準分子激光切削角膜機理及其應用木

1、第23卷第1期2003年2月應用激光APPLlEDLAsERVo123，No1February2003準分子激光切削角膜機理及其應用木沈建新林振能廖文和(南京航空航天大學機電學院南京210016)提要本文研究了準分子激光屈光手術的原理、切削機理、角膜切削方式的選擇、準分子激光切削量與能量密度的關系、。飛點掃描”技術。并在此基礎上研制了準分子激光眼科治療機，經過臨床應用，取得了滿意的手術效果。關鍵詞準分子激光飛點掃描角膜切削Mechani

2、smofactionofExcimerLaserCornealSurgeryandApplicationShenjianxinLinZhennengIAaowenhe(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautsNanjing210016)AbstractThepaperdiscussedtheprinciplesofPRK(PhotorefmctiveKemtectomy)andLASIK(L

3、aserin—situkeratomile—usis)，mechanismofactionofexcimerlaseroncornea，modeoflaserdeliverytotheconlea，relationshipbetweentheablationlateandtheenergyoftheexcimerlaserandthe“flying—spot”scanningtechnologyThe~ultsofthispaperha

4、vebeenappliedtoophthalmicexcimerlasersystemDuringclinicpractice，ithasachievedsatisfiedoutcomesKeywordsExcimerLasernyins—spotScanningcorneaablation近幾十年來，人們不斷地探索各種手術的方法治療屈光不正。各種角膜屈光手術如角膜放射狀切開術(radialkeratectomy，RK)、角膜磨鑲術(k

5、eratomileusis)、表層角膜鏡片術(epikeratophakia)等相繼應用于臨床。然而，由于這些手術各自都存在一些不足之處，使其應用受到限制。激光因其所具有的獨特生物效應，能夠極其精確地對角膜組織進行切削、熱凝，改變角膜的形狀及屈光狀態(tài)，因此成為眼科醫(yī)生關注的焦點。準分子激光治療屈光不正的有效性和安全性被證實3J。用激光進行角膜手術的機理，國外學者對此進行了一系列的研究J，國內的首都醫(yī)科大學、中國科學院上海光機所等單位也進

6、行了廣泛的研究。本文在分析了準分子激光屈光手術的原理，研究了準分子激光的角膜切削機理，對角膜的切削量與激光能量密度的關系進行了定量的研究，對激光在角膜上的消融的疊加“飛點掃描”技術進行了定性研究，這些研究成果直接用于準分子激光眼科治療機，通過實驗和臨床驗證，取得了滿意的手術效果。準分子激光屈光手術的原理眼的屈光系統(tǒng)可以大致看作為一套復雜的由多個光學元件所構成的同心共軸屈光系統(tǒng)。光線經過角膜的前表面、角膜基質、角膜后表面、房水、晶狀體前表

7、面、晶狀體基質及核、晶狀體后表面、玻璃體這樣一系列的屈光介質的屈光作用，才最終到達視網膜而成像。屈光不正(ametropia)是指當眼球在調節(jié)松弛狀態(tài)下，來自5m以外的平行光線，經過眼的屈光系統(tǒng)屈折后，不能聚焦在視網膜上者稱為屈光不正，屈光不正分為近視、遠視和散光三大類，如圖1所示。主要原因是由于眼球前后徑過長、過短，或者由于角膜和晶體的屈光力過強或過弱所致，A正視B遠視C近視圖1眼光線聚焦點示意圖I“十五”國家計委產業(yè)化項目(計產業(yè)[

8、2002]1329號)和江蘇省十五高技術研究計劃項目(BG2002012)資助一41—維普資訊膜直徑為lO至12mm，而瞳孔在放大縮小的范圍為3至6ram，所以6至65mm光斑足夠視力矯正所需。此外激光發(fā)射過程中，即使患者作輕微的上下左右偏移轉動，也不會對矯正結果有所影響。但是光斑式的切削會有以下的問題：第一是中心島效應，準分子激光脈沖照射到角膜表面時產生的碎屑在反作用力的作用下以I一2km／s的速度飛離角膜表面，高速攝影技術顯示有類似

