CN102036598A - 角膜激光外科手术期间的高阶光学校正 - Google Patents

Abstract

提供了涉及角膜切除的系统和方法，用于对一个或更多个高阶光学象差进行治疗。一种方法包括：提供缺陷校正处方(92，132)，确定用以对角膜施加处方的切除轮廓(98，138)，以及确定用以对角膜施加切除轮廓(98，138)的激光能量切除(106，146)的顺序。该处方包括高阶光学校正。该切除轮廓(98，138)包括第一片段轮廓和第二片段轮廓。第二片段轮廓对应于至少一个高阶光学校正。切除顺序(106，146)包括在应用对应于第二片段轮廓的切除之前应用对应于第一片段轮廓的切除。

Description

角膜激光外科手术期间的高阶光学校正

相关申请的交叉引用

本发明要求提交于2008年4月22日的美国临时申请S/N.61/125,209(代理人案号018158-031000US)的基于35U.S.C.§119(e)的优先权权益，该临时申请的全部内容通过引用纳入本文。

背景

本发明一般涉及校正光学系统的光学误差。本发明尤其涉及在激光外科手术过程中计划并执行用于校正眼睛的光学误差的角膜改造顺序的改良方法和系统，其中与高阶光学象差的校正相关联的改造是在该过程的后期执行的。本发明的方法和系统尤其适用于计划原位角膜磨镶术(LASIK)、光性屈光性角膜切除术(PRK)、角膜的基质内整形等期间的眼睛治疗。

许多已知的激光眼睛外科手术过程采用紫外线或红外激光来从眼睛的角膜去除基质组织的微观层。激光通常去除选定形状的角膜组织，常用来校正眼睛的屈光误差。紫外线激光切除使角膜组织发生光解，但一般不对眼睛的相邻和底层组织造成明显热损伤。被辐照的分子以光化学的方式破碎成更小的易挥发的碎片，从而直接使分子间的键断裂。

出于各种目的，激光外科手术过程可被用于改造角膜，诸如为了校正近视、远视、散光等。对激光能量分布的控制可通过各种系统和方法来提供，包括使用切除遮罩、固定和可移动的孔径、受控的扫描系统、眼睛移动跟踪机构等。在已知系统中，激光束常常包括一系列离散的激光能量脉冲，其中受影响的组织的总体形状和量由照射在角膜上的激光能量脉冲的形状、大小、位置和数量决定。可使用各种算法来计算用于改造角膜以校正眼睛屈光误差的激光脉冲的图案。已知系统利用各种形式的激光和/或激光能量来实施校正，包括红外激光、紫外线激光、飞秒激光、波长倍增固态激光等等。替换性视力校正技术利用角膜中的径向切口、眼内晶体、可移除的角膜支撑结构等等。

已知的角膜校正治疗方法在校正诸如近视、远视、散光等标准视差上一般已是成功了的。然而，尽管全部成功，仍希望有进一步的改善。为此，现在有波阵面测量系统可用于准确地测量特定病人眼睛的屈光特性。一种示例性波阵面技术系统是VISX系统，该系统使用Hartmann-Shack波阵面小透镜(lenslet)阵列，它能量化病人眼睛的整个光学系统的象差，包括一阶和二阶球-圆柱误差、慧差、以及与慧差、散光和球面象差有关的三阶和四阶象差。

眼睛的波阵面测量可被用于创建象差图或波阵面立面图(elevation map)，其准许评价穿过眼睛的光学路径的象差，例如角膜象差和非角膜象差两者。创建波阵面立面图涉及确定具有与波阵面传感器阵列测得的梯度相匹配的梯度的表面。波阵面立面图随后可被用于计算外科手术激光系统所要施加的定制的缺陷校正处方，从而治疗(例如，校正、缓解)眼睛的复杂象差。用于从测得波阵面数据创建波阵面立面图的已知方法一般涉及使用展开级数技术的数学建模。更具体地，已采用了Zernike多项式对波阵面立面图表面进行建模。Zernike多项式的系数是通过已知的拟合技术来推导出的。或者，波阵面立面图可通过美国专利号7,168,807和7,175,278描述的直接积分技术来从测得的波阵面数据创建，这两件专利的全部公开通过引用纳入本文。

由于高阶象差的复杂性，可能难以通过使用诸如玻璃或隐形眼镜等常规手段或通过传统屈光外科手术方法来校正。然而，在至少一些实例中，有可能使用针对眼睛中存在的象差的特定组合所特制的自定义激光眼睛外科手术来治疗高阶象差。

实际上，高阶象差的校正可能导致不完全的校正。相应地，希望提供在治疗高阶象差上具有增强的效率的光学治疗手段。

简要概述

在许多实施例中，提供了按顺序来安排角膜改造以增强一个或更多个高阶光学象差的校正的方法和系统。在许多实施例中，在激光眼外科手术过程的末尾或接近末尾执行与至少一个高阶光学象差的治疗相关联的改造。通过在过程的末尾或接近末尾执行与一个或更多个高阶象差相关联的改造，可增强施加一个或更多个高阶光学校正的能力。

在一方面，提供了一种按顺序来安排眼角膜切除以向眼睛施加缺陷校正处方的方法。该方法包括：提供缺陷校正处方，确定用以对角膜施加处方的切除轮廓，以及确定用以对角膜施加切除轮廓的激光能量切除的顺序。该切除轮廓包括第一片段轮廓和第二片段轮廓。第二片段轮廓对应于至少一个高阶光学校正。所确定的顺序包括在应用对应于第二片段轮廓的切除之前应用对应于第一片段轮廓的切除。

