专利名称：激光能量输出的动态腔外控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及使激光能量输出保持在预定限度内的一种控制系统。
本发明提供一种简单、精确和价廉的系统和方法用于降低从脉冲激光器发射出的脉冲至脉冲之间的能量变化，这种系统和方法尤其对用在外科系统的脉冲激光器，保持它的能量输出在相当接近的容限之内是有益的。
激光器用在眼科学和其它外科专业已有二十五年以上的历史，迄今他们的成功应用，部分是基于外科医生具有能用激光外科装置以一种减少或在某些情况下不再需要长期住院的方式完成各种处理的能力;部分是基于激光装置具有在透过激光的组织内产生深度组织机能损害的能力，相比于惯用的非激光处理有明显的较小的外伤或损伤，而且这种处置能以一种预期的方式进行。
眼科学家是把激光广泛用于外科中的第一批专家。在传统上，他们避免把激光射到太靠近敏感的组织处，因为在该处一个误射的光脉冲，或者过量的激光脉冲有可能导致不希望的，甚至不可挽回的损伤。一种用于减小与误置照射有关的不准确性的方法记载1990年2月6目提交的，由本发明的受让人给出的美国专利申请U.S.No.475，657中。
本发明论述一种为限制与不希望的脉冲至脉冲的能量变动有关的损伤所用的方法和系统。
由一个激光脉冲造成组织破裂的程度其预示性在很大程度上取决于该激光脉冲的能量辐度和分布。由于认识到监视和控制激光脉冲能量变化的需要，美国器件和辐射健康中心(CDRH)和美国食品和药物管理中心(FDA)已建立用于激光发射和可重复发射的脉冲变化的容限，以及在每次激光外科处置之前测试激光发射的方法的标准和准则。FDA要求触发少量的试验脉冲，并进行取样，对激光在进行给定的外科处置之前对其性能进行评估。
用于表征激光发射特性的一种常用的技术是，对大量脉冲的总的发射进行测量，如果能量的平均量和平均偏差位于预定值的预定容限之内，那么可以认为该器件满足规定的要求。换言之，这些方法视标准或平均偏差是否超过最大的脉冲至脉冲的偏差。在实际中所用的一个典型的标准是脉冲至脉冲能量的变化为20%。
在光致破裂技术中，对生物组织或任何其它种类材料的损伤通常是与有多少能量从激光脉冲传递到材料成比例的。
如果能量值远远超过能量密度和辐照度阈值，由20%脉冲变化所引起的损害大小的不同可能不到20%，符合一般的比例规律。然而，如果处置工作是在刚超过损伤阈值的某一值上进行。那么，甚至由20%或以下的的脉冲变化所引起的损伤损害大小的不同可能约为300%至400%，或更高一些。
采用严格的平均型标准的缺点是，对一系列激光脉冲来说低的平均容值可能得到满足，但仍然存在着有害的大的最大值脉冲能量偏差。如上概述，大的脉冲至脉冲能量起伏可能造成人体组织内可观的和不希望的损害。作为这种损伤的例子是，在进行角膜屈光手术时由准分子激光器所产生的非一般大的单脉冲可能造成的内皮细胞的损失。在该例子中，从角膜的前表面上脱落处向后传布到角膜内的压力波可能变得相当强大致使内皮细胞机能障碍，在某些情况下导致视觉缺损。
其它的例子是用激光进行后部晶状体囊切开术，对这种眼科医生把激光对准晶状体的膜，并用光破裂它。考虑到在美国每年大约有1200万白内障患者需进行外科手术，而患者中的20%左右需进行这种后部晶状体囊切开术，因此在进行这种手术中就需要对激光的能量进行完全的和有效的控制。许多制造者的手册建议外科医生或使用者从后面把激光射到眼玻璃体内的后晶状体囊膜上，并且从后面逐步趋近作为目标的膜层，以此来避免在进行白内障手术时任何可能造成的晶状体凹陷。如果初始激光脉冲对准得太靠后以致不能对到后晶状体囊上，或者如果所发射的脉冲能量远远超过预定的值，那么一个十分强大的压力波能传播到玻璃体视网膜交界面，在视网膜上造成足够大的牵引作用，致使视网膜脱离，这种视网膜脱离是一种采用激光对后晶状体囊切开手术后通常出现的并发症。
根据本发明，首次认识到倘若努力去控制激光能量的发射时，激光器的内参数就受到改变，这种参数的变化经常会引入复杂的瞬态变化。这种额定值的偏离常常是非线性的，而存在采用假定迭代减小的办法来专门建立一组脉冲至脉冲可重复的输出参数。因此，本发明的重要之点在于激光器的参数不受到调制或控制。只有激光发射，一旦超出共振腔并进入激光系统的发送装置，就应该将该发射取样和控制在预定的限度值内。
