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準分子激光人眼像差矯正系統的研究

時間:2014-10-14 14:33來源:豆丁網作者:yeyan 點擊:
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摘要:準分子激光人眼像差矯正系統旨在實現個體化切削,它不僅能進行正常的角膜屈光矯正,減少高階像差, 而且可以有效的克服傳統準分子激光手術引起的球差、彗差以及其他高階像差而導致的夜間視力下降、光暈、眩光及偏心切削等并發癥。準分子激光人眼像差矯正系 統包括主觀式像差儀進行波前像差的測量、準分子激光系統進行像差矯正兩大部分。描述了人眼波前像差的概念

關鍵字:準分子激光,LASIK,人眼,像差矯正

  準分子激光人眼像差矯正系統旨在實現個體化切削,它不僅能進行正常的角膜屈光矯正,減少高階像差, 而且可以有效的克服傳統準分子激光手術引起的球差、彗差以及其他高階像差而導致的夜間視力下降、光暈、眩光及偏心切削等并發癥。準分子激光人眼像差矯正系 統包括主觀式像差儀進行波前像差的測量、準分子激光系統進行像差矯正兩大部分。描述了人眼波前像差的概念、成因以及表示的方法和測量技術;研究了準分子激 光人眼像差矯正系統的原理;闡述了準分子激光飛點掃描、主動眼球跟蹤、激光的恒能和閉環控制、激光脈沖光斑直徑和均勻控制等關鍵技術。研究成果可直接用于 準分子激光人眼像差矯正系統,目前正在進行臨床實驗,取得了良好效果。

  個體化設計的準分子激光手術(customized procedure)是最近幾年發展起來的以波前像差(wavefront)輔助的新一代屈光手術技術。波前技術的發展及其在屈光手術中的應用使準分子激 光手術實現個體化治療成為可能。“量體裁衣”式的個體化角膜切削技術是以波前技術為平臺來檢查和矯正除常規的近視、遠視和散光等初級屈光不正以外,同時一 并矯正每個個體特有的更高級的屈光異常,即我們所說的“不規則散光”。波前技術指導的個體化準分子激光手術能有效克服傳統準分子手術引起的夜間視力下降、 光暈、眩光及偏心切削等并發癥,并能夠減少由傳統屈光手術引起的像差。其目標是矯正每一個體獨特的屈光非理想狀態,取得更舒適的視覺狀態及增加視覺對比敏 感度。所謂“準分子激光人眼像差矯正系統”,就是根據不同個體波前像差的特性,用準分子激光對角膜進行個性化切削,根據不同個體獨特的光學特性和解剖特 性,通過各種球鏡、柱鏡、非球鏡以及非對稱的切削,以減少人眼的高階像差,從而使人眼的視力能夠達到2. 5(20/8)以上的超視力(super vision)。文中從波前像差的概念、成因、表示和測量原理開始,研究了準分子激光人眼像差矯正的原理、準分子激光人眼像差矯正系統的關鍵技術,給出了 準分子激光人眼像差矯正系統框圖。

  1、波前像差的概念、成因及表示方法

  像差并不是一個新概念,在幾何光學和物理光學領域,像差用來衡量光學系統成像品質,表示光學系統所存在的缺陷。幾何光學中,光是傳導中的電磁 波,波陣面(wavefront)是距光源的光程為常數的表面或與點光源發出的所有光線垂直的表面,即連續的等相位面,它的形狀被直接用于表征光學系統的 像差。在理想成像情況下,點光源經過光學系統后所成的像應是一個以理想像點為中心的球面即理想波面,所謂的波陣面像差就是實際的波陣面和理想的波陣面之間 的像差。對于人眼屈光系統并不能形成理想波面,像面在視網膜的準確聚焦并不能保證視網膜成像的高度清晰,其像差主要來源于光學系統的缺陷:

  角膜和晶狀體的表面不理想,其表面曲度存在局部偏差;

  角膜與晶狀體、玻璃體不同軸;

  角膜和晶體的內含物不均勻,以致折射率有局部偏差,從而使經過偏差部位的光線偏離了理想光路,致使物體上一點在視網膜的對應點不是一個理想的像點,而 是一個發散的光斑,其結果是整個視網膜對比度下降,視覺模糊,這種成像偏差就是人眼的像差。

  用光線的矩陣形成波前并和理想的球面比較,可以發現兩者存在偏 差, Brown&Wolf稱這種偏差為波前像差(wave front aberration)。人眼屈光系統中普遍存在各種像差(aberrations)。這些像差可分為許多部分,除了球差和柱差外,還有彗差、像散和像面 彎曲等更高階的像差,波前像差的個體差異較大,需通過正確的測量和表示來得到個體的像差數據。

