确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统及方法

摘要

本发明涉及激光眼科手术技术领域，具体公开一种确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统，包括样品模块、飞秒激光发射模块、激光聚焦模块、光谱分析模块；飞秒激光发射模块发射激光束，所述激光束经过激光聚焦模块聚焦，照射于所述样品模块的角膜样品上，所述角膜样品受激光诱导后发出激光诱导等离子体光信号，所述激光诱导等离子体光信号经激光聚焦模块发送至所述光谱分析模块，所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断激光聚焦位置。本发明对应公开确定激光在角膜组织中聚焦位置的方法。本发明利用对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断激光聚焦位置，实现在手术中实时、精确判断激光聚焦位置的有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及激光眼科手术技术领域，特别涉及一种确定激光在角膜组 织中聚焦位置的飞秒激光系统及方法。

背景技术

过去十年，由于有着精确的切削精度和最小化的副作用效果，飞秒激 光眼科手术领域发展十分迅速，最有临床应用前景的就是飞秒激光眼科手 术，实际手术中已经应用的包括飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角 膜磨镶术。为了取得最好的手术效果，手术中使用的飞秒激光脉冲要求非 常精确的聚焦在角膜组织内部。精确的实时测量飞秒激光角膜切削聚焦位 置对于手术应用就具有非常迫切的应用需求。

现在常用的测量飞秒激光角膜切削聚焦位置的方法是在手术前准备工 作中通过激光诱导等离子体光信号测量角膜激光切削聚焦位置，原理为在 和切削激光垂直方向使用光电倍增管来监测激光诱导等离子体光信号，在 手术前的准备工作阶段，先把激光聚焦到实际手术中和角膜直接紧密接触 的光学部件下方不远处，并紧贴实际手术中和角膜直接紧密接触的光学部 件加入暗色物质，然后增加入射切削激光能量保证有切削效果，再移动激 光聚焦位置并监测激光诱导等离子体光信号来保证入射切削激光位置就是 正好在实际手术中和角膜直接紧密接触的光学部件下方。此方法在手术前 准备阶段进行，可以实际应用到手术中，但是存在测量是否准确的问题。

由于判断激光诱导等离子体光信号正好产生于在实际手术中和角膜直 接紧密接触的光学部件的正下方需要激光调试人员的经验，而且手术中病 人角膜和紧密接触的光学部件之间存在液体，因此很难准确的确定病人角 膜的实际位置，有一定的可能性会对手术效果产生不良的影响。

发明内容

本发明旨在克服现有飞秒激光系统无法实时准确确定激光在角膜组织 中的聚焦位置的技术缺陷，提高测量精度，提供一种利用光谱分析检测切 削阈值的飞秒激光系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光 系统，包括样品模块、飞秒激光发射模块、激光聚焦模块，还包括光谱分 析模块；

所述样品模块，用于放置角膜样品；

所述飞秒激光发射模块，用于发射激光束；

所述激光聚焦模块，用于将所述激光束聚焦至所述样品模块；

所述光谱分析模块，用于对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析， 判断所述激光束在角膜组织中的聚焦位置；

飞秒激光发射模块发射激光束，所述激光束经过激光聚焦模块聚焦， 照射于所述样品模块的角膜样品上，所述角膜样品受激光诱导后发出激光 诱导等离子体光信号，所述激光诱导等离子体光信号经激光聚焦模块发送 至所述光谱分析模块，所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号 进行光谱分析一些实施例中，所述光谱分析模块包括激光诱导等离子体光 信号接收单元及分析单元；所述激光诱导等离子体光信号接收单元获取所 述角膜样品受激产生的激光诱导等离子体光信号，并发送给分析单元，分 析单元对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，并判断所述激光束 在所述角膜组织中的聚焦位置，判断所述激光束在角膜组织中的聚焦位置。

一些实施例中，所述激光诱导等离子体光信号接收单元为用于过滤激 光束的近红外滤波片。

一些实施例中，所述激光聚焦模块包括沿激光入射光路依次设置的入 射激光光强调节装置、扩束器及分光镜，以及设置于分光镜与所述样品模 块之间的会聚透镜；

激光束经入射激光光强调节装置调节光强后，由扩束器进行扩束，激 光扩束后照射于分光镜上，分光镜将扩束后的激光反射至会聚透镜上，会 聚透镜将所述激光束聚焦于样品模块上。

