第二章　準分子雷射儀的工作原理 / 第一節　準分子雷射儀治療屈光不正的工作原理

第一節　準分子雷射儀治療屈光不正的工作原理

(一)準分子雷射產生的機理及氬氟混合氣體雷射的特性
"Excimer"這個名詞是由Excited-Dimer兩個字結合而成，原意是“被激發的兩分子”。Dimer所指的是惰性氣體和鹵素兩種元素。基態下的惰性氣體原子，其電子殼層全部被填滿，故化學性能比較穩定，不可能和其他原子結合成為穩定的分子，但是當它們受到激發時，由於電子被激發到更高軌道上而打破最外層的滿殼層電子分佈時，則可和另一原子形成一個短壽命的分子，這種處於激發態的分子被稱為受激準分子，簡稱準分子。不同的惰性氣體和鹵素的短暫的結合混合物於解離時會釋放出不同波長的準分子。主要有三種：ArF，193nm；KrF，249nm；XeF，351nm。現在用於臨床的氬氟(ArF)混合物產生的193nm波長的超紫外冷雷射，其光子能量很大，與生物組織作用時發生的不是熱效應而是光化效應，使細胞組織氣化，但對周圍組織無影響。
(二) 準分子雷射的概念
所謂準分子雷射，是指受激二聚體所產生的雷射。之所以稱為準分子，是因為它不是穩定的分子，是在雷射混合氣體受到外來能量源的激發所引起的一系列物理及化學反應中曾經形成但轉瞬即逝的分子，其壽命僅為幾十毫微秒，準分子雷射是一種氣體脈衝雷射，因諧振腔內充入不同的稀有氣體和鹵素氣體的混合物而有不同波長的雷射產生。波長範圍為157∼353nm。



眼球的總屈光力是＋58.64D，而角膜的屈光力為＋43.05D，占總屈光力的70％，其中角膜前面的屈光力是＋48.83D，其後面的屈光力為－5.88D，角膜組織的屈光力是0.10D，由此可見，眼球的屈光力主要決定於角膜，而角膜的屈光力主要決定於其前表面的折射力(彎曲半徑)，因此改變角膜前表面的彎曲半徑以矯正眼球屈光力不僅是可行的而且是有效的，並且是一個較容易被操縱的可變參數。
雷射屈光性角膜手術所用的工作氣體為ArF，所產生的是193nm的準分子雷射，它是一種超紫外線光波，每一發雷射到組織時，可以使組織分子氣化，因此它的準確度非常高，而且因為它是一種冷雷射，所以對於被照射部位旁邊的組織不產生熱效應，靠著這種準確的氣化，可以把眼角膜精確的切去一層，但對角膜的構造不會產生不良的效應。

圖2-1　眼光線聚焦點示意圖
A. 正視　B. 遠視　C. 近視
(三) 準分子雷射矯正屈光不正的原理
首先要知道屈光不正主要是由於眼球前後徑過長、過短，或者由於角膜和晶體的屈光力過強或過弱所致，使從遠處來的平行光線進入眼內經過屈光介質聚焦後的焦點，位於視網膜之前、之後或形成多個焦點，因而成像不清(圖2-1)。

常用氬氟兩種氣體混合產生的波長為193nm紫外光矯正屈光不正，其原理是通過準分子雷射光脈衝準確地擊中細胞的分子鍵，每脈衝移除0.2μm之深度，以校正角膜的曲率，達到重塑角膜彎曲度的目的：例如角膜中央部分被削薄，可以得到凹透鏡的效果(治療近視)(圖2-2)；周邊部被削薄，中央保留，則可造成凸透鏡的效果(治療遠視)(圖2-3)；橢圓形的切割(治療散光)(圖2-4)，均可使光線聚焦於視網膜上，而重獲清晰的”裸眼視力”。

