CN101677873A - 计算用于准分子激光器中的激光照射文件的装置及方法 - Google Patents

计算用于准分子激光器中的激光照射文件的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种计算用于准分子激光器中的激光照射文件的方法及装置，此方法包括以下步骤：提供关于期望的消融轮廓的信息；计算期望的消融轮廓的照射密度；使用价值函数以将准分子激光器激光照射布置在栅格位置上，其中，基于期望的消融轮廓的所计算的照射密度来确定阈值。

Description

计算用于准分子激光器中的激光照射文件的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种具体是使用抖动算法来计算激光发射文件的装置及方法，该激光发射文件应用于准分子激光器中。当对眼睛进行激光治疗，或使用激光消融产生定制的隐形眼镜或人工晶状体(IOL)(intraocular lens)时，本发明特别适于应用激光照射文件。
背景技术
US 6,090,100涉及一种用于以降低的热效应来矫正视力的准分子激光系统。其特别是涉及一种用于控制准分子激光系统来去除眼睛的组织以执行各种类型的矫正的方法和装置，矫正诸如是近视、远视以及散光矫正。在一个公开的实施例中，准分子激光系统提供相对较大的斑点大小，该大的斑点大小提供的每个照射的治疗区域具有相对较大的覆盖。当使用此大的斑点时，照射一般并不彼此“相邻”，而是相互交叠，在特定点产生所需的消融度。使用一种算法来计算交叠照射的结果。在使用分布于整个治疗区域上的大且固定的斑点大小来计算治疗模式的方法中，使用抖动算法。具体提到矩形抖动、圆抖动以及逐行导向抖动。使用任何种类的照射抖动方法时，对分布于治疗区域上的固定斑点大小产生照射阵列，以矫正至期望的消融度。对于各个阵列，使用了在单独的栅格位置之间具有恒定栅格宽度的栅格。利用已知的抖动方法，必须将期望的消融轮廓的形状转换成整数离散密度分布，期望的消融轮廓通常为连续轮廓。这里，连续轮廓表示计划的消融，而整数离散密度分布表示一系列消融飞点激光脉冲。必须最小化残留结构，即，计划的与所获的轮廓之间的差异。理论上，能够找到数字上的确切解决办法，但在合理的时间上不能。因此，基于这个目的使用抖动算法。在给定的栅格处使轮廓离散化。针对栅格的每个位置，算法使用价值函数或评价函数来决定是否布置照射。对于此决定，通常只考虑栅格的少数毗邻位置。此抖动算法节省了计算时间，而不需要考虑斑点的实际大小。获知由一个激光照射所消融的照射体积就足够了。但是，在某些条件下，已知的抖动算法在部分轮廓中产生假象，例如，在低密度区域，在该区域，下一个毗邻的照射太远。也可能在高密度区域中产生假象，在该区域，几乎在每个位置都布置有照射。假设只需要少数毗邻位置，没有照射的位置也具有太大的距离。
关于抖动算法的总体背景，参照US 6,271,636B1，其涉及数字图像处理领域。其尤其涉及使用误差扩散、抖动以及过调制方法来对连续色调图像进行数字多频声处理(multitoning)的方法。提到的问题是可能出现类似蠕虫的假象，当黑色或白色输出像素在否则应该一致的区域里看似连在一起时，形成所述蠕虫。其中，此美国专利给出了对这些已知方法的详细描述，它涉及完全不同的技术领域。在其它区别中，已知的激光打印机系统使用各自的固定的分辨率，该分辨率给定为每英寸的点的数量，即，每英寸中具有更高数量的点会导致更好的分辨率。此外，已知的激光打印机没有点交叠和接触的问题，因为当撞击一个点两次或更多次时，不会导致附加的发黑度。更确切地，为了产生图像，能够通过在具有某一灰度水平的图像的某一局部区域中应用对应数量的点来产生该局部区域。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置及方法，用于计算用于屈光准分子激光器中的激光照射文件，其中，将计划的轮廓与获得的轮廓之间的差异最小化。这个目的通过权利要求的特征实现。
