一种应用于眼科Nd:YAG激光治疗机的调焦光学系统

【作 者】孟凡强，边自鹏,，袁艳阳 ，王延群

1 天津迈达医学科技股份有限公司，天津市，300384 2 天津市眼科医学设备技术工程中心，天津市，300384 3 中国医学科学院生物医学工程研究所，天津市，300192

一种应用于眼科Nd:YAG激光治疗机的调焦光学系统

【作 者】孟凡强1,2，边自鹏1,2,3，袁艳阳1,2，王延群1

1 天津迈达医学科技股份有限公司，天津市，300384 2 天津市眼科医学设备技术工程中心，天津市，300384 3 中国医学科学院生物医学工程研究所，天津市，300192

该文设计了一种调节YAG激光焦点的光学系统，可以避免YAG激光手术时的人工晶体损伤。调焦光学系统采用扩束镜原理，采用螺线凸轮和蜗杆作为调节装置，使YAG激光的焦点在目标靶组织上在－500 μm ～+500 μm范围内前后移动。

调焦；Nd:YAG激光治疗机；眼科

0 引言

眼科Nd:YAG激光治疗机利用激光光致分裂效应，将激光射入到眼前节组织。激光具有非常高的功率密度，在眼前节组织产生等离子爆破，产生冲击波，分裂或者切割眼前节的组织，从而达到治疗各种眼前节疾病的目的。目前临床上其主要应用于眼科晶状体囊膜切开术、虹膜切开或切除术，主要治疗后发性白内障[1]，青光眼[2]等眼前节疾病。其中后发性白内障是白内障更换人工晶体手术后的一种常见的并发症[3]，是导致患者白内障术后视力再度下降的主要原因之一。眼科Nd:YAG激光作为治疗后发性白内障的重要手段，已在临床上广泛地使用，治疗方法简便、快捷、有效。但术后会产生一些并发症，其中激光爆破时产生的人工晶体损伤是比较常见的并发症，为此本文设计了一种调节YAG激光焦点的光学系统，可以使YAG激光聚焦在目标靶组织上的焦点前后定量地移动，操作者可以选择不同的焦点位置，避免YAG激光手术时人工晶体的损伤。

本文设计了一种调节YAG激光焦点的光学系统，使YAG激光的焦点在目标靶组织上可以前后地移动，移动范围为-500 μm ～+500 μm。

1 设计原理

调焦光学系统可以使YAG激光进行扩束的同时，在裂隙灯显微镜焦面不变的情况下，使靶组织上的YAG激光焦点可以前后地移动。通过裂隙灯显微镜清晰地观察靶组织时，可以前后调节YAG激光在靶组织上的焦点位置，从而可以降低人工晶体处的功率密度，避免人工晶体的损伤。本文设计的调焦光学系统采用扩束镜光学原理，通过改变透镜L1的位置，实现激光焦点在裂隙灯显微镜焦面上地前后移动，移动距离为±500 μm，±400 μm，±300 μm，±200 μm，±100 μm，其调节装置采用螺线凸轮和蜗杆，光路图如图1所示。

图1 调焦光学系统的光路图Fig.1 The optical path of focused optical system

YAG激光从透镜L1端入射，入射口径3 mm，输入的激光波长为1 064 nm。光学系统由4组透镜组成，其中：L1和L2透镜的曲率半径相同；L3为组合透镜，包括一个平凸透镜，一组双胶合透镜；L4为裂隙灯显微镜的组合聚焦物镜。激光从左侧入射，依次经过透镜L1、L2、L3、L4，然后聚焦成一点。L1、L2和L3三组透镜组成一个用于激光扩束的扩束镜，移动透镜L1，改变透镜L1和L2之间的距离，实现激光焦点在焦面处地前后移动。透镜L1向左移动，激光焦点向右移动，L1向右移动，激光焦点向左移动，如图2所示。

图2 焦点移动的示意图Fig.2 The diagrammatic sketch of focus movement

L1透镜移动的范围为2 mm，激光焦点的移动范围为－500 μm ～+500 μm，L1透镜每移动0.4 mm，激光焦点移动100 μm，激光焦点与L1透镜移动距离变化的曲线图如图3所示。

图3 透镜L1与激光焦点的变化曲线Fig.3 The curve of lens L1 movement distance with laser focus

2 实验结果

激光通过裂隙灯显微镜的聚焦物镜后，被聚焦成一个十几微米的光斑，由于光斑太小，并且焦点移动的范围特别小，无法使用现有的光斑分析仪找到其焦点的位置，所以采用间接的方法来进行验证。通过螺线凸轮和蜗杆移动镜片L1，蜗杆每转动30o，带动螺线凸轮旋转，螺线凸轮带动镜片L1移动0.4 mm。测量出镜片L1的移动距离，根据光学参数，依次应用光路的基本公式[4]，计算出焦点的移动距离。

式（1）～（4）中：I—物方光线与法线夹角；I'—像方光线与法线夹角；n—物方折射率；n'—像方折射率；U—物方倾斜角；U'—像方倾斜角；L—物方截距；L'—像方截距。

