一种检测角膜激光切削阈值的装置【技术领域】
本发明涉及激光眼科手术技术领域，特别是涉及一种检测角膜激光切削阈
值的装置。
【背景技术】
过去十年，由于有着精确的切削精度和最小化的副作用效果，飞秒激光眼
科手术领域发展十分迅速，有着广阔的临床应用前景，在实际手术中已经应用
的包括飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术。为了取得最好的手
术效果，手术中使用的飞秒激光脉冲能量需要尽可能地接近而略高于角膜激光
切削阈值。精确的实时测量飞秒激光角膜切削阈值对于手术应用具有非常迫切
的应用需求。
目前常用的测量飞秒激光角膜切削阈值方法是通过激光诱导等离子体光信
号测量角膜激光切削阈值，其原理为在和切削激光垂直方向使用光电倍增管来
监测激光诱导等离子体光信号，逐渐增加入射切削激光能量的同时监测激光诱
导等离子体光信号是否出现，当激光诱导等离子体光信号出现时所对应的入射
切削激光能量就是阈值时的激光能量。该方法由于探测光信号在切削光平行方
向，可以实际应用到手术中，但是存在测量是否准确的问题。由于在实际手术
中，和角膜直接紧密接触的光学部件的切削阈值和角膜的切削阈值非常接近，
而且人角膜本身的厚度又只有半毫米，因此很有可能出现由于精密聚焦的偏差
而把光学部件的切削阈值当作角膜的切削阈值，即将激光聚焦在和角膜直接紧
密接触的光学部件中测量得到阈值误以为是角膜的切削阈值。
因此，迫切需要研发出一种可以应用于实际手术中的检测角膜激光切削阈
值的装置，能准确地测量飞秒激光角膜切削阈值，而不会将在实际手术中和角
膜直接紧密接触的光学部值件的切削阈值和角膜的切削阈相混淆。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种可以应用于实际手术中的检测角膜激
光切削阈值的装置，能准确地测量飞秒激光角膜切削阈值，而不会将在实际手
术中和角膜直接紧密接触的光学部件的切削阈值和角膜的切削阈值相混淆。
本发明采用如下技术方案：
一种检测角膜激光切削阈值的装置，所述装置包括样品模块(100)、激光
模块(200)、激光诱导等离子体信号采集模块(300)、二次谐波信号采集模块
(400)和数据处理模块(500)；
所述激光模块(200)产生的激光光源照射到样品模块(100)的样品上产
生激光诱导等离子体信号和二次谐波信号，激光诱导等离子体信号采集模块
(300)采集所述激光诱导等离子体信号，二次谐波信号采集模块(400)采集
所述二次谐波信号；
所述激光模块(200)、激光诱导等离子体信号采集模块(300)和二次谐波
信号采集模块(400)分别和数据处理模块(500)电连接，数据处理模块(500)
接收激光诱导等离子体信号采集模块(300)和二次谐波信号采集模块(400)
采集的信号，将激光诱导等离子体信号出现前、二次谐波信号降低时的测量得
到的阈值作为角膜激光切削阈值。
进一步地，所述激光模块(200)包括沿激光光路依次设置的激光器单元
(201)、入射激光光强调节装置(202)、扩束器(203)、分光镜(204)和第一
汇聚透镜(205)；激光器单元(201)发出的激光经过入射激光光强调节装置(202)
进行连续地从弱到强地调节，再经过扩束器(203)对入射激光光束进行直径展
宽，经过分光镜(204)后的激光光束通过第一汇聚透镜(205)汇聚到样品模
块(100)的样品上；
所述激光诱导等离子体信号产生在所述第一汇聚透镜(205)的聚焦焦点处。
进一步地，所述激光器单元(201)包括3个激光器：Nd:glass飞秒激光器、
Yb:KYW飞秒激光器和Nd:YAG皮秒激光器。
进一步地，所述入射激光光强调节装置(202)由半波片和偏振片组成。
进一步地，所述第一汇聚透镜(205)为数值孔径0.12、放大倍数5倍的汇
聚透镜。
进一步地，所述激光诱导等离子体信号采集模块(300)包括依次设置的第
一光电倍增管(301)、二次谐波滤波片(302)和第一近红外滤波片(303)；
所述第一汇聚透镜的聚焦焦点处产生的激光诱导等离子光经过分光镜后，
经过第一近红外滤波片遮挡在激光诱导等离子体信号传输光路上的激光光束，
再经过二次谐波滤波片遮挡在激光诱导等离子体信号传输光路上的二次谐波信
号，最后被第一光电倍增管采集其中的激光诱导等离子体信号。
进一步地，所述二次谐波信号采集模块(400)包括依次设置的第二光电倍
增管(401)、窄带滤波片(402)、第二近红外滤波片(403)和第二汇聚透镜(404)；
所述第二汇聚透镜(404)的聚焦焦点处产生所述二次谐波信号，二次谐波
信号经过第二近红外滤波片(403)遮挡在二次谐波信号传输光路上的激光光束，
再经过窄带滤波片(402)滤除其余信号，最后被第二光电倍增管(401)采集。