一些实施例中，所述入射激光光强调节装置由半波片及偏振片组合而 成。

一些实施例中，所述会聚透镜的数值孔径为0.12，放大倍数为5倍。

一些实施例中，所述飞秒激光发射模块包括扫描单元、飞秒激光振荡 器、展宽器、再生放大器及压缩器；所述飞秒激光振荡器产生激光束经过 展宽器进行脉宽，再通过再生放大器进行单脉冲能量放大，经压缩器进行 脉宽压缩，通过扫描单元射出。

一些实施例中，所述扫描单元为XY二维扫描镜。

相应地，本发明还提供一种确定激光在角膜组织中聚焦位置的方法， 包括以下步骤：

S1、飞秒激光发射模块发射激光束；

S2、激光会聚模块将所述激光束进行处理，使聚焦于样品模块的角膜 样品上，所述角膜样品受激产生激光诱导等离子体光信号；

S3、会聚模块接收所述激光诱导等离子体光信号，并发送给光谱分析 模块；

S4、所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行光谱分析， 并判断所述激光束在角膜组织中的聚焦位置。

一些实施例中，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、入射激光光强调节装置调节所述激光束的光强；

S22、扩束器对所述激光束进行扩束；

S23、分光镜将扩束后的激光束反射至会聚透镜上；

S24、所述会聚透镜将所述激光束聚焦于样品模块的角膜样品上。

本发明的有益效果在于：本发明利用对激光诱导等离子体光信号进行 光谱分析，来判断激光在角膜组织中的聚焦位置，从而实现了在手术中实 时、精确判断眼科手术过程中激光聚焦位置的有益效果。

附图说明

图1为本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统的模块 图；

图2为本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统中飞秒 激光系统的一个具体实施例；

图3为本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统中飞秒 激光发射模块1的一个具体实施例；

图4为本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的方法流程图；

图5为本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的方法流程图；

图6为利用本发明所阐述的系统及方法实现的单脉冲飞秒激光烧蚀角 膜组织并分析激光诱导等离子体得到的光谱图。

图标说明：

1  飞秒激光发射模块     2   激光聚焦模块

3  光谱分析模块         4   样品模块

101 飞秒激光振荡器      102 展宽器

103 再生放大器          104 压缩器

105 扫描单元            201 入射激光光强调节装置

202 扩束器              203 分光镜

204 会聚透镜            301 激光诱导等离子体光信号接收单元

302 分析单元

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的技术关键点在于利用光谱分析飞秒激光对角膜组织聚焦所产 生的激光诱导等离子体光信号来确定飞秒激光角膜聚焦位置。在角膜组织 中，由于由角膜产生的诱导等离子体光信号的光谱和其他物质(如手术中 使用的润滑液体，手术中和角膜直接紧密接触的光学部件)产生的诱导等 离子体光信号的光谱不同，所以可以清楚地准确确定飞秒激光在角膜组织 中的聚焦位置。

请参阅图1，为本发明的确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系 统。包括以下模块：飞秒激光发射模块1、激光聚焦模块2、光谱分析模块 3及样品模块4。飞秒激光发射模块1发射激光束，激光束通过激光聚焦模 块2聚焦至样品模块4上，样品模块4上的角膜样品受激光诱导产生激光 诱导等离子体光信号，激光诱导等离子体光信号通过激光聚焦模块2发送 至光谱分析模块3，光谱分析模块3对激光诱导等离子体光信号进行光谱分 析，并判断所述激光束在所述角膜组织中的聚焦位置。当判断激光束聚焦 到角膜时，飞秒激光发射模块1开始发射激光对角膜样品进行切削。

优选的，本发明的确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统， 还包括提示模块，提示模块与光谱分析模块3连接，用于激光束聚焦到角 膜上时发出提醒。

请参阅图2，为本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统 的一个具体实施例。包括飞秒激光发射模块1、激光聚焦模块2、光谱分析 模块3及样品模块4。

激光聚焦模块2包括沿激光入射光路依次设置的入射激光光强调节装 置201、扩束器202及分光镜203，以及设置于分光镜203与所述样品模块 4之间的会聚透镜204。激光束经入射激光光强调节装置201调节光强后， 由扩束器202进行扩束，激光经扩束后照射于分光镜203上，分光镜203 将扩束后的激光反射至会聚透镜204上，会聚透镜204将激光聚焦于样品 模块4上。

