Vorrichtung zur Formung der Cornea
B e s c h r e i b u n
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur For¬ mung der Cornea gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Es sind Vorrichtungen zur Formung der Cornea kommerziell erhältlich, bei denen als Laser ein Excimer-Laser einge¬ setzt wird. Excimer-Laser emittieren Licht im UV-Bereich, wobei in der Ophthalmologie sehr häufig Excimer-Laser verwendet werden, die Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm emittieren.
Licht mit einer derart kurzen Wellenlänge kann in der für die Laserbehandlung der Cornea erforderlichen Strahlfor- mungs- und Strahlführungseinrichtung nur mit gewissen Schwierigkeiten geformt und geführt werden: So führen bereits kleine Staubpartikel auf Linsenflächen dazu, daß "Einbrennstellen" auf diesen Linsenflächen entstehen.
Weiterhin sind in verschiedenen Veröffentlichungen Ver¬ mutungen geäußert worden, daß Licht mit der vorstehend genannten Wellenlänge carzinogen und/oder mutagen sein könnte.
Es ist deshalb bereits vor längerer Zeit vorgeschlagen worden, anstelle von Excimer-Lasern in den jeweiligen
medizinischen Anwendungen Lichtquellen bzw. Laser einzu¬ setzen, die Licht im infraroten Spektralbereich mit einer Wellenlänge von etwa 3 μm emittieren, da Wasser in diesem Spektralbereich eine starke Absorptionsbande hat. Die meisten der in diesem Spektralbereich emittierenden Laser sind YAG-Laser, deren Laserstrahl eine zirkuläre Modenver¬ teilung hat. Damit sich die zirkuläre Modenverteilung nicht als "zirkulärer" Abtrag der Cornea abbildet, ist es bei den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausge¬ setzten Vorrichtungen zur Formung der Cornea erforderlich, die Energiedichte über den Strahlquerschnitt zu homogeni¬ sieren.
Eine vergleichsweise aufwendige Strahlformungseinrichtung für Excimer-Laser - die keine zirkuläre Modenverteilung haben -, bei der ein Lichtleiter mit rechteckigem Quer¬ schnitt eingesetzt wird, ist aus der DE-A-40 04 423 be¬ kannt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Formung der Cornea gemäß dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1 derart weiterzubilden, daß mit einfachen Mitteln auch bei Verwendung eines Lasers mit zirkulärer Modenver¬ teilung ein über seinen Querschnitt homogener Laserstrahl bereitgestellt wird.
Erfindungsgemäß weist die Strahlformungseinrichtung zur Homogenisierung der Energiedichte über den Strahlquer¬ schnitt eine Fokussierungsoptik, die den aufgeweiteten Laserstrahl fokussiert, ein beugendes Element, das in einem geringen Ab¬ stand von der Fokusebene der Fokussierungsoptik
angeordnet ist, und dessen Beugungsmaxima mit den Minima der Modenverteilung interferieren, eine Bildfeldblende, die an einer optisch zur Cornea konjugierten Stelle angeordnet ist, auf.
Das beugende Element ist dabei so beschaffen bzw. im Strahlengang angeordnet, daß seine Beugungsmaxima in Höhe der Bildfeldblende mit den Minima der Modenstruktur inter¬ ferieren. Hierdurch kann mit einfachen Mitteln die Ener¬ giedichte über den Strahlquerschnitt homogenisiert werden. Darüberhinaus kann die Strahlformungseinrichtung durch Verschieben des beugenden Elements in Richtung der opti¬ schen Achse leicht an die von Laser zu Laser variierende radiale Verteilung der Modenstruktur angepaßt werden.
Die zur Begrenzung des Bildfeldes vorgesehene Blende ist in der Ebene der Strahlhomogenisierung angeordnet und wird über eine (weitere) Optik auf die Cornea abgebildet. Ande¬ rs ausgedrückt, ist die Bildfeldblende optisch zur Cornea konjugiert. (Unter optisch konjugierten Größen werden dabei in Übereinstimmung mit der allgemein geläufigen Definition Größen verstanden, die paarweise einander zuge¬ ordnet sind, indem sich eine Größe auf den Gegenstand bzw. den Gegenstandsraum und die andere Größe auf das Bild bzw. den Bildraum bezieht.)
