DE102009030464B4

DE102009030464B4 - Lasergerät und Verfahren, insbesondere Betriebsverfahren für ein Lasergerät, zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten für einen gepulsten Laser

Info

Publication number: DE102009030464B4
Application number: DE102009030464.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sluyterman van Langeweyde Georg; Dr. Bergt Michael; Dr. Stobrawa Gregor; Dr. Bischoff Mark
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2029-06-24
Also published as: WO2010149300A1; DE102009030464A1; WO2010149300A8

Abstract

Verfahren, insbesondere Betriebsverfahren für ein Lasergerät (1), zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten für die Ablation von Material von einer gekrümmten Oberfläche (2), insbesondere einer Cornea, gemäß einem vorgegebenen Soll-Ablationsprofil mittels eines gepulsten Lasers (4), wobei eine Lage eines Vertex (V) der Oberfläche (2) bezüglich einer optischen Achse (OAL) des Lasers (4) ermittelt und bei der Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten verwendet wird,wobei die Lage des momentanen Vertex (V) während einer Bestrahlung, insbesondere wiederholt, ermittelt und der Laser (4) bezüglich des momentanen Vertex (V) nachgeführt wird, undwobei beim Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten ein Modell einer Ablationseffizienzverteilung, die lokalen Variationen der Ablationseffizienz entspricht, verwendet wird, das zum Nachführen des Lasers (4) in Abhängigkeit der Lage des momentanen Vertex (V) ermittelt wird,dadurch gekennzeichnet, dassbeim Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten mindestens zwei Teilmodelle der jeweiligen Ablationseffizienzverteilung, insbesondere akkumuliert, zur Korrektur der Bestrahlungssteuerdaten verwendet werden,wobei das erste Teilmodell auf einen augenfesten Punkt (A) als Referenzpunkt bezogen ist und das zweite Teilmodell auf den insbesondere momentanen Vertex (V) bezüglich der optischen Achse (OAL) des Lasers (4) als Referenzpunkt bezogen ist, und dasseine Kompensation von Ablationseffizienzvariationen aufgrund eines verminderten effektiven Energieeintrags durch eine Oberflächenneigung für zumindest das zweite Teilmodell relativ zur momentanen Lage des Vertex (V) als Referenzpunkt erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten für die Ablation von Material von einer gekrümmten Oberfläche (sei sie asphärisch oder sphärisch), insbesondere einer Cornea, gemäß einem vorgegebenen Soll-Ablationsprofil mittels eines gepulsten Lasers, ein Verfahren zur Ablation von Material von einer gekrümmten Oberfläche (asphärisch oder sphärisch), insbesondere einer Cornea, gemäß einem vorgegebenen Soll-Ablationsprofil und ein Lasergerät zur Durchführung dieser Verfahren mit einem Laser für einen gepulsten Betrieb.
Die Ablation, das heißt, die Abtragung von Material von einer Oberfläche eines Körpers, mittels eines gepulsten Laserstrahls ist grundsätzlich bekannt. Dabei wird ein Laserstrahl auf die zu ablatierende Oberfläche gelenkt, wo Material des Körpers wenigstens einen Teil der Laserstrahlung absorbiert. Bei hinreichendem Energieeintrag wird Material von der Oberfläche entfernt. Diese Laserablation kann daher dazu eingesetzt werden, einen Körper berührungslos mit hoher Genauigkeit, insbesondere auch bei nur geringen Abtragstiefen, zu formen.
Zur Formgebung sind verschiedene Verfahren der Laserablation bekannt. Bei einem Verfahren mit einem beweglichen Laserlichtfleck (engl. „flying spot“) wird Material von der Oberfläche abgetragen, indem ein gepulster Laserstrahl gemäß vorgegebenen Bestrahlungssteuerdaten mittels einer Abtasteinheit (engl. „scanner“) über die Oberfläche geführt wird (engl. „scanning“). Die Bestrahlungssteuerdaten umfassen dabei eine Folge von Lagen von Zielorten auf der Oberfläche, auf die jeweils wenigstens ein Puls des Laserstrahls gelenkt werden soll. Sind die Strahl- und/oder Pulseigenschaften des verwendeten Laserstrahls einstellbar, können die Bestrahlungssteuerdaten zusätzlich wenigstens eine Angabe enthalten, die für die Bestrahlung eine Strahl- oder Pulseigenschaft, insbesondere die Energie eines oder mehrerer Pulse oder die Fluenz, das heißt die Energie eines oder mehrerer Pulse bezogen auf die bestrahlte Fläche ermittelt auf einer orthogonal zu der Richtung des Laserstrahls an der Oberfläche des Körpers angeordneten Ebene, vorgibt. Die Vorgaben für die Energie/Fluenz kann, muss zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen geändert werden. Arbeitet der Laser während einer Ablation mit einer konstanten Pulsenergie oder Fluenz, brauchen hinsichtlich der Pulsenergie oder Fluenz keine Bestrahlungssteuerdaten vorgegeben zu werden.