9、原子彈爆炸形成的蘑菇云產生。在渦流作用下，光束邊緣部分的顆粒迅速飛離照射區(qū)，而中央部分顆粒則較難飛離，甚至被壓回角膜表面。這種差別在光斑直徑大于25—30mm時趨于明顯，而在20mm以下時幾乎不存在。其結果，在用較大直徑光斑消融表面組織時中心部位遠比周圍切除的少。這種現象稱為中央島效應。第二個問題是角膜混濁，消融表面的不平整及隨之引起的修復過程，是角膜霧狀混濁的主要成因，也是回退的原因之一。大光斑治療方式時光束的能量均勻性，無論是宏觀還

10、是微觀上的缺陷，都會直接影響消融表面的平整度。不同直徑治療光束對角膜表面消融時，在光束邊緣兩側也會因有無消融作用而形成消融臺階。努力改善光束的能量均勻性及盡力消除消融臺階是大光斑治療系統(tǒng)的設計關鍵。對于掃描式系統(tǒng)，光束中的能量均勻性對消融表面的整體平整性影響很小，掃描算法本身也必須著重考慮能量分布的均勻性。因此在我們的項目研究中，通過比較，采用飛點掃描技術。所謂飛點掃描，是指每個激光光點打到角膜上的位置是隨機抽取的，但所有光點迭加的結果

11、可使光點在角膜上獲得理想的分布，以獲得完美的光學拋面。高斯光束的切削量與能量密度的關系I基模高斯光束的數學描述與簡化現將沿z軸方向傳播的基模高斯光束解析表達式描述如下：A(r，Z)=e_r2(z)e_ijk(r2／2R(z)z)㈩軸坐標原點設在光束的腰處。∞。為高斯光束的腰斑半徑。式中R(z)，∞(z)分別表示坐標處高斯光束的等相位面曲率半徑及等相位面上的光斑半徑。高斯光束在任一軸坐標處，其橫向振幅分布為高斯分布，光斑半徑隨坐標而變，即

12、廠———=_一(I)(z)=∞0／I(三)0沿高斯光束軸線每一點處的等相位面都可以視為球面，曲率半徑也隨坐標而變，R(z)=z。(z／z。z。／z)；：tg～z／z。為高斯光束相位因子。此公式完整的描述了基模高斯光斑大小的確定方法，光斑內各點的能量密度分布與各點的相位。在角膜的切削過程中，高斯光斑內各點的切削量與能量密度有關，相位部分對角膜的切削量幾乎不產生任何影響。在此，引入基模高斯光束能量密度表達式：Eo(r)_E；((2)其中一r

13、為脈寬，E為峰值能量密度。目前，所有基于小光斑飛點掃描技術的準分子激光治療儀均采用固定光斑大小。對此，給定z值，可進一步得出基模高斯光束能量密度公式：E0(r)=Epexp(一2r／ro)(3)2單脈沖條件下角膜切削量的數學描述將激光能量密度轉換為角膜的切削深度n0Jd：ln(4)乜ph其中d為切削深度，單位(Ixm)，E。為人射激光能量密度，單位(mJ／cm)；E。為臨界切削能量密度；ot為角膜能量吸收系數，單位(Ixm)由公式(3)

14、和(4)推出d(r)=一2(r)In(5)rolSph由公式(5)便推出了單脈沖高斯光束切削角膜輪廓的數學描述。以下是對公式展開的討論：當d(r)=0時，切削深度為零，解出：ln(6)10^√zlSph在峰值能量密度處產生最大切削量ln；UlSphE=Eph時，無切削量；若給定E=eEph，則在r=ro處切削量為零。此處，角膜的吸收系數為大約介于37—391xm(399ixm)之間川；臨界切削能量密度為40mJ／cm～60mJ／cm。川