CN110314034B - 一种可实现个性治疗的角膜交联装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可实现个性治疗的角膜交联装置，包括角膜信息获取设备、光发射结构、LCD装置、支架结构和控制计算机，光发射结构、LCD装置设置在支架结构上，其中，控制计算机根据角膜信息获取设备获得的角膜病变形状和厚度的信息控制光源的光照时间、光照强度和光源波长以及LCD装置形成个性化的治疗光斑，从而实现对角膜交联形状和深度的灵活控制。本申请解决了目前角膜交联中亟待解决的技术难题，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于眼科治疗用手术器械技术领域，具体的为一种用于角膜手术的医疗器械，更具体的，涉及一种可实现个性治疗的角膜交联装置。
背景技术
角膜交联疗法是最近几年发展起来的一种治疗角膜相关疾病的新方法，通过核黄素和紫外光诱导角膜基质内胶原纤维交联提高其机械强度，从而阻止或延缓圆锥角膜的进展。除了用于治疗圆锥角膜之外，还被应用于医源性角膜扩张的预防性治疗或术后治疗，于角膜溶解性病变、角膜浅层溃疡及大泡性角膜病变等治疗。
传统的角膜交联疗法首先是在术眼表面麻醉下除去角膜中央直径为5-9mm区域的上皮组织，以利于核黄素浸入角膜基质。将溶解于20％右旋糖苷的0.1％核黄素滴加到角膜表面2-5分/次，持续30分钟。裂隙灯钴蓝光照射下见前房内有黄染，确定核黄素己经进入前房。在距离角膜lcm处用波长为370±5nm，辐射度为3mW/cm2的紫外光A双二极管照射30分钟，相当于角膜表面5.4J/cm2的总照射能量，将光束直径控制为9mm。在照射过程中，每5分钟用核黄素/右旋糖苷冲洗1次角膜表面。然而，角膜交联手术中无论是圆锥角膜治疗、角膜溃疡治疗、低度屈光不正矫正，不同发病人群和不同发病原因其病灶形状和深度都有差异，这就迫使角膜交联朝着更灵活的个体化的光源控制方案进行研发。针对此问题，本申请将LCD技术应用到角膜交联中，实现个体化的治疗。
另外，有研究显示，当使用标准角膜表面3mW/cm2紫外光A照射厚度400μm的角膜时，到达内皮处的功率密度可达0.35mW/cm2，在标准治疗参数下，当角膜厚度低于400μm时，紫外光/核黄素交联可致使角膜内皮细胞凋亡，表现为角膜水肿。因此对于角膜厚度小于400μm的角膜溃疡、进展性圆锥角膜大多会避免使用此治疗方案。进行紫外光/核黄素角膜交联治疗前都会进行角膜厚度测量，排除厚度小于400μm的患者，保证治疗的安全性。为了使角膜厚度小于400μm的患者能适用此治疗方案，本申请还提供一种通过对光源波长的有效控制实现交联深度的灵活控制。
本发明针对现有技术中角膜交联的形状单一和交联深度不能控制的问题，提供一种形状和深度均可灵活控制的角膜交联装置。
发明内容
为了克服现有技术中角膜交联的形状单一的问题，本发明将LCD技术应用到角膜交联装置上，提供一种形状可控的角膜交联装置。
一种可实现个性治疗的角膜交联装置，其包括角膜信息获取设备、光发射结构、LCD装置、支架结构和控制计算机，所述光发射结构、LCD装置设置在支架结构上，其中，角膜信息的获取设备获取关于角膜术前病变形状和厚度的信息，光发射结构发出的光为平行光线，控制计算机根据角膜信息获取设备获得的角膜病变形状和厚度的信息控制光源和LCD装置形成个性化的治疗光斑。
进一步，光发射结构包括光源和凹面镜，光源位于凹面镜焦点处，发出的光线经凹面镜反射后变为平行光线。
