CN102137617A - 眼睛测量和建模技术 - Google Patents

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Abstract

一种屈光手术系统，包括被构造成适于改变角膜的多个局部化区域的屈光治疗设备和被构造成适于测量角膜上至少两个位置点处的角膜形状参数的眼科测量装置。角膜建模设备包括被构造成适于根据屈光治疗参数计算两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数的处理器和被构造成适于比较角膜上的两个或更多个位置点处的测量的形状参数和预期的角膜形状参数的处理器，所述角膜上的两个或更多个位置点对应于所述预期的角膜形状参数的两个或更多个位置点。

Description

眼睛测量和建模技术
技术领域
本发明涉及用于眼睛测量和/或建模的设备和方法。
背景技术
传统地，已知低相干时域干涉仪可以用于在屈光手术中测量角膜中心处的角膜厚度，以监视手术结果。还已知可以比较测量输出和角膜中心处的预期角膜尺寸，这里，预期的尺寸是根据手术程序的模型计算出来的。还已知这种设备可以用于提供实时的反馈，用于控制消融激光器(photoablative laser)以改进手术结果。
发明内容
本申请人意识到现有技术设备的第一个局限性是在角膜中心处的单一位置点处建模角膜的能力。
本申请人意识到现有技术设备的另一个局限性是在角膜中心处的单一位置点处测量角膜的能力。例如现有技术设备的局限性与下述事实有关：为了进行某些屈光手术程序，角膜瓣被切开到眼睛内以暴露角膜的基质表面。基质表面趋于相对高度地散射。因此，在角膜瓣被切开后，利用传统的低相干时域干涉测量结果进行的角膜测量被来自基质表面的散射有害地影响。这种设备的另一缺点是由于它们需要收集从眼睛的表面镜子反射的光，所以只能测量单一角膜位置点处的厚度。本发明的方面指向三维的角膜建模方法和设备。当与能够进行角膜的三维测量的测量设备(例如，用以形成手术反馈设备)和/或屈光手术设备结合使用时这些方面时很有用的。然而，没有这种测量或手术设备建模设备也可以使用。
本发明的另外方面指向适于测量对应于跨过眼睛角膜的多个位置点处的角膜形状参数的设备。当与建模设备和/或屈光手术系统结合使用时这些方面是很有用的。然而，没有这种建模或手术设备测量设备也可以使用。
本发明的一个方面指向屈光手术系统，其包括屈光治疗设备，其被构造成适于改变角膜的多个区域；以及眼科测量装置，其被构造成适于测量受所述治疗设备作用后的角膜上的至少两个位置点处的角膜形状参数。
在一些实施例中，测量装置包括傅里叶域OCT装置。
在一些实施例中，治疗设备包括激光器。激光器可以包括准分子激光器和飞秒激光器中的一种。
在一些实施例中，系统被构造成适于响应于所测量的角膜形状参数而改变激光器的流量。在一些实施例中，所测量的角膜形状参数是角膜的厚度。在一些实施例中，角膜形状参数是角膜的部位。在一些实施例中，设备被配置成使所述至少两个位置点跨越至少2毫米。
在一些实施例中，测量装置包括可移动的时域OCT装置。在一些实施例中，系统还包括处理器，其被构造成适于：A)根据屈光治疗参数计算两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数，以及B)比较所述两个或更多个位置点处的测量的形状参数和预期的角膜形状参数。
本发明的另一方面指向角膜建模设备，其包括处理器，其被构造成适于：A)根据屈光治疗参数计算两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数，以及B)比较角膜上的两个或更多个位置点处的测量的形状参数和预期的角膜形状参数。所述角膜上的两个或更多个位置点对应于所述预期的角膜形状参数的两个或更多个位置点。
在一些实施例中，设备还包括屈光治疗设备，其被构造成适于在角膜上进行屈光治疗。在一些实施例中，设备还包括眼科测量装置，其被构造成适于获得两个或更多个测量的形状参数。
在一些实施例中，测量装置包括傅里叶域OCT装置。在一些实施例中，治疗设备包括激光器。在一些实施例中，激光器包括准分子激光器和飞秒激光器。在一些实施例中，系统被构造成适于响应于测量的形状参数和预期的角膜形状参数之间的差而改变激光器的流量。在一些实施例中，系统被构造成适于在测量的形状参数和预期的角膜形状参数之间的差太大时通知系统的操作者。
在一些实施例中，角膜形状参数是角膜的厚度。在一些实施例中，角膜形状参数是角膜的部位。所述至少两个测量位置点可以跨越至少2毫米。