  從應用光學角度,波像差有許多種表示方法,由于波像差是實際波面和理想波面之間的光程差,因此用計算光程的方法計算波像差是比較方便的,各條光 線的光程與通過光瞳中心的主光線的光程差值即為各光線的波像差。目前在醫學上,比較易于理解且可以定量表達像差的方法是用Zernike多項式來描述。常 用的Zernike多項式為7階36項, 0階為無像差; 1~2階為低階像差; 3階及以上為高階像差,低階像差與傳統的像差即近視、遠視和散光相對應,而高階像差則對應于一些非經典的像差。圖1是某位被測者用WFA1000測量出的像差表示。

  Zernike多項式眼波前像差的數字表達式,在臨床上便于醫生觀察的更直接的表達是將Zernike函數重建成在瞳孔平面二維眼的波陣面像差 圖,其表述方法類似于角膜地形圖。角膜地形圖用來表示角膜表面的曲率,而波陣面像差圖則反映實際光波陣面與理想參照波陣面的差異。

  2、波前像差的測量

  波前像差的測量主要基于兩種理論:干涉理論和光路追蹤理論,如以干涉理論為基礎的Twymann綠光干涉儀,其原理是使一準直光束分離,分離的 光束分別從測試表面和參考表面反射后重新匯聚。只有當兩個波面完全一致時,重新匯聚的光線不會出現干涉的模糊邊緣,否則,邊緣干涉圖形就表現為不同的波前 像差圖形。但由于人眼穩定性和難以重構參考表面,用干涉理論測量像差的方法在生理光學很少應用。

  以光路追蹤理論為基礎的波前像差測量其基本原理是:通過貫穿眼入瞳的一列陣光線斜率的整合而重現波前像差平面得以實現。這一方法在1900年時 被Hartmann首先實現。到目前為止已發展到Hartmann-Schack,Tschering和Scheiner-sminov三大理論,主觀和 客觀兩種測量方法。我們利用He JC等人的主觀空間分辨屈光計原理,開發了主觀式像差WFA21000來測量波前像差。

  3、準分子激光人眼像差矯正的原理

  人眼并非是理想光學系統,假如不考慮角膜和晶狀體的像差,以及衍射對人眼視覺品質的限制,那么根據視網膜的光感受器細胞的大小以及細胞之間的距 離(2. 5μm),則視網膜像的空間分辨率應達到20/8,要實現這個目標,首先必須精確測量眼屈光系統總體像差,然后用準分子激光飛點掃描人眼角膜。達到重塑角 膜,以減小像差,達到鷹眼般的視力。準分子激光人眼像差矯正系統主要采用先進的像差測量技術,以像差作為手術的主要參數,結合波像差圖,參考 Zernike函數圖,進行數學建模,將像差轉換為切削量,采用高速自動跟蹤技術,準確定位人眼,進行飛點式掃描切削角膜,達到消除人眼像差,提高人眼視 力品質的目的。

  目前臨床上用于屈光手術的準分子激光器主要是波長為193 nm的氟化氬準分子激光。基本原理是利用惰性氣體氬及二價鹵素元素氟在激光腔內產生高能電子放電時被激活,形成不穩定的氟化氬分子,激發釋放高能紫外光 子,并通過諧振腔形成激光。激光束發出后經過衰減器,光閘、一系列透鏡組、X, Y掃描器、折光鏡片等復雜的傳輸系統,在計算機控制下到達角膜完成各種操作。X, Y掃描器是接受計算機發出的激光脈沖X, Y位置,通過電路的轉換,轉變成能控制X, Y兩個方向掃描器的電信號,使X, Y偏轉一定的角度,從而在角膜表面相應的位置上輻射激光脈沖,達到切削角膜表面的目的。在激光的控制過程中,由激光能量傳感器和衰減器協同閉環工作,使得 激光能量在整個手術過程中保持穩定的狀態。使每個進行消融的激光脈沖恒定,從而保證每個激光脈沖的消融的深度和形狀保持一致。在整個系統中,還有一些如激 光的光閘、腳控開關和手術顯微鏡等輔助設施,可以使激光脈沖隨時收發,使醫生控制自如。

  4、準分子激光人眼像差矯正的關鍵技術

  4.1、飛點掃描技術

  飛點掃描———以高頻率、高穩定性和高能量密度的準分子激光高速掃描角膜組織,在程序控制下,使激光脈沖在設定的手術區域內按程序設定的算法在 角膜上表皮或角膜基質層上進行兩個方向的掃描,改變角膜屈光度,從而達到矯正屈光不正的目的。飛點掃描技術克服了傳統切削技術的弊端,如階梯效應、中央島 和激光能量不均勻導致的不規則散光等。該技術要求激光束的光斑為小光斑。不過更先進的理論認為:單一的小光斑或單一的大光斑都是不理想的,在激光氣化角膜 組織的過程中,運用不同大小的光斑才能完成對角膜的理想切削和雕琢。而且其光斑可呈柱狀、球狀和橢圓狀等等,術中根據患者眼球情況,自動調整光斑大小和形 狀,能輕松完成最復雜最精細的角膜整形,從而為矯正像差提供更加個性化的治療方案。

