专利名称：借助激光辐射进行材料处理的装置和方法
技术领域：
本发明涉及借助激光辐射进行材料处理的装置，所述装置具有激光辐射源，该激光辐射源发射用干与材料相互作用的脉冲激光辐射；光学装置，该光学装置将脉冲处理激光辐射聚焦到材料中相互作用中心；扫描单元，该扫描単元在材料内调节相互作用中心的 位置，其中每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相互作用，使得材料在相互作用区中分离；和控制单元，该控制单元控制扫描单元和激光辐射源，使得在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面。本发明还涉及借助激光辐射进行材料处理的方法，其中产生脉冲激光辐射，为了相互作用而聚焦到材料中相互作用中心上，并且在材料中调节相互作用中心的位置，其中，每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相互作用，使材料在相互作用区中分离，并且在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面。本发明还涉及借助激光辐射进行材料处理的装置，所述装置具有激光辐射源，该激光辐射源发射用干与材料相互作用的脉冲激光辐射；光学装置，该光学装置将脉冲处理激光辐射沿光轴聚焦到材料中相互作用中心；扫描单元，该扫描単元在材料内调节相互作用中心的位置，其中，每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相互作用，使得材料在相互作用区中分离；和控制单元，该控制单元控制扫描单元和激光辐射源，使得在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面。本发明还涉及借助激光辐射进行材料处理的方法，其中产生脉冲激光辐射，并为了相互作用将该脉冲激光辐射沿光轴聚焦到材料中相互作用中心上，并且在材料中调节相互作用中心的位置,其中每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相互作用，并且材料在相互作用区中分离，并且在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面。
背景技术：
这些装置以及对应的材料处理方法尤其适于在透明材料内产生弯曲的切割面。例如以激光手术方法、并且尤其地在眼科手术中产生弯曲的切割面。在这种情况下，治疗激光辐射聚焦到组织中，即在组织的表面下方聚焦到相互作用中心。由此在周围的相互作用区中分离材料层。该区通常对应于焦点斑。通常如此选择激光脉冲能量，使得在相互作用区中在组织内产生光学穿透。在组织中，由激光辐射脉冲启动的多个过程在时序上在多个光学穿透之后发生。首先，光学穿透在材料中产生等离子泡。一旦这样的等离子泡形成，则其由于扩展的气体而成长。接下来，在等离子泡中产生的气体由周围的材料吸收并且泡再次消失。但是，该过程花费比形成泡本身长非常多的时间。如果在甚至可能位于材料结构内的材料界面处产生等离子，则实现从所述界面的材料去除。然后这称为光蚀除作用。结合先前分离连接的材料层的等离子泡，人们通常讲到光致破裂作用。为简化起见，所有这样的过程在此总结为术语“相互作用”，即该术语不仅包括光学穿透，而且包括任何其它的材料分离效应。对于高精度的激光手术方法，不可缺少的是确保激光束效应的高度定位并且如果可能的话，避免对相邻组织的间接损伤。因此，在现有技术中通常是以脉冲形式应用激光辐射，使得仅在单个的脉冲中超过启动光学穿透所需的能量密度的阈值。在这方面，US5，984，916清楚地示出只要脉冲持续时间超过2ps，则相互作用区的空间范围仅取决于脉冲持续时间。对于不多的IOOfs的值，相互作用区的尺寸几乎独立于脉冲持续时间。因此，与非常短的脉冲、即低于Ips的脉冲结合的激光束的高度聚焦允许相互作用区在高度精确性的情况下插入材料。近年来这样的脉冲激光辐射的使用已建立，尤其用于眼科学中视觉缺陷的激光手 术矫正。眼睛的视觉缺陷常常是由于角膜和晶状体的屈光特性不会在视网膜上形成最优聚焦。这种类型的脉冲也是在此描述的本发明的主題。前述US 5，984，916描述了通过合适地产生光学穿透来产生切割的方法，从而最终对角膜的屈光特性施加选择性的影响。连续布置多重光学穿透，使得切割面在眼睛的角膜内隔离透镜状的部分体积。