前后移动，基质组织位于预定的周缘内，终点位于预定周缘的对面。
101.权利要求99的计算机系统，其中所述移动激光束焦点的步骤包括沿着预订的路径以螺旋图案的形式移动激光束的焦点，激光束的焦点从起点到预定周缘的中心在基质组织中移动，基质组织位于预定的周缘内。
102.权利要求99的计算机系统，其中所述移动激光束焦点的步骤包括沿着预订的路径以一系列同心圆图案的形式移动激光束的焦点，激光束的焦点从起点到预定周缘的中心在基质组织中移动，基质组织位于预定的周缘内。
103.权利要求99的计算机系统，其中软件进一步实现形成外周表面的步骤，外周表面扩展一个角度，这个角度是从后内表面到角膜的外表面的夹角，外周表面通过沿着某种路径移动激光束焦点到若干点并光离解组织而形成，这种路径使激光束焦点从角膜外表面附近移动到前内表面。
104.权利要求99的计算机系统，其中形成外周表面的步骤包括在与后内表面夹角大于90度的角度上形成所述外周表面。
105.权利要求99的计算机系统，其中形成外周表面的步骤包括在与后内表面夹角大于90度的角度上形成外周表面。
106.权利要求99的计算机系统，其中形成外周表面的步骤包括沿着比预定周缘小的路径移动激光束的焦点并光离解组织以形成未切割的组织段，这些组织段象铰链一样，这样前内表面可以被升高但是仍然附着在角膜上。
107.权利要求99的计算机系统，其中移动激光束焦点的步骤包括沿着预定周缘留下未破坏的基质组织部分用于形成铰链，这是为了当后内表面被暴露出来的时候在前内表面和角膜间保持接触。
108.权利要求99的计算机系统，其中移动激光束焦点的步骤包括沿着内表面的整个预定周缘聚焦激光束的焦点，这样当内表面被暴露出来的时候角膜层可以从角膜上被完全剥离。
109.权利要求99的计算机系统，其中起点位于角膜外表面之下。
110.权利要求99的计算机系统，其中起点位于角膜的外表面上。
111.权利要求99的计算机系统，其中预定路径被定形为使预定周缘总体上是圆形的。
112.权利要求99的计算机系统，其中预定路径被定形为使预定周缘总体上是椭圆形的。
113.权利要求99的计算机系统，其中预定路径被定形为使内表面总体上是平面的。
114.权利要求99的计算机系统，其中预定路径被定形为使内表面总体上是凸起的。
115.权利要求99的计算机系统，其中预定路径被定形为使内表面总体上是凹进的。
全文摘要
利用激光束提高材料处理的方法和系统。本方法和系统可以多种优先的形式导引材料表面、材料上或材料下部的激光束，并且利用与材料相应的激光脉冲特性在以下所列的地方减少或减轻气体、残片、流体或其它光破裂副产品的累积或效果。这些地方分别是多余脉冲的集中地或材料的敏感区。
文档编号A61F9/007GK1642490SQ03806783
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月21日 优先权日2002年3月23日
发明者罗纳德·M·库尔茨, 蒂贝尔·朱黑兹, 彼得·戈德斯坦, 伊莫尔·赫格杜斯, 戈登·斯科特·施霍乐, 阿伦·W·伯格, 克里斯托弗·霍瓦斯 申请人:英特拉西有限公司