激光眼組織切割系統設計實驗范文

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摘要:針對醫生手工進行白內障手術，病人術后視力恢復效果取決于醫生手術熟練度的問題，提出了一種激光眼組織切割光路運動系統。系統采用直線電機帶動平面鏡運動的形式改變光路，利用聚焦透鏡實現激光對樣品單點切割。建立了白內障手術中碎核、撕囊掃描軌跡的數學模型，通過MATLAB仿真驗證掃描軌跡數學模型的正確性。最后以透明塑料為樣品模擬眼球實驗，結果表明此系統可以實現給定軌跡切割，為激光眼組織切割設備研發提供了一種新方案。

關鍵詞:白內障手術;光路運動;手術軌跡;數學模型

1引言

白內障手術是目前世界范圍內最常見的外科手術，每年約有1900萬例［1－2］。完成白內障手術的主要步驟為醫生手工切割角膜、晶狀體前囊膜，以及使用超聲乳化術去除晶狀體，重新植入人工晶狀體［3－6］。由于手術過程為醫生手工操作，可能會產生囊膜撕裂，以及超聲乳化能量使用過多其熱效應傷害周邊組織等問題。飛秒激光在聚焦到生物組織時會產生單點光致破裂現象，通過自動化激光切割設備輔助白內障手術已成為替代人工手術的一種新方法。研究表明相較于醫生手工操作，飛秒激光切割輔助白內障手術可有效解決這些問題［7－8］。當前激光輔助白內障設備主要依賴國外進口，國內相關研究尚處于起始階段。愛爾康公司的F•拉克希等利用XY掃描儀實現激光在水平面不同位置掃描，增量式Z掃描儀實現不同深度位置聚焦，此方法由于在水平面與深度方向采用兩個獨立模塊控制，導致水平面與深度方向同步切割實現較為困難，通過透鏡組移動改變聚焦深度的Z掃描儀設計非常復雜［9］。汪禮鋒等利用1040nm激光搭建的光纖型激光掃描系統，通過二維掃描振鏡與一維平移臺實現了眼睛的三維切割［10］。這種方式雖然能夠實現三維切割，但在實際應用時來回移動切割物體改變聚焦深度存在切割精度低，速率慢的問題，且光纖傳輸會損失激光能量。為了提高切割效率、減少光能量損耗，本文設計了一種空間型光路運動激光掃描實驗系統，并為撕囊、晶狀體碎核步驟設計了相應的掃描軌跡，該系統無需移動樣品即可實現樣品的三維切割。

2設計指標及方法

激光輔助白內障手術系統應竟可能小型化、輕量化。因此，需要根據眼組織切割位置要求，合理布局結構。人眼結構如圖1所示，角膜及晶狀體尺寸如表1所示。白內障手術主要主要目的是切開角膜，取出晶狀體，由此確定最終激光切割系統工作空間為12mm×12mm×10mm。在單位面積內，隨著光功率密度提高生物組織會產生光熱、光致破裂等作用，隨著高功率密度的光掃描樣品即可實現對指定位置處的切割。實現對于樣品不同位置掃描主要分為以下形式。1)樣品位置固定，光路固定，激光器移動;2)激光器及樣品固定，光路移動;3)光路移動，激光器及樣品固定。在白內障手術中人體質量較大，來回移動人體切割不同眼組織位置顯然會帶來運動速度慢、精度低的問題。激光器本身質量也比較大，將其快速移動同樣有速度慢、精度低的問題。光學器件一般質量輕、體積小，方便快速控制其位置變化以達到光路運動切割樣品的目的。

