醫學工程在眼科的應用 -從人工水晶體到屈光手術-

科林儀器股份有限公司

眼科事業部顧問

金守仁

What is Cataract• Cataract – 白內障

• “Cataract”一詞源於拉丁語，意爲“瀑布”

• 早期的行醫者認爲白內障的出現是因爲眼後部的某東西 落下所致

• 河水的急速降落也稱爲“Cataract”，兩種詞義有著同一詞 根

人類晶體構造

• 人類晶狀體包括4個基本結構

• 囊膜：包裹著晶狀體，是一層透明而有彈性的膜。

• 上皮：位於前囊膜下的一層細胞

• 皮質：透明的蛋白物質，爲晶狀體的主要成分，由囊膜 包裹

• 核：晶狀體的核心部分。

• 年幼時核很軟

• 隨年齡增長變硬

白內障形成原因• 任何晶狀體的混濁都稱爲白內障

• 外傷• 眼球穿孔異物進入晶狀體，或沒有穿孔的眼部挫傷

• 眼內炎症• 葡萄膜炎

• 代謝性因素• 糖尿病，和白內障的早期發病有關

• 其他眼內疾病• 視網膜脫離

• 眼內腫瘤（黑色素瘤和視網膜母細胞瘤）

• 家族遺傳因素也可使兒童早期發生白內障

白內障發病因素

• 過度暴露于陽光下（陽光中的紫外光）

• 熱帶國家中多發的原因之一

• 在發展中國家，營養不良對某些人來說也可能是白 內障早發的一個原因

• 幼年反復的急性腹瀉可導致白內障的發生

• 某些常用藥，尤其是眼部或全身長期應用皮質類固 醇，都能導致白內障

白內障分類

• 根據年齡分類• 嬰兒性白內障

• 發育性白內障• 家族性白內障就發生在兒童或成年早期

• 成年白內障• 爲最多的一種，亦稱爲“老年性”白內障

• 根據病因分類• 先天性白內障

• 遺傳性或繼發於母體感染，如梅毒或風疹

• 外傷性白內障

• 繼發性白內障• 如葡萄膜炎，眼內感染或過量應用皮質類固醇

白內障分類

• 根據白內障的密度分類• 初發期白內障

• 幾乎不影響視力

• 未熟期白內障• 混濁明顯可見，視力下降

• 成熟期白內障• 晶狀體呈白色或乳白色，視力顯著下降

• 膨脹期白內障• 晶狀體呈白色，腫脹

• 過熟期白內障• 瞳孔區晶狀體完全呈白色，晶狀體皺縮

• 莫幹尼（Morgagnian）白內障• 皮質液化，核失去支撐，漂動在囊袋內液化的皮質中

白內障分類

• 根據解剖部位分類• 核性白內障

• 老年性核硬化

• 皮質性白內障• 皮質混濁，多與年齡有關

• 囊膜和囊下性白內障• 囊膜的內表面混濁，過量使用皮質類固醇可致任何年齡的後囊下白內障

• 根據起源分類• 非並發性白內障

• 不明原因的晶狀體混濁

• 並發性白內障• 繼發於某種已知因素的任何晶狀體混濁，如外傷、葡萄膜炎或糖尿病• 晶狀體位置異常如全脫位或半脫位的白內障也屬於並發性白內障

白內障手術治療前的診斷

• 光學

• 裂隙燈

• 非接觸式眼軸長度測量

• 超音波

• A-Scan接觸式眼軸長度測量

Slit lamp 裂隙燈

• 以細隙燈光對焦在眼組織上，而經由

顯微鏡的檢查來觀看眼組織的情況，此 為裂隙燈，又稱細隙燈

• 針對結膜、角膜、前房、虹膜、水晶

體及玻璃體做通盤的評估

• 加眼底透鏡：檢查視網膜及黃斑部

• 加上隅角鏡：觀察前房隅

Slit lamp 裂隙燈

–寬光束照明法

• 方法

• 一個窄裂隙光束以45°投射到晶體表面產生一 個光學斷面，所照射的位置與顯微鏡所要觀

察的部份，同時重疊對焦

• 檢查部位

• 白內障的位置

• 角膜、晶體的層狀

• 異物的深度

Slit lamp看白內障

超音波

• 超音波

• 聲音依據頻率(frequency)來分類

• Infrasound(低音波、亞聲)

• 頻率低於

20 Hz.

• Audible sound(可聽見的聲音)

• 頻率在

20 到

20 kHz.之間

• Ultrasound(超音波)

• 頻率高於

20 kHz.

