专利名称：用于眼科手术激光的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于利用飞秒激光进行对眼的前段的手术的系统，更具体而言，涉及在扫描并将激光束聚焦到眼中的同时使激光束的光学畸变最小化的实施例。
背景技术：
本申请描述了用于在眼的前段内通过激光脉冲造成的光离解(photodisruption) 对晶状体进行激光手术的技术和系统的实例和实施例。用于去除晶状体的各种晶状体手术过程利用各种技术，以将晶状体破碎为可通过小切口从眼中取出的小碎片。这些过程使用人工设备、超声波、加热的流体或激光并倾向于具有显著的缺点，这些缺点包括需要用探头进入眼中以实现破碎，以及与这样的晶状体破碎技术相关的有限的精度。光离解激光技术可将激光脉冲传送到晶状体中以光学地破碎晶状体而无需探头的插入，因而可提供改善的晶状体取出的潜力。激光诱导的光离解已经被广泛用于激光眼科手术，且Nd :YAG激光已经常被用作激光源，包括通过激光诱导的光离解实现的晶状体破碎。一些现有系统利用具有数mj的脉冲能量的纳秒激光(E. H. Ryan等人，Americal Journal of Ophthalmology 104 :382_386，1987 年 10 月；R. R. Kruger 等人，Ophthalmology 108 =2122-2129,2001)，以及具有数十 μ J 的皮秒激光(A. Gwon 等人，Cataract Refract Surg. 21,282-286,1995)。这些相对长的脉冲将相对大量的能量提供到手术点，导致对精确度和对过程的控制的显著限制，同时产生了相对高程度的不想要的结果的风险。相似地，在角膜手术的相关领域，认识到通过使用数百(hundreds of)飞秒持续时间的脉冲替代纳秒和皮秒脉冲，可以实现更短的脉冲持续时间和更佳的聚焦。飞秒脉冲在每脉冲提供更少的能量，显著提高了精确度和过程的安全性。目前多家公司将用于角膜眼科手术(例如，LASIK瓣(flap)和角膜移植)的飞秒激光技术商业化。这些公司包括美国htralase Corp. /Advanced Medical Optics、德国 20/10Perfect Vision Optische GerMte GmbH、德国 Carl Zeiss Meditec，Inc.以及瑞士 Ziemer Ophthalmic Systems AG。然而，根据角膜手术的要求设计这些系统。关键地，激光聚焦的深度范围典型地小于约1mm，即，角膜的厚度。因此，这些设计不能提供解决方案以用于在眼的晶状体上进行手术的重大挑战。
发明内容
简要地且概括地，一种用于眼科手术的激光传输(laser delivery)系统包括激光引擎(laser engine)，其被配置为产生激光束；光学块(optical block)，用于接收由所述激光引擎产生的所述激光束并预补偿所述激光束的像差；以及XY扫描器，用于直接或间接地接收由所述光学块输出的预补偿后的激光束，并沿基本上横断所述激光传输系统的光轴的方向扫描所述激光束。在一些实施方式中，所述预补偿的像差为球面像差、色差和离轴像差中的一种。在一些实施方式中，所述预补偿的像差为与目标区域中的五个参考点中的至少一个对应的像差。所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(Z，r)而被确定为Pl =(0,0), P2 = (2，6)、P3= (5，0)、P4= (8，0)、P5= (8，3)，这些坐标都以毫米为单位并处于任意方位角，其中，ζ表示沿所述光轴的距离，r表示对应的柱坐标，且所述柱坐标系统的(0，0)表示所述目标区域的前中心点。在一些实施方式中，所述光学块通过引入预补偿像差来对像差进行预补偿，所述预补偿像差具有与被预补偿的像差相反的符号和可与被预补偿的像差相比的量值。在一些实施方式中，所述光学块预补偿由所述激光束沿所述激光传输系统的光学路径的一部分发展的像差。在一些实施方式中，所述光学块预补偿由所述激光束在手术目标组织中发展的像差。在一些实施方式中，包括所述光学块的所述激光传输系统具有高于值S (precomp) WMrehl比率S，且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有低于值S(preCOmp)的 Strehl 比率 S，其中，S (precomp)为值 0. 6,0. 7,0. 8 和 0. 9 中的一个。在一些实施方式中，所述Mrehl比率S对应于具有在0. 4微米到1. 1微米的范围内的波长的激光束。在一些实施方式中，所述Mrehl比率S对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中，相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(Z，r)而被确定为Pl= (0,0), P2 = (2,6),P3 = (5，0)、P4 = (8，0)、P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角。