CN101932292A - 用于角膜的生物机械改变的计算机控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在透明材料的薄层(例如，眼睛的角膜)受到横向压力差时改变所述薄层的形状的系统和方法，所述系统和方法要求计算机控制的激光单元。根据指定的输入参数，所述计算机指示所述激光单元在所述薄层内的预定表面上执行LIOB。这削弱了所述材料用于响应于所述压力差的所述薄层的期望再成形。相对于由所述薄层限定的垂直轴，与所述轴平行的表面(例如，圆柱表面)彼此间隔开大约二百微米。对于与所述轴垂直的表面，所述间隔大约是十微米。在每一个实例中，由LIOB产生的所述切割仅大约二微米厚。

Description

用于角膜的生物机械改变的计算机控制
技术领域
本发明通常涉及用于使受到横向压力差的透明材料再成形的系统和方法。更具体而言，本发明涉及用于对所述材料内侧的预定表面执行切割(cut)从而削弱所述材料并且允许所述材料响应于所述压力差而再成形的系统和方法。本发明尤其用于但并不局限于通过削弱眼睛的角膜中的基质组织来校正患者的视觉以允许所述眼睛中的眼内压力在生物机械力的影响下使所述角膜再成形的系统和方法。
背景技术
眼睛的角膜具有五(5)个不同的可识别组织层。从角膜的前表面开始沿着向后的方向，这些层是：上皮细胞层；前弹力层(Bowman’s capsule)(膜)；基质层；后弹力层(Descemet’s membrane)；以及内皮细胞层。在角膜的后面是被称为前腔室的含有水状液的空间。重要地是，来自前腔室中的水状液的压力由于生物机械结果而作用于角膜上。具体而言，眼睛的前腔室中的水状液对角膜施加眼内压力。这产生了使角膜处于压力状态的应力和应变。
在结构上，眼睛的角膜具有在上皮细胞层和内皮细胞层之间延伸的厚度(T)。典型地，“T”大约是五百微米(T＝500μm)。从生物机械角度来看，前弹力层和基质是角膜的最重要的层。在角膜内，前弹力层是在角膜的前面一百微米内位于上皮细胞层下面的相对薄的层(例如，20到30μm)。然后基质几乎包括角膜中所有剩余的四百微米。此外，前弹力层的组织产生有效抵抗张力的相对强而有弹性的膜。在另一方面，基质包括相对弱的连接组织。
在生物机械上，前弹力层和基质都明显受到前腔室中的水状液对角膜施加的眼内压力的影响。具体而言，该压力从前腔室，并且经过基质而传输到前弹力层。已经知道如何通过基质传输这些力将影响角膜的形状。因而，通过在角膜中的互连组织之间中断(disrupt)力，能够改变角膜中的整体力分布。结果，该改变的力分布将作用于前弹力层。作为响应，前弹力层的形状发生改变，并且由于前弹力层的弹性和强度，该改变将直接影响角膜的形状。考虑到这一点，并且如本发明所期望的，通过对基质中的预定表面进行切割以导致将使角膜再成形的生物机械力的重新分布来实现屈光手术。
已经知道，角膜的所有不同组织都易于进行激光诱导光学击穿(LIOB)。此外，已经知道，不同的组织将对激光束做出不同的响应，并且正在进行LIOB的组织的取向也可能影响该组织如何与LIOB起反应。考虑到这一点，需要专门考虑基质。
基质本质上包括基本与眼睛的前表面平行延伸的多个板层(lamellae)。在基质中，通过固有地比所述板层本身更弱的胶状组织将该板层粘结到一起。结果，可以以比通过沿与板层垂直取向的切割的LIOB所需的能量(例如1.2μJ)更少的能量(例如0.8μJ)执行位于与板层平行的层上方的LIOB。然而，本领域的普通技术人员将意识到，这些能量等级只是示例性的。如果可以使用更紧密(tight)的聚焦光学器件，则将适当地降低所需的能量等级。在任何情况下，取决于所期望的结果，可以期望在基质层中仅进行切割。另一方面，对于一些过程，可能更期望进行切割和分层的组合。
本领域的普通技术人员将意识到，能够由LIOB改变的透明材料易于受到该过程的削弱。此外，如果将材料形成为薄层(即，基本上是材料的层)，并且如果该材料受到横向压力差，则在该薄层被LIOB削弱时会再成形。具体而言，薄层将受到由选择性的LIOB产生的横向压力差的改变导致的力分布的变化的影响。在该影响下，薄层再成形。因而，按照与上面对于角膜的再成形公开的情形类似的方式，能够类似地使透明材料的薄层或者层再成形。
