準分子雷射與飛秒雷射在眼科手術上的應用
摘要
本篇文章主要簡介雷射光源於眼科手術上的發展與應用，以準分子雷射(Exicmer Laser)與飛秒雷射(Femtosecond Laser)為介紹主軸。飛秒雷射光源除了應用於機械加工、半導體檢測設備外，在眼科手術上的應用更是一大突破。本公司研發的主力產品”飛秒眼科手術儀”即是整合飛秒雷射與周邊設備，透過自主研發該項產品提升國內高階醫療產業的競爭力。
This article introduces the development and application of laser light, which is focusing on excimer laser and femtosecond laser, on eye surgery. The femtosecond laser, in addition to the application on material processing, semiconductor diagnostic instruments, is also applied on eye surgery that is a breakthrough step in the ophthalmology application. Our company is developing the product “Femto-R1” eye surgery equipment, which is an integration of femtosecond laser and various technologies. We are not only competing internationally also help to promote Taiwan’s capability of high-end medical device.
關鍵詞
飛秒雷射 Femtosecond Laser
雷射屈光角膜切削術 (Photo Refractive Keratectomy, PRK)
雷射屈光角膜重塑術 ( Laser Assisted In situ Keratomileusis, LASIK )
簡介
雷射的發展從物理學家普朗克提出量子化能階概念至今已被廣泛應用在各領域，如航太、軍事、通訊、科學應用、機械切削、以及3D列印等方面，在本文中與讀者們介紹的是雷射在醫學上之應用，雷射光源應用於醫學上的範圍也相當廣，諸如皮膚美容、牙齒治療、除疤刺青、眼科手術等，因本公司產品主要研發為眼科相關之醫療儀器，故本文中分享內容主要以眼科應用為主。
近視是長年以來成年人近乎常態的眼睛疾病，但配戴眼鏡常給生活帶來不方便，例如：半夜起床泡牛奶還要先找到眼鏡，健身運動、打球流汗或在游泳時還要戴眼鏡或調整一直下滑的眼鏡。而屈光手術的由來早在1708年就有人提出摘除透明晶體可以矯正高度近視，1898年荷蘭的Lans發現燒灼角膜可以改變屈光的能力，爾後又有其他醫師提出治療近視的方式，如Wray & O’Connor提出熱燒灼矯正角膜散光，Bock提出電凝固術，而在角膜上施行手術進行近視矯正則可追溯到日本佐藤勉(Sato,1939)，他從圓錐角膜患者因角膜受損而變平後發現可以使近視降低的現象中獲得啟發，第一個採用放射性角膜切開術矯正近視。上述介紹的屈光手術都是在雷射發明之前所進行[1]。
1960年科學家梅曼利用一個強閃光燈管（Flash Lamp），來激發做為雷射增益介質的紅寶石。受激的增益介質發時會發出紅光。這是世界第一台雷射的發明。直到1983年美國的Trokel等人首先應用準分子雷射進行角膜切削的實驗研究，1985年德國的Seiler將其應用在盲眼進行矯正角膜散光，1987年美國的McDonald等人第一次應用於近視眼並且獲得良好且正向的臨床效果，此後於世界逐漸開始掀起用準分子雷射進行角膜表面切削術(Photorefractive Keratectomy ,PRK)矯正近視。但在安全性、準確性和可預測性的考量下，Ruiz於1994年發明了自動板層角膜刀(Automatic Corneal Shaper, ACS)，後來稱為微型角膜刀(Microkeratome)並且提出了自動板層角膜成形術的手術方式。
伴隨雷射科技的進步，飛秒雷射被科學家們成功的製造且商品化，在角膜屈光手術引起一陣風潮，在2003年於美國白內障與屈光手術年會中(American Society of Cataract and Refractive Surgery, ASCRS)，專家學者們提出使用高重複率的飛秒雷射取代原先於手術時使用的微型角膜刀的屈光角膜重塑術 ( Laser Assisted In situ Keratomileusis, LASIK )。經過多年努力，近年來已有相關的產品陸續在市場上販售。”全飛秒”的概念起源於人們期望可利用飛秒雷射取代掉原先的準分子雷射，但目前仍有一些問題尚待克服，如不能準確用於低度近視或高度近視，無法二次切削，尚未能推出精準的個人化切削模式等。