圖2-2　準分子雷射治療近視眼

圖2-3　準分子雷射冶療遠視眼

圖2-4　準分子雷射治療散光
目前，準分子雷射屈光手術又分兩種術式, 一種為PRK(參見圖0-1)是去除角膜上皮後直接以雷射照射角膜表面，改變角膜弧度；另一種為LASIK(圖2-5)，它是結合準分子雷射與板層角膜手術，是一種新的改良手術，它利用全自動微角膜板層切開刀將角膜上方l/4∼1/3的厚度處平整切開直徑8.5mm的角膜瓣，然後將角膜瓣掀起，保留角膜上皮以及前彈力層，經過雷射照射在其餘2/3∼3/4角膜內層，再將角膜瓣蓋回，角膜即可自行癒合。

圖2-5　LASIK術式
A.製作角膜辦　
B.準分子雷射照射角膜基質層　
C.角膜瓣恢復原位
(四)準分子雷射屈光性角膜手術的發展史及臨床驗證審批條件
1. 1983年，哥倫比亞大學的M.D.Stephen Trokel以及IBM的Srinivasan首先提出以雷射治療近視的構想，並在動物角膜上開始試驗。
2. 1987年Trokel等人運用IBM公司發明用以切割晶片的“準分子雷射”於眼角膜上，開始在美國實驗，運用準確計量的準分子雷射直接氣化眼角膜的一部分組織，以達到矯正眼角膜曲度的目的。
3. 90年代初，美國FDA開始PRK的臨床實驗，開啟了近代雷射近視手術之先河。
4. 經過數年的實驗追蹤之後，在1995年10月FDA正式批准PRK手術可以治療600度以內的近視，400度以內的散光。
5. 自1995∼1999年，美國FDA又相繼批准了1200度以內近視，600度以內散光和600度以內遠視的治療。
6. 中國於1993年首先在北京開始應用，台灣也於1996年通過人體實驗而正式核准使用。
7. 1990年，Dr Pallikaris Buratto, Galvis和Dr Ruiz結合ALK的技術與先進雷射設備而發明瞭LASIK。

美國FDA的審批條件：
對於美國FDA來講，LASIK的批准必須符合以下四個作為“治療有效”的條件：
1 如果術前最好的眼鏡矯正視力(BSCVA)達到20/20或更好，手術後3個月時裸眼視力(UCVA)達到20/40或更好的病人百分比是：
>85％，若術前< －7.0D近視;
>50％，若術前> －7.0D近視。
2 術前預計可矯正度數與術後3個月時相差±1.00D的病人百分比是：
>85％，若術前< －7.0D近視；
>50％，若術前> －7.0D近視。
3 術後3個月時達到穩定屈光度(±1.00D)的病人百分比是：
>95％，若術前< －7.0D近視；
>75％，若術前> －7.0D近視。
4 對於散光的矯正，術後3個月時還有±1.00D或更少散光的病人百分比是：
>80％，若術前< 3.0D散光；
>65％，若術前> 3.0D散光。
除以上治療有效條件以外，FDA還要求以下五個安全條件：
1 在穩定後，BSCVA減退多於兩行視力的病人百分比應小於5％；
2 在穩定後，若術前BSCVA是20�20或更好，術後BSCVA少於20�40的病人百分比應小於1％；
3 6個月以後，由於瘢痕而致BSCVA減退多於兩行視力表的眼百分比應小於1％；
4 由於手術引起的大於2.00D散光的眼百分比應小於5％；
5 併發症在少於1％的病人中出現。




(五)準分子雷射的生物學特性

準分子雷射的生物學特性包括：
雷射與生物組織相互作用後，雷射的參數(如波長、功率、能量、相干、偏振等)可能發生變化，生物組織的性質(如理化性質、形態和機能等)也可能改變。從廣義上說，凡雷射和生物組織相互作用後所引起的生物組織方面的任何改變，都稱為雷射的生物效應。
準分子雷射與生物組織作用時發生的不是熱效應，而是光化反應。所謂光化反應，是指組織受到遠紫外光雷射作用時，會斷裂分子之間結合鍵，將組織直接分離成揮發性的碎片而消散無蹤，對周圍的組織則沒有影響。

準分子的光能量幾乎完全被角膜上皮細胞、Bowman´s膜和基質吸收。英國Marshall用氬氟準分子雷射對動物角膜作光解切除，並進行了超微結構檢查，實驗發現光解切口邊界清晰，周圍無熱損傷現象。