用于例如近视的矫正的期望的消融轮廓在治疗区的中心部分具有最大照射密度，而沿着治疗区周围边界的照射密度最小。因此，应用于治疗区的中心部分的激光照射的数量比其它子区域中的高，其它子区域尤其是沿治疗区边界的子区域。
为了例如远视的矫正，在治疗区的中心部分存在最小照射密度。另一方面，消融轮廓在沿治疗区的周围边界需要更高数量的激光照射。
本发明通常可适用于任何消融轮廓，其中研究具有不同照射密度的子区域，以确定任何具有最大照射密度的子区域和/或任何具有最小照射密度的子区域。
本发明的总体概念是基于适配抖动算法的想法，其用于在对给定的栅格上的给定的消融轮廓进行离散化时布置准分子激光器的激光照射。对每个栅格位置，抖动算法使用价值函数来决定是否布置照射。更具体地，首先计算用于获得预定期望的消融轮廓的照射密度。根据期望的消融轮廓的计算的照射密度，通过使用动态阈值来适配抖动算法，动态阈值用于针对照射计算的价值函数中。
根据本发明的优选实施例，根据期望的消融轮廓的最小照射密度和/或最大照射密度来从至少两个不同的阈值中选择阈值。总体而言，对具有低照射密度的期望的消融轮廓，使用较低阈值。对具有高照射密度的期望的消融轮廓，使用较高阈值。
根据本发明的优选实施例，第一阈值是消融轮廓的最大照射密度的0％至20％的范围内的值。替代地或附加地，第二阈值是最大照射密度的20％至80％的范围内的值。替代地或附加地，第三阈值是最大照射密度的80％至100％的范围内的值。
根据本发明的另一优选实施例，使用三个以上不同的阈值，并且更优选地，阈值“TV(x，y)”与照射密度“D(x，y)”根据以下方程(1)相关联：
TV(x，y)＝f(D(x，y))    (1)
更优选地，在阈值“TV(x，y)”与“D(x，y)”之间存在根据以下方程(2)的线性关系：
TV(x，y)＝a·D(x，y)    (2)
其中，“a”是在0＜a≤1.5的范围内的正因子，并且其中，“x”和“y”是计算所针对的栅格位置的坐标。
优选地，与密度函数对应地对每个栅格位置设定阈值。更优选地，阈值设定为等于各自的栅格位置处的密度函数的值或接近该值。
阈值优选地至少是在各自的栅格位置处的密度函数的值的80％至110％的范围内的值，更优选地是90％至100％的范围内的值.因此，方程(1)的因子“a”是优选地在0.8至1.1的范围内的值，更优选地在0.9至1.0的范围内的值。a等于1时能够获得最佳结果。
使用单个激光照射的消融容积V照射及栅格宽度G，通过如下方程，根据各自的子区域内的消融轮廓z(x，y)来计算栅格位置P(x，y)附近子区域内的局部照射密度D(x，y)。
D(x，y)＝z(x，y)×G2/V照射   (3)
根据优选实施例，抖动算法用于计算准分子激光器的激光照射在栅格位置上的布置。通过对用于抖动算法的栅格确定优化的栅格宽度，使抖动算法于期望的消融轮廓相适配。对于优化栅格宽度的此方面的更详细的描述，参照本申请人的名称为“计算用于屈光准分子激光器中的激光照射文件的装置及方法”的同时待决的专利申请。
根据优选实施例，使用以下方程，可得出针对轮廓zmax(x，y)的最大值以及期望的最大密度Dmax(x，y)的栅格宽度：
使用方程3，期望的轮廓的最小值附近的局部照射密度可由给定的栅格宽度计算出。优选地，利用方程4计算栅格宽度。使用两个范例来解释动态阈值的影响。作为第一范例，选择的治疗使用约5mm的治疗区域用于+4dpt的期望的矫正。这种远视矫正沿围绕中心的环形部分具有最大的消融。期望的深度大约为26μm。利用典型的准分子治疗激光器，大约需要445个激光照射以达到结果。为了沿环形部分获得大约18％的照射密度，选择98μm的栅格宽度。在此范例中，使用恒定阈值来计算消融。在消融的第二范例中，治疗区仍为5.5mm，矫正为+4dpt。期望的最大深度大约为26μm，并且需要大约445个激光照射。对于第二范例，使用动态阈值。第二范例示出了计算消融时使用动态阈值的优点。