附图说明
本发明的示意性、非限制实施例将通过实例参考附属图示进行描述，其中，不同图示中相同的参考标记用于代表相同或类似的部件，其中：
图1是根据本发明的方面的屈光手术设备的实例的示意框图；
图2是根据本发明的方面的屈光手术设备的实施例的实例的示意性图示；
图3是根据本发明的方面的屈光手术设备的另一实施例的示意性图示；以及
图4是示意根据本发明的方面的技术的一个实例的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明的方面的屈光手术设备100的实例的示意框图，其被适于投射光到角膜C上。设备100包括干涉仪110、治疗激光器120和处理器114。处理器被配置为三维角膜建模设备。处理器被编程，1)用以在屈光手术程序过程中，一次或多次计算跨过眼睛角膜的两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数，如下面关于处理器214更详细描述的，以及2)用以在屈光手术程序过程中，一次或多次比较跨过眼睛角膜的两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数和测量的角膜形状参数。
干涉仪110被配置用以能够测量沿角膜C的多个位置点S1、S2、S3处的角膜形状。虽然图示示出在三个位置点处进行测量，但根据本发明的方面的设备被配置用以测量沿角膜的两个或更多个位置点处的角膜形状参数。在一些实施例中，被测量的角膜区域内的位置点数在数百直至数千的范围内。典型地，在其内进行测量的角膜区域是直径为6-8mm的圆形区域；然而，可以使用任何适当大小和形状的区域。
治疗激光器120可以是任何适合的治疗激光器(例如，准分子激光器或飞秒激光器)。激光器120典型地以允许控制激光器的流量(fluence)输出的方式配置。例如，激光器可以通过控制输入至激光器的电流或电压配置。可替代地，可以为激光器提供具有可变传输量的可控制的光学滤波器。虽然图中示出了激光器，但可以使用能够分别治疗角膜的多个位置点的任何其他治疗设备。
如下面更详细描述的，干涉仪110提供多个位置点处的测量并且确定在治疗过程中的某一特定点是否及时实现了特定的角膜形状或形状变化。如果没有实现特定的形状，即提供通知(例如，视觉的、听觉的、触觉的通知)给操作者和/或控制激光器120以实现特定的形状。激光器控制可以包括下述中的一个或多个：增加或减少流量，或改变(也就是，增加或减少)激光器的消融射击输出的数目，或改变激光器的消融射击输出的部位。
角膜的形状参数可以利用下面两个技术中的至少一个确定，虽然其他技术也可以使用。在第一技术中，确定多个位置点处的角膜测厚值(pachymetry)(也就是，厚度)。根据此技术，干涉仪输出被用于确定这些位置点处的角膜前表面AS和角膜后表面PS之间的距离。在第二技术中，只确定多个位置点处的角膜部位(例如，角膜前表面的部位)。应了解，如果只测前表面，那么典型地需要注意保持角膜和参考位置点(例如，干涉仪测量设备的表面)之间的已知距离。
图2示意了根据本发明的方面的屈光手术设备的实施例200的实例，其包括治疗激光器系统210、傅里叶域光学相干层析技术(OCT)装置220和处理器214。
激光器系统210被配置用以进行屈光治疗过程。虽然图中示意了激光器系统，但可以使用用于进行屈光治疗的任何其他设备。这里使用的术语“屈光治疗”是指消融或角膜结构改变的治疗，不管是通过激光器还是通过能够改变角膜多个区域的其他设备实现。应了解，这种治疗实现了眼睛屈光的改变。
激光器系统210可以包括适于进行可控制的角膜治疗的任何激光器。例如能够提供可控制的治疗的激光器可以被配置用以提供可变输出流量和/或可变激光器射击位置点。在所示意的设备中，射击位置点通过适当地定位转向镜212a、212b而确定。
傅里叶域OCT装置220被适于测量角膜上的至少两个位置点处的角膜形状参数。这种测量可以在受系统210作用的位置点区域上进行。进行测量的位置点通过适当地定位转向镜222a、222b而确定。虽然图中所示的系统210包括能够改变角膜的多个区域的单一设备(也就是，单一激光器)，但可以使用多个这种设备。
OCT装置220包括光源216，其具有适当短的时间相干性，以允许在多个位置点处进行低相干干涉测量，并且处理器214被编程用以确定角膜的前表面和/或后表面的位置点。应了解，处理器214被适于进行合适的计算(例如，包括傅里叶变换)以确定所测量的角膜形状。处理器还可以被编程用以计算角膜的前表面的形状和/或角膜的后表面的形状。