3光學系統硬件結構與切割軌跡設計

3.1光路及控制系統硬件結構設計

根據上述分析，本文采用光路運動的形式實現三維空間內樣品不同位置切割。總體結構如圖2所示，其中1、2、3為三塊互相垂直放置的直線電機，4、5、6分別對應鏡面與X、Y、Z方向呈45°的平面鏡，7為聚焦透鏡，6與7之間固定位置保持不變，8為擴束器，光源發出的準直光經擴束器后始終以45°傳遞到鏡面4，且二者位置固定，之后沿－Y方向經過5再沿－Z方向經過6，沿X方向傳遞到7進行聚焦。電機1帶動整個光路沿X方向移動實現焦點在X方向的改變，電機3帶動5、6、7沿Y方向掃描，電機2帶動6、7沿Z方向掃描，總體實現了在Y、Z平面掃描，不同X深度聚焦。本文設計的光路運動切割系統硬件結構如圖3所示，以工控機、運動控制卡為核心，通過轉接板將驅動器連接至運動控制卡，共分為X、Y、Z三軸。每軸包括獨立的驅動器、直線電機、光柵尺、霍爾傳感器以及光電開關。

3.2切割軌跡設計

切割軌跡主要為實現光束聚焦運動，分為制作角膜切口、撕裂晶狀體前囊膜、晶狀體碎核。其中角膜切口制作只需以一條橫線的形式在不同深度來回掃描即可實現，撕囊及碎核軌跡的實現相對復雜。本文分別為撕囊和碎核制定了適合軌跡。

3.3撕囊軌跡數學模型建立

本文設計的撕囊軌跡類似于彈簧狀，每層皆為圓形，以螺旋形式連續下降。定義撕囊直徑R，高度H，螺旋中層與層的間隔r，完成螺旋周期T，時間t，垂直方向坐標為z軸。將第一層高度定義z=H，最后一層z=0，因此:利用MATLAB對掃描軌跡仿真，得到整個螺旋軌跡如圖4所示。

3.4晶狀體碎核軌跡數學模型建立

人眼晶狀體是上下為曲面的不規則球體，如圖5所示可將其近似分為上層半徑L1的半球，中間層寬度L2高度H的圓柱，下層半徑L3的半球。本文使用螺旋軌跡對其進行切割。軌跡求解如下:掃描半徑L(t)隨時間t均勻變化，螺旋周期T，定義每層最大半徑l(t)，每層間隔m，于是:利用MATLAB仿真得到整個碎核軌跡軌跡如圖6所示。

4實驗結果

由于近紅外光在透明及半透明組織中具有較好穿透性，本文采用一種1030nm納秒激光器進行實驗，又由于其功率較低不足以切割眼球，所以使用熔點較低的透明塑料(厚度2mm)為樣品模擬切割實驗。將材料固定在聚焦透鏡(焦距10cm)正前方10cm處。系統初始化后將撕囊、碎核軌跡數組導入，平面鏡帶動光路運動實現激光不同位置掃描。撕囊、碎核實驗結果如圖7所示。為驗證此實驗平臺能夠實現在樣品內部聚焦，控制Z軸在撕囊過程中不斷向前運動，總前進1mm。實驗結果如圖8所示，左側為掃描一圈，右側為掃描三圈。通過光學相干斷層成像(OCT)［12］對其進行斷層成像，掃描一圈與三圈效果對應如圖9(a)、(b)所示，可以看出掃描三圈切割深度達到樣品中間位置，而掃描一圈只在表面有效果。

5結論

本文在當前激光輔助白內障手術的背景下，通過分析其手術過程，設計了一套激光三維掃描切割光路運動系統。通過電機帶動平面鏡運動的方式實現了激光在樣品不同位置聚焦，具有實現方式簡潔，結構緊湊的特點。為其中較為復雜的撕囊、晶狀體碎核制定了相應的切割軌跡。使用透明塑料為樣品進行模擬切割實驗，實驗結果表明此實驗系統能夠實現定點軌跡切割。此外，由于實驗中采用的納秒激光器功率不足，能量低所以無法進行眼組織切割，在OCT斷層圖像中可看出聚焦效果不理想。所以下一步需選用合適功率的激光器進行眼球切割實驗，減小聚焦斑點直徑以及在深度方向的切割作用提高精度。

作者：沈超逸 張來峰 范立成 單位：蘇州大學機電工程學院