用于不完整激光全层或部分层角膜切口的二次通过飞秒激光

摘要

一种在眼睛内形成切口的方法，所述方法包括：沿眼睛内路径执行第一激光束的第一次通过，其中完成所述第一次通过后在眼睛角膜前表面存在残留未切层。所述方法进一步包括沿所述路径包括残留未切层的部分执行第二激光束的第二次通过，其中在完成第二次通过后，所述残留未切层转变为完全贯穿表面的切口。

说明书

技术领域

本发明涉及用于改善外科操作的方法和系统，所述方法和系统改善 不完整全层或部分层角膜切口。

背景技术

目前，存在许多校正眼科疾病的外科方法，其中包括在眼角膜形成 切口。例如，已知的通过眼部的角膜缘松解切口(LRIs)进行外科校正 散光，其中所述角膜缘松解切口是成对的眼角膜弓形切口。过去是使用 固定深度或可变深度的刀来手动形成这种切口。

近年来使用上述固定深度或可变深度的刀来手动形成切口的操作开 始被飞秒激光器(Maxine Lipner,EyeWorld,“What’s Ahead,Femtosecond  technology changing the cataract landscape”,2011-3-248:45:27)形成切口 所替代。这种激光器通过在极小的焦点上聚焦超短波激光脉冲，引发位 于焦点处的组织的等离子介导(plasma-mediated)光剥离。通过一定图 案的一系列连续脉冲产生切口，从而形成所需切口。为形成角膜切口， 飞秒激光器的焦点扫描穿过靶组织容积内的平面或曲面以形成切口。焦 点处所选定的光束强度实质上超过激光引发的组织光致破坏阈值。在各 脉冲被发送时，发生等离子介导的光剥离(a plasma-mediated  photo-disruption)，在焦点处或焦点附近，蒸发微小容积的组织。随后在 焦点附近形成空化气泡，这有助于切开受损区域以形成切口。使用扫描 激光导引系统，激光脉冲在三维空间连续穿过目标平面或曲面以形成总 体切口。脉冲图案的综合效应在于切开位于靶平面的组织。这种激光可 以形成任意的复杂切口。相信飞秒激光器能形成更准确和深度一致的切 口，所述切口的曲率能与所需切口弓形形式更准确的匹配。

上述飞秒激光器产生了低数值孔径(NA)(或慢速F-θ镜(slow  F-Theta lens))的激光束并与液体患者界面(liquid patient interface)匹 配。图1A和图1B比较了穿过液体患者界面102的高数值孔径激光束100 和穿过液体患者界面102的低数值孔径激光束104。如图1A所示，高数 值孔径激光束100穿过液体患者界面102，得到聚焦高数值孔径激光束 106。将聚焦高数值孔径激光束106引入眼角膜的角膜前表面的部分108， 且光束106到达108部分的后部110。

如图1B所示，低数值孔径激光束104穿过液体患者界面102，得到 聚焦低数值孔径激光束112。将聚焦高数值孔径激光束112引入眼角膜的 角膜前表面的部分108，光束112，角膜入口切口在角膜前表面，例如具 有坚硬胶原纤维的角膜鲍曼膜，和角膜后表面，例如相对较软的德斯密 氏膜，留下不期望的残留的薄未切层114。形成不期望的未切层114的原 因在于眼角膜的角膜前表面的鲍曼膜和角膜上皮层之间的光致破坏临界 值存在界面差异。类似的，在角膜后表面形成未切层的原因在于角膜内 皮层和眼角膜的角膜后表面的德斯密氏膜的光致破坏临界值。图2A-B 和图3A-B显示的是上述不期望的未切层的实例。注意到这种不期望的未 切层会在不同切口中形成。例如，图2A-B的未切层116和图3A-B的未 切层118在所谓的全层角膜切口(Full Thickness corneal Incision，FTI) 中产生，其是从角膜后表面至前表面的预期切口，这种情况发生在：透 明角膜切口(CCIs)、穿刺术切口或全层角膜移植术(PKP)或其他穿过表面 的形式。在其他实施例中，在所谓的部分层切口(Partial Thickness  Incision，PTI)中产生未切层，其特意在基质内开始，发展通过眼睛前表 面，这种情况发生在角膜缘松解切口(LRI)和散光性角膜切开术 (astigmatic keratotomy，AK)或其他部分层形式中。在任一实施例中，未 切层的存在导致形成不完整的FTI或PTI切口。注意到无论是FTI切口 还是PTI切口，根据激光束的数值孔径函数和输出能量不同，残留未切 层在约10μm至约30μm之间变化。

