用于影响结缔组织的生物机械学性质的系统和方法

摘要

一种用于给予消融医学治疗以改进生物机械学的设备包括：用于生成在消融医学治疗中使用的激光辐射射束以改进生物机械学的激光器；外壳；外壳内的控制器，其与激光器通信并且可操作成控制在应用于目标材料中的激光辐射射束的剂量测定；可操作成将激光辐射射束聚焦到目标材料上的透镜；以及可操作成将电力提供给激光器和控制器的电源。

说明书

技术领域

本文公开的主题大体涉及用于影响结缔组织的生物机械学性质的系统和方法，并且更具体地涉及用于治疗结缔组织以更改结缔组织的基础和生物机械学性质的系统和方法。

背景技术

结缔组织是支撑和连接身体的其它组织和部分的组织。结缔组织（诸如眼睛的巩膜组织）的基础和生物机械学性质可能随其寿命而改变。这些基础和生物机械学组织具有以下性质，包括但不限于其结构、功能、免疫学、弹性、冲击吸收、回弹性、机械潮湿、柔韧性、硬度、刚性、配置、对准、变形、迁移性、体积、生物化学以及结缔组织适当且最新新陈代谢的结缔组织的分子遗传学。这些性质的更改可以导致结缔组织的低等级压力/应变的累积。这可能通过剧烈损伤或者作为老化的通常渐变过程而发生。结缔组织的这些性质的更改可能改变结缔组织的总体期望性质并且还可能不合期望地影响周围的组织、结构、器官或者涉及结缔组织的系统。这样的不合期望的影响的示例是增加的张力、灵活性的丢失、挛缩、纤维症或硬化症，其中任一个可能阻止结缔组织或者涉及结缔组织的结构执行其期望的功能。

基础和生物机械学性质中的自然更改，尤其是眼睛的巩膜的柔韧性和弹性可能影响眼睛聚焦的能力。这些更改可能由组织的病变或年龄相关改变引起。巩膜组织的这些更改还可能贡献于眼内压力的增加以及眼睛或眼睛的视场的对比敏感度的丢失。巩膜的生物机械学和结构更改可能影响折射能力以及眼睛的稳态功能的效率，诸如眼内压力、水产生、pH、平衡、血管动力学、新陈代谢和眼睛器官功能。此外，巩膜组织的更改可能贡献于组织层中的机械性刺激感受器、光感受器或感官感受器以及与巩膜组织直接或间接相关的结构的损坏。附加地，巩膜组织的基础和生物机械性更改还可能是大脑皮层对用于将视觉信号处理成准确视觉感知所必要的准确视觉刺激进行处理的能力方面的贡献因素。

远视眼是影响眼睛的聚焦能力的状态，尤其是在年老者中。远视眼是调节-通过近到远对象的范围聚焦的能力-的丢失。远视眼的一些原因被视为晶状体中的弹性的丢失以及眼睛的睫状肌中的强度的丢失。尽管自然地发生，但是远视眼影响人的视力，包括增加的眼压、低或调暗照明中的能见度问题以及小物体上的聚焦问题。因此，远视眼引起调节的丢失。

因此合期望的是提供具有尚未教导的优势的用于更改结缔组织的生物机械学性质的改进的系统和方法。

发明内容

本文描述了用于更改结缔组织的生物机械学性质的系统和方法，其克服上文指出的限制。

一般地，公开了一种用于给予医学治疗的设备，其包括用于生成激光辐射射束的激光器、外壳、外壳内的与激光器通信并且可操作成控制在应用于目标材料中的激光辐射射束的质量的控制器、可操作成将激光辐射射束聚焦到目标材料上的透镜、以及可操作成将电力提供给激光器和控制器的电源。

本发明的其他特征和优点将从以下结合附图考虑的更详细描述变得清楚，所述附图通过示例的方式图示当前描述的发明的原理。

附图说明

在（多个）附图中图示了本发明的最佳模式实施例中的至少一个。在这样的（多个）图中：

图1图示了根据本发明的实施例的使用激光器的医学治疗系统的概图；

图2图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统；

图3图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统；

图3A图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统；

图3B图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统；

图3C图示了根据本发明的实施例的相机校正系统；

图3D图示了根据本发明的实施例的基于相机的眼睛追踪器过程的流程图；

图3E图示了根据本发明的实施例的用于激光消融过程的流程图；

图4图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统；

图4A图示了根据本发明的实施例的包括消融孔深度的激光治疗系统；

图4B图示了根据本发明的实施例的基于OCT的深度控制的流程图；

图5A图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统透镜放置；

图5B图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统透镜放置；

图5C图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统透镜放置；

图6图示了根据本发明的实施例的示出相关子系统的关系的激光治疗系统组件图；

图7图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统；

图8图示了根据本发明的实施例的眼睛治疗图；

图9图示了根据本发明的实施例的孔矩阵的正视图；

图10图示了根据本发明的实施例的孔矩阵的正视图；

图11图示了根据本发明的实施例的孔矩阵的后视图；

图12图示了根据本发明的实施例的孔矩阵；

图13图示了根据本发明的实施例的孔矩阵；

图14图示了根据本发明的实施例的孔矩阵；

图15图示了根据本发明的实施例的孔矩阵；

图16图示了根据本发明的实施例的孔矩阵深度；

图17图示了根据本发明的实施例的孔矩阵深度；

图18图示了根据本发明的实施例的孔矩阵；

图19图示了根据本发明的实施例的孔矩阵；

图20图示了根据本发明的实施例的螺旋形式的孔矩阵；

图21图示了根据本发明的实施例的螺旋形式的孔矩阵；

图22图示了根据本发明的实施例的同心圆形式的孔矩阵；以及

图23图示了根据本发明的实施例的散布圆形式的孔矩阵。

图24A图示了示出眼睛的肌肉移动的经调节和未经调节的眼睛。

图24B图示了眼睛中的睫状肌的三个部分及其相互关系。

图24C示出了睫状肌的收缩及其对眼睛的影响。

图25示出了根据本发明的至少一个实施例的配置，其中射束给予系统在眼睛之上以“测角计”运动进行扫描。

图26示出了以泊松比0.5经受沿x轴线的张力的各项同性线性弹性材料。立方形不受应变而矩形由于y和z方向上的收缩和张力而在x方向上扩展。

具体实施方式

以上描述的各图图示了其优选的最佳模式实施例中的至少一个中的所述发明，其还在以下描述中详细地限定。本领域普通技术人员可能能够对本文所描述的内容做出更改和修改而不脱离其精神和范围。尽管该发明易受许多不同形式的实施例的影响，但是在图中示出并且将在本文中详细描述本发明的优选实施例，以理解到本公开内容要被视为本发明的原理的示例并且不意图将本发明的宽方面限于所图示的实施例。因此，应当理解到，所图示的内容仅出于示例的目的而阐述并且不应当被视为对本发明的范围的限制，因为本公开内容的范围将仅由所附权利要求限制。

如本文中和所附权利要求中所使用的，单数形式的“一（a、an）”和“该”包括复数引用，除非上下文以其它方式清楚指示。

本文所讨论的出版物仅仅出于其在本申请的提交日之前公开而提供。在本文中没有什么内容要被解释为准许本公开内容无权凭借早先公开而居先于这样的出版物。另外，所提供的出版物的日期可以不同于真实的出版日期，这可能需要单独地确认。

应当指出的是，关于本文提供的任何实施例所描述的所有特征、元件、组件、功能和步骤意图与来自任何其它实施例的那些自由地可组合和可替换。如果某些特征、元件、组件、功能或步骤是仅关于一个实施例描述的，则应当理解到，该特征、元件、组件、功能或步骤可以与本文描述的每一个其它实施例一起使用，除非以其它方式明确地陈述。该段落因此充当用于在任何时间引入权利要求的先行基础和书面支持，其组合来自不同实施例的特征、元件、组件、功能和步骤并且将来自一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤替换为另一个的那些，甚至是以下描述并没有在具体实例中清楚地陈述到这样的组合或替换是可能的情况下。清楚地认识到，每一个可能的组合和替换的明确引述是极度繁琐的，尤其是给定每一个这样的组合和替换的准许性将由本领域普通技术人员容易地认识到的情况下。

一般地，如上文讨论的，结缔组织（诸如眼睛的巩膜组织）的基础和生物机械学性质可能随其时间而改变。这些基础和生物机械学组织具有以下性质，包括但不限于其结构、功能、免疫学、弹性、冲击吸收、回弹性、机械潮湿、柔韧性、硬度、刚性、回弹能力、配置、对准、变形、迁移性、体积、生物化学以及结缔组织适当且最新新陈代谢的结缔组织的分子遗传学。这些性质的更改可以导致结缔组织的低等级压力/应变的累积。这可能通过剧烈损伤或者作为老化的通常渐变过程而发生。结缔组织的这些性质的更改可能改变结缔组织的总体期望性质并且还可能不合期望地影响周围的组织、结构、器官或者涉及结缔组织的系统。这样的不合期望的影响的示例是增加的张力、灵活性或弹性的丢失，连同挛缩、纤维症或硬化症一起，其中任一个可能阻止结缔组织或者涉及结缔组织的结构执行其期望的功能。

