CN102202617A - 用于提供激光照射文件的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供在激光器中使用的激光照射文件的设备、算法及方法。该激光器可为准分子激光器。照射文件可用于实施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体。根据本发明，提供关于期望的消融轮廓信息，以及基于期望的消融轮廓计算第一系列的激光照射位置。利用所述的第一系列激光照射位置以及利用关于单个激光照射的脉冲特性的信息产生模拟的消融轮廓。将模拟的消融轮廓与期望的消融轮廓进行比较，并确定残余构造。

Description

用于提供激光照射文件的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于提供激光照射文件(laser shot file)的设备、方法及算法，其考虑到关于单个激光照射的脉冲特性的信息。激光照射文件可用于在角膜再成形过程中消融角膜的表面，或者用于产生定制的隐形眼镜或人工晶体。

背景技术

目前用于利用诸如1mm或2mm的有限激光脉冲尺寸来提供激光照射文件的算法，传送了近似于预期的理论消融轮廓的激光照射文件。这主要基于这样的事实：所使用的算法仅仅采用每个脉冲理论上全部移除的体积，而不管是否计划了标准疗法或定制疗法。

理论上的消融轮廓与补偿所测定出的眼睛视力差的期望屈光校正有关。该期望屈光校正可以基于由主观屈光不正和测量出的客观屈光不正中的至少一个获得的诊断数据。测量出的屈光不正可由波前传感器、拓扑图形测量装置或角膜厚度测量装置中的至少一个获得。低阶像差可由主观屈光不正来确定，例如考虑患者的口头反馈。

传统的消融算法进一步引发生物动力学效应，其通常由非故意引发的形状像差来表示。为了补偿这些非故意引发的形状像差，角膜组织的附加消融可能是必需的，这会引起对期望的消融轮廓的渐增修正。而且，包括脉冲直径的脉冲尺寸不是无限小这一事实会导致需要在实际相关的中心消融区域的周围创建过渡区域。

波前的最终形状可由已知形状的已知两维表面的重叠来形成。对于这些已知的形状中的每一个，例如可通过软件获得缩放(scaling)因子，以得到波前变形的最佳表达。存在各种函数组，其形成已提到的已知二维表面。下面将简单描述Zernike多项式系统。

Zernike多项式的幅值A可在数学上表示如下。

$A_{n,m}^{\mathrm{\π}}$

其中，n表示Zernike模式，即，多项式的总阶数，其为多项式的径向形态(behavior)分类中的主要参数。参数n或多或少给出了径向分布。阶数n越大，主要特性位于的外围越往外。

多项式的角度特性由参数m指明，其描述了特定结构在方位角方向上多久重复一次，即，参数m给出了多项式的方位角对称性。m值越大，多项式的方位角轮廓越复杂，即，沿着一个方位圈可检测更多的结构。参数π描述了多项式的对称特性，即偶次或奇次。

参考图15，其示出具有相应参数的Zernike多项式的图形表达的形态。如在图14和15中所使用的用于Zernike多项式Z的OSA标准标记法(Thibos 等，2000)定义如下：

$Z_n^{\mathrm{\π}\·m}$

眼睛的原始波前差W可通过所计算出的Zernike多项式Z的线性组合来重构，其考虑到它们的各自幅值

利用下面的方程来重构：

标记

与OSA标准标记法的

相对应。参数ρ，

表示坐标值。下面，采用了Bausch & Lomb标记法(B&L标记法)。

US 6,090,100涉及一种利用降低的热效应校正视力的准分子激光器系统。其尤其涉及用于控制准分子激光器系统以从眼睛去除组织，从而执行各种类型的校正的设备和方法，各种类型的校正诸如近视、远视和散光校正。在一个所公开的实施例中，准分子激光器系统提供相对较大的脉冲尺寸，其在每次照射时提供治疗区域的相对较大的覆盖范围。当利用这样大的脉冲尺寸时，照射通常不彼此“相邻”，而是脉冲重叠以在特定点产生期望的消融程度。为了计算重叠脉冲的结果，采用了一算法。在利用分布在整个治疗区域的大的固定脉冲尺寸来计算治疗模式的一个方法中，采用了抖动(dithering)算法。具体参考矩形抖动、圆形抖动和逐行导向抖动。利用任何种类的照射抖动方法，创建了用于在整个治疗区域上遍布的固定脉冲尺寸的照射阵列，以便于校正期望的消融程度。对于各阵列，在单独的栅格位置之间使用具有恒定栅格宽度的栅格。利用已知的抖动方法，通常为连续轮廓的期望的消融轮廓的形状不得不转换成整数离散密度分布。在此，连续轮廓表示所计划的消融，且整数离散密度分布表示一系列的消融飞点激光脉冲。残余结构，即，所计划的和已获得的轮廓之间的差值必须被最小化。理论上可在数字上获得精确解，但不是以合理的时间。因此，为此目的，采用抖动算法。轮廓在给定的栅格上是离散的。利用价值函数或优值函数，算法为每个栅格位置决定是否设置照射。对于该决定，通常只考虑栅格的几个相邻位置。该抖动算法节约了计算时间而无需考虑脉冲的真实尺寸。知道利用一个激光照射消融的体积是足够的。然而，在特定条件下，已知的抖动算法在部分轮廓中产生假象(artefact)，例如在下一个相邻照射离得太远的低密度区域中。假象也可在几乎每个位置都设置有照射的高密度区域中产生。对于仅仅几个相邻位置是必要的假设，没有照射的位置也具有很大的距离。

