DE102011116759A1

DE102011116759A1 - Ophthalmologisches Lasersystem und Verfahren zum Durchtrennen von Augengewebe

Info

Publication number: DE102011116759A1
Application number: DE102011116759A
Authority: DE
Inventors: Mark Bischoff; Gregor Stobrawa; Elke Ebert
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-04-25
Also published as: WO2013057175A1; US20140288539A1

Abstract

Ophthalmologisches Lasersystem und Verfahren zum Durchtrennen von Augengewebe Sowohl für den Patienten als auch für den Arzt ist es von Vorteil, wenn der Prozess des lasergestützten Durchtrennens von Augengewebe mittels Ultrakurzpuls-Lasern möglichst kurz dauert. Die zu diesem Zweck bekannte Erhöhung der Pulsfrequenz muss bisher für einen Teil des bestrahlten Bereichs wieder reduziert werden, um die Erzeugung sehr großer Gasblasen oder eine anderweitig unregelmäßige Schnittführung zu vermeiden. Es soll daher der Einsatz höherer Pulsfrequenzen ermöglicht werden. Zu diesem Zweck ist eine ophthalmologische Laservorrichtung vorgesehen, deren Behandlungsstrahlengang einen variabel einstellbaren Modulator umfasst und die dazu eingerichtet ist, für die in das Gewebe einzutragenden Strahlungspulse eine durch den Behandlungsstrahlengang in das betreffende Zielvolumen einzutragende Leistungsdichte (Ei) in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (ds) zwischen zwei Zielvolumina unmittelbar aufeinanderfolgender Strahlungspulse zu ermitteln und zeitlich parallel zur Steuerung der Ablenkeinheit den Modulator derart einzustellen, dass der betreffende Puls im Zielvolumen die ermittelte Leistungsdichte (Ei) aufweist. Ophthalmologie

Description

Die Erfindung betrifft eine ophthalmologische Laservorrichtung zum Durchtrennen von Augengewebe mittels optisch erzeugter nichtlinearer Wechselwirkung, aufweisend einen Ultrakurzpuls-Laser, dessen Strahlungspulse längs eines Behandlungsstrahlengangs, der eine variabel einstellbare Strahl-Ablenkeinheit (zum Abtasten des Augengewebes) und eine Fokussieroptik umfasst, mittels der Ablenkeinheit in unterschiedliche Zielvolumina fokussierbar sind, und eine Steuereinheit zur Steuerung des Lasers und zur Steuerung der Ablenkeinheit während einer Emission einer Folge von Strahlungspulsen, sowie ein Verfahren zum Durchtrennen von Augengewebe, insbesondere von Augenhornhaut, mittels mindestens eines Laserschnitts durch Energieeinträge mittels einer Folge in Zielvolumina fokussierter Strahlungspulse, insbesondere auf Bahnen entlang (zweidimensional) gekrümmten Raumflächen, insbesondere entlang von Höhenlinien solcher Raumflächen. Die Laservorrichtung dient insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Ein Ultrakurzpuls-Laser ist im Sinne der Erfindung ein Laser, der Pulse mit einer Dauer im Bereich von Femtosekunden oder Picosekunden zu emittieren vermag.
Ein einzelner Laserschnitt zur Durchtrennung von Augengewebe besteht im Sinne der Erfindung aus einem Feld zweidimensional verteilter Wechselwirkungszonen, in denen die eingetragene Energie das Gewebe verändert, insbesondere auf molekularer Ebene. Dieses Feld wird durch Abtasten des zu durchtrennenden Gewebes mittels der Ablenkeinheit während der Emission von Strahlungspulsen erzeugt. Jeder Strahlungspuls trägt seine Energie mit einer Leistungsdichte in ein jeweiliges Zielvolumen, in das er fokussiert wird, ein. Durch Transportvorgänge kann die eingetragene Energie teilweise das umliegende Gewebe erreichen, so dass eine Wechselwirkungszone größer als das bestrahlte Zielvolumen sein kann. In vielen Fällen, aber nicht immer, kommt es im Zuge der nichtlinearen Wechselwirkung von Laserstrahlung und Material in der Wechselwirkungszone zur Entstehung von Gasblasen und somit zur Ausbildung eines Feldes zweidimensional verteilter Gasblasen.
Im Stand der Technik sind derartige Laservorrichtungen und Verfahren beispielsweise aus der WO 2005/011547 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hier in vollem Umfang einbezogen wird. Sie beschreibt die Erzeugung von zweidimensional gekrümmten Laserschnitten. Die Wechselwirkungszonenfelder werden erzeugt, indem die Strahlungspulse zumindest abschnittsweise in entlang von Kreis- oder Spiralbahnen liegende Zielvolumina eingetragen werden. Die Kreis- oder Spiralbahnen bilden dabei Höhenlinien von zweidimensional gekrümmten Flächen, welche die Form des zu führenden Schnitts beschreiben.
Aus der WO 2007/042190 A2 , deren Offenbarungsgehalt hier in vollem Umfang einbezogen wird, ist es bekannt, dass auch Wechselwirkungszonen, in denen mit Strahlungspulsen geringerer Leistungsdichten kein optischer Durchbruch erzeugt wird und die entsprechend klein sind, zum Durchtrennen von Augengewebe geeignet sind, wenn die bestrahlten Zielvolumina nahe genug beieinanderliegen oder einander gar überlappen. Das gilt sowohl für den räumlichen Abstand zwischen Zielvolumina, in die unmittelbar aufeinanderfolgende Strahlungspulse eingetragen werden (Spotabstand), also auch für den räumlichen Abstand zwischen benachbarten Zielvolumina aus verschiedenen Bahnabschnitten (Bahnabstand).
