Advances in femtosecond laser refractive eye surgery
| dc.affiliation.institute | Institut für Biomedizinische Optik | |
| dc.contributor.author | Freidank, Sebastian | |
| dc.contributor.referee | Vogel, Alfred | |
| dc.contributor.referee | Hübner, Christian | |
| dc.date.accepted | 2025-12-15 | |
| dc.date.accessioned | 2026-01-07T11:37:38Z | |
| dc.date.available | 2026-01-07T11:37:38Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description | Das Aufkommen zuverlässiger Kurzpulslaser in den 1980er und 1990er Jahren ermöglichte die refraktive Laserchirurgie zur Refraktionskorrektur ohne Brille. Bei der laserunterstützten in-situ-Keratomileusis (LASIK) wurde mit einem Argonfluorid-Excimer-Laser bei einer Wellenlänge von 193 nm das zentrale Hornhautstroma abgetragen, das vorher durch Schneiden eines sogenannten „Flaps“ mit einem mechanischen Mikrokeratom freigelegt worden war. Später wurde das mechanische Keratom durch einen Femtosekundenlaser ersetzt, der durch das Applizieren eines Rasters aus Nahinfrarot-Laserpulsen bei einer Wellenlänge von 1030 nm mit geringer Energie und hoher Wiederholrate eine Hornhautdissektion erzeugen kann. Auf diese Weise können Flaps mit flachem Bett und vertikalem Seitenschnitt erzeugt werden, die eine präzise Repositionierung nach der Operation ermöglichen. Zusätzlich wird es möglich, eine wellenfrontgeführte Ablation zur Korrektur von Aberrationen höherer Ordnung bei Myopie oder Hyperopie durchzuführen. In den 2010er Jahren wurde die Small Incision Lenticule Extraction (SmILE) eingeführt, bei der ein Lentikel mit Femtosekundenlaserpulsen aus dem zentralen Stroma herauspräpariert und durch einen kleinen Seitenschnitt entfernt wird. Diese Technik erfordert nur ein Lasersystem und eine präzise Scanoptik und ist Dank des sehr kleinen Seitenschnittes mit weniger durchtrennten Hornhautnerven und biomechanischer Schwächung der Hornhaut verbunden als die LASIK. In dieser Arbeit werden die Mechanismen der Hornhautdissektion analysiert und neue Dissektions-konzepte zur Verbesserung der Präzision, Wirksamkeit und Gewebsschonung der refraktiven Chirurgie sowohl bei LASIK als auch bei SmILE vorgestellt. Die Dissektion beruht auf einer Abfolge von laserinduzierter Plasmabildung, Stoßwellenemission und Kavitationsblasendynamik. Die Puls-wiederholfrequenz sowie die Energie und der Abstand zwischen den Pulsen beeinflussen die Interaktion zwischen den Ereignissen nachfolgender Laserpulse und damit die Schnittdynamik. Die Grundlagen der Plasmabildung und ihre Abhängigkeit von der Dauer des Laserpulses, der Wellenlänge, dem Fokussierungswinkel und der Fokusform werden in dieser Arbeit mit Hilfe allgemeiner Gleichungen für Photo- und Lawinen-Ionisation, thermische Ionisation und Rekombination beschrieben. Die laserinduzierte Blasenbildung und ihr Zusammenspiel mit der Stoßwellenemission wird mit einem erweiterten Gilmore-Modell der Kavitationsblasendynamik beschrieben. Diese Analyse und frühere Experimente zeigen, dass UVA Sub-Nanosekunden-Laserpulse mit stabiler zeitlicher Form und einer Wellenlänge um 350 nm das Potenzial haben, präzisere Schnitte mit kompakteren Geräten zu erzeugen als herkömmliche Nah-IR-Femtosekunden-Lasersysteme. Darüber hinaus kann die Einführung einer Phasenplatte den Gaußschen Laserstrahl mit länglichem Fokus in einen Vortexstrahl mit einem ringförmigen Fokus ähnlicher Länge umwandeln. Eine solche Fokusformung verspricht eine Verbesserung der Dissektionseffizienz bei Schnitten parallel zur Hornhautoberfläche, was mechanische Nebeneffekte reduzieren und die Präzision erhöhen sollte. Die Dynamik der Hornhautdissektion durch 330 fs, 1030 nm-Laserpulse wurde mittels stroboskopischer Fotografie mit Submikrometer-Auflösung, Hochgeschwindigkeitsfotografie mit bis zu 50 Mio. Bildern/s und Videografie bei 1 kHz untersucht. Die Größe der Kavitationsblasen wurde von stroboskopischen Aufnahmen durch digitale Bildauswertung bestimmt. Die Morphologie der Schnitte wurde histologisch untersucht und ihre Qualität mittels Rasterelektronenmikroskopie bewertet. Die Hochgeschwindigkeitsfotografie ergab, dass sich das Plasma durch mehrere Hornhautlamellen erstreckt und seine rasche Ausdehnung zu unregelmäßig geformten lobulären Kavitationsblasen führt. Die benachbarten Kavitäten aufeinanderfolgender Laserpulsen treffen wegen der lobulären Blasenform 2 nicht immer aufeinander, was zu Gewebebrücken führt, die das Ablösen des Flaps bzw. die Lentikelextraktion behindern. Der Schneideprozess kann als Summe einzelner Aufspaltungsereignisse beschrieben werden, die von der Pulsenergie und den Abständen benachbarter Laserfoki abhängen. Er hat jedoch auch eine dynamische Komponente, die der Rissausbreitung beim Bruch von Festkörpern ähnelt. Der Einfluss der dynamischen Komponente hängt von der Pulswiederholrate ab. Die Verwendung eines Vortex-Strahls wurde sowohl mit IR- als auch mit UV-Wellenlängen untersucht, und es wurde festgestellt, dass er generell die Effizienz und Qualität der Präparation verbessert. Rasterelektronenmikroskopie zeigte, dass mit dem Vortexstrahl erzeugte Schnitte deutlich glatter sind als mit einem