WO2022207900A1 - System for cutting a fabric into portions by generating oblong gas bubbles - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the technical field of surgical operations carried out using a femtosecond laser, and more particularly that of ophthalmological surgery, in particular for applications for cutting out corneas or lenses.
- the invention relates to a device for cutting a human or animal tissue, such as a cornea or a lens, by means of a femtosecond laser source.
- femtosecond laser source we mean a light source capable of emitting a laser beam in the form of ultra-short pulses, the duration of which is between
- 1 femtosecond and 100 picoseconds preferably between 1 and 1000 femtoseconds, in particular of the order of a hundred femtoseconds.
- the femtosecond laser source is an instrument capable of cutting the corneal tissue, for example, by focusing a laser beam in the stroma of the cornea, and by producing a succession of small adjacent gas bubbles.
- a plasma is generated by non-linear ionization when the intensity of the laser exceeds a threshold value, called optical breakdown threshold.
- a gas bubble then forms, causing a very localized disruption of the surrounding tissues.
- the volume actually ablated by the laser beam is very small compared to the disrupted zone.
- the area cut by the laser beam at each pulse is very small, on the order of a micron or ten microns depending on the power and the focusing of the beam.
- a corneal lamellar cut can only be obtained by making a series of contiguous impacts over the entire surface of the area to be cut.
- FIG. 1 The cutting device makes it possible, from a laser beam 11 coming from a femtosecond laser source 1, to generate a plurality of simultaneous laser impact points in a focal plane 101 of the cutting device. As illustrated in Figure 2, each point of impact forms a respective gas bubble 102.
- the cutting device comprises a spatial light modulator 3 (known by the acronym SLM, from the acronym “Spatial Light Modulator”).
- SLM spatial light modulator
- a phase mask is applied to the SLM 3. This phase mask makes it possible to modulate the phase of the wavefront of the laser beam 11 coming from the femtosecond laser source 1 .
- the phase modulation of the wave front makes it possible to delay or advance the phase of the various points of the surface of the beam compared to the initial wave front so that each of these points carries out a constructive interference in N distinct points in the focal plane 101 of the cutting device.
- This redistribution of energy at a plurality of impact points only takes place in a single plane (ie the focal plane of the cutting device) and not all along the propagation path of the modulated laser beam.
- the phase modulation of the wavefront makes it possible to generate a single modulated laser beam 31 which forms a plurality of impact points only in the focal plane 101: the modulated laser beam 31 is unique throughout its path of spread.
- the plurality of simultaneously generated impact points constitutes a pattern.
- the cutting device comprises a scanning device 4, composed of controllable galvanometric mirrors, and/or plates allowing the movement of optical elements, such as mirrors or lenses.
- This scanning device 4 positioned downstream of the SLM 3—allows the modulated laser beam 31 to be moved along a trajectory back and forth along a succession of segments constituting a beam displacement path. Forming thus a horizontal cutting plane 104 comprising a multitude of gas bubbles 102 (cf. FIG. 4).
- the portion of lens located above the horizontal cutting plane can be separated from the portion of lens located below the cutting plane.
- horizontal cutting by picking up the existing tissue bridges 105 between the gas bubbles 102 using a tool.
- a stack 106 of horizontal cutting planes 104 is formed by moving the focal plane of the cutting device (cf. FIG. 5).
- the cutting device comprises an optical focusing device 5 - positioned downstream of the scanning device 4 - composed in particular of one (or more) motorized lens(es) to allow its ( their) translational movement along the optical path of the laser beam modulated by the SLM 3 and deflected by the scanning device 4.
- an object of the present invention is to propose, from the cutting device described in WO 2016/055539, a new technical solution to limit the number of tissue bridges present in each cutting plane. in order to facilitate the dissection operations of the lens C by the practitioner.
- a vertical cutting plane 107 is obtained by producing lines of superimposed gas bubbles in the lens C.
- the laser beam from the laser source is not not phase modulated. With each pulse of the femtosecond laser source, a single point of impact is formed. This point of impact produces a gas bubble.
- By moving the laser beam using the scanning device it is possible to move the point of impact in the focal plane of the cutting device. This makes it possible to produce a succession of small adjacent gas bubbles, which then form a cutting line in the focal plane of the cutting device.
- By moving the focal plane - with the aid of the focusing device - to different positions along the optical path of the laser beam, it is possible to overlap the lines of gas bubbles in order to obtain a vertical cutting plane.
- the inventors have tried to produce vertical cutting planes by implementing the principle of reduction of the points of impact from each pulse of the laser source.
- the inventors determined a phase mask to be applied to the SLM to generate several simultaneous impact points 111 at different depths Z1, Z2, Z3 from a single modulated laser beam (cf. FIG. 8).
- the inventors have therefore developed a new cutting device including a shaping system (to modulate the phase of the wave front of a Gaussian laser beam) and a control unit configured to apply to the shaping system, a axiconic modulation setpoint.
- a shaping system to modulate the phase of the wave front of a Gaussian laser beam
- a control unit configured to apply to the shaping system, a axiconic modulation setpoint.
- Another object of the present invention is to propose a solution to the problem of forming vertical cutting planes in an ocular tissue (such as a cornea or a lens) from the cutting device described in WO 2016/055539.
- the invention proposes an apparatus for cutting human or animal tissue, said apparatus including a femtosecond laser source configured to emit a Gaussian laser beam in the form of pulses and a device for processing the Gaussian laser beam, the device processing device being disposed downstream of the femtosecond laser source, the processing device comprising:
- a shaping system positioned on the trajectory of the Gaussian laser beam, to modulate the phase of the wavefront of the Gaussian laser beam, the shaping system being configured to produce a modulated laser beam from the Gaussian laser beam ,
- an optical scanning scanner arranged downstream of the shaping system to move the modulated laser beam
- the processing device further comprises a control unit for controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanning scanner, and the system focusing optics, in order to produce at least one horizontal cutting plane extending perpendicular to the optical axis, the control unit being configured to:
- a parabolic modulation instruction in order to produce a modulated laser beam of the "Focal Line” type from the Gaussian laser beam, said modulated laser beam of the "Focal Line” type having an impact point slender in a direction perpendicular to the optical axis, the slender point of impact having, in the focal plane, a width and a length greater than the width, said slender point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble in the fabric and thus cut it over a length greater than a Gaussian beam,
- horizontal cutting plane means a plane located in the tissue to be treated and extending perpendicular to the optical axis of propagation of the laser beam from the cutting device.
- vertical cutting plane means a plane located in the tissue to be treated and extending parallel to an optical axis of propagation of the laser beam from the cutting device.
- point of impact means an area of the laser beam included in its focal plane in which the intensity of said laser beam is sufficient to generate a gas bubble in a tissue.
- adjacent impact points means two impact points arranged facing each other and not separated by another impact point.
- Neighboring impact points means two points of a group of adjacent points between which the distance is minimum.
- the term “pattern” means a plurality of laser impact points generated simultaneously in a plane of focus of the cutting device.
- the invention makes it possible to modify the intensity profile of the laser beam in the focal plane, in such a way as to be able to improve the quality or even the speed of the cutting depending on the profile chosen. This intensity profile modification is obtained by modulating the phase of the laser beam.
- the optical phase modulation is achieved by means of a phase mask.
- the energy of the incident laser beam is conserved after modulation, and the shaping of the beam is achieved by acting on its wavefront.
- the phase of an electromagnetic wave represents the instantaneous situation of the amplitude of an electromagnetic wave.
- the phase depends on both time and space. In the case of the spatial shaping of a laser beam, only the variations in phase space are considered.
- the wave front is defined as the surface of the points of a beam having an equivalent phase (i.e. the surface made up of the points whose travel times from the source that emitted the beam are equal).
- the modification of the spatial phase of a beam therefore passes through the modification of its wavefront.
- This technique makes it possible to carry out the cutting operation in a faster and more efficient way because it uses a point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble whose length is greater than that of a bubble obtained at from an impact point generated by a Gaussian laser beam.
- the shaping system may comprise a spatial light modulator, the control unit being configured to apply a parabolic phase mask emulating a cylindrical lens on the spatial light modulator;
- the parabolic phase mask can be a two-dimensional image to be displayed on the spatial light modulator to cause an unequal spatial phase shift of the Gaussian laser beam, the value (fi) of each pixel of the two-dimensional image being defined by the following formula:
- the displacement path may comprise at least one segment, the parabolic phase mask being determined so that the length of each slender point of impact extends parallel to said and at least one segment;
- control unit can also be configured to control the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanning scanner, and the optical focusing system, in order to produce at least one vertical cutting plane extending parallel to the optic axis;
- control unit can be configured for:
- an axiconic modulation instruction in order to produce a modulated laser beam of the Bessel type from the Gaussian laser beam, said modulated laser beam of the Bessel type having an elongated point of impact in a direction parallel to the optical axis, the elongated point of impact having a width and a depth greater than the width, said elongated point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble in the tissue and thus to cut it to a depth greater than a Gaussian beam,
- the object focal plane of the focusing system can be positioned at a non-zero distance from the image focal plane of the shaping system, so that the elongated point of impact of the Bessel-type modulated laser beam comprises: o a focused ring in the focal plane of the cutting device, o a line of concentration of the rays of the Bessel-type modulated laser beam extending outside the focal plane of the cutting device, said line making it possible to form the oblong gas bubble , the ring having an intensity lower than the intensity of the line not allowing the formation of a gas bubble;
- control unit can be programmed to control the optical focusing system so that the focal plane of the cutting device extends, along the optical axis, above the desired position for the cutting plane vertical ;
- control unit can be programmed to control the optical focusing system so that the focal plane of the cutting device extends, along the optical axis, below the desired position for the cutting plane vertical ;
- the cutting device can be adapted to successively produce horizontal and vertical cutting planes so as to form cubes of fabric: o the control unit controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanner scanning, and the optical focusing system to produce an initial horizontal cutting plane, then o the control unit controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanning scanner, and the optical focusing system to produce at least one vertical cutting plane located above, along the optical axis, the initial horizontal cutting plane, then o the control unit controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanner scanning, and the optical focusing system to produce a final horizontal cutting plane above, along the optical axis, said and at least one vertical cutting plane.
- FIG. 1 is a schematic representation of a cutting device described in WO 2016/055539;
- FIG. 1 is a schematic representation of gas bubbles created by points of impact in a focal plane of the cutting device of Figure 1,
- FIG. 3 is a schematic representation of gas bubbles created successively by moving the points of impact in the focal plane of the cutting device of Figure 1,
- FIG. 4 is a schematic representation of a horizontal cutting plane obtained using the cutting device of Figure 1,
- FIG. 5 is a schematic representation of a stack of horizontal cutting planes obtained using the cutting device of Figure 1,
- FIG. 6 is a schematic representation of horizontal and vertical cutting planes
- FIG. 7 is a schematic representation of a patient's eye
- FIG. 8 is a schematic representation of impact points formed simultaneously using an SLM of the cutting device of Figure 1,
- FIG. 9 is a schematic representation of a cutting device according to the invention.
- FIG. 10a is a representation of a slender point of impact of a "Focal Line" type beam
- FIG. 12a is an image of a Bessel type beam along a longitudinal profile
- - figure 12b is an image of the Bessel type beam according to a transverse profile
- FIG. 13 is a schematic representation illustrating the focusing of a non-diffracting Bessel type beam
- - figure 14a is an image of a first phase mask making it possible to emulate the behavior of a negative axicon on an SLM of the cutting device according to the invention
- - figure 14b is an image of a second phase mask making it possible to emulate the behavior of a positive axicon on the SLM of the cutting device according to the invention
- FIG. 15a is a schematic representation of a Bessel type beam along a longitudinal profile
- FIG. 15b is a schematic representation of the Bessel type beam according to a transverse profile
- FIG. 16 is a partial assembly diagram of the cutting device
- FIG. 17 is a schematic representation of a Bessel beam
- FIG. 18a is a schematic representation of a parasitic tissue bridge of a tissue cut from a Gaussian laser beam
- FIG. 18b is a schematic representation of a parasitic tissue bridge of a tissue cut from a "Focal Line" type laser beam
- FIG. 19 is a schematic representation illustrating the formation of a vertical cutting plane from a Gaussian laser beam on the one hand and a Bessel laser beam on the other hand.
- the invention relates to a system for cutting human tissue using a femtosecond laser.
- the invention will be described, by way of example, for the cutting of a lens of a human or animal eye.
- FIG. 9 there is illustrated an embodiment of the cutting device according to the invention. This can be arranged between a femtosecond laser source 10 and a target to be treated 2.
- the femtosecond laser source 10 is capable of emitting a Gaussian laser beam in the form of pulses.
- the femtosecond laser source 10 emits light of 1030 nm wavelength, in the form of 400 femtosecond pulses.
- the femtosecond laser source 10 has a power of 20 W and a frequency of 500 kHz.
- the target 2 is for example a human or animal tissue to be cut, such as a cornea or a lens.
- the cutting device comprises: a shaping system 30 positioned on the path of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser 10, an optical scanning scanner 40 downstream of the shaping system 30, an optical focusing system 50 downstream of the scanning optical scanner 40, and a control unit 60.
- the shaping system 30 makes it possible to modulate the phase of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10.
- This shaping system 30 is advantageously a programmable component.
- the scanning optical scanner 40 makes it possible to direct the phase-modulated laser beam 310 coming from the shaping system 30 to move the cutting pattern along a path of movement predefined by the user in the focal plane 101 of the cutting system.
- the focusing optical system 50 makes it possible to move the focal plane 101 - corresponding to the cutting plane - of the modulated and deflected laser beam 410.
- the control unit 60 makes it possible to control the shaping system 30, the optical scanning scanner 40 and the optical focusing system 50.
- This cutting device is suitable for forming horizontal and vertical cutting planes.
- the control unit 60 Depending on the type of cutting plane desired (vertical or horizontal), the control unit 60:
- the inventors have developed an original configuration solution of the cutting device for the formation of horizontal and vertical cutting planes.
- the spatial shaping system 30 of the laser beam makes it possible to vary the wave surface of the laser beam 110 according to the shape desired for the point(s) of impact of the modulated laser beam.
- the shaping system 30 preferably comprises a spatial light modulator, known by the acronym SLM, from the English acronym “Spatial Light Modulator”.
- SLM makes it possible to modulate the final energy distribution of the laser beam 110 coming from the laser source 10.
- the SLM is a device consisting of a layer of liquid crystals with controlled orientation making it possible to dynamically shape the front of wave, and therefore the phase of the laser beam 110.
- the liquid crystal layer of an SLM is organized as a grid (or matrix) of pixels.
- the optical thickness of each pixel is electrically controlled by orientation of the liquid crystal molecules belonging to the surface corresponding to the pixel.
- the SLM exploits the principle of anisotropy of liquid crystals, i.e. the modification of the index of liquid crystals, according to their spatial orientation.
- the orientation of liquid crystals can be achieved using an electric field.
- the modification of the index of the liquid crystals modifies the wavefront of the laser beam.
- the SLM implements a phase mask, i.e. a map determining how the phase of the laser beam 110 must be modified to obtain a given amplitude distribution.
- the phase mask is a two-dimensional image, each point of which is associated with a respective pixel of the SLM.
- This phase mask makes it possible to control the index of each liquid crystal of the SLM by converting the value associated with each point of the mask - represented in gray levels between 0 and 255 (therefore from black to white) - into a command value - represented in a phase between 0 and 2TT.
- the phase mask is a modulation instruction displayed on the SLM to cause in reflection an unequal spatial phase shift of the laser beam 110 illuminating the SLM.
- the gray level range may vary depending on the model of SLM used.
- the gray level range can be between 0 and 220.
- a more precise quantification of the addressing level also leads to larger value ranges, for example 1024 levels on 10 bits.
- phase masks can be applied to the SLM depending on the type of clipping plane that the user wishes to achieve, namely:
- the phase mask used makes it possible to apply a phase modulation to expand or contract the energy of the laser beam according to a single direction. More specifically, the application of a parabolic phase mask makes it possible to lengthen or compress the profile of the laser beam in a single direction to obtain a slender point of impact substantially in the shape of a linear segment. A modulated laser beam of the “Focal Line” type is thus obtained.
- the phase mask used (hereinafter referred to as "conical linear phase mask”) allows to apply a linear phase modulation with rotational symmetry. A modulated laser beam of the “Bessel” type is thus obtained.
- the inventors propose to modulate the phase of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 so as to produce, downstream of the shaping system 30, a modulated laser beam 310 of the “Focal Line” type.
- a "Focal Line” type beam can be mathematically defined as a beam whose distribution of the electric field (E) follows this relationship:
- - w x and w y are the half-widths in 1/e 2 of the distribution of the electric field according to the directions x and y with w x ⁇ w y ,
- - n is a positive integer.
- the uniformity of the intensity line depends on the integer n, defining the order of the super-Gaussian envelope along the y axis.
- n the order of the super-Gaussian envelope along the y axis. The larger n is, the more constant the intensity distribution along the y-axis.
- FIG. 10b illustrates the formation of a "Focal Line” type beam by dilation of a collimated Gaussian laser beam
- FIG. 10c illustrates the formation of a "Focal Line” type beam by compression of a collimated Gaussian laser beam.
- FIG. 10b illustrates an example of parabolic-type phase modulation using a cylindrical lens with a concave plane 210.
- the use of such a lens makes it possible to “expand” the laser beam 110 (of dimensions 2 * wx, 2 * wy) along a transverse axis x so as to obtain an oblong laser beam (of dimensions 4 * wx and 2 * wy) in the focal plane: the dispersion of the laser beam 110 occurs only along the axis defined by the curvature of the cylindrical lens (x-axis) without influencing the width of the transverse intensity distribution along the other transverse axis (y-axis).
- FIG. 10c illustrates an example of parabolic-type phase modulation using a cylindrical lens with a convex plane 220.
- the use of such a lens makes it possible to “contract” the laser beam 110 (of dimensions 2 * wx, 2 * wy) along a transverse axis x so as to obtain an oblong laser beam (of dimensions wx and 2 * wy) in the focal plane: the focusing of the laser beam 110 occurs only along the axis defined by the curvature of the cylindrical lens (axis x) without influencing the width of the transverse intensity distribution along the other transverse axis (y-axis).
- FIG. 10c illustrates an example of parabolic-type phase modulation using a cylindrical lens with a convex plane 220.
- the use of such a lens makes it possible to “contract” the laser beam 110 (of dimensions 2 * wx, 2 * wy) along a transverse axis x so as to obtain an oblong laser beam (of
- the half-width of the collimated laser beam passes from 2 * wx, 2 * wy to wx, 2 * wy at the focus of this one.
- a cylindrical lens therefore makes it possible, by modulating the phase of a Gaussian beam, to form a "Focal Line" type beam at the focus of the lens.
- the dimensions of this focal line can be adjusted according to the power of dispersion (respectively focusing) of the lens. This length increases (respectively this width decreases) quasi-linearly with f, within the framework of the paraxial approximation.
- the inventors for their part propose using the shaping system 30 including the SLM to generate the “Focal Line” type beam in order to avoid the use of an optical/mechanical element.
- a parabolic phase mask (making it possible to emulate a cylindrical lens) is applied to the SLM by the control unit 60.
- the SLM then allows a phase modulation of the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 .
- parabolic phase masks Two examples are shown in Figure 11.
- the shaping system 30 is capable of imprinting the phase profile of a cylindrical lens on the beam.
- input Gaussian laser 110 to obtain a modulated laser beam of the "Focal Line” type 310 at the output of the shaping system 30.
- the first parabolic phase mask 221 is defined by the following relation:
- fi(c) represents a set point value applied to the pixel of the SLM with abscissa “x” whatever its ordinate “y” (i.e. invariant along y),
- f ⁇ (c) represents a set point value applied to the pixel of the SLM with abscissa “x” and ordinate “y”,
- the shaping system makes it possible to form a modulated laser beam of the "Focal Line” type (in the focal plane) from of the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10.
- a modulated laser beam is thus obtained having a spatial distribution of intensity in beams of the “focal line” type:
- first dimension i.e. length
- second dimension i.e. width
- the phase modulation of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser from the shaping system 30 on which a parabolic phase mask is applied makes it possible to obtain a modulated laser beam 310 having a point of elongated impact in the focal plane of the cutting device, said elongated point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble in said focal plane of the cutting device.
- the choice of the gray level values of the points of the parabolic phase mask makes it possible to optimize the first and second dimensions (ie length and width) of the “Focal line” type beam, and therefore the volume in which its energy is deposited.
- the parabolic phase mask to be applied to the shaping system 30 to form a modulated laser beam of the "focal line” type can be calculated:
- any other algorithm known to those skilled in the art such as for example an iterative algorithm based on the Fourier transform, such as an “IFTA” type algorithm, acronym for the English expression “Itérative Fourrier Transform Algorithm” .
- the "Focal Line” type beam makes it possible to generate a continuous photo-disruption plane by lateral displacement of the distribution of laser intensity within the tissue to be cut using the optical scanning scanner 40 illustrated in FIG. 9, as will be described in more detail below.
- the inventors propose to modulate the phase of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 so as to produce, downstream of the shaping system 30, a modulated laser beam 310 non-diffracting Bessel type.
- a Bessel laser beam is said to be "non-diffracting” because it has the property of keeping a constant profile along the optical axis of propagation of the laser beam (hereinafter referred to as "optical axis"), contrary to the behavior of a Gaussian laser beam (such as the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10) which disperses when it is focused.