考虑到上面这些，本发明的目的在于提供用于在材料受到横向压力差时使该透明材料的层再成形的系统和方法。本发明的另一目的在于提供用于执行对透明材料破坏最小所要求的激光过程的计算机控制方法。本发明的再一目的在于提供相对容易实现并且比较而言成本有效的用于改变透明材料的薄层的形状的计算机控制方法。
发明内容
根据本发明，用于改变透明薄层(例如，眼睛的角膜)的形状的系统和方法要求计算机控制的激光单元。更具体而言，通过在薄层受到横向压力差时对所述材料内的预定表面进行激光诱导光学击穿(LIOB)来实现所述薄层的再成形。然后，响应于该削弱，所述材料内力分布随之发生的重新布置将使所述薄层再成形。在角膜中眼科激光手术的具体情况下，通过来自眼睛的前腔室中的水状液的眼内压力生成所述横向压力差。
对于本发明的优选实施例，将计算机电子连接到激光单元。利用该连接，系统首先标识基本与所述薄层垂直的轴。对于眼科激光手术，该轴将是眼睛的视轴。在任何情况下，为了建立能够用于沿着所述透明材料(角膜)中的预定路径引导由激光单元生成的激光束的参照基准，所述轴的标识很重要。
在操作中，将所述激光束聚焦到所述薄层中的焦点，并且然后根据预定的计算机程序移动所述焦点。这里所述目的在于在所述材料内侧的限定表面上执行激光诱导光学击穿(LIOB)。对于一种类型的操作，所述表面将基本与所述轴平行地取向。对于另一种类型的操作，将基本与所述轴垂直地生成所述表面。在前一种情况下(即，在所述表面与所述轴平行时)，由LIOB导致的所述切割可以或者位于弯曲的圆柱表面上(即，圆柱切割)或者位于平坦的径向表面上(即，径向切割)。当然，这些切割的精确属性和程度将取决于输入到所述计算机的特定切割参数。在后一种情况下(即，在所述表面与所述轴垂直时)，LIOB将生成所谓的“层切割”。因此，总的来说，本发明设想圆柱切割、径向切割和层切割。
对于圆柱切割(圆环或者椭圆)，以及对于径向切割，输入到所述计算机的所述切割参数包括所述表面的远端的位置(zdistal)n。在标记“(zdistal)n”中，字母“n”代表从1到“n”的数字，其标识特定的表面。除了(zdistal)n，所述切割参数还包括所述表面的近端的位置(zproximal)n、从所述轴测量的半径“rn”以及从基线围绕所述轴测量的方位角θ。
使用所述切割参数，径向切割产生其中方位角θ恒定的特定情况。然后所述半径“rn”在大约三毫米的范围内变化。在另一方面，对于所述圆柱切割，所述半径可以或者恒定(以生成圆形的圆柱切割)或者沿着椭圆路径变化(以生成椭圆的圆柱切割)。重要地是，利用所述圆柱切割和所述径向切割，可以指定(specified)多个表面。此外，每一个圆柱表面以所述轴为中心很重要，优选地，各自的圆柱表面彼此间隔开大约二百微米。对于圆柱切割和径向切割，优选地，每一切割厚度大约为二微米。
如上所述，本发明还设想产生基本与所述轴垂直地取向的层切割。与圆柱切割和径向切割类似，根据预定的计算机程序通过选择性地移动所述焦点来生产层切割。如对于切割参数相同，需要向计算机输入限定所述层中用于LIOB部分的层参数。
对于层切割，所述层参数包括针对每一层的轴向位置zm，其中“m”标识特定的层。所述层参数还包括内直径(di)m、外直径(do)m以及从基线围绕所述轴测量的方位角θ。在这种情况中，结果是位于所述薄层(角膜)内的多个圆环形状层上的材料的LIOB。注意到：在内直径为零(即，(di)m＝0)时，层切割将实际上是盘状形状。重要地是，与圆柱切割类似，每一层以所述轴为中心。与所述圆柱切割和径向切割类似，用于层切割的所述材料的LIOB导致具有大约二微米厚度的层。然而，与圆柱切割不同，在生成多个层时，相邻的层仅彼此距离大约十微米。
在本发明的系统和方法用于眼科激光手术时，需要将圆柱切割、径向切割和层切割，如果形成，局限在操作空间(operational volume)内很重要。具体而言，将该操作空间限定在基质内并且从前弹力层正下方(例如，前弹力层下方大约8微米)延伸到等于所述角膜的大约百分之九十的深度(例如，到眼睛的前表面下方的大约四百五十微米)。此外，操作空间在基质中通过大约四毫米的径向距离延伸。将意识到，操作空间的实际边界可以轻微变化。然而，重要地是，LIOB不应该发生在前弹力层中，LIOB也不应该延伸进入所述眼睛的前腔室中。