Gaußstrahl. Die während der Plasmaexpansion von einem Ringfokus ausgehende Kräfteverteilung im Gewebe erleichtert die Gewebespaltung in Schnittrichtung parallel zur Hornhautoberfläche und minimiert so die Zahl von Gewebebrücken. Daher ist die zur Dissektion erforderliche volumetrische Energiedichte im Fokusvolumen bei einem Vortex-Strahl geringer als bei einem Gauß-Strahl, was den Plasmadruck reduziert und so mechanische Nebenwirkungen verringert. Die geringere Plasmaenergiedichte führt auch zu einer verminderten Gasbildung durch den von freien Elektronen herrührenden Zerfall von Biomolekülen. Dies ist von Vorteil, da langlebige Gasblasen die automatische Identifikation der Pupillenposition bei klinischen Eingriffen beeinträchtigen. Außerdem verringert die blasenbedingte Verzerrung der Hornhautmorphologie die Genauigkeit des oberen Lentikelschnitts bei SmILE. Insgesamt ist die Dissektion mit einem Vortex-Strahl daher präziser und schonender als mit einem Gauß-Strahl. Experimente mit UV-Femtosekundenpulsen bei 343 nm Wellenlänge und UV-Subnanosekundenpulsen bei 355 nm Wellenlänge zeigten, dass die Präzision der Hornhautschnitte durch eine Verringerung der Laserwellenlänge noch weiter verbessert werden könnte. Dennoch kommt diese Technik für eine klinische Anwendung nicht in Frage, denn obwohl das Schädigungspotenzial der untersuchten UVA-Wellenlängen vier Größenordnungen unter dem Spitzenwert bei 260 nm liegt und obwohl in früheren Tierversuchen keine Hornhautschäden beobachtet wurden, liegt die zum Flap Schneiden erforderliche Strahlenexposition über der maximal zulässigen Dosis. Die Pulsdauerabhängigkeit der zum Flapschneiden erforderlichen Laserpulsenergie wurde für IR-Pulse mit einer Dauer zwischen 480 fs und 8 ps und für UV-Pulse mit einer Dauer zwischen 1 ps und 400 ps untersucht. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit von der Pulsdauer festgestellt – sowohl die applizierte als auch die absorbierte Laserenergie steigt bei längeren Pulsen. Das weist daraufhin, dass sich die Energieeffizienz des Schneideprozesses mit Verlängerung der Pulsdauer vermindert. Für L > 10 ps nehmen der Grad von Druck- und Trägheitseinschluss der Energiedeponierung mit zunehmender Pulsdauer ab, was den Plasmaspitzendruck verringert und die Bildung einer Stoßfront verzögert oder sogar verhindert. Die verringerte Schneidenergie für L < 3 ps rührt von einer Zunahme der Plasmaenergiedichte bei abnehmender Pulsdauer her. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die hohe Eignung von Pulsdauern im unteren Femtosekundenbereich bis hinunter zu etwa 150 fs, die in modernen klinischen Lasersystemen verwendet werden. Die Verbesserung der Dissektion durch die Verwendung eines Vortexstrahls anstelle eines Gaußstrahls ist das Ergebnis dieser Arbeit mit der größten klinischen Relevanz und dem größten Potenzial für LASIK und SmILE. Es konnte bereits gezeigt werden, dass eine Vortex Phasenplatte einfach in das Strahlführungssystem bestehender klinischer Geräte implementiert werden kann und mit dem Fokus-Scanning kompatibel ist. Der nächste Schritt ist die Durchführung einer klinischen Studie. | |
| dc.description.abstract | The advent of reliable short-pulsed lasers in the 1980s and 1990s made it possible to perform refractive laser surgery that offers correction without glasses. In laser-assisted in situ keratomileusis (LASIK), argon fluoride excimer laser ablation at 193 nm wavelength was employed to ablate central corneal stroma that had been exposed by cutting a flap using a mechanical microkeratome. Later, the mechanical keratome was replaced by a femtosecond (fs) laser that can produce a corneal dissection through applying a grid of near-IR laser pulses at 1030 nm with small energy at high repetition rate. This way, flaps with flat bed and side cut can be produced that enable precise repositioning of the flap after surgery. It enables to perform wave front-guided ablation for correction of higher-order aberrations besides myopia or hyperopia. In the 2010s, small incision lenticule extraction (SmILE) was introduced, in which a lenticule is dissected out of the central stroma using only fs laser pulses and removed through a small side cut. This technique requires only one laser and optical delivery system and involves less dissection of corneal nerves and biomechanical weakening of the cornea than LASIK. The thesis analyses the mechanisms of corneal dissection and explores novel dissection concepts for improving precision, efficacy and gentleness of refractive surgery both in LASIK and SmILE. Dissection relies on a sequence of laser-induced plasma formation, shock wave emission, and cavitation bubble dynamics. Pulse repetition rate, energy and spot separation influence the interaction of events from subsequent laser pulses and, thus, the cutting dynamics. The fundamentals of plasma formation and its dependence on laser pulse duration, wavelength, focusing angle and focus shape are described using generic equations for photo- and avalanche ionization, thermal ionization, and recombination. Laser-induced bubble formation and its interplay with shock wave