- optical axis the optical axis of propagation of the laser beam
- a Bessel type laser beam makes it possible to form an elongated point of impact along the z direction of propagation of the laser wave.
- a perfect zero-order Bessel beam can be mathematically defined as a beam whose electric field (E) is formally described by the zero-order Bessel function of the first kind Jo:
- - Ao is the amplitude of the electric field
- - k z and kr are the longitudinal and radial wave vectors
- - z, r, and f are the longitudinal, radial, and azimuthal components.
- the profile of the Bessel beam is represented by a central peak of maximum intensity surrounded by concentric rings of lower intensity, as illustrated in Figures 12a and 12b which are respectively front and side views of a Bessel beam. Bessel relative to its optical axis.
- FIGS. 12a, 12b a propagation with a constant profile over a distance of nearly 100 ⁇ m (image 312, FIG. 12b) with a diameter of the focusing spot (image 311, FIG. 12a) of less than 1 ⁇ m.
- a Gaussian beam typically exhibits a constant propagation profile over 20 ⁇ m with a focus spot diameter of 1 ⁇ m.
- the formation of the Bessel beam 313 results from the interference of plane waves whose wave vectors form a conical surface.
- the transverse extension of the ring structure is infinite, as well as the non-diffractive propagation distance.
- the experimental Bessel beam has a finite non-diffractive propagation distance ZB along the optical axis due to the finite propagation observed in optics and the limited amount of energy.
- This finite non-diffractive propagation distance ZB defines a non-diffraction zone ZND.
- ZB » ZR ZR being the Rayleigh distance of the usual Gaussian beam of similar transverse size.
- the depth (i.e. dimension along a direction parallel to the optical axis of propagation of the laser beam) of each point of elongated impact of a Bessel beam is much greater than the depth of each point d impact with a Gaussian laser beam (such as the laser beam from the femtosecond laser source).
- the use of a Bessel beam makes it possible to cut a much greater depth of tissue than with a Gaussian beam.
- a Bessel beam from a single elongated point of impact of a Bessel beam, it is possible to cut a tissue over a depth equivalent to that of four superimposed points of impact of a Gaussian beam.
- the displacement, by the scanning optical scanner, of the elongated impact point of a Bessel beam makes it possible to generate a perfectly vertical vertical cutting plane four times faster than with a Gaussian beam impact point. Due to its specific formation based on a conical wavefront, the Bessel beam exhibits remarkable self-regeneration properties, which means that the beam can regenerate itself within the ZND non-diffraction zone after any obstacle in its path. This makes it possible to ensure the quality of the cutting of the vertical planes by guaranteeing the formation of an extended gas bubble with each firing of the laser source 10, even when part of the modulated laser beam 310 is masked by an obstacle.
- the generation of a plurality of impact points at different depths from a multipoint modulated laser beam does not allow obtaining a vertical cutting plane of equivalent quality to that of a vertical cutting plane obtained at from a Bessel bundle.
- imperfections in the phase modulation generate uncontrolled light at a focal plane of the optical focusing system. .
- This uncontrolled light interferes with the desired impact point pattern. It is therefore impossible to precisely control the relative intensities of the impact points in the case of a multipoint modulated laser beam allowing the generation of several impact points along the optical axis.
- the elongated point of impact resulting from a Bessel beam has a significant advantage compared to the points of simultaneous impacts formed along the optical axis by a multipoint modulated laser beam.
- the Bessel beam can be obtained by using a conical lens known as an “axicon”.
- the conical lens can be concave/hollow (we speak of "negative axicon”) or convex/domed (we speak of "positive axicon”).
- the inventors propose for their part to use the shaping system 30 including the SLM to generate the Bessel beam in order to avoid the use of an optical/mechanical element.
- a conical linear phase mask (allowing to emulate an axicon) is applied to the SLM by the control unit 60.
- the SLM then allows a conical phase modulation of the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10.
- Two examples of such phase masks are illustrated in Figures 14a and 14b.
- the SLM When one of the first and second phase masks is applied to the SLM, the SLM is able to imprint the phase profile of an axicon on the input Gaussian laser beam 110 to obtain a modulated Bessel type laser beam 310 at the output of the shaping system 30.
- first and second phase masks each have a symmetry of revolution around a central point of symmetry, the level of gray of each pixel varying according to the distance between said pixel and the central point of symmetry.
- the shaping system 30 makes it possible to form a modulated laser beam of the Bessel type 310 (at the output of the shaping system 30) at from the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 (at the input of the shaping system 30).
- this Bessel-type modulated laser beam comprises, in a plane transverse to the optical axis:
- This Bessel beam 313 extends over a depth L along the optical axis A-A' (ie in the non-diffraction zone ZND of the Bessel beam).
- the choice of the grayscale values of the points of the conical linear phase mask makes it possible to optimize the depth L of the Bessel beam 313 and therefore the volume in which its energy is deposited.
- the conical linear phase mask to be applied to the SLM of the shaping system to form a modulated Bessel laser beam can be calculated:
- Figure 16 shows an assembly diagram of the cutting device. This assembly diagram is partial in that it does not show the femtosecond laser source, and the optical scanning scanner. Furthermore in this figure 16, the optical focusing system 50 (as a whole) is represented by an equivalent lens 51, it being understood for those skilled in the art that the optical focusing system 50 does not consist solely of a fixed lens .
- the Bessel beam is formed just after the conical phase modulation plane, i.e., just after the SLM of the shaping system 30.
- the SLM simulating a conical lens (axicon negative or positive), the central spot of maximum intensity of the Bessel beam forms in the focal plane image 32 of the SLM.
- the equivalent lens 51 of the focusing optical system 50 is arranged downstream of the shaping system 30, and is arranged so that the object focal plane 52 of the equivalent lens extends at a non-zero distance from the image focal plane 32 of the shaping system 30 along the optical axis.
- the object focal plane 52 of the equivalent lens 51 of the optical focusing system 50 extends outside the non-diffraction zone ZND of the Bessel beam, so that at the output of the cutting system, a point d elongated impact as shown in Figure 17 is obtained.
- This elongated point of impact is composed of:
- the concentration line 33b of the elongated point of impact which is used to produce the vertical cutting plane (the energy contained in the Bessel ring is not sufficient to form a gas bubble).
- the ray concentration line 33b can form either before or after the ring 33a, depending on the sign of the phase modulation. In other words, the position of line 33b relative to ring 33a depends on the type of axicon (positive or negative) emulated thanks to the conical linear phase mask.
- the optical scanning scanner 40 makes it possible to deflect the modulated laser beam (“Focal Line” or “Bessel” type) 310 so as to move the point(s) of impact into a plurality of positions 43a-43c in the cutting plane.
- the modulated laser beam (“Focal Line” or “Bessel” type) 310
- the 40 Scanning Optical Scanner includes:
- the optical scanner 40 used is for example an IntelliScan III scanning head from SCANLAB AG.
- the entry and exit orifices of such an optical scanner 40 have a diameter of the order of 10 to 20 millimeters, and the attainable scanning speeds are of the order of 1 m/s to 10 m/s.
- the mirror(s) is (are) connected to one (or more) motor(s) to allow their pivoting.
- This (these) motor(s) for pivoting the mirror(s) is (are) advantageously controlled by the unit of the control unit 60 which will be described in more detail below.
- the control unit 60 is programmed to control the scanning optical scanner 40 so as to move the point of impact along a path of movement contained in the cutting plane.
- the motion path includes a plurality of clipping segments.
- the displacement path can advantageously have the shape of a slot.
- the motion path includes a segment.
- the control unit 60 can be configured to command the optical scanner 40 to move back and forth from the elongated point of impact of Bessel to cut the cutting plane over its entire depth. For example, if the optical scanner 40 starts the segment from the left, it will start this segment from the right on the way back, then from the left, then from the right and so on over the entire height of the cutting plane.
- control unit 60 can be programmed to activate the femtosecond laser 10 when the scanning speed of the optical scanner 40 is greater than a threshold value. This makes it possible to synchronize the emission of the laser beam 110 with the scanning of the optical scanning scanner 40. More precisely, the control unit 60 activates the femtosecond laser 10 when the pivoting speed of the mirror(s) of the optical scanner 40 is constant. This makes it possible to improve the cutting quality by producing a homogeneous surfacing of the cutting plane.
- the optical focusing system 50 makes it possible to move the focal plane of the cutting device according to the type of cutting plane to be produced.
- the focusing optical system 50 comprises:
- the lens(es) used with the focusing optical system 50 can be f-theta lenses or telecentric lenses. Both f-theta and telecentric lenses achieve a plane of focus over the entire XY field, unlike standard lenses for which it is curved. This guarantees a size of constant focused beam over the entire field. For f-theta lenses, the position of the beam is directly proportional to the angle applied by the scanner while the beam is always normal to the sample for telecentric lenses.
- the control unit 60 is programmed to control the movement of the lens(es) of the optical focusing system 50 so as to move the focal plane of the cutting device according to the type of cutting plane to be achieve.
- the cutting plane corresponds to the focal plane of the cutting device.
- the control unit 60 controls the movement of the lens(es) of the optical focusing system 50 to focus the modulated and deflected laser beam 410 to a desired depth corresponding to the depth of the cutting plane to be produced.
- the cutting plane coincides with the focal plane of the cutting device.
- the cutting plane can be located:
- the control unit 60 controls the optical focusing system 50 to focus the modulated and deflected laser beam 410 to a desired depth greater than the depth of the cutting plane to be made (so that the concentration line 33b of the elongated point of impact is located at the depth of the cutting plane to be produced),
- the control unit 60 controls the optical focusing system 50 to focus the modulated and deflected laser beam 410 at a desired depth less than the depth of the cutting plane to be made (so that the concentration line 33b of the elongated point of impact is located at the depth of the cutting plane to be produced).
- control unit 60 can be programmed to drive the optical scanning scanner 40 so as to vary the area cut in the focal plane between two successive cutting planes. This makes it possible to vary the shape of the volume finally cut according to the intended application.
- the distance between two successive cutting planes is between 2 ⁇ m and 500 miti, and in particular:
- this distance can vary in a volume composed of a stack of cutting planes.
- control unit 60 makes it possible to control the various elements constituting the cutting device, namely the femtosecond laser source 10, the shaping system 30, the optical scanning scanner 40 and the optical system of focus 50.
- the control unit 60 is connected to these different elements via one (or more) communication bus allowing:
- control signals such as
- the control unit 60 may be composed of one (or more) workstation(s), and/or one (or more) computer(s) or may be of any other type known to those skilled in the art. job.
- the control unit 60 can for example comprise a mobile phone, an electronic tablet (such as an IPAD®), a personal assistant (or "PDA", acronym for the English expression “Personal Digital Assistant”), etc.
- the control unit 60 comprises a processor programmed to allow the control of the femtosecond laser source 10, of the shaping system 30, of the optical scanning scanner 40, of the optical focusing system 50, etc.
- control unit 60 is programmed to vary the shape of the modulated laser beam between two successive cutting planes, in particular between a horizontal cutting plane and a vertical cutting plane.
- horizontal and vertical cutting planes are formed starting with the horizontal cutting plane deepest in the lens and stacking the vertical cutting planes and successive horizontals to the most superficial horizontal cutting plane in the lens.
- control unit 60 In a first step, the deepest horizontal cutting plane is made.
- the control unit 60 The control unit 60:
- a succession of shots are made in the focal plane of the cutting device.
- a slender point of impact ie whose length is greater than the width
- This slender point of impact forms an oblong gas bubble in a direction transverse to the axis of propagation z of the modulated laser beam.
- 40-scan optical scanner allows the point of impact to be moved slender in the focal plane between each shot.
- control unit 60 For each vertical cutting plane, the control unit 60:
- the focusing system 50 controls the movement of the focusing system 50 to position the line of concentration 33b of the elongated point of impact in the cutting plane (the focusing plane being above or below the cutting plane depending on whether the axicon emulated on the shaping system 30 is a positive axicon or a negative axicon),
- a succession of shots are made. With each shot, an elongated point of impact is formed, this elongated point of impact including:
- Each elongated point of impact forms an oblong gas bubble along the optical axis of propagation of the modulated laser beam.
- the optical scanner allows the elongated point of impact to be moved under/over the focal plane between each shot. When the entire path of travel is covered with gas bubbles, the vertical cutting plane is finalized.
- control unit 60 can control scanning optical scanner 40 and focusing optical system 50 to move back and forth the point of impact elongated along the optical path by varying the depth of the focal plane of the cutter between outward and return.
- the irradiated fabric 2 can locally present inhomogeneous optical and physical properties, so that an area 21 of the fabric 2 can be less absorbent locally, and prevent the formation of a gas bubble when it is irradiated.
- this phenomenon can leave a parasitic tissue bridge 22 of size P1 equal to twice the separation of the points impact, as shown in Figure 18a.
- This large size of the parasitic tissue bridge 22 can make it difficult for the practitioner to subsequently dissect the tissue using a tool.
- the tissue bridge 22 is strictly circumscribed to the less absorbent zone 21, as shown in Figure 18b. This makes it possible to reduce the size P2 of the parasitic tissue bridge 22, and therefore to facilitate the operation of dissection of the tissue 2 subsequently carried out by the practitioner using a tool.
- figure 19 makes it possible to compare the time required to produce a vertical cutting plan:
- T1 (8 x t1 ) + (7 x t2)
- - t2 corresponds to the time it takes to perform a U-turn.
- the cutting time of the plane is equal to 15 t in the case of a Gaussian beam.
- T2 (2 x t1 ) + (1 x t2)
- the invention makes it possible to have an effective three-dimensional cutting tool, unlike current tools which can only produce two-dimensional cutting planes (vertical cuts in quarters or sticks without the possibility of combining them with horizontal cuts in a acceptable time).
- the cutting apparatus is configured to perform a surgical cutting operation in a rapid and efficient manner.
- the SLM makes it possible to dynamically shape the wavefront of the laser beam from the femtosecond laser source since it is digitally configurable:
- the vertical cutting planes are made using a conical linear phase mask.
- phase mask being carried out in a few milliseconds, the sequence of successively horizontal then vertical cutting planes and so on, is done extremely quickly without having to mobilize optical/mechanical elements, which gives this invention its character.
- single lens enabling a lens to be cut into 10,000 to 20,000 cubes in a time of the order of 30 seconds, whereas it would take between 5 and 10 minutes for current systems to do the equivalent, which is of course unacceptable from the point of view of for patient comfort and safety.
- the cutting device described above has many advantages, in particular due to the dynamic reconfigurability of the shaping system which makes it possible in particular: i) to switch from the cutting of a horizontal plane using a "Focal Line” type beam (via the application of a parabolic phase mask on the SLM) to the cutting of a vertical plane using a "Bessel” type beam (via the application of a conical linear phase mask), ii) to adjust the dimensions (length and width) of the points of impact
- the “Bessel” type beam on the other hand, without complicating the optical assembly, that is to say without adding an optical element in the cutting device, iii) to control the uniformity of the intensity distribution and also to prevent the formation of unwanted hot spots along the optical axis.
- the invention has been described for operations of cutting a lens in the field of ophthalmological surgery, but it is obvious that it can be used for other type of operation in ophthalmological surgery without departing from the scope of the 'invention.
- the invention finds an application in corneal refractive surgery, such as the treatment of ametropia, in particular myopia, hypermetropia, astigmatism, in the treatment of loss of accommodation, in particular presbyopia.
- the invention also finds an application in the treatment of cataracts with incision of the cornea, cutting of the anterior capsule of the lens, and fragmentation of the lens.
- the invention relates to all clinical or experimental applications on the cornea or the lens of a human or animal eye. Even more generally, the invention relates to the broad field of laser surgery and finds an advantageous application when it comes to cutting and more particularly vaporizing human or animal soft tissues with a high water content.
Landscapes
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Abstract
The invention relates to a cutting apparatus that includes a femtosecond laser source (10) for emitting a Gaussian laser beam, a shaping system (30) for modulating the Gaussian laser beam, an optical scanner (40) for moving the modulated laser beam, and an optical focusing system (50) for focusing the modulated laser beam. The cutting apparatus is characterised in that a processing device further comprises a control unit (60) for controlling the femtosecond laser source (10), the shaping system (30), the optical scanner (40) and the optical focusing system (50), in order to produce horizontal and vertical cutting planes on the basis of oblong gas bubbles.
Description
SYSTEME DE DECOUPE D’UN TISSU EN PORTIONS PAR GENERATION DE SYSTEM FOR CUTTING A FABRIC INTO PORTIONS BY GENERATION OF
BULLES DE GAZ OBLONGUES OBLONG GAS BUBBLES
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
La présente invention concerne le domaine technique des opérations chirurgicales réalisées au laser femtoseconde, et plus particulièrement celui de la chirurgie ophtalmologique, notamment pour des applications de découpes de cornées, ou de cristallins. The present invention relates to the technical field of surgical operations carried out using a femtosecond laser, and more particularly that of ophthalmological surgery, in particular for applications for cutting out corneas or lenses.
L’invention concerne un dispositif de découpe d’un tissu humain ou animal, telle qu’une cornée, ou un cristallin, au moyen d’une source laser femtoseconde. The invention relates to a device for cutting a human or animal tissue, such as a cornea or a lens, by means of a femtosecond laser source.
Par source laser femtoseconde, on entend une source lumineuse, apte à émettre un faisceau laser sous forme d’impulsions ultra-courtes, dont la durée est comprise entreBy femtosecond laser source, we mean a light source capable of emitting a laser beam in the form of ultra-short pulses, the duration of which is between
1 femtoseconde et 100 picosecondes, de préférence comprise entre 1 et 1000 femtosecondes, notamment de l’ordre de la centaine de femtosecondes. 1 femtosecond and 100 picoseconds, preferably between 1 and 1000 femtoseconds, in particular of the order of a hundred femtoseconds.
ART ANTERIEUR PRIOR ART
1. Génération de plans de découpe horizontaux La source laser femtoseconde est un instrument apte à réaliser une découpe du tissu cornéen par exemple, en focalisant un faisceau laser dans le stroma de la cornée, et en réalisant une succession de petites bulles de gaz adjacentes. 1. Generation of horizontal cutting planes The femtosecond laser source is an instrument capable of cutting the corneal tissue, for example, by focusing a laser beam in the stroma of the cornea, and by producing a succession of small adjacent gas bubbles.
Plus précisément, lors de la focalisation du faisceau laser dans la cornée, un plasma est généré par ionisation non-linéaire lorsque l’intensité du laser dépasse une valeur seuil, nommée seuil de claquage optique. Une bulle de gaz se forme alors, engendrant une disruption très localisée des tissus environnant. Ainsi, le volume réellement ablaté par le faisceau laser est très faible comparativement à la zone disruptée. More precisely, during the focusing of the laser beam in the cornea, a plasma is generated by non-linear ionization when the intensity of the laser exceeds a threshold value, called optical breakdown threshold. A gas bubble then forms, causing a very localized disruption of the surrounding tissues. Thus, the volume actually ablated by the laser beam is very small compared to the disrupted zone.
La zone découpée par le faisceau laser à chaque impulsion est très petite, de l’ordre du micron ou de la dizaine de microns selon la puissance et la focalisation du faisceau. Ainsi, une découpe lamellaire cornéenne ne peut être obtenue qu’en réalisant une série d’impacts contigus sur toute la surface de la zone à découper. The area cut by the laser beam at each pulse is very small, on the order of a micron or ten microns depending on the power and the focusing of the beam. Thus, a corneal lamellar cut can only be obtained by making a series of contiguous impacts over the entire surface of the area to be cut.
On connaît du document WO 2016/055539 un appareil de découpe d’un tissu oculaireWe know from document WO 2016/055539 a device for cutting ocular tissue
2 (humain ou animal) à partir d’une source laser femtoseconde 1 . Cet appareil de découpe est illustré à la figure 1 .
L’appareil de découpe permet, à partir d’un faisceau laser 11 issu d’une source laser femtoseconde 1 , de générer une pluralité de points d’impact laser simultanés dans un plan focal 101 de l’appareil de découpe. Comme illustré à la figure 2, chaque point d’impact forme une bulle de gaz 102 respective. Pour générer simultanément une pluralité de points d’impact, l’appareil de découpe comprend un modulateur spatial de lumière 3 (connu sous le sigle SLM, de l’acronyme anglais « Spatial Light Modulator »). Un masque de phase est appliqué au SLM 3. Ce masque de phase permet de moduler la phase du front d’onde du faisceau laser 11 issu de la source laser femtoseconde 1 . La modulation de phase du front d’onde permet de retarder ou d’avancer la phase des différents points de la surface du faisceau par rapport au front d'onde initial afin que chacun de ces points réalisent une interférence constructive en N points distincts dans le plan focal 101 de l’appareil de découpe. Cette redistribution d'énergie en une pluralité de points d’impact n’a lieu que dans un seul plan (i.e. le plan focal de l’appareil de découpe) et pas tout au long du chemin de propagation du faisceau laser modulé. Ainsi, la modulation de phase du front d’onde permet de générer un unique faisceau laser modulé 31 qui forme une pluralité de points d’impact seulement dans le plan focal 101 : le faisceau laser modulé 31 est unique tout au long de son chemin de propagation. 2 (human or animal) from a femtosecond laser source 1 . This cutting device is shown in Figure 1. The cutting device makes it possible, from a laser beam 11 coming from a femtosecond laser source 1, to generate a plurality of simultaneous laser impact points in a focal plane 101 of the cutting device. As illustrated in Figure 2, each point of impact forms a respective gas bubble 102. To simultaneously generate a plurality of impact points, the cutting device comprises a spatial light modulator 3 (known by the acronym SLM, from the acronym “Spatial Light Modulator”). A phase mask is applied to the SLM 3. This phase mask makes it possible to modulate the phase of the wavefront of the laser beam 11 coming from the femtosecond laser source 1 . The phase modulation of the wave front makes it possible to delay or advance the phase of the various points of the surface of the beam compared to the initial wave front so that each of these points carries out a constructive interference in N distinct points in the focal plane 101 of the cutting device. This redistribution of energy at a plurality of impact points only takes place in a single plane (ie the focal plane of the cutting device) and not all along the propagation path of the modulated laser beam. Thus, the phase modulation of the wavefront makes it possible to generate a single modulated laser beam 31 which forms a plurality of impact points only in the focal plane 101: the modulated laser beam 31 is unique throughout its path of spread.