由于未切开的残留薄层116和118的强度，在图2A-B和3A-B中不 完整的全层或部分层角膜切口存在的一个缺点就是较难定位以及开放伤 口。对于人眼部分层角膜切口，残留未切层围绕鲍曼膜，对于人眼全层 角膜切口，残留未切层围绕鲍曼膜和德斯密氏膜。鲍曼膜和德斯密氏膜 是眼部结构中具有最坚硬胶原纤维的区域。

发明内容

本发明一方面涉及在眼中形成切口的方法，所述方法包括：在眼内 沿一路径执行第一激光束的第一次通过，其中在完成所述第一次通过后， 在眼角膜前表面存在残留未切层；所述方法进一步包括：仅沿所述路径 中包括所述残留未切层的部分执行第二激光光束的第二次通过，其中完 成所述第二次通过后，所述残留未切层转变成完全贯穿的表面切口。

本发明的一个或一个以上方面提供了以可靠的方式产生完全贯穿的 表面角膜切口。

本领域普通技术人员能够意识到基于本发明说明书和附图的教导， 存在上述教导的多种实施例和实施方式来实施本发明。因此上述发明内 容的实施方式并不意味着以任何方式限定上述教导内容。

附图说明

图1A是具有高数值孔径的激光束的示意图；

图1B是具有低数值孔径的激光束的示意图；

图2A是预期的全层单平面角膜切口中残留薄未切层的照片。

图2B是图2A的局部放大图。

图3A是预期的全层三平面角膜切口中残留薄未切层的照片。

图3B是图3A的局部放大图。

图4A是根据本发明所述的第一种可能的外科方法中形成的第一局 部切口的示意图；

图4B是根据本发明所述的图4A中第一种可能外科方法中形成的第 一局部切口的第一个全切口的示意图；

图5是根据本发明所述的第二种可能的外科方法中形成的第二局部 切口的示意图；

图6是根据本发明所述的第三种可能的外科方法中形成的第三局部 切口的示意图；

图7显示用于形成根据本发明所述的图4-6中切口的外科设备的实 施例。

具体实施方式

一般而言，本发明涉及一种产生完全贯穿的部分眼睛的表面切口的 方法，例如眼角膜的全层或部分层的完整切口。图4A-B显示眼睛前角膜 表面的可能的部分层角膜切口(PTI)的实施例。图5-6显示全层角膜切 口(FTI)的实施例。

在图4A中，显示眼的角膜204的前表面200和后表面202。第一飞 秒激光束的第一次通过以整体大于光剥离临界值的低能量执行。第一激 光束具有在3μJ-5μJ范围内的能量，且是穿过液体患者界面201的低数 值孔径激光束，其中低数值孔径激光束被用于使激光焦点足够远以达到 晶状体后部区域，且有效地粉碎眼睛中的白内障物质。具体而言，第一 激光束的第一次通过起始于角膜204内位置A，并朝位于前表面200后 充满平衡盐溶液(BSS)的室内的位置B线性移动。如图4A-B所示，所 述第一次通过是沿线性路径，其中形成第一全切口206。沿所述第一全切 口206路径，在角膜前表面下方，残留未切区域210。如图4B所示，在 所述第一次通过后，第二飞秒激光束的第二次通过是在，如6μJ-14μJ， 的低能量下操作的低数值孔径激光束，所述能量大于所述第一飞秒激光 束能量值。第一次通过在角膜204的前表面200附近进行，第二次通过 沿与第一次通过相同线性路径的一部分执行。具体而言，第二次通过起 始于未切层210前的位置C，至位置B结束。位置C位于角膜表面S(200) 下预设距离209，通常为100-300μm。换句话说，第二次通过包括未切层 210并延伸至位置B过切结束。