Sowohl für den Patienten als auch für den Arzt ist es von Vorteil, wenn der Prozess des lasergestützten Durchtrennens von Augengewebe verkürzt werden kann. Die Prozessverkürzung bei Laserschnitten im Auge (Cornea, Linse usw.) stößt jedoch an technische Grenzen. Für Laservorrichtungen mit Feldobjektiv kann der Prozess zwar beispielsweise über eine Erhöhung der Pulswiederholfrequenz (nachfolgend verkürzt als Pulsfrequenz bezeichnet) verkürzt werden. Eine höhere Pulsfrequenz erhöht aber die Anforderungen insbesondere das Strahlablenksystem. Im Stand der Technik wird daher für einen Teil des bestrahlten Bereichs des Augengewebes die Pulsfrequenz wieder reduziert. Die Reduktion dient insbesondere dazu, um zumindest annähernd konstante Spotabstände (engl. „spot distance”) und zumindest annähernd konstante Bahnabstände (engl. „track distance”) zu bewirken. Das dient dazu, die Erzeugung sehr großer Gasblasen oder eine anderweitig unregelmäßige Schnittführung zu vermeiden, welche klinische Komplikationen verursachen können.
Aus WO 2005/058216 A1 ist es bekannt, die mittlere (effektive) Pulsfrequenz mittels eines schnellen optischen Schalters zu reduzieren. Das wird erreicht, indem aus der Folge der Strahlungspulse mit einstellbarer Häufigkeit einzelne selektiert und abgeschwächt oder auf andere Weise modifiziert werden. Nur die übrigen (nicht selektierten) Pulse rufen den für die Durchtrennung gewünschten Wechselwirkungseffekt, typischerweise einen optischen Durchbruch (engl. „photo disruption”), hervor. Die dafür notwendigen schnellen optischen Schalter sind kostenaufwendig und hinsichtlich ihrer maximalen Schaltfrequenz technisch grundsätzlich limitiert. Dadurch werden sie für sehr hohe Pulsfrequenzen zwischen 1 MHz und etwa 10 MHz in Verbindung mit Pulsenergien von über 10 nJ zum begrenzenden Element bei der weiteren Prozessverkürzung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ophthalmologische Laservorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die den Einsatz höherer Pulsfrequenzen ermöglichen, beispielsweise zur Verkürzung des Behandlungsprozesses.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine ophthalmologische Laservorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Behandlungsstrahlengang der ophthalmologischen Laservorrichtung einen variabel einstellbaren Modulator umfasst und dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, für einen Strahlungspuls oder für jeden Strahlungspuls der Folge eine durch den Behandlungsstrahlengang in das betreffende Zielvolumen einzutragende Leistungsdichte in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand zwischen zwei Zielvolumina unmittelbar aufeinanderfolgender Strahlungspulse zu ermitteln und parallel zur Steuerung der Ablenkeinheit den Modulator auf die (jeweilige) ermittelte Energie einzustellen. Vorzugsweise zieht die Steuereinheit als räumlichen Abstand zur Ermittlung der Leistungsdichte den Spotabstand des betreffenden Zielvolumens zu dem Zielvolumen, das entweder dem unmittelbar vorhergehenden oder dem unmittelbar nachfolgenden Strahlungspuls zugeordnet ist, oder den Spotabstand der beiden unmittelbar vor dem betreffenden Zielvolumen zu erzeugenden (oder bereits erzeugten) Zielvolumina heran. Alternativ kann die Steuereinheit als räumlichen Abstand einen mittleren Spotabstand in einem Bereich vorgegebener Gestalt und Größe um das betreffende Zielvolumen herum verwenden. Die Ermittlung der Leistungsdichte kann zeitlich und/oder räumlich unabhängig von der Einstellung der Leistungsdichte mittels des Modulators erfolgen, beispielsweise kann sie vor dem Beginn der Emission der Strahlungspulse durchgeführt werden. Insbesondere kann die Leistungsdichte als bekannte Funktion in Form einer Tabelle oder als mathematische Formel im System gespeichert sein.
Der Modulator kann einen oder mehrere physikalische Parameter jedes ihn passierenden Strahlungspuls des Lasers so beeinflussen, dass die Leistungsdichte des Pulses im betreffenden Zielvolumen dadurch definiert ist. Als physikalischer Parameter kommt insbesondere die Phase, die Amplitude, die Intensität, die Polarisation, die Strahlrichtung (Pointing-Vektor) oder die Feldverteilung über den Strahlquerschnitt (Strahlprofil) in Frage. Insbesondere können diese Parameter auch im Frequenzraum, beispielsweise in räumlich-spektraler Aufspaltung, manipuliert werden, da dies bei der Veränderung ultrakurzer Pulse einfacher möglich ist. Insbesondere kann die Beeinflussung bei unterschiedlichen Wellenlängen desselben Pulses unterschiedlich sein. Der Modulator kann dabei aus mehreren, auch räumlich getrennten Elementen bestehen, beispielsweise aus einem einstellbaren Polarisator und einem feststehenden Polarisator (Analysator). Im einfachsten Fall ist der Modulator ein Energiemodulator, der die Energie der Strahlungspulse zu reduzieren vermag.
Durch die pulsindividuelle Steuerung der Leistungsdichte, die in das jeweilige Zielvolumen einzutragen ist, in Abhängigkeit der dort zu erzeugenden (oder bereits erzeugten) Spotabstände kann einerseits eine gewebeschädigende Wirkung zu dicht aneinander angeordneter und dadurch zu intensiv bestrahlter Zielvolumina mit geringem Aufwand vermieden, andererseits eine gleichmäßig gute Gewebetrennung erreicht werden. Gegenüber dem Stand der Technik kann von einer Bestrahlung mit konstanter (effektiver) Pulsfrequenz gesprochen werden. Dadurch kann insbesondere auf einen kostenaufwendigen schnellen optischen Schalter verzichtet werden. Selbst wenn ein optischer Schalter im Behandlungsstrahlengang angeordnet ist, kann auf dessen Einsatz verzichtet werden, so dass hohe Pulsfrequenzen von 1 MHz und darüber möglich werden. Dadurch kann der Behandlungsprozess signifikant verkürzt werden.