然后经由侧向开放切割从角膜去除与剰余的角膜组织分开的透镜状部分体积。选择部分体积的形状，使得在去除时，角膜的形状改变并因此的屈光特性改变以便产生视觉缺陷期望的矫正。在此所需的切割面是弯曲的并且围绕部分体积，这需要焦点的三维调节。因此，激光辐射的ニ维偏转同时与焦点沿第三空间方向的调节相结合。这在此通过术语“扫描”、“调节”或“偏转”总结。当在材料中通过光学穿透的连续布置构成切割面吋，比直到由此产生的等离子由组织再次吸收为止快许多倍的速度产生光学穿透。从A. Heisterkamp等人,在DerOphthalmologe, 2001,98 :623-628中的公开物中已知在已产生光学穿透之后，等离子泡在眼睛角膜中形成在产生光学穿透的焦点处，该等离子泡能够与相邻的泡一起成长以形成宏观泡。公开物解释径直地成长的等离子泡的结合降低切割的质量。因此，所述公开物提出其中不产生彼此直接相邻的单个的等离子泡。相反，在连续产生的光学穿透之间以螺旋形轮廓留有间隙，该间隙在第二次通过螺旋时被填充以光学穿透和由此得到的等离子泡。这用于防止相邻等离子泡在成长中的结合并改善切割的质量。为了实现良好的切割质量，因此现有技术使用以其产生光学穿透的特定的顺序。这用于防止成长的等离子泡的结合。当然由于需要切割，其中尽可能少的桥状物连接材料或组织，所以最終，所产生的等离子泡在任何情况下都必须成长到一起以形成切割面。否贝1J，材料连接将保留并且切割不完全。
发明内容
因此，本发明的任务在于不需要确定激光脉冲引入的顺序地在材料中产生良好质量的切割。根据本发明，该任务在第一变体中通过首先提及的根据本发明类属的装置来实现，其中控制单元控制激光辐射源和扫描单元，使得相邻的相互作用中心以彼此位置间隔ΙΟμπι地定位。在第一变体中，该任务还通过首先提及的类属的方法实现，其中相邻的相互作用中心以位置间隔a彡10 μ m地定位。在本发明的第二变体中，该任务通过首先提及的类属的装置实现，其中对于每个相互作用中心，脉冲能流F低于5J/cm2。在第二变体中，该任务还同样通过首先提及的类属的方法实现，其中相互作用区被施加以脉冲，所述脉冲的能流F各自低于5J/cm2。在本发明的第三变体中，该任务通过第二提及的类属的装置实现，其中控制单元控制激光辐射源和扫描单元，使得切割面具有两个沿光轴相邻的部分，并且所述部分至少部分地在时间间隔t ^ 5s内由激光脉冲照射。在第三变体中，该任务还通过第二提及的类属的方法实现，其中切割面具有两个沿光轴相邻的部分，所述部分至少部分地在时间间隔t ^ 5s内被施加以激光脉冲。
本发明从以下认知出发，S卩材料中相互作用区彼此影响。因此，激光束脉冲的效应取决于在多大范围内、在相互作用中心附近已出现先前的激光作用。通过这种情形，发明人推断产生光学穿透或形成光学穿透所需的脉冲能量取决于到最接近的相互作用中心的间隔。根据本发明的所有的变体均利用该认知。根据变体1，相互作用中心之间的间隔，例如相邻光学穿透的焦点位置之间的间隔的，根据发明的最小化使得减少处理脉冲能量成为可能。描述脉冲能量的參数是能流、即每単位面积的能量或能量面密度。因此，具有小于IOym的间隔的、根据本发明的变体I提出可归因于发明人的首次发现的方面。另ー方面在于现在明显减少处理激光脉冲的能流。因此，变体2涉及与变体I相同的方面，但其未规定间隔的上限，而是规定了能流的上限。因此，本发明所有的变体提供通过引入脉冲激光辐射产生切割的框架条件，其中，所述框架条件考虑直接相邻引入的脉冲的效应。关于脉冲长度，在此应用US 5，984，916的解释，即使用低于lps、优选地几个lOOfs、例如300-500fs的脉冲。尽管本发明限定了间隔的上限，但这指的是空间最靠近的相互作用中心的间隔。由于通常通过多重连续布置的相互作用中心产生切割面，所以为简化起见，该间隔可理解成在材料中单个激光脉冲的激光焦点间隔的平均值。如果沿切割面基本上为ニ维的出自相互作用中心的栅格不对称，则该间隔也能够是特征平均间隔。在现有技术中已知使用激光辐射源并改进由此给出的激光辐射源，使得它们不会在材料中引起处理效应。于是仅仅部分激光辐射脉冲将用于处理。对于本说明书使用的术语“激光辐射脉沖”、“激光脉沖”或“脉沖”，这总是意味着处理激光脉冲，即设置用于或形成用于或适合干与材料相互作用的激光辐射脉冲。通过本发明降低器械的开支，因为减少脉冲尖峰性能。由于相互作用中心减小的间隔，所以如果处理持续时间保持恒定则増加脉冲序列频率。此外，在光学穿透的情况下产生的等离子泡越小，则切割越精细。但是，现有技术总是以较大的相互作用中心的间隔来エ作，并且相应高地选择脉冲的能流，以便可靠地获得光学穿透和对应地适于该间隔的大等离子泡。同时，较小的能流也在材料处理期间减小人员危险。这在眼外科手术方法中尤其重要。证实了尤其有利的是现在能够以IM危险级的激光来工作，然而在现有技术中需要激光等级3。该等级需要操作人员、例如医生或护士穿戴保护镜，这自然使患者感觉不安。现在根据本发明可能在IM等级的激光的情况下，不再需要这样的保护措施。