发明内容

本发明的目的在于改进性能，以获得在预定程度上近似于理论消融轮廓的激光照射文件。本发明的另一个目的在于利用具有较大范围的脉冲特性，例如在整个激光脉冲上具有不同的形状和/或尺寸和/或能量分布，来获得近似于理论消融轮廓的激光照射文件。该范围的脉冲特性可导致相应范围的束轮廓。本发明的另一个目的在于更有效地校正眼睛的高阶像差。

上述目的通过权利要求的特征来实现。本发明的各方面涉及用于提供在激光器中使用的激光照射文件的方法、算法和设备，以及利用该激光照射文件的激光治疗系统。激光照射文件可在例如准分子激光器的激光器中使用，以用于实施眼睛的屈光激光治疗或用于产生定制的隐形眼镜或人工晶体。本发明的思想基于用于获得近似激光照射文件的输入数据的迭代处理，其考虑到了与单个激光照射的一个或多个脉冲特性有关的信息。因此，用于确定激光照射文件的脉冲特性不是例如仅仅基于每次照射所消融的体积的理论假设。单个激光照射的脉冲特性可通过例如，在激光器寿命中的一次或在例如准分子激光器的激光器的检查之后，在参考材料上独立施加单个测试照射或一系列测试照射来获得。所述的测试照射的效果的分析独立地为例如消融体积的一个或多个脉冲特性传递信息。也可在特定时间间隔内或在每次治疗之前、在每个部分治疗之前或者为了检查束轮廓，测量激光照射的实际脉冲特性。

在本申请的上下文中，术语“脉冲”指的是具有相应束轮廓的强度的空间分布，术语“照射”指的是中心位置，即，激光的目标位置。

由于本发明的特征，尤其可以获得近似于理论消融轮廓的激光照射文件，该理论消融轮廓具有较大范围的脉冲特性，例如具有不同的激光脉冲尺寸，例如直径。其优势在于，具有较大脉冲尺寸的激光，可用于消融较小尺寸的结构，即，可传递与利用小尺寸脉冲所获得的结果相当的消融轮廓。具有相对较大尺寸的激光脉冲在每次照射时可使更多的组织消融，且可具有相对较低的激光照射重复率，与具有相对较小尺寸的激光脉冲相比，这可导致操作时间的减少。可以使用具有较大脉冲尺寸的激光装置的优势还在于，可以采用现有的激光装置且不必使用具有较小脉冲尺寸的激光装置。

根据本发明的一方面，通过基于期望的消融轮廓计算第一系列激光照射位置来提供激光照射轮廓。第一系列激光照射位置被用于产生模拟的消融轮廓，其中，在模拟中考虑了用于屈光治疗的实际激光脉冲特性。以这种方式，可以确保关于激光治疗的成果的高标准的精度以及确保对于期望的消融轮廓的高近似性能。由于该特征，可以确定用于具有不同脉冲特性的激光器的激光照射文件，不同的脉冲特性例如为整个激光脉冲的消融体积和/或形状和/或尺寸和/或能量分布。

确定由Zernike系数或Seidel像差表示的模拟消融轮廓与期望消融轮廓之间的差值。基于期望的消融轮廓和对应于上述确定的差值的残余结构计算第二系列激光照射位置。至少在可对应于治疗区域的感兴趣的区域，第二系列激光照射位置优化第一系列激光照射位置，并最小化残余结构。

利用第二系列激光照射位置可产生第二模拟消融轮廓，其与第一模拟一样，使用与单个激光照射的脉冲特性有关的信息。第二模拟消融轮廓可与期望的消融轮廓进行比较，且可确定残余结构。基于期望的消融轮廓和所确定的另一残余结构可计算另一系列激光照射位置，且该处理可被迭代地重复直到达到特定精度，例如直到残余结构不超过一个或多个预定值。