附图说明
通过附图以及结合以下描述，将更好地理解本发明的新颖性特征以及本发明本身的结构和操作，附图中相似的附图标记表示相似的部件，并且在附图中：
图1是结合眼睛的角膜示出的本发明的系统的示意性表示；
图2是眼睛的角膜的截面图；
图3是示出了本发明使用的方法中的步骤关系的逻辑图；
图4是根据本发明示出用于生成圆柱切割的参数的操作空间的示意性表示；
图5是示出了用于生成径向切割的参数的示意图；以及
图6是根据本发明示出了用于生成层的参数的操作空间的示意性表示。
具体实施方式
首先参照图1，示出了根据本发明并且通常表明为10的眼科激光系统。如图所示，系统10包括电子连接到激光单元14的计算机12。对于本发明来说，激光单元14旨在沿着光束路径16引导激光束，使激光束的焦点位于患者(未示出)眼睛的角膜18内侧的焦点处。设想激光束是所谓的“飞秒”激光，并且激光单元14将能够生成激光脉冲的序列，其中该序列中的每一个脉冲具有小于大约一皮秒的持续时间。此外，设想激光单元14包括将“飞秒”激光聚焦到角膜18中的焦点以用于角膜18中的组织的激光诱导光学击穿(LIOB)的光学器件。根据本发明，计算机12用于控制激光单元14的操作，并且该操作将与指定的输入参数20一致。
现在参照图2，示出了具有代表性的视轴22的角膜18的截面。尽管视轴对于每一个角膜18将是唯一的，但是无论如何可以精确地标识该视轴22。重要地是，对于眼科激光手术来说，必须参照视轴22进行系统10的操作。在另一方面，对于透明材料(即，不是角膜18的材料)的薄层来说，可以标识并且为了操作目的而限定与视轴22类似的轴。
如图2所示，本发明考虑完全位于角膜18的基质26内的操作空间24的标识。通常，操作空间24从前弹力层28以下的预定距离(例如，8mm)延伸到基质26中大约是角膜18的前表面30和后表面32之间距离的90％的深度(例如，大约是450mm)。此外，操作空间24从视轴22延伸通过等于大约四百毫米的径向距离34。如上所述，为了进行眼科激光手术，将操作空间24局限于基质26内的组织是重要的。本领域的普通技术人员将意识到，角膜18中的操作空间24受到前腔室36中的水状液体对角膜18施加的压力的影响。
操作
对于本发明的系统10的操作来说，图3中的动作方框38表明要执行的第一任务是轴22的定位。具体而言，在眼科激光手术的情况下，轴22是视轴。另一方面，对于透明材料的薄层(即，不是组织)来说，可以根据需要定义轴22。然而，典型地，轴22将通常与薄层垂直，并且因此与视轴22相对于角膜18的取向类似。
一旦对于系统10验证了轴22的定位(参见图3中的询问40)，则需要计算机12确定是否要通过LIOB生成“切割”或者“层”。如果询问42表明要进行“切割”，则计算机12根据动作方框44获取适当的输入参数20。在这种情况下，输入参数20将包括(zdistal)n、(zproximal)n，半径“rn”和方位角θ。具体而言，在距离相同基准的不同距离处建立(zdistal)n和(zproximal)n(参见图4)。并且以与距离轴22的距离选择半径“rn”，同时测量围绕轴22的方位角θ。利用这些输入参数20，系统10然后能够对圆柱切割46(参见图4)或者径向切割48(参见图5)执行LIOB。
在图4中，圆柱切割46a和46b仅是示例性的。对于这些圆柱切割46a和46b以及其它圆柱切割，每一个将具有其自己的(zdistal)n以及其自己的(zproximal)n。如所表明的，可以具有“n”个圆柱切割46，但是所有这些切割都必须以视轴22为中心。因而，切割46将彼此平行并且还与轴22平行。如果半径“rn”恒定，则圆柱切割46将是环形的圆柱切割46。另一方面，如果半径“rn”沿着椭圆路径变化，则圆柱切割46将是椭圆的圆柱切割46。此外，方位角θ可以通过完整的360°弧度延伸或者被划分为期望的部分。如本发明的系统10所期望的，根据公共基线50测量方位角θ(参见图5)。
参照图5将意识到，在选择并且维持恒定的方位角θ时，在允许半径“rn”通过位于内半径“ri”和外半径“ro”之间的预选择范围变化的同时，可以生成径向切割48。具体而言，如图5所示，在方位角θ2处生成径向切割48a并且在方位角θ1处生成径向切割48b。