进一步地，所述第二汇聚透镜(404)为数值孔径0.40、放大倍数20倍的
汇聚透镜。
进一步地，所述样品模块(100)包括上下两层玻璃载玻片和中间夹持的角
膜样品。
进一步地，所述分光镜(204)用于折射激光和透射第一汇聚透镜(205)
的聚焦焦点处产生的激光诱导等离子光。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的装置可以应用于
实际手术中，能准确地测量飞秒激光角膜切削阈值，而不会将在实际手术中和
角膜直接紧密接触的光学部件的切削阈值和角膜的切削阈值相混淆。本发明通
过同时测量激光诱导等离子体光信号和角膜组织对飞秒激光所产生的二次谐波
信号，由于二次谐波信号只会由角膜产生，不会由在实际手术中和角膜直接紧
密接触的光学部件所产生，杜绝了将在实际手术中和角膜直接紧密接触的光学
部件的切削阈值和角膜的切削阈值相混淆的问题。
【附图说明】
图1是本发明实施例提供的检测角膜激光切削阈值的装置结构框图；
图2是本发明实施例提供的检测角膜激光切削阈值的装置的光路图；
图3是采用本发明实施例进行角膜激光切削阈值检测的测量原理图；
图4是采用本发明实施例进行角膜激光切削阈值检测的示波器信号图；
图5是采用本发明实施例进行角膜激光切削阈值检测的测量结果图。
附图标记如下：
100-样品模块；200-激光模块；201-激光器单元；202-入射激光光强调节装
置；203-扩束器；204-分光镜；205-第一汇聚透镜；300-激光诱导等离子体信号
采集模块；301-第一光电倍增管；302-二次谐波滤波片；303-第一近红外滤波片；
400-二次谐波信号采集模块；401-第二光电倍增管；402-窄带滤波片；403-第二
近红外滤波片；404-第二汇聚透镜；500-数据处理模块。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实
施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅
仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此
之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明附图中，如无特别提示，单箭头代表激光光路，实线双箭头代表激
光诱导等离子光路，虚线双箭头代表二次谐波信号光路。
本发明实施例提供了一种检测角膜激光切削阈值的装置，通过同时监测激
光诱导等离子体光信号和角膜组织对飞秒激光所产生的二次谐波信号来检测角
膜激光切削阈值。如图1所示，该装置包括样品模块100、激光模块200、激光
诱导等离子体信号采集模块300、二次谐波信号采集模块400和数据处理模块
500。其中样品模块100包括上下两层玻璃载玻片和中间夹持的角膜样品，数据
处理模块500可以是计算机或者类似的装置。
激光模块200产生的激光光源照射到样品模块100的样品上产生激光诱导
等离子体信号和二次谐波信号，激光诱导等离子体信号采集模块300采集激光
诱导等离子体信号，二次谐波信号采集模块400采集二次谐波信号；激光模块
200、激光诱导等离子体信号采集模块300和二次谐波信号采集模块400分别和
数据处理模块500电连接，数据处理模块500接收激光诱导等离子体信号采集
模块300和二次谐波信号采集模块400采集的信号，将激光诱导等离子体信号
出现前、二次谐波信号降低时的测量得到的阈值作为角膜激光切削阈值。
下面对该检测角膜激光切削阈值的装置的具体结构做进一步说明，请参考
图2所示，激光模块200包括沿激光光路依次设置的激光器单元201、入射激光
光强调节装置202、扩束器203、分光镜204和第一汇聚透镜205；本实施中激
光器单元201包括3个超快激光系统：Nd:glass飞秒激光器、Yb:KYW飞秒激光
器和Nd:YAG皮秒激光器，提供从800飞秒到20皮秒的激光脉宽变化范围。激
光器发出的激光经过入射激光光强调节装置202进行连续地从弱到强地调节，
再经过扩束器203对入射激光光束进行直径展宽，从而使得激光光束可以完全
充满后面的第一汇聚透镜205的孔径。然后，经过分光镜204折射后的激光光
束通过第一汇聚透镜205汇聚到样品模块100的角膜样品上；激光诱导等离子
体信号产生在第一汇聚透镜205的聚焦焦点处，也即第一汇聚透镜205在把激
光光束汇聚到角膜样品的同时还收集在其聚焦焦点处产生的激光诱导等离子体
信号。其中：入射激光光强调节装置202由半波片和偏振片组成，第一汇聚透
镜205为数值孔径0.12、放大倍数5倍的汇聚透镜。
如图2所示，激光诱导等离子体信号采集模块300包括依次设置的第一光