根据本发明的方面的设备能够在角膜表面上的多个位置点处测量眼睛。申请人已经确定傅里叶域OCT(通常也被称为谱域)设备特别适合在角膜瓣切开之后测量跨过角膜的多个位置点，因为这些设备能够接收来自角膜的光，适于获得具有适当信噪比的测量信号，即使光被从眼睛的表面(例如，眼睛的暴露基质层)上散射(也就是，光不是被镜子反射的)。应了解，进行角膜测量的点数取决于测量的目的。
在一些实施例中，可以提供手术显微镜，以允许操作者通过转向镜232a、232b观察角膜。
装置220可以配置用以利用任何适合的傅里叶域OCT技术。例如装置220可以是谱域、傅里叶OCT，其包括光栅(未示出)以空间地分散跨过阵列式探测器(例如，探测器218)的光谱。可替代地，装置220可以包括扫频光源(SS)傅里叶OCT，其使用能够输出可变波长光的窄带激光器(未示出)，因此译为光谱与时间相关。
用于确定角膜表面的表面形状的一个适合的技术是通过使用角膜表面数据计算Zernike多项式的量值表述。应了解，如果测量角膜表面上的两个或三个部位，则只能精确计算二阶Zernike多项式系数。也就是说，可以确定球形形状和圆柱形形状。如果测量角膜表面上的十个点，则可以计算三阶Zernike多项式系数。如果测量角膜表面上的十五个点，则可以计算四阶Zernike多项式系数。也就是说，可以计算散焦(defocus)、球差(spherical aberration)、二阶散光(second order astigmatism)、彗差(coma)、三叶草像差(trefoil)。在一些实施例中，角膜测量结果可以用于计算对应于如上所述的角膜表面的Zernike多项式；然而，任何适合的表面表征数据可以从测量数据中提取出来。
应了解，如上确定的点数表示对于每次计算所使用的近似最小点数并且增加对于指定计算的点数，可以提高计算的稳定性。在一些实施例中，至少计算一百个点，并且在其它实施例中，至少计算一千个点。为了获得大量的点，可以适当地放置转向镜222a和222b用于投射光到眼睛上并且用于在光从眼睛上散射后接收从源216散射的光。
在所示意的实施例中，处理器214被配置用以1)在屈光手术程序过程中，一次或多次计算跨过眼睛角膜的两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数，以及2)在屈光手术程序过程中，一次或多次比较跨过眼睛角膜的两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数和测量的角膜形状参数。有关此计算和比较的进一步细节在下面给出了。在一些实施例中，在激光器治疗暂停期间进行表面计算。在一些实施例中，测量和计算数值所需的时间小于0.5秒，以保持时间很短并因此减少测量和计算过程中眼睛运动的发生。应了解，虽然在所示意的实施例中，示出使用单一处理器进行计算、测量和比较参数，但可以使用两个或更多个处理器来完成这些任务。
在一些实施例中，设备200被配置用以在对应于扩张的瞳孔直径的6mm直径圆形区域上进行测量。在其它实施例中，测量区域跨越至少2mm或至少3mm。转向镜222a、222b是可移动的，以将光适当地引导至角膜C上并且从角膜C上引走。
图3是根据本发明的方面的屈光手术设备300的另一实施例的示意图示，其包括治疗激光器系统(未示出)和可移动的时域OCT设备。外壳320是沿弧线可移动的，以便来自源316的光可以被从角膜C上镜子反射并且在角膜上的两个或更多个位置点处被探测器318接收。在一些实施例中，设备是可移动的，以便可以在6mm直径的圆形区域上进行测量。应了解，虽然弧线A在两个方向进行了示意，但典型地延伸到三维上(例如，球形、卵形或其它可能更复杂的形状)。
设备300的缺点是需要接收从角膜镜子反射的光。然而，应了解，为了获得此结果，角膜的前表面可以在手术前确定(例如，使用从切口扫描测厚仪，或普拉西地形图的数据)或对于每个测量位置点可以适当地倾斜干涉仪，以在干涉仪的输出信号中获得适合的信躁比。
本发明的一个方面指向与测量结合或除测量之外的角膜建模技术(例如，利用处理器214)。根据本发明的方面的角膜生物学建模设备包括处理器，其被编程用以计算跨过眼睛角膜的两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数。处理器被适于计算在某一指定时间所希望发生的形状参数。可以对一个或多个另外的时间计算另外的预期的形状参数。