Die Bestrahlungssteuerdaten werden ausgehend von einem vorgegebenen Soll-Ablationsprofil ermittelt. Es handelt sich dabei um eine Menge gewünschter Materialabträge in Abhängigkeit des Ortes auf der Oberfläche. Typischerweise wird dabei für mehrere Orte (nachfolgend als Zielort bezeichnet) die zu ablatierende Materialtiefe vorgegeben. Das Soll-Ablationsprofil kann in beliebiger Weise dargestellt werden. Beispielsweise kann es durch Punkte auf einem vorgegebenen Punktraster in einer Bezugsebene und den Punkten jeweils zugeordnete Ablationstiefen gegeben sein. Es ist jedoch auch möglich, das Soll-Ablationsprofil durch wenigstens eine durch wenigstens einen Funktionsparameter parametrisierte Funktion und einen Wert des Funktionsparameters anzugeben, wobei die Funktion und der Wert des Funktionsparameters so gewählt sind, dass die Funktion in Abhängigkeit von dem Wert des Funktionsparameters und vom Ort in der Bezugsebene die Ablationstiefe angibt. Bei einer Darstellung durch Funktionen können beispielsweise Polynome wie Zernike-Polynome oder Splines verwendet werden.
Zur Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten wird in der Regel davon ausgegangen, dass jeder Puls ein Einzelpuls-Ablationsvolumen abträgt, das durch den Querschnitt des Laserstrahls an der für diesen Zweck als orthogonal zur der Strahlrichtung angenommenen Oberfläche und durch die Ablationstiefe gegeben ist. Treffen mehrere Pulse an demselben Zielort auf, akkumulieren sich die Ablationstiefen, so dass insgesamt eine größere Tiefe erzielt wird. Die Bestrahlungssteuerdaten werden nun so bestimmt, dass die durch den Eintrag der Pulse an den durch die Bestrahlungssteuerdaten vorgegebenen Zielorten erzielten Ablationsvolumina möglichst gut mit dem gewünschten Soll-Ablationsprofil übereinstimmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die an einem Zielort tatsächlich erzielte Ablation von dem effektiven Energieeintrag abhängt, der sich im allgemeinen von der vom Laser abgegebenen Pulsenergie unterscheidet und seinerseits von den Oberflächeneigenschaften am jeweiligen Zielort abhängt. Beispielsweise hängt die Fluenz an einem bestimmten Zielort von der Oberflächenneigung des zu behandelnden Körpers an dieser Stelle ab, weil der Auftreffwinkel des Laserstrahls einerseits die effektiv bestrahlte Fläche und andererseits den Grad der (absorptionsmindernden) Reflexion bestimmt. Aus diesem Grunde müssen die Bestrahlungssteuerdaten ortsabhängig korrigiert werden, um ein vorgegebenes Soll-Ablationsprofil möglichst genau erzeugen zu können.
Im Stand der Technik sind solche Maßnahmen bekannt: US 2003/0105457 A1 beschreibt die Korrektur der Energie der Laserpulse zur refraktiv-chirurgischen Behandlung der Cornea in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel des Laserstrahls, wobei die obengenannten Auswirkungen des Auftreffwinkels auf die Fluenz am Zielort berücksichtigt werden. Eine verbesserte Korrektur von Bestrahlungssteuerdaten für die Cornea beschreibt US 2008/058781 A1 , deren Offenbarungsgehalt hier in vollem Umfang einbezogen wird. In dieser Korrektur der Bestrahlungssteuerdaten (dort als Ablationsprogramm bezeichnet) werden die Form des Strahlprofils und die Oberflächenneigung der Cornea berücksichtigt. Zu diesem Zweck werden anhand des Soll-Ablationsprofils vorläufige Bestrahlungssteuerdaten ermittelt und durch Simulation der Bestrahlung anhand der zu ermittelnden Oberflächenneigung iterativ dem Soll-Ablationsprofil angenähert. Auch US 2004/0019346 A1 beschreibt die Korrektur der Bestrahlungssteuerdaten in Abhängigkeit der lokalen Oberflächenneigung. Das Soll-Ablationsprofil wird dabei um die Pupille zentriert, deren Lage zu diesem Zweck ermittelt wird. Auch in WO 2007/143111 A2 wird die Korrektur der Bestrahlungssteuerdaten in Abhängigkeit der lokalen Oberflächenneigung beschrieben. Dabei wird die Geometrie der Kornea mittels kohärenter Tomographie bestimmt.