因此，根据本发明还为借助激光辐射进行材料处理提供改进的或独立的装置，所述装置具有发射激光辐射源，该激光辐射源发射用干与材料相互作用的脉冲激光辐射；光学装置，该光学装置将脉冲激光辐射聚焦到材料中相互作用中心；扫描单元，该扫描単元在材料内调节相互作用中心的位置，其中，每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相互作用，使得材料在相互作用区中分离；以及具有控制单元，该控制单元控制扫描単元和激光辐射源，使得在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面，其中，采用危险等级低于3的激光、优选地危险等级为IM的激光。危险等级的指示涉及国际标准IEC 60825-1在其2005年10月13日生效的版本中。类似地，(作为独立的或作为改进)提供借助激光辐射进行材料处理的装置，所述装置具有激光辐射源，该激光辐射源发射用干与材料相互作用的脉冲激光辐射；光学装置，该光学装置沿光轴将脉冲激光辐射聚焦到材料中相互作用中心；扫描单元，该扫描単元在材料内调节相互作用中心的位置，其中，每个激光脉冲在围绕分配给所述激光脉冲的相互作用中心的区中与材料相互作用，并且材料在相互作用区中分离；所述装置还具有控制单元，该控制单元控制扫描单元和激光辐射源，使得在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面，其中使用危险等级低于3的激光、优选地危险等级为IM的激光。这作为改进也分别可用于前述每个装置或前述每个方法。除非另有说明，这应适用于每个所描述的有利的设计、改进或实施。 由发明人进行的研究表明，光学穿透仅在超过特定的阈值M时产生，该阈值M根据等式M = 3. 3J/cm2-(2. 4J/cm2) / (l+(a/r)2)而依赖于相邻的相互作用中心的间隔a。仅在高于阈值M的脉冲能流时通过各个单个的激光脉冲确保光学穿透。出现在所述等式中的參数r在此表示相邻的相互作用区的影响的、实验得知的平均作用范围。取决于应用，在此可存在波动，使得值可能有3至10 μ m之间的变化,优选地r = 5 μ m。在本发明的改进中，对于本发明的变体2所提及的脉冲能流的上限同样基于阈值关于相邻的相互作用中心的间隔的前述关系。因此，改进优选地在于能流超过阈值M不多于3J/cm2的过多能量。由此限定的范围提供特别好的切割质量，而与此同时确保光学穿透的引发。如果过多的能量进ー步増加，则将产生不必要地大的等离子泡，并且切割的质量将恶化。但是，现在产生切割不再严苛地需要以光学穿透来工作。发明人已发现如果相互作用区重叠，即使在脉冲激光辐射的能量低于用于引发光学穿透的阈值的情况下，也能够分离材料，进而能够形成切割面。因此，提供改进，其中两个彼此跟随的脉冲的相互作用中心的位置间隔a小于焦点的尺寸d，使得彼此跟随地被施加以激光辐射的材料体积、即相互作用区，相互重叠。通过该实施，在不形成等离子泡的情况下导致材料分离，这将产生特别平滑的切割。有利地，于是激光脉冲的能流也能够减小到低于已说明的阈值，因为由于相互作用区的重叠所以整体仍然实现组织分离效应。于是单个激光脉冲不再可靠地产生光学穿透；只有当相互作用区重叠时才形成组织的分离。这使得脉冲能量比现有技术状态的脉冲能量低几个数量级；同时又提高切割的质量，因为时间上彼此跟随地产生的相互作用区重叠。因此，当考虑Ι/e2直径(e =欧拉常数)吋，相互作用中心的间隔从零变化到焦点的直径，所述焦点直径例如在I与5 μ m之间。根据本发明的切割产生非常精细的切割，因为分别由于减小的间隔或减小的脉冲能量，以、或者能够以对应小等离子泡来工作，或者甚至在没有、或者能够在没有等离子泡的情况下工作。但是，精细的切割面也可能是不利的，例如如果操作者必须至少部分视觉识别切割面吋。