Pour découper un cristallin sur une surface de 1 mm2, il faut réaliser environ 10000 points d’impact très proches les uns des autres. Le fait de générer simultanément plusieurs points d’impact permet de diminuer le temps nécessaire pour découper une surface de cristallin en augmentant la surface traitée avec un seul tir laser et en réduisant le nombre d’allers-retours nécessaires à réaliser plusieurs lignes de points adjacentes. To cut a lens on a surface of 1 mm 2 , approximately 10,000 points of impact must be made very close to each other. Simultaneously generating multiple impact points reduces the time required to cut a lens surface by increasing the area treated with a single laser shot and reducing the number of round trips required to produce multiple adjacent rows of points .
La pluralité de points d’impact générés simultanément constitue un motif. En déplaçant 103 ce motif dans le plan focal 101 de l’appareil de découpe, il est possible de former un plan de découpe horizontal 104 comportant une multitude de bulles de gaz 102 (cf. figure 3). Pour déplacer le motif dans le plan focal 101 , l’appareil de découpe comprend un dispositif de balayage 4, composé de miroirs galvanométriques pilotables, et/ou de platines permettant le déplacement d’éléments optiques, tels que des miroirs ou des lentilles. Ce dispositif de balayage 4 - positionné en aval du SLM 3 - permet de déplacer le faisceau laser modulé 31 suivant une trajectoire en va-et-vient le long d’une succession de segments constituant un chemin de déplacement du faisceau. On forme
ainsi un plan de découpe horizontal 104 comportant une multitude de bulles de gaz 102 (cf. figure 4). The plurality of simultaneously generated impact points constitutes a pattern. By moving 103 this pattern in the focal plane 101 of the cutting device, it is possible to form a horizontal cutting plane 104 comprising a multitude of gas bubbles 102 (cf. FIG. 3). To move the pattern in the focal plane 101, the cutting device comprises a scanning device 4, composed of controllable galvanometric mirrors, and/or plates allowing the movement of optical elements, such as mirrors or lenses. This scanning device 4—positioned downstream of the SLM 3—allows the modulated laser beam 31 to be moved along a trajectory back and forth along a succession of segments constituting a beam displacement path. Forming thus a horizontal cutting plane 104 comprising a multitude of gas bubbles 102 (cf. FIG. 4).
Lorsque la multitude de bulles de gaz 102 a été formée dans le plan focal 101 de l’appareil de découpe, la portion de cristallin située au-dessus du plan de découpe horizontal peut être désolidarisée de la portion de cristallin située au-dessous du plan de découpe horizontal en décrochant les ponts tissulaires 105 existants entre les bulles de gaz 102 à l’aide d’un outil. When the multitude of gas bubbles 102 has been formed in the focal plane 101 of the cutting device, the portion of lens located above the horizontal cutting plane can be separated from the portion of lens located below the cutting plane. horizontal cutting by picking up the existing tissue bridges 105 between the gas bubbles 102 using a tool.
Lors d’une chirurgie de la cataracte, un empilement 106 de plans de découpe horizontaux 104 est formé en déplaçant le plan focal de l’appareil de découpe (cf. figure 5). Pour déplacer le plan focal 101 , l’appareil de découpe comprend un dispositif optique de focalisation 5 - positionné en aval du dispositif de balayage 4 - composé notamment d’une (ou plusieurs) lentille(s) motorisée(s) pour permettre son (leur) déplacement en translation le long du chemin optique du faisceau laser modulé par le SLM 3 et dévié par le dispositif de balayage 4. During cataract surgery, a stack 106 of horizontal cutting planes 104 is formed by moving the focal plane of the cutting device (cf. FIG. 5). To move the focal plane 101, the cutting device comprises an optical focusing device 5 - positioned downstream of the scanning device 4 - composed in particular of one (or more) motorized lens(es) to allow its ( their) translational movement along the optical path of the laser beam modulated by the SLM 3 and deflected by the scanning device 4.
En déplaçant le plan focal 101 en différentes positions le long du chemin optique du faisceau laser, et en réitérant, pour chaque position du plan focal, les étapes : By moving the focal plane 101 to different positions along the optical path of the laser beam, and by repeating, for each position of the focal plane, the steps:
- de génération d’un motif de points d’impact, et - generating a pattern of stitch points, and
- de déplacement du motif de points d’impact, il est possible d’obtenir un empilement 106 de plans de découpe horizontaux 104. Les différentes tranches de cristallin définies par ces plans de découpe horizontaux 104 peuvent alors être séparées les unes des autres par un praticien réalisant une dissection du cristallin à l’aide d’un outil. - displacement of the pattern of impact points, it is possible to obtain a stack 106 of horizontal cutting planes 104. The different slices of lens defined by these horizontal cutting planes 104 can then be separated from each other by a practitioner dissecting the lens using a tool.
Même si cette technique est très efficace, un but de la présente invention est de proposer, à partir de l’appareil de découpe décrit dans WO 2016/055539, une nouvelle solution technique pour limiter le nombre de ponts tissulaires présents dans chaque plan de découpe afin de faciliter les opérations de dissection du cristallin C par le praticien. Even if this technique is very effective, an object of the present invention is to propose, from the cutting device described in WO 2016/055539, a new technical solution to limit the number of tissue bridges present in each cutting plane. in order to facilitate the dissection operations of the lens C by the practitioner.
2. Génération de plans de découpe verticaux En plus des plans de découpe horizontaux 104, il est souhaitable de réaliser des plans de découpe verticaux 107 dans le cristallin. Ces plans verticaux 107 sont réalisés entre deux plans horizontaux successifs (réalisation d’un plan de découpe horizontal inférieur 104a puis réalisation des plans de découpe verticaux 107 puis réalisation d’un plan de découpe horizontal supérieur 104b). Ceci permet de subdiviser le cristallin C
en cubes 108 pouvant être aspirés par une canule d’aspiration 109 lors d’une chirurgie de la cataracte par exemple (cf. figure 7) contrairement aux systèmes actuels qui nécessitent un phacoémulsificateur à ultrasons. 2. Generation of vertical cutting planes In addition to the horizontal cutting planes 104, it is desirable to produce vertical cutting planes 107 in the lens. These vertical planes 107 are produced between two successive horizontal planes (production of a lower horizontal cutting plane 104a then production of the vertical cutting planes 107 then production of an upper horizontal cutting plane 104b). This makes it possible to subdivide the lens C into cubes 108 that can be aspirated by a suction cannula 109 during cataract surgery for example (cf. FIG. 7) unlike current systems which require an ultrasonic phacoemulsifier.
A l’heure actuelle, un plan de découpe vertical 107 est obtenu en réalisant des lignes de bulles de gaz superposées dans le cristallin C. Pour la réalisation d’un plan de découpe vertical, le faisceau laser issu de la source laser n’est pas modulé en phase. A chaque impulsion de la source laser femtoseconde, un point d’impact unique est formé. Ce point d’impact permet de produire une bulle de gaz. En déplaçant le faisceau laser à l’aide du dispositif de balayage, il est possible de déplacer le point d’impact dans le plan focal de l’appareil de découpe. Ceci permet de réaliser une succession de petites bulles de gaz adjacentes, qui forme ensuite une ligne de découpe dans le plan focal de l’appareil de découpe. En déplaçant le plan focal - à l’aide du dispositif de focalisation - en différentes positions le long du chemin optique du faisceau laser, il est possible de superposer les lignes de bulles de gaz afin d’obtenir un plan de découpe vertical. At the present time, a vertical cutting plane 107 is obtained by producing lines of superimposed gas bubbles in the lens C. To produce a vertical cutting plane, the laser beam from the laser source is not not phase modulated. With each pulse of the femtosecond laser source, a single point of impact is formed. This point of impact produces a gas bubble. By moving the laser beam using the scanning device, it is possible to move the point of impact in the focal plane of the cutting device. This makes it possible to produce a succession of small adjacent gas bubbles, which then form a cutting line in the focal plane of the cutting device. By moving the focal plane - with the aid of the focusing device - to different positions along the optical path of the laser beam, it is possible to overlap the lines of gas bubbles in order to obtain a vertical cutting plane.
Un tel plan de découpe vertical étant réalisé « point par point », l’opération de formation des différents plans de découpe verticaux est lente. En effet, à l’heure actuelle, les points d’impact sont réalisés à une vitesse moyenne de 300.000 impacts/seconde. Pour découper « point par point » un cristallin sur une surface d’environ 65mm2, en tenant compte des temps pendant lesquels le laser arrête la production des impulsions en bout de segment pour permettre aux miroirs de se positionner sur le segment suivant, il faut en moyenne 15 secondes. Since such a vertical cutting plane is produced "point by point", the operation of forming the various vertical cutting planes is slow. Indeed, at present, the points of impact are made at an average speed of 300,000 impacts/second. To cut "point by point" a lens on an area of approximately 65mm 2 , taking into account the times during which the laser stops producing pulses at the end of the segment to allow the mirrors to position themselves on the next segment, it is necessary on average 15 seconds.
Pour remédier à cet inconvénient, et partant de l’appareil de découpe selon WO 2016/055539, les inventeurs ont essayé de réaliser des plans de découpe verticaux en mettant en oeuvre le principe de démultiplication des points d’impact à partir de chaque impulsion de la source laser. En particulier, les inventeurs ont déterminé un masque de phase à appliquer au SLM pour générer plusieurs points d’impact 111 simultanés à des profondeurs Z1 , Z2, Z3 différentes à partir d’un unique faisceau laser modulé (cf. figure 8). Par exemple, à partir d’un motif composé de trois (quatre, cinq, etc.) points d’impact 111 a, 111 b, 111 c générés simultanément à des profondeurs différentes Z1 , Z2, Z3, il est théoriquement possible, en déplaçant le motif le long d’un segment de déplacement grâce au dispositif de balayage, de générer simultanément trois (quatre, cinq, etc.) lignes de bulles de gaz superposées, ce qui diminue du facteur correspondant le temps nécessaire à la formation d’un plan de découpe vertical.
Toutefois, les inventeurs ont découvert que l’alignement des points d’impact 111 générés simultanément n’était pas suffisant, de sorte que les lignes de bulles de gaz n’étaient pas parfaitement superposées. Ce défaut d’alignement rend difficile le détachement des cubes de cristallin. To remedy this drawback, and starting from the cutting device according to WO 2016/055539, the inventors have tried to produce vertical cutting planes by implementing the principle of reduction of the points of impact from each pulse of the laser source. In particular, the inventors determined a phase mask to be applied to the SLM to generate several simultaneous impact points 111 at different depths Z1, Z2, Z3 from a single modulated laser beam (cf. FIG. 8). For example, from a pattern composed of three (four, five, etc.) impact points 111 a, 111 b, 111 c generated simultaneously at different depths Z1, Z2, Z3, it is theoretically possible, in moving the pattern along a displacement segment by means of the scanning device, to simultaneously generate three (four, five, etc.) lines of superimposed gas bubbles, which decreases by the corresponding factor the time required for the formation of a vertical cutting plane. However, the inventors discovered that the alignment of the simultaneously generated impact points 111 was not sufficient, so that the lines of gas bubbles were not perfectly superimposed. This misalignment makes it difficult for the lens cubes to detach.
Les inventeurs ont donc développé un nouvel appareil de découpe incluant un système de mise en forme (pour moduler la phase du front d'onde d’un faisceau laser gaussien) et une unité de commande configurée pour appliquer au système de mise en forme, une consigne de modulation axiconique. Ceci permet de produire un faisceau laser modulé de type Bessel (à partir du faisceau laser gaussien) ayant un point d’impact permettant de générer une bulle de gaz oblongue dans le tissu et ainsi le découper sur une profondeur beaucoup plus grande qu’un faisceau gaussien. The inventors have therefore developed a new cutting device including a shaping system (to modulate the phase of the wave front of a Gaussian laser beam) and a control unit configured to apply to the shaping system, a axiconic modulation setpoint. This makes it possible to produce a modulated laser beam of the Bessel type (from the Gaussian laser beam) having an impact point making it possible to generate an oblong gas bubble in the tissue and thus cut it to a much greater depth than a beam. Gaussian.
Un autre but de la présente invention est de proposer une solution au problème de formation de plans de découpe verticaux dans un tissu oculaire (tel qu’une cornée ou un cristallin) à partir de l’appareil de découpe décrit dans WO 2016/055539. Another object of the present invention is to propose a solution to the problem of forming vertical cutting planes in an ocular tissue (such as a cornea or a lens) from the cutting device described in WO 2016/055539.
EXPOSE DE L’INVENTION DISCLOSURE OF THE INVENTION
A cet effet l’invention propose un appareil de découpe d’un tissu humain ou animal, ledit appareil incluant une source laser femtoseconde configurée pour émettre un faisceau laser gaussien sous forme d’impulsions et un dispositif de traitement du faisceau laser gaussien, le dispositif de traitement étant disposé en aval de la source laser femtoseconde, le dispositif de traitement comprenant : To this end, the invention proposes an apparatus for cutting human or animal tissue, said apparatus including a femtosecond laser source configured to emit a Gaussian laser beam in the form of pulses and a device for processing the Gaussian laser beam, the device processing device being disposed downstream of the femtosecond laser source, the processing device comprising:
- un système de mise en forme positionné sur la trajectoire du faisceau laser gaussien, pour moduler la phase du front d'onde du faisceau laser gaussien, le système de mise en forme étant configuré pour produire un faisceau laser modulé à partir du faisceau laser gaussien, - a shaping system positioned on the trajectory of the Gaussian laser beam, to modulate the phase of the wavefront of the Gaussian laser beam, the shaping system being configured to produce a modulated laser beam from the Gaussian laser beam ,
- un scanner optique de balayage disposé en aval du système de mise en forme pour déplacer le faisceau laser modulé, - an optical scanning scanner arranged downstream of the shaping system to move the modulated laser beam,
- un système optique de focalisation en aval du système de mise en forme, pour focaliser le faisceau laser modulé dans un plan focal de l’appareil de découpe et pour déplacer le plan focal de l’appareil de découpe en une pluralité de positions le long d’un axe optique de propagation du faisceau laser modulé, remarquable en ce que le dispositif de traitement comprend en outre une unité de commande pour piloter la source laser femtoseconde, le système de mise en forme, le scanner optique de balayage, et le système optique de focalisation, afin de
réaliser au moins un plan de découpe horizontal s’étendant perpendiculairement à l’axe optique, l’unité de commande étant configurée pour : - a focusing optical system downstream of the shaping system, for focusing the modulated laser beam in a focal plane of the cutting device and for moving the focal plane of the cutting device to a plurality of positions along an optical axis of propagation of the modulated laser beam, noteworthy in that the processing device further comprises a control unit for controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanning scanner, and the system focusing optics, in order to produce at least one horizontal cutting plane extending perpendicular to the optical axis, the control unit being configured to:
- appliquer au système de mise en forme, une consigne de modulation parabolique afin de produire un faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » à partir du faisceau laser gaussien, ledit faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » ayant un point d’impact longiligne selon une direction perpendiculaire à l’axe optique, le point d’impact longiligne ayant, dans le plan focal, une largeur et une longueur supérieure à la largeur, ledit point d’impact longiligne permettant de générer une bulle de gaz oblongue dans le tissu et ainsi le découper sur une longueur plus grande qu’un faisceau gaussien, - apply to the shaping system, a parabolic modulation instruction in order to produce a modulated laser beam of the "Focal Line" type from the Gaussian laser beam, said modulated laser beam of the "Focal Line" type having an impact point slender in a direction perpendicular to the optical axis, the slender point of impact having, in the focal plane, a width and a length greater than the width, said slender point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble in the fabric and thus cut it over a length greater than a Gaussian beam,
- piloter le scanner optique de balayage pour déplacer le point d’impact longiligne du faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » le long d’un chemin optique déplacement pour former successivement une pluralité de bulle de gaz adjacentes oblongues, lesdites bulles de gaz constituant le plan de découpe horizontal. - drive the scanning optical scanner to move the slender point of impact of the "Focal Line" type modulated laser beam along a moving optical path to successively form a plurality of adjacent oblong gas bubbles, said gas bubbles constituting the horizontal cutting plane.
On entend, dans le cadre de la présente invention, par « plan de découpe horizontal », un plan situé dans le tissu à traiter et s’étendant perpendiculairement à l’axe optique de propagation du faisceau laser issu de l’appareil de découpe. In the context of the present invention, the term "horizontal cutting plane" means a plane located in the tissue to be treated and extending perpendicular to the optical axis of propagation of the laser beam from the cutting device.
On entend, dans le cadre de la présente invention, par « plan de découpe vertical >>, un plan situé dans le tissu à traiter et s’étendant parallèlement à un axe optique de propagation du faisceau laser issu de l’appareil de découpe. In the context of the present invention, the term "vertical cutting plane" means a plane located in the tissue to be treated and extending parallel to an optical axis of propagation of the laser beam from the cutting device.
On entend, dans le cadre de la présente invention, par « point d’impact » une zone du faisceau laser comprise dans son plan focal dans laquelle l’intensité dudit faisceau laser est suffisante pour générer une bulle de gaz dans un tissu. In the context of the present invention, the term “point of impact” means an area of the laser beam included in its focal plane in which the intensity of said laser beam is sufficient to generate a gas bubble in a tissue.
On entend, dans le cadre de la présente invention, par « points d’impact adjacents >>, deux points d’impact disposés en regard l’un de l’autre et non séparés par un autre point d’impact. In the context of the present invention, the term "adjacent impact points" means two impact points arranged facing each other and not separated by another impact point.
On entend par « points d’impact voisins » deux points d’un groupe de points adjacents entre lesquels la distance est minimale. “Neighboring impact points” means two points of a group of adjacent points between which the distance is minimum.
On entend, dans le cadre de la présente invention, par « motif » une pluralité de points d’impact laser générés simultanément dans un plan de focalisation de l’appareil de découpe.
Ainsi, l’invention permet de modifier le profil d’intensité du faisceau laser dans le plan focal, d’une manière à pouvoir améliorer la qualité ou bien la vitesse de la découpe en fonction du profil choisi. Cette modification de profil d’intensité est obtenue par modulation de la phase du faisceau laser. In the context of the present invention, the term “pattern” means a plurality of laser impact points generated simultaneously in a plane of focus of the cutting device. Thus, the invention makes it possible to modify the intensity profile of the laser beam in the focal plane, in such a way as to be able to improve the quality or even the speed of the cutting depending on the profile chosen. This intensity profile modification is obtained by modulating the phase of the laser beam.
La modulation optique de phase est réalisée au moyen d’un masque de phase. L’énergie du faisceau laser incident est conservée après modulation, et la mise en forme du faisceau est réalisée en agissant sur son front d’onde. La phase d’une onde électromagnétique représente la situation instantanée de l’amplitude d’une onde électromagnétique. La phase dépend aussi bien du temps que de l’espace. Dans le cas de la mise en forme spatiale d’un faisceau laser, seules les variations dans l’espace de la phase sont considérées. The optical phase modulation is achieved by means of a phase mask. The energy of the incident laser beam is conserved after modulation, and the shaping of the beam is achieved by acting on its wavefront. The phase of an electromagnetic wave represents the instantaneous situation of the amplitude of an electromagnetic wave. The phase depends on both time and space. In the case of the spatial shaping of a laser beam, only the variations in phase space are considered.
Le front d’onde est défini comme la surface des points d’un faisceau possédant une phase équivalente (i.e. la surface constituée des points dont les temps de parcours depuis la source ayant émis le faisceau sont égaux). La modification de la phase spatiale d’un faisceau passe donc par la modification de son front d’onde. The wave front is defined as the surface of the points of a beam having an equivalent phase (i.e. the surface made up of the points whose travel times from the source that emitted the beam are equal). The modification of the spatial phase of a beam therefore passes through the modification of its wavefront.
Cette technique permet de réaliser l’opération de découpe d’une manière plus rapide et plus efficace car elle met en oeuvre un point d’impact permettant de générer une bulle de gaz oblongue dont la longueur est supérieure à celle d’une bulle obtenue à partir d’un point d’impact généré par un faisceau laser gaussien. This technique makes it possible to carry out the cutting operation in a faster and more efficient way because it uses a point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble whose length is greater than that of a bubble obtained at from an impact point generated by a Gaussian laser beam.