在许多实施例中，以上所讨论的按顺序来安排眼角膜切除以向眼睛施加缺陷校正处方的方法包括一个或更多个附加步骤和/或变形。例如，该方法还可包括显示第一片段轮廓、显示第二片段轮廓、和/或显示预计最终角膜轮廓。确定激光能量切除的顺序可包括将对应于第二片段轮廓的切除放在顺序的末尾。第二片段轮廓可使用Zernike多项式来表征。该方法还可包括提供眼睛的光学象差的波阵面立面图并响应于该波阵面立面图确定缺陷校正处方。确定缺陷校正处方可包括确定对应于该波阵面立面图的第一多个波阵面Zernike系数并选择对应于该缺陷校正处方的第二多个波阵面Zernike系数。

在另一方面，提供了一种用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统。该系统包括配置成测量眼睛的光学象差的波阵面系统，与该波阵面系统耦合的处理器，以及与该处理器耦合的眼修正组合件。该处理器包括含指令的有形介质，该指令在执行时致使处理器：处理测得的象差以生成眼睛的缺陷校正处方，确定对应于缺陷校正处方的切除轮廓，将切除轮廓分段成至少第一片段轮廓和第二片段轮廓，以及确定用以对角膜施加切除轮廓的激光能量切除的顺序。第二片段轮廓对应于用于对角膜施加至少一个高阶光学校正的切除。所确定的顺序包括在应用对应于第二片段轮廓的切除之前应用对应于第一片段轮廓的切除。眼修正组合件包括用于将所确定顺序的激光能量引导向角膜以对角膜施加切除轮廓的切除激光器。

在许多实施例中，以上讨论的用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统包括一个或更多个附加组件和/或附加功能性。附加组件可包括与处理器耦合的显示器。附加功能性可包括：a)显示第一片段轮廓和/或第二片段轮廓；b)在切除顺序的末尾应用对应于第二片段轮廓的切除；c)显示预计最终角膜轮廓；和d)使用Zernike多项式来表征第二片段轮廓。

在一方面，提供了用于治疗具有角膜的眼睛的光学象差的方法。该方法包括：提供定义眼睛的缺陷校正处方的第一多个波阵面Zernike系数，将第一多个系数分段成至少第一子集和第二子集，确定对应于第一子集的第一切除轮廓，确定对应于第二子集的第二切除轮廓，确定角膜的激光能量切除的顺序，以及通过将所确定顺序的激光能量引导向角膜以施加缺陷校正处方来整形角膜。第二子集包括高阶系数。所确定的顺序包括在应用对应于第二切除轮廓的切除之前应用对应于第一切除轮廓的切除。

在许多实施例中，以上讨论的用于治疗具有角膜的眼睛的光学象差的方法包括一个或更多个附加步骤和/或变形。例如，该方法还可包括生成眼睛的光学象差的波阵面立面图；生成用于模拟该波阵面立面图的第二多个波阵面Zernike系数；以及响应于第二多个系数确定第一多个系数。该方法还可包括显示第一切除轮廓或第二切除轮廓中的至少之一。对应于第二切除轮廓的切除可在该顺序的末尾应用。该方法还可包括显示预计最终角膜轮廓。

在另一方面，提供了一种用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统。该系统包括配置成测量眼睛的光学象差的象差计系统，与该象差计系统耦合的处理器，以及与该处理器耦合的眼修正组合件。该处理器包括含指令的有形介质，该指令在执行时致使处理器：处理测得的象差以生成眼睛的缺陷校正处方，确定对应于缺陷校正处方的轮廓，将该轮廓分段成至少第一片段轮廓和第二片段轮廓，以及确定用以对角膜施加轮廓的激光能量的顺序。第二片段轮廓对应于用于对角膜施加至少一个高阶光学校正的激光切除。所确定的顺序包括在应用对应于第二片段轮廓的切除之前应用对应于第一片段轮廓的切除。眼修正组合件包括用于将所确定顺序的激光能量引导向角膜以对角膜施加该轮廓的激光器。

为更完全理解本发明的本质和优点，应当参考以下结合附图进行的详细描述。本发明的其它方面、目的以及优点根据以下附图以及详细描述将会显而易见。

附图简述

图1是根据许多实施例的激光眼睛外科手术系统的立体图。

图2图释根据许多实施例的计算机系统。

图3A图释根据许多实施例的波阵面测量系统。

图3B图释根据许多实施例的另一波阵面测量系统。

图4解说Zernike多项式形状和功能关系。

图5是图释根据许多实施例的用于确定角膜改造的顺序的方法的流程图。

图6图释初始角膜轮廓和具有复杂形状的局部区域的最终角膜轮廓。

图7是图释根据许多实施例的用于确定角膜改造的顺序的另一方法的流程图。

发明详细描述

在许多实施例中，提供了用于以选定的顺序来改造角膜的系统、软件、和方法，在激光眼睛外科手术过程的末尾或接近末尾实施与高阶象差相关联的改造，这可以增加校正一个或更多个高阶光学象差的效率。通过在过程的末尾或接近末尾执行与一个或更多个高阶象差相关联的象差，可增强诱发一个或更多个高阶光学校正的能力，这在至少一些实例中可帮助将少不完全的校正。

在许多实施例中，所公开的系统和方法可增强诸如光性屈光性角膜切除术(PRK)、光性治疗性角膜切除术(PTK)、激光原位角膜磨镶术(LASIK)、角膜的基质内整形(例如，经由基质内聚焦的激光，比如飞秒激光)等激光眼睛外科手术过程的准确性和效率。所公开的系统和方法可通过提供施加一个或更多个高阶光学校正的改良能力来产生增强的光学准确性。在许多实施例中，所公开的系统和方法采用眼睛修正组装件，其包括用于对角膜运用改造以对病眼施加缺陷校正处方的激光器。在许多实施例中，缺陷校正处方包括至少一次高阶光学校正。在许多实施例中，缺陷校正处方可响应于眼睛的测得光学象差来标识。在许多实施例中，例如波阵面测量系统之类的象差计系统可被用于测量眼睛的光学象差。