这是例如在根据飞秒准分子激光原位角膜磨镶术(fs-LASIK-Verfahren)的激光手术中的情形。在此通过激光辐射的作用隔离的部分体积首先通常由外科医生利用抹刀从到周围的材料的任何残余桥状物中释放出来，该部分体积通过侧向切割从组织中去除。为此目的，外科医生将抹刀推入由侧向开放切割形成的凹口中，并且通过抹刀抽出该部分体积。在非常精细的、即平滑的切割面的情况下，可能出现外科医生不再能够从外部看到材料中切割面的分布。因此，他不能知道部分体积的周边处于哪里，并且将不能可靠地引导抹刀。为了解决这些问题，提供开头所述类型的方法，其中切割面分成至少两个部分表面，并且ー个部分表面通过产生较粗糙的、从而较不平滑的切割面的操作參数形成。在上述类属的装置中，控制单元进行激光源和扫描单元的对应的控制。优选地，所述较粗糙的切割面将设置在周边处，这由此对于用户容易识别，并且这例如在眼科手术中对于切割面的质量而言并不重要。因此，两个部分表面至少在影响切割面的精细度的一个參数上彼此不同。例如，可能的參数是所使用的激光脉冲的能流或相互作用中心的位置间隔。将可原则上以不同的方式实现并且不局限于在此描述的本发明的方法与本发明的前述变体结合，便利的是，控制单元控制激光辐射源和扫描单元，使得切割面至少由第一和第二部分切割面构成，其中，该第一部分切割面通过根据前述发明的概念的、激光辐射源和扫描装置的控制来产生，而第二部分切割面通过控制激光辐射源形成，其实施大于3J/cm2，优选地大于5J/cm2的脉冲能流。在此当然也能够设置a > 10 μ m，因为大的等离子泡。于是后一部分表面自动具有期望的较粗糙的结构并且便于切割面由操作者或外科医生的识别。类似的方法相应地设计，以本发明的方法之一、以大于3J/cm2的脉冲能流、优选地大于5J/cm2的脉冲能流来产生第二部分切割面。便利地，较粗糙的部分表面选择成使得其围绕较精细的部分表面，以便外科医生能够很好地识别切割面的周边，并且不会有害地影响(在眼科手术的情况下)所治疗的眼睛处的光学成像。本发明所基于的发现还表明可靠地实现光学穿透所需的阈值随相互作用中心的间隔减小而减小。由发明人进行的分析还表明由于激光脉冲分别与材料或组织的相互作用所形成的等离子泡能够随时间变化，正如由Heisterkamp等人公开的那样。但是，该公开物集中在防止相互作用中心靠近刚刚成长的等离子泡，而本发明的变体3的目的是使宏观泡的变形不会影响切割的质量。如果光学穿透在变形的材料或组织中位于特定的位置，则一旦通过放松所述变形回复，则材料或组织内的相互作用中心的位置移动。因此，在第三变体中设想在材料或组织的彼此潜在影响的两个区域中保持激光能量应用之间的时间如此的小，以致该时间小于用于形成宏观泡的特征时间。其大约为5s。当然，只有存在两个沿光轴彼此相邻的切割面的部分时才需要该方法，因为只有在此时通过产生切割面部分所引起的变形对沿光轴邻近该切割面部分的其它切割面的形成有影响。该设想在飞秒准分子激光原位角膜磨镶术(fs-LASIK-Verfahren)期间对产生部分体积尤其重要。所述也称为扁豆体(Lentikel)的部分体积由切割面的后部和前部产生， 以便切割面总体上围绕该扁豆体。但是，在用于形成宏观泡的特征时间内一起产生后部和前部可导致对扫描单元偏转速度相对高的要求或不可避免地导致特定的扫描路径。优选地，这能够通过将后部和前部分成部分表面和巧妙地选择这些部分表面的处理顺序来避免。在一个实施例中，两个区域分成环形部分表面。由于在扁豆体的情况下，中心部分表面比周边区域对光学质量具有强得多的影响，所以首先产生与后部的中心部分表面相对应的切割，并接着产生与前部的中心部分表面相对应的切割，以便彼此时间上相邻地形成部分表面。然后，切割后部的环形部分表面，并接着切割前部的环形部分表面。该原理同样能够在任意多的部分表面的情况下实现。实际限制在于前部与后部之间的切换总是需要沿光轴移动激光焦点，这在扫描期间出于技术原因占用大部分的时间。在该设想中，需重点注意的是每个环形或圆形后部分表面的直径应稍大于接下来产生的各个前部分表面的直径。这确保接下来待产生的后部分切割不仅仅使用作散射中心的、位于前面的干扰泡不可能。后部分切割必须比与其相关的前部分切割大出的最小量由聚焦光学器件的数值孔径给出。
使时间间隔低于特征时间的另一可能性在干以从外到内延伸的相互作用中心的螺旋来产生后部和以从内到外延伸的螺旋来产生前部。这确保在5s的时间间隔内、至少在中心区域中形成沿光轴相邻的部分。当然，该方法能够应用于已提及的部分表面划分。因此优选的是控制单元控制激光辐射源以及扫描単元，使得邻近光轴的部分至少部分地直接在时间上彼此跟随地通过相互作用中心的连续布置来照射。类似地考虑同样适用于根据本发明的方法的实施例。