在一些实施方式中，包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值 NA(precomp)的数值孔径NA，且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值 NA (precomp)的数值孔径 NA，其中，NA (precomp)为 0. 2、0. 25、0. 3 和 0. 35 中的一个。在一些实施方式中，所述数值孔径NA对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中，相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(Z，r)而被确定为Pl= (0,0), P2 = (2,6),P3 = (5,0), P4 = (8，0)、P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角。在一些实施方式中，包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值 rf (precomp)的焦斑(focal spot)半径rf，且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值rf (precomp)的焦斑半径rf，其中，rf (precomp)为2、3和4微米中的一个。在一些实施方式中，所述焦斑半径rf对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中，相对于位于(0，0)的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(Z，r)而被确定为Pl = (0,0), P2 = (2,6), P3 = (5,0), P4 = (8， 0)、P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角。在一些实施方式中，包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值ω (precomp)的波前RMS值ω，且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值 ω (precomp)的波前RMS值ω，其中，ω (precomp)为以所述激光束的波长为单位的值 0. 06,0. 07,0. 08 或 0. 09 中的一个。在一些实施方式中，所述波前RMS值ω对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中，相对于位于(0，0)的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(Z，r)而被确定为Pl= (0，0)、P2= (2，6)、P3= (5，0)、P4= (8， 0)、P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角。在一些实施方式中，包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值 Q40 (precomp)的球面像差系数α 4(|，且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值 Q40(precomp)的球面像差系数α4(1，其中，α 40(precomp)为2、3和4微米中的一个。在一些实施方式中，所述球面像差系数Ci4tl对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中，相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(Z，r)而被确定为Pl= (0，0)、P2= (2，6)、P3= (5，0)、P4 =(8，0)、P5= (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角。在一些实施方式中，与不包括所述光学块的对应激光传输系统相比，包括所述光学块的所述激光传输系统的第一像差量度增加，增加的百分比至少为预补偿百分比 P (precomp)，其中，所述预补偿百分比P (precomp)为10 %、20 %和30 %中的一个；且所述第一像差量度为球面像差系数a4(l、RMS波前误差ω和焦斑半径rf中的一个。在一些实施方式中，与不包括所述光学块的对应激光传输系统相比，包括所述光学块的所述激光传输系统的第二像差量度减小，减小的百分比至少为预补偿百分比 P(precomp)，其中，所述预补偿百分比P(precomp)为10%、20%、30%和40%中的一个；且所述第二像差量度为Mrehl比率S。