优选的，入射激光光强调节装置201由半波片及偏振片组合。

优选的，会聚透镜204的数值孔径为0.12，放大倍数为5倍。

光谱分析模块3包括激光诱导等离子体光信号接收单元301及分析单 元302。所述激光诱导等离子体光信号接收单元301获取所述样品受激产生 的激光诱导等离子体光信号，并发送给分析单元302，分析单元302对所述 激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，判断激光束在所述角膜组织中的 聚焦位置。

优选的，所述激光诱导等离子体光信号接收单元301为用于过滤激光 束的近红外滤波片。

本实施例的具体工作过程为：飞秒激光发射模块1射出的激光经入射 激光光强调节装置201调节光强，再由扩束器202进行扩束，激光扩束后 照射于分光镜203上，分光镜203将扩束后的激光反射至会聚透镜204上， 会聚透镜204将激光聚焦于样品模块4的角膜样品上。

样品模块4的角膜样品受激产生激光诱导等离子体光信号，激光诱导 等离子体光信号经会聚透镜204及分光镜203传至光谱分析模块3的近红 外滤波片，近红外滤波片将分光镜203折射过来的激光过滤掉，只允许激 光诱导等离子体光信号穿过红外滤波片，发送至分析单元302，分析单元 302对激光诱导等离子体光信号进行光谱分析，分析激光是否聚焦在角膜 上，并计算角膜切削阈值。

请参阅图3，在本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的飞秒激光系统 中飞秒激光发射模块1的一个具体实施例中，所述飞秒激光发射模块1包 括扫描单元105、飞秒激光振荡器101、展宽器102、再生放大器103及压 缩器104；所述飞秒激光振荡器101产生激光束经过展宽器102进行脉宽展 宽，再通过再生放大器103进行单脉冲能量放大，经压缩器104进行脉宽 压缩，通过扫描单元105射出。

优选的，扫描单元105为XY二维扫描仪。

优选的，本发明中的激光发射单元可以使用啁啾脉冲放大全固体飞秒 激光器。飞秒种子源是商用产品，来自于奥地利HIGH Q公司，产生的飞 秒激光脉宽180飞秒，重复频率90MHz，平均功率90mW。为了节省空间， 同一个透射体全息光栅即用作展宽器又用作压缩器。展宽器把180飞秒的 种子源光束展宽到20皮秒，然后通过磁光隔离器注入再生放大器。激光束 在再生放大器里来回往复约100次，单脉冲能量逐次放大到最大值，然后 通过磁光隔离器射出再生放大器。从再生放大器出射的经过能量放大的激 光束通过压缩器把激光脉宽从20皮秒压缩回500飞秒。激光束的模式是基 横模，光束质量因子优于1.5。激光束通过扫描和聚焦系统汇聚在角膜样品 内，焦点直径为5微米，可以在X和Y方向实现快速扫描，在Z方向实现 聚焦深度调节。

请参阅图4，为本发明确定激光在角膜组织中聚焦位置的方法流程图。 该方法采用本发明利用光谱分析检测切削阈值的激光系统来实现。具体通 过如下步骤实现：执行步骤S1，飞秒激光发射模块发射激光束。飞秒激光 发射模块的激光振荡器产生激光束，并经过展宽器进行脉宽展宽，再通过 再生放大器进行单脉冲能量放大，经压缩器进行脉宽压缩，通过扫描单元 射出。

执行步骤S2，激光会聚模块将所述激光束进行处理，使聚焦于样品模 块的角膜样品上，所述角膜样品受激产生激光诱导等离子体光信号。具体 通过图5流程图中的如下步骤实现：入射激光光强调节装置调节所述激光 束的光强(步骤S21)，扩束器对所述激光束进行扩束(步骤S22)，分光镜 将扩束后的激光束反射至会聚透镜上(步骤S23)，会聚透镜将所述激光束 聚焦于样品模块的角膜样品上(步骤S24)，从而使得角膜受激产生激光诱 导等离子体光信号。

执行步骤S3，会聚模块接收所述激光诱导等离子体光信号，并发送给 光谱分析模块。

执行步骤S4，所述光谱分析模块对所述激光诱导等离子体光信号进行 光谱分析，并判断激光束在角膜组织中的聚焦位置。

请参阅图6，利用本发明所阐述的系统及方法实现的单脉冲飞秒激光烧 蚀角膜组织，并分析激光诱导等离子体得到的光谱图。只有角膜组织才具 有这样的元素，而其他物质(如手术中使用的润滑液体，手术中和角膜直 接紧密接触的光学部件)所产生的诱导等离子体光信号的光谱则不含这些 元素。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。 任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包 含在本发明权利要求的保护范围内。