  4.2、主動眼球跟蹤技術

  主動眼球跟蹤系統的使用,使準分子激光手術更為理想地進行。近年來在制導追蹤技術的進步和計算機硬件運算速度提高等條件的配合下,即時的( real-time)、主動式(activemode)的眼球追蹤已成為現實。眼球跟蹤———傳統的PRK和LASIK,沒有眼球跟蹤技術,手術時患者眼 球常不自覺轉動,因而,角膜偏中心切削、術后散光等并發癥在所難免。主動眼球跟蹤技術:在人的角膜表面貼一直徑1mm左右的紅外反射點,通過接受反射回來 的光線,跟蹤頻率大約2 000Hz,比準分子激光發射脈沖頻率150Hz~200Hz快8~10倍,足以配合激光切削角膜,它可精確捕捉眼球的運動量,將得到的位置偏移量轉化成 相應的電信號疊加到X, Y掃描器上(見圖2),重新把激光及時聚焦到切削點進行掃描,因而術中患者眼球向任何方向轉動也不會出現偏中心切削,不會影響手術的精確性和術后效果。

  4.3、激光的恒能和閉環控制技術利用準分子激光進行角膜切削,切削后的表面光滑程度與手術后的諸多并發癥有直接的關系。激光光斑的大小、形狀 與激光角膜消融的像差矯正,特別是四階以上的像差有關。而激光光斑的大小、形狀與激光能量的穩定性有關。因此在準分子激光人眼像差矯正系統中采用了激光的 恒能閉環控制技術,實現了激光能量波動<2%。系統激光器有兩種工作狀態:高壓模式和恒能模式。所謂高壓模式,即激光器工作在高壓恒定的模式,其輸 出激光的能量在一定的時間內呈現下降的態勢,其下降的斜率較小,對于手術要求不是很高,如傳統的激光屈光手術是完全可以接受的;所謂恒能模式,是指激光器 工作在能量恒定的狀態,其輸出激光的能量在一定的時間內呈近似水平狀態,它通過自動調整激光器內部高壓(在允許范圍內)來保證輸出的激光能量恒定,并且在 整個手術過程中由激光器內部的能量探測器實時監測激光輻射能量,自動調整激光器內部電壓保證激光輸出能量的穩定。

  4.4、激光脈沖光斑直徑和均勻控制技術

  激光處理過的角膜基質層表面是否平滑,直接關系到術后的視覺品質。平滑的角膜就好像一副“名牌眼鏡”,看物體清晰不變形;不平滑的角膜就相當于 “劣質眼鏡”,物體會產生輕微的變形,嚴重的還可能發生不規則散光現象,需要再次手術,而切削后的角膜是否平滑,在很大程度上取決于激光光斑的直徑和均勻 性的控制,系統采用獨創的均光技術有效地控制了激光光斑直徑和均勻性,大大提高了光束的品質,能量分布均勻性顯著搞高,角膜切削更加平滑,術后回退現象減 少。視覺品質得以改善,夜間視力更加優化,并且可使復雜的角膜切削變得極為輕松。 5、結論

  目前準分子激光人眼像差矯正系統采用波前像差儀與小光斑高速飛點掃描準分子激光系統的有機結合,使屈光手術達到日臻完美的新階段,其結果與前景 令人鼓舞,但是,波前像差引導的準分子激光角膜手術還存在一定的缺陷: 1)假如像差矯正采用較大的光學區(≥d6. 5 mm),則比標準球鏡及散光矯正模式需要更深的角膜切削。因此,在某些情況下,尤其是在高度數矯正時為了不影響角膜結構的完整,不可能完全矯正視覺像差。 因為像差的矯正需要切削的邊緣具有明顯的深度,為避免增加愈合反應,需找到合適的過渡區使視覺結果盡可能完美并盡可能減少組織的切削。2)個別眼術后高階 像差增加大于常規LASIK,可能是由于像差測量誤差尤其是一些復雜病例像差測量困難所致,或由于測量和手術中存在對位誤差。3)波陣面像差可隨年齡增加 而改變,而且受調節、淚膜等因素的影響,使測量結果不穩定。4)某些高階像差如垂直彗差或許對眼的視力有益,消除這些像差反而造成視力下降。5)角膜瓣及 角膜傷口愈合等可產生新的像差,當然波陣面像差引導的LASIK手術和標準的LASIK手術一樣,有手術中和手術后各種的并發癥。如切削錯誤、上皮內生長 和醫源性角膜擴張的危險性。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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