例如，在人类眼睛中，基础和生物机械学性质中的自然更改，尤其是眼睛的巩膜组织的回弹性、柔韧性和弹性，可能影响眼睛聚焦的能力。巩膜是眼睛的外层并且包含胶原质和弹性纤维。其通常被称为“白眼球”并且是不透明的，并且保护眼睛。这些更改可能影响睫状肌和复合体在晶状体上施加力以影响中央光功率（COP）的能力。巩膜组织的这些更改还可能贡献于眼内压力以及眼睛或眼睛视场的对比敏感度的丢失。巩膜的生物机械学和结构更改可能影响折射能力以及眼睛的稳态功能的效率，诸如眼内压力、水产生、pH、平衡、血管动力学、新陈代谢和眼睛器官功能。此外，巩膜组织的更改可能贡献于组织层中的机械性刺激感受器、光感受器或感官感受器以及与巩膜组织直接或间接相关的结构的损坏。附加地，巩膜组织的基础和生物机械性更改还可能是大脑皮层对用于将视觉信号处理成准确视觉感知所必要的准确视觉刺激进行处理的能力方面的贡献因素。

结缔组织可以是任何期望的结缔组织。例如，在眼睛中，孔矩阵可以应用于结膜；角膜（包括所有其层和隔膜）；虹膜；睫状体；睫状肌；前室；睫状小带；脉络膜层压环状韧带，晶状体囊，外肌及其相关联的结缔组织，隔膜和带；后室；晶状体以及所有其相关联的层，组织，囊和隔膜；巩膜窦，小梁网和所有其相关联的层，组织，囊和隔膜；锯齿缘；玻璃体；视神经乳头；视神经；筛状板；脉络膜；巩膜；玻璃质及相关联的隔膜；视网膜；眼睛中的所有上皮细胞层；眼睛中的脉管结构；眼睛的附属器官；以及眼睛的淋巴管以及甚至围绕眼睛的视神经乳头的筛状板多骨结构。

本文描述的本发明涉及老化结缔组织中的一个或多个孔矩阵的创建以便恢复结缔组织的丢失生物机械学性质。这样的恢复包括但不限于弹性、回弹性、冲击吸收、柔韧性、结构整体性和/或迁移性、左右器官或系统功能方面的增加。孔（或穿孔）可以经由激光消融或其它类似措施形成，并且可以经由愈合抑制剂的使用而保持在结缔组织中。优选地，矩阵形成在眼睛的巩膜组织中。然而，将领会到，本发明可以适用于其它结缔或非结缔组织，如情况可以是应用一个或多个矩阵以向组织恢复丢失的生物机械学性质。在至少一些实施例中，如将在本文进一步解释的，一个或多个矩阵可以形成结缔组织中的棋盘格图案的孔。在至少一个实施例中，至少一个矩阵包括以下中的至少一个：各向异性图案、不规则碎片形图案、随机纳米图案或者现在已知的或随后开发的任何其它图案，其可以更改结缔组织的性质以改建其生物机械学。

多个平面中的多个矩阵相互之间的关系创建影响组织弹性、柔韧性以及优选地老化结缔组织的粘弹性性质的生物机械学性质方面的改变，并且创建“负硬度”。更加物理地解释，结缔组织生物机械学性质通过创建结缔弹性的矩阵以具体且唯一的方式改变。这种多个矩阵的应用的第二生物机械学影响在于组织性质已经对泊松比具有具体影响——即改变成负泊松比值。泊松比（PR）是对截面面积对抗张伸展率的相对改变的比率近似的基础机械参数。这些多个矩阵的应用的第三生物机械学影响在于物理和生物机械学改变对结缔组织具有重新塑造影响。多个矩阵的应用的第四生物机械学影响在于物理和生物机械学性质改变具有负泊松比结构，其具有两个维度中的最小者中的机械各项同性。当经受纵轴上的正应变时，材料中的横向应变可能实际是正的（即其将增加截面面积）。

激光外科系统

现在将特别地参照图1-15讨论根据至少一个优选实施例的用于治疗结缔组织的外科激光系统102。

如例如在图1中所图示的，激光系统102可以用于通过消融巩膜组织以形成其中的穿孔来移除巩膜组织。正常组织愈合可以至少部分地被影响以维持巩膜组织中的穿孔或孔。换言之，形成穿孔可以抑制、中断、限制或以其它方式引起组织偏离愈合、修复或以符合日常或普通自然规则的方式再生，从而在其中产生可观察缺陷。

外科激光系统102包括耦合到诸如激光给予光纤120之类的连接器的一端的激光头106，所述连接器的相反端连接到诸如手件之类的给予装置。

激光给予光纤120将激光能量从激光发射器给予到手件130。激光给予光纤可以具有任何期望的构造，其将激光能量从激光器传递到手件130。在一些实施例中，激光给予光纤120可以是光纤光学组装件。在其它实施例中，经准直的臂系统或者雾化颗粒射束可以用来代替给予光纤120，如本领域中已知的。连接器可以通过光泵的组装件或光纤将能量给予到光纤组装件。

激光器202可以是任何期望的激光器。例如，激光器可以是气体类型的激光器（例如氩气、氪气、CO2、HeNe、氮气等）、准分子类型激光器（例如ArF、KF、KCl等）、固态类型激光器（例如玻璃（例如光纤）晶体（例如红宝石、YAG、YLF、GSSG等）、掺杂（例如钕、铒、钬镱、铥、铬等））、二极管类型激光器、金属蒸汽类型激光器（例如Cu、Ag等）或管芯类型激光器。优选的波长范围可以从193纳米到10,600纳米。激光器还可以是连续波、长脉冲、q切换或锁模激光器。

在优选实施例中，激光器202具有大约2.94um的波长。在一些实施例中，可以使用具有10.6微米波长的CO2激光器。在一些实施例中，可以使用具有2.1微米波长的Ho:YAG激光器。

在至少一个实施例中，激光器202的脉冲宽度可以是大概250μβ。在一些实施例中，使用具有几百微秒范围内的脉冲宽度的“长脉冲”激光器。在一些实施例中，可以使用具有十到一百纳秒范围内的脉冲宽度的Q切换激光器。在一些实施例中，使用具有数十到数百皮秒内的脉冲宽度的锁模激光器。在一些实施例中，使用具有数十到数百飞秒内的脉冲宽度的超快激光器。在至少一个实施例中，重复率的范围可以从3到50pps，优选地选自3,10,15,20,25,30,40和50ps。在一些实施例中，重复率的范围可以从几百赫兹到几十千赫。示例性激光器在随附材料中描述并且特此通过引用在其整体上被并入。

本文中的本发明的实施例中的空间模式结构可以变化。在一些实施例中，可以使用单模高斯空间模式。在其它实施例中，可以使用多空间模式激光器。

来自根据本发明的实施例的激光器的能量分布在一些实施例中可以是高斯的并且在一些实施例中是平坦顶部的。

如例如在图2中所示，给予系统可以被配置成沿着从射束输入位置204到射束输出位置216的路径引导激光能量。除其它之外，这可以经由被配置成引导激光能量的一系列反射镜和/或透镜204,208,210,212,214,216完成。这一系列反射镜和/或透镜可以是手动或自动可调节的以便将激光能量引导到一个或多个期望位置。

给予系统还可以被配置成将激光能量聚焦到巩膜组织140。除其它之外，这可以经由被配置成聚焦激光能量的一系列反射镜和/或透镜204,208,210,212,214,216完成。这一系列反射镜和/或透镜204,208,210,212,214,216可以是手动或自动可调节的以便将激光能量聚焦到一个或多个期望位置。

给予系统还可以包括图像平台、观看平台、狭缝灯、显微镜或慧眼150。

给予系统200还可以配置为使得激光能量在巩膜组织中形成孔矩阵。

在至少一个实施例中，给予系统包括被配置成将激光能量应用在组织之上的孔矩阵中的手件130。这样的应用可以是手动的或者自动的。例如，手件130可以被配置成经由经训练的医师或操作员160手动地在组织之上的孔矩阵中移动。

在一些实施例中，给予系统包括扫描机构或系统（诸如图4中的眼睛追踪器），其被配置成在组织之上的孔矩阵中移动激光能量。这可以是自动化过程。例如，在至少一个实施例中，给予系统包括2D或3D电流扫描系统，其被配置成在组织之上的期望图案中移动激光能量。扫描系统还可以包括反向成像设备和软件平台。如本文进一步讨论的，扫描机构或系统在孔矩阵的形成期间将激光消融射束从孔向孔引导。相反地，如本文还讨论的，追踪机构维持扫描系统和目标组织的相对位置的稳定。追踪系统出于至少该原因而通信耦合到扫描系统。

在至少一个实施例中，给予系统包括被配置成将激光能量应用在组织之上的孔矩阵中的掩模。例如，掩模可以选择性地准许激光能量到达巩膜组织。

在一些实施例中，掩模或膜可以并入生物、化学、电气、离子或其它传感器以便控制激光射束功能和均匀化的众多参数。在一些实施例中，传感器可以并入到掩模、膜或电流光学组合件中以控制激光射束的增益介质和带宽功能。换言之，在一些实施例中，扫描系统包括生物反馈控制回路。生物反馈回路提供关于所辐照的组织的特性的实时反馈，诸如厚度、形貌、聚焦、水合等。在至少一个实施例中，用于辐照组织的激光射束被测量以给出该返回并且基于实时组织特性进行调节。