Problematisch ist, dass das menschliche Auge sich während einer laserchirurgischen Behandlung bewegen kann, insbesondere sogenannte Sakkadenbewegungen mit einer Geschwindigkeit bis zu etwa 800° pro Sekunde durchführen kann, so dass im Extremfall drastische Abweichungen der momentanen Bestrahlungsposition innerhalb kurzer Zeit auftreten können. Es ist daher notwendig, Bewegungen des Auges zu ermitteln und bei der Ermittlung der Bestrahlungssteuerdaten die momentane Lage des Auges zu berücksichtigen. Dies wird auch als Nachführen des Laserstrahls bezeichnet. Derartige Maßnahmen sind beispielsweise aus US 2005/0278004 A1 , US 2002/0198516 A1 oder US 63 22 216 B1 bekannt, worin Rotations- und Translationsbewegungen des Auges verfolgt werden. Nach dem in EP 1 923 027 A1 beschriebenen Verfahren wird die momentane Stellung des Auges ermittelt, indem das Zentrum der Pupille identifiziert wird. Darüber hinaus wird eine Abweichung des ermittelten Pupillenzentrums von der korrespondierenden Stelle an der Hornhautoberfläche korrigiert. In dem in EP 1 935 384 A1 beschrieben Verfahren werden Abweichungen zwischen dem Mittelpunkt des Limbus und dem Mittelpunkt der skotopischen Pupille korrigiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Verfahren und ein Lasergerät der eingangs genannten Art weiter zu verbessern, so dass die tatsächlich erzeugte Form besser mit dem Soll-Ablationsprofil übereinstimmt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Lasergerät, welches die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Für ein Verfahren zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten ist vorgesehen, dass eine Lage eines (momentanen) Vertex der zu ablatierenden Oberfläche bezüglich einer optischen Achse des Lasers ermittelt und bei der Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten verwendet wird. Darüber hinaus ist für ein Lasergerät eine Einrichtung zur Ermittlung einer Lage des (momentanen) Vertex der zu bestrahlenden gekrümmten Oberfläche bezüglich einer optischen Achse des Lasers und eine Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, wobei die Einrichtung eine Lichtquelle und einen ortsauflösenden Lichtempfänger zur Aufnahme von an der Oberfläche reflektiertem Licht aufweist und zur Datenübertragung mit der Steuereinheit verbunden ist. Zweckmäßigerweise erfolgt die Ermittlung der Lage im Koordinatensystem des Lasers (typischerweise kartesische Koordinaten x/y/z mit z in Richtung der optischen Achse des Lasers). Die Ermittlung der Lage des momentanen Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers erfolgt aber in besonders vorteilhaften Ausgestaltungen unabhängig von einer Fixation auf eine vorgegebene Blickrichtung (für allgemeine Oberflächen: unabhängig von der momentanen Orientierung der Oberfläche).
Im Sinne der Erfindung ist der Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers derjenige Punkt der zu ablatierenden Oberfläche, der längs dieser optischen Achse (also in Nullposition des Laserstrahls) dem Laser am nächsten liegt. Als optische Achse des Lasers ist dabei die optische Achse derjenigen Optik anzusehen, die das Lasergerät zur zu ablatierenden Oberfläche hin abschließt. Mit anderen Worten, der Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers ist derjenige Punkt der Oberfläche, dessen Orthogonalprojektion auf die optische Achse die kleinste Entfernung zum Lasergerät aufweist. Alternativ kann er als Gipfelpunkt (höchster Punkt) in Blickrichtung der optischen Achse des Lasers oder als lokales Maximum oder Extremum bezüglich der optischen Achse des Lasers definiert werden. Dieser im Sinne der Erfindung als Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers bezeichnete Punkt weicht im Falle der Cornea im allgemeinen von dem Durchstoßpunkt der Sehachse (auch als visuelle Achse bezeichnet) durch die Corneaoberfläche, von dem Mittelpunkt der Corneaoberfläche (also dem Durchstoßpunkt der optischen Achse des Auges) und von dem höchsten Punkt der Cornea bei Fixierung (der näherungsweise identisch zum Durchstoßpunkt der Sehachse ist) ab. Je nach individueller Form der Cornea, Platzierung des Auges und Blickrichtung kann er jedoch zufällig mit einem dieser Punkte zusammenfallen. Der momentane Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers ist nicht oberflächenfest, er bewegt sich (sowohl bei sphärischen als auch bei asphärischen Oberflächen) im allgemeinen bei Rollbewegungen der Oberfläche in einem oberflächenfesten Bezugssystem relativ zu oberflächenfesten Punkten (wie dem Durchstoßpunkt der Sehachse durch die Corneaoberfläche, dem Durchstoßpunkt der Symmetrieachse des Auges durch die Corneaoberfläche). Im Falle von reinen Rollbewegungen einer sphärischen Oberfläche weist der momentane Vertex im Bezugssystem des Lasers eine konstante Lage auf, bewegt sich aber in einem oberflächenfesten Bezugssystem. Im Falle einer asphärischen Oberfläche bewegt er sich auch im Bezugssystem des Lasers. Bei Translationsbewegungen bewegt er sich (unabhängig von der Oberflächenform) im Bezugssystem des Lasers, nicht aber im oberflächenfesten Bezugssystem. Bei kombinierten Translations- und Rollbewegungen bewegt er sich in beiden Bezugssystemen.