在许多实施例中，所公开的系统和方法可容易地适配用于现行的激光器系统、象差计系统(例如，波阵面测量系统)、及其他光学测量设备。在许多实施例中，可通过改造角膜使得所治疗的眼睛规律地超过20/20视力阈值来对眼角膜施加缺陷校正处方。

尽管诸实施例主要是在激光眼外科手术系统的上下文中描述的，但应理解所公开的系统和方法可适配用于替换性眼治疗过程和系统中，诸如柔性焦距晶体、眼内晶体、隐形眼镜、角膜环植入、胶原角膜组织热重塑等等。

现在参照图1，示出了根据许多实施例的激光眼外科手术系统10。激光眼外科手术系统10包括产生激光束14的激光器12。激光器12光学地耦合至激光输送光学器件16，后者将激光束14引至病人P的眼睛E。输送光学器件支撑结构(这里为了清楚起见而未示出)延伸自支撑激光器12的框架18。显微镜20安设在输送光学器件支撑结构上。显微镜可用于成像眼角膜。

激光器12和激光输送光学器件16一般将在计算机系统22的指令下将激光束14引导至病人P的眼睛E。在许多实施例中，计算机系统22通常会选择性地调整激光束14以使角膜的多个部分暴露于激光能量脉冲从而实施预订的角膜改造以改造眼睛的屈光特性。

在许多实施例中，将角膜的预定改造顺序化成使得与施加一个或更多个高阶校正相关联的改造在与施加例如低阶校正之类的其他校正相关联的改造之后完成。通过在过程的末尾或接近末尾执行与施加一个或更多个高阶校正(例如，被施加以治疗眼睛的一个或更多个高阶光学象差的一个或更多个高阶校正)相关联的改造，可增强在经修正的角膜中实现局部复杂构造的能力。这样的局部复杂构造在许多实施例中可用来施加一个或更多个高阶光学校正——例如在这一个或更多个高阶光学校正被施加用以治疗与角膜不相关的高阶光学象差时。

在许多实施例中，激光器12和激光输送光学系统16将在计算机系统22的控制下实施所希望的改造工序，其中计算机系统影响(并且任选地修改)激光脉冲的图案。脉冲图案可以治疗表的形式归纳在有形介质29的机器可读数据中，并且该治疗表可根据响应于提供自监视反馈系统的实时反馈数据从自动化图像分析系统输入到计算机系统22(或由系统操作员手动地输入到处理器中)的反馈来调整。包括计算机系统22的激光治疗系统10可响应于该反馈继续和/或终止治疗，并且还可任选地至少部分地基于反馈来修改所计划的治疗。

在许多实施例中，激光器12包括受激准分子激光器，例如，产生具有近似为193nm的波长的激光脉冲的氩-氟激光器。在许多实施例中，激光器12配置成在患者眼睛上提供经由激光输送光学器件16输送的反馈稳定的能流。在许多实施例中，可使用激光能量的备用源，例如举例而言适配成可控地切除角膜组织或改造角膜而不对眼睛的相邻和/或底层组织造成明显损伤的紫外线或红外辐射备用源。尽管在本文公开的许多实施例中受激准分子激光器是激光束的解说性来源，但在许多实施例中，可使用包括本领域已知的那些激光器在内的其他激光器来切除或以其他方式改造角膜。

如本领域技术人员应理解的，关于激光器系统10还可包括其他组件和子系统。例如，如其公开内容通过引用纳入本文的美国专利号5,646,791中所描述的，可包括空间和/或时间积分器来控制激光束内的能量分布。还可使用激光外科手术系统的切除流出物排出器和/或过滤器、及其他辅助组件。

图2是根据许多实施例的激光外科手术系统10可使用的示例计算机系统22的简化框图。计算机系统22通常包括至少一个处理器52，该处理器可经由总线子系统54与多个外围设备通信。在许多实施例中，这些外围设备包括：含存储器子系统58和文件存储子系统60的存储子系统56；用户界面输入设备62；用户界面输出设备64；以及网络接口子系统66。网络接口子系统66提供去往外部网络68和/或诸如波阵面测量系统30(图3A中示出)之类的其他设备的接口。

在许多实施例中，用户界面输入设备62可包括各种已知输入设备中的任何设备(例如，键盘；诸如鼠标、轨迹球、触摸垫、或图形板之类的定点设备；扫描仪，一个或更多个脚踏板，操纵杆，结合到显示器中的触摸屏，诸如语音识别系统、话筒之类的音频输入设备，以及其他类型的输入设备)。在许多实施例中，用户输入设备62可被用来从有形存储介质29下载体现本文公开的任何方法的计算机可执行代码。一般而言，术语“输入设备”的使用旨在包括用以向计算机系统22输入信息的各种传统和专属的设备和方法。

在许多实施例中，用户界面输入设备64可包括显示器子系统、打印机、传真机、或者诸如音频输出设备之类的非视觉显示器。显示器子系统可以是阴极射线管(CRT)、诸如液晶显示器(LCD)等平板设备、投影设备等。显示器子系统还可诸如经由音频输出设备提供非视觉显示。一般而言，术语“输出设备”的使用旨在包括用以从计算机系统22向用户输出信息的各种传统和专属的设备和方法。