Anstelle einer Ermittlung und Einstellung der Leistungsdichte kann jede andere physikalische Größe eingesetzt werden, welche eine Stärke der Wechselwirkung eines Strahlungspulses mit dem Gewebe in dem betreffenden Zielvolumen beschreibt und vom lokalen Spotabstand (und optional vom lokalen Bahnabstand) abhängt. An jeder Stelle, an der vorstehend oder nachfolgend die Leistungsdichte genannt ist, kann stattdessen eine solche Größe verwendet werden. So kann insbesondere die Energiedichte statt der Leistungsdichte eingesetzt werden – beispielsweise bei über die Folge von Strahlungspulsen hinweg (zumindest näherungsweise) konstanter Pulsdauer. Alternativ kann die Leistung statt der Leistungsdichte eingesetzt werden – beispielsweise, wenn alle Zielvolumina (zumindest näherungsweise) gleich fokussiert ist und ist die Strahlform (zumindest näherungsweise) für alle Strahlungspulse konstant ist. Alternativ kann die Energie statt der Leistungsdichte eingesetzt werden – beispielsweise bei zusätzlich zu den Zielvolumen und der Strahlform (zumindest näherungsweise) konstanter Pulsdauer.
Vorzugsweise hängt die einzutragende Leistungsdichte von dem räumlichen Abstand mathematisch monoton wachsend ab. Mit zunehmendem Spotabstand wird dann eine größere Leistungsdichte in das betreffende Zielvolumen eingetragen. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand einerseits genügend Leistungsdichte zur Überwindung der Durchtrennungsschwelle eingetragen werden, andererseits kann eine Gewebeschädigung durch zu hohen Energieeintrag bei geringen Spotabständen vermieden werden. Das Durchtrennen wird mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen, in denen die Steuereinheit die Ablenkeinheit während der Emission derart steuert, dass sich ein momentaner Fokus der Strahlungspulse entlang einer geschlossenen oder zumindest näherungsweise geschlossenen Bahn bewegt, insbesondere entlang einer Kreisbahn, einer näherungsweise kreisförmigen oder elliptischen Bahn oder einer Spiralbahn. Eine Bahn ist beispielsweise näherungsweise geschlossen, wenn zwei unmittelbar benachbarte Bahnabschnitte voneinander weniger als 10 μm entfernt liegen. Solche Bahnen sind beispielsweise in WO 2005/011547 A1 beschrieben. Sie ermöglichen die Erzeugung von zweidimensional gekrümmten Laserschnitten, welche die Verwendung eines physiologisch geformten Kontaktglases ohne massive Verformung des Augengewebes erlauben.
Vorzugsweise ermittelt die Steuereinheit die einzutragende Leistungsdichte für den Strahlungspuls zusätzlich in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand zweier unmittelbar benachbarter Bahnabschnitte (beispielsweise aus zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der Bahnbewegung) oder unmittelbar benachbarter Bahnen, insbesondere in mathematisch monotoner wachsender Abhängigkeit der einzugtragenden Leistungsdichte von dem räumlichen Abstand. Mit zunehmendem Bahnabstand wird dann eine größere Leistungsdichte in das betreffende Zielvolumen eingetragen. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand einerseits genügend Leistungsdichte zur Überwindung der Durchtrennungsschwelle eingetragen werden, andererseits kann eine Gewebeschädigung durch zu hohen Energieeintrag bei geringen Spotabständen vermieden werden. Das Durchtrennen wird mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen, in denen die Steuereinheit die einzutragende Leistungsdichte bei jedem Wert des räumlichen Abstands (insbesondere bei allen Werten jeweils sowohl des Spotabstands als auch des Bahnabstands) größer als eine bei dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands (insbesondere des Spotabstands und des Bahnabstands) erforderliche Leistungsdichte für eine Photodisruption mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit ermittelt, insbesondere um einen von dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands (insbesondere des Spotabstands und des Bahnabstands) unabhängigen, konstanten Betrag, insbesondere gemäß E_i = E_TH(d_s, d_t) + C. Die Funktion E_TH(d_s, d_t) gibt die Leistungsdichte an, die in ein Zielvolumen einzutragen ist, um mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit P_TH, beispielsweise 95%, einen optischen Durchbruch zu bewirken. Für jede Wahrscheinlichkeit P_TH gilt eine andere Funktion E_TH(d_s, d_t) = E_TH(d_s, d_t, P_TH).
Vorzugsweise liegt der konstante Betrag zwischen C = 1 nJ und C = 1 μJ.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, in denen die Steuereinheit die einzutragende Leistungsdichte für jeden Wert des räumlichen Abstands oberhalb eines vorgegebenen Grenzabstandes d_s0 oder d_t0 größer als eine bei dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands erforderliche Leistungsdichte für eine Photodisruption mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit ermittelt und unterhalb des Grenzabstandes kleiner als eine bei dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands erforderliche Leistungsdichte für eine Photodisruption mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeit ermittelt, insbesondere gemäß E_i = E_TH(d_s, d_t) + E_subTH(d_s, d_t), wobei E_subTH(d_s, d_t) < 0 für d_s < d_s0 und für d_t < d_t0. Die abstandsabhängige, monoton wachsende Kurve der E_i kreuzt dabei die Kurve der abstandsabhängigen Schwellwerte E_TH für einen optischen Durchbruch (bei gegebener Durchbruchswahrscheinlichkeit P_TH). Auf diese Weise können entsprechend WO 2007/042190 A2 zwei Bereiche mit signifikant unterschiedlichen Wechselwirkungsstärken mit geringem Aufwand erzeugt werden. Entstehen bei den eingetragenen Leistungsdichten jeweilige Gasblasen, so weisen diese dann entsprechend unterschiedliche Gasblasengrößen auf. Es kann allerdings auch gerade so sein, dass nur in einem Gebiet Gasblasen entstehen und im zweiten Gebiet die Durchtrennung ohne dabei entstehende Gasblasen erfolgt.