• Medical Ultrasound(醫用超音波)

• 頻率通常在

3.5 到

50 MHz.間

超音波應用

• A Scan• 眼軸長度測量

• 測量前角膜到視網膜黃斑部的

距離

• 計算人工水晶體度數

• B Scan• 瞳孔或晶體後膜

• 白內障晶體

• 睫狀肌及隅角掃描(青光眼)

• 觀察眼睛內部構造,如視網膜剝離,玻璃體出血,腫瘤等

• 其他的玻璃體混濁

眼科

A Scan• 以振幅(Amplitude)顯示

• 將組織界面反射訊號顯示為垂 直的波峰，形成一維影像

• 超音波傳遞時間代表反射界 面的距

離距離越遠，波峰位

置越後面

• 波峰高度表示反射強度，反 射越強，波峰越高

眼軸長度測量波形

人工晶體度數計算

眼科

B Scan• 以亮度(Brightness)顯示

• 眼科病變二維超音波診斷• 反射波以不同灰階亮度的亮點

表示

，每一個反射波在螢幕 上顯示成一個光點，光點亮度 代表反射波強度，越亮表反射 波越強

• 眼科使用扇形掃描，探頭作扇 形轉動，形成扇形影像輸出， 一般說來，探頭小、使用方

便、解析度高

非接觸式眼軸長度測量儀

• 非接觸：降低人為操作差異

高重現性

使用波長820nm SLD光源

非接觸式眼軸長度測量儀應用

• 測量眼軸長度

• 計算人工水晶體度數

• 特點

• 一次測量可得9種參數

• 5種IOL計算公式

Ultrasound BiometerTheoretical Optical Axis

LENSTAR optical BiometerVisual optical line

白內障手術治療

• 超音波

• 超音波晶體乳化儀

• 雷射

• Nd:YAG雷射

• 材料

• 人工水晶體

超音波晶體乳化儀

• 頻率：超過20kHz的聲 波

• Cavitation：空穴效應• 液體內氣泡突然形成，所

造成的一種劇烈的擾動現 象

• Crystal前後震動，帶 動乳化探針前後移動，

將成熟的水晶體震碎吸 出

超音波晶體乳化儀應用

YAG LASER• Nd:YAG Laser

• 波長：

1064nm• 色系：

不可見光

• 在水中穿透深度約70mm

• 續發性白內障治療

人工水晶體的設計

• 兩個共通基本架構• 圓形鏡面，有如眼鏡的鏡片是有

度數的(稱為水晶體本體)• 用於折射光線

• 二條將圓形晶體固定在眼球中央

的臂狀物(稱為支撐腳)• 固定位置、避免偏移

• 採三片設計• 本體一片、腳兩片加以黏合

• 較易偏位，引起光暈、眩光

• 嚴重者甚至須重新植入

• 一體成型• 較少偏位的疑慮

人工水晶體材料的演進

• 人工水晶體的發明• 英國眼科醫師Harold Ridley

• 二次世界大戰期間，飛行員常被碎裂的飛機艙罩傷及眼 睛，大小不一的碎片留在眼內，幾乎不會引起反應，而 飛機艙罩是用甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製成的

• 構想純化這種材質製作人工水晶體，來取代囊外摘除術 所取出的渾濁白內障，早期的人工水晶體也都沿用這個 材質

• 於1949年在倫敦的聖湯瑪士醫院成功植入一個45歲婦人 眼中

• 但此硬塑膠材質人工水晶體被植入眼內後，容易發生偏 離視軸，即所謂的『偏位現象』而需要被取出重新放置

人工水晶體的材料演進

• 1978年，為了配合囊外 白內障摘除術(ECCE)， 發展出可以放置於水晶

體囊袋內的硬式人工水 晶體，

材料仍是以

PMMA為主

• 三片式設計

• 現在較少眼科醫師使用

• 1982年時，研發出可摺 疊式人工水晶體

可摺疊式人工水晶體

• 可摺疊式人工水晶體• 將其摺疊成原本大小的一

半

• 其摺疊後的大小可利用較 小的超音波晶體乳化切口 來植入

• 一旦可摺疊式人工水晶體 被放入水晶體囊袋中，就 會慢慢伸展恢復至原先大 小

可摺疊式人工水晶體

• 第一個用來製成可摺疊式人工 水晶體的材料為矽膠(Silicone)