在一些实施方式中，从所述激光传输系统引出的所述激光束的半径大于预补偿半径(precompensated radius) r (precomp)；且从不具有所述光学块的激光传输系统引出的对应激光束的半径小于所述预补偿半径r (precomp)，其中，所述预补偿半径r (precomp)为 5mm禾口 8_中的一个。在一些实施方式中，由所述光学块预补偿的所述像差为球面像差；且所述光学块不会使与其他像差对应的RMS波前误差ω以大于0.075的量增加，或者不会使与其他像差对应的Mrehl比率S减小为低于0. 8。在一些实施方式中，所述激光引擎被配置为产生具有以下激光参数中的至少一者的激光脉冲1飞秒到1000飞秒范围内的脉冲持续时间；0. 1微焦到1000微焦范围内的每脉冲能量(energy per pulse)；以及IOkHz到100MHz范围内的重复频率。在一些实施方式中，对于具有比具有一皮秒的持续时间的激光脉冲的带宽大至少一个量级的相关带宽的脉冲，所述光学块被配置为将像差量度预补偿到高于0. 8的Mrehl 比率S或低于0. 075的RMS波前误差ω。在一些实施方式中，所述光学块预补偿在光学路径的区段中产生的离轴像差。 在一些实施方式中，所述光学块执行光束调节(conditioning)功能或光束扩展(beam expanding)功能。在一些实施方式中，所述光学块包括一个到五个透镜。
在一些实施方式中，所述光学块包括三个透镜，这三个透镜具有在Dl * α * tl、 D2 * α *t2以及D3* α *t3范围内的折光力(refractive power)且以距离dl/α以及 d2/a分离，其中，Dl在-3mm到_5mm的范围内，D2在3mm到5mm的范围内，且D3在-3. 5mm 到-6mm的范围内；dl在60mm到IOOmm的范围内，且d2在3mm到9mm的范围内；α在0. 3 到3的范围内；且tl、t2和t3在0. 8到1. 2的范围内。在一些实施方式中，所述光学块包括四个透镜，这四个透镜具有在Dl * a * tl、 D2* a *t2、D3* a * t3以及D4 * a * t4范围内的折光力且以距离dl/a、d2/a 以及d3/a分离，其中，Dl在-15mm到-20mm的范围内，D2在-5謹到-8謹的范围内，D3 在-25mm到-35mm的范围内，且D4在7mm到IOmm的范围内；dl在IOOmm到130mm的范围内，d2在32mm到41mm的范围内，且d3在33mm到45mm的范围内；α在0.2到5的范围内； 且tl、t2、t3和t4在0. 7到1.3的范围内。在一些实施方式中，一种手术激光系统包括激光引擎，用于产生激光束；扩束器，用于直接或间接地接收由所述激光引擎产生的所述激光束并用于扩展所述激光束的直径；以及XY扫描器，用于直接或间接地接收由所述扩束器输出的扩展后的激光束，并沿基本上横断所述激光传输系统的光轴的方向扫描所述激光束，其中所述扩束器被配置为预补偿所述激光束的与所述激光手术系统的光学路径的后续区段和目标区域相关的像差。在一些实施方式中，从具有所述扩束器的所述手术激光系统引出的所述激光束的 Strehl比率S高于S (precomp)，且从不具有所述扩束器的所述激光传输系统弓I出的所述激光束的Mrehl比率S低于S (precomp)，其中，S (precomp)为0. 7和0. 8中的一个。在一些实施方式中，一种预补偿手术激光束的方法包括产生所述激光束；在将所述激光束耦合到XY扫描器之前预补偿所述激光束的像差；以及将预补偿后的激光束耦合到XY扫描器中。在一些实施方式中，所述预补偿步骤包括引入预补偿像差，所述预补偿像差具有与被预补偿的像差相反的符号和可与被预补偿的像差相比的量值。在一些实施方式中，所述预补偿步骤包括将所述激光束WMrehl比率S增加到大于S(preC0mp)的值，其中，不经历所述预补偿步骤的所述激光束具有小于S(preC0mp)的 Strehl 比率 S，其中，S (precomp)为 0. 6,0. 7,0. 8 和 0. 9 中的一个。
图1示例了手术激光传输系统1 ；图2示例了高斯波前G和有像差的波前(aberrated wavefront)ff ；图3A-B示例了在最优和扫描焦平面处的光线；图3C示例了焦斑半径的定义；图4示例了 Mrehl比率S与RMS波前误差ω之间的关系；图5示例了眼科手术的参考点；图6Α-Β概念性地示例了预补偿器200的操作；图7Α-Β示例了有效Z扫描功能的各种应用；图8A-D示例了预补偿器200的实施方式；图9示例了具有两个Z扫描器的激光传输系统1的实施方式；
图10示例了包含0、1或2个Z深度扫描器和0、1或2个NA修改器的配置的表；图IlA-C示例了具有2、3和4个扫描反射镜的XY扫描器；图12A-D示例了作为数值孔径的函数的像差以及作为Z焦深(focald印th)的函数的对应光学数值孔径NA。pt(z)；图13A-B示例了第一扩束器块400和可移动扩束器块500的两个设置；图14示例了 Z扫描器450的中间(intermediate)焦平面；图15示例了物镜700的实施方式；图16示例了目标区域中的弯曲焦平面；图17示例了 XY扫描器倾斜角的列线图(nomogram)；图18示例了可移动扩束器位置的列线图；以及图19示例了计算控制方法的步骤。