一种惯用的用于监视和控制外科激光系统中所用激光器的能量发射的方法是(1)把能量探测器放置在共振腔内的反射器后面，(2)取透过反射器传输到探测器的规定脉冲数的平均值，(3)依据这种求取的平均值，改变加到激光介质上的能量用以对所发生的变化进行补偿。对于准分子激光器，通常可以采用改变使激光介质受激的放电电极上的电压来取得能量的改变。这种电压的变化表明其足以使准分子激光器的能量发射的标准偏差，在正常良好的工作情况下，可被限制在10%的平均容差范围内，对此，可参见美国专利U.S.P.No.4，611，270。这样一段良好的外科操作条件的持续时间，或者控制最大的脉冲至脉冲的变化对准分子激光器和许多其它激光系统来说是一个未解决的问题。由于改变加到放电电极的电压可能在激光发射中引起强的非线性变化。因此，提出对这些方法予以改进，使容差进一步降低。
在外科，对激光器的发射需较好控制这一要求是来自需精细地控制组织损伤的要求，对这一点，尤其在眼科手术中更为需要。对外科激光系统，要求该系统在接近介电击穿阈值处工作，或者依靠由激光感生等离子体分解的结果的产生的向外扩展的冲击波来产生均匀的激光损害。对此，紧紧地控制激光器的能量发射是实现精确、可预示的、安全的外科手术结果的关键之一。光发射的取样应该是连续的，不限于在手术处置之前的几个有代表性的脉冲，而需对整个手术处理过程的动态相互作用取样。
因此，本发明包括动态监测和控制外科手术系统的激光器能量输出的装置和方法，以使非常窄的脉冲至脉冲误差容限可以得到满意的监控。在一个优选的实施例中，这种监控可以通过放置一个探测器在激光发射装置的分束镜的后面来取得，该探测器对从激光外科系统发射的每个激光脉冲的已知的小部分能量取样，它是完全由激光器本身受激励出来的能量。用电子学方法对探测器的信号进行放大，并把放大的信号与由操作者预选定的标准所产生的软件进行比较，以得到两个被预示的能量值，和可以接收的能量偏差，由计算机程序操作一个可变的衰减器来反复调整输出直至达到所要求的值。最好是在每个脉冲之后进行校正。在系统对容差不满意的情况下，对安全断续器或其它器件可传送指令，中断激光束的传送。因而，该系统可以重新自动连续进行指定的操作步骤。
本发明系统，在使用高功率激光器致使生物组织和其它材料内引起光致组织机体破裂时将提供一种比较均匀的结果。
本发明的目的在于提供一种相当简单、但是更为精确、正确、安全和可靠的用于激光束供给系统，尤其是激光外科领域的激光能量发射值的控制系统。发明的其它目的，优点和特性将由下述的优选实施例的说明，并结合附图予以说清楚。
图1，表示使用本发明的能量监视和控制系统的一个激光束供给系统例子的示意图。
图2，表示图1所示系统的光学部分的示意图。
图3，表示可用于本发明系统的一种类型的能量值探测器的示意图。
图4至图8表示在不同情况下，激光能量对所进行的激光射束时间的标绘图;图4至图6表示激光能量没用到本发明的能量控制系统;图5至图7表示激光能量使用本发明的控制系统所取得的控制结果;
图8表示尽管加上控制而由于超过的能量而使激光发射的终止。
在上述附图中，附图1表示一个用于医学激光外科系统和外科处置的激光发送系统10，在上下文的附图和对此所作的讨论中，所描述的激光外科装置与眼科有关;然而，其它形式的精密的显微外科以及精密的工业显微机械加工也可以利用本发明的原理和系统来完成。
如图1所示，激光束12由激光源14发射出，在激光器14受到激励和与其有关的所有激光脉冲成形之后，激光束12通过合适的包括反光镜16在内的光学元件行进，光束沿着如图1所示的向上方向的光路行进，直至到达一个光束强度衰减器18。
