准分子激光与飞秒激光在眼科中的应用

准分子激光

虽然1980年起先后有人尝试应用激光的热效应(CO2,Ho:YAG)等使角膜皱缩、形状变化矫正各类屈光不正,但激光在视觉矫正领域真正得到广泛应用的是准分子激光(excimer laser)技术。

20世纪美国的Stephen Trokel医师观察到Nd:YAG激光能够切开后发障的后囊膜使视力改善,即开始尝试应用各种激光使角膜重塑,最终发现准分子激光(excimer laser)可以精确地作用于角膜而对周围组织几乎无损伤(1983年)。准分子激光由氟与氩(ArF)受激而成,处于紫外光谱。此种高能量的激光通过直接的光化学作用使细胞的分子键断裂,包括吸收、断键和切削等过程,因此也称光切削或光消融(photoablation)过程。波长为193nm的准分子激光具有足够的能量(6. 4eV),足以使组织内分子键(主要是角膜胶原肽链中的碳-碳和碳-氢键,3. 6eV)断开,形成微小碎片并挥发,而被切削后的角膜组织表面光滑、透明。1983年,Trokel和Krueger共同对激光的能量和脉冲等特性进行了更深入的研究,进一步证实每个脉冲可以切削角膜组织约0. 25μm深度的角膜基质而无热效应。

1985年德国的Theo Seiler医师首先将准分子激光应用于人眼,Munnerlyn博士根据预计矫正屈光度设计计算了角膜切削公式,提出了切削深度t与切削的直径S的平方及预矫正屈光度D的关系,即t=S2D/3。由于当时放射状角膜切开术盛行,准分子激光最早尝试垂直切开试图代替钻石刀,但效果不理想,而准分子激光精确的水平切削组织可改变角膜表面形状,因此形成了角膜表面切削,即准分子激光表面切削术也称光性屈光性角膜切削术(photorefractive keratectomy,PRK)。此后,应用准分子激光治疗各类近视、散光和远视等屈光不正的手术方式在世界各地迅速展开。

由于PRK是在角膜表面切削,手术后因角膜上皮的缺损和前弹力层的缺失可能会造成手术后患者的疼痛和角膜上皮下混浊(haze)等副作用的出现。1990年Pallikaris和Buratto借鉴40年前Barraquer板层切开的做法,研究出先制作一板层角膜瓣膜(类似ALK技术)而角膜瓣膜带蒂非游离,手术中先将角膜瓣掀开,再应用准分子激光切削,取代以往ALK中的板层切除,然后将角膜瓣膜覆盖并复位。这样,一方面保护了角膜上皮,避免了手术后因角膜上皮的暂时缺失而引起的疼痛以及较明显的角膜反应如手术后可能出现的haze等,同时准分子激光的切削确保了手术的精确性,此即准分子激光角膜原位磨镶术(laser in situ keratomileusis,LASIK),该手术的设计和改进极大地提高了角膜屈光手术的安全性和精确性,使接受该类手术矫正屈光不正的人群迅速增加,因此可以说是角膜屈光手术一个非常重要的里程碑。

1999年,意大利Massimo Camellin医师综合PRK手术和LASIK手术的各自优势,利用稀释的乙醇(20%)松解角膜上皮制作上皮瓣,取代原来PRK的机械法去除上皮的方法,掀开上皮瓣然后在其下行准分子激光照射和切削,然后将上皮瓣膜复位,称为准分子激光角膜上皮瓣下磨镶术(laser epithelial keratomileusis,LASEK)。以后为避免乙醇可能对组织的毒性,在此基础上利用机械刀制作上皮瓣,形成机械法准分子激光角膜上皮瓣下磨镶术(epipolis laser in situ keratomileusis,Epi-LASIK)。此类手术方式的出现一方面使手术的适合人群有所扩大(例如角膜厚度偏薄的患者),同时,由于为表层手术(surface ablation),不需要做角膜板层纤维的切开和切断,保证了角膜的生物力学较少的受到破坏,加之可以更多的保留角膜基质床厚度,避免或减少圆锥角膜的发生,因此使手术远期的安全性有所提高。

与此同时,角膜板层瓣膜的制作在机械性角膜板层刀的基础上也在不断改进,如有平推方式和旋转方式,也有应用其他技术,如水化角膜刀(hydrokeratome)即应用水喷射技术劈开角膜板层而非真正切割等方式。后来发展应用飞秒激光脉冲技术进行角膜板层的光爆破和裂解,进行角膜瓣膜的制作,从而使角膜屈光手术真正进入全激光治疗时代。