具体实施例方式本发明的一些实施例包括用于利用飞秒激光脉冲在眼的晶状体中进行手术的系统。一些整合的(integrated)实施例还能够进行角膜和晶状体手术过程这二者。在眼的晶状体中进行眼科手术与在质上不同于角膜手术过程的要求相关。当前描述的晶状体手术激光系统和角膜系统之间的主要区别包括1.飞秒激光脉冲将被可靠地产生。高重复频率飞秒脉冲允许使用更小的每脉冲能量，这为系统的操作者提供更高的控制和精度。然而，与在一些现有系统中使用的纳秒或皮秒脉冲相比，可靠地产生飞秒脉冲却是相当大的挑战。2.手术激光束在传播穿过最大为5毫米的包括角膜和前房水腔的折射介质而正好到达手术目标(晶状体)时被显著地折射。相比之下，用于角膜手术的激光束被聚焦在不足一毫米的深度处，因而在从手术系统进入角膜时基本上不被折射。3.手术激光传输系统被配置为扫描整个手术区域，例如，从典型的5mm深度处的晶状体的前面/前部到在典型的IOmm深度处的晶状体的后面/后部。该5mm或更大的深度扫描范围或“Z扫描范围”显著宽于用于对角膜进行的手术的Imm深度的扫描范围。典型地，手术光学装置(optics)，特别是这里使用的高数值孔径光学装置，被最优化为将激光束聚焦到特定的操作深度。在角膜手术过程期间，Imm深度的扫描仅仅造成与最优操作深度的中度偏离(departure)。相比之下，在晶状体手术时的从5到IOmm的扫描期间，系统被驱动远离固定的最优操作深度。因此，晶状体手术激光传输系统采用更精细化的适应性光学装置以能够扫描晶状体手术所需的宽深度扫描范围。4. 一些实施例被整合，以便被配置为对角膜和晶状体二者进行手术。在这些整合的实施例中，深度扫描范围最大为IOmm而不是5mm，这提出更难的挑战。5.在诸如许多LASIK变异的角膜手术过程期间，垂直于光轴(“在XY面内”)扫描激光束。在典型的过程中，XY扫描范围仅仅覆盖具有IOmm直径的角膜的中心部分。然而， 在整合的手术系统中，还形成额外的切口。一种类型的切口为进入切口(entry cut)，这为抽吸针和常规手术工具提供到眼内部的入口。另一类型的切口为角膜缘松解切口(limbal relaxing incision, LRI)，其包括恰好在血管弓(vascular arcade)前面的角膜缘部处的切口对。通过调整这些弓形切口的长度、深度以及位置，可以诱导角膜像散的变化。进入切口和LRI可以被设置在角膜的周边，典型地具有12mm的直径。虽然将XY扫描直径从IOmm 增加到12mm与LASIK瓣的常规直径相比仅仅增加了 20%，但在这样的直径下将激光传输系统的离轴像差保持在控制之下是重大挑战，这是因为离轴像差与在焦平面处的场直径的更高功率成比例地增长。6.晶状体激光手术过程需要来自精细成像系统的导引。在一些成像系统中，角膜缘血管被标识以用作眼上的参考标记，以在手术时间期间校准眼的环转 (cyclo-rotational)对准，在一些情况下，相对于在眼的外科手术前的诊断期间所标识的参考坐标而进行该校准。在手术区域周边选择的血管最不会受到手术的干扰，因而是最可靠的。然而，被导引到这样的周边血管的成像系统要求成像光学对具有大于10mm(例如， 12mm)的半径的区域成像。7.激光束在沿光学路径在眼内传播时会形成各种像差。激光传输系统可以通过补偿这些像差而改善精度。这些像差的附加方面为，像差依赖于光的频率，该事实称为“色差”。补偿这些频率相关的像差增加了对系统的挑战。补偿这些色差的难度随激光系统的激光束的带宽而增加。应记得束的光谱带宽与脉宽成反比。因此，飞秒脉冲的带宽通常比皮秒脉冲的带宽大一个量级或更多，这使得在飞秒激光系统中的更好的色度补偿(chromatic compensation)成为必要。8.使用高重复频率的飞秒激光手术系统的手术过程要求在绝对意义上关于目标组织中的目标位置和在相对意义上关于之前的脉冲来定位每个脉冲时的高精度。例如，要求激光系统在脉冲之间的时间(其可具有微秒量级)内以仅仅数微米(a few microns)来重新导引光束。由于两个后续脉冲之间的时间短且脉冲定位(placement)的精确度要求高，因此在现有低重复频率的晶状体手术系统中使用的手动瞄准(targeting)不再是合适的或可行的。9.激光传输系统被配置为通过折射介质将飞秒激光脉冲传输到眼的晶状体的整个手术体积中且保持其时间、光谱以及空间完整性。10.为了确保仅仅在手术区域中的组织接收具有足够高的能量密度的激光束以产生手术效果(例如，组织切除)，激光传输系统具有异乎寻常地高的数值孔径(NA)。该高NA 导致小的斑点尺寸(spot size)并为手术过程提供必要的控制和精度。数值孔径的典型范围可包括大于0. 3的NA值，这产生3微米或更小的斑点尺寸。11.给定用于晶状体手术的激光的光学路径的复杂性，激光传输系统通过包括高性能计算机管理的成像系统而实现高精度和控制，而角膜手术系统在没有这样的成像系统或具有低水平的成像系统的情况下就可以实现令人满意的控制。