專利名稱：激光能量輸出的動態腔外控制的制作方法
技術領域：
本發明涉及使激光能量輸出保持在預定限度內的一種控制系統。
本發明提供一種簡單、精確和價廉的系統和方法用于降低從脈沖激光器發射出的脈沖至脈沖之間的能量變化，這種系統和方法尤其對用在外科系統的脈沖激光器，保持它的能量輸出在相當接近的容限之內是有益的。
激光器用在眼科學和其它外科專業已有二十五年以上的歷史，迄今他們的成功應用，部分是基于外科醫生具有能用激光外科裝置以一種減少或在某些情況下不再需要長期住院的方式完成各種處理的能力;部分是基于激光裝置具有在透過激光的組織內產生深度組織機能損害的能力，相比于慣用的非激光處理有明顯的較小的外傷或損傷，而且這種處置能以一種預期的方式進行。
眼科學家是把激光廣泛用于外科中的第一批專家。在傳統上，他們避免把激光射到太靠近敏感的組織處，因為在該處一個誤射的光脈沖，或者過量的激光脈沖有可能導致不希望的，甚至不可挽回的損傷。一種用于減小與誤置照射有關的不準確性的方法記載1990年2月6目提交的，由本發明的受讓人給出的美國專利申請U.S.No.475，657中。
本發明論述一種為限制與不希望的脈沖至脈沖的能量變動有關的損傷所用的方法和系統。
由一個激光脈沖造成組織破裂的程度其預示性在很大程度上取決于該激光脈沖的能量輻度和分布。由于認識到監視和控制激光脈沖能量變化的需要，美國器件和輻射健康中心(CDRH)和美國食品和藥物管理中心(FDA)已建立用于激光發射和可重復發射的脈沖變化的容限，以及在每次激光外科處置之前測試激光發射的方法的標準和準則。FDA要求觸發少量的試驗脈沖，并進行取樣，對激光在進行給定的外科處置之前對其性能進行評估。
用于表征激光發射特性的一種常用的技術是，對大量脈沖的總的發射進行測量，如果能量的平均量和平均偏差位于預定值的預定容限之內，那么可以認為該器件滿足規定的要求。換言之，這些方法視標準或平均偏差是否超過最大的脈沖至脈沖的偏差。在實際中所用的一個典型的標準是脈沖至脈沖能量的變化為20%。
在光致破裂技術中，對生物組織或任何其它種類材料的損傷通常是與有多少能量從激光脈沖傳遞到材料成比例的。
如果能量值遠遠超過能量密度和輻照度閾值，由20%脈沖變化所引起的損害大小的不同可能不到20%，符合一般的比例規律。然而，如果處置工作是在剛超過損傷閾值的某一值上進行。那么，甚至由20%或以下的的脈沖變化所引起的損傷損害大小的不同可能約為300%至400%，或更高一些。
采用嚴格的平均型標準的缺點是，對一系列激光脈沖來說低的平均容值可能得到滿足，但仍然存在著有害的大的最大值脈沖能量偏差。如上概述，大的脈沖至脈沖能量起伏可能造成人體組織內可觀的和不希望的損害。作為這種損傷的例子是，在進行角膜屈光手術時由準分子激光器所產生的非一般大的單脈沖可能造成的內皮細胞的損失。在該例子中，從角膜的前表面上脫落處向后傳布到角膜內的壓力波可能變得相當強大致使內皮細胞機能障礙，在某些情況下導致視覺缺損。
其它的例子是用激光進行后部晶狀體囊切開術，對這種眼科醫生把激光對準晶狀體的膜，并用光破裂它。考慮到在美國每年大約有1200萬白內障患者需進行外科手術，而患者中的20%左右需進行這種后部晶狀體囊切開術，因此在進行這種手術中就需要對激光的能量進行完全的和有效的控制。許多制造者的手冊建議外科醫生或使用者從后面把激光射到眼玻璃體內的后晶狀體囊膜上，并且從后面逐步趨近作為目標的膜層，以此來避免在進行白內障手術時任何可能造成的晶狀體凹陷。如果初始激光脈沖對準得太靠后以致不能對到后晶狀體囊上，或者如果所發射的脈沖能量遠遠超過預定的值，那么一個十分強大的壓力波能傳播到玻璃體視網膜交界面，在視網膜上造成足夠大的牽引作用，致使視網膜脫離，這種視網膜脫離是一種采用激光對后晶狀體囊切開手術后通常出現的并發癥。
根據本發明，首次認識到倘若努力去控制激光能量的發射時，激光器的內參數就受到改變，這種參數的變化經常會引入復雜的瞬態變化。這種額定值的偏離常常是非線性的，而存在采用假定迭代減小的辦法來專門建立一組脈沖至脈沖可重復的輸出參數。因此，本發明的重要之點在于激光器的參數不受到調制或控制。只有激光發射，一旦超出共振腔并進入激光系統的發送裝置，就應該將該發射取樣和控制在預定的限度值內。