在至少一个实施例中，激光器和给予系统是镱光纤到光纤系统（诸如图1中的元件120），其不要求晶体。在至少一个实施例中，激光器202具有放大器，其要么处于主体件、头件中，要么处于远程手件130中。

重要的是指出，以上特征或实施例中没有一个意图是相互排斥的并且特别地预期到其所有组合。例如，给予系统可以包括其中具有扫描机构以用于与掩模结合地使用的手件130。

转向图1，示出了使用激光器系统102的医学治疗系统100，其可以用于执行依照本发明所描述的方法。

在示例实施例中，医学治疗系统100宽泛地要求使用激光器系统102，其经由激光给予光纤120向手件130并且然后向患者（在本文中还称为患者眼睛）140给予激光射束。操作员160经由脚踏板114控制激光器系统102并且经由手件130控制激光射束，并且经由外科显微镜150监控医疗过程的进展。

在示例实施例中，激光器系统102包括各种组件，包括系统控制电子器件104、激光头106、激光冷却系统108、HV电源110和系统电源112。

在一些实施例中，激光冷却系统108是水冷系统。在一些实施例中，激光冷却系统108可以是空气或化学衬底。还可以包括的是用户接口按钮和LED面板，其包括诸如开、关、待机或其它之类的状态指示器。在激光系统102与给予光纤120之间存在接口。

在示例实施例中，激光系统102创建激光射束，其具有2.94微米的操作波长以及10-50Hz的典型脉冲重复频率。激光脉冲宽度典型地为250微秒。

激光器系统102经由光纤线缆耦合到由操作员160持握的手件130。为了传送中红外光，光纤材料是硫属化物玻璃。其可以由锗或ZBLAN制成。可替换地，光纤可以是中空光纤、光子晶体光纤或者单覆或多覆光纤。光纤纤芯直径是大约400微米，但是范围可以从单模到600微米直径。

手件130在远端对接到光纤线缆并且经由聚焦光学器件将光耦合到波导尖部。该尖部可以包括无定形玻璃或晶体材料，诸如石英或蓝宝石。尖部的直径范围可以从100到600微米并且可以是直的或以某一角度弯曲。尖部的端部可以是抛光或裂开平坦的或者可以成角度或是圆角的。手件130的尖部定位成非常接近要治疗的组织。

手件130可以是被动式的或者主动式的。主动式手件130可以以某种方式与激光控制系统102通信以激活/去激活激光射束，或者以改变其它激光参数（例如脉冲宽度、重复频率或脉冲能量）。

用于手件130的可替换配置是维持实际激光器晶体和腔室。使用半导体二极管而不是闪光灯来泵浦激光器晶体并且经由光纤光学器件将二极管光学能量给予到手件130中的激光器晶体，如相关联的参考专利Shen,US6,458,120中所公开的，该专利的整体内容和公开通过引用并入本文。

在一些实施例中，可以使用免提系统来替换手件130。在一些实施例中，可以使用狭缝灯接口以监控或执行过程。在一些实施例中，可以使用仰卧接口，如一些激光眼睛外科过程中所常见的。

在示例实施例中，使用外科显微镜150来提供治疗区域的放大以用于使操作员160引导治疗。在其它实施例中，外科显微镜150可以是另一观看装置，其提供治疗区域的放大或其它显示。

在本发明的各种实施例中，医师或操作员160可以以众多方式与系统对接。一些实施例包括触摸屏视频监控器。其它实施例包括视频监控器而没有触摸屏能力。一些实施例允许使用键盘和鼠标、手激活的开关、附加脚踏板、虚拟现实或三维护目镜、远程相互作用能力、立体外科显微镜或者其它相关仪器。

在一些实施例中，激光器晶体设置在两个反射表面之间并且这帮助形成激光射束。在一些实施例中，激光器晶体是棒形晶体或者薄盘晶体。开孔构件可以定位在激光器晶体之间，并且一个反射表面可以包括基本上圆形的开孔以用于传递激光射束。在许多实施例中，开孔的大小是选择性可调节的。开孔构件可以具有各种不同大小的多个开孔并且是关于旋转轴线可旋转的。旋转轴线可以平行于激光器晶体的纵向轴线。通过适当地旋转开孔构件，所选择的一个开孔可以定位成传递激光射束。在一些实施例中，开孔被用于调节激光射束大小。开孔定位在激光腔之外。开孔相对接近于辐照表面定位。在这样的实施例中，激光器优选地是手持式探测二极管激光器泵浦晶体。

在一些实施例中，使用分档器马达和柔性轴来旋转开孔构件。至少一个开孔可以受到旋转构件的斜面部分的围绕。

在一些实施例中，具有不同大小的固定开孔的两个激光器可以被利用并且引导到共同表面。根据本发明的一方面，在一些实施例中提供铰接臂连同一个或多个重新聚焦光学器件以用于在其通过臂行进时对激光射束重新聚焦。

在一些实施例中，提供激光源连同检流计以用于将两个激光射束中的每一个引导到要治疗的表面。这样的布置可以提供附加的多功能性和控制。

在一些实施例中，沿着光纤提供激光源连同手件和一个或多个聚焦光学器件或尖部。根据另一方面，提供具有半导体盘的第四激光源。

对于宽波长调谐并且对于超短脉冲生成而言，其它掺镱增益介质可以提供更宽的增益带宽。示例为钨酸盐晶体（Yb:KGW,Yb:KYW,Yb:KLuW）、Yb:LaSc3(B03)4(Yb:LSB),Yb:CaGdA104(Yb:CALGO)和Yb:YV04。特别有潜力的是新型倍半氧化物材料，诸如Yb:Sc203,Yb:Lu203和Yb:Y203，其具有卓越的热学机械性质以及用于非常高的输出功率和高效率的潜力。利用Yb:Lu203已经展示出80%的斜度效率。

还可以在薄盘激光器中使用Nd:YAG或Nd:YV04，例如当要求1064nm的波长时，或者当Nd:YV04的小得多的饱和能量是相关的时。一般地，高掺杂浓度对于薄盘增益介质是合期望的。这允许人们使用相当薄的盘（以及因而最小化热学效应）而不需要布置泵浦辐射的过多通道。大多数掺镱增益介质在这方面是非常有利的。

根据另一方面，第五激光源提供有一种装置，其中所述装置是独立式半导体晶片边缘处理系统的一部分或者是集成到用于在半导体晶片边缘处理系统中使用的模块中的光纤组合件。要适配用于激光标记和雕刻的唯一光放大器平台在镱光纤放大器中找到。

在一些实施例中，光纤到光纤激光器系统（诸如图1中所示的）包括包覆光纤泵浦技术，其在紧密逼近高斯射束强度轮廓的射束结构中创建相干。方法利用包括镱光纤到光纤固态激光器的激光器系统消融生物学组织，其中光纤本身是激光处理介质，并且其不包含靠近电流组合件的激光器晶体或腔内光学器件，并且整体射束操纵/电流安装组合件减少成紧凑模块。

在一些实施例中，组合件是真正的固态设计并且包括生长到主动式光纤组合件上的泵浦腔光学器件，其包括系统的内置能力以通过自准直特征自动地监控激光源的输出功率，该自准直特征恒定地提供片刻返回，从而保持输出功率恒定而不管进入的电压中的变化如何或者各个二极管的任何可能的稍微降级。

在一些实施例中，光纤到光纤激光器的小包装尺寸允许射束在几乎任何角度下的定位，从而给出几乎不受限制的角度空间治疗区域。

在一些实施例中，镱光纤的近红外频率的优选波长在1060nm处，其可以增至两倍、三倍或四倍。优选地，在本发明中，呈现2940nm波长参数。

在一些实施例中，激光器系统包括内置功率监控反馈电路，如本领域中已知的。

在一些实施例中，基本激光器系统是全部光纤格式的，其允许调节脉冲能量和/或改变脉冲重复率而不会影响任何输出射束参数。

在一些实施例中，基本激光器系统以<1.2的M平方的单模为特征。M平方是指示激光射束与真实高斯射束如何接近的射束质量度量。

本文提供一种消融生物学组织的方法，其中激光源是单频、宽可调谐中IR激光器。

在一些实施例中，激光射束可以以亚纳米准确度进行定位。这可以利用自动化的高分辨率谐振探测AFM工具来完成，该工具可以连接到闭环纳米定位系统。在一些实施例中，具有100,200和300微米范围的运动的三轴纳米定位系统提供在所有三个轴线中。

在一些实施例中可以提供其它组件，包括激光器组件，诸如传感器预防大器、Akiyama探针、安装板和/或闭环纳米伺服控制器。

转向图2，使用根据本发明的实施例的激光治疗系统200示出医学治疗系统的实施例。

在示例实施例中，免提激光治疗系统200包括发射激光射束的治疗激光器202，该激光射束通过中继透镜204行进到二色性或内翻式器件208。治疗激光器202经由光纤光学器件、中空波导或自由空间传播耦合到系统。对于自由空间传播，激光射束可以利用固定反射镜或棱镜、或铰接臂上的反射镜或棱镜来操控。使用一个或多个透镜来准直和/或改变激光射束的大小和/或对激光射束进行成像。可以使用附加输运光学器件来在将其带到聚焦光学器件时控制射束。

