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临床上进行屈光手术所需的相关器械主要包括准分子激光机、显微角膜板层刀、角膜基质环植入器械、激光角膜热成型术器械、老视手术器械(激光老视器械)等。本章主要阐明准分子激光机和显微角膜板层刀的基本结构、原理、基本性能、生物学特点、使用原则及其临床应用。其它相关器械将在各章节中阐述。
第一节 准分子激光机
一、准分子激光的产生机制
1.准分子的定义:准分子(excimer)是由excited-dimer两个字组成，意思是“受激二聚体”。二聚体所包含的是情性气体和卤素两种元素。基态下的情性气体原子，其电子壳层已被充满，从而保持其化学性能的稳定性。当这些稳定的原子受到激发，由于电子被激发到更高的轨道上而打破了最外层的满壳层电子分布，此时可以与其它原子形成寿命极短的分子，这种处于激发态的分子称之为受激发分子，简称准分子(10-8s~10-12s)。不同的情性气体与卤素的短暂结合的混合物在解离时会释放不同波长的准分子激光。主要有ArF(193nm),KrF(248nm)，XeCL (308nm),XeF(351nm)等。目前临床应用的准分子激光机主要是氩氟混合物(ArF)产生的 193nm波长的超紫外冷激光。
2.准分子激光的产生原理:准分子激光是指受激二聚体所产生的激光。当情性气体和卤素气体按一定比例和压力混合在一起时，在激励源的作用下使气体原子从基态跃迁到激发态，甚至被电离。处于激发态的原子或离子很容易结合成分子，这种分子的寿命仅有几十个毫微秒。当激发态的分子数远多于基态准分子数，就形成离子数反转。准分子从激发态跃迁回基态时，释放出光子，经谐振腔振荡发射出激光。同时稀有气体和卤素气体从准分子状态迅速解离成2个原子。这些光子所释放出的光子能量是非常大的，它们作用于生物组织时发生光化学效应，使细胞组织汽化、分解，从而达到切削组织的目的，但对周围组织不产生影响，因此认为是一种“冷激光”。
二、准分子激光机的基本构成和性能
准分子激光机的主要构成是其激光传输系统。此系统是由谐振腔发出的激光束，经过一系列透镜组、滤光器、驱动器、计算机系统、探测器等复杂的传输系统达到角膜，这些部分组装在一起构成了完整的激光机的输出系统(图4-1)。准分子激光器的激发方式有电子束激励和快速放电激励等。基态的电子迅速排空造成激光下能级总是空的，这样有利于离子数反转的形成，即使在超短脉冲下运转，也能保持四能级的特性，从而可以获得较高的输出率。准分子激光器的能量转换效率一般为1%~5%，激光脉冲宽度约几十到几百毫微秒，光束发散角约2毫弧度。每一个脉冲切除0.25μm的深度。目前多数为气体激光机，利用高压电能作为激励源激发激光腔内工作物质(ArF等)，从而实现粒子的反转，在激光腔内形成激光振荡，向外输出激光。因为高压电可达到几千伏特，故必须在外层用金属板进行严密屏蔽以防电流的外漏导致危睑。激光头由泵浦源、工作介质和谐振腔激光腔和激光电极组成，是激光机的心脏。激光机上再连接手术显微镜和眼球跟踪系统屏幕显示仪便于精细的手术操作和术中眼位的监测控制。
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决定激光能量输出的两个重要因素为激光腔内电压和工作气体。气体随着激光脉冲的产生而逐渐消耗。随着能量密度的降低，激光腔内的电压会逐渐升高，而当电压达到最高值时就需要在激光腔内充填新的工作物质——气体交换，所以每次手术前要检测激光机的能量和进行换气操作。所谓能量密度是指作用于切削区单位面积上的激光能量的大小，单位为J/cm2，目前常用的准分子激光机的能量密度为100~250mJ/cm2。通过了解能量密度的大小，可对任何屈光矫正量通过计算而获得所需的激光脉冲数，掌握每一脉冲输出的精确能量值，从而可预测手术的治疗效果。当能量密度降低至50mJ/ cm2时，切削效果很小；而当能量密度达120 mJ/cm2时，切削的效果才开始比较稳定。激光能量密度逐渐增加，脉冲间的稳定性随之增加，光束的质量亦得到了提高。但是也不能盲目地增加能量密度，否则伴随而来的是激光能量的热效应增加、光能损失的增加和有声响冲击波的增加。
