CN102014818B - 改变内部应力分布以重新整形材料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种改变透明材料(例如眼睛的角膜(20))的构形的系统(10)和方法需要识别材料内部的局部应力分布模式。然后利用这些模式来定义材料内的体之间的边界(分界)面。在操作过程中，激光器单元沿着选定的边界面(54)执行激光诱导光学击穿(LIOB)，以干扰材料的被边界面彼此分开的各个体之间的应力分布模式。该LIOB允许外界施加的力(26)由此改变所述材料(20)的构形。

Description

改变内部应力分布以重新整形材料的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及用于执行眼科激光手术的系统和方法。特别是本发明涉及激光系统用于在角膜内部的选定面上弱化角膜组织。本发明具体地、但非排他性地用作弱化组织体之间的选定边界面上的角膜组织的系统和方法，其中，该选定边界面已经利用应力分布中的异常偏差识别出来。
背景技术
从机械的观点来看，眼睛的角膜包括了Bowman膜，该Bowman膜具有异常良好的抗张强度。在解剖学上，Bowman膜是较薄的一层组织，该层组织恰位于角膜的前表面上的上皮下方。更为具体地，Bowman膜在整个角膜扩展，并且其外围边缘与巩膜相连接。然而，大部分角膜组织不在Bowman膜内。而是大部分角膜组织在基质内，所述基质是位于Bowman膜紧接下方(后方)的组织。与Bowman膜相比，虽然基质具有显著更多的组织，但是具有显著更小的结构强度。
在眼睛中，角膜之后(后方)为房水。房水为填充晶状体和角膜之间的空间的清澈流体。重要的是，房水对角膜的后表面施加了眼内压(IOP)。由Bowman膜和基质一同提供了抵抗IOP的反作用力。
在眼球的生理发育过程当中，能够由于各种原因中的任何原因，发生如下情况：角膜的前表面有时会形成有表面不规则性，如三维形貌上的凹陷或凸起。而且，这些不规则性在生物机械力的作用下持续存在，所述生物机械力大部分在基质内产生。更为详细的，作为对IOP的反应的、在基质内自然得到的所述生物机械力，会形成应力分布模式，该应力分布模式维持眼睛的前表面的三维形貌(topography)，存在或不存在不规则性。然而在出现不规则性时，后果是产生光学畸变(aberration)。众所周知，可以通过将角膜的前表面恢复到正常的、大致球形的形状，而矫正(消除或减小)这些畸变。
根据上述内容，本发明的一个目的是提供一种系统和方法，其中基质内现存的生物机械力被弱化以干扰(disrupt)它们的应力分布模式，并因此使得IOP得以重塑眼睛的前表面。本发明的另外一个目的是提供一种系统和方法，其中参照眼睛的前表面的三维形貌的偏差来确定和瞄准基质内应力分布模式的位置以供干扰。本发明的还有一个目的是提供一种系统和方法，其中较之参考基准面的三维形貌偏差识别所述偏差下方的组织体(tissue volume)，并且在该下方体的边界面上执行激光诱导光学击穿(LIOB)以干扰应力分布模式。本发明的又另外目的是提供一种易于使用的系统和方法，以改变透明材料(例如角膜)的构形，所述系统和方法实施简便，且成本效率较高。
发明内容
根据本发明，改变透明材料(例如眼睛的角膜)的构形的系统和方法需要干扰材料内部的应力分布模式。作为对这些干扰的响应，材料反作用于外界施加力(例如IOP)，以实现材料的重构。优选地，所需对于应力分布模式的干扰源自材料(例如角膜内的基质组织)的激光诱导光学击穿(LIOB)。
对于眼科手术而言，已知眼睛的角膜内的应力分布模式可以通过测量角膜的前表面的三维形貌来定位。为了这一目的，可以使用诊断设备测量角膜三维形貌，该诊断设备例如是三维形貌测量仪。可以将测得的三维形貌与参考基准面进行对比，以识别在三维形貌与参考基准面之间的偏差。继而，利用该偏差来定位所述应力分布模式。通常，偏差表现为角膜的前表面上形成的凹陷或凸起。在任何情况下，偏差将是下方(underlying)异常应力分布的指示。