返回到图3，如动作方框52所表明的，单独完成圆柱切割46和径向切割48的生成。然而，在生成每一切割46或者48之后，系统10确定是否要生成附加的切割46或者48。为此，询问54专门问询是否已经生成了全部“n”个切割46或者48。如果为否，则动作方框56使“n”自减并且动作方框44和52根据适当的剩余输入参数20生成附加的切割46或者48。优选地，在圆柱切割46的情况下，在相邻切割46之间将具有大约二百微米的间隔距离。
在生成了全部的期望圆柱切割46或者径向切割48之后，询问58问询系统10是否要求生成层60(参见图6)。如果为否，则结束系统10的操作。另一方面，如果要生成层60，则系统10的操作进行到向计算机12输入附加的输入参数20的动作方框62。在该点处要注意，如果询问42已经表明不再生成圆柱切割46或者径向切割48，则系统10的操作将在此时直接进行到动作方框62。在任一情况下，用于生成层60的输入参数20包括到操作空间24的深度“zm”、内直径(di)m和外直径(do)m以及方位角θ。
在图6中可以看出，可以生成“m”个层60。具体而言，在单独选择每一个层60的深度“zm”的同时，还选择直径(di)m和(do)m以生成作为环状(即，di＞0)或者作为盘状(即，di＝0)的层60。在生成每一个层60之后，系统10确定是否要生成附加的层60。为此，询问66专门问询是否已经生成了全部“m”个层60。如果为否，则动作方框68使“n”自减并且动作方框62和64根据适当的剩余输入参数20生成附加的层60。此外，与上述的切割46和48相同，层60的方位角θ可以是完整的360°弧度或者是部分。优选地，相邻层60之间的间隔距离是大约10微米。
一旦如本发明所表明的生成了全部圆柱切割46、径向切割48和层60，则系统10的操作结束。
尽管这里具体示出和公开的角膜的生物机械改变的特定计算机控制完全能够实现所述目的并且提供此处先前陈述的优点，但是应该理解，这只是本发明当前优选的实施例的说明并且并不旨在局限于这里示出的结构或者设计的细节，本发明由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于在透明薄层受到横向压力差时控制激光束以改变所述薄层的形状的方法，所述方法包括以下步骤：
将计算机与激光单元电子连接；
标识基本与所述薄层垂直的轴；
利用所述激光单元生成激光束；
将所述激光束聚焦到所述薄层中的焦点；以及
根据所述计算机中的预定计算机程序移动所述焦点，以对所述材料中的至少一个表面执行激光诱导光学击穿(LIOB)，其中，所述表面基本与所述轴平行地取向，并且其中每一切割厚度大约为二微米以削弱所述薄层并且响应于所述横向压力差而改变所述薄层的形状。
2.如权利要求1所述的方法，还包括向所述计算机输入用于多个表面的切割参数的步骤，其中，所述参数限定每一个表面用于LIOB的部分。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述切割参数包括：所述表面的远端的位置(zdistal)n，其中“n”标识所述表面；所述表面的近端的位置(zproximal)n；从所述轴测量的“rn”；以及从基线围绕所述轴测量的方位角θ。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述方位角θ恒定，并且所述半径“rn”在大约三毫米的范围内变化以生成径向切割。
5.如权利要求3所述的方法，还包括多个表面，其中，每一个表面是圆柱表面并且每一个圆柱表面以所述轴为中心，并且其中各个所述表面彼此间隔开大约二百微米。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述半径“rn”是恒定的以生成圆环的圆柱表面。
7.如权利要求1所述的方法，还包括根据用于材料的所述LIOB的所述预定计算机程序在所述薄层中的多个圆环形状的层上选择性地移动所述焦点的步骤，其中，每一个层以所述轴为中心，并且所述材料的所述LIOB产生厚度大约为二微米的层，并且其中相邻的层彼此距离大约十微米。