以下将參考附图示例性地更详细地说明本发明，其中图I示出用于眼睛治疗的激光手术器械；图2示出在图I的器械中激光辐射作用到眼睛的角膜上的示意图；图3示出对如何通过图I的器械产生并隔离部分体积进行说明的示意图；图4示出图I的器械的偏转装置；图5示出对图I的器械的结构的方框图；图6示出由图I的器械产生的光学穿透的中心的间隔与脉冲能量之间的关系，其中示出用于图I器械的可能操作范围；图7示出与图6相类似的示意图；图8示出用于更清楚地说明产生的等离子泡的位置或由此产生的切割面的示意性平面图；图9示出沿线Al-Al的图8示意图的剖视图；图10示出当通过根据图I的器械产生切割面时，多个相互作用区的布置的示意图，以及图11和12示出与图10相类似的用于改进的操作模式的视图。
具体实施例方式图I示出用于患者眼睛I的治疗的激光手术器械，其中，所述激光手术器械2用于实施屈光矫正。为此，器械2将治疗激光束3发射到其头部固定在头部保持器4中的患者的眼睛I上。激光手术器械2能够产生脉冲激光束3，使得能够实施在US5，984，916中所描述的方法。例如，治疗激光束3由具有10至50kHz之间的脉冲重复频率的飞秒激光脉冲组成。在实施例中，器械2的结构部件组由一体化的控制单元控制。如图2示意性所示，激光手术器械2具有辐射源S，其辐射聚焦到眼睛I的角膜5中。利用激光手术器械2，通过从角膜5去除材料来矫正患者的眼睛I的视觉缺陷，使得角膜的屈光特性改变期望的程度。在此，从位于上皮和前弹カ膜(Bowmanscher Membran)下方以及位于后弹力膜(De cemetscher Membran)和内皮上方的角膜基质去除所述材料。
通过利用可调节的透镜系统6将高能量脉冲激光束3在位于角膜5中的焦点7上聚焦，以在角膜中分离组织层，来实现材料去除。在此，脉冲激光辐射3中的每个脉冲在组织中产生光学穿透，这样的光学穿透又启动等离子泡8。因此，组织层分离覆盖比激光辐射3的焦点7大的区域，即使仅在焦点7中达到用于实现穿透的条件。于是，在治疗中通过激光束3的合适偏转产生许多等离子泡8。这在图3中示意性示出。然后等离子泡形成限定基质的部分体积T、即要从角膜5去除的材料的切割面9。该切割面9由脉冲聚焦的激光束3的焦点7的持续移位所形成的等离子泡8的连续布置来形成。所以激光手术器械2通过激光辐射3像手木刀那样作用，其在角膜5之内直接分离材料层，而不会损伤角膜5的表面。如果通过进ー步产生等离子泡8将切割16引导直到角膜的表面，则由切割面9隔离的角膜5的材料能够被侧向沿箭头17的方向拔出并因此能够被去除。在此，一方面在实施例中借助图4中示意性所示的偏转单元10实现焦点移位，所述偏转単元10使在光轴H上射入眼睛I的激光束3绕两根相互正交的轴线偏转。为此目的，偏转单元10使用线式镜11以及框式镜12，这形成两根彼此前后定位的空间偏转轴线。于是光轴H与偏转轴线的交点是各自的偏转点。另ー方面，合适地调节透镜系统6用于焦点移位。由此能够在图4示意性示出的x/y/z坐标系统中沿三根正交轴调节焦点7。偏转単元10在x/y平面中调节焦点，其中，线式镜允许沿X方向调节焦点，并且框式镜允许沿y方向调节焦点。与此相反，透镜系统6作用在焦点7的z坐标上。因此,总体上实现焦点7的三维偏移。由于角膜曲率，其在7与IOmm之间，所以部分体积T也必须相应地弯曲。因此，角膜曲率要求弯曲的切割面。这通过合适地控制偏转单元10和透镜系统6来起作用。图5示出用于人类眼睛I上的屈光手术的激光手术器械2的简化方框图。仅示出了最重要的结构部件组用作辐射源S的飞秒激光器，其由飞秒振荡器V以及ー个或多个放大级13组成，并且其在此之后还布置有压缩机或预压机14 ;激光脉冲调制器15，其被施加以来自激光器S的激光辐射；偏转单元10，在此实现为扫描器；物镜，该物镜用于聚焦到待治疗的组织，所述物镜实现透镜系统6 ;以及控制単元17。激光器S产生具有在飞秒范围内的持续时间的激光脉冲。首先，激光脉冲到达激光脉冲调制器15内，其(以仍待描述的方式)按照来自控制单元17的控制信号影响激光脉沖。接下来，至少治疗激光脉冲到达扫描器10并通过物镜6进入患者眼睛I内。在那里，激光脉冲聚焦并在焦点7中产生光学穿透。调制器设定激光脉冲的能量，即设定单个激光脉冲的能流。