emission is described using an extended Gilmore model of cavitation bubble dynamics. This analysis and previous experiments show that UVA sub-nanosecond laser pulses with stable temporal shape and a wavelength around 350 nm offer the potential of creating more precise cuts with more compact devices than conventional near-IR fs laser systems. Furthermore, the introduction of a helical phase plate can transform the Gaussian laser beam with elongated focus into a vortex beam with a ring shaped focus of similar length. Such focus shaping promises to improve the dissection efficacy in direction parallel to the corneal surface, which should reduce mechanical side effects and increase precision. The dynamics of corneal dissection by 330 fs, 1030 nm laser pulses was investigated using stroboscopic photography with sub-micrometer spatial resolution, high-speed photography with up to 50 million frames/s and videography at 1 kHz. The cavitation bubble size was determined from stroboscopic photographs through digital image evaluation. The morphology of the cuts was investigated histologically, and the quality of the cuts evaluated through scanning electron microscopy. It turned out that the plasma extends through several corneal lamellae and its rapid expansion leads to irregularly shaped lobular cavitation bubbles. Lobes from neighboring bubbles do not always meet, which leads to tissue bridges hindering flap lifting and lenticule extraction. The cutting process is largely an addition of individual disruption/cleavage effects, which depend mainly on pulse energy and spot separation. However, it has also a dynamic component resembling crack propagation during fracture in solids, which implicates a dependence on pulse repetition rate. The use of a vortex beam was explored for IR and UV wavelengths and found to improve dissection efficiency and quality. Scanning electron microscopy showed that the cuts are smoother than with a Gaussian beam. The force distribution during the plasma expansion from a ring focus facilitates tissue cleavage in the cutting direction parallel to the corneal surface and minimizes tissue bridges. Therefore, the volumetric energy density in the focal volume required for dissection is smaller with a vortex beam than with a Gaussian beam, which reduces plasma pressure and mechanical side effects. The smaller plasma energy density results also in less gas generation through free-electron-mediated molecular disintegration. This is advantageous because long-lived gas bubbles impair pupil tracking during clinical procedures and distort the corneal morphology during dissection of the upper lenticule cut in SmILE. Altogether, dissection using a vortex beam is more precise and gentler than with a Gaussian beam. Experiments with fs pulses at 343 nm wavelength and sub-ns pulses at 355 nm showed that the precision of corneal dissection could be further improved by reducing the laser wavelength. However, although the damage potential of the investigated UVA wavelengths lies four orders of magnitude below the peak value around 260 nm and although no corneal damage has been observed in previous animal experiments, the radiant exposure required for flap cutting lies above the permissible dose. The pulse duration dependence of laser pulse energy required for dissection with easy flap lifting was investigated for IR pulses between 480 fs and 8 ps duration and UV pulses between 1 ps and 400 ps duration. A strong pulse duration dependence is found even for the absorbed laser energy needed for flap cutting, which indicates that the efficiency of the cutting process drops. For durations L > 10 ps, stress and inertial confinement of energy deposition decrease, which reduces the plasma peak pressure and delays or even inhibits the formation of a shock front. For L < 3 ps, the reduced cutting energy is related to an increase of plasma energy density with decreasing pulse duration. These findings confirm the high suitability of pulse durations in the lower fs range down to about 150 fs, which are used in state-of the art clinical laser systems. The improvement of dissection through use of a vortex beam instead of a Gaussian beam is the finding of this thesis with greatest clinical relevance and potential for LASIK and SmILE. It has already been demonstrated that a helical phase plate can be easily implemented into the beam delivery system of existing clinical devices and is compatible with focus scanning. The next step is the conduction of a clinical study. | |
| dc.identifier.uri | https://epub.uni-luebeck.de/handle/zhb_hl/3573 | |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:841-202601071 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Laser | |
| dc.subject | LASIK | |
| dc.subject | SmILE | |
| dc.subject | Eye | |
| dc.subject | refractive eye surgery | |
| dc.subject.ddc | 500 | |
| dc.title | Advances in femtosecond laser refractive eye surgery | |
| dc.title.alternative | analysis of mechanisms, and new tools for precise and gentle corneal dissection | |
| dc.type | thesis.doctoral |
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