Alternativen zur Femtosekundentechnologie

Zusammenfassung

Hintergrund

Femtosekundenlaser werden im Rahmen der refraktiven Hornhautchirurgie u. a. zur Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK)-Flaperzeugung, zur Dissektion von Lentikeln und zur Astigmatismuskorrektur eingesetzt.

Fragestellung

Femtosekundenlaser sind komplex und teuer, und die Schnittpräzision ist durch die große Länge des Laserfokus bei den üblicherweise verwendeten Infrarot (IR)-Wellenlängen begrenzt. Basierend auf Untersuchungen der Schneidedynamik werden neuartige Ansätze zur Dissektion mittels UVA-Pikosekundenpulsen und Ringfoki aus Vortexstrahlen vorgestellt.

Material und Methode

Blasenbildung im Hornhautstroma wird hochgeschwindigkeitsfotografisch mit 1–50 Mio. Bildern/s untersucht. Die Energie für leichte Ablösbarkeit des Flaps wird mit UVA-Pulsen bei Pulsdauern zwischen 200 und 850 ps für Gauß- und Vortexstrahlen an porcinen Korneae ermittelt und die Schnittqualität elektronenmikroskopisch dokumentiert. Schneideparameter für 850 ps werden auch für Kaninchenaugen berichtet. UV- und mechanische Belastung für Gauß- und Vortexstrahlen werden abgeschätzt.

Ergebnisse

UVA-Pikosekundenlaser liefern eine bessere Schnittpräzision als IR-Femtosekundenlaser, bei ähnlich kurzer Bearbeitungszeit. Die Schneideenergie vermindert sich um > 50 % bei Verkürzung der Pulsdauer auf 200 ps. Vortexstrahlen produzieren einen kurzen, ringförmigen Fokus und ermöglichen somit effizientes und präzises Schneiden entlang der Hornhautlamellen. Dies reduziert die erforderliche absorbierte Energiemenge, mögliche mechanische Nebenwirkungen und die Blasenbildung in der Schnittebene.

Schlussfolgerungen

Die Kombination der neuartigen Ansätze zur Hornhautdissektion eröffnet die Möglichkeit, Femtosekundenlaser durch kompakte UVA-Mikrochiplasertechnologie zu ersetzen. Ringfoki können auch die Femtosekundenlaserchirurgie verbessern, insbesondere bei Lentikelexzision.

Abstract

Background

In refractive corneal surgery femtosecond (fs) lasers are used for creating LASIK flaps, dissecting lenticules and for astigmatism correction by limbal incisions.

Objectives

Femtosecond laser systems are complex and expensive and cutting precision is compromised by the large focal length associated with the commonly used infrared (IR) wavelengths. Based on investigations of the cutting dynamics, novel approaches for corneal dissection using ultraviolet A (UVA) picosecond (ps) pulses and ring foci from vortex beams are presented.

Methods

Laser-induced bubble formation in corneal stroma was investigated by high-speed photography at 1–50 million frames/s. Using Gaussian and vortex beams of UVA pulses with durations between 200 and 850 ps the laser energy needed for easy removal of flaps created in porcine corneas was determined and the quality of the cuts by scanning electron microscopy was documented. Cutting parameters for 850 ps are reported also for rabbit eyes. The UV-induced and mechanical stress were evaluated for Gaussian and vortex beams.

Results

The results show that UVA picosecond lasers provide better cutting precision than IR femtosecond lasers, with similar processing times. Cutting energy decreases by > 50 % when the laser pulse duration is reduced to 200 ps. Vortex beams produce a short, donut-shaped focus allowing efficient and precise dissection along the corneal lamellae which results in a dramatic reduction of the absorbed energy needed for cutting and of mechanical side effects as well as in less bubble formation in the cutting plane.

Conclusion

A combination of novel approaches for corneal dissection provides the option to replace femtosecond lasers by compact UVA microchip laser technology. Ring foci are also of interest for femtosecond laser surgery, especially for improved lenticule excision.