在许多实施例中，存储子系统56存储提供诸实施例的功能性的基本编程和数据结构。例如，在许多实施例中，实现如本文描述的方法的功能性的数据库和模块可被存储在存储子系统56中。在许多实施例中，这些软件模块是由处理器52来执行的。在分布式环境中，软件模块可存储在多个计算机系统上并且可由这多个计算机系统的处理器执行。在许多实施例中，存储子系统56包括存储器子系统58和文件存储系统60。

在许多实施例中，存储器子系统58包括数个存储器，例如，用于存储程序执行期间的指令和数据的主随机存取存储器(RAM)70和在其中存储固定指令的只读存储器(ROM)72。在许多实施例中，文件存储子系统60提供对存储程序和数据文件的永久性(非易失性)存储，并且可包括可任选地包含波阵面传感器数据、波阵面梯度、波阵面立面图、治疗图、和/或激光治疗表的有形存储介质29(图1中示出)。文件存储子系统60可包括硬盘驱动、连同相关联的可移除介质的软盘驱动、紧凑型数字只读存储器(CD-ROM)、光驱、DVD、CD-R、CD-RW、固态可移动存储器、和/或其他可移动的媒体筒或盘。这些驱动中的一个或更多个可位于与计算机系统22耦合的另一计算机上的远程位置处。在许多实施例中实现这些功能性的模块可由文件存储子系统60存储。

总线子系统54提供用于使计算机系统22的各种组件及子系统彼此自如通信的机制。计算机系统22的各种子系统和组件无需处于相同的物理位置，而是可以分布在分布式网络内的各个位置处。尽管总线子系统54被图示为单根总线，但是总线子系统的替换实施例可利用多根总线。

计算机系统22自身可以是各种类型的，包括个人计算机、便携式计算机、工作站、计算机终端、网络计算机、波阵面测量系统或激光外科手术系统中的控制系统、主机、或任何其他数据处理系统。由于计算机和网络的永远变化的本质，对图2中描绘的计算机系统22的描述仅旨在作为用于解说本发明实施例的具体示例。比图2中描绘的计算机系统具有更多或更少组件的计算机系统22的许多其他配置也是可能的。

在许多实施例中，例如波阵面测量系统之类的象差计系统被用于测量眼睛中存在的光学象差。波阵面测量系统通过测量光的波阵面经过眼睛的各种屈光性或聚焦性组件诸如角膜和晶状体的路线来工作。在一种办法中，将一窄光束引导至眼睛的视网膜上，并且从眼睛形成其反射。在完美眼睛的情形中，形成的反射包括均匀平行的光束。然而，在非完美眼睛的情形中，形成的反射由于遍及眼睛的各种光学象差而包括非平行光束。一些波阵面测量系统使用镜头及相关联传感器的阵列来提供对测量或梯度的收集，每个梯度指示该形成的反射的特定区域偏离理想平行路径的大小。测得的梯度随后可被用于确定具有与测得的梯度相同的梯度的波阵面立面图。波阵面立面图是眼中光学象差的图形表示，并且就经由切除角膜的前面来进行角膜改造而言，与必须被去除以校正光学象差的切除轮廓紧密相关。

现在参照图3A，以简化形式图释了波阵面测量系统30的一个实施例。在非常一般性的意义上，该波阵面测量系统30被配置成感测离开患者眼睛的光的局部斜率。基于Hartmann-Shack原理的设备一般包括用以在孔径上均匀地采样光的小透镜阵列，该孔径典型的是眼睛的出射光瞳。此后，分析出射光的局部斜率以重构波阵面表面或波阵面图。

更具体地，波阵面测量系统30包括诸如激光器之类的图像源32，其投射源图像通过眼睛E的光学组织34从而在视网膜R的表面上形成图像44。来自视网膜R的图像透过眼睛的光学系统(例如，光学系统34)并由系统光学器件37成像到波阵面传感器36上。波阵面传感器36将信号传达给计算机系统22′以测量光学组织34中的光学误差，并且在许多实施例中是确定缺陷校正处方。计算机22′可包括与图1和2中解说的计算机系统22相同或相似的硬件。计算机系统22′可与指挥激光外科手术系统10的计算机系统22通信，或者波阵面测量系统30的计算机系统22、22′的一些或所有组件可以是组合或分开的。若有需要，来自波阵面传感器36的数据可经由有形介质29、经由I/O端口、经由诸如内联网或因特网等网络连接66被传送给激光器计算机系统22。

波阵面传感器36一般包括小透镜阵列38和图像传感器40。当来自视网膜R的图像透过光学组织34并成像到波阵面传感器36上时，小透镜阵列38将透过的图像分开成小束阵列42，并(结合系统的其他光学组件)将分开的小束42成像在传感器40的表面上。传感器40典型地包括电荷耦合器件(“CCD”)，并且感测这些个体的小束的特性，此特性可被用于确定光学组织34的相关联区域的特性。具体地，在图像44包括点或小光斑的情况下，由小束所成像的透射光斑的位置可直接指示透过光学组织的相关联区域的光的局部梯度。

眼睛E一般定义前向ANT和后向POS。如图3A中所指示的，图像源32一般在后方向上通过光学组织34将图像投射到视网膜R上。光学组织34在朝向波阵面传感器36的前方向上透射来自视网膜的图像44。透过光学组织34的图像44可因眼睛的光学系统中的任何缺点而畸变。任选地，图像源投射光学器件46可被配置或适配成减小图像44的任何畸变。