特别地，该系统的手术和成像功能、以及常规观测光束通常都在不同的谱带中操作。作为实例，手术激光器可在 1. 0-1. 1微米的带中的波长处操作、观测光束处在0. 4-0. 7微米的可见带中操作，成像光束在0. 8-0. 9微米的带中操作。在公共或共享的光学部件中组合光束路径对激光手术系统的光学装置提出了苛刻的色度要求。差异1-11通过几个实例例证了 ⑴对晶状体(ii)利用飞秒脉冲进行的眼科激光手术引入了在质上与仅仅使用纳秒或皮秒激光脉冲的角膜手术和甚至晶状体手术不同的要求。图1示例了激光传输系统1。在对其进行详细描述之前，我们提及一些实施例将成像或观测系统与图1的激光传输系统组合。在一些诸如LASIK处理的角膜手术过程中， 眼跟踪器凭借成像和图像处理算法通过诸如对虹膜的中心的标识的视觉线索来典型地在眼表面上建立眼的位置参考。然而，现有的眼跟踪器识别并分析二维空间中的特征，缺乏深度信息，这是因为对角膜(眼的最外层)进行外科手术。通常，角膜甚至被弄平以确保该表面真正为二维的。当将激光束聚焦在深入眼内部的晶状体中时，情况非常不同。不仅在先前的测量与手术之间，而且在手术期间，晶状体都可以在适应性调节(accommodation)期间改变其位置、形状、厚度和直径。通过机械装置将眼附接到手术设备还会以不明确的方式改变眼的形状。这样附接装置包括用吸环固定眼或者用平面或曲形透镜对眼消球差。此外，患者在手术期间的移动会引入附加的改变。这些改变会增加视觉线索在眼内的多达数微米的位移。因此，当对眼的晶状体或其他内部部分进行精确的激光手术时，机械地参考和固定诸如角膜或缘的前表面的眼表面是不令人满意的。为了解决该问题，激光传输系统1可以与在R. M. Kurtz, F. Raksi和M. Karavitis 的共同待审的申请序列号为12/205，844的美国专利申请中描述的成像系统组合，通过引用将该申请的全部内容并入到本文中。该成像系统被配置为对手术区域的一部分成像以基于眼的内部特征建立三维位置参考。这些图像可在手术之前产生并与手术过程并行地更新以考虑到个体的差异和改变。该图像可被用于以高精度和控制将激光束安全地导引到希望的位置。在一些实施方式中，成像系统可以为光学相干断层成像(OCT)系统。该成像系统的成像束可以具有单独的成像光学路径或与手术光束部分地或完全地共享的光学路径。具有部分地或完全地共享的光学路径的成像系统降低了成本并简化了对成像和手术系统的校准。该成像系统还可以使用与激光传输系统1的激光器相同或不同的光源。该成像系统还可以具有其自身的光束扫描子系统，或者可以利用激光传输系统1的扫描子系统。在所引用的共同待审的申请中描述了这样的OCT系统的几种不同结构。还可以与视觉观测用光学装置组合来实施激光传输系统1。观测用光学装置可帮助手术激光的操作者观测手术激光束的效果并响应于观测结果来控制光束。最后，在使用红外并由此不可见的手术激光束的一些实施例中，可以采用在可见频率下操作的附加的跟踪激光。可见跟踪激光可以被实施为跟踪红外手术激光的路径。跟踪激光可以在足够低的能量下操作以便不会导致对目标组织的任何破坏。观测用光学装置可以被配置为将从目标组织反射的跟踪激光导引到激光传输系统1的操作者。在图1中，与成像系统和视觉观测用光学装置相关的光束可被耦合到激光传输系统1中(例如，通过分束器/分色镜600)。本申请将不再广泛讨论激光传输系统1与成像、 观测系统以及跟踪系统的各种组合。在并入的美国专利申请12/205，844中广泛讨论的大量的这样的组合都在本申请的总范围内。图1示例了激光传输系统1，其包括激光引擎100、预补偿器200、XY扫描器300、 第一扩束器块400、可移动扩束器块500、分束器/分色镜600、物镜700以及患者接口 800， 其中，第一扩束器块400和可移动扩束器块500将合称为Z扫描器450。在下面的一些实施方式中，使用这样的规定Z轴为基本上沿激光束的光学路径的方向或沿光学元件的光轴的方向。横断Z方向的方向称为XY方向。在更宽泛的意义上使用术语“横断”以包括以下情况在一些实施方式中，横断方向和Z方向可以不严格垂直于彼此。在一些实施方式中，可以关于径向坐标更好地描述横断方向。由此，在所描述的实施方式中，术语“横断”、XY或径向方向表示类似的方向，全都近似(必要时精确地)垂直于 Z方向。1.激光引擎100激光引擎100可包括以预定激光参数发送激光脉冲的激光器。这些激光参数可包括在1飞秒到100皮秒范围内、或在10飞秒到10皮秒范围内、或在一些实施例中在100飞秒到1皮秒范围内的脉冲持续时间。该激光脉冲可具有在0.1微焦到1000微焦范围内、在其他实施例中在1微焦到100微焦范围内的每脉冲能量。脉冲可具有在IOkHz到IOOMHz 范围内、在其他实施例中在IOOkHz到IMHz范围内的重复频率。其他实施例可具有落入这些范围限制的组合内的激光参数，例如，1-1000飞秒的脉冲持续时间的范围。例如，在预操作过程期间或基于根据患者的诸如其年龄的特定数据的计算，在这些宽范围内选择用于特定过程的激光参数。