在一些实施例中，主动式操纵元件改变射束进入聚焦子系统的角度以在组织的区域之上扫描聚焦斑点。这些主动式元件可以是检流计、语音线圈、DC马达、分档器马达、压电驱动或MEMS反射镜。可替换地，操纵元件应当是折射或衍射元件，诸如瑞利棱镜或者电-、磁-或声-光调制器。这些可替换地在本文中称为扫描系统。

在示例实施例中，一个或多个射束离开二色性或内翻式期间208并且行进到检流计1210。检流计1210可以包括反射镜，其通过检流计设置旋转以便移动激光射束。一个或多个射束离开检流计1210并且行进到检流计2212，其可以是类似于检流计1210的设置。一个或多个射束离开检流计2212并且行进至二色性（可见/IR）器件214。操作员160可以在二色性（可见/IR）器件214处通过使用外科显微镜150来监控一个或多个射束。一个或多个射束通过聚焦光学器件216从二色性（可见/IR）器件214行进到患者眼睛140。

在一些实施例中，追踪系统还包括用于所提供的显微镜的3D图像稳定系统，其能够控制温度梯度、样本偏移和显微镜偏移。

在一些实施例中，聚焦光学器件216可以包括聚焦子系统，其将射束聚焦到要治疗的组织上，从而创建具有期望的斑点大小、能量轮廓和聚焦深度的聚焦斑点。聚焦子系统可以包括折射、反射或衍射元件。

在一些实施例中，视觉起斑激光器206可以是低功率激光器，其被用作起斑射束以辅助组织上的聚焦斑点位置的可视化。视觉起斑激光器206可以是气体、固态或半导体激光器。优选的实施例将是可见波长激光器，其可以以裸眼或利用硅CCD或CMOS相机看到。

视觉起斑激光器206经由射束分割器二色性或内翻式208光学器件注入到光学系统中，并且优选地与治疗激光器202的视线共线。可替换地，可以使用选择性地阻挡一些治疗或起斑激光射束并且允许其它射束的一部分通过的元件，使得起斑和治疗射束同时入射在组织上。可替换地，可以使用在治疗和起斑激光器之间交替的旋转或振荡反射元件。在其它实施例中，射束可以在错开的时候到达二色性或内翻式器件208。

还可能的是使可见起斑射束一体化到治疗激光器。示例将是使可见激光射束通过腔内反射镜或固态激光器行进。腔内反射镜可以被涂覆以传送起斑激光波长而同时反射治疗激光波长。

可替换地，可以使用多个起斑激光射束并且使其对准，使得它们在聚焦光学器件的聚焦平面出重合。如果组织不处于聚焦平面中，则将出现多个可见射束，从而指示需要调节聚焦。

用于使操作员160观看所治疗的组织区域的视线在操纵元件之后并且在聚焦子系统之前注入。使用射束分割器二色性器件208，使得可以与起斑和/或治疗激光206同时地观看组织。还可能采用反射元件以将治疗/起斑激光视线与可见视线组合。该反射元件可以创建激光射束或可见视线中的中心昏暗。在图中示出外科、双目显微镜头150。替代于到操作员眼睛的直接视觉系统，可以采用具有成像光学器件的CCD或CMOS相机。这优选地包括用于调节视差误差的控制器。

可替换地，视线可以定位子聚焦光学器件216之后。如上文描述的类似开孔共享元件可以被用于组合视线。在该情况下，分离的聚焦光学器件216将是要求的以用于使操作员160聚焦在诸如患者眼睛140之类的组织表面上。

转向图3，示出了根据本发明的实施例的激光治疗系统300。图3示出了图2的光学系统，其中添加附加子系统以用于监控和控制组织消融的深度并且用于追踪眼睛移动。

类似于图2中所描绘的实施例，在示例实施例中，激光治疗系统300包括发射激光射束的治疗激光器202，该激光射束通过中继透镜204行进到二色性或内翻式器件208。可见起斑激光器206发射同样行进到二色性或内翻式器件208的激光射束。在一些实施例中，来自治疗激光器202和可见起斑激光器206的射束可以在二色性或内翻式器件208处同时相遇。在其它实施例中，射束可以在交错的时间到达二色性或内翻式器件208。

一个或多个射束离开二色性或内翻式器件208并且行进到检流计1210。检流计1210可以包括反射镜，其通过检流计设置旋转以便移动激光射束。一个或多个射束离开检流计1210并且行进到检流计2212，其可以是类似于检流计1210的设置。一个或多个射束离开检流计2212并且行进到二色性（可见/IR）器件214。操作员160可以在二色性（可见/IR）器件214处通过使用外科显微镜150监控一个或多个射束。一个或多个射束通过聚焦光学器件216从二色性（可见/IR）器件214行进到患者眼睛140。

在图3中，提供附加监控元件以供操作员160用于辅助医疗过程。深度控制子系统302耦合到外科显微镜以辅助控制依照本发明的消融过程的深度。类似地，眼睛追踪器304耦合到外科显微镜以在依照本发明的医疗过程期间辅助追踪患者眼睛140上的标志。

深度控制可以通过观看消融区并且在视觉上检测图像中的结构或颜色方面的改变来实现。CCD相机和被动式或主动式光照可以用于可视化患者眼睛140的消融区。图像数据可以被处理并且使用算法来分段图像以确定感兴趣区内的图像的特性。这些特性可以与已知的、存储的或计算的值相比较，其可以用于确定何时停止治疗激光曝光。可替换地，可以做出消融深度的测量并且将其与已知的或存储的期望用于消融的最大深度相比较。可替换地，子表面组织可以使用例如超声或光学相干断层成像术进行成像。消融深度可以通过参照所成像的标志或层来观看以在已经实现期望的消融深度时提供指示器。

要治疗的组织区必须在治疗期间保持位置上的稳定。在眼睛的情况下，整个身体或头的运动，以及眼睛的运动，诸如扫视、平滑运动追击、趋异和前庭眼睛运动，必须被检测和补偿。完成此的一种方法是经由利用相机对眼睛的成像，所述相机诸如CCD或CMOS相机。图像数据可以以各种方式处理。一种方法是提取图像场中的特征并且追踪相对于相机像素的固定位置的位置方面的改变。采用到操纵元件的反馈回路来补偿治疗射束的视线以维持其在眼睛上的相对位置。成像相机可以在操纵元件前面或后面，如果在前面，则补偿将开环运行，因为不存在所命令和合成补偿位置之间的误差信号。如果相机在操纵元件后面，则相机的图像场可以生成连续的误差信号以反馈回到操纵元件。如果系统具有一组操纵元件，则它们将均被用于在组织之上扫描治疗激光射束并且补偿眼睛运动。可替换地，可以采用两组操纵元件来分离这些功能。

转向图3A，示出了根据本发明的实施例的激光治疗系统301。

在该实施例中，治疗激光射束行进到二色性器件208。在二色性器件208处，激光射束行进在检流计设置320，其包括检流计1210和检流计2212。射束然后从检流计设置320传递到聚焦光学器件216并且最终传递到患者眼睛140。

在该实施例中还提供控制和监控系统，其宽泛地包括计算机310、视频监控器312和相机308。相机308经由透镜306提供二色性器件208处的激光射束的监控。相机308将其馈送传送给计算机310。计算机310还操作成监控和控制检流计设置320。计算机310还耦合到视频监控器312以为用户或操作员提供来自相机208的实况馈送。

在本发明的一些实施例中，使用双轴闭环检流计光学器件组合件。

由于在一些实施例中可以使用多个激光系统进行治疗，所以现在将描述附加激光系统。

激光系统可以包括笼式安装检流计，其包含伺服控制器、智能传感器、反馈系统和具有相机的安装组合件。一些实施例可以包括使用笼式安装检流计光学器件组合件。一些实施例可以包括超高分辨率纳米定位器以实现亚纳米分辨率。

为了扩展，图3A示出了基于CCD（或CMOS）相机的眼睛追踪器子系统的更多细节。二色性208射束分割器被用于拾取可见光，而同时允许IR治疗射束的传送。射束分割器208定位在此处被示出为检流计反射镜320的操纵元件前面。透镜306将组织平面（眼睛）成像到相机上。图像场中的特征（例如血管、虹膜边缘等）通过图像处理及其在所计算的相机像素场中的坐标来标识。如果眼睛在像素场内帧到帧地运动，则可以计算参考特征的位置方面的改变。从参考特征位置方面的改变计算误差函数并且向检流计反射镜320发出命令以最小化误差函数。在该配置中，光学视线总是以治疗斑点为中心，该治疗斑点处于相机像素场中的固定坐标处。从重新定位检流计320的表观运动将是相对于固定治疗斑点移动眼睛图像。

转向图3B，示出了根据本发明的实施例的激光治疗系统303的另一实施例。图3B类似于图3A，除眼睛追踪子系统位于检流计反射镜320后面之外。

在该实施例中，治疗激光射束行进到检流计设置320，其包括检流计1210和检流计2212。射束然后从检流计设置320传递到二色性器件208。在二色性器件208处，激光射束行进到聚焦光学器件216并且最终行进到患者眼睛140。