在一些实施例中，处理器还被编程用以在屈光手术程序过程中一次或多次比较跨过眼睛角膜的两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数和测量的角膜形状参数。例如，本发明的此方面可以与如上所述的屈光治疗设备一起使用，这里，所测量的形状可以，例如，是来自OCT装置220的输入。例如该技术可以用于控制治疗激光器。应了解，术语“角膜形状”是指角膜的三维结构，并且术语“形状参数”是指厚度或其它方向的尺寸。此参数可以在跨过角膜表面的x、y位置点进行测量，因此提供三维的角膜信息。
例如，在使用该技术控制激光器的实施例中，表面测量的结果可以与如上所述所计算的、预期的角膜形状或形状参数进行比较。在测量结果与预期的形状比较的实施例中，可以修改激光器流量和/或激光器射击图案，可以呈现警告信息给操作者，或如果测量的形状与所计算的形状偏离超过预定值可以终止手术。
根据一个技术，预期的角膜形状或形状改变通过确定角膜形状参数和与屈光治疗有关的各种参数之间的关系而进行计算。该关系可以被确定为x-y和时间t的函数。方程式1示出了方程式的一个实例，适于表述各种参数和合成的厚度形状P(x，y)之间的关系。
P(x，y)＝P1(x，y)t+P2(x，y)t2+P3(x，y)*V(x，y，t)+P4(x，y)*S(x，y，t)+P5；方程式1
其中，P1和P2是空间变系数，表示厚度是如何分别与时间成比例并且与时间的平方成比例的变化的(例如，所述项可以将角膜组织的脱水建模成时间的函数)；
P3是空间变系数，表示直到时间t厚度是如何与总组织去除量V成比例的变化的(例如，该项作为x、y的函数取决于治疗激光器射击图案)；
P4是空间变系数，表示厚度是如何与时间t的特定位置点x、y的组织去除量S成比例的变化的；并且
P5是常数，用以抵消或补偿消融前的测量误差。
为了填充方程式1中表述的模型，可以利用回归技术(例如，使用奇异值分解法)，通过测量多个患者的角膜用以确定角膜形状参数和屈光治疗参数之间的关系，来计算作为空间位置点x、y和时间的函数的这些系数的值。例如，形状参数可以在已知的时间之后并且已经在患者角膜上的已知部位上施加了已知数目的激光脉冲之后进行测量。在一些实施例中，可以进一步表征系数，以允许所计算的预期的角膜形状取决于手术发生时的湿度和温度条件。在一些实施例中，可以进一步表征系数，以允许根据眼睛上切开的瓣的厚度和/或切开的瓣的类型(例如，PRX或Lasik)计算预期的角膜形状。可以被建模的另外的治疗参数包括激光束分布图(例如，平顶(flat top)或高斯)，灌注或医药的应用、患者年龄或患者角膜的几何形状。应了解，处理器可以被编程用于根据进行的屈光治疗的参数填充这里描述的模型和/或计算预期的形状或形状变化。
图4是示意根据本发明的方面的技术400的一个实例的流程图。在步骤410中，收集关于患者眼睛的手术前数据。数据可以包括角膜形状参数1)用于提供治疗过程的起始点，2)用于计算治疗过程，和/或3)用于作为模型的输入。
在步骤420中，利用任何适合的技术确定治疗过程(包括适合的治疗参数)。
在步骤430中，例如，使用所计算的治疗过程的参数和操作前测量作为模型，例如方程式1形式的模型，的输入，计算预期形状的模型。在一些治疗过程中，在两个或更多个阶段期间可以施加激光脉冲。例如，如果眼睛的球光焦度(spherical power)通过6.0的屈光度进行了改变，则该程序可能发生在4个阶段中，在每个阶段期间适当地施加脉冲到眼睛上，以获得1.5屈光度的改变。在这种情况下，在阶段之间的时间间隔内测量眼睛可能是比较适合的；然而，可以以更高或更低的频率进行测量，包括在治疗期间进行测量。
在步骤440中，测量设备，例如在上面关于图1和2中的一个所描述的，被用于测量实际的角膜参数。
在步骤450中，进行预期形状和实际形状的比较。如果差别大于所选择的临界值，则采取如下所述的适当措施。可以在角膜上的一个或多个特定位置点进行比较，或可以利用全局形状比较(global shape comparison)，例如RMS算法进行比较。
在步骤460中，任何适当的措施发生，例如下述中的一个或多个：警告手术人员；修改射击图案；终止治疗以避免伤害受治疗者的眼睛；或改变治疗激光器的流量。
应了解，如果患者的角膜在所有部位都比预期的厚，可以采纳应增加激光器流量的指示；并且如果患者的角膜在所有部位都比预期的薄，可以采纳应减小激光器流量的指示。
如果患者的角膜与预期的现状不对称的变化(例如，由于患者组织的某一不均匀性)，则可以改变射击图案以获得适当的形状。