激光引擎100的实例可包括Nd 玻璃和Nd =Yag激光器以及各种其他激光器。激光引擎的操作波长可以在红外或可见范围。在一些实施例中，操作波长可以在700nm-2微米范围内。在一些情况下，例如，在基于％或而的红外激光器中，操作波长可以在1.0-1. 1 微米范围内。在一些实施方式中，激光脉冲的激光参数可以是可调整的和可变的。可以以短的切换时间调整激光参数，由此使手术激光传输系统1的操作者可以在复杂的手术期间改变激光参数。可以响应于通过激光传输系统1的感测或成像子系统的读数(reading)来启动这样的参数改变。可以执行其他参数改变，作为在激光传输系统首先用于第一手术过程且随后用于不同的第二手术过程的多步过程的一部分。实例包括首先在眼的晶状体的区域中进行一个或多个手术步骤(例如，囊切手术步骤)，随后在眼的角膜区域中进行第二手术过程。可以以各种顺序进行这些过程。可以将以每秒数万到数十万次击发(shot)或更高的脉冲重复频率操作并具有相对低的每脉冲能量的高重复频率脉冲激光用于手术应用以获得特定的有益效果。这样的激光使用相对低的每脉冲能量以使由激光诱导的光离解导致的组织影响局域化。在一些实施例中，例如，可以将离解的组织的范围限制到数微米或数十微米。该局域化的组织影响可改善激光手术的精度，并且在特定手术过程中是所希望的。在这样的手术的各种实施方式中， 数百、数千或数百万个脉冲可被传输到连续的、近似连续的或通过受控的距离而分隔的斑点的序列。这些实施方式可以实现特定的所希望的手术效果，例如，组织切开、分离或破碎。可以通过各种方法选择脉冲参数和扫描图形。例如，可以基于晶状体的光学或结构特性的术前测量而选择脉冲参数和扫描图形。同样可基于晶状体的光学或结构特性的术前测量或基于与年龄相关的算法来选择激光能量和斑点分隔。2.预补偿器200图2示例了激光束的波前可以以几种不同方式并由于几个不同的原因而偏离理想特性。这些偏离的大组称为像差。像差(和其他波前畸变)使实际像点从理想的近轴高斯像点移位。图2示例了通过出瞳(exit pupil)ExP引出的光的波前。未畸变的球面波前G从该瞳孔发射并会聚到波前G的曲面中心处的点PI。G也称为高斯参考球。有像差的波前W偏离G并会聚到不同的P2。有像差的波前W的在点Ql处的像差AW可由相对于未畸变的参考球G的路径的光程(optical length)表征= η^ ^，其中，Iii为在像空间中的介质的折射率，为点Ql与Q2之间的距离。通常，像差AW依赖于在出瞳处以及焦平面处的坐标。因此，该像差AW还可被认
为是相关函数该函数表示其像会聚到从光轴上的Pl移动r’后的P2的点的集合位于表面
W上，该表面W在出瞳ExP处的径向距离r处从参考球G偏离了 AW的量。对于旋转对称的
系统，AW可以关于r和r’中的二重幂级数展开而被写为
权利要求
1.一种用于眼科手术的激光传输系统，包括 激光引擎，其被配置为产生激光束；光学块，用于接收由所述激光引擎产生的所述激光束并预补偿所述激光束的像差；以及XY扫描器，用于直接或间接地接收由所述光学块输出的预补偿后的激光束，并沿基本上横断所述激光传输系统的光轴的方向扫描所述激光束。
2.根据权利要求1的激光传输系统，其中预补偿的像差为球面像差、色差和离轴像差中的一种。
3.根据权利要求1的激光传输系统，其中预补偿的像差为与目标区域中的五个参考点中的至少一个对应的像差。
4.根据权利要求3的激光传输系统，其中所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(z，r)而被确定为Pl = (0，0)、P2 =(2，6)、P3= (5，0)、P4= (8，0)、P5= (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角Φ，其中，ζ表示沿所述光轴的距离，r表示对应的柱坐标，且所述柱坐标系统的(0，0)表示所述目标区域的前中心点。
5.根据权利要求1的激光传输系统，其中所述光学块通过引入预补偿像差来对像差进行预补偿，所述预补偿像差具有与被预补偿的像差相反的符号和可与被预补偿的像差相比的量值。
6.根据权利要求1的激光传输系统，其中所述光学块预补偿由所述激光束沿所述激光传输系统的光学路径的一部分发展的像差。
7.根据权利要求1的激光传输系统，其中所述光学块预补偿由所述激光束在手术目标组织中发展的像差。
8.根据权利要求1的激光传输系统，其中包括所述光学块的所述激光传输系统具有高于值S (precomp)的Mrehl比率S ；且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有低于值S (precomp) WMrehl比率S，其中，S (precomp)为值 0. 6,0. 7,0. 8 和 0. 9 中的一个。
9.根据权利要求8的激光传输系统，其中所述Mrehl比率S对应于具有在0. 4微米到1. 1微米的范围内的波长的激光束。