正因为目前气体脉冲式激光的相对不稳定性，手术前医生的首要任务是将机器调到最佳状态(包括能量的测试和定中心)，同时术中也要动态地检测机器的能量状态、稳定性和光斑的均匀程度，从而保证手术的完美质量。
三、准分子激光机的光学原理
1.光学原理:准分子激光器是20世纪70年代发展起来的高能量紫外波段激光器，起初用于硅酮高分子化合物的光蚀刻。1983年，美国Trokel等首先用氟化氩准分子激光进行角膜切削的实验研究。1985年，德国Seiler等将准分子激光用于眼科临床。准分子激光二聚体被激活后所产生的高能量光子束，是一种远紫外激光，每一个光子具有6.4eV的能量，远远高于角膜组织中肽链与碳酸分子间的共价键维持能量3.4eV。激光照射角膜组织时，使其分解成小片段而产生汽化效应，这种效应称为烧蚀性光化学分解效应。
准分子激光的切削作用由发射、组织吸收、组织分子的断键、组织被切削四部分组成。实验结果表明，紫外波段的激光几乎全被浅层角膜吸收，波长越短组织穿透力越弱。紫外波段激光主要以光化学作用打断组织分子的化学键，从而实现组织切割，波长从157nm到351nm。大量的实验表明，氟化氩准分子激光(193nm)最适合做角膜切削。它除了具有光子能量大的特点外，还具有只能穿透浅层(0.3μm)的特点。切削组织的深度与激光能量密度的对数呈正相关，1 J/cm2的能量约切削1μm深的角膜组织。目前，商品化的眼科用准分子激光机大都以氩氟气体作为工作物质，输出193nm的激光。
2.临床应用:准分子激光在眼科临床主要应用于:①矫正屈光不正的光学屈光性角膜切除 (其中包括PRK、LASIK、LASEK、Epi-LASIK等)，用于治疗近视、远视和散光。通过准分子激光切削角膜中心部，使角膜中央区表面变平，屈光力减弱，外界物体的光线通过角膜折射后，焦点后移到视网膜上，从而矫正近视。通过准分子激光切削角膜的旁中心部和周边部，使角膜中央区表面变陡，曲率半径变小，屈光力增强，外界物体的物像焦点前移到视网膜上，成像清晰，以达到矫正远视的目的；②光治疗性角膜切削术(PTK)，在病变部位均匀切削，以治疗角膜不规则散光、角膜浅层瘢痕及大泡性角膜病变等。
四、准分子激光的种类及其特征
1.角膜组织的光谱吸收 角膜组织中基质层占角膜总厚度的90%，主要由胶原纤维构成，它对210nm以下的远紫外光几乎全部吸收。新鲜角膜含水率很高，约76%。水对3μm左右的中红外光吸收峰很高，因此试用于角膜切削或成形的激光主要包括中、远红外激光和远紫外激光两类。二氧化碳激光波长是10.6μm的远红外激光，可被角膜中的水分大量吸收，通过汽化作用实现切割组织的目的。表4-1显示了不同的角膜组织成分的光谱吸收量。
表4-1 角膜组织万分的光谱吸收
成分波长吸收波峰值光谱范围
蛋白质基质＜220紫外
氨基葡聚糖基质＜200紫外
胶原纤维基质＜250紫外
核酸上皮＜260紫外
维生素C上皮＜250紫外
水全层＜170紫外
2900红外
1000红外
2.用于角膜切削或成形的激光种类及特征 不同的惰性气体与不同的卤素分子结合产生位于紫外光谱区不同波长的准分子激光。表4-2显示了不同工作介质的准分子激光。
表4-2 用于角膜切削和成形的激光
激光器波长脉冲时间穿透深度
氩氟准分子激光193nm10~20ns2μm
氪氟准分子激光248nm10~20ns10μm