注意到在进行任何切割前，图7的激光系统利用建立的生物统计学 扫描在切口位置自动绘图前角膜和/或后角膜表面，并自动测定第一次通 过和第二次通过的光束路径。在此情况下，这种自动绘图和测定确定了 所述第一次通过路径A→B。随着角膜前表面S的被确定，所述系统沿所 述路径回溯。从S表面(200)开始，经预定距离，通常为100-300μm， 至第二次通过的起始点C。在完成第一次通过后，形成单面部分层切口， 其中术语“单面”指的是从第一次通过得到的路径位于单个平面内。术语 “部分层”指的是起始点位置A预设在角膜主体内。

在图5A中，第一飞秒激光束的第一次通过在整体上大于光剥离阈值 的低能量下执行。第一激光束是低数值孔径激光束，穿过液体患者界面 201。具体而言，第一次通过起始于眼睛房水内位置A，朝位于角膜204 内的B位置线性移动，随后改变方向并经过前表面200并在充满平衡盐 溶液的室内朝向位置C线性移动。第一次通过沿成角路径，其中形成第 二线性切口300和304。当试图切开不同介质间(例如从角膜到平衡盐溶 液或者从小孔到鲍曼膜)的连接时，光致破坏阈值的不同将导致形成小 的未切区域。就在后角膜表面上方，在300部分，存留有未切层306。就 在角膜前表面下方，在最后一个全切部分304中，存留有第二未切层308。

如图5B所示，在第一次通过后，执行具有低数值孔径的第二飞秒 激光束的第二次通过。注意到第一和第二激光束的第一次和第二次通过 的能量与图4A-B所示的第一和第二激光束的能量相似。第一次通过在角 膜204的前表面200附近进行，第二次通过沿与第一次通过相同线性路 径的一部分执行。具体而言，第二次通过起始于角膜未切区域308前位 置D，至位置C结束。换句话说，第二次通过包括未切层308。

注意到在进行任何切割前，图7的激光系统利用建立的生物统计学 扫描在切口位置自动绘图前角膜和/或后角膜表面，自动测定第一次通过 和第二次通过的光束路径。在此情况下，这种自动绘图和测定确定了所 述第一次通过路径A→B→C。随着角膜前表面S(200)的确定，所述系 统沿S→B→A路径回溯。从S表面开始，经预定距离，通常为100-300μm， 至第二次通过起始点D。第二次通过路径确定为D→B→C。第二次通过 经预设长度使D在S→B部分上，那么第二次通过将简单定义为线性路 径D→S。

注意到在未切层306不需要第二次通过，因为德斯密氏膜的硬度使 得未切层306的薄未切层由于结构弱点和在眼房水中激光束的向上排代 作用的残留热放射而自然断裂。

在完成两次通过后，形成双面全层切口，其中术语“双面”指的是得 到的切口形成了两个面。术语“全层”指的是得到的切口是从角膜后表面 至角膜前表面的有计划切割。

在图6A中，第一飞秒激光束的第一次通过以整体大于光剥离阈值的 低能量执行。激光束是低数值孔径激光束，其穿过液体患者界面201。具 体而言，第一次经过起始于眼睛房水中的A点，朝位于角膜204内的位 置B线性移动，随后改变方向线性移动至位置C。然后，激光束改变方 向，并经过前表面200并在充满平衡盐溶液的室内朝位置D线性移动。 所述第一次通过沿曲折角角路径，其中形成线性全切口400、402和406。 在角膜后表面上方，在400部分，存留有未切层404。在角膜前表面下方， 在最后一个全切部分406中，存留有第二未切层408。

如图6B所示，在第一次通过后，执行具有低数值孔径的第二飞秒 激光束的第二次通过。注意到第一和第二激光束的第一次和第二次通过 的能量与图4A-B所示的第一和第二激光束的能量相似。第一次通过在角 膜204的前表面200附近进行，第二次通过操作的位置沿与第一次通过 相同线性路径的一部分进行。具体而言，第二次通过起始于角膜未切区 域408前的位置E，至位置D结束。换句话说，第二次通过包括未切层 408。注意到在进行任何切割前，图7的激光系统利用建立的生物统计学 扫描在切口位置自动绘图前角膜和/或后角膜表面，并自动测定第一次通 过和第二次通过的路径。在此情况下，这种自动绘图和测定确定了所述 第一次通过路径A→B→C→D。随着角膜前表面S的确定，所述系统沿 第一次通过的路径回溯。从S表面开始，经预定距离，通常为100-300μm， 至第二次通过起始点E。系统执行的第二次通过的路径为E→C→D。注 意到如果S→C长度大于第二次通过的长度，第二次通过的长度将沿单一 线性路径E→D执行。