8.如权利要求7所述的方法，还包括向所述计算机输入层参数的步骤，其中，所述层参数限定所述层用于LIOB的部分。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述层参数包括：每一个层的轴向位置zm，其中“m”标识所述层；内直径(di)m；外直径(do)m；以及围绕所述轴测量的方位角θ。
10.一种用于控制激光束以对眼睛的角膜执行基质内眼科手术的方法，所述方法包括以下步骤：
将计算机与激光单元电子连接；
标识所述眼睛的视轴；
利用所述激光单元生成激光束；
将所述激光束聚焦到所述角膜中的焦点；以及
根据所述计算机中的预定计算机程序移动所述焦点以对所述组织中的至少一个表面执行激光诱导光学击穿(LIOB)，其中，所述表面基本与所述视轴平行地取向，并且其中每一切割厚度大约为2微米以削弱所述角膜并且响应于所述眼睛中的眼内压力而改变所述角膜的形状。
11.如权利要求10所述的方法，还包括向所述计算机输入用于多个表面的切割参数的步骤，其中，所述参数限定每一个表面用于LIOB的部分，并且包括：所述表面的远端的位置(zdistal)n，其中“n”标识特定的表面；所述表面的近端的位置(zproximal)n；从所述轴测量的半径“rn”；以及从基线围绕所述轴测量的方位角θ。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述方位角θ恒定，并且所述半径(rc)n在大约三毫米的范围内变化以生成径向切割。
13.如权利要求11所述的方法，还包括多个表面，其中，每一个表面是圆柱表面并且每一个圆柱表面以所述轴为中心，并且其中各个表面彼此间隔开大约二百微米。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述移动步骤还包括根据用于材料的所述LIOB的所述预定计算机程序在所述角膜中的多个圆环形状的层上选择性地移动所述焦点，其中，每一个层以所述轴为中心，并且所述材料的所述LIOB产生厚度大约为二微米的层，并且其中相邻的层彼此距离大约十微米。
15.如权利要求14所述的方法，还包括向所述计算机输入层参数的步骤，其中，所述层参数限定所述层中用于LIOB的部分，并且包括：每一个层的轴向位置zm，其中“m”标识所述层；内直径(di)m；外直径(do)m；以及围绕所述轴测量的方位角θ。
16.一种用于在透明薄层受到横向压力差时控制激光束以改变所述薄层的形状的系统，所述方法包括以下步骤：
激光单元，用于生成激光束并且将所述激光束聚焦到所述薄层中的焦点；以及
连接到所述激光单元的计算机，用于根据预定的计算机程序移动所述焦点以对所述材料中的至少一个表面执行激光诱导光学击穿(LIOB)，其中，所述薄层限定基本与所述薄层垂直的轴并且所述表面基本与所述轴平行地取向，并且其中每一切割厚度大约为二微米以削弱所述薄层并且响应于所述横向压力差而改变所述薄层的形状。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述计算机程序利用多个表面的切割参数操作，并且用于每一个表面的所述参数包括：所述表面的远端的位置(zdistal)n，其中“n”标识特定的表面；所述表面的近端的位置(zproximal)n；从所述轴测量的半径“rn”；以及围绕所述轴测量的方位角θ。
18.如权利要求16所述的系统，其中，每一个表面是圆柱的并且以所述轴为中心，并且其中各个圆柱表面彼此距离大约二百微米。
19.如权利要求16所述的系统，其中，所述计算机程序根据用于材料的所述LIOB的所述预定计算机程序在所述薄层中的多个圆环形状的层上移动所述焦点，其中，每一个层以所述轴为中心，并且所述材料的所述LIOB产生厚度小于大约一微米的层，并且其中相邻的层彼此距离大约十微米。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述计算机程序利用层参数操作，所述层参数包括：每一个层的轴向位置zm，其中“m”标识所述层；内直径(di)m；外直径(do)m；以及围绕所述轴测量的方位角θ。
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