可以过滤残余结构，例如，可分成高空间频率结构和低空间频率结构，以便于为随后的计算修改输入以获得更好的结果。这可通过将残余结构扩展成直到特定阶数的Zernike系数来实现，以使得产生近似于原始波前的残余波前。由于迭代计算，高空间频率部分可在低空间频率部分中引入假象。通过假设由于激光脉冲尺寸的限制，高空间频率部分是足够好的，可避免这些假象。

根据本发明的一方面，当确定了激光照射文件时，由于生物动力学效应而非故意引发的形状像差可被补偿。根据本发明的另一方面，当确定了至少一个激光照射位置时，使用抖动算法。

用于根据本发明的方法/算法/设备的输入数据可为诊断数据，优选为主观屈光不正和所测量的屈光不正中的至少一个。所测量的屈光不正可通过波前传感器、拓扑测量装置或角膜厚度测量装置中的至少之一获得。通过例如参考患者的口头反馈的主观屈光不正可确定低阶像差，其通常被理解成例如以球体、圆柱体和相关轴表达的第二阶Zernike型像差。通过测量装置和/或通过数学上给定的形状变化参数可确定高阶像差，其通常被理解成例如第三阶和更高阶Zernike型的像差，诸如，彗差及三叶形像差(第3阶)以及球差及次级像散(第4阶)。数学上给定的形状变化参数可表示偶然的视力差，其由视力校正治疗所引发，诸如由准分子激光消融过程引发的球差。根据本发明，例如可使输入数据结合，以便基于拓扑、波前或经验来获得两维的图或矩阵。

根据本发明的方法/算法/设备的输出数据可用于控制激光治疗系统，以用于执行眼睛的激光视力校正治疗或用于产生定制的隐形眼镜或人工晶体。

附图说明

将参考附图以示例的方式描述本发明的说明性的、非限定性的实施例，其中，在不同附图中，相同的附图标记用于指示相同或类似的部分，且其中：

图1示出了具有与要被校正的瞳孔半径为2.5mm的波前相关的Zernike系数和Zernike幅值的表格；

图2阐明了具有1.0mm直径的单个激光照射的脉冲的剖视图；

图3阐明了在第一次迭代步骤之后，具有在x方向的图2的脉冲的模拟消融轮廓的横截面；

图4阐明了在第二次迭代步骤之后的图3的模拟消融轮廓；

图5阐明了在第一次迭代步骤之后，具有在y方向的图2的脉冲的模拟消融轮廓的横截面；

图6阐明了在第二次迭代步骤之后的图5的模拟消融轮廓；

图7示出了在图3-6中所阐明的第一次和第二次迭代步骤之后，具有与残余波前相关的Zernike系数的表格；

图8阐明了具有1.6mm直径的单个激光照射的脉冲的剖视图；

图9阐明了在第一次迭代步骤之后，具有在x方向的图8的脉冲的模拟消融轮廓的横截面；

图10阐明了在第二次迭代步骤之后的图9的模拟消融轮廓；

图11阐明了在第一次迭代步骤之后，具有在y方向的图8的脉冲的模拟消融轮廓的横截面；

图12阐明了在第二次迭代步骤之后的图11的模拟消融轮廓；

图13示出了在图9-12中所阐明的第一次和第二次迭代步骤之后，具有与残余波前相关的Zernike系数的表格；

图14示出了Zernike多项式标记法、各个视力缺陷和Bausch & Lomb标记法的映射；以及

图15示出了直到第七阶的Zernike多项式的密度图。

具体实施方式

在下面详细的说明中，基于具有如图2和图8中所阐明的单个激光照射的脉冲特性的两个不同激光脉冲，解释本发明。图1示出了要利用两个不同激光脉冲校正的示例波前。图1中，以Zernike标记法给出了对于2.5mm瞳孔半径的波前。关于以Baush & Lomb标记法(B&L标记法)给出的Zernike系数和各个视力差，参考图14。

图2示出了单个激光照射消融的剖视图，其中激光脉冲具有1.0mm的直径。更具体地，示出了沿着激光脉冲的中心横截面的消融深度(y轴)。在该示例中，在x轴上以0μm指示的激光脉冲的中心处存在大约0.4μm的最大消融深度。每个激光可具有例如非对称的独特脉冲特性，其可在激光的整个使用寿命内变化。例如经由光敏装置或材料中的测试照射或一系列测试照射可测量诸如消融的单个激光照射的脉冲特性，该材料可至少部分具有与要基于所获得的激光照射文件来消融的材料相同的特性。在屈光眼睛外科手术的情况下，测试材料可为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。分析由该测试激光照射引起的脉冲以获得激光的脉冲特性，例如激光照射尺寸、形状和能量分布等。