现代屈光手术需要的不仅是手术安全、精确及较少的手术中并发症,还希望具有较少的手术后并发症。不仅要提高视力,而且希望手术后视觉质量不被减弱或破坏。为了解决准分子激光切削手术后引发的高阶像差增加、视觉质量下降特别是夜间视力障碍等光学并发症问题,在Bill和Liang实现了可以较精确测量影响人眼视觉质量的高阶像差不久,1999年Theo Seiler医师应用此技术做了第一例由人眼波前像差引导(wavefront-guided)的角膜屈光手术,同时提出了个性化切削的概念(customized ablation),即根据每位患者眼部特点个性化设计手术,有针对性地进行切削。此间,还先后产生了针对角膜形态特点的角膜地形图引导(topograph-guided)手术、减少手术源性球差的非球面性切削、以角膜非球面Q值为基础的Q值引导的角膜屈光手术等多种根据人眼个性特点设计进行的个体化角膜激光手术,使此类手术后的视觉质量有了明显的改善和提高。而飞秒激光技术的出现和应用更是为角膜屈光手术带来了新的转机和飞跃。

飞秒激光

20世纪90年代初,一种新型的超短超快激光——飞秒激光(femtosecond laser,FS)出现并开始应用于各个领域。飞秒激光是一种以超短脉冲形式运转的近红外激光。1飞秒等于千万亿分之一秒(1×10-15秒)。如此快的脉冲激光很少将热量和振动传导至周围组织,从而较少引起周围组织的损伤。该激光的革命之处在于可以进行精确到0. 1mm的精细切开。

飞秒激光应用原理是利用其极短的脉冲宽度,较小的光脉冲能量就可以获得极高的峰值功率以及具有极强聚焦能力,可以在生物组织内完成精确的切割。1995年飞秒激光开始被用于软组织的切割。1997年美国密歇根大学以Juhasz为首的研究小组完成了首台眼科飞秒激光原型的设计,2000年美国食品与药物管理局(FDA)批准飞秒激光用于角膜板层手术,2001年开始出现第一台商用的飞秒激光机,最早主要应用于屈光不正矫正手术中制作角膜板层瓣,即飞秒激光辅助下的准分子激光角膜原位磨镶术(FS-LASIK)。随着技术的发展,开始出现应用飞秒激光扫描形成角膜基质透镜并取出,取代原有的准分子激光消融基质的手术,被称为全飞秒激光手术。起初手术方式类似于LASIK手术,利用飞秒激光分别制作一角膜瓣和基质透镜,掀瓣后取出透镜,瓣膜复位,称作飞秒激光角膜基质透镜取出术(femtosecond lenticule extraction,FLEx)。后来,取消了瓣膜,仅留一小切口,将由飞秒激光扫描形成的透镜从切口取出,称为飞秒激光小切口角膜微透镜取出术(small incision lenticule extraction,SMILE)。

SMILE手术从某种意义上讲,是众多手术的结合体。手术基础是磨镶术,原理是类似机械法的ALK,治疗手段是借助现代的激光技术,飞秒激光扫描形成类似FLEx的透镜,重要的是没有了角膜瓣膜,而是透镜的直接取出。它与FLEx及LASIK等手术有本质的不同,由于该手术无角膜瓣制作,避免了一系列因制作角膜瓣引起的手术并发症,同时也避免了手术后因外伤等引起的角膜瓣移位及生物力学稳定性受影响等术后安全隐患,使其安全性大大提高,加之手术中不暴露角膜基质床,飞秒激光穿透透明角膜组织进行扫描及透镜成型代替准分子激光的切削,使手术的精确性和可预测性也有了明显提高。因此,从某种意义上讲,“SMILE”手术是多种角膜屈光手术设计理念的结合,也是现代科技发展的重要结晶,它的出现标志着角膜屈光手术“微创”时代的到来。

综上所述,角膜屈光手术的发展既是保留和延续原有手术原则又是不断创新、不断技术革命的过程,在此过程中,不断融入了当代科学技术的最新成果,使既往诸类手术不断改进、不断发展并使之趋于完善并创造出新型手术方式,飞秒激光角膜屈光手术就是此发展的结果。有关飞秒激光的基础理论、临床应用等详见有关章节。

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