193nm的氬氟準分子雷射有許多特點適合應用於角膜屈光手術。其每一個脈衝具有高達6.4eV的能量，這個能量遠超過結合分子碳和碳鍵的結合能量3.5eV，因此光子可以打斷分子之間的結合鍵，將組織分離成揮發性的碎片，此波長的，雷射吸收範圍極窄，大約介於3.7∼3.9μm之間，也就是超過這個範圍的組織不會吸收到雷射，每一發雷射可以切削0.2∼0.25μm厚度的生物組織，而且每次之一致性良好，不會有忽深忽淺的情況產生，因此，切割深度和雷射發射數目成正比。由於雷射的整個脈衝只有10∼20μs，因此其熱擴散效應非常小，周圍僅有0.3∼0.8μm的組織會受到傷害。

另外，由於電磁波對於角膜的穿透力隨著波長的縮短而減少。在400nm以下，穿透力減至零。故193nm波長的遠紫外線導致無角膜穿透力。因此對於眼球內部的組織沒有任何不良副作用。

準分子雷射切削角膜的能力，具有超細微的精密度和超細微的損傷程度。193nm波長遠紫外光只產生很少的熱效應，從而對周圍組織損傷限制在很小的範圍。
而且，還提供了特別平滑的切削平面。切削速度約為每個脈衝0.25μm，相當於頭髮絲的1�200(圖2-6)及紅細胞的1�28。儘管這種遠紫外線產生的熱效應非常少，但也不等於零，每個雷射脈衝的切削面上會造成小於1μm的微小損傷。因此準分子雷射要比任何其他眼科雷射精確50∼1000倍。雷射脈衝頻率可以增加，但熱能和切削產生的羽煙散逸需要一些時間。

圖2-6　準分子雷射在頭髮絲上切割圖
(六)準分子雷射治療系統的基本結構及相關參數
準分子雷射器的基本結構(圖2-7)準分子雷射器目前大多數屬氣體雷射器，其雷射腔的工作物質(如氟化氬)須用高壓電能作為激勵源來激發，即實現粒子由反分佈並在腔內形成激光振盪，從而向外輸出雷射。由於所用電壓高達幾千伏特，因此，必須在外層用金屬板進行嚴密遮罩，以防電流洩漏出現危險。所以，平時所見的準分子雷射器看起來幾乎是個黑匣子一樣。實際上，雷射頭裝置就處於這一黑匣子的心臟部位，由雷射腔和雷射電極組成。

圖2-7　準分子雷射器系統的光學組成和途徑
雷射能量輸出有兩個決定因素，這就是雷射工作氣體的新鮮度和雷射腔內所加的電壓。工作氣體將隨著雷射脈衝的產生而要逐漸損耗。當能量密度較低時，雷射腔內的電壓會升高。一旦電壓達到最高值，就必須做氣體更換，即在雷射腔內重新充人新鮮的工作氣體。較高的電壓也有改善光束均勻性的好處，因此，通常在雷射腔內要維持高的電壓，同時，通過在光路中的濾光片或減弱光束能量來控制能量密度，嚴格來講，從每個雷射器中輸出的雷射能量都不是穩定的。因此，必須經常地作重新校準。重新校準在光束輸出中，不僅在數量上而且在質量上都是十分重要的。