在该实施例中还提供控制和监控系统，其宽泛地包括计算机310、视频监控器312和相机308。相机308经由透镜306提供二色性器件208处的激光射束的监控。相机308将其馈送传送给计算机310。计算机310还操作成监控和控制检流计设置320。计算机310还耦合到视频监控器312以为用户或操作员提供来自相机308的实况馈送。

此处，眼睛图像被示出为以像素场为中心。当在像素场内检测到眼睛运动时，检流计320重新定位成将治疗斑点移动到对应于眼睛的运动的像素场内的新位置，并且移动到相对于眼睛参考特征的期望固定位置。

参照前述生物反馈回路，眼睛追踪在一些实施例中包括使用产生投影到附属于眼睛的人造参考上的红外光照射束的光源。红外光照射束投影在眼睛的视轴附近并且在眼睛上具有大于参考物并且在参考随眼睛移动时覆盖区域的斑点大小。

在一些实施例中，参考物具有向后反射表面，其产生具有比来自眼睛的后向散射原本的更强的幅度量级的后向散射。光学收集器可以被配置和定位成距眼睛一段距离以收集该后向散射红外光以便在所选图像位置处形成参考物的明亮图像斑点。

明亮图像斑点出现在暗背景之上，其中单个元件定位检测器定位在所选图像位置处以接收明亮图像斑点，并且配置成测量定位检测器上的参考物的明亮图像斑点的二维位置。电子电路可以耦合到定位检测器以便基于定位检测器上的明亮图像斑点的所测量二维位置来根据明亮图像斑点的形心来产生指示参考物的位置的定位信号。

图3C图示了根据本发明的实施例的相机校正系统。

在示例实施例中，顶部行图示了在已经使用检流计之后的相机聚焦位置，并且底部行图示了在检流计之前的相机聚焦位置。在示例实施例中可以看到各种标志392，包括毛细管、虹膜、瞳孔等。在每一个实施例中还可以看到治疗斑点394。

如示例实施例中所示，在检流计之前的聚焦的顶部行各自示出了作为每一个图像的中心像素的瞳孔。在底部行中的检流计之后的补偿允许治疗斑点394保持每一个图像中的相机关注的聚焦并且由此允许系统保持在用于相关联的过程的位置中。

转向图3D，描绘了基于相机的眼睛追踪器流程图330，其示出了根据本发明的实施例的过程。

宽泛地说，该图表示使用CCD或CMOS相机来捕获眼睛的图像。图像数据被传送到计算机，其中对关键特征进行分段/提取（例如血管、虹膜特征、瞳孔边缘）。图像作为参考帧进行存储。随后的图像然后与参考帧相比较。在比较像素坐标中的参考特征之后计算偏移。像素坐标向扫描系统坐标的转换然后在命令扫描系统偏离现场治疗射束线之前发生以恢复相对于参考特征的关系。如果偏移过大或者在扫描系统的范围之外，则暂停过程并且采取步骤以重新获取目标图像场。

如参考每一个步骤的更详细解释，根据一些实施例的初始化或启示序列在处理所捕获的图像帧之前的步骤332中要求捕获图像帧以便在步骤334中提取特征。这种具有所提取的特征的所捕获帧然后被用于在步骤336中设定参考帧。

在参考帧被设定之后，步骤338包括捕获附加图像帧，所谓的当前帧。该图像或当前帧在步骤340中处理以便提取特征。步骤342包括将当前帧与在步骤336中所设定的参考帧相比较。在当前帧与参考帧之间计算图像偏移以便确定帧之间的差异。与预设定的阈值的比较允许系统确定图像偏移是否超出预设定的阈值并且通过行至步骤352而在该点停止过程。

如果图像偏移没有超出预设定的阈值并且因此不是太大，则系统在步骤346中计算补偿水平以便补偿当前帧与参考帧之间的改变或偏移。该补偿水平在步骤348中被计算为由扫描仪所使用的物理坐标。然后命令扫描仪使用坐标在步骤350中进行补偿。在该步骤之后，发生步骤338并且捕获另一当前图像帧并且循环继续。

转向图3E，依照本发明的实施例，示出了用于激光消融过程360实施例的流程图。

一般地说，过程流表示用于一次一个象限地、一次一个孔地通过消融图案步进的过程。过程以患者聚焦在离轴固定目标上而开始。位置扫描系统定位孔1坐标。发起眼睛追踪，其以参考帧开始。孔1在追踪时被消融。如果眼睛运动到范围之外，则暂停过程以防止有害或其它负面后果。当完成孔1时，位置扫描系统定位孔2坐标并且重复眼睛追踪和消融过程。这些步骤重复直到象限1图案完成。固定目标然后移动并且患者聚焦在新位置上并且重复应用新象限上的消融图案。

如参考每一个步骤的更详细解释，在示例实施例中，在步骤362中定位患者以便接收治疗。然后在步骤364中指令患者以固定其针对第一象限过程的注视。

激光射束的视线在步骤368中针对第一孔位置设定追踪器参考物之前的步骤366中被定位到第一孔位置。用户或操作员然后在步骤370中发起消融并且第一孔被消融。

用户或操作员然后移动到步骤372并且在步骤374中针对第二孔位置设定追踪器参考物之前定位用于第二孔位置的激光射束的视线。用户或操作员然后在步骤376中发起消融并且第二孔被消融。

在步骤378中重复类似于以上段落中那些的以上段落中所描述的若干步骤，直到象限中的消融完成。

在象限完成之后，在步骤380中指令患者以固定其针对第二象限的注视并且过程针对每一个连续的象限重复直到过程作为整体完成。

在图中还提供眼睛追踪382，其表示与实施例中的激光消融过程流360的步骤同时发生的追踪眼睛位置时所要求和重复的步骤。

在图中还提供眼睛追踪284，其表示与实施例中的激光消融过程流360的步骤同时发生的追踪眼睛位置时所要求和重复的步骤。

在一些实施例中，眼睛追踪系统可以是基于相机的成像系统。该基于相机的成像系统可以用于图像特征标识并且在过程期间辅助追踪激光射束的位置。将来自眼睛追踪子系统的反馈提供给扫描系统以在过程期间维持准确位置。

在一些实施例中，眼睛追踪子系统用于之前创建的孔（还称为空隙）的配准以用于如所必要的重新治疗或附加治疗。

在图中还提供深度控制386，其表示与实施例中的激光消融过程流360的步骤同时发生的控制眼睛上的激光射束的深度时所要求和重复的步骤。

在一些实施例中，深度控制子系统包括成像系统和/或光学相干X线断层摄像方法。成像系统可以包括检测有颜色的一个或多个层以便确保达到恰当深度而不超出特定限度。

图4图示了根据本发明的实施例的激光治疗系统400。在示例实施例中，激光治疗系统400包括发射激光射束的治疗激光器202，该激光射束通过中继透镜204行进到二色性或内翻式器件208。可见起斑激光器206发射激光射束，其同样行进到二色性或内翻式器件208。在一些实施例中，来自治疗激光器202和可见起斑激光器206的射束可以在第一二色性或内翻式器件208处同时相遇。在其它实施例中，射束可以在交错的时间到达第一二色性或内翻式器件208。

一个或多个射束离开第一二色性或内翻式器件208并且行进到第二二色性器件208。一个或多个射束离开第二二色性器件208并且行进到检流计1210。检流计1210可以包括反射镜，其通过检流计设置旋转以便移动激光射束。一个或多个射束离开检流计1210并且行进到检流计2212，其可以是类似于检流计1210的设置。一个或多个射束离开检流计2212并且行进到二色性（可见/IR）器件214。操作员160可以在二色性（可见/IR）器件214处通过使用外科显微镜150监控一个或多个射束。一个或多个射束通过聚焦光学器件216从二色性（可见/IR）器件214行进到患者眼睛140。

在图4中，提供附加监控元件以供操作员160用于辅助医疗过程。依照本发明的实施例，深度控制子系统302辅助控制消融过程的深度，并且从第二二色性器件208接收输入。类似地，眼睛追踪器304在依照本发明的医疗过程期间辅助追踪患者眼睛140上的标志，并且还从第二二色性器件208接收输入。另一二色性器件208在示例实施例中示出，从而将射束分割成到眼睛追踪器304和到深度控制子系统302的输出。

图4A图示了根据本发明的实施例的包括消融孔深度的激光治疗系统。

图4A一般地示出治疗激光射束，其在行进到检流计1210之前行进到二色性器件208，然后行进到检流计2212，通过聚焦光学器件216并且行进到患者眼睛140。

OCT系统404是用于获得眼睛的子表面图像的光学相干X线断层摄影系统。因此，当耦合到与视频监控器312耦合的计算机310时，OCT系统404为用户或操作员提供看到组织消融的子表面图像的能力。

在至少一些实施例中，OCT提供组织中的深度水平的实时、外科手术中的视图。OCT可以提供图像分段以便标识巩膜内部边界来帮助更好控制深度。

OCT系统404使用经由位于扫描系统之前的二色性射束分割器208注入到治疗射束视线中的OCT测量射束。以此方式，OCT系统视线总是以所消融的孔为中心。OCT系统连接到计算机310以用于处理图像并且用于控制激光。

在本发明的一些实施例中，提供解剖学避免子系统以在过程期间标识关键生物学障碍物或位置（例如血管和其它）。因此，可以提供子表面可视化以在外科手术中标识诸如血管之类的障碍物。