Als beugende Elemente kommen die verschiedensten Elemente in Betracht. Im Anspruch 2 sind exemplarisch zwei Möglich¬ keiten angegeben, wobei die Verwendung einer Lochblende gegenüber der Verwendung eines Gitters Kostenvorteile hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vor der Fokussierungsoptik eine Aufweitoptik vorgesehen,
die den Laserstrahl aufweitet. Hierdurch kann der Durch¬ messer des Laserstrahls (in etwa) auf den Durchmesser-Wert oder einen größeren Wert gebracht werden, wie er für die Formung der Cornea benötigt wird, so daß alle "Strahl- Manipulationen" am "wahren benötigten" oder an einem größeren Strahl-Querschnitt - mit dann gesteigerter Ge¬ nauigkeit - ausgeführt werden können.
Dies ist insbesondere bei der im Anspruch 4 angegebenen erfindungsgemäßen Weiterbildung von Vorteil:
Gemäß diesem Anspruch ist zur Einstellung einer ent¬ sprechend dem gewünschten Abtrag eingestellten Radialver¬ teilung der Energie des Laserstrahls ein Radialformungs- element vorgesehen, das insbesondere aus einer plankonka¬ ven und einer plankonvexen Linse besteht, deren konkave und konvexe Flächen einander zugekehrt sind.
Dabei sind bevorzugt gemäß Anspruch 6 die Brechungindizes der beiden Linsen gleich und die Absorptionen dieser bei¬ den Elemente für die Wellenlänge des Laserstrahls unter¬ schiedlich. Beispielsweise muß zur Korrektur der Myopie die konkave Linse die größere Absorption aufweisen bzw. aus einem Material mit einem höheren Absorptionskoeffi¬ zienten bestehen.
Die Linsen, aus denen das Radialformungselement besteht, können dabei kostengünstig auf Vorrichtungen hergestellt werden, wie sie für die Herstellung von Brillengläsern weit verbreitet sind.
Die in den Ansprüchen 5 und (optional) 6 gekennzeichnete Weiterbildung der Erfindung stellt gegenüber bekannten Lösungen zur Beeinflussung der Energieverteilung ent-
sprechend dem gewünschten Abtrag der Cornea eine besonders einfache Lösung dar, die kostengünstig eine Anpassung an das - jeweils für die Korrektur des individuellen Sehfeh¬ lers - benötige Abtragprofil erlaubt.
Vor allem aber hat diese erfindungsgemäße Lösung für die Einstellung des Radialprofils den Vorteil, daß auch nicht rotationssymmetrische Strahlprofile eingestellt werden können, wie sie beispielsweise zur Astigmatismuskorrektur benötigt werden.
Das Radialformungselement und insbesondere das erfindungs¬ gemäß ausgebildete Element kann gemäß Anspruch 7 zwischen den Linsen der Aufweitoptik oder gemäß Anspruch 8 nach der Bildfeldblende in der Strahlführungseinrichtung angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Radialfor- mungselement gemäß Anspruch 9 am Ort der Bildfeldblende oder einem optisch hierzu konjugierten Ort angeordnet ist, da am Ort der Bildfeldblende die radiale Strahlenergie homogen und konstant ist.
Andererseits ist am Ort der Bildfeldblende der Strahl¬ durchmesser - entsprechend dem Durchmesser des abzutra¬ genden Bereichs der Cornea - lediglich 5 bis 7 mm - sofern nicht mit einem Strahl mit vergrößertem Durchmesser ge¬ arbeitet wird. Erfolgt die Radialformung ausschließlich durch Absorption, müssen Linsenelemente mit starker Krüm¬ mung verwendet werden.
Deshalb ist es besonders vorteilhaft, wenn die Strahlfor¬ mung nicht nur durch die Absorption der Linsenelemente, sondern zusätzlich auch durch Streuung erfolgt. Durch
steuende Partikel, wie beispielsweise Titanoxid kann über die Konzentration der Beimischung der radiale Energieab¬ fall verstärkt werden, da entsprechend den Streuereignis¬ sen pro Längeneinheit die Streuung mit der Tiefe exponen- tiell zunimmt. Darüberhinaus kann durch die Größe der Streupartikel die Streucharakteristik beeinflußt werden, wobei sich die Streucharakteristik von starker Vorwärts¬ streuung bis zu isotroper Streuung ändern kann.