一種慣用的用于監視和控制外科激光系統中所用激光器的能量發射的方法是(1)把能量探測器放置在共振腔內的反射器后面，(2)取透過反射器傳輸到探測器的規定脈沖數的平均值，(3)依據這種求取的平均值，改變加到激光介質上的能量用以對所發生的變化進行補償。對于準分子激光器，通常可以采用改變使激光介質受激的放電電極上的電壓來取得能量的改變。這種電壓的變化表明其足以使準分子激光器的能量發射的標準偏差，在正常良好的工作情況下，可被限制在10%的平均容差范圍內，對此，可參見美國專利U.S.P.No.4，611，270。這樣一段良好的外科操作條件的持續時間，或者控制最大的脈沖至脈沖的變化對準分子激光器和許多其它激光系統來說是一個未解決的問題。由于改變加到放電電極的電壓可能在激光發射中引起強的非線性變化。因此，提出對這些方法予以改進，使容差進一步降低。
在外科，對激光器的發射需較好控制這一要求是來自需精細地控制組織損傷的要求，對這一點，尤其在眼科手術中更為需要。對外科激光系統，要求該系統在接近介電擊穿閾值處工作，或者依靠由激光感生等離子體分解的結果的產生的向外擴展的沖擊波來產生均勻的激光損害。對此，緊緊地控制激光器的能量發射是實現精確、可預示的、安全的外科手術結果的關鍵之一。光發射的取樣應該是連續的，不限于在手術處置之前的幾個有代表性的脈沖，而需對整個手術處理過程的動態相互作用取樣。
因此，本發明包括動態監測和控制外科手術系統的激光器能量輸出的裝置和方法，以使非常窄的脈沖至脈沖誤差容限可以得到滿意的監控。在一個優選的實施例中，這種監控可以通過放置一個探測器在激光發射裝置的分束鏡的后面來取得，該探測器對從激光外科系統發射的每個激光脈沖的已知的小部分能量取樣，它是完全由激光器本身受激勵出來的能量。用電子學方法對探測器的信號進行放大，并把放大的信號與由操作者預選定的標準所產生的軟件進行比較，以得到兩個被預示的能量值，和可以接收的能量偏差，由計算機程序操作一個可變的衰減器來反復調整輸出直至達到所要求的值。最好是在每個脈沖之后進行校正。在系統對容差不滿意的情況下，對安全斷續器或其它器件可傳送指令，中斷激光束的傳送。因而，該系統可以重新自動連續進行指定的操作步驟。
本發明系統，在使用高功率激光器致使生物組織和其它材料內引起光致組織機體破裂時將提供一種比較均勻的結果。
本發明的目的在于提供一種相當簡單、但是更為精確、正確、安全和可靠的用于激光束供給系統，尤其是激光外科領域的激光能量發射值的控制系統。發明的其它目的，優點和特性將由下述的優選實施例的說明，并結合附圖予以說清楚。
圖1，表示使用本發明的能量監視和控制系統的一個激光束供給系統例子的示意圖。
圖2，表示圖1所示系統的光學部分的示意圖。
圖3，表示可用于本發明系統的一種類型的能量值探測器的示意圖。
圖4至圖8表示在不同情況下，激光能量對所進行的激光射束時間的標繪圖;圖4至圖6表示激光能量沒用到本發明的能量控制系統;圖5至圖7表示激光能量使用本發明的控制系統所取得的控制結果;
圖8表示盡管加上控制而由于超過的能量而使激光發射的終止。
在上述附圖中，附圖1表示一個用于醫學激光外科系統和外科處置的激光發送系統10，在上下文的附圖和對此所作的討論中，所描述的激光外科裝置與眼科有關;然而，其它形式的精密的顯微外科以及精密的工業顯微機械加工也可以利用本發明的原理和系統來完成。
如圖1所示，激光束12由激光源14發射出，在激光器14受到激勵和與其有關的所有激光脈沖成形之后，激光束12通過合適的包括反光鏡16在內的光學元件行進，光束沿著如圖1所示的向上方向的光路行進，直至到達一個光束強度衰減器18。