根据另一优选实施例，期望的消融轮廓分为至少两个消融子轮廓。然后对于每个消融子轮廓，计算各自的照射密度，并基于消融子轮廓的各自的计算的密度确定各自的栅格宽度。使用动态阈值计算每个子轮廓。因此，对于对比太高的期望的消融轮廓，即最大照射密度与最小照射密度之间的差异太大，优选地针对各分别的消融子轮廓使用不同的栅格常数或栅格宽度在两轮或更多轮中计算激光照射文件，产生对应的激光照射文件。其后，能够将所述两个或者更多个激光照射文件组合为一个单个的激光照射文件
根据本发明，在进一步的分类步骤中处理计算的、布置的激光照射以获得激光照射的顺序。考虑应当避免任何热效应来执行分类，即两个连续的激光照射优选地布置在治疗区中彼此相距一段距离的不同栅格位置上。
附图说明
将通过参照附图的范例对本发明进行进一步描述，其中：
图1A为示出用于使用恒定阈值的第一测试的激光斑点的位置的图示；
图1B为作为沿图1A的水平轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；
图1C为作为沿图1A的竖直轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；
图2A为示出根据本发明的优选实施例的用于使用动态阈值的第二测试的激光斑点的位置的图示；
图2B为作为沿图2A的水平轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；
图2C为作为沿图2A的竖直轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；
图3示出使用抖动算法来计算激光脉冲模式的流程图；以及
图4示出子栅格的示例，该子栅格的加权因子可用于对毗邻的误差值进行加权。
具体实施方式
图1A、1B和1C示出了激光照射文件的模拟计算，该激光照射文件用于准分子激光器中，用于以约+4屈光度来矫正远视，其使用用于屈光治疗的典型的准分子激光器，在直径为5.5mm的治疗区内且使用具有约1mm的直径的激光斑点。在该模拟的第一测试中，栅格宽度为98μm。因此，两个毗邻栅格点间的距离为98μm。在此范例中，栅格点排列成行和列。总共使用445个激光照射来获得消融。取决于单个照射的消融体积，得到的治疗预期具有所述约+4屈光度的屈光。图1A示出445个激光照射中每一个的各自的中心位置，中心位置与每个都标有“+”号的栅格位置中的一个相关。在图1A右上角，示意性地示出栅格具有98μm的栅格宽度。每个所示的激光照射中心位置布置在此栅格的栅格点处。图1B的示意图作为虚线示出了期望的消融轮廓，即，关于各自的X位置的以μm计的消融深度。在约为2和+2的x位置处，在治疗区的环形部分中，消融深度大约为26μm，并且小于中心部分和两侧两侧。中心部分的消融深度几乎为零。另外，作为沿通过图1A中的点0-0的水平轴取得的横截面用实线示出了模拟得到的消融轮廓。类似地，图1C用虚线示出了期望的消融轮廓，其为沿通过图1A中的点0-0的竖直轴的横截面取得的。图1C还用实线示出了得到的消融轮廓，其为沿通过图1A中的点0-0的竖直轴的横截面取得的。图1中，治疗区内的平均照射密度大约为18％，在此范例中，治疗区具有5.5mm的直径(图1A)。激光照射的各中心位置布置在X方向±2.7mm及Y方向±2.7mm的范围内。
除使用动态阈值外，图2A、2B和2C示出了与图1A、1B和1C类似的第二测试的结果。根具体地，在此测试中照射密度D(x，y)已用作阈值TV(x，y)。因此，以上方程(2)中的因子“a”选择为a＝1。
第一测试的恒定阈值的使用在消融的较低部分中引起激光照射位置的类似线状的布置的假象(图1A)。例如，如所示，在沿水平底线以较近距离布置的栅格位置处提供有数个激光照射。在离此水平底线较大距离处布置的栅格位置处提供另外的激光照射。因此，不以相同方式提供激光照射，导致与期望的消融轮廓的偏离(见图1C)。