Entsprechend umfasst die Erfindung eine Ausführungsform, bei der die Steuereinheit die Ablenkeinheit derart steuert, dass in einem äußeren, ringförmigen Bereich eines Wechselwirkungszonenfeldes Zielvolumina mit räumlichen Abständen oberhalb der Grenzabstände und in einem inneren Bereich des Wechselwirkungszonenfeldes Zielvolumina mit räumlichen Abständen unterhalb der Grenzabstände resultieren. Die Grenze der beiden Bereiche wird durch den Grenzabstand (Spotabstand oder Bahnabstand) beziehungsweise die Grenzabstände (Spotabstand und Bahnabstand) gekennzeichnet. In dem Bereich, in dem der Spotabstand (optional auch der Bahnabstand) kleiner als der Grenzabstand ist, werden aufgrund des geringeren Leistungsdichteneintrags kleinere oder gar keine Gasblasen erzeugt, was eine feinere Durchtrennung ermöglicht. In dem anderen Bereich größerer Abstände werden durch optische Durchbrüche möglicherweise größere Gasblasen erzeugt, was eine gröbere, vom Behandler visuell wahrnehmbare Durchtrennung des Gewebes bewirkt.
Der Grenzabstand (oder die Grenzabstände) kann beispielsweise so gewählt werden, dass er einem vorgegebenen Abstand von der photopischen Pupille entspricht. Im für die Fernsicht entscheidenden optischen Zonenbereich des Patienten wird dann feiner durchtrennt, um einen hohen Visus zu ermöglichen, wohingegen außerhalb gröber durchtrennt wird, um den Prozess zu verkürzen und die Durchtrennung für einen Beobachter, beispielsweise den Behandler, visuell wahrnehmbar zu machen.
Vorzugsweise hängt die Funktion E_subTH(d_s, d_t) von dem Produkt d_s × d_t der räumlichem Abstände ab, welches die Fläche der Elementarzelle des Wechselwirkungszonenfeldes angibt, oder sie ist eine lineare Funktion oder eine Stufenfunktion. Das ermöglicht eine feinere Durchtrennung des Gewebes mit geringem Aufwand bei hoher Genauigkeit.
Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit den Laser während der Emission der Strahlungspulse derart ansteuern, dass eine Emissionsfrequenz des Lasers konstant ist, insbesondere bei einer Emissionsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz. Dadurch kann auf aufwendige Maßnahmen zur Frequenzregelung des Lasers verzichtet werden. Dennoch kann der Behandlungsprozess durch die hohe Pulsfrequenz verkürzt werden. Pulsfrequenzen im genannten Bereich können beispielsweise entsprechend WO 2003/59563 A2 , deren Offenbarungsgehalt hier in vollem Umfang einbezogen wird, mittels eines sogenannten „cavity-dumped fs-oscillators” bereitgestellt werden. Ebenfalls geeignet sind Femtosekunden-Faserlaser im infraroten Spektralbereich oder gepulste Laser, die im ultravioletten Spektralbereich emittieren.
Vorzugsweise liegen die räumlichen Abstände zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Zielvolumina (Spotabstände, s. o.) zwischen 0,5 μm und 5 μm, insbesondere mit räumlichen Abständen von benachbarten Bahnabschnitten aus unterschiedlichen Bahnzyklen (Bahnabstände, s. o.) zwischen 0,5 μm und 5 μm.
Die Spotabstände und die Bahnabstände brauchen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht konstant zu sein, auch nicht näherungsweise. Es ist aber möglich, sie durch Anpassung der Abtastgeschwindigkeit, also durch Anpassung der Veränderungsgeschwindigkeit der Ablenkung durch die Ablenkeinheit, konstant oder zumindest näherungsweise konstant zu halten. Es ist auch möglich, derart konstante Abstände nur in einem Teilbereich eines Wechselwirkungszonenfeldes zu verwenden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Durchtrennen von Augengewebe ist vorgesehen, dass mit einem Strahlungspuls (insbesondere mit jedem Strahlungspuls der Folge) in das betreffende Zielvolumen eine Leistungsdichte in mathematisch monoton wachsender Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand zweier Zielvolumina unmittelbar aufeinanderfolgender Strahlungspulse in das betreffende Zielvolumen eingetragen wird.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn Zielvolumina auf einer Bahn entlang einer gekrümmten Raumfläche liegen, insbesondere entlang einer Kreisbahn, einer näherungsweise kreisförmigen oder elliptischen Bahn oder einer Spiralbahn, wobei die in das betreffende Zielvolumen eingetragene Leistungsdichte zusätzlich von einem räumlichen Abstand zweier benachbarter Bahnabschnitte aus zwei verschiedenen Zyklen des Bahnverlaufs mathematisch monoton wachsend von dem räumlichen Abstand abhängt.
Im übrigen kann das Verfahren gemäß den oben von der Steuereinheit ausgeführten Schritten realisiert werden.
Die Erfindung umfasst auch ein Computerprogramm, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, insbesondere einen Datenträger enthaltend ein solches Computerprogramm.