Des aspects préférés mais non limitatifs de l’appareil de découpe sont les suivants : Preferred but non-limiting aspects of the cutting apparatus are as follows:
- le système de mise en forme peut comprendre un modulateur spatial de lumière, l’unité de commande étant configurée pour appliquer un masque de phase parabolique émulant une lentille cylindrique sur le modulateur spatial de lumière ; - the shaping system may comprise a spatial light modulator, the control unit being configured to apply a parabolic phase mask emulating a cylindrical lens on the spatial light modulator;
- le masque de phase parabolique peut être une image bidimensionnelle à afficher sur le modulateur spatial de lumière pour entraîner un déphasage spatial inégal du faisceau laser gaussien, la valeur (fi) de chaque pixel de l’image bidimensionnelle étant définie par la formule suivante : - the parabolic phase mask can be a two-dimensional image to be displayed on the spatial light modulator to cause an unequal spatial phase shift of the Gaussian laser beam, the value (fi) of each pixel of the two-dimensional image being defined by the following formula:
<|)i(x,y)=kx2 où : <|)i(x,y)=kx 2 where:
• « 07 >> représente la valeur d’un pixel de l’image bidimensionnelle, • "07" represents the value of a pixel of the two-dimensional image,
• « x » est l’abscisse du pixel de l’image bidimensionnelle, • “x” is the abscissa of the pixel of the two-dimensional image,
• « y » est l’ordonnée du pixel de l’image bidimensionnelle, et • "y" is the ordinate of the pixel of the two-dimensional image, and
• « k » est un coefficient positif ;
- le masque de phase parabolique peut être une image bidimensionnelle à afficher sur le modulateur spatial de lumière pour entraîner un déphasage spatial inégal du faisceau laser gaussien, la valeur f2 de chaque pixel de l’image bidimensionnelle étant définie par la formule suivante : f2(c,g) = kx2 + ly2 où : • “k” is a positive coefficient; - the parabolic phase mask can be a two-dimensional image to be displayed on the spatial light modulator to cause an unequal spatial phase shift of the Gaussian laser beam, the value f2 of each pixel of the two-dimensional image being defined by the following formula: f 2 (c,g) = kx 2 + ly 2 where:
• « 02 >> représente la valeur d’un pixel de l’image bidimensionnelle, • "0 2 >> represents the value of a pixel of the two-dimensional image,
• « x » est l’abscisse du pixel de l’image bidimensionnelle, • “x” is the abscissa of the pixel of the two-dimensional image,
• « y » est l’ordonnée du pixel de l’image bidimensionnelle, • "y" is the ordinate of the pixel of the two-dimensional image,
• « k » est un coefficient positif, et • “k” is a positive coefficient, and
• « l » est un coefficient positif ; • “l” is a positive coefficient;
- le chemin de déplacement peut comprendre au moins un segment, le masque de phase parabolique étant déterminé de sorte que la longueur de chaque point d’impact longiligne s’étende parallèlement audit et au moins un segment ; - the displacement path may comprise at least one segment, the parabolic phase mask being determined so that the length of each slender point of impact extends parallel to said and at least one segment;
- l’unité de commande peut être en outre configurée pour piloter la source laser femtoseconde, le système de mise en forme, le scanner optique de balayage, et le système optique de focalisation, afin de réaliser au moins un plan de découpe vertical s’étendant parallèlement à l’axe optique ; - the control unit can also be configured to control the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanning scanner, and the optical focusing system, in order to produce at least one vertical cutting plane extending parallel to the optic axis;
- l’unité de commande peut être configurée pour : - the control unit can be configured for:
• appliquer au système de mise en forme, une consigne de modulation axiconique afin de produire un faisceau laser modulé de type Bessel à partir du faisceau laser gaussien, ledit faisceau laser modulé de type Bessel ayant un point d’impact allongé selon une direction parallèle à l’axe optique, le point d’impact allongé ayant une largeur et une profondeur supérieure à la largeur, ledit point d’impact allongé permettant de générer une bulle de gaz oblongue dans le tissu et ainsi le découper sur une profondeur plus grande qu’un faisceau gaussien, • apply to the shaping system, an axiconic modulation instruction in order to produce a modulated laser beam of the Bessel type from the Gaussian laser beam, said modulated laser beam of the Bessel type having an elongated point of impact in a direction parallel to the optical axis, the elongated point of impact having a width and a depth greater than the width, said elongated point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble in the tissue and thus to cut it to a depth greater than a Gaussian beam,
• piloter le scanner optique de balayage pour déplacer le point d’impact allongé du faisceau laser modulé de type Bessel le long d’un autre chemin optique de déplacement pour former successivement une pluralité de bulles de gaz adjacentes, lesdites bulles de gaz constituant le plan de découpe vertical ;
- le plan focal objet du système de focalisation peut être positionné à une distance non nulle du plan focal image du système de mise en forme, de sorte que le point d’impact allongé du faisceau laser modulé de type Bessel comporte : o un anneau focalisé dans le plan focal de l’appareil de découpe, o une ligne de concentration des rayons du faisceau laser modulé de type Bessel s’étendant en dehors du plan focal de l’appareil de découpe, ladite ligne permettant de former la bulle de gaz oblongue, l’anneau ayant une intensité inférieure à l’intensité de la ligne ne permettant pas la formation de bulle de gaz ; driving the scanning optical scanner to move the elongated point of impact of the Bessel-type modulated laser beam along another optical path of movement to successively form a plurality of adjacent gas bubbles, said gas bubbles constituting the plane vertical cutting; - the object focal plane of the focusing system can be positioned at a non-zero distance from the image focal plane of the shaping system, so that the elongated point of impact of the Bessel-type modulated laser beam comprises: o a focused ring in the focal plane of the cutting device, o a line of concentration of the rays of the Bessel-type modulated laser beam extending outside the focal plane of the cutting device, said line making it possible to form the oblong gas bubble , the ring having an intensity lower than the intensity of the line not allowing the formation of a gas bubble;
- l’unité de commande peut être programmée pour piloter le système optique de focalisation de sorte que le plan focal de l’appareil de découpe s’étende, selon l’axe optique, au-dessus de la position souhaitée pour le plan de découpe vertical ; - the control unit can be programmed to control the optical focusing system so that the focal plane of the cutting device extends, along the optical axis, above the desired position for the cutting plane vertical ;
- l’unité de commande peut être programmée pour piloter le système optique de focalisation de sorte que le plan focal de l’appareil de découpe s’étende, selon l’axe optique, au-dessous de la position souhaitée pour le plan de découpe vertical ; - the control unit can be programmed to control the optical focusing system so that the focal plane of the cutting device extends, along the optical axis, below the desired position for the cutting plane vertical ;
- l’appareil de découpe peut être adapté pour réaliser successivement des plans de découpe horizontaux et verticaux de sorte à former des cubes de tissu : o l’unité de commande pilotant la source laser femtoseconde, le système de mise en forme, le scanner optique de balayage, et le système optique de focalisation pour réaliser un plan de découpe horizontal initial, puis o l’unité de commande pilotant la source laser femtoseconde, le système de mise en forme, le scanner optique de balayage, et le système optique de focalisation pour réaliser au moins un plan de découpe vertical situé au-dessus, selon l’axe optique, du plan de découpe horizontal initial, puis o l’unité de commande pilotant la source laser femtoseconde, le système de mise en forme, le scanner optique de balayage, et le système optique de focalisation pour réaliser un plan de découpe horizontal final au- dessus, selon l’axe optique, dudit et au moins un plan de découpe vertical. - the cutting device can be adapted to successively produce horizontal and vertical cutting planes so as to form cubes of fabric: o the control unit controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanner scanning, and the optical focusing system to produce an initial horizontal cutting plane, then o the control unit controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanning scanner, and the optical focusing system to produce at least one vertical cutting plane located above, along the optical axis, the initial horizontal cutting plane, then o the control unit controlling the femtosecond laser source, the shaping system, the optical scanner scanning, and the optical focusing system to produce a final horizontal cutting plane above, along the optical axis, said and at least one vertical cutting plane.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est réalisée ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other characteristics and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is made of it below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended figures, in which:
- la figure 1 est une représentation schématique d’un appareil de découpe décrit dans WO 2016/055539 ; - Figure 1 is a schematic representation of a cutting device described in WO 2016/055539;
- la figure 2 est une représentation schématique de bulles de gaz crées par des points d’impact dans un plan focal de l’appareil de découpe de la figure 1 ,- Figure 2 is a schematic representation of gas bubbles created by points of impact in a focal plane of the cutting device of Figure 1,
- la figure 3 est une représentation schématique de bulles de gaz crées successivement en déplaçant les points d’impact dans le plan focal de l’appareil de découpe de la figure 1 , - Figure 3 is a schematic representation of gas bubbles created successively by moving the points of impact in the focal plane of the cutting device of Figure 1,
- la figure 4 est une représentation schématique d’un plan de découpe horizontal obtenu grâce à l’appareil de découpe de la figure 1 , - Figure 4 is a schematic representation of a horizontal cutting plane obtained using the cutting device of Figure 1,
- la figure 5 est une représentation schématique d’un empilement de plans de découpe horizontaux obtenus grâce à l’appareil de découpe de la figure 1 ,- Figure 5 is a schematic representation of a stack of horizontal cutting planes obtained using the cutting device of Figure 1,
- la figure 6 est une représentation schématique de plans de découpe horizontaux et verticaux, - Figure 6 is a schematic representation of horizontal and vertical cutting planes,
- la figure 7 est une représentation schématique d’un œil d’un patient, - Figure 7 is a schematic representation of a patient's eye,
- la figure 8 est une représentation schématique de points d’impact formés simultanément grâce à un SLM de l’appareil de découpe de la figure 1 , - Figure 8 is a schematic representation of impact points formed simultaneously using an SLM of the cutting device of Figure 1,
- la figure 9 est une représentation schématique d’un appareil de découpe selon l’invention, - Figure 9 is a schematic representation of a cutting device according to the invention,
- la figure 10a est une représentation d’un point d’impact longiligne d’un faisceau de type « Ligne Focale », - Figure 10a is a representation of a slender point of impact of a "Focal Line" type beam,
- la figure 10b illustre schématiquement un premier exemple de modulation de phase de type parabolique, - Figure 10b schematically illustrates a first example of parabolic-type phase modulation,
- la figure 10c illustre schématiquement un deuxième exemple de modulation de type parabolique, - Figure 10c schematically illustrates a second example of parabolic type modulation,
- la figure 11 illustre des exemples de masques de phase paraboliques, - Figure 11 illustrates examples of parabolic phase masks,
- la figure 12a est une image d’un faisceau de type Bessel selon un profil longitudinal, - Figure 12a is an image of a Bessel type beam along a longitudinal profile,
- la figure 12b est une image du faisceau de type Bessel selon un profil transverse,- figure 12b is an image of the Bessel type beam according to a transverse profile,
- la figure 13 est une représentation schématique illustrant la focalisation d’un faisceau non diffractant de type Bessel,
- la figure 14a est une image d’un premier masque de phase permettant d’émuler le comportement d’un axicon négatif sur un SLM de l’appareil de découpe selon l’invention, - Figure 13 is a schematic representation illustrating the focusing of a non-diffracting Bessel type beam, - figure 14a is an image of a first phase mask making it possible to emulate the behavior of a negative axicon on an SLM of the cutting device according to the invention,
- la figure 14b est une image d’un deuxième masque de phase permettant d’émuler le comportement d’un axicon positif sur le SLM de l’appareil de découpe selon l’invention, - figure 14b is an image of a second phase mask making it possible to emulate the behavior of a positive axicon on the SLM of the cutting device according to the invention,
- la figure 15a est une représentation schématique d’un faisceau de type Bessel selon un profil longitudinal, - Figure 15a is a schematic representation of a Bessel type beam along a longitudinal profile,
- la figure 15b est une représentation schématique du faisceau de type Bessel selon un profil transverse, - Figure 15b is a schematic representation of the Bessel type beam according to a transverse profile,
- la figure 16 est un schéma de montage partiel du dispositif de découpe, - Figure 16 is a partial assembly diagram of the cutting device,
- la figure 17 est une représentation schématique d’un faisceau de Bessel,- figure 17 is a schematic representation of a Bessel beam,
- la figure 18a est une représentation schématique d’un pont tissulaire parasite d’un tissu découpé à partir d’un faisceau laser gaussien, - figure 18a is a schematic representation of a parasitic tissue bridge of a tissue cut from a Gaussian laser beam,
- la figure 18b est une représentation schématique d’un pont tissulaire parasite d’un tissu découpé à partir d’un faisceau laser de type « Ligne Focale »,- Figure 18b is a schematic representation of a parasitic tissue bridge of a tissue cut from a "Focal Line" type laser beam,
- la figure 19 est une représentation schématique illustrant la formation d’un plan de découpe vertical à partir d’un faisceau laser gaussien d’une part et d’un faisceau laser de Bessel d’autre part. - Figure 19 is a schematic representation illustrating the formation of a vertical cutting plane from a Gaussian laser beam on the one hand and a Bessel laser beam on the other hand.
EXPOSE DÉTAILLÉ DE L’INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
L’invention concerne un système de découpe d’un tissu humain au moyen d’un laser femtoseconde. Dans la suite de la description, l’invention sera décrite, à titre d’exemple, pour la découpe d’un cristallin d’un œil humain ou animal. The invention relates to a system for cutting human tissue using a femtosecond laser. In the rest of the description, the invention will be described, by way of example, for the cutting of a lens of a human or animal eye.
1. Appareil de découpe 1. Cutting device
En référence à la figure 9, on a illustré un mode de réalisation de l’appareil de découpe selon l’invention. Celui-ci peut être disposé entre une source laser femtoseconde 10 et une cible à traiter 2. Referring to Figure 9, there is illustrated an embodiment of the cutting device according to the invention. This can be arranged between a femtosecond laser source 10 and a target to be treated 2.
La source laser femtoseconde 10 est apte à émettre un faisceau laser gaussien sous la forme d’impulsions. A titre d’exemple, la source laser femtoseconde 10 émet une lumière de 1030 nm de longueur d’onde, sous la forme d’impulsions de 400 femtosecondes. La source laser femtoseconde 10 possède une puissance de 20W et une fréquence de 500 kHz.
La cible 2 est par exemple un tissu humain ou animal à découper tel qu’une cornée ou un cristallin. The femtosecond laser source 10 is capable of emitting a Gaussian laser beam in the form of pulses. By way of example, the femtosecond laser source 10 emits light of 1030 nm wavelength, in the form of 400 femtosecond pulses. The femtosecond laser source 10 has a power of 20 W and a frequency of 500 kHz. The target 2 is for example a human or animal tissue to be cut, such as a cornea or a lens.
L’appareil de découpe comprend : un système de mise en forme 30 positionné sur la trajectoire du faisceau laser 110 issu du laser femtoseconde 10, un scanner optique de balayage 40 en aval du système de mise en forme 30, un système optique de focalisation 50 en aval du scanner optique de balayage 40, et une unité de commande 60. The cutting device comprises: a shaping system 30 positioned on the path of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser 10, an optical scanning scanner 40 downstream of the shaping system 30, an optical focusing system 50 downstream of the scanning optical scanner 40, and a control unit 60.
Le système de mise en forme 30 permet de moduler la phase du faisceau laser 110 issu de la source laser femtoseconde 10. Ce système de mise en forme 30 est avantageusement un composant programmable. The shaping system 30 makes it possible to modulate the phase of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10. This shaping system 30 is advantageously a programmable component.
Le scanner optique de balayage 40 permet d’orienter le faisceau laser modulé en phase 310 issu du système de mise en forme 30 pour déplacer le motif de découpe le long d’un chemin de déplacement prédéfini par l’utilisateur dans le plan focal 101 du système de découpe. The scanning optical scanner 40 makes it possible to direct the phase-modulated laser beam 310 coming from the shaping system 30 to move the cutting pattern along a path of movement predefined by the user in the focal plane 101 of the cutting system.
Le système optique de focalisation 50 permet de déplacer le plan focal 101 - correspondant au plan de découpe - du faisceau laser modulé et dévié 410. The focusing optical system 50 makes it possible to move the focal plane 101 - corresponding to the cutting plane - of the modulated and deflected laser beam 410.
L’unité de commande 60 permet de piloter le système de mise en forme 30, le scanner optique de balayage 40 et le système optique de focalisation 50. The control unit 60 makes it possible to control the shaping system 30, the optical scanning scanner 40 and the optical focusing system 50.
Cet appareil de découpe est adapté pour former des plans de découpe horizontaux et verticaux. En fonction du type de plan de découpe souhaité (vertical ou horizontal), l’unité de commande 60 : This cutting device is suitable for forming horizontal and vertical cutting planes. Depending on the type of cutting plane desired (vertical or horizontal), the control unit 60:
- configure le système de mise en forme pour moduler le faisceau laser 110 en fonction de l’aspect désiré pour les points d’impact, et - configures the shaping system to modulate the laser beam 110 according to the desired aspect for the points of impact, and
- contrôle le scanner optique de balayage 40 et du système optique de focalisation 50 pour générer le plan de découpe souhaité. - controls the scanning optical scanner 40 and the optical focusing system 50 to generate the desired cutting plan.
Comme il sera décrit plus en détails dans la suite, les inventeurs ont développé une solution de configuration originale de l’appareil de découpe pour la formation de plans de découpe horizontaux et verticaux. As will be described in more detail below, the inventors have developed an original configuration solution of the cutting device for the formation of horizontal and vertical cutting planes.
2. Eléments de l’appareil de découpe 2.1. Système de mise en forme
Le système de mise en forme spatiale 30 du faisceau laser permet de faire varier la surface d’onde du faisceau laser 110 en fonction de la forme souhaitée pour le (ou les) point(s) d’impact du faisceau laser modulé. 2. Elements of the cutting device 2.1. shaping system The spatial shaping system 30 of the laser beam makes it possible to vary the wave surface of the laser beam 110 according to the shape desired for the point(s) of impact of the modulated laser beam.
Le système de mise en forme 30 comprend de préférence un modulateur spatial de lumière, connu sous le sigle SLM, de l’acronyme anglais « Spatial Light Modulator ». Le SLM permet de moduler la répartition finale d’énergie du faisceau laser 110 issu de la source laser 10. Le SLM est un dispositif constitué d’une couche de cristaux liquides à orientation contrôlée permettant de façonner d’une manière dynamique le front d’onde, et donc la phase du faisceau laser 110. La couche de cristaux liquides d’un SLM est organisée comme une grille (ou matrice) de pixels. L'épaisseur optique de chaque pixel est contrôlée électriquement par orientation des molécules de cristal liquide appartenant à la surface correspondant au pixel. Le SLM exploite le principe d’anisotropie des cristaux liquides, c’est-à-dire la modification de l’indice des cristaux liquides, en fonction de leur orientation spatiale. L’orientation des cristaux liquides peut être réalisée à l’aide d’un champ électrique. Ainsi, la modification de l’indice des cristaux liquides modifie le front d’onde du faisceau laser. The shaping system 30 preferably comprises a spatial light modulator, known by the acronym SLM, from the English acronym “Spatial Light Modulator”. The SLM makes it possible to modulate the final energy distribution of the laser beam 110 coming from the laser source 10. The SLM is a device consisting of a layer of liquid crystals with controlled orientation making it possible to dynamically shape the front of wave, and therefore the phase of the laser beam 110. The liquid crystal layer of an SLM is organized as a grid (or matrix) of pixels. The optical thickness of each pixel is electrically controlled by orientation of the liquid crystal molecules belonging to the surface corresponding to the pixel. The SLM exploits the principle of anisotropy of liquid crystals, i.e. the modification of the index of liquid crystals, according to their spatial orientation. The orientation of liquid crystals can be achieved using an electric field. Thus, the modification of the index of the liquid crystals modifies the wavefront of the laser beam.
D’une manière connue, le SLM met en oeuvre un masque de phase, c’est-à-dire une carte déterminant comment la phase du faisceau laser 110 doit être modifiée pour obtenir une répartition d’amplitude donnée. Le masque de phase est une image bidimensionnelle dont chaque point est associé à un pixel respectif du SLM. Ce masque de phase permet de piloter l’indice de chaque cristal liquide du SLM en convertissant la valeur associée à chaque point du masque - représentée en niveaux de gris compris entre 0 et 255 (donc du noir au blanc) - en une valeur de commande - représentée en une phase comprise entre 0 et 2TT. Ainsi, le masque de phase est une consigne de modulation affichée sur le SLM pour entraîner en réflexion un déphasage spatial inégal du faisceau laser 110 illuminant le SLM. Bien entendu, l’homme du métier appréciera que la plage de niveau de gris peut varier en fonction du modèle de SLM utilisé. Par exemple dans certains cas, la plage de niveau de gris peut être comprise entre 0 et 220. Une quantification plus précise du niveau d’adressage conduit également à des plages de valeurs plus grande, par exemple 1024 niveaux sur 10bits. In a known way, the SLM implements a phase mask, i.e. a map determining how the phase of the laser beam 110 must be modified to obtain a given amplitude distribution. The phase mask is a two-dimensional image, each point of which is associated with a respective pixel of the SLM. This phase mask makes it possible to control the index of each liquid crystal of the SLM by converting the value associated with each point of the mask - represented in gray levels between 0 and 255 (therefore from black to white) - into a command value - represented in a phase between 0 and 2TT. Thus, the phase mask is a modulation instruction displayed on the SLM to cause in reflection an unequal spatial phase shift of the laser beam 110 illuminating the SLM. Of course, those skilled in the art will appreciate that the gray level range may vary depending on the model of SLM used. For example in some cases, the gray level range can be between 0 and 220. A more precise quantification of the addressing level also leads to larger value ranges, for example 1024 levels on 10 bits.