第一测试图和第二测试图的比较示出，得到的第一测试的消融轮廓更佳，即，得到的消融轮廓的曲线更符合期望的消融轮廓的曲线(见图2B和2C)。具体地，图1C示出了得到的消融轮廓与期望的消融轮廓偏离，即，相对于期望的消融轮廓的右边部分存在移动。抖动算法得到的消融轮廓的部分中产生假象，其取决于对各栅格位置的激光照射的计算顺序。在具有照射密度梯度的区域中，移动照射。这种移动取决于期望的消融的深度。另外，可以引起称作蠕虫的假象。
通过使用抖动算法，输入参数是激光照射的照射体积和期望的消融轮廓。不需要考虑光束直径，因为抖动算法与光束直径相独立地起作用。抖动算法提供激光照射文件作为输出。更具体地，抖动算法用于将准分子激光器的激光照射布置在栅格位置上。优选地，针对每个栅格位置，使用价值函数来决定是否布置激光照射。于此，优选地，关于在给定的栅格位置的毗邻区域内的一个(或多个)栅格位置处布置有一个还是多个激光照射来进行决定。优选地，使用如US 6,090,100中所公开的抖动算法。
下面将参照图3描述一种优选的抖动算法，图3示出了表示误差扩散的范例的流程图。该抖动算法基于误差扩散的概念。在误差扩散的步骤之前，基于例如患者眼睛的期望的矫正或者隐形眼镜或IOL的修改来计算出期望的消融轮廓。该轮廓储存在具有特定栅格宽度的栅格内。例如，这种栅格具有256×256的值，覆盖面积为152mm2。误差扩散可以开始于那个栅格内的一个边缘处并沿着它逐行进行。
第一步骤S1中，使用方程1来确定消融轮廓和动态阈值，并且起作用的抖动位置设定为栅格的边缘之一中的点。可选地，计算期望的栅格宽度。所述起作用的抖动位置表示正被处理的栅格内的实际位置。
在下一步骤S2中，获得对起作用的抖动位置的期望的消融值。在步骤S3中，以比例因子f倍乘该期望的消融值。比例因子f考虑了激光脉冲的不同大小和安置步骤，即，栅格宽度。更具体地，如下计算比例因子以获得此位置的期望的照射密度(见方程3)：
Figure G2007800355308D00071
对于具有256×256的值、覆盖面积为152mm2的上述栅格，栅格宽度是15mm/256＝58μm。因此，激光束能够发送的最小正方形的面积为(58μm)2。因此，为了考虑激光脉冲的交叠，降低了计算的脉冲数量。
在下一步骤S4中，对于起作用的抖动位置，将加权的毗邻误差增加至缩放的期望的消融值上。这些加权的毗邻误差优选地为以经被处理的邻近栅格点的误差的加权和。随后将描述范例。
在另一步骤S5中，决定所获得的值是否大于预定阈值。因此，将各栅格点的值和邻近栅格点的加权误差的和与该阈值进行比较。如果该值不大于动态阈值T(x，y)，则运行步骤S9。如果值大于阈值，则在步骤S6中对此栅格位置设定激光脉冲。从所述密度值中减去一个激光脉冲。然后，在步骤S7中确定新值是否仍然大于阈值。在步骤S8中，在新值仍然大于动态阈值的情况下，确定发生了照射溢出误差。换言之，如果在栅格位置需要设定多于一个激光束，则算法必须因为误差而停止。通过使用利用方程4计算的栅格宽度，能够避免此误差。在误差扩散的此范例实施中，容许对每个栅格位置的一个激光脉冲的最大值。
另外一方面，如果在步骤S9中新值不大于动态阈值，则将新值作为此特定栅格位置的误差存储。在处理毗邻位置时，将使用它，用于关于另外的抖动位置的计算。
在下一步骤S10中，决定线是否完整；如果不完整，在步骤S11中选择相同线上的下一个点作为起作用的位置，并重复前述处理。如果线是完整的，则在步骤S12中必须决定是否存在新线；如果存在新线，则在步骤S13中选择新线中的第一点作为起作用的位置，并重复该处理。否则，如果不存在新线，则以步骤S14结束处理。前述栅格点误差表示特定栅格点处的消融误差。对于每个处理的栅格点，此误差是期望的消融值加上加权毗邻误差的和减去激光脉冲消融深度(如果已为该位置设有激光脉冲)。