10.根据权利要求8的激光传输系统，其中所述Mrehl比率S对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中， 相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(z，r)而被确定为 Pl= (0,0), P2 = (2,6),P3 = (5，0)、P4= (8,0), P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角Φ。
11.根据权利要求1的激光传输系统，其中包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值NA (precomp)的数值孔径NA，且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值NA(precomp)的数值孔径NA，其中，NA (precomp)为 0. 2、0. 25、0. 3 和 0. 35 中的一个。
12.根据权利要求11的激光传输系统，其中所述数值孔径NA对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(z，r)而被确定为 Pl= (0,0), P2 = (2,6),P3 = (5，0)、P4= (8,0), P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角Φ。
13.根据权利要求1的激光传输系统，其中包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值rf (precomp)的焦斑半径rf ；且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值rf (precomp)的焦斑半径rf，其中， rf (precomp)为2、3和4微米中的一个。
14.根据权利要求13的激光传输系统，其中所述焦斑半径rf对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中， 相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(z，r)而被确定为 Pl= (0,0), P2 = (2,6),P3 = (5，0)、P4= (8,0), P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角Φ。
15.根据权利要求1的激光传输系统，其中包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值ω (precomp)的波前RMS值ω ；且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值ω (precomp)的波前RMS值ω，其中，ω (precomp)为以所述激光束的波长为单位的值0. 06,0. 07,0. 08或0. 09中的一个。
16.根据权利要求15的激光传输系统，其中所述波前RMS值ω对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中， 相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(z，r)而被确定为 Pl= (0,0), P2 = (2,6),P3 = (5，0)、P4= (8,0), P5= (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角Φ。
17.根据权利要求1的激光传输系统，其中包括所述光学块的所述激光传输系统具有小于值α 4(| (precomp)的球面像差系数α 4(| ；且不具有所述光学块的对应激光传输系统具有大于值α 4(| (precomp)的球面像差系数 α4(ι，其中，α 40(precomp)为2、3和4微米中的一个。
18.根据权利要求17的激光传输系统，其中所述球面像差系数α 4(|对应于目标区域中的五个参考点中的至少一个，其中， 相对于位于(0，0)处的所述目标区域的所述前中心，所述五个参考点通过其在所述目标区域中的柱坐标(z，r)而被确定为 Pl= (0,0), P2 = (2,6),P3 = (5，0)、P4= (8,0), P5 = (8，3)，这些坐标全都以毫米为单位并处于任意方位角Φ。
19.根据权利要求1的激光传输系统，其中与不包括所述光学块的对应激光传输系统相比，包括所述光学块的所述激光传输系统的第一像差量度增加，增加的百分比至少为预补偿百分比P(Precomp),其中， 所述预补偿百分比P(precomp)为10%、20%和30%中的一个；且所述第一像差量度为球面像差系数a4(l、RMS波前误差ω和焦斑半径rf中的一个。
20.根据权利要求1的激光传输系统，其中与不包括所述光学块的对应激光传输系统相比，包括所述光学块的所述激光传输系统的第二像差量度减小，减小的百分比至少为预补偿百分比P(Precomp),其中， 所述预补偿百分比P(precomp)为10%、20%、30%和40%中的一个；且所述第二像差量度为Mrehl比率S。