氙氯准分子激光308nm10~20ns300μm
氟化氢激光(HF)2.9m50ns1.5μm
五次谐波Nd:YAG激光213nm10ns2μm
钬激光(Ho:YAG)2.1μm20μs400μm
铒激光(Er:YAG)2940nm20μs0.75μm
(Er:YSGG)2790nm20μs1.5μm
Nd:YLF激光1053nm60μs1μm
TEA CO2激光10.6μm200μs25μm
值得提出的是Nd:YLF激光，它是以掺钕四氟化钇锂(Nd:LiYF4)晶体为工作物质的固体激光器，发射波长为1053nm的近红外激光。这种激光器输出的主要特点是:脉冲宽度极窄 (6Ops)、重复频率很高(可达1000Hz)、单脉冲能量低(25μJ)。角膜中的水分和胶原纤维对这种波长的激光吸收甚少，它是依靠激光束焦点处微等离子体形成的光爆破作用切割组织，即所谓的等离子体介导切除，所以切削区热损伤极小。
由于Nd:YLF激光的切割作用仅发生在光束焦点处极小的范围内，因而它可以在不损伤角膜上皮和前弹力层的条件下直接切削角膜基质层，在这一点上，其他激光无法比拟。目前临床上正在应用该激光的此项特点进行准分子激光角膜板层瓣的制作及角膜组织的切割。此激光因重复频率很高、脉冲宽度极窄、单脉冲能量低，又称为飞秒激光。
五、准分子激光的生物学特性
准分子激光对眼组织的切削作用具有以下的生物学特点:
1.穿透力微弱 准分子激光的光束仅被表面组织所吸收，穿透力极微弱。一个脉冲切削组织的深度约为0.25μm，其光切削阈值为10mJ/cm2。准分子激光切削组织，切口整齐，毗邻组织损伤小，对眼内组织影响极小。
临床观察发现，PRK术后平均角膜内皮细胞密度、内皮细胞大小平均变异系数与术前相比无显著差异。Feates等研究表明，193nm的激光射入眼内，无论是无晶体眼，还是有晶体眼，均未能在视网膜上接受到激光信号，进一步证明了此激光的辐射未对眼内其他组织产生影响。
2.对邻近组织损伤极小 准分子激光的切削作用主要依赖于高能量的光子束。波长越短，光子能量就越高，所伴随的切口周围热损伤就越小；反之，波长越长，光子能量越低，所伴随的切口周围热损伤的范围越大。波长在193nm的ArF准分子激光最接近190nm的角膜及巩膜组织的最大吸收峰，激光照射到角膜和巩膜组织中，绝大部分在小于5μm的极小距离内被吸收，几乎不引起热损伤。故193nm的较短波长的准分子激光较其他类型较长波长激光的热损伤明显减轻，热损伤微乎其微。
3.光束均匀，切削面光滑 准分子激光切削精度高、可预测性强。早期研制的激光机由于大直径的光束传播不规则、光束能量密度分布不均匀，创口愈合后表面不光滑，常常造成角膜的术后不规则散光，近年来通过改进激光机，采用小光斑飞点扫描切削模式，光束为高斯分布，大大提高了激光光束能量密度的均匀性和切削平面的平整和光滑性，增加了术后的准确性和预测性，使激光手术更加安全可靠。
4.可控制切削组织的形状和类型 根据不同的切削原理和目的，可使准分子激光的释放系统按不同能量模式切削角膜组织，便可达到预期的矫正效果。如治疗近视，中央角膜切削最深，越往周边越浅，使得角膜中央区变平；若矫正远视，则是从角膜光学中心到周边部切削渐深，使角膜中央区变陡；当切削面呈椭圆形，则可矫正散光。
目前认为，在所有的准分子激光中，波长193nm的氟化氩准分子激光最适合在临床做角膜切削。在能量适当时，它不存在其他波长紫外激光所具有的，可能使DNA诱变的情况。正是它不引起组织细胞中DNA的基因突变；切削阈值低，用小功率激光器即可进行治疗；切削边缘整齐，对邻近组织损伤极小的优点使其在临床上得以普遍应用。
六、准分子激光的副作用及对人体的影响
1.准分子激光的副作用