LCD装置形成个性化治疗光斑的原理：由控制计算机提供图像信号，在液晶屏幕上出现选择性的透明区域，在例如紫外光源的照射下，液晶屏幕的图像透明区域对紫外光阻隔减小，在没有图像显示的区域，紫外光线被阻挡，透过液晶屏的紫外光线构成紫外光图像区域，经过LCD掩膜的紫外光线与角膜内的光敏剂发生光化学反应，使被紫外光照射的光敏剂被激发到三线态，产生以单线态氧为主的活性氧，活性氧与胶原蛋白分子发生反应诱导胶原纤维分子集团之间发生化学交联反应，从而增加了胶原纤维的机械强度和抵抗角膜扩张。
优选的，LCD装置包括LCD芯片和分别位于LCD芯片两侧的偏振片。
LCD芯片可采用商用投影仪或LCD光固化3D打印机的液晶面板，包含多个像素，单个像素大小为10-20微米，无自带光源，LCD的每个像素内主要成分是液晶，液晶本身对紫外和近紫外光有一定的吸收，因此最好对照明LCD光束进行偏振调制，具体为在LCD芯片前后各放置一个线偏振片，偏振片将光源的光转化为线偏振光，并可以较高的透过率透过LCD芯片。
角膜信息的获取设备包括眼前节照相设备(获取病变区域的形态，指导光斑形状的设定)及角膜厚度测量设备(获取病变区域厚度及照射的安全厚度，指导波长、能量大小、照射时间等参数的选择。)角膜厚度测量设备选自下列中的一种或几种：Oculyzer/Pentacam(眼前节全景仪)、Optical Biometer(光学生物测量仪)、光学相干断层扫描装置(OCT)。
进一步，为了实现对角膜交联深度灵活控制的目的，控制计算机根据角膜信息获取设备获得的角膜病变形状和厚度的信息，计算出每个区域需要的光照时间、光照强度，进而将拟交联的角膜区域分成若干断层，用第一个断层得到的不规则光斑照射几秒后，变换成第二个断层的不规则光斑照射几秒，这样一层层组合下来，不同地方的角膜组织收到的总光辐射能力不同，从而实现对角膜交联深度的灵活控制。
控制计算机可与网络或服务器连接以从网络或服务器中检索数据和/或在网络或服务器中存储数据。连接可为无线或有线数据连接。
另一种方案中，为了实现对角膜交联深度灵活控制的目的，光发射结构的光源为几个不同波长光源。通过不同波长光源的组合，利用不同波长光源的穿透能力不同这一特性，实现角膜交联深度的灵活控制。例如，需要深度角膜交联时，采用以长波光源为主的混合光源进行角膜交联，因为波长越长穿透能力越强，反之，对于角膜本身比较薄的患者或者角膜较薄的区域，采用以短波光源为主的混合光源进行角膜交联。
进一步，光源的波长范围包含近紫外光到可见光的蓝光，具体波长范围包含从320nm到505nm。
进一步，光源包括1-6个光源，每个光源有一个单色光芯片，每个光源的光经过单色光芯片获得一种波长的光，这样就可根据材料的不同选择不同的某一种单波长光(例如430±5nm、370±5nm或480±5nm)或多种波长的混合光(例如430±5nm和370±5nm同时发射两种波长的光，430±5nm，370±5nm和480±5nm同时发射三种波长的光)。
优选的，光源为发射430±5nm和/或370±5nm波长的固定波长光源。
更优选的，光源为发射430±5nm、370±5nm和/或480±5nm波长的固定波长光源。
进一步，光发射结构还包括匀光板，平行光线通过匀光板后转变为面光。
进一步，光发射结构还包括聚焦透镜，平行光线通过聚焦透镜后聚焦光辐射。