在图4A中还示出巩膜中的消融孔的简单图，其示出了与巩膜的内边界相关的消融深度的示例。

转向图4B，示出了根据本发明的实施例的基于OCT的深度控制410的流程图。

一般地，OCT系统执行与激光器同步的重复性B扫描。B扫描示出了结膜和/或巩膜的顶表面、所消融的孔的边界、以及巩膜与脉络膜或睫状体之间的底界面。采用自动图像分段算法以标识巩膜的顶表面和底表面（典型地400-1000微米厚）以及所消融的孔的边界。从巩膜的顶表面到孔的底表面的距离自动地计算并且与巩膜的局部厚度相比较。在一些实施例中，这实时地发生。当孔深度达到预限定数目或比例的巩膜厚度时，暂停消融并且扫描系统索引到下一目标消融位置。在一些实施例中，图像可以被分段以标识内部巩膜边界。

参照图中的步骤，在示例实施例中，起始或初始化组步骤首先发生。该起始组步骤以在步骤412中定位到孔坐标而开始。目标区的B扫描在步骤414中发生。该扫描创建图像，其在步骤416中处理以便分段并且标识巩膜边界。然后在步骤418中计算结膜表面与巩膜边界之间的距离。

在完成该起始组步骤之后，在步骤420中发起消融。在步骤422中发射激光射束脉冲，接着在步骤424中进行B扫描。该B扫描创建图像，其然后在步骤426中分段，并且从图像计算孔深度和消融速率。该孔深度和消融速率与目标深度在步骤430中相比较。如果目标深度尚未达到，则过程回到步骤422并且重复。当达到目标深度时，步骤432停止消融过程并且起始过程再次在步骤434处开始，其中定位到下一孔坐标。

图5A-图5C示出了将治疗激光耦合到光学系统中的各种措施。

转向图5A，示出根据本发明的实施例的激光治疗系统透镜放置。在示例实施例中，从治疗激光器202所发射的激光射束通过波导行进，所述波导要么是中空的要么是光纤。这些在图1中的深度中描述。

转向图5B，示出根据本发明的实施例的激光治疗系统透镜放置。在示例实施例中，示出自由空间传播。多透镜准直望远镜可以服务于改变射束大小（扩展或减少）以及对射束束腰成像或者将激光射束的孔径输出到光学系统中的某一位置。此处示出的是所谓的开普勒配置，其中在望远镜内形成真实焦点。

转向图5C，示出根据本发明的实施例的激光治疗系统透镜放置。在示例实施例中，使用类似于图5B中的实施例的孔径，除该实施例使用具有负和正元件的伽利略配置望远镜而不是开普勒配置之外。该配置不在望远镜内形成真实图像。该光学配置还作为摄远或颠倒摄远配置（取决于方位）而已知，其在考虑系统中的激光射束输出孔径或射束束腰的期望位置时可能是重要的。

图6图示了激光治疗系统组件图600，其示出了根据本发明的实施例的相关子系统的关系。

一般地，激光治疗系统组件图600示出激光器602、激光给予光纤120、激光控制系统604、监控系统608和射束控制系统606。

激光器602一般地由若干子系统形成。在示例实施例中，这些子系统包括系统控制电子器件104、Er:YAG激光器头612、激光冷却系统108、HV电源110和系统电源112。脚踏板114为系统用户提供某种控制。激光器602经由激光给予光纤120将激光射束传送至射束控制系统606。

射束控制系统606一般地由射束输运光学器件624、红色起斑激光器626、检流计反射镜628、射束给予光学器件630和主动式聚焦器件632形成。

激光控制系统604维持经由激光同步到激光器602以及经由电力控制位置状态到射束控制系统606的链路。激光控制系统604一般地由用户接口614、电源616、检流计控制器618、检流计控制器620和微控制器622形成。激光控制系统604还经由操纵杆610可操控。

监控系统608一般地由CCD相机634和视觉显微镜636形成。

在一些实施例中，使用光纤激光器，其包括未掺杂覆层和较高折射率的掺杂纤芯。激光射束在光纤纤芯内受引导地通过光纤行进并且由于相互作用的长度而感受高的放大。光纤激光器被视为优于其它激光系统，因为除其它质量之外，它们具有简单的热学管理性质、高射束质量、高电气效率、高光学效率、高峰值能量、以及低成本、要求低维护、具有较高可靠性、没有反射镜或射束路径的对准，并且它们是轻量的并且一般是紧凑的。

在本发明的一些实施例中，可以使用斑点阵列以便一次性消融多个孔。在一些情况下，这些斑点阵列可以使用微透镜创建并且还受激光器的性质的影响。较长的波长将引起具有增加的斑点直径的较少数目斑点。

转向图7，示出根据本发明的实施例的激光治疗系统700。

激光治疗系统700一般地由控制系统702、光学器件和射束控件形成。

控制系统702包括反射镜1704和反射镜2706以及键盘708和鼠标710以为用户提供与运行计算机程序的主机计算机724交互和控制的能力。在许多实施例中，在主机计算机724上运行的计算机程序包括用于控制可见起斑激光器712、激光器头714、激光冷却系统716、系统电源718、激光电源720和射束输运光学器件722的控制程序。

在该实施例中还提供深度控制子系统726、检流计反射镜728、CCD相机730、视觉显微镜732、聚焦子系统734和射束给予光学器件736。

在许多实施例中，眼睛性质的外科手术前的测量以及治疗针对各个患者的需要的用户化是有益的。眼睛性质的外科手术前的测量可以包括测量眼内压力（IOP）、巩膜厚度、巩膜应力/应变、在前脉管系统、适应性响应和折射误差。巩膜厚度的测量可以包括使用光学相干断层成像术（OCT）。巩膜应力/应变的测量可以包括使用布里渊散射、OCT弹性成像、光声技术（光加上超声）。在前脉管系统的测量可以包括使用OCT或多普勒OCT。折射误差的测量可以包括使用诸如来自TraceyTechnologiesCorp的商标为iTrace的产品之类的产品。

外科手术中的生物反馈回路在过程期间可能是重要的以便保持向医师告知过程的进展。这样的反馈回路可以包括使用形貌测量以及监控“远离”区段，诸如在前睫状动脉。

生物反馈回路可以包括闭环传感器以校正压电扫描机构中的非线性。在一些实施例中，传感器可以提供几个毫秒中的实时位置反馈并且利用电容传感器进行实时位置反馈。传感器/反馈装置还可以执行生物或化学“智能感测”以允许消融目标组织并且保护或避免周围组织。在一些情况下，该智能感测可以通过使用掩模中的生物芯片并入而完成，该掩模通过光辐照激活并且感测消融轮廓的位置、深度、大小、形状或其它参数。在一些实施例中还预期到检流计-光学器件组合件并且可以使用它来计量激光操纵和特殊功能的众多参数。

图8图示了根据本发明的实施例的眼睛治疗图800。

在示例实施例中，巩膜802被示出为分成四个象限。除消融孔位置806之外，定位异色边缘804。当本发明的许多实施例中的过程通过象限完成时，仅示出第一象限，然而每一个附加象限将具有类似映射。

图9-11图示了根据本发明的优选实施例的示例性孔矩阵。患者眼睛900具有瞳孔902、虹膜904和巩膜906。孔矩阵包括形成在第一消融图案位置908和第二消融图案位置910中的多个孔912。

在至少一个实施例中，结缔组织是眼睛的巩膜，并且给予系统包括被配置成相对于眼睛固定给予系统的间隔物/固定物，以及被配置成放置在角膜之上以便阻挡激光能量应用到其的角膜屏障。在一些实施例中，间隔物/固定物可以是可拆卸的和/或一次性的。给予系统然后可以形成眼睛的巩膜中的孔矩阵。

在至少一个实施例中，固定物包括轨迹，给予系统可以沿着该轨迹相对于眼睛移动。激光能量通过其被选择性地给予给巩膜组织以在巩膜组织的第一位置处形成孔矩阵的一个或多个矩阵。然后，重新定位给予系统使得激光能量可以被选择性地给予到巩膜组织的第二位置处的巩膜组织。以此方式，可以形成棋盘格矩阵。

眼睛间隔物/固定物是可调节的双柱形装置，其容纳巩膜的在前球体，其中中心柱体从治疗区排除角膜并且其中外围柱体包括高达6-7mm半径的巩膜治疗区。

巩膜固定物可以附连到双柱体组合件的内表面并且可以具有以1:30-4:30-7:30-10:30的四个固定物弹簧，并且固定物可以从治疗间隔物条可拆卸和一次性的。

在一些实施例中，可以存在角膜屏障或板，其可以带色彩以保护眼睛的相关联部分。

在至少一个实施例中，给予系统包含具有反馈的传感器，所述反馈被配置成控制给予系统的深度、斑点大小和动态控制，以及激光射束给予的能量参数。

在至少一个实施例中，给予系统包含通信耦合到卫星单元的传送器，所述卫星单元关于组织参数与基本单元通信-优选地通过射频或蓝牙或WIFI-并且具有与激光器通信的动态控件。这样的通信可以包括给予参数和关断特征。

在一些实施例中，可以提供附件以用于供本文所公开的主系统和设备使用。除上文描述的可拆卸和/或一次性的眼睛间隔物/固定物之外，这些附件可以包括用于与眼睛模块一起使用的一次性的眼睛吸入环。眼睛吸入环可以用于与眼睛间隔物/固定物的补充或增补角色，或者在一些实施例中作为替换。