Différents masques de phase peuvent être appliqués au SLM en fonction du type de plan de découpe que souhaite réaliser l’utilisateur, à savoir : Different phase masks can be applied to the SLM depending on the type of clipping plane that the user wishes to achieve, namely:
- soit un plan de découpe vertical,
- soit un plan de découpe horizontal. - either a vertical cutting plane, - or a horizontal cutting plane.
Pour la réalisation d’un plan de découpe horizontal, le masque de phase utilisé (ci- après dénommé « masque de phase parabolique ») permet d’appliquer une modulation de phase pour dilater ou de contracter l’énergie du faisceau laser selon une seule direction. Plus précisément, l’application d’un masque de phase parabolique permet d’allonger ou de compresser le profil du faisceau laser dans une seule direction pour obtenir un point d’impact longiligne présentant sensiblement la forme d’un segment linéaire. On obtient ainsi un faisceau laser modulé de type « Ligne Focale ». Pour la réalisation d’un plan de découpe vertical, le masque de phase utilisé (ci-après dénommé « masque de phase linéaire conique >>) permet d'appliquer une modulation de phase linéaire avec symétrie de rotation. On obtient ainsi un faisceau laser modulé de type « Bessel ». For the realization of a horizontal cutting plane, the phase mask used (hereinafter referred to as "parabolic phase mask") makes it possible to apply a phase modulation to expand or contract the energy of the laser beam according to a single direction. More specifically, the application of a parabolic phase mask makes it possible to lengthen or compress the profile of the laser beam in a single direction to obtain a slender point of impact substantially in the shape of a linear segment. A modulated laser beam of the “Focal Line” type is thus obtained. For the realization of a vertical cutting plane, the phase mask used (hereinafter referred to as "conical linear phase mask") allows to apply a linear phase modulation with rotational symmetry. A modulated laser beam of the “Bessel” type is thus obtained.
2.1.1. Plan de découpe horizontal 2.1.1. Horizontal cutting plane
En ce qui concerne la découpe d’un plan horizontal, les inventeurs proposent de moduler la phase du faisceau laser 110 issu de la source laser femtoseconde 10 de sorte à produire, en aval du système de mise en forme 30, un faisceau laser modulé 310 de type « Ligne Focale ». With regard to the cutting of a horizontal plane, the inventors propose to modulate the phase of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 so as to produce, downstream of the shaping system 30, a modulated laser beam 310 of the “Focal Line” type.
2. 1.1.1. Faisceau de type << Ligne Focale » 2.1.1.1. "Focal Line" type beam
Un faisceau de type « Ligne Focale » peut être défini mathématiquement comme un faisceau dont la distribution du champ électrique (E) suit cette relation : A "Focal Line" type beam can be mathematically defined as a beam whose distribution of the electric field (E) follows this relationship:
_( x2 + y2n\ _( x 2 + y 2n \
E x,y) = E0e wyn ) E x,y) = E 0 e wyn )
Où Where
- Eo est l’amplitude maximale du champ électrique, - Eo is the maximum amplitude of the electric field,
- wx et wy sont les demi-largeurs en 1/e2 de la distribution du champ électrique selon les directions x et y avec wx < wy, - w x and w y are the half-widths in 1/e 2 of the distribution of the electric field according to the directions x and y with w x < w y ,
- x, y sont les coordonnées transverses horizontale et verticale, - x, y are the transverse horizontal and vertical coordinates,
- n est un entier positif. - n is a positive integer.
Cette relation est définie dans un plan XY transverse à la direction z de propagation de l’onde laser, pour un milieu isotrope. Les dépendances en Z et en temps sont négligées par souci de simplification.
Comme illustré à la figure 10a, le profil correspondant se présente sous la forme d’une ligne 200 d’intensité : This relation is defined in an XY plane transverse to the direction z of propagation of the laser wave, for an isotropic medium. Z and time dependencies are neglected for simplicity. As illustrated in Figure 10a, the corresponding profile is in the form of a line 200 of intensity:
- de longueur « L » égale à 2wy selon la direction y, et - of length "L" equal to 2wy in the direction y, and
- de largeur « / >> égale à 2wx selon x. - of width "/ >> equal to 2wx according to x.
L’uniformité de la ligne d’intensité dépend de l’entier n, définissant l’ordre de l’enveloppe super-gaussienne selon l’axe y. Plus n est grand, plus la distribution d’intensité le long de l’axe y est constante. The uniformity of the intensity line depends on the integer n, defining the order of the super-Gaussian envelope along the y axis. The larger n is, the more constant the intensity distribution along the y-axis.
La figure 10a montre la distribution d’intensité simulée pour un tel faisceau dans le cas ou n=4 et wy = 5*wx. Figure 10a shows the simulated intensity distribution for such a beam in the case where n=4 and wy=5 * wx.
2. 1. 1.2. Masque de phase parabolique pour former un faisceau laser modulé de type << Ligne Focale » 2.1.1.2. Parabolic phase mask to form a modulated laser beam of "Focal Line" type
Il existe différentes techniques pour générer un faisceau de type « Ligne Focale » à partir d’un faisceau laser gaussien. Ces techniques impliquent généralement la mise en oeuvre d’une modulation de phase de type parabolique ou courbure uni-axial.There are different techniques for generating a “Focal Line” type beam from a Gaussian laser beam. These techniques generally involve the implementation of a phase modulation of the parabolic or uniaxial curvature type.
En référence aux figures 10b et 10c, on a illustré un exemple de modulation de phase de type parabolique permettant de former un faisceau de type « Ligne Focale » dans le plan focal à partir d’une lentille cylindrique disposée sur le chemin d’un faisceau laser gaussien collimaté : With reference to FIGS. 10b and 10c, an example of parabolic-type phase modulation has been illustrated making it possible to form a beam of the “Focal Line” type in the focal plane from a cylindrical lens placed on the path of a beam collimated Gaussian laser:
- la figure 10b illustre la formation d’un faisceau de type « Ligne Focale » par dilatation d’un faisceau laser gaussien collimaté, - Figure 10b illustrates the formation of a "Focal Line" type beam by dilation of a collimated Gaussian laser beam,
- la figure 10c illustre la formation d’un faisceau de type « Ligne Focale » par compression d’un faisceau laser gaussien collimaté. - Figure 10c illustrates the formation of a "Focal Line" type beam by compression of a collimated Gaussian laser beam.
Plus précisément, la figure 10b illustre un exemple de modulation de phase de type parabolique en utilisant une lentille cylindrique à plan concave 210. L’utilisation d’une telle lentille permet de « dilater » le faisceau laser 110 (de dimensions 2*wx, 2*wy) selon un axe transverse x de sorte à obtenir un faisceau laser oblong (de dimensions 4*wx et 2*wy) dans le plan focal : la dispersion du faisceau laser 110 se produit uniquement selon l’axe défini par la courbure de la lentille cylindrique (axe x) sans influencer la largeur de la distribution transverse d’intensité le long de l’autre axe transverse (axe y). More precisely, FIG. 10b illustrates an example of parabolic-type phase modulation using a cylindrical lens with a concave plane 210. The use of such a lens makes it possible to “expand” the laser beam 110 (of dimensions 2 * wx, 2 * wy) along a transverse axis x so as to obtain an oblong laser beam (of dimensions 4 * wx and 2 * wy) in the focal plane: the dispersion of the laser beam 110 occurs only along the axis defined by the curvature of the cylindrical lens (x-axis) without influencing the width of the transverse intensity distribution along the other transverse axis (y-axis).
La figure 10c illustre quant à elle un exemple de modulation de phase de type parabolique en utilisant une lentille cylindrique à plan convexe 220. L’utilisation d’une telle lentille permet de « contracter » le faisceau laser 110 (de dimensions 2*wx, 2*wy)
selon un axe transverse x de sorte à obtenir un faisceau laser oblong (de dimensions wx et 2*wy) dans le plan focal : la focalisation du faisceau laser 110 se produit uniquement selon l’axe défini par la courbure de la lentille cylindrique (axe x) sans influencer la largeur de la distribution transverse d’intensité le long de l’autre axe transverse (axe y). Ainsi dans le cas de la figure 10c, au passage de la lentille 220 cylindrique de plan convexe et de focale f, la demi-largeur du faisceau laser collimaté passe de 2*wx, 2*wy à wx, 2*wy au foyer de celle-ci. FIG. 10c illustrates an example of parabolic-type phase modulation using a cylindrical lens with a convex plane 220. The use of such a lens makes it possible to “contract” the laser beam 110 (of dimensions 2 * wx, 2 * wy) along a transverse axis x so as to obtain an oblong laser beam (of dimensions wx and 2 * wy) in the focal plane: the focusing of the laser beam 110 occurs only along the axis defined by the curvature of the cylindrical lens (axis x) without influencing the width of the transverse intensity distribution along the other transverse axis (y-axis). Thus in the case of FIG. 10c, when passing through the cylindrical lens 220 with a convex plane and focal length f, the half-width of the collimated laser beam passes from 2 * wx, 2 * wy to wx, 2 * wy at the focus of this one.
L’utilisation d’une lentille cylindrique permet donc, par modulation de la phase d’un faisceau gaussien, de former un faisceau de type « Ligne Focale » au foyer de la lentille. Les dimensions de cette ligne focale peuvent être ajustée en fonction de la puissance de dispersion (respectivement focalisation) de la lentille. Cette longueur augmente (respectivement cette largeur diminue) quasi-linéairement avec f, dans le cadre de l’approximation paraxiale. The use of a cylindrical lens therefore makes it possible, by modulating the phase of a Gaussian beam, to form a "Focal Line" type beam at the focus of the lens. The dimensions of this focal line can be adjusted according to the power of dispersion (respectively focusing) of the lens. This length increases (respectively this width decreases) quasi-linearly with f, within the framework of the paraxial approximation.
Les inventeurs proposent quant à eux d’utiliser le système de mise en forme 30 incluant le SLM pour générer le faisceau de type « Ligne Focale » afin d’éviter l’utilisation d’un élément optique/mécanique. The inventors for their part propose using the shaping system 30 including the SLM to generate the “Focal Line” type beam in order to avoid the use of an optical/mechanical element.
A cet effet, un masque de phase parabolique (permettant d’émuler une lentille cylindrique) est appliqué au SLM par l’unité de commande 60. Le SLM permet alors une modulation de phase du faisceau laser gaussien 110 issu de la source laser femtoseconde 10. To this end, a parabolic phase mask (making it possible to emulate a cylindrical lens) is applied to the SLM by the control unit 60. The SLM then allows a phase modulation of the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 .
Ainsi en utilisant le même SLM, il devient possible de réaliser : Thus by using the same SLM, it becomes possible to achieve:
- un plan de découpe horizontal composé de points d’impact oblongs, puis- a horizontal cutting plane made up of oblong impact points, then
- des plans de découpe verticaux en modalité faisceau de Bessel, sans changer d’éléments optiques et donc en réduisant considérablement le temps de la procédure chirurgicale, compatible avec une application sur le globe oculaire du patient de moins de 3 minutes. - vertical cutting planes in Bessel beam mode, without changing optical elements and therefore considerably reducing the time of the surgical procedure, compatible with an application on the patient's eyeball of less than 3 minutes.
Deux exemples de masques de phase paraboliques sont illustrés à la figure 11 . Lorsque l’un des premier et deuxième masques de phase paraboliques 221 , 222 est appliqué sur le système de mise en forme 30, le système de mise en forme 30 est capable d’imprimer le profil de phase d’une lentille cylindrique sur le faisceau laser gaussien 110 d’entrée pour obtenir un faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » 310 en sortie du système de mise en forme 30. Two examples of parabolic phase masks are shown in Figure 11. When one of the first and second parabolic phase masks 221, 222 is applied to the shaping system 30, the shaping system 30 is capable of imprinting the phase profile of a cylindrical lens on the beam. input Gaussian laser 110 to obtain a modulated laser beam of the "Focal Line" type 310 at the output of the shaping system 30.
Le premier masque de phase parabolique 221 est défini par la relation suivante : The first parabolic phase mask 221 is defined by the following relation:
<|)i(x)=kx2
où : <|)i(x)=kx 2 where :
- « fi(c) » représente une valeur de consigne appliquée au pixel du SLM d’abscisse « x >> quelle que soit son ordonnée « y » (i.e. invariant selon y),- “fi(c)” represents a set point value applied to the pixel of the SLM with abscissa “x” whatever its ordinate “y” (i.e. invariant along y),
« k » un coefficient positif, et “k” a positive coefficient, and
- « >> l’abscisse correspondant à un pixel du SLM. - " >> the abscissa corresponding to a pixel of the SLM.
Le deuxième masque de phase parabolique 222 est défini par la relation suivante : f2(c) = kx2 + ly2 où : The second parabolic phase mask 222 is defined by the following relationship: f 2 (c) = kx 2 + ly 2 where:
- « få(c) » représente une valeur de consigne appliquée au pixel du SLM d’abscisse « x >> et d’ordonnée « y », - “f å (c)” represents a set point value applied to the pixel of the SLM with abscissa “x” and ordinate “y”,
« k » un coefficient positif, “k” a positive coefficient,
- « / >> est un coefficient positif, - "/ >> is a positive coefficient,
- « x >> l’abscisse correspondant à un pixel du SLM, - "x" the abscissa corresponding to an SLM pixel,
« y » l’ordonnée correspondant à un pixel du SLM. "y" the ordinate corresponding to a pixel of the SLM.
Lorsque l’un des premier et deuxième masques de phase paraboliques illustrés à la figure 11 est appliqué sur le SLM, le système de mise en forme permet de former un faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » (dans le plan focal) à partir du faisceau laser gaussien 110 issu de la source laser femtoseconde 10. On obtient ainsi un faisceau laser modulé présentant une distribution spatiale d’intensité en faisceau de type « Ligne focale » : When one of the first and second parabolic phase masks illustrated in FIG. 11 is applied to the SLM, the shaping system makes it possible to form a modulated laser beam of the "Focal Line" type (in the focal plane) from of the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10. A modulated laser beam is thus obtained having a spatial distribution of intensity in beams of the “focal line” type:
- s’étendant dans un plan transverse à la direction z de propagation de l’onde laser (i.e. plan focal horizontal), et - extending in a plane transverse to the direction z of propagation of the laser wave (i.e. horizontal focal plane), and
- ayant une première dimension (i.e. longueur) supérieure à une deuxième dimension (i.e. largeur). - having a first dimension (i.e. length) greater than a second dimension (i.e. width).
En d’autres termes, la modulation de phase du faisceau laser 110 issu du laser femtoseconde à partir du système de mise en forme 30 sur lequel un masque de phase parabolique est appliqué permet d’obtenir un faisceau laser modulé 310 ayant un point d’impact longiligne dans le plan focal de l’appareil de découpe, ledit point d’impact longiligne permettant de générer une bulle de gaz oblongue dans ledit plan focal de l’appareil de découpe. In other words, the phase modulation of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser from the shaping system 30 on which a parabolic phase mask is applied makes it possible to obtain a modulated laser beam 310 having a point of elongated impact in the focal plane of the cutting device, said elongated point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble in said focal plane of the cutting device.
Le choix des valeurs de niveaux de gris des points du masque de phase parabolique permet d’optimiser les première et deuxième dimensions (i.e. longueur et largeur) du faisceau de type « Ligne focale », et donc le volume dans lequel son énergie est déposée.
Le masque de phase parabolique à appliquer au système de mise en forme 30 pour former un faisceau laser modulé de type « Ligne focale » peut être calculé : The choice of the gray level values of the points of the parabolic phase mask makes it possible to optimize the first and second dimensions (ie length and width) of the “Focal line” type beam, and therefore the volume in which its energy is deposited. The parabolic phase mask to be applied to the shaping system 30 to form a modulated laser beam of the "focal line" type can be calculated:
- en utilisant un algorithme de partition (Vellekoop et Mosk, 2008), - using a partition algorithm (Vellekoop and Mosk, 2008),
- ou tout autre algorithme connu de l’homme du métier, comme par exemple algorithme itératif basé sur la transformée de Fourier, tel qu’un algorithme de type « IFTA », acronyme de l’expression anglo-saxonne « Itérative Fourrier Transform Algorithm ». - or any other algorithm known to those skilled in the art, such as for example an iterative algorithm based on the Fourier transform, such as an “IFTA” type algorithm, acronym for the English expression “Itérative Fourrier Transform Algorithm” .
Dans le cadre de la réalisation de plans horizontaux de bulles de gaz par exemple pour la chirurgie du segment antérieur de l’œil, le faisceau de type « Ligne Focale » permet de générer un plan continu de photo-disruption par déplacement latéral de la distribution d’intensité laser au sein du tissu à découper grâce au scanner optique de balayage 40 illustré sur la figure 9, comme il sera décrit plus en détails dans la suite. In the context of producing horizontal planes of gas bubbles, for example for surgery on the anterior segment of the eye, the "Focal Line" type beam makes it possible to generate a continuous photo-disruption plane by lateral displacement of the distribution of laser intensity within the tissue to be cut using the optical scanning scanner 40 illustrated in FIG. 9, as will be described in more detail below.
2.1.2. Plan de découpe vertical 2.1.2. Vertical cutting plane
En ce qui concerne la découpe d’un plan vertical, les inventeurs proposent de moduler la phase du faisceau laser 110 issu de la source laser femtoseconde 10 de sorte à produire, en aval du système de mise en forme 30, un faisceau laser modulé 310 non diffractant de type Bessel. With regard to the cutting of a vertical plane, the inventors propose to modulate the phase of the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 so as to produce, downstream of the shaping system 30, a modulated laser beam 310 non-diffracting Bessel type.
Un faisceau laser de Bessel est dit « non diffractant » car il possède la propriété de garder un profil constant le long de l'axe optique de propagation du faisceau laser (ci- après dénommé « axe optique >>), contrairement au comportement d’un faisceau laser Gaussien (tel que le faisceau laser 110 issu de la source laser femtoseconde 10) qui se disperse lorsqu’il est focalisé. A Bessel laser beam is said to be "non-diffracting" because it has the property of keeping a constant profile along the optical axis of propagation of the laser beam (hereinafter referred to as "optical axis"), contrary to the behavior of a Gaussian laser beam (such as the laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10) which disperses when it is focused.
Comme il sera décrit plus en détails dans la suite, un faisceau laser de type Bessel permet de former un point d’impact allongé selon la direction z de propagation de l’onde laser. As will be described in more detail below, a Bessel type laser beam makes it possible to form an elongated point of impact along the z direction of propagation of the laser wave.
2. 1.2. 1. Faisceau de Bessel 2.1.2. 1. Bessel bundle
Un faisceau de Bessel d’ordre zéro parfait peut être défini mathématiquement comme un faisceau dont le champ électrique (E) est formellement décrit par la fonction de Bessel d’ordre zéro de première espèce Jo : A perfect zero-order Bessel beam can be mathematically defined as a beam whose electric field (E) is formally described by the zero-order Bessel function of the first kind Jo:
E(r, f, z) AoJo(krr)ejk z z où : E(r, f, z) AoJo(k r r)e jk z z where:
- Ao est l’amplitude du champ électrique,
- kz et kr sont les vecteurs d’onde longitudinal et radial, - Ao is the amplitude of the electric field, - k z and kr are the longitudinal and radial wave vectors,
- z, r, et f sont les composantes longitudinale, radiale, et azimutale. - z, r, and f are the longitudinal, radial, and azimuthal components.
Le profil du faisceau de Bessel est représenté par un pic central d’intensité maximale entouré par des anneaux concentriques de plus faible intensité, tel qu’illustré aux figures 12a et 12b qui sont respectivement des vues de face et de côté d’un faisceau de Bessel relativement à son axe optique. The profile of the Bessel beam is represented by a central peak of maximum intensity surrounded by concentric rings of lower intensity, as illustrated in Figures 12a and 12b which are respectively front and side views of a Bessel beam. Bessel relative to its optical axis.
On observe sur les figures 12a, 12b une propagation avec un profil constant sur une distance de près de 100 pm (image 312, figure 12b) avec un diamètre de la tache de focalisation (image 311 , figure 12a) inférieure à 1 pm. En comparaison, un faisceau gaussien présente généralement un profil de propagation constant sur 20 pm avec un diamètre de tache de focalisation de 1 pm. We observe in FIGS. 12a, 12b a propagation with a constant profile over a distance of nearly 100 μm (image 312, FIG. 12b) with a diameter of the focusing spot (image 311, FIG. 12a) of less than 1 μm. In comparison, a Gaussian beam typically exhibits a constant propagation profile over 20 µm with a focus spot diameter of 1 µm.
En référence à la figure 13, la formation du faisceau de Bessel 313 résulte de l’interférence d’ondes planes dont les vecteurs d’onde forment une surface conique. En théorie, l’extension transverse de la structure annulaire est infinie, ainsi que la distance de propagation non-diffractive. Referring to Figure 13, the formation of the Bessel beam 313 results from the interference of plane waves whose wave vectors form a conical surface. In theory, the transverse extension of the ring structure is infinite, as well as the non-diffractive propagation distance.