控制计算机控制光源的光照时间、光照强度和光源波长等多个参数。例如，控制计算机控制光源发射430±5nm，370±5nm或480±5nm三种波长任意一种波长的光，或控制光源发射430±5nm和370±5nm两种波长的光，或控制光源同时发射430±5nm，370±5nm和480±5nm三种波长的光。控制计算机可控制在30分钟的治疗期间，分别用某一波长光源或光源组合分别照射患者眼部的时间或强度。例如，波长370±5nm的光源照射20分钟，波长430±5nm的光源照射10分钟；或者波长370±5nm的光源照射25分钟，波长430±5nm，370±5nm和480±5nm的混合光源照射5分钟等等。
控制计算机控制LCD装置实现光线的空间分布，将光斑调整为任何所需要的图形。所需要的图形是根据角膜信息的获取设备(眼前节照相系统)获取的信息而定。
控制计算机通过对光源和LCD装置的控制，实现光线的空间分布、时间、波长和强度的灵活控制，进而达到角膜交联形状和深度的灵活控制，实现个体化治疗。
进一步，支架结构底部设置底座，底座上设置一竖直空心杆；中部设置一弯折部，上部为水平空心杆；水平空心杆前端设置罩体结构；所有电路用线都设置在竖直空心杆与水平空心杆内部。
优选的，光发射结构及LCD装置设置在罩体内；在罩体内不同方向上设置1-4套对应的光发射结构和、LCD装置，保证根据手术需要。
更优选的，每套对应的的光发射结构和LCD装置设置在一个单独的矩形罩内，矩形罩的设置可以方便各个部分的设置及有效的防止多套设置时光的相互干扰。
进一步，竖直空心杆设置为伸缩杆，以方便手术时调节高度。伸缩杆选用现有技术中的任意一种收缩杆。
进一步，水平空心杆部分为绕竖直空心杆部分转动的结构；
进一步，为了方便医护人员查看，控制计算机可设在在水平空心杆上部。
因为本发明主要装置的各部分结构，其中的电路部分利用现有技术的连接方式。
进一步，本装置还包括眼球跟踪系统。优选的，眼球跟踪系统可以为市售的任意一种，实时调整激光发射，防止眼球移动对激光造成干扰眼球跟踪系统。考虑眼睛的运动可能干扰角膜交联，导致角膜交联的区域有偏差，通过配置眼球跟踪系统，收集手术期间眼睛的运动数据，并实时发送给控制计算机，控制计算机根据眼球跟踪系统的数据微调光线的空间分布，实现更为灵活的角膜交联治疗。或者，为了避免术中眼球的移动，用镊子或眼球固定器把眼球固定起来，不让其移动。
通过角膜信息获取设备取得患者的角膜数据，分析得到交联照射的个体化立体图像(交联的形状和深度组成的立体图形)，进而通过控制计算机控制光源和LCD装置形成需要的个体化照射方案。另外，通过控制计算机控制不同波长光源或者不同部位的光源启动，根据照射需要在不同时间，进行不同波长，不同形状或不同方位的照射，实现交联深度的控制，实现角膜交联的个体化治疗。
与现有技术的角膜交联器械相比，本发明的技术方案，具体以下优势：
1.通过LCD装置实现交联仪光斑形状的个性化设置；
2.通过引入不同波长光源，实现交联深度的灵活控制；
3.通过引入眼球跟踪系统，手术期间根据眼睛的运动数据实时微调光线的空间分布，实现更为灵活的角膜交联治疗。
附图说明
图1为本发明整体实物流程示意图；
图2为本发明实现实物结构示意图；
图3位本发明角膜交联装置光源及LCD装置简易结构示意图；
图4为本发明角膜交联装置带3波长光源的光源及LCD装置简易结构示意图；
图5为本发明4角度LCD光源照射的简易结构示意图；
图6为本发明不同时间不同光斑照射结构示意图；
图7为本发明不同形状和交联深度的角膜交联治疗示意图；
图8为本发明整体治疗流程示意图；
图9为本发明实现个体化光斑投射流程图。