声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)、泡克耳斯盒(Pockelszelle)、液晶元件(LC元件)、纤维光学开关元件或可变衰减器，例如灰色滤波片(Graufilter)，可被用作调制器。于是激光手术器械I能够以不同的操作方式工作，所述操作方式分别可单独或以组合的形式实现，并且涉及每个激光脉冲的能量或能流F或者位置间隔，以所述位置间隔连续布置激光脉冲以便产生切割面9。图6中将阈值M示出为曲线，该曲线再现为间隔a与每个激光脉冲的能流F之间的关系，单个激光脉冲的相互作用中心以所述间隔a连续布置在眼睛角膜5内。仅在能流超过阈值时，产生具有紧随的等离子泡的光学穿透。在曲线上画出的圆圈来自试验测量并表示测量点。以300飞秒的脉冲持续时间和焦点7的3 μ m的斑直径来进行测量。器械I可在根据图6的操作范围18中操作，所述操作范围18可由各种边界条件限定。不同的限定条件对应于本发明不同的变体。所有的变体都利用能流F的阈值M的分布作为间隔a的函数。该相关性由以下公式近似地给出M = 3. 3J/cm2-(2. 4J/cm2) / (1+(a/r)2)，其中r是表示能流平均作用范围的參数，并位于3与10 μ m之间、优选地为5 μ m。在第一变体中，器械I以激光焦点7、即相互作用中心的间隔a来工作，该间隔a低于最大值amax= 10 μ m。从该值起，阈值M的曲线明显朝较小的间隔a下降,使得能够以明显减小的能流F来工作。在第二变体中，以能流F的上限Fmax来工作。所述值在此为5J/cm2。在第一和第二变体的组合中，既满足a < amax也满足F ^ Fmax0相互作用中心的间隔以及激光脉冲的能流都位于由仍待说明的部分范围18. I和18. 2构成的范围内。由于在两个变体本身以及这两个变体的组合中的激光手术器械I分别在材料、例如角膜5中产生光学穿透，所以当然能流F—直高于阈值M，因为每个激光脉冲只有超过所述阈值才可靠地产生光学穿透8。第三变体修改第二变体，使得每个激光脉冲的能流F仅超过阈值M至多位于3与
3.5J/cm2之间的过多能量。于是保持能流F在图6的虚线以下，该虚线将范围18. I与18. 2彼此分开。当然，第三变体也能够与第一变体组合，以便能流F与间隔a位于阴影范围18. 2中。在另外的实施例中，激光手术器械I以激光脉冲来工作，所述激光脉冲不是每个都可靠地产生光学穿透8。尽管如此，但为了实现材料分离，相互作用中心以小于激光焦点的直径d、即小于相互作用区的尺寸的间隔a来连续布置。该工作方式在图10至12中更详细地示出。图10以ー维示例示出与(理论)焦点的位置相对应的相互作用中心Z的布置。每个相互作用由激光脉冲产生，其中，焦点7例如受衍射限制，并且具有例如图7中所假定的3μπι直径。于是相互作用中心、即聚焦的激光辐射的中心这样移位，使得相邻地覆盖的相互作用区20、21、23和24分别与它们直接的邻居重叠。因此，存在分别由两个相互作用区覆盖的重叠区域25、26和27。传入相互作用区中的能量低于阈值Μ，使得相互作用区20至24中的每个区本身不会可靠地引起光学穿透。但是，由于所述重叠，所以仍然实现材料分离效果。因此，对于该工作方式重要的是，相互作用中心坐标之间的间隔小于相互作用区的分布范围d。图10清楚地示出单个的坐标XI、X2、X3和X4之间的间隔大致对应于相互作用区20至24的直径的一半，这导致单重重叠。图11示出相互作用区更紧凑的分度，使得导致相互作用区的四重重叠。这允许能流F的进ー步减小。图12说明，为了简化起见，图10和11的表示仅仅是ー维地、即只考虑X坐标地示出。沿X方向彼此重叠的相互作用区沿I方向的移位实现进一歩的重叠，使得取决于间距地，尽管沿X方向实际上只有单重重叠，但沿y方向实现相互作用区的三重或五重重叠。在该情况下，沿X方向或沿I方向的间隔选择分别允许任意的重叠因子(2、3、4、5、6、7…)。