在图3中，以虚线示出了理论上确定的消融轮廓，即期望的消融轮廓。图3的x轴表示消融的横截面的x方向，且y轴表示消融的深度。激光照射位置的确定的目的是尽可能接近或至少达到对于期望的消融轮廓的预定程度。根据本发明，利用与实际使用的单个激光照射的激光脉冲特性有关的信息，进行激光照射位置的确定。图3中没有阴影的部分涉及5.0mm的瞳孔直径，其可以是治疗区域。当在治疗区域中确定激光照射位置时，不需要考虑在可代表过渡区的阴影部分中产生的数据。

基于期望的消融轮廓计算第一系列激光照射位置，且利用所述第一系列激光照射位置产生模拟的消融轮廓。第一系列激光照射位置可以基于如上所述的推测的波前。在模拟中，采用了与图2中所阐明的单个激光照射的一个或多个脉冲特性有关的信息。在图3中以实线示出了对应于第一次迭代的基于第一系列激光照射位置的模拟消融轮廓。根据本发明，将模拟消融轮廓与期望消融轮廓进行比较。基于该比较，确定残余结构。从图3中可以看到，利用与单个激光照射的脉冲特性有关的信息的激光照射位置的第一次确定已经在感兴趣的区域，即瞳孔区域，提供了与期望消融轮廓非常接近的结果。

与要被校正的波前相关的信息可以以n阶，例如图1中的第5阶，的波前的形式给出，并且可基于所述的n阶波前来计算第一系列激光照射位置。

基于期望的消融轮廓和确定的残余结构来计算第二系列激光照射位置，以用于进一步优化激光照射位置和激光治疗的相应结果。如图4中所示，可以产生利用第二系列激光照射位置的第二模拟消融轮廓。与图3一样，x轴表示消融的横截面的x方向，且y轴表示消融深度。期望消融轮廓与模拟消融轮廓之间的余差，即进一步的残余结构，可通过将第二模拟消融轮廓与期望消融轮廓进行比较来确定。基于期望的消融轮廓和所确定的进一步的残余结构，可计算出另一系列激光照射位置。

当基于模拟消融轮廓与期望消融轮廓的比较确定残余结构时，可将模拟消融轮廓的波前增加到期望消融轮廓的波前，或者可增加Zernike系数。Zernike系数的增加更简单，并可实现改进的计算性能。

上述过程可被迭代地重复直到达到模拟消融轮廓与期望消融轮廓的最大偏差，即特定治疗精度，其中，所述另一系列激光照射位置被用作第二系列激光照射位置。在随后的迭代中，残余波前可被增加到先前计算出的波前。

模拟和期望波前的差值可被过滤以便通过计算直到阶数N’的Zernike系数来获得低和/或高空间频率，其中在每个迭代步骤中，使用各个第N’阶Zernike系数，且其中，

N’＝n-2*iteration_counter.

n为波前信息的阶数，且“iteration_counter”相应于迭代次数。

与示出x方向上的相对于期望消融轮廓的模拟消融轮廓的结果的图3和4相对应，图5和6示出了y方向上的模拟消融轮廓的近似值。图5和6中的x轴表示消融的横截面的y方向，且y轴表示消融深度。

图7的表格示出了在1次迭代和2次迭代后的以Zernike系数的幅值形式的残余波前。例如来自于图1的Z110＝0.512的Zernike系数Z110的幅值与第一次迭代Z110＝0.112和第二次迭代Z110＝-0.004的比较，表明了根据本发明的模拟波前与期望波前的近似的性能(performance)。

图8示出了单个激光照射轮廓的剖视图，其中激光脉冲具有1.6mm的直径。与图2相比，图8所示的单个激光照射消融具有较大的直径且较浅。与图2中一样，沿着激光脉冲的中心横截面示出消融深度(y轴)。在该示例中，在x轴上指示为0μm的激光脉冲的中心处存在大约为0.175μm的最大消融深度。

图9-12中所示的近似是基于图1中给出的波前，即，图9-12中的期望波前(虚线)分别相应于图3-6中所示的期望波前。

与前述相对应，图9的模拟消融轮廓(实线)是基于第一系列激光照射位置，该第一系列激光照射位置利用与根据图8的单个激光照射的脉冲特性有关的信息。根据模拟消融轮廓与期望消融轮廓(虚线)的比较，确定残余结构。模拟消融轮廓与期望消融轮廓之间的差值大于根据相应的利用具有1.0mm直径的激光脉冲的图3的差值。这样的差值，即近似性能，可能不仅受具有不同脉冲特性的激光束的影响，还受所利用的用于确定激光照射位置抖动算法的影响，以及受要被校正的，例如主要具有低阶像差或高阶像差的波前的影响。