图中：1、角膜信息获取设备；21、光源；22、LCD装置；23、凹面镜；24、偏振片；25、罩体；3、控制计算机；41、支架结构；42、底座；43、竖直空心杆；44、水平空心杆；45、弯折部。
具体实施方式
下面的实施例只是用于理解本发明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1
一种具有数字化光源21且可实现个体化治疗的角膜交联的装置，其包括角膜信息获取设备1、光发射结构、LCD装置22、支架结构41和控制计算机3，所述光发射结构、LCD装置22设置在支架结构41上，其中，角膜信息的获取设备获取关于角膜术前病变区域的形状和、病变区域角膜厚度和角膜的总体厚度的信息，光发射结构包括光源21和凹面镜23，光源21位于凹面镜23焦点处，发出的光线经凹面镜23反射后变为平行光线，控制计算机3根据角膜信息获取设备1获得的角膜病变形状和厚度的信息控制光源21和LCD装置22形成个性化的治疗光斑。
实施例2
一种具有数字化光源21且可实现个体化治疗的角膜交联的装置，其包括角膜信息获取设备1、光发射结构、LCD装置22、支架结构41和控制计算机3，所述光发射结构、LCD装置22设置在支架结构41上，其中，角膜信息的获取设备(包括眼前节照相设备及角膜厚度测量设备)获取关于角膜术前病变区域的形状和、病变区域角膜厚度和角膜的总体厚度的信息，光发射结构包括光源21和凹面镜23，光源21包括1-3个波长从近紫外光到可见光的蓝光的光源21，每个光源21含有1种单色光芯片，并可根据不同的手术要求选择不同的波长，例如，当光源21为3个时，3个光源21经过各自的单色光芯片后分别得到430±5nm、370±5nm和480±5nm共三种波长的光，或者3个光源21经过单色光芯片后分别得到430±5nm和370±5nm、430±5nm和480±5nm、370±5nm和480±5nm不同组合波长的光，或者3个光源21经过单色光芯片后分别得到430±5nm、370±5nm或480±5nm共1种波长的光；当光源21为2个时，2个光源21经过单色光芯片后分别得到430±5nm和370±5nm、430±5nm和480±5nm、370±5nm和480±5nm不同组合波长的光，或者2个光源21经过单色光芯片后分别得到430±5nm和370±5nm共2种波长的光，或者3个光源21经过单色光芯片后分别得到430±5nm、370±5nm或480±5nm某1种波长的光；或者不同或相同光源21从不同角度进行照射，例如3-4个光源21在不同方位进行照射；光发射结构及LCD装置22设置在罩体25内；在罩体25内不同方向上设置3-4套对应的光发射结构和、LCD装置22，保证根据手术需要。LCD装置包括LCD芯片和分别位于LCD芯片两侧的偏振片24。
此外，根据角膜信息获取设备1获得的角膜厚度的信息，调整不同波长的光的强度，在角膜偏薄的区域，以短波长光为主，或降低长波光源21的光照强度及时间，在角膜较厚的区域，以长波光为主，或者增强长波光源21的光照强度及时间。光源21位于凹面镜23焦点处，发出的光线经凹面镜23反射后变为平行光线，控制计算机3根据角膜信息获取设备1获得的角膜病变区域的形状和厚度的信息控制光源21的波长和强度以及控制LCD装置22得到灵活的形状，从而得到个性化的治疗光斑。
实施例3