光束强度衰减器18可以取任何一种形式的，只要它能以相当快的响应时间进行光衰减就可，其响应时间小于1毫秒量级。在本发明的一个优选实施例中，光衰减器18由一种偏振型的衰减器组成，它作用在线偏振激光束12上。由此，衰减器18可以包括一个偏振器20(例如，一个检偏器)以及一个半波推迟片22。如图所示，半波推迟片安置在一个转台24上，通过转台使半波推迟可以被定位到不同的转动角度以此来增加或减小光的衰减度。在推迟片转动时，受激光束的偏振面以两部于推迟片的速度转动。因此，推迟片22转动45°就要求偏振面从一个平行方向转到另一个平行方向，转动了90°，也就是从全透射转到了全衰减。众所周知，偏振器20，在其偏振方向与从推迟片22出来的光束的偏振方向一致时，将基本上100%地透过光强，同样，可以通过调节半波推迟片22的角度位置把光强进行衰减，可以降到零或接近零的光强度。
由衰减器18出来的激光束12可以通过各种附加的光学元件，如图1所示，这些元件包括，透镜组件26用于进行扩束成平行光束12a，反光镜28、30和分束镜32、34对平行光束12进行反射和分束，反光镜30可以是一个可倾斜的光束转向控制镜。
需了解，本发明在图1中所示的光束发送系统仅是一个举例。在下述的图3中，表示的本发明的原理是光束发送系统的基本所在。
如图1所示，经扩束的光12a到达分束器36，由分束器36透射一小部分的光束12b，而将其余部分光反射到位于图的左上方的一个物镜组件38，由物镜38把光束聚焦到一个目标，例如图1中所示的眼睛40上。
图2示意表示图1所述系统的后面部分，具有分束器34和36，以及物镜组件38用以把聚焦光束定位在眼睛40上，如附图所指，分束器34和36可以传输光到眼睛或传输从眼睛返回的光。但是，这些功能和装置不构成本发明的一个部分，仅仅是作为一般性的表示。
通过分束器36透过的非常低能量的光束部分12b代表激光光束的强度，也就是代表发送到眼睛的光束的能量水平。
在图1中，光束部分12b射向光强度或能量值传感器42。该传感器可以采用任何精确的、快速响应的强度或能量灵敏器件，例如采用由图3所示的那种。
如图1(或图3)中示意的，传感器42发送一个用直线44表示的电信号到控制器，例如一个微处理器46上，控制器或处理器46采用合适的算法编辑程序用以接收和响应所接收能值的变化，最好进行脉冲至脉冲变化的处理，对此下面将进一步描述。从一个预定的最佳或所需要的值出发对能量输出变化的预选的容限大小编成程序送入控制器46，由控制器对偏离预置的或所需能值的能值变化作出响应，以公式的形式沿图示直线48把信号发送到由马达驱动的转台24，来控制驱动1/2波长推迟片22。
图1和3也表示本发明的其它特性，如果探测到某个激光脉冲偏离预置值，该偏离值超过预选的容限，那么激光器的发射停止，(同样，如果激光脉冲能量比预置值低得多、激光器发射也停止)。如果探测到在容限之外的激光发射，则微处理器/或控制器46就发出一个信号49，该信号被送到光束开关器50，同时立即在下一个脉冲发射之前挡断该激光发射。开关器50，例如可包含一种VincentUniblitz开关。
图3示意一种普通型的积分光强探测器，方框图中表示本发明的系统。积分球52有一个开孔54，允许小部分光通过该孔，即，以符号56表示的处理光束可进入开孔，该光束在图1和2中用直线12b表示。由于光束12b可以是一种扩束的光束，所以可以在积分球之前设置一个正透镜把光束聚焦进入球内。
依据众所周知的原理，积分球52聚焦和漫射取样的光，可以用能量监测装置42来探测经过积分取样光的强度。能量监测装置42包括一个光探测器58，例如一个硅光二极管，用以接收通过带通滤光片60的光，带通滤光片60是一个窄带滤光片，它可以专门通过激光光束的波长，而滤掉任何其它外来的光，这种外来光可能从系统所用的照明光源，或从任何其它方式进入系统的非激光光源被引进积分球内。已知，探测器接收近似于与聚焦光56的进入方向成90°的入射光，只在这种情况，光才通过积分球内的第二个孔62。
如图3所示，来自光探测器58的信号可以进入一个取样和保持装置64，放大器66和缓冲器68。然后最终的处理信号44被送入微处理器控制器46。
图4，5，6，7和8以图表方式表示激光能量与时间的关系，或激光能量对各次激光发射脉冲的关系。图4和6表示由NdYAG激光器发出的一系列没有受到控制的连续脉冲的激光能量。图4和6所描绘的图代表不同的瞬间，和表示光能量的不同趋向。在所有的情况下，NdYAG激光器的预置能量为500毫焦耳，图4至8所示的曲线图表示本发明的系统受到了实际的控制，下面描述所用的控制算法。
