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激光眼组织切割系统设计实验

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摘要:针对医生手工进行白内障手术,病人术后视力恢复效果取决于医生手术熟练度的问题,提出了一种激光眼组织切割光路运动系统。系统采用直线电机带动平面镜运动的形式改变光路,利用聚焦透镜实现激光对样品单点切割。建立了白内障手术中碎核、撕囊扫描轨迹的数学模型,通过MATLAB仿真验证扫描轨迹数学模型的正确性。最后以透明塑料为样品模拟眼球实验,结果表明此系统可以实现给定轨迹切割,为激光眼组织切割设备研发提供了一种新方案。

关键词:白内障手术;光路运动;手术轨迹;数学模型

1引言

白内障手术是目前世界范围内最常见的外科手术,每年约有1900万例[1-2]。完成白内障手术的主要步骤为医生手工切割角膜、晶状体前囊膜,以及使用超声乳化术去除晶状体,重新植入人工晶状体[3-6]。由于手术过程为医生手工操作,可能会产生囊膜撕裂,以及超声乳化能量使用过多其热效应伤害周边组织等问题。飞秒激光在聚焦到生物组织时会产生单点光致破裂现象,通过自动化激光切割设备辅助白内障手术已成为替代人工手术的一种新方法。研究表明相较于医生手工操作,飞秒激光切割辅助白内障手术可有效解决这些问题[7-8]。当前激光辅助白内障设备主要依赖国外进口,国内相关研究尚处于起始阶段。爱尔康公司的F•拉克希等利用XY扫描仪实现激光在水平面不同位置扫描,增量式Z扫描仪实现不同深度位置聚焦,此方法由于在水平面与深度方向采用两个独立模块控制,导致水平面与深度方向同步切割实现较为困难,通过透镜组移动改变聚焦深度的Z扫描仪设计非常复杂[9]。汪礼锋等利用1040nm激光搭建的光纤型激光扫描系统,通过二维扫描振镜与一维平移台实现了眼睛的三维切割[10]。这种方式虽然能够实现三维切割,但在实际应用时来回移动切割物体改变聚焦深度存在切割精度低,速率慢的问题,且光纤传输会损失激光能量。为了提高切割效率、减少光能量损耗,本文设计了一种空间型光路运动激光扫描实验系统,并为撕囊、晶状体碎核步骤设计了相应的扫描轨迹,该系统无需移动样品即可实现样品的三维切割。

2设计指标及方法

激光辅助白内障手术系统应竟可能小型化、轻量化。因此,需要根据眼组织切割位置要求,合理布局结构。人眼结构如图1所示,角膜及晶状体尺寸如表1所示。白内障手术主要主要目的是切开角膜,取出晶状体,由此确定最终激光切割系统工作空间为12mm×12mm×10mm。在单位面积内,随着光功率密度提高生物组织会产生光热、光致破裂等作用,随着高功率密度的光扫描样品即可实现对指定位置处的切割。实现对于样品不同位置扫描主要分为以下形式。1)样品位置固定,光路固定,激光器移动;2)激光器及样品固定,光路移动;3)光路移动,激光器及样品固定。在白内障手术中人体质量较大,来回移动人体切割不同眼组织位置显然会带来运动速度慢、精度低的问题。激光器本身质量也比较大,将其快速移动同样有速度慢、精度低的问题。光学器件一般质量轻、体积小,方便快速控制其位置变化以达到光路运动切割样品的目的。

3光学系统硬件结构与切割轨迹设计

3.1光路及控制系统硬件结构设计

根据上述分析,本文采用光路运动的形式实现三维空间内样品不同位置切割。总体结构如图2所示,其中1、2、3为三块互相垂直放置的直线电机,4、5、6分别对应镜面与X、Y、Z方向呈45°的平面镜,7为聚焦透镜,6与7之间固定位置保持不变,8为扩束器,光源发出的准直光经扩束器后始终以45°传递到镜面4,且二者位置固定,之后沿-Y方向经过5再沿-Z方向经过6,沿X方向传递到7进行聚焦。电机1带动整个光路沿X方向移动实现焦点在X方向的改变,电机3带动5、6、7沿Y方向扫描,电机2带动6、7沿Z方向扫描,总体实现了在Y、Z平面扫描,不同X深度聚焦。本文设计的光路运动切割系统硬件结构如图3所示,以工控机、运动控制卡为核心,通过转接板将驱动器连接至运动控制卡,共分为X、Y、Z三轴。每轴包括独立的驱动器、直线电机、光栅尺、霍尔传感器以及光电开关。

3.2切割轨迹设计

切割轨迹主要为实现光束聚焦运动,分为制作角膜切口、撕裂晶状体前囊膜、晶状体碎核。其中角膜切口制作只需以一条横线的形式在不同深度来回扫描即可实现,撕囊及碎核轨迹的实现相对复杂。本文分别为撕囊和碎核制定了适合轨迹。

3.3撕囊轨迹数学模型建立

本文设计的撕囊轨迹类似于弹簧状,每层皆为圆形,以螺旋形式连续下降。定义撕囊直径R,高度H,螺旋中层与层的间隔r,完成螺旋周期T,时间t,垂直方向坐标为z轴。将第一层高度定义z=H,最后一层z=0,因此:利用MATLAB对扫描轨迹仿真,得到整个螺旋轨迹如图4所示。

3.4晶状体碎核轨迹数学模型建立

人眼晶状体是上下为曲面的不规则球体,如图5所示可将其近似分为上层半径L1的半球,中间层宽度L2高度H的圆柱,下层半径L3的半球。本文使用螺旋轨迹对其进行切割。轨迹求解如下:扫描半径L(t)随时间t均匀变化,螺旋周期T,定义每层最大半径l(t),每层间隔m,于是:利用MATLAB仿真得到整个碎核轨迹轨迹如图6所示。

4实验结果

由于近红外光在透明及半透明组织中具有较好穿透性,本文采用一种1030nm纳秒激光器进行实验,又由于其功率较低不足以切割眼球,所以使用熔点较低的透明塑料(厚度2mm)为样品模拟切割实验。将材料固定在聚焦透镜(焦距10cm)正前方10cm处。系统初始化后将撕囊、碎核轨迹数组导入,平面镜带动光路运动实现激光不同位置扫描。撕囊、碎核实验结果如图7所示。为验证此实验平台能够实现在样品内部聚焦,控制Z轴在撕囊过程中不断向前运动,总前进1mm。实验结果如图8所示,左侧为扫描一圈,右侧为扫描三圈。通过光学相干断层成像(OCT)[12]对其进行断层成像,扫描一圈与三圈效果对应如图9(a)、(b)所示,可以看出扫描三圈切割深度达到样品中间位置,而扫描一圈只在表面有效果。

5结论

本文在当前激光辅助白内障手术的背景下,通过分析其手术过程,设计了一套激光三维扫描切割光路运动系统。通过电机带动平面镜运动的方式实现了激光在样品不同位置聚焦,具有实现方式简洁,结构紧凑的特点。为其中较为复杂的撕囊、晶状体碎核制定了相应的切割轨迹。使用透明塑料为样品进行模拟切割实验,实验结果表明此实验系统能够实现定点轨迹切割。此外,由于实验中采用的纳秒激光器功率不足,能量低所以无法进行眼组织切割,在OCT断层图像中可看出聚焦效果不理想。所以下一步需选用合适功率的激光器进行眼球切割实验,减小聚焦斑点直径以及在深度方向的切割作用提高精度。

作者:沈超逸 张来峰 范立成 单位:苏州大学机电工程学院

激光眼组织切割系统设计实验责任编辑:张雨    阅读:人次