• 矽膠材質本身容易纖維化，如 果手術過程中未進行處理，可 能會產生一些併發症

• 如較高的二次白內障發生率

• 發炎反應

• Silicone屈光指數較低，所以需 要比PMMA及Acrylic較厚的厚

度才能達到相同的光學度數

可摺疊式人工水晶體

• 1994年時，使用“非親水性 Acrylic材質”

• 其柔軟、可摺疊的特性，讓人 工水晶體容易透過小切口而被 植入眼內

• 沒有矽膠人工水晶體的回彈 力，可避免因人工水晶體回彈

而造成組織傷害

• 不但具有可摺疊的特性，且 為目前市面上生物相容性最 高、二次白內障發生率最低 的人工水晶體

一般型人工水晶體

• 一體成型軟式人工水晶體• 生物材質與眼睛相容性高

• 發炎反應低

• 二次白內障發生率低

• 置中能力強

• 只能濾紫外線，無法濾藍光

• 無法矯正散光，球面像差及老 花

• 材料

• 非親水性壓克力(Alcon)

一般型人工水晶體

• 三片型軟式人工水晶體• 生物材質與眼睛相容性高• 發炎反應低• 二次白內障發生率低• 置中性較一體成型差• 只能濾紫外線，無法濾藍光• 無法矯正散光、老花• 材料

• 矽膠(AMO)• 非親水性壓克力

(Acrylate/Methacrylate copolymer壓克力/甲基丙烯酸酯

分子聚合物) (Alcon/AMO)

功能性人工水晶體

• 非球面人工水晶體

• 降低術後眼球像差,提升 夜間活動視覺功能

• 材料• 矽膠(AMO)• 非親水性壓克力(Alcon/AMO)

功能性人工水晶體

• 黃色人工水晶體

• 除濾掉UV外，還濾掉對眼 睛有害的藍光，保護黃斑 部

• 材料• 非親水性壓克力(Alcon)

功能性人工水晶體

• 可矯正散光的人工水晶體

• 矯正散光

• 有散光mark

• 具黃色及非球面人工水晶體 優點

• 材料• 非親水性壓克力(Alcon)

功能性人工水晶體

• 可矯正老花的人工水晶體

• 繞射原理

• 光區多(32區)

• 類似雙光老花眼鏡

• 大量閱讀

• 材料• 非親水性壓克力(AMO/Alcon)

功能性人工水晶體

• 可矯正老花的人工水晶體

• 折射原理

• 光區少(5區)

• 類似漸進多焦老花眼鏡

• 職場/社交場合

• 材料• 三片式壓克力

植入式微型鏡片

• 可矯正高度近視

• 放置於眼前房

• 矯正雷射屈光手術不適用 的高度近視患者

• 材料• PMMA (AMO/OPHEEC)

未來人工水晶體趨勢

• 配合白內障手術趨勢，會朝液態人工水晶體材料發 展

• 類似注射液體，將液態人工水晶體注入水晶體囊袋 中

• 可保留水晶體原有的調視能力(可看遠看近)

屈光矯正方法

• 機械刀• RK• AK• ALK• MLK

• Laser• PRK• LASIK

• 機械刀+準分子雷射• 飛秒雷射+準分子雷射

屈光矯正方法

• RK (Radial Keratotomy放射狀角膜切開術)• 利用鑽石刀在角膜上做小切口

• 切口改變角膜形狀，使角膜中央變得較平

• 切口的深度、長度、刀數

• 適用低度數矯正

屈光矯正方法(RK)

屈光矯正方法

• AK (Astigmatic Keratotomy散光角膜切開術)

• 改變角膜形狀

• Vertical axis變得較平

• 讓兩個平面的光線都聚焦在視網膜上

屈光矯正方法(AK)