图4示出用于毗邻栅格点的误差的加权的范例。更具体地，图4示出了7×7栅格点的子栅格，其中起作用的抖动位置示于中间。在此情况下，确定加权函数为8/距离，距离为以栅格点为单位测量的距离。然后通过除以70.736来标准化误差的和，70.736是使用的全部加权因子的和。根据图4，明显地，白色位置指示尚未处理的栅格点。因此，在决定是否必须在给定的栅格位置处设定激光脉冲之前，必须将在处理邻近栅格点时产生的误差增加至该栅格点的理论消融值上。毗邻栅格点的误差不是简单的相加，而是加权的，归因于它们至起作用的栅格点的距离。图4示出了各加权因子。应当注意的是，这仅仅是一种可能的周边误差求和方法，这种方法效果良好。
应该注意，上述抖动算法仅仅是使用本发明的一个范例。
其后可通过使用单独的分类算法来确定激光照射顺序。可以执行分类来避免热效应。因此，任何两个随后的激光照射应当优选地布置于彼此相距一段距离的两个栅格位置上。优选地，每四个照射中有一个激光照射布置于与第一个照射相同的区域中。
本发明的前述公开和描述是其示例性和解释性的，并且可不脱离本发明的范围而对构造和操作方法进行改变。

Claims (30)

1、一种计算用于准分子激光器中的激光照射文件的方法，所述准分子激光器优选地用于执行对眼睛的屈光激光治疗或者用于产生定制的隐形眼镜或人工晶状体，所述方法包括以下步骤：提供关于期望的消融轮廓的信息，以及使用抖动算法，其中，通过使用动态阈值来计算所述激光照射文件，使得所述抖动算法与所述期望的消融轮廓相适配。
2、如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：使用所述抖动算法以离散化给定的栅格上的所述期望的消融轮廓，以及对每个栅格位置决定是否将所述准分子激光器的激光照射布置于所述栅格位置上。
3、如权利要求2所述的方法，其中，所述抖动算法使用价值函数来对每个栅格位置确定是否将所述准分子激光器的激光照射布置于所述栅格位置上。
4、如任一前述权利要求所述的方法，还包括计算用于获得所述期望的消融轮廓的照射密度的步骤，并且其中，根据所述期望的消融轮廓的所计算的照射密度来规定所述动态阈值。
5、如任一前述权利要求所述的方法，其中，根据所述期望的消融轮廓使用至少两个不同的阈值。
6、如权利要求5所述的方法，其中，对具有低照射密度的期望的消融轮廓使用第一阈值和/或对具有高照射密度的期望的消融轮廓使用第二阈值，其中，所述第一阈值低于所述第二阈值。
7、如权利要求6所述的方法，其中，所述第一阈值是所述期望的消融轮廓的最大照射密度的0％至20％的范围内的值和/或所述第二阈值是所述最大照射密度的20％至80％的范围内的值和/或第三阈值是所述最大照射密度的80％至100％的范围内的值。
8、如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述阈值TV(x，y)与所述期望的消融轮廓的所述照射密度D(x，y)根据以下方程相关联：
TV(x，y)＝f(D(x，y))。
9、如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述阈值TV(x，y)与所述期望的消融轮廓的所述照射密度D(x，y)根据以下方程线性相关联：
TV(x，y)＝a·D(x，y)。
其中，a是0＜a≤1.5的范围内的因子，更优选地是0.8≤a≤1.1的范围内的因子，并且最优选地a＝1。
10、如权利要求9所述的方法，其中，所述阈值设定为等于或接近所述照射密度的值的值。
11、如任一前述权利要求所述的方法，其中，基于所述期望的消融轮廓的所计算的照射密度来确定所述给定的栅格的栅格宽度。
12、如权利要求2至11的任一项所述的方法，其中，在决定是否在给定的栅格位置上布置照射的步骤中，考虑与所述给定的栅格位置的毗邻区域中的栅格位置相关的对应决定。