注意到在未切层404不需要第二次通过，因为德斯密氏膜的硬度， 使得未切层404的薄未切层由于结构弱点和在眼房水中上游激光束的残 留热放射而自然断裂。

在完成两次通过后，形成三面全层切口，其中术语“三面”指的是得 到的切口形成了三个面。术语“全层”指的是得到的切口从角膜后表面至 角膜前表面的有计划切割。

在针对在角膜前表面的不完整切割使用第二次通过以得到如图 4A-B、5A-B和6A-B所示的切口时，注意几个原则：首先，第二次通过 导致外科切口入口的能见度增加。其次，鲍曼膜的硬度大于德斯密氏膜， 因此鲍曼膜的结构弱点和来自平衡盐溶液的光剥离产生的气泡的残留热 量不足以靠自身切开角膜前表面的未切层。因此，需要第二次通过激光 束切开未切层。在相关点上，本发明的双次通过技术避免了使用单次通 过的激光束形成角膜前表面的全切口。大多数神经位于内皮细胞和鲍曼 膜之间，因此单次通过激光技术能够引起患者由激光刺激神经而产生的 不必要的痛苦。与之相反，本发明描述的双次通过技术导致残留未切层 的进一步软化，因此有助于缓解伤口的开放。

为了形成如图4-6所示的第一次通过图案和第二次通过图案，图7 提供了一种激光系统，并在序列号为12/831,783的美国专利申请中加以 描述，所述申请的全部内容以引文的方式并入本申请。具体而言，所述 激光系统包括治疗激光仪501，其提供光束504。所述光束应当具有短脉 冲宽度、能量和光束尺寸，以产生光剥离。在此使用的术语激光发射和 发射指的是被传送到产生光剥离的位置的激光束脉冲。在此使用的术语 光剥离主要指的是由激光将物质转变成气体，伴有冲击波和空化气泡。 术语光剥离通常指的是激光诱发的光击穿(LIOB)。具体而言，可以采 用约300至2500nm的波长。采用约1飞秒到100皮秒的脉冲宽度，可 以采用从约1纳焦耳(nanojoule)到1毫焦耳的能量。脉冲率(又称脉 冲重复频率(PRF)和每秒脉冲，以赫兹测量)可以从约1KHz到几GHz。 一般而言，在商业激光设备中，较低的脉冲率对应着较高的脉冲能量。 取决于脉冲宽度和能量密度，可以使用各种类型的激光来引起眼睛组织 的光剥离。因此，美国专利申请公开号为2007/084694A2和 WO2007/084627A2的申请中公开了上述激光的实例。上述申请的全部内 容以引用的方式并入本文。这些和其他类似的激光将用作治疗性激光。 对于在角膜上的操作，可以使用此处描述的相同类型的治疗性激光，选 择能量和焦点以执行所需操作。

通常，将激光束504传递至眼部结构中的的光学装置(optics)502 应当能够在x、y和z维度上以精确和预定的图案来向自然晶状体提供一 系列的发射。此处所用的维度z指的是具有与眼睛的前后轴(AP)对应 的轴的维度或基本上与眼睛的前后轴(AP)平行。所述光学装置应该还 提供一预定光束点尺寸以通过激光能量引发光剥离，以达到期望切割的 眼部结构。

一般而言，用于传递激光束504的控制系统503可以是任何计算机、 控制器和/或能够选择并控制x-y-z扫描参数和激光点火的软件硬件组合。 这些组件通常至少部分与电路板相关联，所述电路板与x-y扫描仪、z聚 焦设备和/或激光器有接口连接。控制系统可以，但不必须，进一步具有 对系统的其他组件进行控制并维持数据、获得数据和执行计算的能力。 因此，控制系统可以包括程序，这些程序对激光进行指引使其通过一个 或一个以上激光发射图案。类似的，所述控制系统能够处理来自狭缝扫 描激光的数据和/或来自狭缝扫描激光系统的单独控制器的数据。