在一些实施例中，图像源光学器件46可通过补偿光学组织34的球面和/或圆柱误差来减少低阶光学误差。还可通过诸如变形镜(下文描述)之类的自适应光学元件的使用来补偿光学组织的高阶光学误差。使用被选择成定义点或小斑作为视网膜R上的图像44的图像源32可便于对波阵面传感器36提供的数据进行分析。图像44的畸变可通过使源图像透过光学组织34的一小于瞳孔50的中心区域48来限制，因为光学组织的中心区域比外围部分更不容易有光学误差。不论特定的图像源结构如何，在视网膜R上具有良好定义并且准确形成的图像44一般都将是有益处的。

在一些实施例中，测得的波阵面数据可以两个分开的阵列的形式被存储在计算机可读介质29或波阵面传感器系统30的存储器中，这两个分开的阵列包含从对Hartmann-Shack传感器图像的图像斑分析获得的x和y波阵面梯度值，加上如通过瞳孔相机51(图3A)图像测得的距离Hartmann-Shack小镜头阵列的标称中心的x和y瞳孔中心偏移量。这样的信息包含关于眼睛的波阵面误差的所有可用信息，并且足以重构波阵面或其任何部分。在这样的实施例中，无需不止一次地再处理Hartmann-Shack，并且需要用来存储梯度阵列的数据空间不大。例如，为了容纳具有8mm直径的瞳孔的图像，20×20大小的阵列(即，400个元素)常常是足够的。如能领会的，在其他实施例中，波阵面数据可以单个阵列或多个阵列的形式存储在波阵面传感器系统的存储器中。

尽管许多实施例的方法将一般参照图像44的感测来描述，但是应理解可采取一系列波阵面传感器数据读取。例如，波阵面数据读取的时间序列可帮助提供对眼组织象差更为准确的整体确定。由于眼组织的形状可能随时间变化，所以多个在时间上分开的波阵面传感器测量能避免依赖光学特性的单个快照作为屈光校正过程的基础。还有其他替换例可用，包括取得在眼睛处于不同的构造、位置、和/或其他取向的情况下眼睛的波阵面传感器数据。例如，患者将常常通过聚焦在固定目标上来帮助维持眼睛与波阵面测量系统30的对准，如其全部公开内容通过引用纳入本文的美国专利号6,004,313中描述。通过如该参考文献中描述地改变该固定目标的位置，当眼睛调节或适应以在变化的距离和/或角度上成像视场时可确定眼睛的光学特性。

眼睛的光轴的位置可通过参考从瞳孔相机51提供的数据来核实。在许多实施例中，瞳孔相机51对瞳孔50成像从而确定瞳孔的位置以用于波阵面传感器数据相对于光学组织的对齐。

图3B中解说了波阵面测量系统的替换性实施例。图3B的系统的主要组件类似于图3A的那些主要组件。另外，图3B包括变形镜形式的自适应光学元件53。源图像在往视网膜R的传输期间从变形镜53被反射，并且该变形镜还沿用于在视网膜R与成像传感器40之间形成透射图像的光学路径。变形镜53可通过计算机系统22’受控地变形以限制在视网膜上形成的图像或者由形成于视网膜上的图像构成的后续图像的畸变，并且可增强结果得到的波阵面数据的准确性。图3B中系统的结构和使用在其全部公开内容通过引用纳入本文的美国专利号6,095,651中更加全面地描述。

在许多实施例中，波阵面测量系统中用于测量眼睛的组件包括可从加利福尼亚的圣克拉拉的VISX公司购得的VISX

的元件。在许多实施例中，波阵面测量系统包括具有如上所述的变形镜的波阵面测量系统的替换实施例在其全部公开内容通过引用纳入本文的美国专利号6,271,915中描述。

尽管波阵面立面图可以任何数目的方式从光学梯度数据创建，但借助将梯度数据拟合至一个或更多个Zernike多项式的组合来创建波阵面立面图是一种常用办法。Zernike多项式代表用于建模波阵面立面图的数学级数展开的特别有益形式。图4解说Zernike多项式子集的形状，并提供了Zernike函数关系，即是给定阶数和频率下归一化半径和角度的函数。在许多实施例中，使用包括0到6阶或0到10阶的项的Zernike多项式集合。关于每个Zernike多项式Z_n的系数a_n例如可以使用标准最小二乘拟合技术来确定。实际中，可限制Zernike多项式系数的数目(例如，限于约28个系数)。

在已确定Zernike系数阵列的情况下，可创建波阵面立面图。将Zernike多项式用其系数进行定标并将经定标的Zernike多项式相加允许计算出波阵面立面图，并且在一些情形中可非常准确地重构波阵面立面图。

借助Zernike多项式进行波阵面立面图重构的另一益处涉及某些Zernike多项式形状与公知光学象差之间的对应性，诸如在对应散焦的Zernike多项式(n＝2，f＝0)与近视或远视之间，以及对应散光的Zernike多项式形状(n＝2，f＝±2)。散焦和散光的低阶象差占了典型眼睛中存在的光学误差的绝大部分。

然而，对应于高阶Zernike多项式的高阶象差在相当的程度上确实存在，并且与诸如夜视困难、炫目、晕轮、模糊、星状放射图案、复视等视觉误差相关联。相应地，借助改善的高阶象差校正可得到改善的视力校正。

现在转到图5，解说了根据许多实施例的用于确定角膜的激光改造的方法80。如能领会的，所解说的方法不应被限于所解说的步骤次序或具体步骤，并且可对该方法作出各种变形，诸如具有更多或更少的步骤。所解说的方法可由包括处理器及耦合至该处理器的存储器的系统来实施。该存储器可被配置成存储具有用于实施该方法的步骤的指令和算法的多个模块。