一种适用本发明系统的最佳算法是，为控制的目的，对激光能量的移动平均值进行计算。最好，为了伺服控制，在每次激光发射后，再次计算激光能量的移动平均值。在一种最佳的实施中，使用最后10次光发射，在每次发射后，再次计算激光能量移动平均值。取移动平均值与该系统所需能量或预置能量之间的差。在每次发射之后，用差值量来调节光束的能量(可用上述的衰减器18来调节)。通过调节以对由最后的计算移动平均值所表示的偏移进行补偿。
用本发明系统所取得的结果表示在图5和7中，从这些图中可见，输出能量值保持在所需500毫焦耳的闭合的包迹内，起伏通常不超过15%。
图8示意上述的激光发射的停止特征。在图8中，激光器的输出由于出现单脉冲超过每个脉冲的预置限值而由光束开关器50予以关断，单脉冲出现在立即关断之前。在该例子中，预置限值定在偏离500毫焦耳所需能量的15%变动处。
上面所述的优选实施例目的在于举例说明本发明的原理，但是并不限制它的范围。其它实施例和对上述优选实施例所作的变动，将对本领域的普通的技术人员来说是显而易见的，并且可以不偏离如下述权利要求的规定的本发明的精神和范围内进行。
权利要求
1.一种激光光束发送系统，该系统包括一个激光器以及用于对由激光器产生的脉冲激光光束进行脉冲成形参数监控的装置，其特征是，一个能量输出传感器接收一部分来自激光光束发送系统的激光光束能量，该能量输出传感器安置在所有与激光器有关的经参数成形的激光脉冲输出方向上，能量输出传感器具有激光器操作期间对激光能量进行不断监测的装置，其中包括用于监测脉冲至脉冲间能量与预置的所希望的能量输出值之间偏差的装置，一个激光束强度衰减器，设置在能量传感器的前部光路上，强度衰减器具有改变激光束光强，从而改变通过衰减器的激光束能量输出的功能，一个控制装置，用于接收来自激光能量传感器的信号，并调节激光光束强度衰减器到某一个衰减水准，以响应激光能量的输出与预置的所希望能量输出值之间的偏差的传感。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是，控制装置还包括用于关断激光发射的装置，该装置用在能量传感器测定到经过衰减器和控制器的激光光束能值没有保持在预定容限内时关断激光发射。
3.如权利要求2所述的系统，其特征是，激光束发射的关断装置包括，在任何只要接收到单个激光脉中其能值变化超过预置能值的预定容限时就断开光发射的装置。
4.如权利要求1的所述系统，其特征是，激光束是线性偏振的，激光束强度衰减器包括一个线性偏振器和一个装在转台上的半波推迟片，旋转半波推迟片的装置用于控制响应来自所述控制装置的信号的激光束的振幅。
5.如权利要求1所述的系统，其特征是，控制装置依据刚发出的序列脉冲选定激光脉冲数的移动平均值计算的算法进行操作，在每次激光发射之后，取移动平均值和预置的要求值之间的差值，再根据所述的差值量用衰减器对由移动平均值表示的变化进行补偿，从而实现光束能量输出的调节。
6.如权利要求5所述的系统，其特征是，控制装置还包括在激光传感器探测到的一个单个激光脉冲其能值与预置能值的偏离超过预定的容限值时断开激光能量发射的装置。
全文摘要
一种激光光束发送系统，该系统包括一个激光器以及用于对由激光器产生的脉冲激光束进行脉冲成型参数监控的装置，其特征是一个能量输出传感器接收一部分激光光束发送系统的激光光束能量，还有一个激光束强度衰减器，设置在传感器前部光路上，用来改变激光束光强，一个控制装置，用于接收来自激光能量传感器的信号，并调节激光光束强度衰减器到某一个衰减水准，以响应激光能量的输出与预置所希望能量输出值之间的偏差的传感。
文档编号H01S3/101GK1069600SQ91105538
公开日1993年3月3日 申请日期1991年8月12日 优先权日1991年8月12日
发明者H·阿尔弗雷德·斯克拉, 杰兹·欧基泽乌斯基, 安德雷·M·里斯特万 申请人:凤凰激光系统有限公司