Die Streuung kann dabei dadurch erzeugt werden, daß ein Medium mit leichten Absorptionseigenschaften, dem die streuenden Partikel beigemischt werden, in einer Kammer eingeschlossen wird. Die Kammer kann beispielsweise aus einem Quarzmaterial bestehen. Als Medium mit leichten Absorptionseigenschaften kann z.B. flüssiges Silicon be¬ nützt werden, dem die streuenden Partikel beigemischt werden. Anschließend wird das Medium polymerisiert. Selbstverständlich können anstelle von Silicon auch andere Polymere, die durch die Laserwellenlänge noch nicht ab- latiert werden, verwendet werden. Die Verwendung von Sili¬ con ist jedoch bevorzugt, da Silicon einen Brechungsindex vergleichbar mit Quarz hat.
Die Verwendung von streuenden Partikeln hat den zusätzli¬ chen Vorteil, daß Unregelmäßigkeiten in der Energievertei¬ lung, die durch die Modenstruktur hervorgerufen werden, zusätzlich durch die Streuprozesse homogenisiert werden. Dies ist vergleichbar mit dem bekannten Milchglaseffekt.
Auch die streuende Kammer sollte möglichst nahe am Ort der Bildfeldblende angeordnet werden. Dabei kann durch die Wahl der Apertur der Abbildungsoptik und der Streugeome¬ trie der Partikel sowie deren Konzentration die gewünschte Laserenergie zur Ablation am Auge eingestellt werden.
Als Behandlungslaser können beliebige Laser mit zirkulärer Modenverteilung verwendet werden, solange sie nur Licht in dem Spektralbereich emittieren, der für die Formung der Cornea durch einen entsprechenden Abtrag geeignet ist. Dies sind unter anderem alle Laser, die Licht zwischen etwa 2,7 μm und 3,3 μm emittieren. Ein besonders geeigne¬ ter Laser ist der im Anspruch 17 genannte Erbiu -YAG- Laser. Selbstverständlich ist die Erfindung aber nicht auf den vorgenannten Wellenlängenbereich beschränkt.
Vorstehend sind die wesentlichen Elemente beschrieben worden, die für die Realisierung der Erfindung bzw. ihrer ebenfalls erfindungsgemäßen Weiterbildungen erforderlich sind, für die gegebenenfalls auch unabhängiger Schutz begehrt wird. Dies gilt insbesondere für die Verwendung von Strahlformungselementen mit streuenden Partikeln, wie sie in den Ansprüchen 10 bis 16 beansprucht ist.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung weitere Elemente aufweisen:
So kann gemäß Anspruch 18 die Strahlführungseinrichtung nach der Bildfeldblende eine weitere Optik aufweisen, die den Laserstrahl auf das zu behandelnde Auge richtet. Diese weitere Optik hat bevorzugt die gleiche Brennweite wie die Fokussierungsoptik (Anspruch 19).
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all¬ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeich¬ nung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen be¬ züglich der Offenbarung aller im Text nicht näher er-
läuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird:
In dieser Figur ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Laser 1 auf, der einen Laserstrahl 2 emittiert, dessen Wellenlänge geeignet ist, die (nicht dargestellte) Cornea eines menschlichen Auges zu ablatieren. Die Wellenlänge des Laserstrahls 2 kann insbesondere im Bereich von 3 μm lie¬ gen. Ein geeigneter Laser ist beispielsweise ein Er^AG- Laser mit einer Wellenlänge von nahezu 3 μm.
In der Regel haben Laser, die in diesem Wellenlängenbe¬ reich Licht emittieren, ein zirkuläre Modenverteilung. Dies gilt insbesondere für YAG-Laser wie den bereits ge¬ nannten Er:YAG-Laser.
Im Strahlengang des Lasers 1 ist eine Aufweitoptik 3 vor¬ gesehen, die den Laserstrahl 2 von einem Durchmesser von typischerweise 4..6 mm auf einen Durchmesser von ca. 25.. 40 mm (Bezugszeichen 21) aufweitet. Hierzu weist die Auf¬ weitoptik 3 ein Element 31 mit negativer Brechkraft und ein Element 32 mit positiver Brechkraft auf, die nicht notwendigerweise - wie in der Figur dargestellt - Ein¬ zellinsen sein müssen.