光束強度衰減器18可以取任何一種形式的，只要它能以相當快的響應時間進行光衰減就可，其響應時間小于1毫秒量級。在本發明的一個優選實施例中，光衰減器18由一種偏振型的衰減器組成，它作用在線偏振激光束12上。由此，衰減器18可以包括一個偏振器20(例如，一個檢偏器)以及一個半波推遲片22。如圖所示，半波推遲片安置在一個轉臺24上，通過轉臺使半波推遲可以被定位到不同的轉動角度以此來增加或減小光的衰減度。在推遲片轉動時，受激光束的偏振面以兩部于推遲片的速度轉動。因此，推遲片22轉動45°就要求偏振面從一個平行方向轉到另一個平行方向，轉動了90°，也就是從全透射轉到了全衰減。眾所周知，偏振器20，在其偏振方向與從推遲片22出來的光束的偏振方向一致時，將基本上100%地透過光強，同樣，可以通過調節半波推遲片22的角度位置把光強進行衰減，可以降到零或接近零的光強度。
由衰減器18出來的激光束12可以通過各種附加的光學元件，如圖1所示，這些元件包括，透鏡組件26用于進行擴束成平行光束12a，反光鏡28、30和分束鏡32、34對平行光束12進行反射和分束，反光鏡30可以是一個可傾斜的光束轉向控制鏡。
需了解，本發明在圖1中所示的光束發送系統僅是一個舉例。在下述的圖3中，表示的本發明的原理是光束發送系統的基本所在。
如圖1所示，經擴束的光12a到達分束器36，由分束器36透射一小部分的光束12b，而將其余部分光反射到位于圖的左上方的一個物鏡組件38，由物鏡38把光束聚焦到一個目標，例如圖1中所示的眼睛40上。
圖2示意表示圖1所述系統的后面部分，具有分束器34和36，以及物鏡組件38用以把聚焦光束定位在眼睛40上，如附圖所指，分束器34和36可以傳輸光到眼睛或傳輸從眼睛返回的光。但是，這些功能和裝置不構成本發明的一個部分，僅僅是作為一般性的表示。
通過分束器36透過的非常低能量的光束部分12b代表激光光束的強度，也就是代表發送到眼睛的光束的能量水平。
在圖1中，光束部分12b射向光強度或能量值傳感器42。該傳感器可以采用任何精確的、快速響應的強度或能量靈敏器件，例如采用由圖3所示的那種。
如圖1(或圖3)中示意的，傳感器42發送一個用直線44表示的電信號到控制器，例如一個微處理器46上，控制器或處理器46采用合適的算法編輯程序用以接收和響應所接收能值的變化，最好進行脈沖至脈沖變化的處理，對此下面將進一步描述。從一個預定的最佳或所需要的值出發對能量輸出變化的預選的容限大小編成程序送入控制器46，由控制器對偏離預置的或所需能值的能值變化作出響應，以公式的形式沿圖示直線48把信號發送到由馬達驅動的轉臺24，來控制驅動1/2波長推遲片22。
圖1和3也表示本發明的其它特性，如果探測到某個激光脈沖偏離預置值，該偏離值超過預選的容限，那么激光器的發射停止，(同樣，如果激光脈沖能量比預置值低得多、激光器發射也停止)。如果探測到在容限之外的激光發射，則微處理器/或控制器46就發出一個信號49，該信號被送到光束開關器50，同時立即在下一個脈沖發射之前擋斷該激光發射。開關器50，例如可包含一種VincentUniblitz開關。
圖3示意一種普通型的積分光強探測器，方框圖中表示本發明的系統。積分球52有一個開孔54，允許小部分光通過該孔，即，以符號56表示的處理光束可進入開孔，該光束在圖1和2中用直線12b表示。由于光束12b可以是一種擴束的光束，所以可以在積分球之前設置一個正透鏡把光束聚焦進入球內。
依據眾所周知的原理，積分球52聚焦和漫射取樣的光，可以用能量監測裝置42來探測經過積分取樣光的強度。能量監測裝置42包括一個光探測器58，例如一個硅光二極管，用以接收通過帶通濾光片60的光，帶通濾光片60是一個窄帶濾光片，它可以專門通過激光光束的波長，而濾掉任何其它外來的光，這種外來光可能從系統所用的照明光源，或從任何其它方式進入系統的非激光光源被引進積分球內。已知，探測器接收近似于與聚焦光56的進入方向成90°的入射光，只在這種情況，光才通過積分球內的第二個孔62。
如圖3所示，來自光探測器58的信號可以進入一個取樣和保持裝置64，放大器66和緩沖器68。然后最終的處理信號44被送入微處理器控制器46。