En pratique, le faisceau de Bessel expérimental présente une distance de propagation non-diffractive finie ZB le long de l’axe optique du fait de la propagation finie observée en optique et de la quantité limitée d’énergie. Cette distance finie ZB de propagation non diffractive définit une zone de non-diffraction ZND. In practice, the experimental Bessel beam has a finite non-diffractive propagation distance ZB along the optical axis due to the finite propagation observed in optics and the limited amount of energy. This finite non-diffractive propagation distance ZB defines a non-diffraction zone ZND.
Il est admis que ZB » ZR, ZR étant la distance de Rayleigh du faisceau gaussien usuel de taille transverse similaire. En d’autres termes, la profondeur (i.e. dimension selon une direction parallèle à l’axe optique de propagation du faisceau laser) de chaque point d’impact allongé d’un faisceau de Bessel est beaucoup plus grande que la profondeur de chaque point d’impact avec un faisceau laser gaussien (tel que le faisceau laser issu de la source laser femtoseconde). It is assumed that ZB » ZR, ZR being the Rayleigh distance of the usual Gaussian beam of similar transverse size. In other words, the depth (i.e. dimension along a direction parallel to the optical axis of propagation of the laser beam) of each point of elongated impact of a Bessel beam is much greater than the depth of each point d impact with a Gaussian laser beam (such as the laser beam from the femtosecond laser source).
Ainsi, l’utilisation d’un faisceau de Bessel permet de découper une profondeur de tissu beaucoup plus importante qu’avec un faisceau Gaussien. En particulier, à partir d’un seul point d’impact allongé d’un faisceau de Bessel, il est possible de découper un tissu sur une profondeur équivalente à celle de quatre points d’impact superposés d’un faisceau gaussien. Le déplacement, par le scanner optique de balayage, du point d’impact allongé d’un faisceau de Bessel permet de générer un plan de découpe vertical parfaitement vertical quatre fois plus rapidement qu’avec un point d’impact de faisceau gaussien.
De par sa formation spécifique basée sur un front d’onde conique, le faisceau de Bessel présente des propriétés d’auto régénération remarquables, ce qui signifie que le faisceau peut se régénérer lui-même au sein de la zone de non-diffraction ZND après n’importe quel obstacle sur son chemin. Ceci permet d’assurer la qualité de la découpe des plans verticaux en garantissant la formation d’une bulle de gaz étendue à chaque tir de la source laser 10, même lorsqu’une partie du faisceau laser modulé 310 est masquée par un obstacle. Thus, the use of a Bessel beam makes it possible to cut a much greater depth of tissue than with a Gaussian beam. In particular, from a single elongated point of impact of a Bessel beam, it is possible to cut a tissue over a depth equivalent to that of four superimposed points of impact of a Gaussian beam. The displacement, by the scanning optical scanner, of the elongated impact point of a Bessel beam makes it possible to generate a perfectly vertical vertical cutting plane four times faster than with a Gaussian beam impact point. Due to its specific formation based on a conical wavefront, the Bessel beam exhibits remarkable self-regeneration properties, which means that the beam can regenerate itself within the ZND non-diffraction zone after any obstacle in its path. This makes it possible to ensure the quality of the cutting of the vertical planes by guaranteeing the formation of an extended gas bubble with each firing of the laser source 10, even when part of the modulated laser beam 310 is masked by an obstacle.
La génération d’une pluralité de points d’impact à différentes profondeurs à partir d’un faisceau laser modulé multipoints ne permet pas l’obtention d’un plan de découpe vertical de qualité équivalente à celle d’un plan de découpe vertical obtenu à partir d’un faisceau de Bessel. En effet, avec un faisceau laser modulé multipoints permettant la génération de plusieurs points d’impacts le long de l’axe optique, des imperfections dans la modulation de phase génèrent une lumière non contrôlée au niveau d’un plan focal du système optique de focalisation. Cette lumière non contrôlée interfère avec le motif de points d’impact souhaité. Il est donc impossible de contrôler précisément les intensités relatives des points d’impact dans le cas d’un faisceau laser modulé multipoints permettant la génération de plusieurs points d’impacts le long de l’axe optique. The generation of a plurality of impact points at different depths from a multipoint modulated laser beam does not allow obtaining a vertical cutting plane of equivalent quality to that of a vertical cutting plane obtained at from a Bessel bundle. Indeed, with a multipoint modulated laser beam allowing the generation of several impact points along the optical axis, imperfections in the phase modulation generate uncontrolled light at a focal plane of the optical focusing system. . This uncontrolled light interferes with the desired impact point pattern. It is therefore impossible to precisely control the relative intensities of the impact points in the case of a multipoint modulated laser beam allowing the generation of several impact points along the optical axis.
Ainsi, du fait des capacités d’auto régénération du faisceau de Bessel, le point d’impact allongé issu d’un faisceau de Bessel présente un avantage important par rapport aux points d’impacts simultanés formés le long de l’axe optique par un faisceau laser modulé multipoints. Thus, due to the self-regeneration capabilities of the Bessel beam, the elongated point of impact resulting from a Bessel beam has a significant advantage compared to the points of simultaneous impacts formed along the optical axis by a multipoint modulated laser beam.
2. 1.2.2. Masque de phase linéaire conique pour former un faisceau laser modulé de type Bessel 2.1.2.2. Tapered linear phase mask to form a Bessel-like modulated laser beam
Il existe différentes techniques pour générer un faisceau de Bessel à partir d’un faisceau laser gaussien. Ces techniques impliquent généralement une modulation de phase axiconique. There are different techniques to generate a Bessel beam from a Gaussian laser beam. These techniques typically involve axiconic phase modulation.
En particulier, le faisceau de Bessel peut être obtenu en utilisant une lentille conique connue sous le nom « d’axicon ». La lentille conique peut être concave/creux (on parle « d’axicon négatif >>) ou convexe/bombé (on parle « d’axicon positif >>). In particular, the Bessel beam can be obtained by using a conical lens known as an “axicon”. The conical lens can be concave/hollow (we speak of "negative axicon") or convex/domed (we speak of "positive axicon").
Les inventeurs proposent quant à eux d’utiliser le système de mise en forme 30 incluant le SLM pour générer le faisceau de Bessel afin d’éviter l’utilisation d’un élément optique/mécanique. A cet effet, un masque de phase linéaire conique
(permettant d’émuler un axicon) est appliqué au SLM par l’unité de commande 60. Le SLM permet alors une modulation de phase conique du faisceau laser gaussien 110 issu de la source laser femtoseconde 10. Ainsi en utilisant le même SLM, il devient possible de réaliser un plan de découpe horizontal en multipoint, puis des plans de découpe verticaux en modalité faisceau de Bessel sans changer d’éléments optiques et donc en réduisant considérablement le temps de la procédure chirurgicale, compatible avec une application sur le globe oculaire du patient de moins de 3 minutes. Deux exemples de tels masques de phase sont illustrés aux figures 14a et 14b. Lorsque l’un des premier et deuxième masques de phase est appliqué sur le SLM, le SLM est capable d’imprimer le profil de phase d’un axicon sur le faisceau laser gaussien 110 d’entrée pour obtenir un faisceau laser modulé de type Bessel 310 en sortie du système de mise en forme 30. The inventors propose for their part to use the shaping system 30 including the SLM to generate the Bessel beam in order to avoid the use of an optical/mechanical element. For this purpose, a conical linear phase mask (allowing to emulate an axicon) is applied to the SLM by the control unit 60. The SLM then allows a conical phase modulation of the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10. Thus by using the same SLM, it becomes possible to produce a horizontal cutting plane in multipoint, then vertical cutting planes in Bessel beam mode without changing optical elements and therefore considerably reducing the time of the surgical procedure, compatible with an application on the eyeball of the patient less than 3 minutes. Two examples of such phase masks are illustrated in Figures 14a and 14b. When one of the first and second phase masks is applied to the SLM, the SLM is able to imprint the phase profile of an axicon on the input Gaussian laser beam 110 to obtain a modulated Bessel type laser beam 310 at the output of the shaping system 30.
En référence à la figure 14a, le premier masque de phase linéaire conique (référencéReferring to Figure 14a, the first conical linear phase mask (referenced
314) permet d’émuler le comportement d’un axicon négatif (i.e. axicon concave). En référence à la figure 14b, le deuxième masque de phase linéaire conique (référencé314) emulates the behavior of a negative axicon (i.e. concave axicon). Referring to Figure 14b, the second conical linear phase mask (referenced
315) permet d’émuler le comportement d’un axicon positif (i.e. axicon convexe). Ces premier et deuxième masques de phase présentent chacun une symétrie de révolution autour d’un point central de symétrie, le niveau de gris de chaque pixel variant en fonction de la distance entre ledit pixel et le point central de symétrie. 315) emulates the behavior of a positive axicon (i.e. convex axicon). These first and second phase masks each have a symmetry of revolution around a central point of symmetry, the level of gray of each pixel varying according to the distance between said pixel and the central point of symmetry.
Lorsque l’un des masques de phase illustrés aux figures 14a et 14b est appliqué sur le SLM, le système de mise en forme 30 permet de former un faisceau laser modulé de type Bessel 310 (en sortie du système de mise en forme 30) à partir du faisceau laser gaussien 110 issu de la source laser femtoseconde 10 (en entrée du système de mise en forme 30). On obtient ainsi un faisceau laser modulé présentant une distribution spatiale d’intensité en faisceau de Bessel When one of the phase masks illustrated in FIGS. 14a and 14b is applied to the SLM, the shaping system 30 makes it possible to form a modulated laser beam of the Bessel type 310 (at the output of the shaping system 30) at from the Gaussian laser beam 110 coming from the femtosecond laser source 10 (at the input of the shaping system 30). One thus obtains a modulated laser beam having a spatial distribution of intensity in Bessel beam
En référence aux figures 15a et 15b, ce faisceau laser modulé de type Bessel comprend, dans un plan transverse à l’axe optique : With reference to FIGS. 15a and 15b, this Bessel-type modulated laser beam comprises, in a plane transverse to the optical axis:
- une tache centrale 313a d’intensité maximale, et - a central spot 313a of maximum intensity, and
- plusieurs anneaux concentriques 313b, 313c, 313d d’intensité décroissante en fonction de la distance radiale à l’axe optique. - several concentric rings 313b, 313c, 313d of decreasing intensity as a function of the radial distance from the optical axis.
Ce faisceau de Bessel 313 s’étend sur une profondeur L le long de l’axe optique A-A’ (i.e. dans la zone de non diffraction ZND du faisceau de Bessel). Le choix des valeurs de niveaux de gris des points du masque de phase linéaire conique permet d’optimiser
la profondeur L du faisceau de Bessel 313 et donc le volume dans lequel son énergie est déposée. This Bessel beam 313 extends over a depth L along the optical axis A-A' (ie in the non-diffraction zone ZND of the Bessel beam). The choice of the grayscale values of the points of the conical linear phase mask makes it possible to optimize the depth L of the Bessel beam 313 and therefore the volume in which its energy is deposited.
Le masque de phase linéaire conique à appliquer au SLM du système de mise en forme pour former un faisceau laser modulé de Bessel peut être calculé : The conical linear phase mask to be applied to the SLM of the shaping system to form a modulated Bessel laser beam can be calculated:
- en utilisant un algorithme de partition (Vellekoop et Mosk, 2008), - using a partition algorithm (Vellekoop and Mosk, 2008),
- ou tout autre algorithme connu de l’homme du métier. - or any other algorithm known to those skilled in the art.
2.1.2.3. Montage de l’appareil de découpe dans le cadre de la découpe d’un tissu à partir d’un faisceau laser modulé de type Bessel 2.1.2.3. Assembly of the cutting device in the context of the cutting of a fabric from a modulated laser beam of the Bessel type
On a illustré à la figure 16 un schéma de montage de l’appareil de découpe. Ce schéma de montage est partiel en ce qu’il ne fait pas apparaître la source laser femtoseconde, et le scanner optique de balayage. Par ailleurs dans cette figure 16, le système optique de focalisation 50 (dans son ensemble) est représenté par une lentille équivalente 51 , étant bien entendu pour l’homme du métier que le système optique de focalisation 50 ne consiste pas uniquement en une lentille fixe. Figure 16 shows an assembly diagram of the cutting device. This assembly diagram is partial in that it does not show the femtosecond laser source, and the optical scanning scanner. Furthermore in this figure 16, the optical focusing system 50 (as a whole) is represented by an equivalent lens 51, it being understood for those skilled in the art that the optical focusing system 50 does not consist solely of a fixed lens .
En référence à la figure 16, le faisceau de Bessel est formé juste après le plan de modulation de phase conique, c’est-à-dire juste après le SLM du système de mise en forme 30. Le SLM simulant une lentille conique (axicon négatif ou positif), la tache centrale d’intensité maximale du faisceau de Bessel se forme dans le plan focal image 32 du SLM. Referring to Figure 16, the Bessel beam is formed just after the conical phase modulation plane, i.e., just after the SLM of the shaping system 30. The SLM simulating a conical lens (axicon negative or positive), the central spot of maximum intensity of the Bessel beam forms in the focal plane image 32 of the SLM.
La lentille équivalente 51 du système optique de focalisation 50 est disposé en aval du système de mise en forme 30, et est agencée de sorte que le plan focal objet 52 de la lentille équivalente s’étend à une distance non nulle du plan focal image 32 du système de mise en forme 30 long de l’axe optique. The equivalent lens 51 of the focusing optical system 50 is arranged downstream of the shaping system 30, and is arranged so that the object focal plane 52 of the equivalent lens extends at a non-zero distance from the image focal plane 32 of the shaping system 30 along the optical axis.
Ainsi, le plan focal objet 52 de la lentille équivalente 51 du système optique de focalisation 50 s’étend en dehors de la zone de non-diffraction ZND du faisceau de Bessel, de sorte qu’en sortie du système de découpe, un point d’impact allongé tel qu’illustré à la figure 17 est obtenu. Ce point d’impact allongé est composé : Thus, the object focal plane 52 of the equivalent lens 51 of the optical focusing system 50 extends outside the non-diffraction zone ZND of the Bessel beam, so that at the output of the cutting system, a point d elongated impact as shown in Figure 17 is obtained. This elongated point of impact is composed of:
- d’un anneau de Bessel 33a focalisé au plan focal image 53 de la lentille équivalente 51 (correspondant au plan focal de l’appareil de découpe), - a Bessel ring 33a focused on the image focal plane 53 of the equivalent lens 51 (corresponding to the focal plane of the cutting device),
- d’une ligne 33b de concentration des rayons du faisceau de Bessel - correspondant à l’image de la zone de non-diffraction ZND - ladite ligne 33b se formant en dehors du plan focal image 53 de la lentille équivalente 51 .
Dans le cadre de la présente invention, c’est la ligne de concentration 33b du point d’impact allongé qui est utilisée pour réaliser le plan de découpe vertical (l’énergie contenu dans l’anneau de Bessel n’est pas suffisante pour former une bulle de gaz). La ligne 33b de concentration des rayons peut se former soit avant, soit après l’anneau 33a, en fonction du signe de la modulation de phase. En d’autres termes la position de la ligne 33b relativement à l’anneau 33a dépend du type d’axicon (positif ou négatif) émulé grâce au masque de phase linéaire conique. - a line 33b of concentration of the rays of the Bessel beam - corresponding to the image of the non-diffraction zone ZND - said line 33b forming outside the image focal plane 53 of the equivalent lens 51 . In the context of the present invention, it is the concentration line 33b of the elongated point of impact which is used to produce the vertical cutting plane (the energy contained in the Bessel ring is not sufficient to form a gas bubble). The ray concentration line 33b can form either before or after the ring 33a, depending on the sign of the phase modulation. In other words, the position of line 33b relative to ring 33a depends on the type of axicon (positive or negative) emulated thanks to the conical linear phase mask.
Comme la zone de non-diffraction ZND de Bessel (i.e. la ligne 33b) est déplacée en dehors du plan focal du système de découpe, aucune interférence ne se produit avec la lumière non modulée. Ceci permet un meilleur contrôle du profile d’intensité sans pertes d’énergie lié au filtrage du faisceau. As Bessel's ZND non-diffraction zone (i.e. line 33b) is moved outside the focal plane of the cutting system, no interference occurs with unmodulated light. This allows better control of the intensity profile without energy losses due to beam filtering.
2.2. Scanner optique de balayage 2.2. Scanning optical scanner
Le scanner optique de balayage 40 permet de dévier le faisceau laser modulé (de type « Ligne Focale » ou « Bessel ») 310 de sorte à déplacer le (ou les) point(s) d’impact en une pluralité de positions 43a-43c dans le plan de découpe. The optical scanning scanner 40 makes it possible to deflect the modulated laser beam (“Focal Line” or “Bessel” type) 310 so as to move the point(s) of impact into a plurality of positions 43a-43c in the cutting plane.
Le scanner optique de balayage 40 comprend : The 40 Scanning Optical Scanner includes:
- un orifice d’entrée pour recevoir le faisceau laser modulé en phase 31 issu de l’unité de mise en forme 30, - an inlet orifice to receive the phase modulated laser beam 31 coming from the shaping unit 30,
- un (ou plusieurs) miroir(s) optique(s) pivotant autour d’au moins deux axes pour dévier le faisceau laser modulé en phase 310, et - one (or more) optical mirror(s) pivoting around at least two axes to deflect the phase modulated laser beam 310, and
- un orifice de sortie pour envoyer le faisceau laser modulé dévié 410 vers le système optique de focalisation 50. - an exit orifice to send the deflected modulated laser beam 410 to the focusing optical system 50.
Le scanner optique 40 utilisé est par exemple une tête de balayage IntelliScan III de la société SCANLAB AG. The optical scanner 40 used is for example an IntelliScan III scanning head from SCANLAB AG.
Les orifices d’entrée et de sortie d’un tel scanner optique 40 présentent un diamètre de l’ordre de 10 à 20 millimètres, et les vitesses de balayage atteignables sont de l'ordre de 1 m/s à 10m/s. The entry and exit orifices of such an optical scanner 40 have a diameter of the order of 10 to 20 millimeters, and the attainable scanning speeds are of the order of 1 m/s to 10 m/s.
Le (ou les) miroir(s) est (sont) connecté(s) à un (ou des) moteur(s) pour permettre leur pivotement. Ce(s) moteur(s) pour le pivotement du (ou des) miroir(s) est (sont) avantageusement piloté(s) par l’unité de l’unité de commande 60 qui sera décrite plus en détails dans la suite.
L’unité de commande 60 est programmée pour piloter le scanner optique de balayage 40 de sorte à déplacer le point d’impact le long d’un chemin de déplacement contenu dans le plan de découpe. The mirror(s) is (are) connected to one (or more) motor(s) to allow their pivoting. This (these) motor(s) for pivoting the mirror(s) is (are) advantageously controlled by the unit of the control unit 60 which will be described in more detail below. The control unit 60 is programmed to control the scanning optical scanner 40 so as to move the point of impact along a path of movement contained in the cutting plane.
Dans le cas d’un plan de découpe horizontal, le chemin de déplacement comprend une pluralité de segments de découpe. Le chemin de déplacement peut avantageusement présenter une forme de créneau. In the case of a horizontal clipping plane, the motion path includes a plurality of clipping segments. The displacement path can advantageously have the shape of a slot.
Dans le cas d’un plan de découpe vertical, le chemin de déplacement comprend un segment. Dans ce cas, l’unité de commande 60 peut être configurée pour commander au scanner optique 40 un déplacement en va et vient du point d’impact allongé de Bessel pour découper le plan de découpe sur toute sa profondeur. Par exemple, si le scanner optique 40 débute le segment par la gauche, il débutera ce segment par la droite au retour, puis par la gauche, puis par la droite et ainsi de suite sur toute la hauteur du plan de découpe. In the case of a vertical clipping plane, the motion path includes a segment. In this case, the control unit 60 can be configured to command the optical scanner 40 to move back and forth from the elongated point of impact of Bessel to cut the cutting plane over its entire depth. For example, if the optical scanner 40 starts the segment from the left, it will start this segment from the right on the way back, then from the left, then from the right and so on over the entire height of the cutting plane.
Avantageusement, l’unité de commande 60 peut être programmée pour activer le laser femtoseconde 10 lorsque la vitesse de balayage du scanner optique 40 est supérieure à une valeur seuil. Ceci permet de synchroniser l’émission du faisceau laser 110 avec le balayage du scanner optique de balayage 40. Plus précisément, l’unité de commande 60 active le laser femtoseconde 10 lorsque la vitesse de pivotement du (ou des) miroir(s) du scanner optique 40 est constante. Ceci permet d’améliorer la qualité de découpe par la réalisation d’un surfaçage homogène du plan de découpe. Advantageously, the control unit 60 can be programmed to activate the femtosecond laser 10 when the scanning speed of the optical scanner 40 is greater than a threshold value. This makes it possible to synchronize the emission of the laser beam 110 with the scanning of the optical scanning scanner 40. More precisely, the control unit 60 activates the femtosecond laser 10 when the pivoting speed of the mirror(s) of the optical scanner 40 is constant. This makes it possible to improve the cutting quality by producing a homogeneous surfacing of the cutting plane.
2.3. Système optique de focalisation 2.3. Focusing optical system
Le système optique de focalisation 50 permet de déplacer le plan focal de l’appareil de découpe en fonction du type de plan de découpe à réaliser. The optical focusing system 50 makes it possible to move the focal plane of the cutting device according to the type of cutting plane to be produced.