一种具有数字化光源21且可实现个体化治疗的角膜交联的装置，其包括角膜信息获取设备1、光发射结构、LCD装置22、眼球跟踪系统、支架结构41和控制计算机3，所述光发射结构、LCD装置22设置在支架结构41上，其中，角膜信息的获取设备(包括眼前节照相设备及角膜厚度测量设备)获取关于角膜术前病变区域的形状和、病变区域角膜厚度和角膜的总体厚度的信息，光发射结构包括光源21和凹面镜23，光源21位于凹面镜23焦点处，发出的光线经凹面镜23反射后变为平行光线，眼球跟踪系统收集手术期间眼睛的运动数据，并实时发送给控制计算机3，控制计算机3根据角膜信息获取设备1获得的角膜病变形状和厚度的信息控制光源21和LCD装置22形成个性化的治疗光斑，根据眼球跟踪系统的数据微调光线的空间分布，实现更为灵活的角膜交联治疗。
实施例4
一种具有数字化光源21且可实现个体化治疗的角膜交联的装置，其包括角膜信息获取设备1、光发射结构、LCD装置22、眼球跟踪系统、支架结构41和控制计算机3，所述光发射结构、LCD装置22设置在支架结构41上，支架结构41底部设置底座42，底座42上设置一竖直空心杆43；中部设置一弯折部45，上部为水平空心杆44；水平空心杆44前端设置罩体25结构；所有电路用线都设置在竖直空心杆43与水平空心杆44内部。竖直空心杆43设置为伸缩杆，以方便手术时调节高度。伸缩杆选用现有技术中的任意一种收缩杆。水平空心杆44部分为绕竖直空心杆43部分转动的结构；弯折部45为连接在水平空心杆44部分的一小段可套接在竖直空心杆43外侧的竖直管。控制计算机3设在在水平空心杆44上部，方便医护人员查看。角膜信息的获取设备(包括眼前节照相设备及角膜厚度测量设备)获取关于角膜术前病变区域的形状和、病变区域角膜厚度和角膜的总体厚度的信息，光发射结构包括光源21和凹面镜23，光源21位于凹面镜23焦点处，发出的光线经凹面镜23反射后变为平行光线，光源21包括430±5nm光源21，370±5nm光源21和480±5nm光源21，眼球跟踪系统收集手术期间眼睛的运动数据，并实时发送给控制计算机3，控制计算机3根据角膜信息获取设备1获得的角膜病变形状和厚度的信息控制光源21和LCD装置22形成个性化的治疗光斑，根据眼球跟踪系统的数据微调光线的空间分布，实现更为灵活的角膜交联治疗。LCD装置包括LCD芯片和分别位于LCD芯片两侧的偏振片24。
控制计算机3中存储的参数包括但不限于：不同光敏剂及其激发波长范围和推荐波长，不同光敏剂推荐使用浓度，不同光敏剂扩散时间，不同角膜厚度对应的光敏剂浓度、波长和光强，根据眼睛的运动数据计算出光线的调整策略。
实施例5
本发明装置的工作流程为：
手术前(例如角膜溃疡手术)，角膜信息的获取设备(包括眼前节照相设备及角膜厚度测量设备))获取关于角膜术前病变区域的形状和、病变区域角膜厚度和角膜的总体厚度的信息，并将信息传给控制计算机3。
控制计算机3首先对角膜信息获取设备1获得的角膜信息进行处理，获得需要交联的深度和形状，形成三维立体模型，通过检查设备获取角膜病变区域的三维形态后，将病变的三维模型按照光线照射方向依次分割为N个截面。并将该信息传输给LCD装置22，此时，在LCD装置22中产生对应的图案。控制计算机3根据该信息以及医护人员输入的光敏剂类型和光敏剂浓度，计算出光敏剂的扩散时间，计算出角膜需要交联的立体结构，将角膜分成若干不规则形状的断层，选择光源21(例如370±5nm)，光线经过LCD装置22形成第一层截面得到的不规则光斑照射几秒后，变换成第二层截面的不规则光斑照射几秒，这样一层层组合下来，不同地方的角膜组织收到的总光辐射能力不同，从而实现角膜交联深度的可控操作。此外，还可以通过控制光强和光照时间，实现更为灵活的角膜交联治疗。