Ein solches Computerprogramm kann ein oder mehrere Softwaremodule aufweisen, welche die Funktionen der Steuereinheit implementieren. Beispielsweise kann ein Softwaremodul die CPU eines Rechners dazu anweisen, die einzutragende Leistungsdichte in Abhängigkeit des örtlichen Spotabstandes (und optional auch des örtlichen Bahnabstandes) zu ermitteln, wohingegen ein anderes Softwaremodul (später oder zeitlich parallel) den Modulator gemäß den ermittelten Leistungsdichtewerten steuert oder regelt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein erste Laservorrichtung,
2 Verläufe von Schwellwerten für optische Durchbrüche,
3 drei Funktionen zum Ermitteln der einzutragenden Leistungsdichte,
4 einen Zusammenhang von Bahnradius und Spotabstand,
5 ein Ablaufdiagramm zu einem erfindungsgemäßen Verfahren und
6 ein Behandlungsergebnis.
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.
In 1 ist schematisch eine beispielhafte ophthalmologische Laservorrichtung 1 dargestellt, die zur Behandlung von Fehlsichtigkeit eines Auges 2 durch Abtrennen von Gewebe der Cornea 3 vorgesehen ist. Sie weist im Behandlungsstrahlengang B einen Kurzpuls-Laser 4 auf, beispielsweise einen gepulsten TiSa-Infrarot-Laser zur Emission von Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Pulslänge zwischen 100 fs und 1000 fs und einer Frequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz. Die Laservorrichtung 1 weist darüber hinaus einen Strahlteiler 5, eine Scanoptik 6, eine einstellbare Strahl-Ablenkeinheit 7, eine einstellbare Fokussieroptik 8 und ein Abschlussglas 9 auf. Über den Strahlteiler 5 ist der Detektionsstrahlengang D eines Detektors 10, beispielsweise ein optischer Kohärenztomograph (OCT), zur Navigation aus dem Behandlungsstrahlengang B ausgekoppelt. Der Detektor 10 ist mit einer Steuereinheit 11 verbunden. Im Beleuchtungsstrahlengang ist zudem ein einstellbarer Modulator 12, beispielsweise eine Kombination aus einem motorisch drehbaren Polarisator und einem nachgeschalteten Analysator, angeordnet. Der Behandlungsstrahlengang B verläuft also von dem Laser 4 durch das Abschlussglas 9 bis in den Behandlungsbereich, in dem das Auge 2 anzuordnen ist, Zwischen dem Lasersystem 1 und dem Auge 2 ist eine Fixiervorrichtung 13 für das Auge 2 angeordnet.
Die Ablenkeinheit 7 umfasst beispielsweise eine Anzahl von galvanometrischen Spiegeln zur Ablenkung der Laserstrahlung in x- und y-Richtung über die Cornea 3. Die Fokussierung der Laserstrahlung in z-Richtung entlang der optischen Achse gelingt beispielsweise durch eine bewegliche Linse oder Linsengruppe innerhalb der Fokussieroptik 8 oder alternativ durch eine bewegliche Tubuslinse (nicht abgebildet). Die gepulste IR-Laserstrahlung tritt aus dem Laser 4 aus und wird über die Scanoptik 6, die Scannereinheit 7 und die Fokussieroptik 8 in ein momentanes (von der Einstellung der Ablenkeinheit 7 abhängiges) Zielvolumen V in der Augenlinse 2 fokussiert. Mittels der Ablenkeinheit 7 und der Fokussieroptik 8 kann die Steuereinheit 14 den Fokus in x-, y- und z-Richtung verschieben, so dass ein anderes Zielvolumen V bestrahlt wird.
Die Fixiervorrichtung 13 erfüllt dabei die Aufgaben, das Patientenauge 2 mechanisch an den optischen Aufbau des Gerätes 1 zu koppeln, die optischen Strahlungen für die Navigation und die Therapie zu transmittieren und – optional – mechanische Zugangsmöglichkeiten für Sonden oder chirurgische Instrumente in die Vorderkammer des Auges zu ermöglichen. Zweckmäßigerweise wird das Patientenauge 2 vor einer Detektion und/oder Therapie fixiert, beispielsweise mittels Unterdruck an die Fixiervorrichtung 13 angesaugt. Zusätzlich kann der Kopf des Patienten fixiert sein (nicht abgebildet). Der Blick des Patienten kann durch ein geeignetes Fixierziel (nicht abgebildet) möglichst konstant gehalten werden. Dabei ist eine einstellbare Kompensation des Winkels zwischen Geometrie- und Sehachse des Auges möglich.
Durch den Detektor 12 kann die Steuerreinheit 11 vor der Behandlung charakteristische Eigenschaften der Cornea 3 wie Form, Dicke und Lage ermitteln. Anhand der charakteristischen Eigenschaften kann ein mathematisches Modell der Cornea 3 erstellt werden, beispielsweise durch Anpassung eines Standardmodells an die charakteristischen Eigenschaften. Anhand des Modells und einer vorgegebenen Schnittgeometrie kann die Steuereinheit 11 die räumlichen Steuerparameter für die Ablenkeinheit 7, die Fokussieroptik 8 und die energetischen Steuerparameter für den Modulator 12 ermitteln.
Die räumlichen Steuerparameter ermittelt die Steuereinheit 11 beispielsweise derart, dass sich der Fokus der Strahlungspulse entlang einer Bahn bewegt, von der zumindest ein Abschnitt in mindestens einer Raumkoordinate zyklisch verläuft, beispielsweise entlang konzentrischer Kreisbahnen. Die energetischen Steuerparameter können beispielsweise die jeweils einzustellenden Drehstellungen des Polarisators des Modulators 12 angeben. Zu diesem Zweck kann der Modulator 12 über ein eigenes Steuermodul verfügen, welches den von der Steuereinheit 11 ausgegebenen energetischen Steuerparameter interpretiert und den Modulators 12 entsprechend steuert oder regelt.