Le système optique de focalisation 50 comprend : The focusing optical system 50 comprises:
- un orifice d’entrée pour recevoir le faisceau laser modulé en phase et dévié issu du scanner optique de balayage 40, - an inlet orifice to receive the phase-modulated and deflected laser beam coming from the optical scanning scanner 40,
- une (ou plusieurs) lentille(s) motorisée(s) pour permettre son (leur) déplacement en translation le long du chemin optique du faisceau laser modulé et dévié, et- one (or more) motorized lens(es) to allow its (their) translational movement along the optical path of the modulated and deflected laser beam, and
- un orifice de sortie pour envoyer le faisceau laser focalisé vers le tissu à traiter. La (ou les) lentilles utilisées avec le système optique de focalisation 50 peuvent être des lentilles f-thêta ou des lentilles télécentriques. Les lentilles f-thêta et télécentriques permettent d'obtenir un plan de focalisation sur tout le champ XY, contrairement aux lentilles standard pour lesquelles il est courbe. Cela permet de garantir une taille de
faisceau focalisé constante sur tout le champ. Pour les lentilles f-thêta, la position du faisceau est directement proportionnelle à l'angle appliqué par le scanner tandis que le faisceau est toujours normal à l'échantillon pour les lentilles télécentriques. - an exit orifice to send the focused laser beam towards the tissue to be treated. The lens(es) used with the focusing optical system 50 can be f-theta lenses or telecentric lenses. Both f-theta and telecentric lenses achieve a plane of focus over the entire XY field, unlike standard lenses for which it is curved. This guarantees a size of constant focused beam over the entire field. For f-theta lenses, the position of the beam is directly proportional to the angle applied by the scanner while the beam is always normal to the sample for telecentric lenses.
L’unité de commande 60 est programmée pour piloter le déplacement de la (ou des) lentille(s) du système optique de focalisation 50 de sorte à déplacer le plan focal de l’appareil de découpe en fonction du type de plan de découpe à réaliser. The control unit 60 is programmed to control the movement of the lens(es) of the optical focusing system 50 so as to move the focal plane of the cutting device according to the type of cutting plane to be achieve.
Dans le cas d’un plan de découpe horizontal, le plan de découpe correspond au plan focal de l’appareil de découpe. L’unité de commande 60 pilote le déplacement de la (ou des) lentille(s) du système optique de focalisation 50 pour focaliser le faisceau laser modulé et dévié 410 à une profondeur désirée correspondant à la profondeur du plan de découpe à réaliser. In the case of a horizontal cutting plane, the cutting plane corresponds to the focal plane of the cutting device. The control unit 60 controls the movement of the lens(es) of the optical focusing system 50 to focus the modulated and deflected laser beam 410 to a desired depth corresponding to the depth of the cutting plane to be produced.
Dans le cas d’un plan de découpe horizontal, le plan de découpe est confondu avec le plan focal de l’appareil de découpe. In the case of a horizontal cutting plane, the cutting plane coincides with the focal plane of the cutting device.
Dans le cas d’un plan de découpe vertical, le plan de découpe peut être situé : In the case of a vertical cutting plane, the cutting plane can be located:
- au-dessous du plan focal de l’appareil de découpe dans le cas où le masque de phase linéaire conique utilisé permet au SLM d’émuler un axicon positif (l’anneau de Bessel 33a est situé au-dessus de la ligne de concentration 33b utilisée pour réaliser la découpe), dans ce cas l’unité de commande 60 pilote le système optique de focalisation 50 pour focaliser le faisceau laser modulé et dévié 410 à une profondeur désirée supérieure à la profondeur du plan de découpe à réaliser (afin que la ligne de concentration 33b du point d’impact allongé soit localisée à la profondeur du plan de découpe à réaliser), - below the focal plane of the cutting device in the case where the conical linear phase mask used allows the SLM to emulate a positive axicon (the Bessel ring 33a is located above the concentration line 33b used to make the cut), in this case the control unit 60 controls the optical focusing system 50 to focus the modulated and deflected laser beam 410 to a desired depth greater than the depth of the cutting plane to be made (so that the concentration line 33b of the elongated point of impact is located at the depth of the cutting plane to be produced),
- au-dessus du plan focal de l’appareil de découpe dans le cas où le masque de phase linéaire conique utilisé permet au SLM d’émuler un axicon négatif (l’anneau de Bessel 33a est situé au-dessous de la ligne de concentration 33b utilisée pour réaliser la découpe) dans ce cas l’unité de commande 60 pilote le système optique de focalisation 50 pour focaliser le faisceau laser modulé et dévié 410 à une profondeur désirée inférieure à la profondeur du plan de découpe à réaliser (afin que la ligne de concentration 33b du point d’impact allongé soit localisée à la profondeur du plan de découpe à réaliser). - above the focal plane of the cutting device in the case where the conical linear phase mask used allows the SLM to emulate a negative axicon (the Bessel ring 33a is located below the concentration line 33b used to make the cut) in this case the control unit 60 controls the optical focusing system 50 to focus the modulated and deflected laser beam 410 at a desired depth less than the depth of the cutting plane to be made (so that the concentration line 33b of the elongated point of impact is located at the depth of the cutting plane to be produced).
Enfin, l’unité de commande 60 peut être programmée pour piloter le scanner optique de balayage 40 de sorte à faire varier l’aire découpée dans le plan focal entre deux plans de découpe successifs. Ceci permet de faire varier la forme du volume finalement découpé en fonction de l’application visée.
De préférence, la distance entre deux plans de découpe successifs est comprise entre 2 pm et 500 miti, et notamment : Finally, the control unit 60 can be programmed to drive the optical scanning scanner 40 so as to vary the area cut in the focal plane between two successive cutting planes. This makes it possible to vary the shape of the volume finally cut according to the intended application. Preferably, the distance between two successive cutting planes is between 2 μm and 500 miti, and in particular:
- entre 2 et 20pm pour traiter un volume nécessitant une grande précision, par exemple en chirurgie réfractive, avec de préférence un espacement compris entre 5 et 10pm, ou - between 2 and 20 pm to treat a volume requiring high precision, for example in refractive surgery, preferably with a spacing of between 5 and 10 pm, or
- entre 20 et 500pm pour traiter un volume ne nécessitant pas une grande précision, comme par exemple pour détruire la partie centrale d’un noyau cristallinien, avec de préférence un espacement compris entre 50 et 300pm.- between 20 and 500pm to treat a volume that does not require great precision, such as for example to destroy the central part of a lens nucleus, preferably with a spacing between 50 and 300pm.
Bien entendu, cette distance peut varier dans un volume composé d’un empilement de plans de découpe. Of course, this distance can vary in a volume composed of a stack of cutting planes.
2.4. Unité de commande 2.4. Control unit
Comme indiqué précédemment, l’unité de commande 60 permet de contrôler les différents éléments constituant l’appareil de découpe, à savoir la source laser femtoseconde 10, le système de mise en forme 30, le scanner optique de balayage 40 et le système optique de focalisation 50. As indicated previously, the control unit 60 makes it possible to control the various elements constituting the cutting device, namely the femtosecond laser source 10, the shaping system 30, the optical scanning scanner 40 and the optical system of focus 50.
L’unité de commande 60 est connectée à ces différents éléments par l’intermédiaire d’un (ou plusieurs) bus de communication permettant : The control unit 60 is connected to these different elements via one (or more) communication bus allowing:
- la transmission de signaux de commande tels que - the transmission of control signals such as
• le signal d’activation à la source laser femtoseconde 10, • the activation signal to the femtosecond laser source 10,
• le masque de phase au système de mise en forme 30, • the phase mask to the shaping system 30,
• la vitesse de balayage au scanner optique de balayage 40, • the scanning speed at the 40 scan optical scanner,
• la position du scanner optique de balayage 40 le long du chemin de déplacement, • the position of the scanning optical scanner 40 along the path of movement,
• la profondeur de découpe au système optique de focalisation 50. • the depth of cut to the optical focusing system 50.
- la réception de données de mesure issues des différents éléments du système tels que - the reception of measurement data from the various elements of the system such as
• la vitesse de balayage atteinte par le scanner optique, ou • the scanning speed reached by the optical scanner, or
• la position du système optique de focalisation, etc. • the position of the focusing optical system, etc.;
L’unité de commande 60 peut être composée d’une (ou plusieurs) station(s) de travail, et/ou d’un (ou plusieurs) ordinateur(s) ou peut être de tout autre type connu de l’homme du métier. L’unité de commande 60 peut par exemple comprendre un
téléphone portable, une tablette électronique (tel qu’un IPAD®), un assistant personnel (ou « PDA », sigle de l’expression anglo-saxonne « Personal Digital Assistant >>), etc. Dans tous les cas, l’unité de commande 60 comprend un processeur programmé pour permettre le pilotage de la source laser femtoseconde 10, du système de mise en forme 30, du scanner optique de balayage 40, du système optique de focalisation 50, etc. The control unit 60 may be composed of one (or more) workstation(s), and/or one (or more) computer(s) or may be of any other type known to those skilled in the art. job. The control unit 60 can for example comprise a mobile phone, an electronic tablet (such as an IPAD®), a personal assistant (or "PDA", acronym for the English expression "Personal Digital Assistant"), etc. In all cases, the control unit 60 comprises a processor programmed to allow the control of the femtosecond laser source 10, of the shaping system 30, of the optical scanning scanner 40, of the optical focusing system 50, etc.
Avantageusement, l’unité de commande 60 est programmée pour faire varier la forme du faisceau laser modulé entre deux plans de découpe successifs, notamment entre un plan de découpe horizontal et un plan de découpe vertical. Advantageously, the control unit 60 is programmed to vary the shape of the modulated laser beam between two successive cutting planes, in particular between a horizontal cutting plane and a vertical cutting plane.
2.5. Principe de fonctionnement 2.5. Principle of operation
On va maintenant décrire plus en détails le principe de fonctionnement de l’appareil de découpe en référence à la destruction d’un cristallin dans le cadre d’une opération de la cataracte. We will now describe in more detail the principle of operation of the cutting device with reference to the destruction of a lens in the context of a cataract operation.
Pour partitionner le cristallin en cubes susceptibles d’être aspirés par une canule d’aspiration, des plans de découpe horizontaux et verticaux sont formés en commençant par le plan de découpe horizontal le plus profond dans le cristallin et en empilant les plans de découpe verticaux et horizontaux successifs jusqu’au plan de découpe horizontal le plus superficiel dans le cristallin. To partition the lens into cubes suitable for aspiration by a suction cannula, horizontal and vertical cutting planes are formed starting with the horizontal cutting plane deepest in the lens and stacking the vertical cutting planes and successive horizontals to the most superficial horizontal cutting plane in the lens.
Dans une première étape, le plan de découpe horizontal le plus profond est réalisé. L’unité de commande 60 : In a first step, the deepest horizontal cutting plane is made. The control unit 60:
- applique un masque de phase parabolique au système de mise en forme 30 pour produire un faisceau laser modulé de type « Ligne Focale », - applies a parabolic phase mask to the shaping system 30 to produce a modulated laser beam of the "Focal Line" type,
- commande le déplacement du système de focalisation 50 pour faire coïncider le plan focal de l’appareil de découpe avec le plan de découpe le plus profond souhaité, - controls the movement of the focusing system 50 to make the focal plane of the cutting device coincide with the desired deepest cutting plane,
- active la source laser femtoseconde 10, et - activates the femtosecond laser source 10, and
- pilote le déplacement du scanner optique de balayage 40 le long du chemin optique (par exemple en créneau). - Controls the displacement of the optical scanning scanner 40 along the optical path (for example in crenel).
Une succession de tirs sont réalisés dans le plan focal de l’appareil de découpe. A chaque tir, un point d’impact longiligne (i.e. dont la longueur est supérieure à la largeur) focalise dans le plan focal. Ce point d’impact longiligne forme une bulle de gaz oblongue selon une direction transverse à l’axe de propagation z du faisceau laser modulé. Le scanner optique de balayage 40 permet de déplacer le point d’impact
longiligne dans le plan focal entre chaque tir. Lorsque toute la surface du plan de découpe horizontal est recouverte de bulles de gaz, le plan de découpe horizontal est finalisé. A succession of shots are made in the focal plane of the cutting device. With each shot, a slender point of impact (ie whose length is greater than the width) focuses in the focal plane. This slender point of impact forms an oblong gas bubble in a direction transverse to the axis of propagation z of the modulated laser beam. 40-scan optical scanner allows the point of impact to be moved slender in the focal plane between each shot. When the entire surface of the horizontal cutting plane is covered with gas bubbles, the horizontal cutting plane is finalized.
Dans une deuxième étape, plusieurs plans de découpe verticaux adjacents sont réalisés avec l’appareil de découpe. Pour chaque plan de découpe vertical, l’unité de commande 60 : In a second step, several adjacent vertical cutting planes are made with the cutting device. For each vertical cutting plane, the control unit 60:
- applique un masque de phase linéaire conique au système de mise en forme 30 pour produire un faisceau laser modulé de type « Bessel », - applies a conical linear phase mask to the shaping system 30 to produce a modulated laser beam of the “Bessel” type,
- commande le déplacement du système de focalisation 50 pour positionner la ligne de concentration 33b du point d’impact allongé dans le plan de découpe (le plan de focalisation étant au-dessus ou en dessous du plan de découpe selon que l’axicon émulé sur le système de mise en forme 30 est un axicon positif ou un axicon négatif), - controls the movement of the focusing system 50 to position the line of concentration 33b of the elongated point of impact in the cutting plane (the focusing plane being above or below the cutting plane depending on whether the axicon emulated on the shaping system 30 is a positive axicon or a negative axicon),
- active la source laser femtoseconde 10, et - activates the femtosecond laser source 10, and
- pilote le déplacement du scanner optique de balayage 40 le long du chemin optique (par exemple un segment). - controls the displacement of the scanning optical scanner 40 along the optical path (for example a segment).
Une succession de tirs sont réalisés. A chaque tir, un point d’impact allongé se forme, ce point d’impact allongé incluant : A succession of shots are made. With each shot, an elongated point of impact is formed, this elongated point of impact including:
- un anneau 33a de faible intensité situé dans le plan focal de l’appareil de découpe, - a low intensity ring 33a located in the focal plane of the cutting device,
- une ligne de concentration 33b de forte intensité située sur/sous le plan focal de l’appareil de découpe. - a high intensity concentration line 33b located on/under the focal plane of the cutting device.
Chaque point d’impact allongé forme une bulle de gaz oblongue selon l’axe optique de propagation du faisceau laser modulé. Le scanner optique permet de déplacer le point d’impact allongé sous/sur le plan focal entre chaque tir. Lorsque tout le chemin de déplacement est recouvert de bulles de gaz, le plan de découpe vertical est finalisé.Each elongated point of impact forms an oblong gas bubble along the optical axis of propagation of the modulated laser beam. The optical scanner allows the elongated point of impact to be moved under/over the focal plane between each shot. When the entire path of travel is covered with gas bubbles, the vertical cutting plane is finalized.
Si la profondeur de la ligne 33b de concentration est inférieure à la profondeur souhaitée pour le plan de découpe vertical, alors l’unité de commande 60 peut contrôler le scanner optique de balayage 40 et le système optique de focalisation 50 pour déplacer en aller-retour le point d’impact allongé le long du chemin optique en faisant varier la profondeur du plan focal de l’appareil de découpe entre l’aller et le retour. If the depth of focus line 33b is less than the desired depth for the vertical cutting plane, then control unit 60 can control scanning optical scanner 40 and focusing optical system 50 to move back and forth the point of impact elongated along the optical path by varying the depth of the focal plane of the cutter between outward and return.
On obtient ainsi plusieurs plans de découpe verticaux au-dessus du plan de découpe horizontal initial.
Dans une troisième étape, un plan horizontal supérieur est réalisé pour coiffer les plans de découpe verticaux. Ce plan de découpe horizontal est réalisé selon la même méthode que celle décrite en référence à la première étape. Several vertical cutting planes are thus obtained above the initial horizontal cutting plane. In a third step, an upper horizontal plane is made to cap the vertical cutting planes. This horizontal cutting plane is produced using the same method as that described with reference to the first step.
On obtient ainsi des cubes de cristallin définis entre les plans horizontaux et verticaux réalisés aux première deuxième et troisième étapes. In this way, crystallin cubes defined between the horizontal and vertical planes produced in the first, second and third steps are obtained.
Celles-ci peuvent être réitérées pour réaliser un empilement de cubes de cristallin. These can be repeated to make a stack of crystalline cubes.
3. Conclusions 3. Conclusions
3. 1. Avantage associé à la génération d’un faisceau de type << Ligne Focale » La réalisation d’un plan de découpe horizontal à partir d’un faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » permet de maximiser les chances de photo-disruption du tissu 2 par rapport à un plan de découpe horizontal réalisé à partir d’un faisceau laser gaussien permettant de générer un (ou plusieurs) point(s) d’impact circulaire(s). 3. 1. Advantage associated with the generation of a "Focal Line" type beam The production of a horizontal cutting plane from a "Focal Line" type modulated laser beam makes it possible to maximize the chances of a photo -disruption of the fabric 2 with respect to a horizontal cutting plane produced from a Gaussian laser beam making it possible to generate one (or more) point(s) of circular impact(s).
En effet, le principe de photo-disruption du tissu 2 par impulsions laser ultrabrèves dépend de mécanismes d’absorption non linéaires fortement dépendant des propriétés optiques et physiques du tissu irradié. Indeed, the principle of photodisruption of tissue 2 by ultrashort laser pulses depends on nonlinear absorption mechanisms that are highly dependent on the optical and physical properties of the irradiated tissue.
Or, le tissu 2 irradié peut localement présenter des propriétés optiques et physiques inhomogènes, de sorte qu’une zone 21 du tissu 2 peut être moins absorbante localement, et empêcher la formation d’une bulle de gaz lorsqu’elle est irradiée. However, the irradiated fabric 2 can locally present inhomogeneous optical and physical properties, so that an area 21 of the fabric 2 can be less absorbent locally, and prevent the formation of a gas bubble when it is irradiated.
Dans le cas d’irradiation par un faisceau gaussien permettant de générer un (ou plusieurs) point(s) d’impact circulaire(s), ce phénomène peut laisser un pont tissulaire parasite 22 de taille P1 égale à deux fois la séparation des points d’impact, comme illustré à la figure 18a. Cette taille importante du pont tissulaire parasite 22 peut rendre difficile l’opération de dissection du tissu réalisée ultérieurement par le praticien à l’aide d’un outil. In the case of irradiation by a Gaussian beam making it possible to generate one (or more) point(s) of circular impact(s), this phenomenon can leave a parasitic tissue bridge 22 of size P1 equal to twice the separation of the points impact, as shown in Figure 18a. This large size of the parasitic tissue bridge 22 can make it difficult for the practitioner to subsequently dissect the tissue using a tool.
Dans le cas d’une irradiation par faisceau de type « Ligne Focale » permettant de générer un point d’impact longiligne (i.e. dont la longueur est supérieure à la largeur), le pont tissulaire 22 est strictement circonscrit à la zone 21 moins absorbante, comme illustré sur la figure 18b. Ceci permet de diminuer la taille P2 du pont tissulaire parasite 22, et donc de faciliter l’opération de dissection du tissu 2 réalisée ultérieurement par le praticien à l’aide d’un outil. In the case of beam irradiation of the “Focal Line” type making it possible to generate a slender point of impact (i.e. whose length is greater than the width), the tissue bridge 22 is strictly circumscribed to the less absorbent zone 21, as shown in Figure 18b. This makes it possible to reduce the size P2 of the parasitic tissue bridge 22, and therefore to facilitate the operation of dissection of the tissue 2 subsequently carried out by the practitioner using a tool.
3.2. Avantages associés à l’utilisation d’un faisceau de type Bessel
Comme indiqué précédemment, il est possible de découper une profondeur de tissu beaucoup plus importante avec un faisceau de Bessel, ce qui permet de générer un plan de découpe beaucoup plus rapidement qu’avec un faisceau Gaussien. 3.2. Advantages associated with using a Bessel type beam As mentioned previously, it is possible to cut a much greater depth of tissue with a Bessel beam, which makes it possible to generate a cutting plan much faster than with a Gaussian beam.
A titre indicatif, la figure 19 permet de comparer le temps nécessaire à la réalisation d’un plan de découpe vertical : As an indication, figure 19 makes it possible to compare the time required to produce a vertical cutting plan:
- à partir d’un faisceau gaussien d’une part (images 610a à 61 Of), - from a Gaussian beam on the one hand (images 610a to 61 Of),
- à partir d’un faisceau de Bessel d’autre part (images 620a à 620c). - from a Bessel beam on the other hand (images 620a to 620c).
Dans le cas de l’utilisation d’un faisceau Gaussien générant un unique point d’impact circulaire déplacé par le scanner optique de balayage, il est nécessaire de réaliser quatre allers-retours pour former des bulles de gaz qui se superposent pour constituer le plan de découpe. Le temps nécessaire à la réalisation du plan de découpe vertical peut être formulé comme suit : In the case of the use of a Gaussian beam generating a single circular point of impact moved by the optical scanning scanner, it is necessary to perform four return trips to form gas bubbles which are superimposed to constitute the plane cutting. The time required for the realization of the vertical cutting plan can be formulated as follows:
T1 = (8 x t1 ) + (7 x t2) T1 = (8 x t1 ) + (7 x t2)
Où : Where :
- T1 correspond au temp de découpe total, - T1 corresponds to the total cutting time,
- t1 correspond au temps de parcours d’une ligne, - t1 corresponds to the travel time of a line,
- t2 correspond au temps de réalisation d’un demi-tour. - t2 corresponds to the time it takes to perform a U-turn.
