準(zhǔn)分子激光切削角膜機(jī)理及其應(yīng)用木

1、第23卷第1期2003年2月應(yīng)用激光APPLlEDLAsERVo123，No1February2003準(zhǔn)分子激光切削角膜機(jī)理及其應(yīng)用木沈建新林振能廖文和(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院南京210016)提要本文研究了準(zhǔn)分子激光屈光手術(shù)的原理、切削機(jī)理、角膜切削方式的選擇、準(zhǔn)分子激光切削量與能量密度的關(guān)系、。飛點(diǎn)掃描”技術(shù)。并在此基礎(chǔ)上研制了準(zhǔn)分子激光眼科治療機(jī)，經(jīng)過(guò)臨床應(yīng)用，取得了滿意的手術(shù)效果。關(guān)鍵詞準(zhǔn)分子激光飛點(diǎn)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(lái)，人們不斷地探索各種手術(shù)的方法治療屈光不正。各種角膜屈光手術(shù)如角膜放射狀切開(kāi)術(shù)(radialkeratectomy，RK)、角膜磨鑲術(shù)(k

5、eratomileusis)、表層角膜鏡片術(shù)(epikeratophakia)等相繼應(yīng)用于臨床。然而，由于這些手術(shù)各自都存在一些不足之處，使其應(yīng)用受到限制。激光因其所具有的獨(dú)特生物效應(yīng)，能夠極其精確地對(duì)角膜組織進(jìn)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(guān)注的焦點(diǎn)。準(zhǔn)分子激光治療屈光不正的有效性和安全性被證實(shí)3J。用激光進(jìn)行角膜手術(shù)的機(jī)理，國(guó)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列的研究J，國(guó)內(nèi)的首都醫(yī)科大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所等單位也進(jìn)

6、行了廣泛的研究。本文在分析了準(zhǔn)分子激光屈光手術(shù)的原理，研究了準(zhǔn)分子激光的角膜切削機(jī)理，對(duì)角膜的切削量與激光能量密度的關(guān)系進(jìn)行了定量的研究，對(duì)激光在角膜上的消融的疊加“飛點(diǎn)掃描”技術(shù)進(jìn)行了定性研究，這些研究成果直接用于準(zhǔn)分子激光眼科治療機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和臨床驗(yàn)證，取得了滿意的手術(shù)效果。準(zhǔn)分子激光屈光手術(shù)的原理眼的屈光系統(tǒng)可以大致看作為一套復(fù)雜的由多個(gè)光學(xué)元件所構(gòu)成的同心共軸屈光系統(tǒng)。光線經(jīng)過(guò)角膜的前表面、角膜基質(zhì)、角膜后表面、房水、晶狀體前表

7、面、晶狀體基質(zhì)及核、晶狀體后表面、玻璃體這樣一系列的屈光介質(zhì)的屈光作用，才最終到達(dá)視網(wǎng)膜而成像。屈光不正(ametropia)是指當(dāng)眼球在調(diào)節(jié)松弛狀態(tài)下，來(lái)自5m以外的平行光線，經(jīng)過(guò)眼的屈光系統(tǒng)屈折后，不能聚焦在視網(wǎng)膜上者稱為屈光不正，屈光不正分為近視、遠(yuǎn)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(guò)長(zhǎng)、過(guò)短，或者由于角膜和晶體的屈光力過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱所致，A正視B遠(yuǎn)視C近視圖1眼光線聚焦點(diǎn)示意圖I“十五”國(guó)家計(jì)委產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(計(jì)產(chǎn)業(yè)[

8、2002]1329號(hào))和江蘇省十五高技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)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(guò)程中，即使患者作輕微的上下左右偏移轉(zhuǎn)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)矯正結(jié)果有所影響。但是光斑式的切削會(huì)有以下的問(wèn)題：第一是中心島效應(yīng)，準(zhǔn)分子激光脈沖照射到角膜表面時(shí)產(chǎn)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(shù)顯示有類似

9、原子彈爆炸形成的蘑菇云產(chǎn)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(shí)趨于明顯，而在20mm以下時(shí)幾乎不存在。其結(jié)果，在用較大直徑光斑消融表面組織時(shí)中心部位遠(yuǎn)比周圍切除的少。這種現(xiàn)象稱為中央島效應(yīng)。第二個(gè)問(wèn)題是角膜混濁，消融表面的不平整及隨之引起的修復(fù)過(guò)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(shí)光束的能量均勻性，無(wú)論是宏觀還

10、是微觀上的缺陷，都會(huì)直接影響消融表面的平整度。不同直徑治療光束對(duì)角膜表面消融時(shí)，在光束邊緣兩側(cè)也會(huì)因有無(wú)消融作用而形成消融臺(tái)階。努力改善光束的能量均勻性及盡力消除消融臺(tái)階是大光斑治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。對(duì)于掃描式系統(tǒng)，光束中的能量均勻性對(duì)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(xiàng)目研究中，通過(guò)比較，采用飛點(diǎn)掃描技術(shù)。所謂飛點(diǎn)掃描，是指每個(gè)激光光點(diǎn)打到角膜上的位置是隨機(jī)抽取的，但所有光點(diǎn)迭加的結(jié)果

11、可使光點(diǎn)在角膜上獲得理想的分布，以獲得完美的光學(xué)拋面。高斯光束的切削量與能量密度的關(guān)系I基模高斯光束的數(shù)學(xué)描述與簡(jiǎn)化現(xiàn)將沿z軸方向傳播的基模高斯光束解析表達(dá)式描述如下：A(r，Z)=e_r2(z)e_ijk(r2／2R(z)z)㈩軸坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)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(biāo)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(biāo)處，其橫向振幅分布為高斯分布，光斑半徑隨坐標(biāo)而變，即

12、廠———=_一(I)(z)=∞0／I(三)0沿高斯光束軸線每一點(diǎn)處的等相位面都可以視為球面，曲率半徑也隨坐標(biāo)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(nèi)各點(diǎn)的能量密度分布與各點(diǎn)的相位。在角膜的切削過(guò)程中，高斯光斑內(nèi)各點(diǎn)的切削量與能量密度有關(guān)，相位部分對(duì)角膜的切削量幾乎不產(chǎn)生任何影響。在此，引入基模高斯光束能量密度表達(dá)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(diǎn)掃描技術(shù)的準(zhǔn)分子激光治療儀均采用固定光斑大小。對(duì)此，給定z值，可進(jìn)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(shù)學(xué)描述將激光能量密度轉(zhuǎn)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(shù)，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(shù)學(xué)描述。以下是對(duì)公式展開(kāi)的討論：當(dāng)d(r)=0時(shí)，切削深度為零，解出：ln(6)10^√zlSph在峰值能量密度處產(chǎn)生最大切削量ln；UlSphE=Eph時(shí)，無(wú)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(shù)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