Jeder während des späteren Behandlungsprozesses vom Laser 4 emittierte Strahlungspuls wird durch den Behandlungsstrahlengang B in ein betreffendes Zielvolumen V_i eingetragen werden. Die Steuereinheit 11 ermittelt vorab für jeden Strahlungspuls einen separaten energetischen Steuerparameter, der die jeweilige in das betreffende Zielvolumen V_i einzutragende Leistungsdichte E_i angibt. Die Steuereinheit ermittelt diese Leistungsdichte E_i in Abhängigkeit von zwei räumlichen Abständen, einerseits dem Spotabstand d_s zwischen zwei Zielvolumina V_i, V_{i + 1} unmittelbar aufeinanderfolgender Strahlungspulse und andererseits aus dem Bahnabstand d_t zweier unmittelbar benachbarter Bahnabschnitte aus zwei verschiedenen Zyklen der Bahnbewegung. Sie verwendet dazu beispielsweise die Beziehung E_i = E_TH(d_s, d_t) + C, wobei E_TH die Leistungsdichte angibt, die in ein Zielvolumen einzutragen ist, um mit einer Wahrscheinlichkeit P_TH von 95% einen optischen Durchbruch zu bewirken, und C beispielsweise konstant 100 nJ beträgt.
Sobald der Behandler den Behandlungsprozess auslöst, beginnt die Steuereinheit 11, den Laser 4 zur Emission einer Folge von Strahlungspulsen anzusteuern und steuert zeitlich parallel dazu anhand der ermittelten Steuerparameter die Ablenkeinheit 7, die Fokussieroptik 8 und den Modulator 12.
2 illustriert die Funktion E_TH(d_s, d_t). Für jede Wahrscheinlichkeit P_TH gilt eine andere Funktion E_TH(d_s, d_t) = E_TH(d_s, d_t, P_TH). Die Darstellung zeigt einzelne Werte von E_TH(d_s, d_t, P_TH) für P_TH = 95% und für P_TH = 50%. Der Übersicht halber sind die Abhängigkeiten von Spotabstand d_s und Bahnabstand d_t als identisch dargestellt. Diese Annahme stimmt näherungsweise, wenn unmittelbar benachbarte Bahnen innerhalb von maximal 5 Sekunden bestrahlt werden.
In 3 sind Beispiele für alternative Beziehungen E_i, E_i' und E_i'' zum Ermitteln der pulsindividuell einzutragenden Leistungsdichten neben der Funktion E_TH(d_s, d_t, P_TH = 95%) dargestellt, Alle gezeigten Varianten hängen monoton wachsend von dem lokalen Spotabstand d_s und dem lokalen Bahnabstand d_t ab. Die Abhängigkeiten von diesen beiden Abständen wird der Übersicht halber auch hier als identisch dargestellt. Die Leistungsdichten E_i und E_i' liegen unabhängig von den Werten der Abstände oberhalb der Durchbruchsschwellwerte E_TH. Die Leistungsdichte E_i'' = E_TH(d_s, d_t) + E_subTH(d_s, d_t) mit E_subTH(d_s, d_t) < 0 für d_s < d_s0 und für d_t < d_t0 kreuzt die Durchbruchsschwellwerte bei den beispielhaften Grenzabständen d_s0 = d_t0 = 1,9 μm. Unterhalb dieser Abstände werden also keine optischen Durchbrüche erzeugt, sondern beispielsweise nur Gasblasen. Die Grenzabstände sind beispielsweise so gewählt, dass sie einem Bahnradius r_tP entsprechen, der am äußeren Rand der photopischen Pupille des Auges 2 liegt.
4 verdeutlicht vereinfacht die Abhängigkeit des Spotabstands d_s vom Bahnradius bei einer kreisförmigen Abtastbahn bei konstanter Pulsfrequenz. Eingetragen sind auch der beispielhafte Bahnradius r_tP am Rand der photopischen Pupille und der Bahnradius r_tS am Rand der skotopischen Pupille.
In 5 ist das erfindungsgemäße Verfahren in Form eines Flußdiagramms schematisch dargestellt. Die Ermittlung der Leistungsdichten E_i für alle Strahlungspulse kann vorab vor Beginn der Bestrahlung erfolgen oder während der Bestrahlung, beispielsweise in Echtzeit vor der Emission jedes Strahlungspulses.
Beispielsweise wird eine Behandlung mit zwei Laserschnitten in unterschiedlichen Tiefe durchgeführt, wovon der eine das Öffnen einen Deckel (engl. „flap”) öffnet. Im ringförmigen Außenbereich des Flaps wird beispielsweise mit 3 μm mittlerem (oder konstantem) Spot- und Bahnabstand bestrahlt und im inneren Bereich wird mit Spot- und Bahnabständen zwischen 3 μm und 0,3 μm bestrahlt, wobei im inneren Bereich ein linearer (oder quadratischer oder wurzelförmiger) Zusammenhang zwischen Spiralbahnradius und Spotabstand beziehungsweise Bahnabstand besteht. Gleichzeitig beträgt die Pulsenergie im ringförmigen Außenbereich einer Schnittfläche 140 nJ und im inneren Bereich bis hinab zu auf 50 nJ. Für dazwischen liegende Spot- und Bahnabstände wird eine entsprechende mittlere Pulsenergie gewählt. Die Zielvolumina betragen beispielsweise 20 μL, die Strahlungspulse dauern beispielsweise 20 fs.