根据透镜L1移动距离的测量值，如表1所示，通过软件编程计算焦点的移动距离，如表2所示。

表1 透镜L1的移动距离Tab.1 The movement distance of lens L1

表2 激光焦点的移动距离Tab.2 The movement of Laser focus

从表2中可以看出，根据L1透镜的实际的移动距离计算出来的焦点的移动距离与设计值基本一致，但是由于焦点的移动距离是根据光路基本公式计算出来的，没有考虑机械和光学加工等误差，下面进行误差分析。

L1透镜移动是通过螺线凸轮和蜗杆实现得到，实物如图4所示。

图4 试验装置Fig.4 Experiment device

3 误差分析

通常光学镜片的曲率半径加工精度都很高，所以只考虑机械和光学加工的线型误差，并且考虑加工成本，一般选取光学镜片的厚度误差为±0.2 mm[5]，机械加工误差为±0.3 mm[6]。综合考虑，线型误差取为±0.3 mm。任意选取透镜的厚度或者透镜的间隔距离，在±0.3 mm误差的范围内变化时，评价其对焦点的移动距离的影响。L1和L2透镜间的距离为变化距离，不考虑其误差的变化。选取L2和L3镜片之间的距离作为变化量，通过公式（1）～（4）计算100 μm时的焦点的移动距离，它与机械误差的关系如图5所示。

图5说明，当L1和L2透镜间的距离从－0.3 mm到+0.3 mm变化时，100 μm处焦点的移动距离在92.4 μm到92.6 μm之间变化，其变化量非常小，所以计算结果是可以接受得。

图5 焦点的移动距离与机械误差的变化曲线Fig.5 The curve of laser focus movement and mechanical error

图6 焦点的移动距离与机械误差的变化曲线Fig.6 The curve of laser focus movement and optical thickness error

选取透镜L1的厚度作为变化量，计算100 μm时的焦点的移动距离。变化曲线见图6。图6说明，当L1透镜的厚度从－0.3 mm到+0.3 mm变化时，100 μm处焦点的移动距离在92 μm到92.7 μm之间变化，其变化量非常小，所以计算结果可以接受。

4 结论

本文设计了一种应用于眼科Nd:YAG激光治疗机的调焦光学系统，采用扩束镜光学原理，通过改变中间镜片的位置，实现激光焦点在裂隙灯显微镜焦面上的前后移动，采用螺线凸轮和蜗杆作为调节装置，实现镜片的移动。测量L1镜片的移动距离，通过光路公式计算出焦点的移动距离，其结果比较符合预先的理论设计。由于焦点移动的距离与其焦距相比非常小，没有实际地测量出焦点的移动距离，而是通过L1镜片的移动距离间接的计算出焦点的移动距离，所以与实际结果相比有一定的误差。但通过透镜之间的距离和透镜厚度的误差分析，可以知道其变化量对焦点的移动距离的影响非常小，所以可以认为通过间接法计算出的焦点的移动距离是可以被采用得，其结构完全可以应用于眼科Nd:YAG激光治疗机。

[1] 宁玲. Nd:YAG激光在后发性白内障的临床应用[J]. 医学理论与实践, 2015, 28(7): 925-927.

[2] 李兰骄, 王茜. Nd:YAG激光虹膜周边切除术治疗原发性闭角型青光眼疗效评价[J]. 激光杂志, 2015, 36(5): 52-55.

[3] 钟海彬, 李敏, 杨珂. YAG激光后囊膜切开术所致并发症的临床分析[J]. 广西医科大学学报, 2009, 26(4): 612-613.

[4] 李晓彤, 岑兆丰. 几何光学像差光学设计[M]. 第二版. 杭州: 浙江大学出版社, 2007.

[5] 沃伦, J.史密斯. 现代光学工程[M]. 第四版. 北京: 化学工业出版社, 2011.

[6] 国家质量技术监督局. GB/T 1804-2000, 一般公差: 未注公差的线性和角度尺寸的公差[S].

Focusing Optical Applied System to Nd: YAG Laser Disruptor for Ophthalmology

【 Writers 】MENG Fanqiang1,2, BIAN Zipeng1,2,3, YUAN Yanyang1,2, WANG Yanqun1
1 MEDA Co. Ltd, Tianjin, 300384 2 Tianjin Engineering Research Center of Medical Equipment for Ophthalmology, Tianjin, 300384 3 Biomedical Engineering Institute, Chinese Academy of Medical Science, Tianjin, 300192

In this paper, we design an optical system that can adjust YAG laser focus, and it can avoid the damage of intraocular lens in the YAG laser surgery. Focusing optical system uses beam expander principle, uses the spiral cam and the worm as adjust part, which can move YAG laser focus from －500 μm to +500 μm on the target tissue.

focusing, laser disruptor, ophthalmology

R779.63

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.006

1671-7104(2017)06-0412-03

2017-03-13

天津市科技计划项目（14ZCDZSSY00034）

孟凡强，E-mail：meng-fanqiang@hotmail.com

王延群，E-mail：wangyanqun-2008@163.com