Im Anschluß an die Aufweitoptik ist im Strahlengang 21 ein Radialformungselement 4 vorgesehen, das zur Einstellung einer entsprechend dem gewünschten Cornea-Abtrag eingeste¬ llten Radialverteilung der Energie des Laserstrahls 2 dient. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das
Element 4 aus einer plankonkaven und einer plankonvexen Linse 41 bzw. 42, deren konkave bzw. konvexe Flächen ein¬ ander zugekehrt sind. Die beiden Linsen 41 und 42 haben (in etwa) gleiche Brechungindizes, jedoch unterschiedliche Absorptionen für die Wellenlänge des Laserstrahls 2, so daß man (praktisch) ohne Beeinflussung des "Strahlver¬ laufs" die gewünschte Energieverteilung über den Quer¬ schnitt des - bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel paral¬ lelen - Strahls 21 erhält.
Geeignete Materialkombinationen für die Linsen 41 und 42 sind (beispielsweise) Quarz/Quarz-Infrasil, IRG3/LaSF9, IRG9/FK52 oder -bevorzugt -IRG7/LF8. Die Bezeichungen sind die Lieferbezeichnungen der Fa. Schott, Mainz, Deutsch¬ land. Selbstverständlich sind auch noch andere Material¬ kombinationen möglich.
Zusätzlich kann die Strahlformung nicht nur durch die Absorption der Linsen 41 und 42, sondern auch durch Streu¬ ung erfolgen. Durch steuende Partikel, wie beispielsweise Titanoxid kann über die Konzentration der Beimischung der radiale Energieabfall verstärkt werden, da entsprechend den Streuereignissen pro Längeneinheit die Streuung mit der Tiefe exponentiell zunimmt. Darüberhinaus kann durch die Größe der Streupartikel die Streucharakteristik beein¬ flußt werden, wobei sich die Streucharakteristik von star¬ ker Vorwärts-streuung bis zu isotroper Streuung ändern kann. Die Verwendung von streuenden Partikeln hat den Vorteil, daß Unregelmäßigkeiten in der Energieverteilung, die durch die Modenstruktur hervorgerufen werden, zus¬ ätzlich durch die Streuprozesse homogenisiert werden. Dies ist vergleichbar mit dem bekannten Milchglaseffekt.
In jedem Falle kann durch eine geeignete Wahl der Dicken und der Materialeigenschaften der Linsen und der Krümmun¬ gen der einander zugekehrten Flächen der beiden Linsen dem aufgeweiteten Strahl 21 das Profil gegeben werden, das die gewünschte Radius- und Azimutwinkel-abhängige Energiever¬ teilung des Laserstrahls erzeugt. Damit können sowohl sphärische als auch astigmatische Sehfehler von Augen korrigiert werden. Selbstverständlich ist auch die Ver¬ wendung asphärischer Flächen bei den Linsen 41 und 42 möglich, so daß ein asphärischer Abtrag erfolgt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Lichtweg hinter dem Radialformungselement 4 ist eine Fokussierungsoptik 5 vorgesehen, die den aufgeweiteten Laserstrahl 21 in einem Fokuspunkt 6 fokussiert. Die Fokussierungsoptik hat typi¬ scherweise eine Brennweite von 20 mm.
In einem Abstand von beispielsweise 4 bis 5 mm vor dem Fokuspunkt 6 ist ein beugendes Element 7 vorgesehen, de¬ ssen Beugungsmaxima mit den Minima der Modenverteilung interferieren. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das beugende Element 7 eine Lochblende mit einem Loch¬ durchmesser von weniger als 1 mm, beispielsweise 0,8 mm.
Ferner ist an einer optisch zur Cornea konjugierten Stelle eine Bildfeldblende 8 angeordnet, die typischerweise einen Durchmesser von 7 mm hat. Nach der Bildfeldblende 8 ist ein weiteres optisches System 9 vorgesehen, das insbeson¬ dere die gleiche Brennweite wie die Fokussierungsoptik 5 haben kann, so daß es eine 1:1 Abbildung der Bildfeldblen¬ de bewirkt.