可使用包括波阵面传感器(例如，Hartmann-Shack传感器)的波阵面测量系统来获得眼睛的光学组织的一个或更多个传感器位移图(例如，Hartmann-Shack位移图)。传感器位移图82可通过使图像透过眼睛的光学组织并感测出射的波阵面表面来获得。如上所述，来自波阵面传感器的数据可通过将小的光斑或光点照射至视网膜上、视网膜产生反射光且该反射光离开眼睛并被波阵面传感器捕捉到来生成。来自波阵面传感器的数据可被用于产生光学梯度阵列或梯度图84。光学梯度数据随后可被用于通过数学地重构具有与该光学梯度数据相一致的等高线的表面，诸如通过将该表面建模为如上所述的Zernike多项式的组合(86、88)，来创建光学表面或波阵面立面图90。

在步骤92，标识或提供缺陷校正处方。在许多实施例中，可使用一个或更多个波阵面立面图90来标识缺陷校正处方，该处方至少部分地校正由这一个或更多个波阵面立面图90所反映的眼睛光学象差。在许多实施例中，可通过选择两个或更多个离散的校正来治疗对应的两个或更多个离散的光学象差来标识缺陷校正处方。这两个或更多个离散的校正可包括一个或更多个高阶校正以用于治疗对应的一个或更多个高阶象差。在许多实施例中，这两个或更多个离散的校正可响应于对应一个或更多个波阵面立面图的波阵面Zernike系数来选择。

在许多实施例中，可以替换方式来标识缺陷校正处方。例如，先前标识的缺陷校正处方可被简单地提供作为起始点。缺陷校正处方还可以使用在转让给高级医学光学公司(Advanced Medical Optics，Inc)的诸多专利、专利公开、及专利申请中描述的方法来标识，例如包括美国专利号6,280,435、6,663,619、7,261,412、7,293,873、7,320,517、7,387,387、7,413,566、7,434,936、7,475,986、7,478,907；以及美国专利公开号2004/0054356A1、US 2005/0261752A1、2008/0291395A1、2009/0000628A1、和2009/0036981A1，它们的全部公开内容通过引用纳入本文。

一旦已标识了缺陷校正处方，从该缺陷校正处方选择一个或更多个高阶校正(步骤94)。这一个或更多个高阶校正可被选择成使得用以施加这一个或更多个高阶校正的对应改造可在激光视力校正过程的最后阶段期间实施。如将在下文更详细地描述的，将高阶象差的校正保留到过程末尾可改善在最终角膜中实现期望的局部复杂构造的能力。

在步骤96，选定的一个或更多个高阶校正可被用于构建和评估对应于经分段的缺陷校正处方的片段波阵面立面图。片段波阵面立面图与定义眼睛的测得光学象差的波阵面立面图相类似，不同之处在于片段波阵面立面图定义被选择用于在改造过程的一片段期间对眼睛施加的光学校正。选定的高阶校正(步骤94中选定)可被用于构建片段波阵面立面图之一。可将选定的高阶校正从缺陷校正处方中扣除，并且剩余的缺陷校正被用于定义对应于在选定的高阶校正之前施加的候选校正的一个或更多个片段波阵面立面图。由于，如上讨论地，波阵面立面图与相应的改造轮廓(至少相对于经由角膜表面切除的改造)紧密相关，所以可以评估这些波阵面立面图以获得对相应改造轮廓的洞察。例如，可以评估这些立面图以评价缺陷校正处方的选定分段是否将导致在改造顺序中较迟地施加具有局部复杂构造的改造轮廓片段的相应改造轮廓片段。此外，可实现对这些片段波阵面立面图的检查以提供对相关的片段治疗图(在步骤98中构建和评估)的预览，该片段治疗图包含对改造过程的相应片段期间的目标角膜改造的定义。此时，治疗专家可决定向治疗顺序中的不同点重新分配特定校正，或者甚至例如通过在两个或更多个片段之间分配特定的Zernike系数的方式在片段间拆分校正。

创建片段波阵面立面图(步骤96)的另一部分可涉及检查该一序列的片段波阵面立面图中的每一个都将导致可接受的改造片段。例如，在许多实施例中，改造包括实施对角膜的正面的切除。可检查该该片段波阵面立面图序列中的每个片段波阵面立面图以确保相应切除形状不超过留待继该片段之后完成的切除的形状。例如，与第一片段立面图相关联的切除形状不能局部超过要去除的总切除形状。同样，第二片段的切除形状不能局部超过在去除了与该第一片段立面图相关联的切除形状之后要去除的剩余切除形状。其中片段切除形状局部超过剩余切除形状的实例要求对分段进行恰适的调整，诸如通过将该片段的局部超过部分重指派给稍后段，或者通过调整象差的分配以消除该片段的任何局部超过部分。由于切除形状与相关联的片段波阵面立面图紧密相关，此检查可借助缺陷校正处方(来自步骤92)与片段波阵面立面图之间的恰适比较来实现。在通过其他方法施加改造的情况下也可实现对片段的类似检查。

在创建片段波阵面立面图之后，可构建片段治疗图。例如，在许多包括角膜表面切除的实施例中，片段波阵面立面图与其相应的校正切除形状之间的转换可视作主要是线性的，其中切除形状通过将波阵面高程乘以1/(n-1)来获得，其中n是为1.377的角膜屈光系数。此时，治疗专家可决定向治疗顺序中的不同点重新分配特定校正，或者甚至在片段间拆分校正，如以上所讨论地能通过在两个或更多个片段之间分配特定的Zernike系数来实现。