(1)准分子激光对DNA的影响:由于一些生物大分子，特别是DNA的光谱吸收峰值恰好位于紫外波段，使用准分子激光切削角膜是否会诱导基因突变一直是人们关注的问题，大量的实验表明，氪氟(248nm)和氙氯(308nm)准分子激光的确有致基因突变的副作用。但是193nm的准分子激光并未表现出潜在的基因诱变作用。
(2)准分子激光对角膜内皮细胞的影响:实验结果表明，作用于角膜前表面的高速冲击力可造成内皮细胞的丢失，准分子激光切削角膜时可产生约130个大气压的压力，分解物质以高于声速2~10倍的速度喷发，这就存在着可能的内皮细胞的损害。在使用248nm准分子激光切割时，其内皮细胞受损较193nm激光更为严重，切削深度越深，内皮受损的威胁越大。切割深度为 50%时，内皮受损的宽度为3μm，当切割深度达90%时，内皮细胞直接受损的宽度为8~20μm，而且可见内皮细胞与后弹力层分离错位以及内皮细胞的丢失。
248nm准分子激光之所以造成角膜内皮细胞损害大于193nm激光，其主要原因在于248nm的激光的热效应较强，并且穿透力较大，故穿透深度大于193nm激光，临床和基础的大量研究表明193nm的准分子激光切削角膜时对内皮细胞的影响甚微。
2.准分子激光对人体的影响 由于各类准分子激光机器的能量输出水平各不相同，因此对人体产生的危害程度也各不相同。根据美国放射卫生局(BRH)制定的《激光器产生性能标谁》可将目前的激光机分为四级标准。
Ⅰ级激光器:属于无害免控激光器。此级别的激光器在使用过程中对人体没有危害，可以直视激光束而不造成眼睛的损害。故在使用中无须任何保护措施。
Ⅱ级激光器:低功率激光器。此级别的激光器要避免长时间直视激光束，否则会造成视网膜的伤害。
Ⅲ级激光器:中功率的激光器(包括A、B级)，
A级:可见激光对人眼无损伤，但是禁止长时间注视激光或者用双筒镜等光学仪器将激光束聚焦于人眼。
B级:激光束直射人眼或镜面反射入眼时对眼睛有伤害，但是激光束的漫反射一般不产生伤害。
IV级激光器:大功率激光器。此级别的激光器发出的激光束不但其直射光束和镜面反射光束对人体危害大，而且它的漫反射也能造成人眼的永久性损害，可烧伤皮肤及引起火灾等隐患。
七、常用准分子激光机的特点
目前用于眼科临床的准分子激光机有以下两种类型，①扫描切削式；②光斑扫描式。前者使用聚焦光束，以直径≤1.0mm的光点在角膜上飞速扫描，对不同的屈光矫正有不同的扫描方式和时间，完全由电脑控制。它的优点是仪器体积小、耗气省，缺点是患者的眼动对切削精度影响大。后一种是用光阑的变化控制角膜切削的形状，缺点是仪器体积大、耗能多，优点是患者的眼动对切削精度影响小。表4-3显示了光斑式和扫描式的激光器各自特点。
表4-3 光斑式和扫描式准分子激光机的优缺点
扫描类型优点缺点
光斑式发生偏心少高能量输出激光器
治疗时间短体积大，耗电多
激光束能量均匀性要求高
中心岛发生率高
声振波大，噪音大
光学系统复杂
维修成本高
扫描式
裂隙扫描中等量输出激光器治疗时间长
体积中等需要眼球追踪系统
切削均匀，表面光滑容易发生偏心
中心岛形成很少激光传输系统复杂
声振波较小
光点扫描低能量输出激光器治疗时间长
体积小，耗电少需要眼睛追踪系统
对激光束能量均匀性要求不高容易发生偏心
可进行任何模式的切削需高速可靠的软件系统
中心岛形成很少
声振波小，安静
光学系统简单
容易维修
大光斑设计会产生:①中心岛效应:准分子激光脉冲照射到角膜表面时产生的碎屑在反作用力的作用下以1~2km/s的速度飞离角膜表面，高速摄像技术显示有类似原子弹爆炸形成的蘑菇云产生。在涡流作用下，光束边缘部分的颗粒迅速飞离照射面区，而中央部分颗粒则较难飞离，甚至被压回角膜表面。这种差别在光束大于2.5~3.0mm时趋于明显，而光斑在2.0mm以下时几乎不存在。大光斑扫描的结果中央区消融表面组织远比周围的组织要少，这种现象称为中央岛效应。②角膜混浊:切削角膜的表面组织不平整以及随之引起的修复过程，是haze的主要原因。大光斑的扫描在能量的均匀性和光束边缘产生的消融阶梯都会影响组织表面的平整度，从而在治疗远视和散光上受到限制。
