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      【前沿】飛秒激光在視覺矯正領域的潛在應用

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      自十三世紀中期中期人類首次使用眼鏡進行視力矯正以來,科學家們一直在尋找更好的方法來矯正人類的視力。而隨著激光的發明,人們很快認識到激光技術有可能成為視力矯正的有效手段。

      超短脈沖激光的產生和進步大大促進了激光微加工和非線性光學的發展。極短的激光脈沖和材料相互作用的時間很短,這種獨特的冷加工過程避免了材料表面的熱融化現象,消除了長脈沖激光加工中熱效應帶來的諸多負面影響。

      此外,飛秒激光在透明材料內發生的多光子吸收過程經過專門的設計和控制,能夠精確的用于材料局部折射率改性,這種手段已經成為人類視覺矯正的潛在手段。


      早期應用

      早在1999年,人們已經能夠將脈沖能量在2-4微焦的飛秒激光聚焦到角膜基質區來對角膜瓣進行微加工。飛秒激光在角膜上產生切口后,通常的處理方法有兩種:

      1. 制作角膜瓣,掀開角膜瓣,用準分子激光進行組織汽化,切削角膜基質,這個過程稱為激光輔助原位角膜磨鑲術(laser-assisted in situ keratomileusis, LASIK)。

      2. 還有一種方法是不制作角膜瓣,直接在在角膜中上加工出透鏡狀結構,通過小切口取出透鏡,這種方法被稱為(Small incision lenticule extraction, SMILE)。


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      圖1. LASIK手術過程


      飛秒激光屈光手術由于其高精度和可控性在眼科醫學領域被迅速采用推廣,成為借助傳統的機械刀片的Lasik手術之后,目前最為先進的屈光手術方式。

      值得注意的是,盡管LASIK手術取得了巨大成功,但迄今為止,只有大約2%的屈光不正患者實際進行了LASIK手術。顯然人們對于去除性質的矯正手段仍持保守態度,更加“微”創,不涉及組織切割的矯正手段具有巨大的潛在市場。

      飛秒激光在進行工業微加工時通常使用遠高于材料損傷閾值的峰值功率將材料進行氣化,從而達到塑型加工的目的。而如果將飛秒激光的峰值功率控制在材料損傷閾值以下某值時,特別是針對透明材料,能夠引起局部折射率的變化。實驗證明,只需納焦耳量級的飛秒激光即可實現這一效果。

      因此基于這種材料改性過程,微創甚至無創視覺矯正研究在基礎研究領域獲得了不錯的進展。


      隱形眼鏡

      隱形眼鏡的制造廠商一直在尋求以更加經濟的手段生產通用性更強、功能更強大的產品。這些廠商不得不長期保持20000種以上的不同鏡片庫存(不同曲率、像散和柱鏡軸的組合)以滿足不同人群的需求,即便如此為了生產適合用戶的隱形眼鏡,廠商仍需要定制的特殊工具和較長的定制周期。

      而引入飛秒激光材料改性的手段,能夠在水凝膠(hydrogels, 用來生產隱形眼鏡的材料)內“加工”出相位截斷的菲涅爾型折射率矯正結構。這種方法的優勢在于無需特殊的定制工具就能夠生產出適合用戶的高質量隱形眼鏡,屈光度范圍可以達到-9.5 to +5D。

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      圖2. 利用飛秒激光加工出菲涅爾透鏡的隱形眼鏡照片(放置在玻璃材料的人工角膜上)


      研究發現,這種改性效應幾乎是永久性的,在5年尺度內仍可以保持高質量的屈光效果,見圖3。


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      圖3. 飛秒激光在水凝膠內的改性過程經過5年依然保持幾乎同樣的效果


      人工晶狀體

      隨著年齡的增長,人類的晶狀體由于長期的化學和物理變化,在很多情況下導致視力模糊。這種病癥通常被稱為白內障。

      目前發達的醫療手段能夠通過外科手術移除舊的混濁晶狀體并用新的聚合物晶狀體替換它,白內障患者能夠快速有效的獲得視力恢復。這種方法雖然有效,但常見的光學矯正誤差可能高達±0.5D,這可能是由于晶狀體在嵌塞時的位置偏差、晶狀體后囊收縮或者僅僅是由于手術誤操作。

      上述的飛秒激光在水凝膠內的光學相移效果同樣可以應用于人工晶狀體的設計和加工。研究發現,飛秒激光能夠在晶狀體內引起水的規律移動,從而獲得相移結構。目前實驗已經成功在體外人工晶狀體中實現該操作,同時在植入兔眼的人工晶狀體中也獲得了很好的結果,相信不遠的將來該技術就可以應用于人眼矯正手術中。

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      圖4. (a)人工晶狀體中的結構刻畫; (b)測量矯正后的波陣面得到的結果符合預期


      角膜定向直寫

      有了在人工晶狀體中的經驗,研究人員同時也計劃利用飛秒激光在人眼晶狀體中直接生成菲涅爾型透鏡結構。最初的實驗是在貓眼中得到的,該實驗需要像LASIK手術一樣對角膜進行預處理,利用飛秒激光進行直寫后,貓眼中出現肉眼可見的薄氣泡層,標明了菲涅耳透鏡的寫入位置(如圖5),該氣泡層在10到20分鐘內消散,同時留下清晰的折射率結構。通過測量反射波前的誘導折射校正,研究人員發現該方法矯正效果在活貓中超過18個月依然是穩定有效的。

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      圖5. 利用405nm, 80MHz的飛秒激光在貓眼中寫入菲涅爾透鏡結構。

      (a)直寫后貓眼立即可見一薄層氣泡層,在10至20分鐘后清除;

      (b)在氣泡清除后,眼睛顯示出清晰的屈光結構,這種屈光矯正在活貓體內穩定至少18個月



      進一步研究該直寫機理發現,在飛秒激光束激發組織后,角膜基質中的膠原纖維與細胞外基質混合,在具有較高折射率的致密區域形成了新的結構。顯然,活體很難將角膜結構恢復到原來的形式,因此,這種改變是穩定的??上驳氖茄芯咳藛T在人體尸體組織實驗中得到了同樣有效的結果,下一步將開發設備用于人體臨床測試。


      參考文獻:

      [1] https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-54/issue-03/features/nonlinear-optics-femtosecond-lasers-and-nonlinear-optics-new-approaches-solve-old-problems-in-ophthalmology.html

      [2] T. Juhasz et al., IEEE J. Select Topics Quantum Electron., 5, 4, 902–910 (1999).

      [3] G. A. Gandara-Montano et al., J. Vis., 17, 7, 38 (Jun. 2017).

      [4] G. A. Gandara-Montano et al., Opt. Mater. Express, 7, 9, 3162–3180 (2017).


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