图10示出了对应于图4的在x方向上的2次迭代步骤，以及图11和12分别对应于图5和6。

图13的表格示出相应于图7的，在1次迭代和2次迭代之后的Zernike系数的幅值形式的残余波前。例如来自于图1的Z110＝0.512的Zernike系数Z110的幅值与第一次迭代Z110＝0.283和第二次迭代Z110＝-0.024的幅值的比较，表明了利用根据图8的激光脉冲特性的近似性能低于图2的近似性能。如已指明的，该性能会取决于激光脉冲特性、所采用的用于确定激光照射位置的抖动算法以及要被校正的波前中的至少一个。

由本发明的发明内容显见的，本发明可应用于激光治疗的各种领域，且关于眼睛治疗的各个描述仅仅为一个示例。优选地，该发明为利用大脉冲直径的激光来传递与利用小斑点激光所获得的结果相当的消融轮廓提供依据。本发明由所附的权利要求来限定，并不受说明书所限制。

Claims (13)

1.一种用于提供在激光器、优选为准分子激光器中使用的激光照射文件的方法，该激光照射文件优选用于实施眼睛的屈光激光治疗或用于产生定制的隐形眼镜或人工晶体，所述方法包括步骤：

a)提供关于期望的消融轮廓的信息，

b)基于所述期望的消融轮廓，计算第一系列激光照射位置，

c)利用所述第一系列激光照射位置并且利用与单个激光照射的脉冲特性有关的信息，产生模拟的消融轮廓，

d)将所述模拟的消融轮廓与所述期望的消融轮廓进行比较，并确定残余结构，以及

e)基于所述期望的消融轮廓和所确定的残余结构，计算第二系列激光照射位置。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

f)利用所述第二系列激光照射位置并且利用与单个激光照射的脉冲特性有关的信息，产生第二模拟的消融轮廓，

g)将所述第二模拟的消融轮廓与所述期望的消融轮廓进行比较，并确定进一步的残余结构，以及

h)基于所述期望的消融轮廓和所确定的进一步的残余结构，计算另一系列激光照射位置。

3.根据权利要求2所述的方法，重复步骤f)至g)至少一次，其中，所述另一系列激光照射位置被用作所述第二系列激光照射位置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，基于针对待治疗的眼睛所获得的波前信息，计算所述期望的消融轮廓，其中，所述波前信息优选以Zernike系数给出。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述波前信息作为第n阶波前给出，并且其中，基于所述第n阶波前计算所述第一系列激光照射位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过计算模拟波前和期望波前的差值来确定所述模拟的消融轮廓和所述期望的消融轮廓之间的差值，以获得残余波前，其中，以Zernike系数描述所述残余波前。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，对于后续的迭代，所述残余波前被增加到先前计算的波前上。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，通过计算直到阶数N’的Zernike系数，过滤所述模拟波前和所述期望波前的所述差值以获得低和/或高空间频率，并且其中，在每个迭代步骤中，使用各自第N’阶的Zernike系数，且其中，

N’＝n-2*iteration_counter，

n为所述波前信息的阶数，以及iteration_counter＝迭代次数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在每个迭代步骤中，所校正的波前被用于计算各个系列激光照射位置，并且其中，迭代步骤N’小于3。

10.一种用于提供激光照射文件的算法，执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法步骤。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括响应于所提供的激光照射文件，控制激光设备的步骤。

12.一种用于提供在激光器、优选为准分子激光器中使用的激光照射文件的设备，该激光照射文件优选用于实施眼睛的屈光激光治疗或用于产生定制的隐形眼镜或人工晶体，所述设备包括：

a)用于提供关于期望的消融轮廓的信息的装置，

b)用于基于所述期望的消融轮廓，计算第一系列激光照射位置的装置，

c)用于利用所述第一系列激光照射位置并且利用与单个激光照射的脉冲特性有关的信息，产生模拟的消融轮廓的装置，

d)用于将所述模拟的消融轮廓与所述期望的消融轮廓进行比较并确定残余结构的装置，以及

e)用于基于所述期望的消融轮廓和所确定的残余结构，计算第二系列激光照射位置的装置。

13.一种激光治疗系统，包括准分子激光器和/或飞秒激光器，以及根据权利要求12所述的设备。

Images