由于临床治疗的需要，光斑式准分子激光机的激光从谐振腔发出到抵达角膜表面这个过程中，激光束必须经过传输系统的调整，使光束的能量分布变得十分均匀，并且构成一定的形状。因而它必须有一套特殊的激光传输系统。从谐振腔出射的激光束首先经过扩束透镜和光束能量均光器，使之成为能量分布均匀的宽光束。能量均化一般使用旋转棱镜或空间光束积分器来完成，高能量的准分子激光很容易损坏普通的光学透镜和反射镜，为此，传输系统中的光学元件表面镀着具有很强离子键的氟化镁或氟化钙。另外，激光扩束后可减低光学元件表面激光的能量密度，因而这也是防止光学元件表面损伤的措施之一。
激光束的形状和曝光量决定着角膜切削的形状和深度，准分子激光传输系统中设有专门的光阑可使到达角膜的激光束成线状，用透镜可使光束成圆环状，用孔径可变光阑或多孔盘光阑可使角膜上的曝光量从中央向周边逐渐减少，在应用准分子激光手术时，发散光线通过一组可控光圈变成集合光束。光圈位于光源与角膜之间，光圈的直径和变化频率由计算机控制，因此光圈的变化控制了进入角膜组织的集合光束的能量。
用于屈光矫治的准分子激光机，其角膜切削精度要求很高，所以激光器的能量输出和传输系统中光学元件的动作都要由计算机来控制。该计算讥还随时处理监视系统的反馈信息，由于准分子是不可见的紫外光，因而常用红色氦氖激光或半导体激光对角膜组织瞄准定位:术者通过手术显微镜观察瞄准情况和激光切削过程，自动化程度高的准分子激光机还装有自动跟踪术眼的切削过程中准确定中心的系统，并能够实时地显示切削信息，从而提高切削精度。
综上所述，新一代准分子激光机所具备的几大特点如下:
1.小光斑。光斑的直径≤1.0mm，激光束能量呈高斯分布，损伤小，切削面更光滑。
2飞点式扫描模式。点扫描时每一个光点在角膜上的位置都是随饥的，整个切削分布构成呈一非球面的光滑表面。并且每两个连续光点的位置并不相邻，激光照射到角膜表面的某一点到激光照射到其邻近点的时间远远大于角膜的热弛豫时间，因此更有利于角膜散热，避免热效应累积。
3.自动眼球跟踪系统。使得激光手术切削更加精确，手术显微镜上的摄像机将患眼图形资料输入计算机，监视系统锁定一相对参照点(列如瞳孔缘或角膜缘)。在一定范围内，当患者眼睛移位时，计算机会发出指令，通过调整精密的扫描电机使激光的切削中心与患者的瞳孔中心 (最初确定的中心位置)始终保持一致，此为主动跟踪系统；而当患者眼睛移位的距离超出某一特定的范围，激光就被中断不能到达角膜，手术暂停，当患者眼睛复位后，手术自动继续进行，此为被动跟踪系统。为不影响手术医生的术中观察，眼球跟踪系统所采用的摄像一般采用红外光。
目前临床开始将准分子激光机与波前像差仪和/或角膜地形图仪连接使用，目的在于协助医生制定相对更合理的手术切削模式，消除患眼所存在的对视觉质量有影响的高阶像差，实现“个体化”的准分子激光角膜切削，使屈光手术达到一个日臻完美的境界。
第二节 显微角膜板层刀
上世纪80年代后期出现了世界上第一台电动角膜刀—自动角膜成形刀(ACS)，用于自动板层角膜成形术(ALK)。其原理是应用显微角膜板层刀切下一层角膜组织后，按照预计矫正的屈光力在角膜基质上进行第二次切削，然后将第一次切下的角膜组织缝回原位。该手术需要两次切削角膜，负压环固定眼球时间长，且二次切割均要保持同一中心很困难，因此术后容易发生视区偏离中心，屈光预测性不理想。1990年希腊Pallikaris在对兔角膜的研究中将传统的角膜磨镶术与准分子激光角膜切削术结合起来，提出了准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)；与公司合作研制出机械驱动的显微角膜板层刀，并使原来的游离角膜帽改进为带蒂的角膜瓣。近来国外研制出以飞秒激光用于制作理想的角膜瓣，避免了机械显微角膜板层刀产生的各种角膜瓣的术中和术后并发症，从而使屈光手术更趋完美。