屈光矯正方法

• ALK/MLK• ALK：自動角膜層狀重塑術，Automated lamellar

keratomileusis• MLK：手動角膜層狀重塑術，Manual lamellar keratomileusis

• 手術方法

• 利用角膜顯板層切割刀，將角膜做二次層狀切割，以第二次板 層切割深度決定矯正度數

屈光矯正方法

• PRK：Photorefractive Keratectomy• 雷射屈光角膜切削術

• 刮除角膜上皮組織後以雷射矯正

屈光矯正方法

• LASIK：Laser In-Situ Keratomileusis• 雷射角膜層狀重塑術

• 以角膜板層切割儀掀起角膜瓣後再以雷射矯正

Laser

雷射概論－組成

• 活性介質(Active Medium)• 在某一高能階停留壽命長於某些低能階

• 能在很短的時間內將大量低能階粒子送往高能階

• 能以有效的方式激發到高能階

• 激發系統(Pumping System)• 一種能源(電、光、熱、化學能…)

• 激化活性介質低能階粒子送往高能階

• 共振腔(Resonant Cavity)• 回授機構：讓光來回放大

• 輸出耦合：讓部分雷射光輸出

• 傳送系統(Delivery System)

雷射概論－組成

雷射概論－特性

• 單色性

• 光的波長幾為一種,可行波長的選擇性照射

• 指向性

• 光束性質良好,容易形成高輸出

• 干涉性

• 容易形成干涉條紋,可行立體照相

雷射與一般光比較表

雷射光 一般光

傳播方向 (方向性)

單一直線 四面八方

光照亮度 (功率/單位面

積)

強 弱

頻率 (單色性)

單頻 多頻

相位 (相干性)

連續 不連續

雷射在醫療之機制

• 切割作用• 組織吸收過量光能

• 凝結作用• 組織吸收光能不足

• 剝蝕作用• 組織細胞中鏈狀長分子吸收適量光能

• 鑑別作用• 特殊組織或細胞將特殊光波轉成螢光

雷射種類

• 固體雷射

• 氣體雷射

• 半導體雷射

• 液體雷射

固態雷射

• 紅寶石雷射、Nd:YAG雷射、Er:YAG雷射、KTP雷射

• 特質

• 固體密度最高，能夠瞬間產生高能量輸出

• 結構緊湊，牢固耐用

• 要連續高功率輸出較難(缺點)

雷射種類 應用層面

紅寶石雷射 醫療、穿孔、點熔接

Nd:YAG雷射 材料加工、精密加工、表面處理、測距、

熔接、穿孔、外科手術

氣體雷射

• HeNe 、Argon 、CO2 、 Excimer(準分子雷射)

• 特質

• 光學均勻性好，所以雷射光品質最佳

• 可長時間穩定工作

• 結構簡單，操作方便

• 因氣體密度低，一般瞬間功率不高(缺點)

雷射種類 應用層面

二氧化碳雷射 切割、焊接、熱處理、醫療、核融

合、雷射武器

氦氖雷射 標定準直、精密量測、掃瞄

半導體雷射

• AlGaAs雷射(紅外線，波長為650-905nm間，醫療 用雷射)、InGaAsP雷射、可見光半導體雷射

• 目前應用於高分辨光譜的研究

• 特質

• 體積小、重量輕、結構簡單、價錢便宜

• 能量轉換效率高

• 體積小，散熱不易，易受溫度影響(缺點)

• 光發散角度較大，輸出功率較小(缺點)

液體雷射

• 染料雷射(以各種染料當介質波長在300-1000nm 間連續可調，可利用不同濃度和溫度得到不同波長

雷射，整形外科使用較多)

• 目前運用於同位素分離，細胞分類

• 特質

• 不破裂性

• 波長在一定範圍內連續可調

• 連續輸出功率亦不高(缺點)

屈光手術治療前的評估

• 光學

• 裂隙燈

• 驗光機

• 角膜地形圖儀

• 眼球像差儀

• 內皮細胞顯微鏡

自動驗光機及角膜弧度儀

• Refractometry

• 將一光源打入受測者眼睛，至視網膜

後反射出來，經過一光柵，若眼睛屈

光是正常的，則經過光柵後之投影圖

形必和標準圖形一樣，若眼睛屈光不

正常，則投影之圖形必與標準圖形有

些差異，根據其差異計算出受測者眼

睛之屈光度(近視/遠視、散光)

自動驗光機及角膜弧度儀

• Keratometry

• 將環形光點打至角膜上，並產生反射圖形，反射的圖形 依角膜各方向曲率半徑而定。

• TV Camera接收反射圖形，代入公式計算得曲率半徑(R) 及屈光度(D)