13、如任一前述权利要求所述的方法，还包括将所述期望的消融轮廓分成至少两个消融子轮廓、计算所述消融子轮廓的每一个的所述照射密度、以及基于所述消融子轮廓的每一个的各自的计算的照射密度来确定各自的栅格宽度的步骤。
14、如权利要求2至13的任一项所述的方法，还包括对计算的布置的激光照射进行分类的步骤。
15、如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述准分子激光器提供激光束，其斑点大小的直径固定于0.5mm与3.5mm之间，优选地其斑点大小的直径固定于1.0mm至2.0mm之间。
16、一种计算用于准分子激光器中的激光照射文件的装置，所述准分子激光器优选地用于执行对眼睛的屈光激光治疗或者用于产生定制的隐形眼镜或人工晶状体，所述装置包括用于提供关于期望的消融轮廓的信息以及使用抖动算法的构件，其中，通过使用动态阈值来计算所述激光照射文件，使得所述抖动算法与所述期望的消融轮廓相适配。
17、如权利要求16所述的装置，还包括用于使用所述抖动算法以离散化给定的栅格上的所述期望的消融轮廓的构件，以及用于对每个栅格位置决定是否将所述准分子激光器的激光照射布置于所述栅格位置上的构件。
18、如权利要求17所述的装置，其中，所述抖动算法使用价值函数来对每个栅格位置确定是否将所述准分子激光器的激光照射布置于所述栅格位置上。
19、如权利要求16至18的任一项所述的装置，还包括用于计算用于获得所述期望的消融轮廓的照射密度的构件，并且其中，根据所述期望的消融轮廓的所计算的照射密度来规定所述动态阈值。
20、如权利要求16至19的任一项所述的装置，还包括用于根据所述期望的消融轮廓来选择至少两个不同的阈值的构件。
21、如权利要求20所述的装置，其中，对具有低照射密度的期望的消融轮廓选择第一阈值和/或对具有高照射密度的期望的消融轮廓选择第二阈值，其中，所述第一阈值低于所述第二阈值。
22、如权利要求21所述的装置，其中，所述第一阈值是所述期望的消融轮廓的最大照射密度的0％至20％的范围内的值和/或所述第二阈值是所述最大照射密度的20％至80％的范围内的值和/或第三阈值是所述最大照射密度的80％至100％的范围内的值。
23、如权利要求16至22的任一项所述的装置，还包括用于根据以下方程来与所述期望的消融轮廓的所述照射密度D(x，y)相关联地确定所述阈值TV(x，y)的构件：
TV(x，y)＝f(D(x，y))。
24、如权利要求16至22的任一项所述的装置，还包括用于根据以下方程来与所述期望的消融轮廓的所述照射密度D(x，y)线性相关联地确定所述阈值TV(x，y)的构件：
TV(x，y)＝a·D(x，y)。
其中，a是0＜a≤1.5的范围内的因子，更优选地是0.8≤a≤1.1的范围内的因子，并且最优选地a＝1。
25、如权利要求24所述的装置，还包括用于将所述阈值设定为等于或接近所述照射密度值的值的构件。
26、如权利要求16至25的任一项所述的装置，还包括用于基于所述期望的消融轮廓的所计算的照射密度来确定所述给定的栅格的栅格宽度的构件。
27、如权利要求17至26的任一项所述的装置，其中，用于决定是否在给定的栅格位置上布置照射的所述构件使用关于与所述给定的栅格位置的毗邻区域中的栅格位置相关的对应决定的信息。
28、如权利要求16至27的任一项所述的装置，还包括用于将所述期望的消融轮廓分成至少两个消融子轮廓的构件、用于计算所述消融子轮廓的每一个的所述照射密度的构件、以及用于基于所述消融子轮廓的每一个的各自的计算的照射密度来确定各自的栅格宽度的构件。
29、如权利要求17至28的任一项所述的装置，还包括用于对计算的布置的激光照射进行分类的构件。
30、如权利要求16至29的任一项所述的装置，其中，所述准分子激光器提供激光束，其斑点大小的直径固定于0.5mm与3.5mm之间，优选地其斑点大小的直径固定于1.0mm至2.0mm之间。
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