手术期间，眼球跟踪系统收集手术期间眼睛的运动数据，并实时发送给控制计算机3，控制计算机3根据眼球跟踪系统的数据微调光线的空间分布，实现更为灵活的角膜交联治疗。
实施例6
本发明装置的工作流程为：
手术前(例如角膜溃疡手术)，角膜信息的获取设备(包括眼前节照相设备及角膜厚度测量设备))获取关于角膜术前病变区域的形状和、病变区域角膜厚度和角膜的总体厚度的信息，并将信息传给控制计算机3。
控制计算机3根据该信息以及医护人员输入的光敏剂类型和光敏剂浓度，计算出光敏剂的扩散时间、角膜交联所需波长和光强，选择光源21(光源21包括1-3个波长从近紫外光到可见光的蓝光的光源21，每个光源21含有1种对应的单色光芯片，并可根据不同的手术要求选择不同的波长，430±5nm和/或370±5nm和/或480±5nm)，控制光强和光照时间，并控制LCD装置22形成个性化的治疗光斑。光源21发出的光线经凹面镜23反射后变为平行光线，经过LCD装置22后的光路携带图形信息成像于角膜。
手术期间，眼球跟踪系统收集手术期间眼睛的运动数据，并实时发送给控制计算机3，控制计算机3根据眼球跟踪系统的数据微调光线的空间分布，实现更为灵活的角膜交联治疗。
Claims (6)
1.一种可实现个性治疗的角膜交联装置，包括角膜信息获取设备（1）、光发射结构、LCD装置（22）、支架结构（41）和控制计算机（3），所述光发射结构、LCD装置（22）设置在支架结构（41）上，其特征在于，角膜信息获取设备获取关于角膜术前病变区域的形状和厚度的信息，光发射结构发出的光为平行光线，控制计算机（3）根据角膜信息获取设备（1）获得的角膜术前病变区域的形状和厚度的信息控制光源（21）和LCD装置（22）形成个性化的治疗光斑；光源（21）包括1-6个波长从近紫外光到可见光的蓝光的光源；光发射结构包括光源和凹面镜，光源位于凹面镜焦点处，发出的光线经凹面镜反射后变为平行光线，光发射结构还包括匀光板，平行光线通过匀光板后转变为面光；LCD装置（22）包括LCD芯片和分别位于LCD芯片两侧的偏振片；支架结构上设置罩体结构；光发射结构及LCD装置设置在罩体内；在罩体内不同方向上设置1-4套对应的光发射结构和LCD装置，每套对应的光发射结构和LCD装置设置在一个单独的矩形罩内；
控制计算机根据角膜信息获取设备获得的角膜术前病变区域的形状和厚度，计算出每个区域需要的光照时间、光照强度，进而将拟交联的角膜区域分成若干断层，用第一个断层得到的不规则光斑照射几秒后，变换成第二个断层的不规则光斑照射几秒，这样一层层组合下来，不同地方的角膜组织收到的总光辐射能力不同，从而实现对角膜交联深度的灵活控制。
2.根据权利要求1所述的角膜交联装置，其特征在于，角膜信息获取设备包括眼前节照相设备及角膜厚度测量设备。
3.根据权利要求1所述的角膜交联装置，其特征在于，光源（21）的波长范围包含从320nm到505nm。
4.根据权利要求3所述的角膜交联装置，其特征在于，光源（21）包括单色光芯片，光经过单色光芯片形成单波长光。
5.根据权利要求1所述的角膜交联装置，其特征在于，光源（21）为1-6个固定波长光源（21），发射430±5nm、370±5nm、480±5nm任意一种或几种波长组合。
6.根据权利要求1所述的角膜交联装置，其特征在于，角膜交联装置还包括眼球跟踪系统，眼球跟踪系统收集手术期间眼睛的运动数据，并实时发送给控制计算机（3），控制计算机（3）根据眼球跟踪系统的数据微调光线的空间分布。
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