21.根据权利要求1的激光传输系统，其中从所述激光传输系统引出的所述激光束的半径大于预补偿半径Hprecomp)；且从不具有所述光学块的激光传输系统引出的对应激光束的半径小于所述预补偿半径 r (precomp)，其中，所述预补偿半径r (precomp)为5mm和8mm中的一个。
22.根据权利要求1的激光传输系统，其中由所述光学块预补偿的所述像差为球面像差；且所述光学块不会使与其他像差对应的RMS波前误差ω以大于0.075的量增加，或者不会使与其他像差对应的Mrehl比率S减小为低于0. 8。
23.根据权利要求1的激光传输系统，其中所述激光引擎被配置为产生具有以下激光参数中的至少一者的激光脉冲 1飞秒到1000飞秒范围内的脉冲持续时间； 0. 1微焦到1000微焦范围内的每脉冲能量；以及 IOkHz到100MHz范围内的重复频率。
24.根据权利要求1的激光传输系统，其中对于具有比具有一皮秒的持续时间的激光脉冲的带宽大至少一个量级的相关带宽的脉冲，所述光学块被配置为将像差量度预补偿到高于0. 8的Mrehl比率S或低于0. 075的 RMS波前误差ω。
25.根据权利要求1的激光传输系统，其中所述光学块预补偿在光学路径的区段中产生的离轴像差。
26.根据权利要求1的激光传输系统，其中 所述光学块执行光束调节功能。
27.根据权利要求1的激光传输系统，其中 所述光学块执行光束扩展功能。
28.根据权利要求1的激光传输系统，其中 所述光学块包括一个到五个透镜。
29.根据权利要求1的激光传输系统，其中所述光学块包括三个透镜，这三个透镜具有在Dl * α * tl、D2女α * t2以及D3 * α * t3范围内的折光力且以距离dl/α以及d2/a分离，其中，Dl在-3mm到_5mm的范围内，D2在3mm到5mm的范围内，且D3在-3. 5mm到_6mm的范围内；dl在60mm到IOOmm的范围内，且d2在3mm到9mm的范围内；α在0.3到3的范围内；且tl、t2和t3在0. 8到1.2的范围内。
30.根据权利要求1的激光传输系统，其中所述光学块包括四个透镜，这四个透镜具有在Dl * α * tl、D2 * α * t2、D3 * α *t3以及D4* α * t4范围内的折光力且以距离dl/α、d2/a以及d3/α分离，其中，Dl在-15mm到-20mm的范围内，D2在-5mm到_8mm的范围内，D3在-25mm到-;35mm的范围内，且D4在7mm到IOmm的范围内；dl在IOOmm到130mm的范围内，d2在32mm到41mm的范围内，且d3在33mm到45mm的范围内；α在0.2到5的范围内；且 tl、t2、t3和t4在0. 7到1.3的范围内。
31.一种手术激光系统，包括 激光引擎，用于产生激光束；扩束器，用于直接或间接地接收由所述激光引擎产生的所述激光束并用于扩展所述激光束的直径；以及XY扫描器，用于直接或间接地接收由所述扩束器输出的扩展后的激光束，并沿基本上横断所述激光传输系统的光轴的方向扫描所述激光束，其中所述扩束器被配置为预补偿所述激光束的与所述激光手术系统的光学路径的后续区段和目标区域相关的像差。
32.根据权利要求31的手术激光系统，其中从具有所述扩束器的所述手术激光系统引出的所述激光束的^rehl比率S高于 S(precomp),且从不具有所述扩束器的所述激光传输系统引出的所述激光束的^rehl比率S低于 S (precomp)，其中，S (precomp)为 0. 7 和 0. 8 中的一个。
33.一种预补偿手术激光束的方法，所述方法包括以下步骤 产生所述激光束；在将所述激光束耦合到XY扫描器之前预补偿所述激光束的像差；以及将预补偿后的激光束耦合到XY扫描器中。
34.根据权利要求33的方法，其中所述预补偿步骤包括引入预补偿像差，所述预补偿像差具有与被预补偿的像差相反的符号和可与被预补偿的像差相比的量值。
35.根据权利要求33的方法，其中所述预补偿步骤包括将所述激光束的Mrehl比率S增加到大于S (precomp)的值，其中，不经历所述预补偿步骤的所述激光束具有小于S(precomp) WMrehl比率S，其中， S (precomp)为 0. 6、0. 7、0. 8 和 0. 9 中的一个。
全文摘要
一种用于眼科手术的激光传输系统，包括激光引擎，其被配置为产生激光束；光学块，其接收由所述激光引擎产生的所述激光束并预补偿所述激光束的像差；以及XY扫描器，其直接或间接地接收由所述光学块输出的预补偿后的激光束，并沿基本上横断所述激光传输系统的光轴的方向扫描所述激光束。
文档编号G02C7/02GK102573719SQ201080043245
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月21日 优先权日2009年7月29日
发明者F·拉克希, J·巴克 申请人:爱尔康蓝斯克斯股份有限公司