圖4，5，6，7和8以圖表方式表示激光能量與時間的關系，或激光能量對各次激光發射脈沖的關系。圖4和6表示由NdYAG激光器發出的一系列沒有受到控制的連續脈沖的激光能量。圖4和6所描繪的圖代表不同的瞬間，和表示光能量的不同趨向。在所有的情況下，NdYAG激光器的預置能量為500毫焦耳，圖4至8所示的曲線圖表示本發明的系統受到了實際的控制，下面描述所用的控制算法。
一種適用本發明系統的最佳算法是，為控制的目的，對激光能量的移動平均值進行計算。最好，為了伺服控制，在每次激光發射后，再次計算激光能量的移動平均值。在一種最佳的實施中，使用最后10次光發射，在每次發射后，再次計算激光能量移動平均值。取移動平均值與該系統所需能量或預置能量之間的差。在每次發射之后，用差值量來調節光束的能量(可用上述的衰減器18來調節)。通過調節以對由最后的計算移動平均值所表示的偏移進行補償。
用本發明系統所取得的結果表示在圖5和7中，從這些圖中可見，輸出能量值保持在所需500毫焦耳的閉合的包跡內，起伏通常不超過15%。
圖8示意上述的激光發射的停止特征。在圖8中，激光器的輸出由于出現單脈沖超過每個脈沖的預置限值而由光束開關器50予以關斷，單脈沖出現在立即關斷之前。在該例子中，預置限值定在偏離500毫焦耳所需能量的15%變動處。
上面所述的優選實施例目的在于舉例說明本發明的原理，但是并不限制它的范圍。其它實施例和對上述優選實施例所作的變動，將對本領域的普通的技術人員來說是顯而易見的，并且可以不偏離如下述權利要求的規定的本發明的精神和范圍內進行。
權利要求
1.一種激光光束發送系統，該系統包括一個激光器以及用于對由激光器產生的脈沖激光光束進行脈沖成形參數監控的裝置，其特征是，一個能量輸出傳感器接收一部分來自激光光束發送系統的激光光束能量，該能量輸出傳感器安置在所有與激光器有關的經參數成形的激光脈沖輸出方向上，能量輸出傳感器具有激光器操作期間對激光能量進行不斷監測的裝置，其中包括用于監測脈沖至脈沖間能量與預置的所希望的能量輸出值之間偏差的裝置，一個激光束強度衰減器，設置在能量傳感器的前部光路上，強度衰減器具有改變激光束光強，從而改變通過衰減器的激光束能量輸出的功能，一個控制裝置，用于接收來自激光能量傳感器的信號，并調節激光光束強度衰減器到某一個衰減水準，以響應激光能量的輸出與預置的所希望能量輸出值之間的偏差的傳感。
2.如權利要求1所述的系統，其特征是，控制裝置還包括用于關斷激光發射的裝置，該裝置用在能量傳感器測定到經過衰減器和控制器的激光光束能值沒有保持在預定容限內時關斷激光發射。
3.如權利要求2所述的系統，其特征是，激光束發射的關斷裝置包括，在任何只要接收到單個激光脈中其能值變化超過預置能值的預定容限時就斷開光發射的裝置。
4.如權利要求1的所述系統，其特征是，激光束是線性偏振的，激光束強度衰減器包括一個線性偏振器和一個裝在轉臺上的半波推遲片，旋轉半波推遲片的裝置用于控制響應來自所述控制裝置的信號的激光束的振幅。
5.如權利要求1所述的系統，其特征是，控制裝置依據剛發出的序列脈沖選定激光脈沖數的移動平均值計算的算法進行操作，在每次激光發射之后，取移動平均值和預置的要求值之間的差值，再根據所述的差值量用衰減器對由移動平均值表示的變化進行補償，從而實現光束能量輸出的調節。
6.如權利要求5所述的系統，其特征是，控制裝置還包括在激光傳感器探測到的一個單個激光脈沖其能值與預置能值的偏離超過預定的容限值時斷開激光能量發射的裝置。
全文摘要
一種激光光束發送系統，該系統包括一個激光器以及用于對由激光器產生的脈沖激光束進行脈沖成型參數監控的裝置，其特征是一個能量輸出傳感器接收一部分激光光束發送系統的激光光束能量，還有一個激光束強度衰減器，設置在傳感器前部光路上，用來改變激光束光強，一個控制裝置，用于接收來自激光能量傳感器的信號，并調節激光光束強度衰減器到某一個衰減水準，以響應激光能量的輸出與預置所希望能量輸出值之間的偏差的傳感。
文檔編號H01S3/101GK1069600SQ91105538
公開日1993年3月3日 申請日期1991年8月12日 優先權日1991年8月12日
發明者H·阿爾弗雷德·斯克拉, 杰茲·歐基澤烏斯基, 安德雷·M·里斯特萬 申請人:鳳凰激光系統有限公司