在一些实施例中，可以提供无菌“系泊部位”以用于过程的狭缝灯类型配置。

消融图案

现在将参照附图讨论本发明的使用方法。如之前提及的，该方法的主要目的是修改组织（尤其是巩膜）的生物机械学性质。该修改允许睫状体的部分无边花粉组在睫状肌收缩时向上并向内移动，从而补偿脉络膜和/或巩膜硬度随年龄的增加并且还潜在地使得能够实现角膜适应。

如图9-23中所示，依照本发明，在患者眼睛上的各种配置中形成消融图案。

消融图案由激光射束在过程期间形成。这些还在本文中称为孔矩阵。

孔矩阵由患者巩膜组织的多个穿孔形成。通过位于根据孔矩阵的巩膜组织中，穿孔与巩膜组织新陈代谢的免疫学、生物化学和分子遗传学中所涉及的基础机制相互作用并且对其产生影响。实际上，巩膜组织中的张力或弹性以使得减少组织和器官的生理学、生物机械学和生物功能的自然降级的这种方式被修改。这继而帮助恢复光学聚焦中的自然适应性机制的机械效率并且改进生物机械学迁移性以实现该适应性能力。

穿孔可以通过现在已知或后续开发的任何措施形成。这样的措施可以例如是消融、切除、切割、蒸发、重新塑造或刺破巩膜组织以创建穿孔。尽管巩膜组织中的孔或穿孔一般地在本文中描述为通过使用激光能量消融组织而形成的，但是预期到穿孔可以使用任何期望的外科工具而形成，诸如金刚钻刀、红宝石刀、或射频设备、或纳米设备、机器人技术、化学应用、电气应用或者衬底晶片应用。

在许多实施例中，由通过本文所公开的方法的成功消融所引起的粘弹性质的柔韧性、弹性和恢复包括组织中的“负硬度”或泊松效应。泊松效应被描述为横向于材料中的轴向张力的负比值。也就是说，当在一个三维方向上对材料补偿时，材料趋于在其它两个三维方向上扩展。相反地，如果材料在一个三维方向上伸展，则材料在其它两个三维方向上收缩。这在以下情况下是有益的，其中组织已经变得具有硬度，因为其伸展或收缩的能力方面的增加允许较大的移动范围以及较大的生物机械学适配性。

通过本文公开的方法的消融可以被视为对所消融的组织具有重新塑造效果，因为其固有地改变组织的性质。该重新塑造效果创建两个维度中的最小者上的机械各项同性。也就是说，作为成功消融的结果，机械性质在至少两个维度上是同样的。

在一些情况中，作为成功消融的结果可以观察到附加正面结果。这些可以包括孔之间改进的生理学交互，包括改进的离子交换、分离催化、以及改进的生物学、化学和分子净化和处理。

现在将详细地描述图12-图19。对于图12-图19中的每一个，所示区从异色边缘向眼睛的一个象限中的锯齿缘变化。治疗区的边缘距异色边缘0.5mm并且名义上朝向锯齿缘向下延伸5.5mm。眼睛维度随种族、患者和世界上的方位而变化（暂时、较高、鼻、较次）。

治疗区径向地分割成与解剖学有关的区段。区段1：睫状体部分无边花粉组；区段2：睫状体部分扁平部；区段3：睫状体向锯齿缘的转变。这在下文的图24A-C中更详细地描述。

除图案的外边界之外，图案中的主要差异是规则网格（例如图12）对比“散布”网格（例如图14）。在规则网格中，4个孔形成方形的顶点，而在散布网格中，3个孔形成等边三角形的顶点。

转向图12，示出根据本发明的实施例的孔矩阵图。

图12一般地示出包括切除位置1202的距离图1200。在一些实施例中，切除位置1202包括数学菱形矩阵图案中的眼睛的每倾斜象限的九个位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。在一些实施例中，象限不需要是倾斜的。

图13图示了根据本发明的实施例的孔矩阵。在一些实施例中，切除位置1302包括数学角度矩阵图案中的眼睛的每象限的九个位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。

图14图示了根据本发明的实施例的孔矩阵。在一些实施例中，切除位置1402包括数学人字纹矩阵图案中的眼睛的每象限的九个位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。

图15图示了根据本发明的实施例的孔矩阵。在一些实施例中，切除位置1502包括数学水平六边形矩阵图案中的眼睛的每象限的十个位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。

图16图示了根据本发明的实施例的孔矩阵。在一些实施例中，切除位置1602包括数学竖直六边形矩阵图案中的眼睛的每象限的十个位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。

图17图示了根据本发明的实施例的孔矩阵。在一些实施例中，切除位置1702包括数学三角形矩阵图案中的眼睛的每象限的十五个位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。

图18图示了根据本发明的实施例的孔矩阵。在一些实施例中，切除位置1802包括数学波形矩阵图案中的眼睛的每象限的十五个位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。

图19图示了根据本发明的实施例的孔矩阵。在一些实施例中，切除位置1902包括数学十边形矩阵图案中的眼睛的每象限的位置。切除位置被设定成六百微米的大小并且使用Er:YAG激光器来消融。直到每一个倾斜象限已经完成，过程完成。

转向图20-图21，示出了轨迹为“黄金”螺旋-顺时针、逆时针和组合式-的孔的示例。黄金螺旋是对数螺旋，其对于螺旋的每一个四分之一匝数以因子φ（黄金数字；φ=1.618）增长。这是自然界通常发现的螺旋形式。该“黄金”螺旋孔矩阵是优选实施例。在其它实施例中，也可以使用其它类型的螺旋。

依照本发明的螺旋和圆形图案一般地展示出从基于象限的治疗到完整圆周治疗的转变。

图20图示了根据本发明的实施例的螺旋形式的孔矩阵。根据示例实施例，图案2000由孔2002形成。

图21图示了根据本发明的实施例的螺旋形式的孔矩阵。根据示例实施例，图案2100由螺旋2102形成。螺旋2102继而由孔（在当前实施例中未示出）形成。

图22图示了根据本发明的实施例的同心圆形式的孔矩阵。根据示例实施例，图案2200由孔2202形成。

这些同心圆被示出为从异色边缘向锯齿缘发出。此处示出的每一个圆具有带有相等角间距的孔。在一些实施例中，图案还被创建为具有相等的孔到孔横向间距。在一些实施例中，每一个其它圆通过孔间距的一半旋转地偏移以产生“散布”图案。

图23图示了根据本发明的实施例的散布圆形式的孔矩阵。根据示例实施例，图案2300由孔2302形成。

孔矩阵使得巩膜组织的基础生物机械学性质可以通过在其中形成孔矩阵而改进。孔矩阵可以包括一个或多个规则间隔的穿孔阵列。孔矩阵还可以包括一个或多个矩阵，每一个矩阵包括一个或多个规则间隔的穿孔阵列。也就是说，孔矩阵包括一个或多个矩阵，其包括巩膜组织中的一个或多个规则间隔的穿孔矩阵。预期到各种孔矩阵，其一些非限制性示例在上文描述。其它示例性孔矩阵在随附的材料中描述并且以其整体通过引用并入。

孔矩阵可以是棋盘格孔矩阵。也就是说，孔矩阵可以包括以没有间隔并且没有重叠的方式重复的多个矩阵。尽管图中所示的图案是离散的，示出了具体图案中的具体数目的消融，但是图并不是穷尽性的。因此，预期到众多其它规则或散布的网格图案，并且预期到不同螺旋、同心圆、三维以及甚至其它不规则或扰乱的图案。孔特性可以在此处没有特别描述的本发明的附加实施例中是高度可变的。

在一些实施例中，孔或穿孔可以通过巩膜组织的整个深度或厚度延伸，或者基本上穿过其延伸。相应地，组织可以通过组织的无限数目的平面被消融。可替换地，孔矩阵可以形成在巩膜组织的多个分立平面中。实际上，尤其预期到子表面孔矩阵。因而例如，可以形成nxmx1矩阵的孔矩阵。

附加地，可以根据不同大小和形状形成穿孔。这些可以包括柱形、锥形、方形、矩形、金字塔形以及其它形状。

转向图24A，示出了适应后的眼睛2401和未适应的眼睛2402以及眼睛的相关联肌肉移动的图示。图24A一般地示出了睫状肌2404、晶状体2406、睫状体的部分无边花粉组部分2408、角膜2410、小带2412和巩膜2414。在图24A中，示出适应后的眼睛2401和未适应的眼睛2402，在下文描述这两者之间的改变。

在右边示出放松的或未适应的眼睛2402。睫状肌2402放松并且小带2412拉紧，从而使晶状体2406平坦（薄化）以用于远距离视觉和较低功率。

适应后的眼睛2401在左边示出。此处，睫状肌2404收缩，从而释放小带2412上的张力并且允许晶状体2406采取其更为自然的弯曲形状以用于近处视觉。晶状体2406在该配置中还可以被称为浸渍器或加厚器。同样地，睫状体的部分无边花粉组2408向内移动。