在至少一些实例中，例如在涉及角膜正面切除的实例中，在激光眼外科手术之后剩余的角膜轮廓的期望的形状可能不是均匀平滑的，而可能包含对应于高阶象差的治疗的具有局部复杂形状的区域，该高阶象差实际是在眼系统中的别处诸如在晶体中引起的。图6中描绘了这样的具有局部复杂形状的区域110，图中解说了层叠于初始角膜轮廓114之上的最终角膜轮廓112。初始角膜轮廓114与最终角膜轮廓112之间的差异代表在切除过程期间去除的物质的深度。所绘出的最终角膜轮廓包括具有局部复杂形状的区域，其功能是校正可能在眼中的别处诸如在晶体中引起的高阶象差。特别是在总切除深度相对于该局部复杂形状的尺寸明显的情况下——在此情况下可能增加由于切除而发生的平滑的量，通过将与局部复杂形状相关联的切除保留直至过程的末尾可增强实现期望的局部复杂形状的能力。

对于作为校正目标的任何特定的象差集合，进一步构建并评估预计最终角膜(图5中的步骤100)可能是有帮助的。例如，在涉及角膜正面切除的许多实施例中，通过将所有的片段治疗图相组合并从角膜的起始形状扣除相应切除轮廓，可以获得预计的最终角膜轮廓。评估最终角膜轮廓可提供关于一个或更多个高阶校正中的哪些校正与最终角膜轮廓上的局部复杂形状相一致，由此将这样的高阶校正候选包括到切除过程的较后的片段中。另外，对预计最终角膜轮廓的评估可导致在整个过程中包含或排除特定校正或者甚至是特定校正的部分，从而经由缺陷校正处方对照结果得到的预计最终角膜形状提供平衡校正哪些象差的能力。

一旦在选定的治疗片段中获得令人满意的象差分配状况，该程序就进行相应片段激光治疗表的制定(步骤106)。片段激光治疗表可包括关于激光束脉冲的参数，例如，对于一系列脉冲中的每个激光束脉冲，该激光束相对于眼睛的位置(例如，在基质内聚焦激光的情形中为水平、垂直和深度上的位置)。在许多涉及角膜正面切除的实施例中，光束的直径可在治疗期间变化，例如从约0.65mm到6.5mm。片段激光治疗表可包括数百到五千或更多的脉冲，且激光束脉冲的数目可随被去除和/或改造的物质的量以及片段激光治疗表所采用的激光束直径而变化。片段激光治疗表可任选地通过对个体脉冲分类以避免局部化加热、最小化在治疗程序被中断的情况下的不规则切除等等来优化。此后可根据片段激光治疗表来改造眼睛(例如，经由角膜的正面切除、经由角膜的基质内整形等等)。

在许多实施例中，片段激光治疗表可使用各种替换机制来调整激光束以产生期望的改造。激光束可使用一个或更多个可变孔径来限制。在其全部公开内容通过引用纳入本文的美国专利5,713,892中描述了具有可变光圈和可变宽度裂隙的示例性可变孔径系统。如在其全部公开内容通过引用纳入本文的美国专利5,683,379、6,203,539和6,347,549中描述的，还可通过改变激光斑的大小以及与眼睛的轴线的偏移量来调整激光束。

其他替换方案也是可能的，包括：例如美国专利4,665,913(其全部公开内容通过引用纳入本文)所描述的在眼睛表面上扫描激光束并控制每个位置上的脉冲数目和/或停留时间；如提交于1995年6月6日的美国专利申请S/N.08/468,898(其全部公开内容通过引用纳入本文)中描述的在激光束的光路中使用遮罩以改变入射在角膜上的波束的轮廓；混合轮廓-扫描系统，其中在角膜上扫描可变大小的光束(典型地由可变宽度裂隙和/或可变直径的虹彩光圈来控制)；角膜的基质内飞秒整形等。

在其全部公开内容通过引用纳入本文的题为“Generating Scanning Spot Locations for Laser Eye Surgery(生成用于激光眼外科手术的扫描斑位置)”的美国专利号6,673,062中描述了一种用于制备用于角膜正面切除的片段激光治疗表的示例方法和系统。

现在转到图7，解说了根据许多实施例的用于确定角膜的激光改造的方法120。如所解说的，从梯度图124创建波阵面立面图128可替换地如美国专利号7,168,807描述地借助于使用傅立叶变换126的积分来实现，该美国专利的全部内容通过引用纳入本文。如在以上参考专利中描述的，与借助拟合Zernike多项式进行重建相比，借助于使用傅立叶变换126的积分来构建波阵面立面图128可提供速度和/或增加的准确性的优势。

为了在激光治疗过程序列的后续分段期间的潜在可能使用，可通过诸如最小二乘拟合过程等已知方法来确定Zernike多项式系数(步骤130)。或者，在借助使用傅立叶变换126的积分确定了波阵面立面图128的情况下，使用其全部公开内容通过引用那如本文的题为“Calculating Zernike Coefficientsfrom Fourier Coefficients(从傅里叶系数计算Zernike多项式系数)”的美国专利号7,331,674描述的方法，可直接从傅立叶系数计算Zernike多项式系数。Zernike多项式的确定可提供一种便利途径以表征促成特定波阵面立面图的组成象差。

图7的步骤134使用了不同于图5中的对应步骤的办法来进行校正分离。在图5的过程中，波阵面立面图90是通过组合离散的Zernike系数来创建的。尽管缺陷校正处方92，132并不限于对应离散Zernike系数的组合的象差校正，但在许多实施例中可以对应于这样的组合。因此，可在一个或更多个高阶校正对应于一个或更多个离散的Zernike系数的实例中使用图5的分离过程。相反，图7的分离过程针对在其中用于在改造过程的最后片段期间施加的一个或更多个高阶校正不必对应于一个或更多个离散的Zernike系数的情况下的缺陷校正处方的分离。例如，在缺陷校正处方是响应于经由傅立叶变换构建的波阵面立面图来标识的情况下，该缺陷校正处方可包含与离散Zernike系数的组合不严格匹配的高阶校正。图7的分离过程可通过从最后片段中排除低阶校正，而非如图5的过程中所规约地选择高阶校正包含在最后片段中，来解决这样的情况。