6 zeigt ein Ergebnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Zielvolumina V_i mittels der Ablenkeinheit 7 und der Fokussieroptik 8 entlang von Höhenlinien der Cornea 3 gemäß der Beziehung zu E_i'' aus 3 bestrahlt wurden. Die Spotabstände und die Bahnabstände liegen zwischen 0,5 μm und 5 μm. Die Bewegung des Strahls zwischen den einzelnen Bahnen erfolgte an Querverbindungen Q, die nicht bestrahlt wurden. Erkennbar ist, dass die Spotabstände d_s bei äußeren Bahnen (mit großen Bahnradien) größer sind als bei inneren Bahnen. Bei den innersten Bahnen überlappen die Zielvolumina V_i einander sogar. Innerhalb der photopischen Pupille P liegen die eingestrahlten Leistungsdichten E_i'' unterhalb der Durchbruchsschwellen E_TH, so dass der Laserschnitt hier sehr fein ausgebildet ist.
Ist die mittels der Ablenkeinheit 7 beschriebene Bahn spiralförmig (nicht abgebildet), wobei die Umlauffrequenz stets an der oberen technischen Grenze der Ablenkeinheit 8 gehalten wird, so ergibt sich daraus eine variable, mit dem Bahnradius r_t monoton wachsende Bahngeschwindigkeit v(r_t). Diese führt im Zusammenhang mit einer konstanten (effektiven) Pulsfrequenz dazu, dass die Spotabstände d_s entlang der Bahnkurve monoton mit dem Radius r_t anwachsen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die einzutragende Pulsleistungsdichte E_i konstant zu halten, indem radiusabhängig der Bahnabstand durch entsprechende Steuerung der Ablenkeinheit 7 so angepasst wird, dass die Kombination aus radiusabhängigen Spot- und Bahnabständen d_s(r_t), d_t(r_t) in Abhängigkeit der Funktion E_TH(d_s, d_t) zur gleichen Pulsleistungsdichte führt. Dadurch ist es nicht notwendig, die Pulsleistungsdichte während des Abtastvorgangs anzupassen. Zur Ermittlung der Leistungsdichte für jeden Strahlungspuls kann die Steuereinheit 11 beispielsweise die Beziehung E_i = d_s·d_t·E₀ verwenden, was zu E_i = const führt, wenn sie räumlichen Steuerparameter für die die Ablenkeinheit 7 anhand von d_t = 1/d_s ermittelt und die Pulsparameter (Dauer, Form usw.) im übrigen konstant bleiben.
In allen Ausführungsformen ist es äquivalent, bei der Ermittlung der einzutragenden Leistungsdichten E_i(','') anstelle der Abhängigkeit von dem lokalen Spotabstand d_s eine Abhängigkeit von der lokalen Bahngeschwindigkeit v zu verwenden, da der Zusammenhang zwischen Spotabstand und Bahngeschwindigkeit durch die Pulsfrequenz gegeben ist.
Als Modulator 12 kann anstelle der beschriebenen Kombination aus Polarisator und Analysator beispielsweise auch ein akustooptischer Modulator (AOM), ein elektrooptischer Modulator (EOM), eine Pockelszelle, ein Flüssigkristallelement (LC-Element), ein faseroptisches Schaltelement oder ein sogenanntes Chopperrad verwendet werden, jeweils optional ergänzt um Bauelemente, die eine Transformation der dadurch primär veränderten optischen Eigenschaften der selektierten Laserpulse so bewirken, dass ein die Leistungsdichte im Zielvolumen definierender physikalischer Parameter definiert verändert wird. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine zeitliche Laserpulsverlängerung (Streckung) durch Dispersion erfolgen. Dieser Effekt lässt sich beispielsweise durch eine einstellbare Polarisationsdrehung der selektierten Laserpulse mittels einer geeigneten Transformation – beispielsweise durch Verwendung polarisationsabhängiger Reflektion – erreichen. Solche schnellen Polarisationsdrehungen kann man beispielsweise mit Pockelszellen herbeiführen. Auch eine Wellenfrontveränderung der Strahlungspulse, die zu unvollständiger Fokussierung und damit zu einer Verringerung der (Spitzen-)Leistungsdichte führt, ist möglich. Solche Wellenfrontveränderungen können beispielsweise durch Flüssigkristallelemente oder auch durch Membranspiegel, wie sie aus der adaptiven Optik bekannt sind, erzielt werden.
Bezugszeichenliste

1: Ophthalmologische Laservorrichtung
2: Auge
3: Cornea
4: Ultrakurzpuls-Laser
5: Strahlteiler
6: Scanoptik
7: Ablenkeinheit
8: Fokussieroptik
9: Abschlussglas
10: Detektor
11: Steuereinheit
12: Modulator
13: Fixiervorrichtung
B: Behandlungsstrahlengang
D: Detektionsstrahlengang
V_(i): Zielvolumen
E_i: Einzutragende Energie
P: Photopische Pupille
r_tP: Bahnradius am äußeren Rand der photopischen Pupille

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2005/011547 A1 [0003, 0015]
WO 2007/042190 A2 [0004, 0019]
WO 2005/058216 A1 [0006]
WO 2003/59563 A2 [0023]

Claims

Ophthalmologische Laservorrichtung (1) zum Durchtrennen von Augengewebe, aufweisend einen Ultrakurzpuls-Laser (4), dessen Strahlungspulse längs eines Behandlungsstrahlengangs (B), der eine variabel einstellbare Strahl-Ablenkeinheit (7) und eine Fokussieroptik (8) umfasst, mittels der Ablenkeinheit (7) in unterschiedliche Zielvolumina (V) fokussierbar sind, und eine Steuereinheit (11) zur Steuerung des Lasers (4) und zur Steuerung der Ablenkeinheit (7) während einer Emission einer Folge von Strahlungspulsen, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsstrahlengang (B) einen variabel einstellbaren Modulator (12) umfasst und dass die Steuereinheit (11) dazu eingerichtet ist, für einen Strahlungspuls oder für jeden Strahlungspuls der Folge eine durch den Behandlungsstrahlengang (B) in das betreffende Zielvolumen (V_i) einzutragende Leistungsdichte (E_i) in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (d_s) zwischen zwei Zielvolumina (V_i, V_{i + 1}) unmittelbar aufeinanderfolgender Strahlungspulse zu ermitteln und zeitlich parallel zur Steuerung der Ablenkeinheit (7) den Modulator (12) derart einzustellen, dass der betreffende Puls im Zielvolumen (V_i) die ermittelte Leistungsdichte (E_i) aufweist.
Laservorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die einzutragende Leistungsdichte (E_i) von dem räumlichen Abstand (d_s) mathematisch monoton wachsend abhängt.
Laservorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (11) die Ablenkeinheit (7) während der Emission derart steuert, dass sich ein momentaner Fokus der Strahlungspulse entlang einer geschlossenen oder zumindest näherungsweise geschlossenen Bahn bewegt, insbesondere entlang einer Kreisbahn, einer näherungsweise kreisförmigen oder elliptischen Bahn oder einer Spiralbahn.
Laservorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Steuereinheit die einzutragende Leistungsdichte (E_i) für den Strahlungspuls zusätzlich in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (d_t) zweier unmittelbar benachbarter Bahnabschnitte oder unmittelbar benachbarter Bahnen ermittelt, insbesondere in mathematisch monotoner wachsender Abhängigkeit der einzugtragenden Leistungsdichte (E_i) von dem räumlichen Abstand (d_t).
Laservorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Steuereinheit die einzutragende Leistungsdichte (E_i) bei jedem Wert des räumlichen Abstands (d_s, d_t) größer als eine bei dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands erforderliche Leistungsdichte (E_TH) für eine Photodisruption mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit (P_TH) ermittelt, insbesondere um einen von dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands (d_s, d_t) unabhängigen, konstanten Betrag (C), insbesondere gemäß E_i = E_TH(d_s, d_t) + C.
Laservorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei der konstante Betrag (C) zwischen 1 nJ und 1 μJ liegt.
Laservorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Steuereinheit die einzutragende Leistungsdichte (E_i) für jeden Wert des räumlichen Abstands (d_s, d_t) oberhalb eines vorgegebenen Grenzabstandes (d_s0, d_t0) größer als eine bei dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands erforderliche Leistungsdichte (E_TH) für eine Photodisruption mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit (P_TH) ermittelt und unterhalb des Grenzabstandes (d_s0, d_t0) kleiner als eine bei dem betreffenden Wert des räumlichen Abstands (d_s, d_t) erforderliche Leistungsdichte (E_TH) für eine Photodisruption mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeit (P_TH) ermittelt, insbesondere gemäß E_i = E_TH(d_s, d_t) + E_subTH(d_s, d_t), wobei E_subTH(d_s, d_t) < 0 für d_s < d_s0 und für d_t < d_t0.
Laservorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei E_subTH(d_s, d_t) von dem Produkt (d_s × d_t) der räumlichem Abstände (d_s, d_t) abhängt oder eine lineare Funktion oder eine Stufenfunktion ist.
Laservorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (11) die Ablenkeinheit (7) derart steuert, dass in einem äußeren, ringförmigen Bereich eines Wechselwirkungszonenfeldes Zielvolumina mit räumlichen Abständen (d_s, d_t) oberhalb der Grenzabstände (d_s0, d_t0) und in einem inneren Bereich des Wechselwirkungszorienfeldes Zielvolumina mit räumlichen Abständen (d_s, d_t) unterhalb der Grenzabstände (d_s0, d_t0) resultieren.
Laservorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (11) den Laser (4) während der Emission der Strahlungspulse derart ansteuert, dass eine Emissionsfrequenz des Lasers (4) konstant ist, insbesondere bei einer Emissionsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz.
Laservorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumlichen Abstände (d_s) zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Zielvolumina (V_i, V_{i + 1}) zwischen 0,5 μm und 5 μm liegen, insbesondere mit räumlichen Abständen (d_t) von benachbarten Bahnabschnitten aus unterschiedlichen Bahnzyklen zwischen 0,5 μm und 5 μm.
Verfahren zum Durchtrennen von Augengewebe, insbesondere von Augenhornhaut, durch Erzeugung eines Feldes von Wechselwirkungszonen, durch Energieeinträge mittels einer Folge in Zielvolumina fokussierter Strahlungspulse, insbesondere auf Bahnen entlang gekrümmten Raumflächen, insbesondere entlang von Höhenlinien solcher Raumflächen, wobei mit einem Strahlungspuls (insbesondere mit jedem Strahlungspuls der Folge) in das betreffende Zielvolumen (V_i) eine Leistungsdichte (E_i) in mathematisch monoton wachsender Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (d_s) zweier Zielvolumina (V_i, V_{i + 1}) unmittelbar aufeinanderfolgender Strahlungspulse in das betreffende Zielvolumen (V_i) eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Zielvolumina (V) auf einer Bahn entlang einer gekrümmten Raumfläche liegen, insbesondere entlang einer Kreisbahn, einer näherungsweise kreisförmigen oder elliptischen Bahn oder einer Spiralbahn, wobei die in das betreffende Zielvolumen (V_i) eingetragene Leistungsdichte (E_i) zusätzlich von einem räumlichen Abstand (d_t) zweier benachbarter Bahnabschnitte aus zwei verschiedenen Zyklen des Bahnverlaufs mathematisch monoton wachsend von dem räumlichen Abstand (d_t) abhängt.
Computerprogramm, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche, insbesondere Datenträger enthaltend ein solches Computerprogramm.