结果，器械I在操作范围19中工作，其特征在于，两个彼此跟随的相互作用中心之间的间隔小于相互作用区的分布范围或小于焦点斑尺寸，并且能流F低于产生光学穿透所需的阈值M。实际上，大约3至5 μ m的激光焦点或相互作用中心的间隔被证实非常适于以尽可能少的脉冲能量和有限的时间开支来产生高质量的切割。在产生非常精细的切割的激光手术器械I中，例如如果上述低能流值用于激光脉沖，则切割不会直接在产生之后立即可见，因为出现的等离子泡或气泡，其比在范围18之外操作的情况下出现的那些更小且寿命更短，或者因为(在范围19中操作的情况下)根本没有泡形成。这可能使得更加难于例如通过抹刀来制备隔离的切割。在许多应用中使用的手动过程(在所述过程中，借助抹刀或其它工具来刺穿在切割面中尚未完全分开的残桥)可能在平滑的切割的情况下变得非常困难。为了避免这种情形，激光手术器械I的控制装置17例如进行图8和9所示的切割划分。切割面分成具有不同精细程度的部分切割面。这些部分切割面以不同的平滑度切割，使得区域形成，其中切割面具有比其它区域更好的光学可见度。图8示出患者眼睛I的角膜5的平面图，而图9示出沿图8的线Al-Al的剖视图。如所能看到的，切割面9这样设置，使它隔离部分体积T，如已在图3中示意性标识的那样。于是切割面9由前部F和后部L組成。前部F经由导向角膜表面的、侧向开放的切割16引导向周边开ロ S。因此，透镜状部分体积T在实施具有部分F、L、16和S的切割面9之后，位于由周边开ロ S形成的凹口中。为了外科医生能够通过抹刀或其它手术器械感觉该凹ロ以便切实分开角膜5的透镜状部分体积T与其余部分之间的可能的组织桥状物，前部F以及后部L分别分成两个部分区域。大致圆形的核心区域Fl或LI分别由环形周边区域F2或L2围绕。在靠近光学视轴的核心区域中，以小尺寸的等离子泡、即以精细的切割引导来工作。这可例如分别通过图6和7的范围18或19中的操作来实现。与此相反，在(环形)周边区域L2和F2中，例如通过故意地在范围18或19以外的操作来产生比较粗糙的切割，以便形成相对大的等离子泡。因此，在这些周边区域中，切割面粗糙得多并且较容易被外科医生识别。中心区域Fl和LI的直径优选地大于被治疗的眼睛的瞳孔直径P。因此，采用较粗糙切割引导来处理的周边区域F2和LI位于用于光学感知的角膜5的区域以外并相应地不干扰地起作用。分开部分L和F的目的在于通过不同的处理，同时实现最高切割精度方面以及由于在周边区域中切割的可见性所引起的良好的可操作性方面。如果以等离子泡用于材料分离，则激光脉冲的能量高于阈值M。如以提及的，在组织中由激光能量的吸收所产生的泡的形态随时间改变。在单个的泡形成的第一阶段之后是多个单个的泡结合形成较大的宏观泡的泡聚集阶段。最終，最后阶段以消散闻名，在该阶段中宏观泡的气体内容物被周围的的组织吸收，直到泡再次最終完全消失为止。现在，宏观泡具有使周围的组织变形的干扰特性。如果其它相互作用中心在变形的组织中设置到某一位置作为等离子泡的起源，则相互作用中心的位置将改变并且实现的组织分离的位置也将改变，从而同时消散阶段开始，其中泡消失并且变形的组织(至少部分地)放松。由于宏观泡仅在特征时间之后形成并且在引入激光脉冲能量之后没有马上出现，所以对于激光手术器械I的ー个变体设想在组织的潜在彼此影响的两个区域中应用激光能量之间的时间保持足够地短，使得它比形成宏观泡所需的特征时间短。在透镜状部分体积T的隔离期间，切割面9的彼此干扰影响的前部和后部的区域位于光学视轴的区域中。如果在先前处理的后部L已具有宏观泡的时间点上，才在切割面9的前部F中产生切割，则前部F的切割面位于变形的组织内。结果是放松之后切割面9在前部F中不希望有的波动。因此，激光手术器械I在比形成宏观泡所消耗的特征时间短的时间间隔内、在前部F和后部L中产生切割面。这样的时间典型地大约为5s。
实现这种情形的ー种可能性在于将前部和后部分成对应的部分表面，并在切割面的形成期间，在后部与前部的部分表面之间交替，以便至少在中心区域中，在产生部分表面时，不会在后地和在前地超过所述特征时间。另ー可能性在于相互作用中心合适的连续布置。因此，例如能够首先以从外到内朝光学视轴引导的螺旋线切割后部L，并且紧接着能够以从视轴向外延伸的螺旋线切割前部F。于是至少在围绕视轴的核心区域中，产生的相互作用位于通过特征时间所给出的时间窗内，以便在前部的处理期间不存在宏观泡影响。在激光手术器械I在控制装置17的控制下划分部分表面的期间考虑待处理的后区域不受已处理的、用作散射中心的前区域或相互作用区的干扰。描述的切割形状、表面划分等通过激光手术器械在控制装置17的控制下实现。控制装置17通过在此描述的过程特征使激光手术器械I操作。就以上已描述的激光手术器械的实施而言，取决于激光手术器械I的具体实现，它们能够单独实现也能够以组合的形式实现。除了在激光手术中使用，器械I也能够用于非手术的材料处理，例如在产生波导或柔性材料的处理中使用。
权利要求