电倍增管301、二次谐波滤波片302和第一近红外滤波片303；第一汇聚透镜205
的聚焦焦点处产生的激光诱导等离子光经过分光镜204透射后，经过第一近红
外滤波片303遮挡在激光诱导等离子体信号传输光路上的激光光束，再经过二
次谐波滤波片302遮挡在激光诱导等离子体信号传输光路上的二次谐波信号，
最后被第一光电倍增管301采集其中的激光诱导等离子体信号。
如图2所示，二次谐波信号采集模块400包括依次设置的第二光电倍增管
401、窄带滤波片402、第二近红外滤波片403和第二汇聚透镜404；第二汇聚
透镜404的聚焦焦点处产生二次谐波信号，也即第二汇聚透镜404用来收集角
膜样品在其聚焦焦点处产生的二次谐波信号。然后，二次谐波信号经过第二近
红外滤波片403遮挡在二次谐波信号传输光路上的激光光束，再经过窄带滤波
片402滤除其余信号，最后被第二光电倍增管401采集。其中，第二汇聚透镜
404为数值孔径0.40、放大倍数20倍的汇聚透镜。
下面对本发明的原理做详细说明：定义和激光光束照射到角膜样品上同方
向的光路为入射光路，和该激光光束逆转180度方向的光路为反射光路。则在
反射光路上的第一近红外滤波片303和二次谐波滤波片302用来保证在这一光
路只有等激光诱导离子体信号被第一光电倍增管301采集。在入射光路上的第
二近红外滤波片403和窄带滤波片402用来保证在这一光路只有二次谐波信号
被第二光电倍增管401采集。测量原理如图3所示，激光诱导等离子体光信号
在入射激光的光强达到阈值以后出现，随着入射光强的增强而增强。角膜所产
生的二次谐波信号在入射激光的光强达到阈值之前就会产生，在入射激光的光
强达到阈值时，由于聚焦焦点处的角膜组织被等离子体化而消失，二次谐波的
信号反而减小，成为明显的阈值到达的标志。结合这两种信号随入射激光光强
增加而产生的不同变化趋势，就可以精确地确定角膜组织的激光切削阈值。由
于二次谐波信号只会由角膜组织产生，所以通过监测此信号可以确定激光是聚
焦到角膜组织，由于在阈值时刻产生了切削效果，激光聚焦焦点处的角膜组织
被等离子体化而消失，二次谐波信号强度会变小，就可以准确地确定角膜的激
光切削阈值。
本发明提供的装置通过采集激光诱导等离子体信号的同时采集角膜所产生
的二次谐波信号，结合这两种信号来准确地确定角膜的激光切削阈值。而现有
的测量飞秒激光角膜切削阈值的方法是通过激光诱导等离子体光信号测量角膜
激光切削阈值，容易把在实际手术中和角膜直接紧密接触的光学部件的切削阈
值和角膜的切削阈值相混淆，即把光学部件中测量得到阈值误以为是角膜的切
削阈值。由于在实际手术中和角膜直接紧密接触的光学部件的切削阈值和角膜
的切削阈值非常接近，而且人角膜本身的厚度仅有半个毫米，因此仅仅通过测
量激光诱导等离子体信号就确定角膜阈值的方法很有可能出现由于精密聚焦的
偏差而把光学部件的切削阈值当作角膜的切削阈值，即激光聚焦在和角膜直接
紧密接触的光学部件中而测量得到阈值误以为是角膜的切削阈值，并且不容易
被发现测量时出现了错误。
具体应用：
本发明提供的检测角膜激光切削阈值的装置可用于激光眼科手术，尤其适
用于飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术。
实验验证：
我们根据本发明搭建了实验装置进行实验验证。实验时采用三种超快激光
系统用作实验光源，提供从800飞秒到20皮秒的激光脉宽变化范围。输入激光
的光强能够在其他实验参数(例如激光聚焦焦点大小)不变的情况下实现连续
可调。采用新鲜猪角膜样品固定在由电脑控制的三维调整架上进行实验。通过
聚焦透镜和滤光片，在焦点位置的信号光被光电倍增管采集。
如图4所示，在示波器屏幕上从上到下有三个信号：上方的第一个信号代
表一个单脉冲激光信号；中间的第二个信号代表从角膜产生的二次谐波信号；
下方的第三个信号代表激光诱导等离子体信号。采用本发明的装置，同时监测
二次谐波信号和激光诱导等离子体信号，当入射激光的强度从远远小于角膜阈
值开始连续地逐步增强，激光诱导等离子体光信号在入射激光的光强达到阈值
以后出现，随着入射光强的增强而增强。角膜所产生的二次谐波信号在入射激
光光强达到阈值之前就会产生，在入射激光的光强达到阈值时，由于聚焦焦点
处的角膜组织被等离子体化而消失，二次谐波的信号反而减小，成为明显的阈
值到达的标志。结合这两种信号随入射激光光强增加而产生的不同变化趋势，
就可以精确地确定角膜组织的激光切削阈值。当入射激光脉宽为800飞秒、1.6
皮秒、3皮秒和20皮秒时，在角膜内部测量的激光切削阈值结果如图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发
明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。