可通过从缺陷校正处方构成选定的低阶校正来从缺陷校正处方构建最后片段波阵面立面图。此办法的优势是在最后片段中包括任何将存在于不是离散的Zernike系数的精确组合的缺陷校正处方与作为离散的Zernike系数的精确组合的相应缺陷校正处方之间的差分校正。尽管以上确定的Zernike系数的使用提供了一种将缺陷校正处方分开成低阶和高阶校正的方法，还可使用替换性办法。除了上述差异外，图7中解说的剩余过程与参照图5描述的过程相一致。

应该理解，本文描述的示例和实施例是用于解说的目的，并且按照这些示例和实施例的各种变形和变化对于本领域技术人员而言将是被暗示了的，且包括在本申请的精神实质和范围以及所附权利要求的范围内。诸多不同的组合是可能的，且这样的组合被认为是本发明的部分。

Claims (21)

1.一种按顺序来安排眼角膜切除以向眼睛施加缺陷校正处方的方法，所述方法包括：

提供所述缺陷校正处方，所述处方包括高阶光学校正；

确定用以对角膜施加所述处方的切除轮廓，所述切除轮廓包括第一片段轮廓和第二片段轮廓，所述第二片段轮廓对应于至少一个高阶光学校正；以及

确定用以对角膜施加所述切除轮廓的激光能量切除的顺序，其中所述顺序包括在应用对应于所述第二片段轮廓的切除之前应用对应于所述第一片段轮廓的切除。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括显示所述第一片段轮廓。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括显示所述第二片段轮廓。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述顺序包括将对应于所述第二片段轮廓的切除放在所述顺序的末尾。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括显示预计的最终角膜轮廓。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二片段轮廓是使用Zernike多项式来表征的。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

提供眼睛的光学象差的波阵面立面图；以及

响应于所述波阵面立面图而确定所述缺陷校正处方。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，确定所述缺陷校正处方包括：

确定对应于所述波阵面立面图的多个第一波阵面Zernike系数；以及

选择对应于所述缺陷校正处方的多个第二波阵面Zernike系数。

9.一种用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统，所述系统包括：

波阵面系统，配置成测量眼睛的光学象差；

与所述波阵面系统耦合的处理器，所述处理器包括含指令的有形介质，所述指令在被执行时致使所述处理器：

处理测得的象差以生成眼睛的所述缺陷校正处方，

确定对应于所述缺陷校正处方的切除轮廓，

将所述切除轮廓分段成至少第一片段轮廓和第二片段轮廓，所述第二片段轮廓对应于用于对角膜施加至少一个高阶光学校正的切除，以及

确定用以对角膜施加所述切除轮廓的激光能量切除的顺序，其中所述顺序包括在应用对应于所述第二片段轮廓的切除之前应用对应于所述第一片段轮廓的切除；以及

与所述处理器耦合的眼修正组合件，所述眼修正组合件包括用于将已确定顺序的激光能量引导至角膜以对角膜施加所述切除轮廓的切除激光器。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，已确定的顺序包括在所述顺序的末尾应用对应于所述第二片段的切除。

11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括与所述处理器耦合的显示器。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述指令还致使所述处理器在所述显示器上显示所述第一片段轮廓。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述指令还致使所述处理器在所述显示器上显示所述第二片段轮廓。

14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述指令还致使所述处理器在所述显示器上显示预计的最终角膜轮廓。

15.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第二片段轮廓是使用Zernike多项式来表征的。

16.一种用于治疗具有角膜的眼睛的光学象差的方法，所述方法包括：

提供用于定义眼睛的缺陷校正处方的多个第一波阵面Zernike系数；

将多个第一系数分段成至少第一子集和第二子集，所述第二子集包括高阶系数；

确定对应于所述第一子集的第一切除轮廓；

确定对应于所述第二子集的第二切除轮廓；

确定角膜的激光能量切除的顺序，其中所述顺序包括在应用对应于所述第二切除轮廓的切除之前应用对应于所述第一切除轮廓的切除；以及

通过将已确定顺序的激光能量引导至角膜以施加所述缺陷校正处方来对角膜进行整形。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：

生成眼睛的光学象差的波阵面立面图；

生成用于模拟所述波阵面立面图的多个第二波阵面Zernike系数；以及

响应于多个第二系数确定多个第一系数。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括显示所述第一切除轮廓或所述第二切除轮廓中的至少之一。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，对应于所述第二切除轮廓的切除是在所述顺序的末尾被应用的。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括显示预计的最终角膜轮廓。

21.一种用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统，所述系统包括：

象差计系统，配置成测量眼睛的光学象差；

与所述象差计系统耦合的处理器，所述处理器包括含指令的有形介质，所述指令在被执行时致使所述处理器：

处理测得的象差以生成眼睛的所述缺陷校正处方，

确定对应于所述缺陷校正处方的轮廓，

将所述轮廓分段成至少第一片段轮廓和第二片段轮廓，所述第二片段轮廓对应于用于对角膜施加至少一个高阶光学校正的激光切除，以及

确定用以对角膜施加所述轮廓的激光能量的顺序，其中所述顺序包括在应用对应于所述第二片段轮廓的切除之前应用对应于所述第一片段轮廓的切除；以及

与所述处理器耦合的眼修正组合件，所述眼修正组合件包括用于将已确定顺序的激光能量引导至角膜以对角膜施加所述轮廓的激光器。

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