已经描述了本发明的概念和许多示例型实施例，对本领域的那些技术人员来说很显然的，本发明可以以各种方式实施，并且这些人员可以很容易地进行修改和改进。因此，实施例并不意于限制本发明，而是只通过示例呈现。本发明只被下面的权利要求及其等效替代内容限制。

Claims (21)

1.一种屈光手术系统，包括：
屈光治疗设备，其被构造成适于改变角膜的多个区域；以及
眼科测量装置，其被构造成适于测量受所述治疗设备作用后的所述角膜上的至少两个位置点处的角膜形状参数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量装置包括傅里叶域OCT装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述治疗设备包括激光器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述激光器包括准分子激光器和飞秒激光器中的一种。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统被构造成适于
响应于所测量的角膜形状参数而改变激光的流量。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述角膜形状参数是所述角膜的厚度。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述角膜形状参数是角膜的部位。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少两个位置点跨越至少2毫米。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量装置包括可移动的时域OCT装置。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括处理器，其被构造成适于：A)根据屈光治疗参数计算两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数，以及B)比较所述两个或更多个位置点处的测量的形状参数和预期的角膜形状参数。
11.一种角膜建模设备，包括：处理器，其被构造成适于：A)根据屈光治疗参数计算两个或更多个位置点处的预期的角膜形状参数，以及B)比较角膜上的两个或更多个位置点处的测量的形状参数和预期的角膜形状参数，所述角膜上的两个或更多个位置点对应于所述预期的角膜形状参数的两个或更多个位置点。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备还包括屈光治疗设备，其被构造成适于在所述角膜上进行所述屈光治疗。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备还包括眼科测量装置，其被构造成适于获得两个或更多个测量的形状参数。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述测量装置包括傅里叶域OCT装置。
15.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述治疗设备包括激光器。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述激光器包括准分子激光器和飞秒激光器。
17.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述系统被构造成适于响应于测量的形状参数和预期的角膜形状参数之间的差而改变激光器的流量。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述系统被构造成适于在测量的形状参数和预期的角膜形状参数之间的差太大时通知系统的操作者。
19.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述角膜形状参数是所述角膜的厚度。
20.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述角膜形状参数是角膜的部位。
21.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述至少两个位置点跨越至少2毫米。
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