传递激光束504的激光光学装置502包括激光扩束望远镜505，z聚 焦机构506，合束器507，x-y扫描仪508和光学聚焦器件509。还提供 了中继光学装置510，包括缩放的照相光学装置511和第一ccd相机512。

眼睛的光学图像514，具体而言是眼睛520的自然晶状体的光学图 像，被沿着路径513传递。上述路径513与激光束504沿着同一路径， 从自然晶状体至激光患者接口516、聚焦光学装置509、x-y扫描器508 和合束器507。又提供患者光学接口516，结构化光源517和包括镜头的 结构化光学照相机518。序列号为12/509,021和61/228,457的美国常规 专利申请和临时专利申请提供了可用于本发明系统的患者界面和相关设 备的实施例，其中上述申请均与本申请在同一天提交且其中每个申请的 全部内容以引用的方式全部并入本文。

结构化光源517可以是具有聚焦和结构化光投射光学装置的裂缝照 明，例如Schafter+Kirchhoff Laser Macro Line Generator Model 13LTM+90CM,(型号为13LTM-250S-41+90CM-M60-780-5-Y03-C-6) 或者a StockerYale Model SNF-501L-660-20-5，其又称作裂缝扫描激光。 在此实施例中，结构化照明光源517还包括裂缝扫描元件519，序列号 12/831,783的美国专利申请公开了扫描裂缝光源的操作的使用。

照相机518的图像可以转达给处理控制器503并进一步用于系统操 作。他们都可以被传送至单独的处理器和/或控制器中，其依次与控制器 503相连。结构化光源517，照相机518和裂缝扫描元件519包括一装置， 用于确定与激光系统相关的透镜的位置和顶点。至少部分基于所确定的 透镜的位置和顶点，激光束504在眼睛520上的扫描能够通过控制器503 控制。例如，为制作角膜切口，激光的焦点，如飞秒激光器，产生了少 量的数值孔径光束，其穿过液体患者界面201，与眼睛相邻，在第一次通 过期间，扫描穿过靶组织容积内的平面和曲面，从而形成切口。光束是 低数值孔径光束且在焦点具有密度，所述光束经选定具有低能量，其刚 好超过组织的激光引发光学破裂阈值。当每个脉冲传递时，发生等离子 介导的光剥离。在焦点上或焦点附近，蒸发微小容积的组织。随后在焦 点附近形成空化气泡，这有助于切开受损区域，形成切口。使用如图6 所示的扫描激光导引系统，激光脉冲在三维空间连续穿过目标平面或曲 面形成全部切口。在激光束的第一次通过期间，部分切割将产生如图 2A-B讨论的方式。在此情况下，在完成第一次通过不久之后，自动执行 激光束的第二次通过，其中扫描通过液体患者界面的第二低数值孔径激 光束，在比所述第一次经过更高的能量和更快的扫描速度下执行。第二 次经过包括使激光束遵循的路径与角膜前表面附近的激光束的第一次通 过的路径的一部分相同。至少在制备角膜前部分切口时，激光参数，包 括能量和扫描速度，经优化在基质中没有效力损失的穿透密集的细胞。 例如，在第一次通过期间，发射范围间的XY空间为4-8μm。发射范围 间的z空间为4-5μm。能量范围为3-5μJ且脉冲重复频率约为80kHz。在 第二次通过期间，发射范围间的XY空间为6-10μm。发射范围间的z空 间为4-8μm。能量范围为6-14μJ且脉冲重复频率约为80kHz。在第二次 通过的扫描后，角膜的前表面附近的部分切割被包含到全切割中。值得 注意的是，在角膜前表面部分制造切口时，切口仅最低限度的延伸至基 质中。上述双次通过方法能用于形成图4-6所示的切口中。

根据上述描述，本领域技术人员能够轻易确定本发明的的主要特点， 且在不脱离本发明精神和范围的前提下，可采用本发明的各种变化和/或 修饰，以适应各种应用和情况。