電源要求：需專用電源線路，並保證接地良好。
雷射作用於人體(目標)的總能量和作用面積之比稱為能量密度(雷射的劑量)，即
Js=J�S=P × t�S=Ps × t(J�cm2)
雷射的能量密度就是作用於切削區單位面積上的雷射能量大小。現在常用的幾種準分子雷射系統為100∼250mJ�cm2，如：
VISX=160mJ �cm2
Summit=180∼200mJ�cm2
Keratom=250 mJ�cm2
Technolas=130 mJ�cm2
Nidek=130 mJ�cm2
瞭解雷射能量密度的重要性在於能夠確定每個雷射脈衝所切除的角膜組織量。能量密度決定了切削速度，根據當時能量密度的高低，由計算機程式對任一屈光矯正量計算出需要使用的雷射脈衝數。瞭解每個脈衝所傳輸的精確能量值，有助於確定治療結果的可預見性。當能量密度低至50mJ�cm2時，只有很小的切削效果；當能量密度達到120 mJ�cm2時，切削的效果才出現穩定。隨著能量密度的增加，脈衝之間穩定性也增加，光束的質量也得到提高。增大能量密度，雖然改善了光束的均勻性，但卻伴隨著雷射能量的熱效應增加，光能損失增加，有聲響的沖擊波也增加。
光束的均勻性又可分為微觀均勻性和宏觀均勻性。微觀均勻性反映的是光束能量密度的變化。如一眼科常用的可見波段雷射，其光束能量密度分佈均勻是中心區高(為峰值區)，周邊區則低(為穀值區)；宏觀均勻性可由峰值與谷值比率來表示，它是指雷射能量密度的分佈形狀。
(七) 手術前對機器狀態的評估與測試內容
由於準分子雷射系統目前均為氣體脈衝式雷射，因此，具有相對不穩定性，所以，術前應將機器調整至最佳狀態，醫生應對機器的狀態進行檢查驗收後，才能進行手術治療。一般對機器狀態的評估應包括以下幾個方面：1能量狀態。2能量的穩定性。3光斑的均勻度。4光斑的位置，但各種機型有其各自的方法進行測試。
以VISX Star S2 機的系統校準為例：
1打開預混合氣和氦氣瓶閥門。
2插入鑰匙，順時針方向旋轉，按系統啟動按鈕。
3預熱10分鐘，施行自我測試。
4檢查照明、校準平臺、腳踏開關和氣體吸引器是否功能良好。
5施行Fluence測試。
6施行球鏡校準。
＊使用5.0mm的孔，將一鏡片分別放在0o和90o位置讀取數值並將數值輸入系統。
＊註明：如果所讀取的2個數值不同，但< 0.25D，取2個讀數的平均值作為最後結果；如> 0.25D，要與銷售雷射器系統的公司聯系。
7施行柱鏡校準 使用5.00mm的孔，拿一鏡片並讀取數值，輸入系統。
8在校準平臺上，放一紅色校準平臺Extension Block施行第一步平面校準：
用小型放大鏡檢查切割，確認寬度為5.9+0.1；
＊用球鏡檢測器評估透鏡；
＊在透鏡閱讀螢幕上輸入0；
＊校準平臺上移去紅色校準台Extension Block。
9施行第二步平面校準
＊使用4.0mm孔，拿一鏡片並讀取數值，輸入系統。
10施行遠視校準
＊使用5.00mm孔，拿一鏡片並讀取數值，輸入系統。
＊選定中心並在卡片的白色部分執行中心測試，校驗光束位於中心(相當於以十字線為中心的，6.00mm圓圈)。
(八) 雷射器對人體危害的分級
在各種類型的雷射器中，由於它們的輸出水平各不相同，因而對人體的危害程度也是各不相同的。一般均採用美國放射衛生局(BRH)所制定的＜雷射器產品性能標準＞，把現有的雷射器劃分為四級標準。
1第一級雷射器──無害免控雷射器　在這一級的使用過程中，對人體沒有任何危險，用眼睛直視雷射光束，也不會損害眼睛。所以對於第一級的雷射器不需要任何保護措施。
2第二級雷射器──低功率雷射器　這一級雷射器的雷射，用眼偶爾看一下，還不至於造成損傷，但要避免長時間的直視雷射光束，否則可能對視網膜造成傷害。
3第三級雷射器──中功率雷射器　可分為：第三(A)級和第三(B)級。
A級──可見雷射不會傷害人眼(除非長時間注視雷射或者用雙筒鏡之類的光學儀器，把光聚焦於人眼)。
B級──在直射人眼或鏡面反射入眼時，會傷害眼睛，但其雷射光束的漫反射一般都沒有危險。
4第四級雷射器──大功率雷射器　它發出的雷射不但其直射光束和鏡面反射光束對人體有害，就是它的漫反射光也足以給人的眼睛造成永久性的傷害；還可能引起火災及燒傷皮膚等。