小带2412作为悬韧带、Zinn小带和小带装置而以各种各样的方式已知。附连到晶状体的小带纤维是在前的、中心的以及较晚的。睫状肌2402包含在睫状体内。

图24B图示了睫状肌的三个部分以及其在眼睛中的相互关系。睫状体2414包含睫状肌。睫状肌包括圆形睫状肌纤维2416、径向（倾斜）睫状肌纤维2418、纵向（子午线）睫状肌纤维（又称Bruke肌肉）2420、以及“脉络膜星”附连2422。还示出巩膜2412的巩膜刺激物2424。

这些肌肉一般地分组成三种类型，圆形、径向和纵向。径向和纵向肌肉纤维终止于巩膜刺激物2424中。纵向肌肉纤维终止于“脉络膜星”附连2422中以用于附连到锯齿缘2428处的脉络膜层2426。

图24C是具有睫状体2414的角膜-巩膜壳，其示出了睫状肌的收缩及其对眼睛的影响。在图24C中示出了在睫状肌的收缩拉伸脉络膜2427并且引起部分无边花粉组的向内/向上运动时的圆形睫状肌纤维2416的成束截面中的增加，从而释放小带2412。更具体地，当睫状肌收缩时，纵向纤维拉伸脉络膜并且向上拉动锯齿缘2428。睫状体2414接近巩膜刺激物2424的端部被称为部分无边花粉组2408。当睫状肌收缩时，部分无边花粉组2408向内并且向上运动。这释放附连到晶状体2406的小带2412上的张力，从而允许晶状体2406采取陡峭形状以用于近处视觉。如上文讨论的，老化一般削弱巩膜组织的生物机械学性质并且因此阻止以上描述的关于适应的巩膜的功能性。依照本文描述的实施例的巩膜组织中的上述孔矩阵的形成恢复通过年龄削弱的巩膜组织的生物机械学性质。

消融创建巩膜中的柔韧矩阵区段，并且在示例实施例中是在睫状复合体之上的三个关键区段中创建微切除。然而，矩阵区段不限于二维矩阵。在本发明的许多实施例中，矩阵区段是三维的。还提供治疗，其中在组织内可以达到位置而不消融组织上方的区。也就是说，可以达到具有x，y，z坐标的组织中的位置而不消融三维空间中的任何或所有组织以到达x，y，z坐标的位置。

在一些实施例中，活组织矩阵创建具有多个孔矩阵内的不同组织平面的组织的双曲平面，其是各向异性的、棋盘格的并且在数学阵列内存在。附加地，所选择的特定矩阵可能影响生物学或生物机械学反应。

在一些实施例中，孔可以是直径小于两个纳米的纳米孔、在两个与五十个纳米之间的新近孔、或者直径大于五十个纳米的宏观孔。孔可以一般地在一个和一百个纳米之间。

本发明的一些实施例提供贯穿多个平面的高表面体积比量级的均匀孔结构。一般地，存在实施例中所使用的矩阵中的孔大小、形状和分布的特异性，并且孔特别地并且在数学上布置在矩阵中。

在一些实施例中，孔图案的特异性可以是不规则碎片形。在一些实施例中，孔壁形貌的特异性是整体式的。孔壁包含内壁、外壁、以及可能发生在通过若干组织层的多个深度、角度和平面出的胞间隙。

一些预配置具有颗粒集合体的三维架构。其中放置矩阵的组织截面的生物机械学性质可以受多孔性的影响，诸如等式f=Vf/Vt或F=Va+Vu/Vs+Va+Vw，其中存在Fv=-(dV/dD)的多个矩阵内的孔关系的表面体积比直径和深度分布，其中V=孔体积并且D=孔直径。

作为另一示例，在耳朵中，可以使用外科激光系统来治疗鼓膜隔膜、羽冠壶腹嵴、耳蜗、耳蜗管和头发细胞。作为另一示例，外科激光系统可以用于治疗肾组织或卵巢组织。作为另一示例，外科激光系统可以用于治疗大腱膜，诸如腰骶带、腹脊和脊髓中的神经鞘。作为又一示例，外科激光系统可以用于治疗骨头、软骨、韧带和筋腱。作为又一示例，外科激光系统可以用于治疗脑部，诸如脑部的硬脑膜和脑部的多骨围绕物。作为另一示例，外科激光系统可以用于治疗淋巴结CT或脾脏CT。作为另一示例，外科激光系统可以用于治疗动脉血管和/或心脏以及周围组织，诸如心包膜。作为又一示例，外科激光系统可以用于治疗肌肉。

图25示出了其中射束给予系统以“测角术”运动在眼睛之上扫描的配置-也就是说，射束给予系统的轨迹为具有偏置的曲率中心的弧形。在该情况下，曲率中心处于所治疗的眼睛的中心处。这允许从射束给予系统的法线视线以维持垂直于巩膜表面。射束给予系统的运动可以沿着两个轴线中的任一个或二者，这两个轴线在图中以α和β角度标记。检流计扫描仪可以用于在θ的角度附近局部地扫描，以将斑点放置在（角度）治疗区段中而同时维持视线到巩膜表面的垂直性。

消融效果可以在眼睛的许多结构中看到。例如，睫状肌是控制适应性的有条纹的平滑肌肉的环以用于在变化的距离处观看物体。用更简单的术语来说，其帮助眼睛的聚焦。所使用的一些机制包括调控水状体到Schlemm导管的流动以及改变眼睛内的晶状体的形状（但不是瞳孔大小，其受不同肌肉的影响）。如在本描述中的众多实施例中所执行的巩膜组织的消融引起巩膜阻力中的降低。巩膜阻力中的这种降低继而增加睫状肌合力并且允许眼睛内的动态适应性的改进聚焦和恢复。

在一些情况中，近处和中间视觉以及未经校正和距离校正的视觉二者作为本文描述的方法的结果而得以改进。

愈合抑制

穿孔可以具有彼此间隔一段距离的内壁，该距离以使得抑制正常组织愈合、修复或再生以便防止巩膜组织中的穿孔的总体愈合的这种方式更改巩膜组织新陈代谢的免疫学、生物化学和分子遗传学中所涉及的基础机制。穿孔的内壁可以通过大于40μm的距离彼此间隔。还预期到，穿孔的内壁可以通过大于600μm的距离彼此间隔。还预期到，穿孔的内壁可以通过大于200μm的距离彼此间隔。还预期到穿孔大小的范围可以从.001to1um。优选地，穿孔大小由所移除的组织对目标组织中的其余组织的比例来确定。对于孔矩阵的穿孔，可以存在穿孔面积与残余间质组织的正相关——换言之，穿孔可以包括完全负的空间。附加地，对于孔矩阵的穿孔，穿孔可以包括负或反向图案，其中穿孔可以包括封装正空间的负空间——换言之，穿孔可以包括其余间质组织的轮廓。优选地，这样的反向穿孔包括围绕间质组织的环。

穿孔可以填充有疤痕斑斑的抑制剂物质，诸如多孔胶原质-粘多糖支架。这样的多孔胶原质-粘多糖支架的示例由Mediking在商标名OccuusGen之下制造。可替换地，穿孔可以填充有生物醣蛋白或合成醣蛋白。作为另一可替换方案，穿孔可以经由生物上相容的产品来填充，该产品可以具有液体、凝胶或多孔固体的形式。穿孔还可以利用密封剂治疗。这样的密封剂的示例由JohnsonandJohnson在商标名Band-Aid?商标的液体绷带之下制造；并且类似产品由Spenco在商标名2ndSkin?和OcuSeal?液体眼睛绷带之下制造。作为另一可替换方案，穿孔可以经由应用或治疗来填充以促进离子反应、化学反应、光子反应、有机反应、无机反应、电子反应或这些反应的组合来中断正常组织愈合。一个这样的优选实施例将是利用以成胶隐形眼镜或生物可分解材料的形式的抗纤维化或其它伤口愈合防止剂。另一个这样的优选实施例将是利用抑制伤口愈合的生物化学物品或抑制伤口愈合的生物合成物。

上文详细描述的启用方案被视为优于现有技术记录并且被视为对本发明的至少一个方面的操作和上文描述的目标的实现是关键的。在本说明书中用来描述当前实施例的词语不仅要在其通常定义的含义的意义下进行理解，而且还要通过本说明书中的特殊定义包括：超出通常定义的含义的范围的结构、材料或动作。因而，如果元件可以在该说明书的上下文中理解为包括不止一种含义，则其使用必须理解成通用于由说明书和描述元件的一个或多个词语所支持的所有可能的含义。

本文描述的词语或附图元件的定义意指不仅包括逐字阐述的元件的组合，而且包括用于以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以获得基本上相同的结果的等同结构、材料或动作。在这种意义之下，因此预期到，可以针对所描述的任一个元件及其各种实施例做出两个或更多元件的等同替换，或者可以将权利要求中的两个或更多元件替换为单个元件。

从如本领域普通技术人员所看到的所要求保护的主题的改变（现在已知的或者后续设计的）明确地预期为所意图的范围及其各种实施例内的等同方案。因此，对于本领域普通技术人员现在已知或随后已知的明显替换被限定为处于所限定的元件的范围内。该公开内容因而意图理解成包括以上特别图示和描述的内容、在概念上等同的内容、可以明显替换的内容、以及还有并入关键想法的内容。

本描述的范围仅结合所附权利要求来解释，并且此处清楚的是，指定发明人相信所要求保护的主题是意图申请专利的内容。