本文會先介紹兩種不同光源的開發特性、如何應用至眼科手術、最後介紹艾克夏醫療儀器公司近年來開發出來的產品與研發進展，艾克夏目前主力產品為準分子手術儀以及飛秒雷射角膜手術儀，希望透過本篇文章可讓大家了解雷射在眼科醫療儀器的應用與艾克夏醫療儀器公司的核心產品。
準分子雷射
準分子雷射的增益介質為準分子氣體。一般的氣體分子，如果沒有外界的影響，如加熱、光照或電子碰撞，不會自行分解成其他分子或離子，但準分子就是一種處於激發態的複合分子，在基態(Ground State)時是處於分離狀態，而在激發態(Excited State)處於分子狀態。這種分子只存在於激發態，不存在於基態。若於基態時，分子在很短時間內(幾十毫微秒)自動分解成離子或其他分子。這也是Excimer的英文由來，是由Excited Dimer的縮寫。
準分子的增益介質主要有ArF，KrCl，KrF，XeBr，XeCl，XeF等，是由一個惰性氣體原子如He，Ne，Ar，Kr與化學活性較活潑的鹵素原子如F，Cl，Br組成的。惰性氣體原子本不會和別種原子形成分子，但如果把它們和鹵素元素混合，再以放電管來激發，就可成為激發態的分子，當激發態分子放出光子而躍遷回基態時，該分子及立刻分解，還原成本來的特性後，而放出高功率的紫外光。準分子在激發態的位能曲線有一極小值，表示中間有一平衡點，所以是分子。當粒子處在低能階，分子結合甚弱，其數量甚少，生命週期非常短(10-13秒)。因此只要激發到激發態，就很容易達到巨量反轉(Population Inversion)，而增益相對提高。而在眼科手術中，所選擇準分子雷射種類為ArF，輸出波長為193 nm脈衝型雷射[2]。
準分子雷射有下述幾項特性:
(１)由於準分子存在時間甚短，在共振腔內的往復次數少，因此光束的指向性差 (擴散角大)，光束的模態不良。
(2)準分子雷射屬於電子態之間的躍遷，其雷射波長範圍落在191 nm-354 nm的紫外光區間。
(3) 單一脈衝的能量高，因其脈衝時間短(~ns)，所以單一脈衝的能量約可達數個焦耳以上。
(4)準分子一旦躍遷到激發態就形成穩定的束縛分子態。
(5)準分子躍遷至基態釋放出能量就立即離解，即表示在基態永遠找不到準分子。
(6)準分子下能級為連續排斥態，因此不存在旋轉-振動能階。對應於每一上能級的分立能
態就有一個連續的發射頻譜，所以有可能實現準分子雷射的寬頻帶的連續頻譜。
飛秒雷射光源
在近十多年來，由於啁啾脈衝放大技術(Chirped Pulse Amplification, CPA)的提出與應用、克爾透鏡鎖模技術以及”摻鈦藍寶石晶體”(Ti-Sapphire)的出現，因為該雷射增益介質在頻譜上具有非常寬的頻寬，進而造就了飛秒雷射源(超快雷射)的迅速發展。在雷射的組成要素當中，有一個必要條件設備叫”共振腔”，其作用主要是讓光放大器產生的光子在其特定區域範圍內進行多次反射，只有與共振腔相同方向的光子才會被放大。共振腔的另一個作用就是限制了雷射的頻率，必須滿足共振腔的條件(L=nλ／2，L為共振腔長度, λ是波長，n為固定倍數)，因此n的範圍可以為很多，這也造就可製做脈衝雷射的條件[3]。
若將兩個相位相同，頻率不同的波相疊加，可造出拍頻訊號(Beat Frequency)，建設性干涉的部分會增強，破壞性干涉的部分就會被削減，想像越多條相位相同、頻率不同的波進行疊加，則可產生的拍頻就越短、峰值的強度就越大。在1.5公尺的共振腔中約可放大100萬個等間格頻率的光線，若能控制好其雷射相位，雷射的光波將可增強100萬倍而脈衝長度則可縮小100萬倍。飛秒(Femto Second,fs)的定義指的是脈衝雷射的脈衝寬度在時間尺度上已達飛秒的時間尺度(1飛秒=10-15 秒)，因時間尺度已是非常小，有人也會稱之為超快雷射。
在雷射放大系統中需有一脈衝壓縮機制將其雷射脈衝壓縮至飛秒等級，雷射光線在聚焦放大過程中，由於有光學克爾效應(Optical Kerr Effect)，高強度的光線會被增強，其他的部分會被阻擋掉，因此可以獲得高強度的雷射。但在介質中不同波長的速度會因折射率的差異而有所不同，為了要能夠形成飛秒的脈衝，必須將這些因波長而造成的光程差異進行補償，通常是藉由稜鏡(Prism)或是光柵(Grating)才能達到建設性干涉的效果。
飛秒雷射的發明具有重大的前沿學科意義，創造出全新的實驗室尺度，在台灣國內的幾個研究機構與學術單位都有用飛秒雷射做出研究論文發表，如中研院、台大、清大、成大、中正、工研院雷射中心等，從直接推動雷射科學與現代光學、原子分子物理、高能物理與核物理、凝態物理、非線性光學等，而本文後面會介紹將飛秒雷射整合進入醫療儀器的飛秒角膜切削儀，也是飛秒雷射相當具有指標性之應用。
準分子與飛秒雷射在屈光手術上的應用
時下的雷射近視手術所利用的光源大都是使用準分子雷射，這個準分子雷射儀包括顯微鏡、手術檯以及雷射光源，手術前醫師會先將患者的資料（如:近視、散光度數等）輸入電腦，透過電腦程式的演算法計算，將雷射開起且引導至手術檯上患者的眼角膜中(在圖1的角膜處)，依患者近視或隱形眼鏡的度數，在角膜上做適當而精確的切割，在角膜的中層進行切削(圖2)，以減少角膜的屈光度，完成矯正近視之目的[4, 5]。
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