如本发明所设想，所述参考基准面代表了期望的角膜构形，该期望的角膜构形产生期望的视力矫正。在大部分情况下，所述参考基准面大致为球面。对于眼科手术这一特定情况而言，与参考基准面的偏差将识别在角膜的前表面上的、需要进行角膜的浅表改变的区域。而且，对于本发明而言重要的是，可以使用偏差来识别在材料(例如基质组织)的下方体。进一步，材料的这种下方体将定义边界(分界)面，该边界(分界)面将所述下方体与材料的相邻体分开。
对于本发明而言，使用激光器单元切割在该下方体的边界(分界)面上的材料(基质组织)。利用用于识别下方体的偏差的程度和范围，来确定该切割的程度和范围。对于切割的形状而言，根据期望的特定重构，该切割可能是平面切割或圆柱面切割。所述切割也可能针对手术的特殊要求以其他方式定制。例如，在标题为“Finite ElementModeling of the Cornea”(角膜有限元建模)、转让给与本发明相同的受让人的、美国专利申请号12/016,857的发明中所披露的预测模型，可以用于本目的。如上所述，无论如何，切割意在干扰下方体中的材料与邻近材料之间的边界(分界)面上的应力分布。更具体地，能够仅在部分组织体边界上进行所述切割，并且可以在一个以上的体的边界上进行所述切割。结果是，外部力(例如眼内压“IOP”)响应于已被切割的材料的弱化，会随后改变透明材料的构形。
在本发明的可选择实施例中，可以使用相关领域中已知的多种设备中的任意一种设备来识别内部应力分布。然而，在各种情况下，重要的是识别将材料内的各个体彼此分开的边界(分界)面。然后可以根据上面所指出的，在边界面上或者边界面的部分上执行LIOB。
附图说明
根据附图，并结合附图说明，可以最好地理解本发明的新颖特征以及本发明本身，包括本发明的结构和操作两者，在附图中相似的参考字符表示相似的部件，并且其中：
图1为根据本发明的系统的示意性图示，其中示出了该系统关于眼睛的前部的意图操作关系；
图2为眼睛的角膜的截面图；
图3为眼睛的角膜的俯视图，示出了大体上以眼睛的视轴线为中央的对称畸变；
图4A为沿图3中4-4线见到的角膜的截面图；
图4B为图4A所示的角膜的视图，图上叠置了例示性等应力线；并且
图4C为图4A所示角膜在按照本发明的矫正手术后的截面图。
具体实施方式
首先参见图1，示出了整体标注为10的根据本发明的系统。如所标明及示出的，系统10包括激光器单元12，该激光器单元电子连接到计算机14，且电子连接到三维形貌测量仪16。为了本发明的目的，激光器单元12优选是能够产生以飞秒脉冲为特征的激光束18的类型。重要的是，激光束18需要能够通过已知为激光诱导光学击穿(LIOB)的处理过程改变透明材料，如眼睛的角膜20。而且，三维形貌测量仪16可以是相关领域中任何一种公知的、能够检测角膜20的畸变的角膜三维形貌仪。
仍参见图1，示出眼睛的前部的解剖结构以包括角膜20以及晶状体22。房水24为填充晶状体22和角膜20之间空间的澄清流体。重要的是，房水24对角膜20的后表面28施加眼内压(IOP)，眼内压由箭头26代表。
如在图2中最佳见到的角膜20包括许多不同的层。沿着从角膜20的前表面30朝着后表面28的向后方向，这些不同的层是上皮32、Bowman膜34、基质36、Descemet膜38和内皮40。在这些层中，最强的组织为Bowman膜34和基质36。Bowman膜34最强。但是基质36最易对IOP 26做出响应。
在眼睛的生长发育过程中，常出现角膜20发生某种畸形的情况。这会导致患者遭受由于角膜20引入的光学畸变导致的视力缺陷。例如，图3展示了患有畸变(不规则性)42的角膜20，所述畸变在视轴线44上对称地定向。交叉参见图4A，应理解，此畸变(不规则性)42在角膜20的三维形貌上将其自身表现为前表面30的大致平坦部分。该大致平坦部分与前表面30的三维形貌的较为正常的球形形成了对比。畸变(不规则性)42的后果是，前表面30上围绕凹陷(不规则性)42的圆形突出46(即截面图中的突起46a和46b)。根据公知技术，可通过三维形貌测量仪16容易地识别畸变(不规则性)42。
现在参见图4B，应理解，为了从尺寸上评估角膜20的前表面30的三维形貌，在本发明中需要定义参考基准面48。具体来说，参考基准面48代表了在矫正了畸变(不规则性)42之后的、前表面30的期望构形。在图4B中标明及示出，为了矫正视力，参考基准面48优选为大致球形的表面。然而由于畸变(不规则性)42，图4B也指示了在畸变(不规则性)42得到矫正之前，在前表面30的实际构形与参考基准面48之间会有偏差50。