En supposant t1 « t2 = t, alors le temps de découpe du plan est égal à 15 t dans le cas d’un faisceau Gaussien. Assuming t1 « t2 = t, then the cutting time of the plane is equal to 15 t in the case of a Gaussian beam.
Dans le cas de l’utilisation d’un faisceau de Bessel, seul un aller-retour est nécessaire pour constituer le plan de découpe. Le temps nécessaire à la réalisation du plan de découpe vertical peut être formulé comme suit : In the case of the use of a beam of Bessel, only a round trip is necessary to constitute the cutting plan. The time required for the realization of the vertical cutting plan can be formulated as follows:
T2 = (2 x t1 ) + (1 x t2) T2 = (2 x t1 ) + (1 x t2)
Où : Where :
- T2 correspond au temp de découpe total - T2 corresponds to the total cutting time
- t1 correspond au temps de parcours d’une ligne - t1 corresponds to the travel time of a line
- t2 correspond au temps de réalisation d’un demi-tour - t2 corresponds to the time it takes to complete a half-turn
En supposant t1 « t2 = t, alors le temps de découpe du plan est égal à 3 t dans le cas d’un faisceau de Bessel. Assuming t1 « t2 = t, then the cutting time of the plane is equal to 3 t in the case of a Bessel beam.
L’utilisation d’un SLM pour mettre en forme un faisceau Gaussien selon une consigne de modulation axiconique pour obtenir un faisceau laser module de Bessel générant un point d’impact allongé permet donc de diminuer d’un facteur cinq le temps nécessaire à la réalisation d’un plan de découpe vertical.
3.3. Conclusion générale The use of an SLM to shape a Gaussian beam according to an axiconic modulation setpoint to obtain a Bessel modulus laser beam generating an elongated point of impact therefore makes it possible to reduce by a factor of five the time required to produce of a vertical cutting plane. 3.3. General conclusion
Ainsi, l’invention permet de disposer d’un outil de découpe tridimensionnelle efficace, contrairement aux outils actuels qui ne savent que réaliser des plans de découpe bidimensionnels (découpes verticales en quartiers ou en bâtonnets sans possibilité de les combiner avec des découpes horizontales dans un temps acceptable). Thus, the invention makes it possible to have an effective three-dimensional cutting tool, unlike current tools which can only produce two-dimensional cutting planes (vertical cuts in quarters or sticks without the possibility of combining them with horizontal cuts in a acceptable time).
En particulier, l’appareil de découpe est configuré pour réaliser une opération de découpe chirurgicale d’une manière rapide et efficace. Le SLM permet de façonner d’une manière dynamique le front d’onde du faisceau laser issu de la source laser femtoseconde puisqu’il est paramétrable numériquement : In particular, the cutting apparatus is configured to perform a surgical cutting operation in a rapid and efficient manner. The SLM makes it possible to dynamically shape the wavefront of the laser beam from the femtosecond laser source since it is digitally configurable:
- les plans de découpe horizontaux sont réalisés en utilisant un masque de phase multipoints, - the horizontal cutting planes are made using a multipoint phase mask,
- les plans de découpe verticaux sont réalisés en utilisant un masque de phase linéaire conique. - the vertical cutting planes are made using a conical linear phase mask.
Le changement de masque de phase étant réalisé en quelques millisecondes, l’enchaînement des plans de découpe successivement horizontaux puis verticaux et ainsi de suite, se fait extrêmement rapidement sans avoir à mobiliser des éléments optiques/mécaniques, ce qui confère à cette invention son caractère unique permettant de découper un cristallin en 10.000 à 20.000 cubes en un temps de l’ordre de 30 secondes, alors qu’il faudrait entre 5 et 10 minutes aux systèmes actuels pour faire l’équivalent, ce qui est bien entendu inacceptable du point de vue du confort et de la sécurité du patient. The change of phase mask being carried out in a few milliseconds, the sequence of successively horizontal then vertical cutting planes and so on, is done extremely quickly without having to mobilize optical/mechanical elements, which gives this invention its character. single lens enabling a lens to be cut into 10,000 to 20,000 cubes in a time of the order of 30 seconds, whereas it would take between 5 and 10 minutes for current systems to do the equivalent, which is of course unacceptable from the point of view of for patient comfort and safety.
En conclusion, l’appareil de découpe décrit précédemment présente de nombreux avantages, notamment du fait de la reconfigurabilité dynamique du système de mise en forme qui permet notamment : i) de basculer de la découpe d’un plan horizontal à l’aide d’un faisceau de type « Ligne Focale » (via l’application d’un masque de phase parabolique sur le SLM) à la découpe d’un plan vertical à l’aide d’un faisceau de type « Bessel » (via l’application d’un masque de phase linéaire conique), ii) d’ajuster les dimensions (longueur et largeur) des points d’impact In conclusion, the cutting device described above has many advantages, in particular due to the dynamic reconfigurability of the shaping system which makes it possible in particular: i) to switch from the cutting of a horizontal plane using a "Focal Line" type beam (via the application of a parabolic phase mask on the SLM) to the cutting of a vertical plane using a "Bessel" type beam (via the application of a conical linear phase mask), ii) to adjust the dimensions (length and width) of the points of impact
■ du faisceau de type « Ligne Focale » d’une part, et ■ the "Focal Line" type beam on the one hand, and
■ du faisceau de type « Bessel » d’autre part, sans complexifier le montage optique, c’est-à-dire sans ajouter d’élément optique dans l’appareil de découpe,
iii) de contrôler l’uniformité de la distribution d’intensité et également de prévenir la formation de points chauds non désirés le long de l’axe optique. L’invention a été décrite pour des opérations de découpes d’un cristallin dans le domaine de la chirurgie ophtalmologique, mais il est évident qu’elle peut être utilisée pour d’autre type d’opération en chirurgie ophtalmologique sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, l’invention trouve une application dans la chirurgie réfractive cornéenne, tel que le traitement des amétropies, notamment myopie, hypermétropie, astigmatisme, dans le traitement de la perte d’accommodation, notamment la presbytie. L’invention trouve également une application dans le traitement de la cataracte avec incision de la cornée, découpe de la capsule antérieure du cristallin, et fragmentation du cristallin. Enfin, d’une manière plus générale, l’invention concerne toutes les applications cliniques ou expérimentales sur la cornée ou le cristallin d’un œil humain ou animal. D’une manière encore plus générale, l’invention concerne le domaine large de la chirurgie au laser et trouve une application avantageuse lorsqu’il s’agit de découper et plus particulièrement vaporiser des tissus mous humains ou animaux, à teneur en eau élevée. ■ the “Bessel” type beam on the other hand, without complicating the optical assembly, that is to say without adding an optical element in the cutting device, iii) to control the uniformity of the intensity distribution and also to prevent the formation of unwanted hot spots along the optical axis. The invention has been described for operations of cutting a lens in the field of ophthalmological surgery, but it is obvious that it can be used for other type of operation in ophthalmological surgery without departing from the scope of the 'invention. For example, the invention finds an application in corneal refractive surgery, such as the treatment of ametropia, in particular myopia, hypermetropia, astigmatism, in the treatment of loss of accommodation, in particular presbyopia. The invention also finds an application in the treatment of cataracts with incision of the cornea, cutting of the anterior capsule of the lens, and fragmentation of the lens. Finally, more generally, the invention relates to all clinical or experimental applications on the cornea or the lens of a human or animal eye. Even more generally, the invention relates to the broad field of laser surgery and finds an advantageous application when it comes to cutting and more particularly vaporizing human or animal soft tissues with a high water content.
Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l’invention décrite précédemment sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici.
The reader will have understood that many modifications can be made to the invention described above without materially departing from the new teachings and advantages described here.
Claims
1. Appareil de découpe d’un tissu humain ou animal, ledit appareil incluant une source laser femtoseconde (10) configurée pour émettre un faisceau laser gaussien (110) sous forme d’impulsions et un dispositif de traitement du faisceau laser gaussien, le dispositif de traitement étant disposé en aval de la source laser femtoseconde (10), le dispositif de traitement comprenant : 1. Apparatus for cutting human or animal tissue, said apparatus including a femtosecond laser source (10) configured to emit a Gaussian laser beam (110) in the form of pulses and a device for processing the Gaussian laser beam, the device processing device being disposed downstream of the femtosecond laser source (10), the processing device comprising:
- un système de mise en forme (30) positionné sur la trajectoire du faisceau laser gaussien, pour moduler la phase du front d'onde du faisceau laser gaussien, le système de mise en forme (30) étant configuré pour produire un faisceau laser modulé à partir du faisceau laser gaussien, - a shaping system (30) positioned on the trajectory of the Gaussian laser beam, to modulate the phase of the wavefront of the Gaussian laser beam, the shaping system (30) being configured to produce a modulated laser beam from the Gaussian laser beam,
- un scanner optique de balayage (40) disposé en aval du système de mise en forme pour déplacer le faisceau laser modulé, - an optical scanning scanner (40) arranged downstream of the shaping system to move the modulated laser beam,
- un système optique de focalisation (50) en aval du système de mise en forme (30), pour focaliser le faisceau laser modulé dans un plan focal de l’appareil de découpe et pour déplacer le plan focal de l’appareil de découpe en une pluralité de positions le long d’un axe optique (A-A’) de propagation du faisceau laser modulé, caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend en outre une unité de commande (60) pour piloter la source laser femtoseconde (10), le système de mise en forme (30), le scanner optique de balayage (40), et le système optique de focalisation (50), afin de réaliser au moins un plan de découpe horizontal s’étendant perpendiculairement à l’axe optique (A-A’), l’unité de commande (60) étant configurée pour : - an optical focusing system (50) downstream of the shaping system (30), for focusing the modulated laser beam in a focal plane of the cutting device and for moving the focal plane of the cutting device a plurality of positions along an optical axis (A-A') of propagation of the modulated laser beam, characterized in that the processing device further comprises a control unit (60) for controlling the femtosecond laser source (10 ), the shaping system (30), the scanning optical scanner (40), and the focusing optical system (50), in order to produce at least one horizontal cutting plane extending perpendicular to the optical axis (A-A'), the control unit (60) being configured for:
- appliquer au système de mise en forme (30), une consigne de modulation parabolique afin de produire un faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » à partir du faisceau laser gaussien, ledit faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » ayant un point d’impact longiligne selon une direction perpendiculaire à l’axe optique, le point d’impact longiligne ayant, dans le plan focal, une largeur et une longueur supérieure à la largeur, ledit point d’impact longiligne permettant de générer une bulle de gaz oblongue dans le tissu et ainsi le découper sur une longueur plus grande qu’un faisceau gaussien, - applying to the shaping system (30), a parabolic modulation instruction in order to produce a modulated laser beam of the "Focal Line" type from the Gaussian laser beam, said modulated laser beam of the "Focal Line" type having a point of slender impact in a direction perpendicular to the optical axis, the slender point of impact having, in the focal plane, a width and a length greater than the width, said slender point of impact making it possible to generate a gas bubble oblong in the fabric and thus cut it to a length greater than a Gaussian beam,
- piloter le scanner optique de balayage pour déplacer le point d’impact longiligne du faisceau laser modulé de type « Ligne Focale » le long d’un chemin optique
déplacement pour former successivement une pluralité de bulle de gaz adjacentes oblongues, lesdites bulles de gaz constituant le plan de découpe horizontal. - drive the scanning optical scanner to move the slender point of impact of the "Focal Line" type modulated laser beam along an optical path displacement to successively form a plurality of oblong adjacent gas bubbles, said gas bubbles constituting the horizontal cutting plane.
2. Appareil de découpe selon la revendication 1 , dans lequel le système de mise en forme (30) comprend un modulateur spatial de lumière (SLM), l’unité de commande (60) étant configurée pour appliquer un masque de phase parabolique (221, 222) émulant une lentille cylindrique sur le modulateur spatial de lumière (SLM). 2. Cutting apparatus according to claim 1, wherein the shaping system (30) comprises a spatial light modulator (SLM), the control unit (60) being configured to apply a parabolic phase mask (221 , 222) emulating a cylindrical lens on the Spatial Light Modulator (SLM).
3. Appareil de découpe selon la revendication 2, dans lequel le masque de phase parabolique est une image bidimensionnelle à afficher sur le modulateur spatial de lumière (SLM) pour entraîner un déphasage spatial inégal du faisceau laser gaussien (110), la valeur (fi) de chaque pixel de l’image bidimensionnelle étant définie par la formule suivante : 3. Cutting apparatus according to claim 2, wherein the parabolic phase mask is a two-dimensional image to be displayed on the spatial light modulator (SLM) to cause an unequal spatial phase shift of the Gaussian laser beam (110), the value (fi ) of each pixel of the two-dimensional image being defined by the following formula:
<|)i(x,y)=kx2 où : <|)i(x,y)=kx 2 where:
• « 07 >> représente la valeur d’un pixel de l’image bidimensionnelle, • "07" represents the value of a pixel of the two-dimensional image,
• « x » est l’abscisse du pixel de l’image bidimensionnelle, • “x” is the abscissa of the pixel of the two-dimensional image,
• « y » est l’ordonnée du pixel de l’image bidimensionnelle, et • "y" is the ordinate of the pixel of the two-dimensional image, and
• « k » est un coefficient positif. • “k” is a positive coefficient.
4. Appareil de découpe selon la revendication 2, dans lequel le masque de phase parabolique est une image bidimensionnelle à afficher sur le modulateur spatial de lumière (SLM) pour entraîner un déphasage spatial inégal du faisceau laser gaussien (110), la valeur (F2) de chaque pixel de l’image bidimensionnelle étant définie par la formule suivante : 4. Cutting apparatus according to claim 2, wherein the parabolic phase mask is a two-dimensional image to be displayed on the spatial light modulator (SLM) to cause an unequal spatial phase shift of the Gaussian laser beam (110), the value (F2 ) of each pixel of the two-dimensional image being defined by the following formula:
02(x,y) = kx2 + ly2 où : 02(x,y) = kx 2 + ly 2 where:
• « 02 >> représente la valeur d’un pixel de l’image bidimensionnelle, • "0 2 >> represents the value of a pixel of the two-dimensional image,
• « x » est l’abscisse du pixel de l’image bidimensionnelle, • “x” is the abscissa of the pixel of the two-dimensional image,
• « y » est l’ordonnée du pixel de l’image bidimensionnelle, • "y" is the ordinate of the pixel of the two-dimensional image,
• « k » est un coefficient positif, et
• « l » est un coefficient positif. • “k” is a positive coefficient, and • “l” is a positive coefficient.
5. Appareil de découpe selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le chemin de déplacement comprend au moins un segment, le masque de phase parabolique (221 , 222) étant déterminé de sorte que la longueur de chaque point d’impact longiligne s’étende parallèlement audit et au moins un segment. 5. Cutting apparatus according to any one of claims 2 to 4, wherein the path of movement comprises at least one segment, the parabolic phase mask (221, 222) being determined so that the length of each point of elongated impact extends parallel to said and at least one segment.
6. Appareil de découpe selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’unité de commande (60) est en outre configurée pour piloter la source laser femtoseconde (10), le système de mise en forme (30), le scanner optique de balayage (40), et le système optique de focalisation (50), afin de réaliser au moins un plan de découpe vertical s’étendant parallèlement à l’axe optique (A- A’). 6. Cutting device according to any one of claims 1 to 5, in which the control unit (60) is further configured to control the femtosecond laser source (10), the shaping system (30), the scanning optical scanner (40), and the focusing optical system (50), in order to produce at least one vertical cutting plane extending parallel to the optical axis (A-A').
7. Appareil de découpe selon la revendication 6, dans lequel l’unité de commande (60) est configurée pour : 7. Cutting apparatus according to claim 6, wherein the control unit (60) is configured to:
- appliquer au système de mise en forme (30), une consigne de modulation axiconique afin de produire un faisceau laser modulé de type Bessel à partir du faisceau laser gaussien, ledit faisceau laser modulé de type Bessel ayant un point d’impact allongé selon une direction parallèle à l’axe optique, le point d’impact allongé ayant une largeur et une profondeur supérieure à la largeur, ledit point d’impact allongé permettant de générer une bulle de gaz oblongue dans le tissu et ainsi le découper sur une profondeur plus grande qu’un faisceau gaussien, - applying to the shaping system (30), an axiconic modulation setpoint in order to produce a modulated laser beam of the Bessel type from the Gaussian laser beam, said modulated laser beam of the Bessel type having an elongated point of impact according to a direction parallel to the optical axis, the elongated point of impact having a width and a depth greater than the width, said elongated point of impact making it possible to generate an oblong gas bubble in the tissue and thus cut it to a greater depth larger than a Gaussian beam,
- piloter le scanner optique de balayage pour déplacer le point d’impact allongé du faisceau laser modulé de type Bessel le long d’un autre chemin optique de déplacement pour former successivement une pluralité de bulles de gaz adjacentes, lesdites bulles de gaz constituant le plan de découpe vertical. - driving the scanning optical scanner to move the elongated point of impact of the Bessel-type modulated laser beam along another optical path of movement to successively form a plurality of adjacent gas bubbles, said gas bubbles constituting the plane vertical cutting.
8. Appareil de découpe selon la revendication 7, dans lequel le plan focal objet du système de focalisation (50) est positionné à une distance non nulle du plan focal image du système de mise en forme (30), de sorte que le point d’impact allongé du faisceau laser modulé de type Bessel comporte :
o un anneau (33a) focalisé dans le plan focal de l’appareil de découpe, o une ligne (33b) de concentration des rayons du faisceau laser modulé de type Bessel s’étendant en dehors du plan focal de l’appareil de découpe, ladite ligne (33b) permettant de former la bulle de gaz oblongue, l’anneau (33a) ayant une intensité inférieure à l’intensité de la ligne (33b) ne permettant pas la formation de bulle de gaz. 8. Cutting device according to claim 7, in which the object focal plane of the focusing system (50) is positioned at a non-zero distance from the image focal plane of the shaping system (30), so that the point d The elongated impact of the Bessel-type modulated laser beam includes: o a ring (33a) focused in the focal plane of the cutting device, o a line (33b) of concentration of the rays of the modulated laser beam of the Bessel type extending outside the focal plane of the cutting device, said line (33b) making it possible to form the oblong gas bubble, the ring (33a) having an intensity lower than the intensity of the line (33b) not allowing the formation of a gas bubble.
9. Appareil de découpe selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel l’unité de commande (60) est programmée pour piloter le système optique de focalisation (50) de sorte que le plan focal de l’appareil de découpe s’étende, selon l’axe optique (A-A’), au-dessus de la position souhaitée pour le plan de découpe vertical. 9. Cutting device according to any one of claims 7 or 8, in which the control unit (60) is programmed to drive the focusing optical system (50) so that the focal plane of the cutting device extends, along the optical axis (A-A'), above the desired position for the vertical cutting plane.
10. Appareil de découpe selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel l’unité de commande (60) est programmée pour piloter le système optique de focalisation (50) de sorte que le plan focal de l’appareil de découpe s’étende, selon l’axe optique (A-A’), au-dessous de la position souhaitée pour le plan de découpe vertical. 10. Cutting device according to any one of claims 7 or 8, in which the control unit (60) is programmed to drive the optical focusing system (50) so that the focal plane of the cutting device extends, along the optical axis (A-A'), below the desired position for the vertical cutting plane.
11. Appareil de découpe selon l’une quelconque des revendications 6 à 10, lequel est adapté pour réaliser successivement des plans de découpe horizontaux et verticaux de sorte à former des cubes de tissu : 11. Cutting device according to any one of claims 6 to 10, which is adapted to successively produce horizontal and vertical cutting planes so as to form cubes of fabric:
- l’unité de commande pilotant la source laser femtoseconde (10), le système de mise en forme (30), le scanner optique de balayage (40), et le système optique de focalisation (50) pour réaliser un plan de découpe horizontal initial, puis- the control unit controlling the femtosecond laser source (10), the shaping system (30), the optical scanning scanner (40), and the optical focusing system (50) to produce a horizontal cutting plane initial, then
- l’unité de commande pilotant la source laser femtoseconde (10), le système de mise en forme (30), le scanner optique de balayage (40), et le système optique de focalisation (50) pour réaliser au moins un plan de découpe vertical situé au- dessus, selon l’axe optique (A-A’), du plan de découpe horizontal initial, puis- the control unit controlling the femtosecond laser source (10), the shaping system (30), the optical scanning scanner (40), and the optical focusing system (50) to produce at least one vertical cutout located above, along the optical axis (A-A'), of the initial horizontal cutting plane, then
- l’unité de commande pilotant la source laser femtoseconde (10), le système de mise en forme (30), le scanner optique de balayage (40), et le système optique de focalisation (50) pour réaliser un plan de découpe horizontal final au-dessus, selon l’axe optique (A-A’), dudit et au moins un plan de découpe vertical.
- the control unit controlling the femtosecond laser source (10), the shaping system (30), the optical scanning scanner (40), and the optical focusing system (50) to produce a horizontal cutting plane final above, along the optical axis (A-A'), of said and at least one vertical cutting plane.
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FR3121349B1 (en) | 2024-08-16 |
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