一、显微角膜板层刀的基本结构和附件
1.主要构件:主机(机械装置及电源线)、马达手柄、刀头、刀片、马达连接电源线、双侧马达脚踏开关、不同型号的负压环、负压管道、单侧负压脚踏开关(图4-2)。
2.附件:压平式眼压计(图4-2)
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二、显微角膜板层刀的使用与注意事项
(一)显微角膜板层刀的使用
显微角膜板层刀的连接及使用:①马达连接电源线、双侧马达脚踏开关、负压管道、单侧负压脚踏开关、机械装置、电源线分别连接；②连接负压手柄和负压环(根据角膜曲率和角膜厚度选择不同型号的负压环)；③将刀片安装于刀头，并将刀头与马达手柄相连接；④启动负压吸引装置，将眼压计放置角膜中央，当角膜压痕小于压平眼压计环形标记时，表明眼压达到了手术需求；⑤将带有刀头和刀片的马达手柄准确置于负压吸引环的轨道上，启动双侧马达脚踏开关，先前进至终止位后回退至原点，此时卸下带刀头的马达手柄，松解负压吸引环，带蒂的角膜瓣随之完成。
(二)显微角膜板层刀使用的注意事项
1.保护好所有的部件防止碰撞，且避免带盐分的溶液腐蚀；
2.手术前负压管道进行严格测试，电源供电充足；
3.手术前后马达的动力测试；
4.刀片的显微镜下检验；
5.避免刀头和马达及刀片处夹杂棉絮和纤毛；
6.术后注意吸干马达刀头内残余的水分。
三、显微角膜板层刀的种类及其优缺点
(一)显微角膜板层刀的种类
1.根据不同的切削原理分为 ①机械型；②水流喷注型；③激光，三大类。其中机械刀是临床广为使用的类型，机械刀按照驱动力的不同又分为:自动刀(电动)和手动刀(气动)两类，分别是由电力和气体作为动力源驱动角膜刀的马达作功，而马达带动刀头内的刀片转动，从而达到切开角膜组织，制成角膜瓣的目的。机械型中又有一种抛弃型角膜板层刀，其独到的优点在于使用更安全，可减少术后角膜上皮植入、弥漫性层间角膜炎(DLK)等并发症的发生率。但因其价格较贵而未能在临床上普遍使用。
激光刀目前正在国外临床上应用，具有广阔前景，是一种安全可靠的板层角膜刀。所采用的激光为飞秒激光。它是一种红外激光，波长为1053nm，频率很高(10-15s)；它聚焦力强，切削面光滑，可在角膜层间切削制作理想的角膜瓣；根据需要可将角膜瓣的蒂保留在任何位置；尤其是对于角膜薄的患者在制作角膜瓣时更加安全可靠。研究表明临床使用后明显降低了LASIK的再次手术率，可安全地应用于小睑裂的患者。它优于机械型显微角膜板层刀之处还在于能够制作出厚薄均匀一致的角膜瓣，避免了术后由于某些角膜瓣不均而致的不规则散光；并且降低了泪膜的不稳定性，减少了干眼的发生率。但目前由于价格昂贵而受到限制，尚未普及。
2.根据刀头运动的方向分类 水平往复式、旋转式，另有一种滚筒式显微角膜板层刀。
(二)各种显微角膜板层刀的优缺点见表4-4。
表4-4 各种显微角膜板层刀的优缺点
种类优点缺点
电动刀 往复式角膜神经损伤较少学习曲线长，初学者容易卡刀，角膜瓣并发症的发生几率高
旋转式学习曲线短，精确性高，并发症少角膜神经损伤大
气动刀学习曲线较短，可控制角膜瓣的厚度发生角膜瓣并发症的几率较电动旋转刀高(不均匀瓣，游离瓣等)，角膜神经损伤大
激光刀学习曲线短，精确性高，无角膜瓣并发症，尤其是减少了术中由于制作角膜瓣质量问题产生的术后高阶像差，不存在负压环对眼球的各种刺激性副作用尤其适用于小睑裂，角膜相对较薄等患者增加了安全性和准确性价格昂贵 |