1.借助激光辐射处理眼组织的装置，所述装置包括 激光辐射源(S)，所述激光辐射源发射用干与所述组织(5)相互作用的脉冲激光辐射(3)； 光学装置出)，所述光学装置将所述脉冲激光辐射(3)聚焦到所述组织(5)中的相互作用中心⑵； 扫描单元(10)，所述扫描単元在所述组织(5)内调节相互作用中心的位置，其中，每个处理激光脉冲在围绕分配给所述激光脉冲的所述相互作用中心(7)的区(8)中与所述组织 (5)相互作用，使得所述组织(5)在相互作用区(8)中分离；和 控制单元(17)，所述控制单元控制所述扫描単元(10)和所述激光辐射源(S)，使得在所述组织(5)中通过相互作用区(8)的连续布置产生切割面(9)，其特征在于，所述控制单元(17)控制所述激光辐射源(S)和所述扫描単元(10)，使得每个处理激光脉冲的能流F低于阈值M，超过所述阈值M会在所述组织(5)中形成光学穿透(8)，并且两个彼此跟随的处理激光脉冲的所述相互作用中心(7)的位置间隔a小于焦点的尺寸d，使得彼此跟随地产生的相互作用区(20-24)在所述组织(5)中相互重叠。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于，相邻的相互作用中心(7)以彼此位置间隔a < 10 μ m 定位。
3.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，对于每个相互作用中心(7)，所述处理激光脉冲能流F低于5J/cm2。
4.如权利要求I所述的装置，其特征在干，所述能流F低于阈值M，所述阈值M由下式给出M= 3. 3J/cm2-(2. 4J/cm2) / (1+(a/r)2) 其中a是两个相邻的相互作用中心(J)之间的间隔，而r是參数，并且3 μ m ^ r ^ 10 μ m。
5.ー种操作激光设备的方法，其中操作所述激光设备，以使脉冲激光辐射(3)产生并聚焦到相互作用的眼组织(5)中的相互作用中心(7)，并且调节所述组织(5)中的相互作用中心(7)的位置，每个处理激光脉冲在围绕分配给所述激光脉冲的所述相互作用中心(7)的区(8)中与所述组织(5)相互作用，使得所述组织(5)在相互作用区(8)中分离，并且通过相互作用区(8)的连续布置在所述组织(5)中产生切割面(9)，其特征在于，每个处理激光脉冲的能流F低于阈值M，超过所述阈值M会在所述组织(5)中形成光学穿透(8)，并且两个彼此跟随的处理激光脉冲的所述相互作用中心(7)的位置间隔a小于焦点的尺寸d，使得彼此跟随地产生的相互作用区(20-24)在所述组织(5)中相互重叠。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，相邻的相互作用区(7)以位置间隔a < 10 μ m 定位。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述相互作用区(8)被脉冲照射，所述脉冲的能流F各自低于5 J/cm2。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在干，所述能流F低于阈值M，所述阈值M由下式给出M= 3. 3J/cm2-(2. 4J/cm2) / (1+(a/r)2) 其中a是相互作用中心(7)的间隔，而r是參数，并且3μπι彡r彡10 μ m。
全文摘要
在用于借助激光辐射进行材料处理的装置中，所述装置包括激光辐射源(S)，该激光辐射源发射用于与材料(5)相互作用的脉冲激光辐射(3)；光学装置(6)，该光学装置将脉冲激光辐射(3)聚焦到材料(5)中的相互作用中心(7)，其中激光脉冲在围绕每个分配给所述激光脉冲的相互作用中心(7)的区(8)中与材料(5)相互作用，使得材料(5)在相互作用区(8)中分离；扫描单元(10)，该扫描单元在材料(5)内调节相互作用中心的位置；和控制单元(17)，该控制单元控制扫描单元(10)和激光辐射源(S)，使得在材料(5)中通过相互作用区(8)的连续布置产生切割面(9)，设计控制单元(17)控制激光辐射源(S)和扫描单元(10)，使得相互作用中心(7)以彼此位置间隔a≤10μm地定位。
文档编号A61F9/008GK102652696SQ201210134780
公开日2012年9月5日 申请日期2006年10月4日 优先权日2005年10月14日
发明者德克·米尔霍夫, 格雷戈尔·施托布拉瓦, 马克·比朔夫 申请人:卡尔蔡司医疗技术股份公司