如对本发明所设想的，在(例如通过使用三维形貌测量仪16)定位了畸变(不规则性)42之后，识别处于畸变(不规则性)42下方的基质组织的体(volume)52。在图4B中，示出了组织的这种下方体52被虚线包围。进一步，仍然参见图4B，应理解，该下方体52能够被识别为具有外周边界面54，该外周边界面54实际上是圆柱面56的一部分。交叉参照图3，应理解，圆柱面56(以及因此边界表面54)以视轴线44为中心，并且可通过畸变(不规则性)42的外周大致确定。
如图4B所描述的情况，角膜20的基质36中的组织会自然地生成等应力线58，该等应力线58是应力分布模式的特征。正如本领域技术人员所公知的，这些应力分布模式由基质36中所产生的生物机械力所导致。在这一情况中，这些生物机械力由IOP 26所直接导致，是由基质36和Bowman膜34响应于IOP 26所提供的反作用力。重要的是，当角膜20形成有表现为偏差50的畸变(不规则性)42时，基质36中的等应力线58与正常情况下的等应力线有明显区别。通过三维形貌测量仪16或者通过用于确定基质36中的应力分布模式的任何其他公知装置对于这些差异的检测，然后可以用于定位适当的边界面54。
操作
在本发明的系统10的操作中，使用设备(例如三维形貌测量仪16)来测量角膜20的前表面30的三维形貌。基于这种测量，观察并定位前表面30中的不规则性(例如畸变(不规则性)42)。然后利用计算机14将所述畸变(不规则性)42与参考基准面48进行比较，识别从该比较所得到的偏差50。继而利用所述偏差50来识别基质36中组织的下方体52。最重要的是，根据所述偏差50的尺寸和位置(注意，附图中所示的偏差50仅为示例性的)，也可以识别边界(分界)面54。之后可以使用所述激光器单元12，在所述边界面54上，或者在边界面54的部分上，对基质组织施以所述LIOB。进一步的，也可以瞄准组织的其他体。在任何情况下，该LIOB有效地干扰所述边界面54上的应力分布模式，并导致所述边界面54上的所述基质36中的组织的显著弱化。换句话说，这种组织的弱化发生于下方体52中的组织与不在该下方体52中的基质36内的组织之间。作为响应，施加于所述角膜20的后表面28的IOP 26，导致所述角膜20的重构。具体地说，如由本发明设想到的以及图4C所示，这一重构导致了所述角膜20的前表面30的、与所述参考基准面48一致(即，大致为球形形状)的形状。如所企图的，这提供所要求的视力矫正。
此处所示并公开的用于改变内部应力分布以重塑材料的特定的系统和方法完全能够达到目的，并提供此处前述的优点，应理解，它仅是对本发明的当前优选实施例的说明，无意对除了权利要求中描述之外的、此处所示的构形或设计的细节进行限制。

Claims (5)

1.一种在透明材料经受外部力时改变所述透明材料的构形的设备，所述设备包括：
用于识别在材料中的各多个不同的面上的多个应力分布的诊断装置；
计算机装置，用于选择面并将所选择的面上的应力分布与参考基准面进行比较以识别两者之间的偏差，所述偏差表现为凹陷或凸起，以及用于识别在所述偏差下方的材料的体，其中，所述下方的体定义边界面；以及
激光器装置，用于切割在所述下方的体的边界面的选定部分上的材料，以干扰在所述下方的体中的材料和与其邻近的材料之间的选定的边界面上的应力分布，和通过允许所述透明材料对所述外部力做出反应以改变所述透明材料的构形。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述诊断装置为三维形貌测量仪，用于测量材料的表面的三维形貌。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述参考基准面是为了构造具有预定形状的材料所计算的基本应力分布。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述激光器装置是飞秒激光器，用于导致材料的激光诱导光学击穿LIOB。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述材料中LIOB的程度基于所述偏差的特征。
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