• 測量角膜弧度及評估角膜散光

自動驗光機及角膜弧度儀

• 屈光不正• 近視

• 遠視

• 散光

• 散光軸度

• 瞳孔距離

• 臨床眼科基本檢查

• 配眼鏡/隱形眼鏡

• 白內障手術

• 屈光手術

角膜地形圖儀

• Close Ring：角膜較陡

• Far Ring：角膜較平

• Smooth Ring：角膜平整

• Irregular Ring：角膜不平

角膜地形圖儀

• 圓錐角膜追蹤評估

• 屈光手術追蹤評估

• 隱形眼鏡追蹤評估

• 非球面人工晶體選擇

眼球像差儀

• 前導波像差儀• 測量眼睛各部位置度數• 測量眼睛的像差

角膜內皮細胞分析儀

• 角膜內皮顯微鏡或角膜內皮鏡

• 非接觸式檢查

• 角膜內皮細胞和房水屈光指數不同，兩

者之間形成介面

• 當一窄光束聚焦在這一介面上時引起反

射，內皮細胞各部分反射程度差異顯示

出細胞的邊界

• 利用顯微鏡放大觀察並照相，便可取得 內皮細胞大小形態和密度等客觀資料

角膜內皮細胞分析儀應用

• 角膜內皮細胞數量分析• 青光眼

• 福斯氏/富氏角膜內皮失養症

• 眼部手術-青光眼、白內障

• 角膜移植手術

• 屈光手術

•角膜病變• 圓錐角膜

•隱形眼鏡追蹤

•提供角膜厚度值

屈光手術治療

• 力學

• 板層刀

• 雷射

• 飛秒雷射

• 準分子雷射

板層刀+準分子雷射

手術實況

飛秒雷射

• FEMTO SECOND

• 波長：1045nm• 角膜瓣尺寸：8.5 9.0 9.5 10.0mm• 角膜瓣厚度：90 110 140 um

September 10Ziemer Group 72

focused fs-laser beam

nonlinear absorption

plasma

shock wave

cavitation bubble

gas bubble

Femtosecond Laser Technology

Photodisruption, optical breakdown:

0.5 - 5 µm

Prof. Dr. H. Lubatschowski, Laser Zentrum Hannover, DE

September 10Ziemer Group 73

FEMTO LDV Crystal Line

Short focal length

Large numerical aperture

Small spot size - less „shock-wave“ effect

Cutting Plane

“other Femtolasers” Crystal Line Laser Optics

Photodisruption, Optical Breakdown

2 µm

September 10Ziemer Group 74

• Femtosecond

Pulse Pattern:

Technical Features

Fast ScanSlow Scan FEMTO LDV Crystal Line:

Fast pulse pattern

Pulse rate:> 5 MHz (= 106 Hz)

No „Tissue Bridges“

September 10Ziemer Group 75

Technical Features

assembleapplanate

suctioncut

Hand-piece

InterShield

Suction Ring

•Laser delivery system:

飛秒雷射

手術實況

作完角膜瓣

掀起角膜瓣

準分子雷射

Excimer laser

• 波長：193 nm• 使用氣體：ArF• UV Light

Excimer Laser (Excited Dimer Laser)

• 準分子的精雕細琢

眼科雷射(治療用)

• Excimer Laser• Ar-F (Argon Fluoride) ---- 波長 193 nm• F-F (Fluorine) ---- 波長 155 nm• Kr-Cl(Krypton Chloride) ---- 波長 222 nm• Kr-F (Krypton Flouride) ---- 波長 248 nm• Xe-Cl(Xenon Chloride) ---- 波長 308 nm• Xe-F (Xenon Fluoride) ---- 波長 351 nm

• 波長 248 nm 之 LASER 會造成染色體突變，故目前眼科皆採用波

長為 193nm 之 LASER

準分子雷射

Excimer

laser

• 鈍氣(Argon)與鹵素(F)結合成雙分子狀態

• 將此分子激發後放射出可把分子鍵打斷之高能量UV Light (Laser)

• 將此雷射經由光學傳遞系統傳送至角膜上

• Laser將角膜組織之分子鍵打斷汽化掉

• 藉由精確精密之電腦控制，將適當大小、形狀之角膜準確 切除，以達到所要的結果

• 應用• 改變角膜形狀來矯正屈光不正

• 如近視、遠視及散光

手術模擬

Q & A