Bei der Ablation gekrümmter Oberflächen wie beispielsweise cornealem Gewebe treten typischerweise radial variierende Ablationseffizienzen auf, die zu einer Verzerrung des resultierenden Ablationsprofils führen. In der Folge einer laserchirurgischen Behandlung der Cornea kommt es, wenn diese Verzerrung nicht berücksichtigt wird, zur Ausbildung eines suboptimalen Visus. Die lokalen Variationen der Ablationseffizienz können unterschiedliche Ursachen haben und sich auf verschiedene Referenzpunkte beziehen. Beispielsweise ist das Referenzzentrum (der Referenzpunkt) für Projektionsverluste (verminderter effektiver Energieeintrag) durch die Oberflächenneigung gerade der Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers, da diese Verluste ausschließlich vom Auftreffwinkel abhängen.
Ähnlich verhält es sich gemäß einem Ablationseffizienz-Modell, bei dem die Cornea eine parallel zur Oberfläche verlaufende, radialsymmetrische Schichtstruktur aufweist. Dabei kommen Wirkungsverluste (verminderter effektiver Energieeintrag) durch Änderung des Ablationsverhaltens (auch als Ätzrate bezeichnet) in Abhängigkeit vom Neigungswinkel zustande. Auch hier ist der Referenzpunkt, hier der Durchstoßpunkt der Symmetrieachse des Ablationseffizienz-Modells durch die zu ablatierende Oberfläche, der momentane Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers. Im Gegensatz dazu hat der sogenannte Apex, der im Falle einer rotationssymmetrischen Fläche wie der Cornea der Durchstoßpunkt ihrer Symmetrieachse durch die Fläche ist, eine feste relative Lage bezüglich der zu ablatierenden Oberfläche. Im Falle der Cornea kann der Apex als augenfester Referenzpunkt bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch Berücksichtigung der tatsächlichen Lage des Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers die Genauigkeit einer Oberflächenablation, insbesondere einer laserchirurgischen Behandlung der Cornea, verbessert werden kann, wenn dieser Vertex und ein augenfester Referenzpunkt wie der Durchstoßpunkt der Sehachse durch die Corneaoberfläche nicht zusammenfallen. Ein solcher Zustand liegt im Fall der Cornea beispielsweise bei nicht optimaler Fixation des Auges vor (aufgrund der Abweichung von optischer Achse des Lasers und Sehachse muss das zu fixierende Ziel abseits der optischen Achse des Lasers liegen). Durch Messung und Berücksichtigung der Lage des Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers bei der Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten wird eine bessere Übereinstimmung eines resultierenden Ablationsprofils mit dem vorgegebenen Soll-Ablationsprofil erreicht, da lokale Ablationseffizienzvariationen, die von diesem nicht-augenfesten Vertex als Referenzpunkt abhängen, mit höherer Genauigkeit kompensiert werden können als bisher.
Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen, in denen die Lage des momentanen Vertex während einer Bestrahlung (insbesondere wiederholt) ermittelt und der Laser bezüglich des momentanen Vertex nachgeführt wird, indem beispielsweise die Kompensation von Ablationseffizienzvariationen zumindest eines Teilmodells relativ zu dem momentanen Vertex als Referenzpunkt erfolgt. Dadurch wird bei Bewegungen der zu ablatierenden Oberfläche, im Falle der Cornea beispielsweise willkürliche oder unwillkürliche Augenbewegungen, zu jedem Zeitpunkt zumindest näherungsweise eine genauere Positionierung und Energieeinstellung des Laserstrahls erreicht. Zweckmäßigerweise wird zusätzlich in herkömmlicher Weise die Lage eines augenfesten Merkmals (eines augenfesten Referenzpunkts) wie dem Apex, der Pupille (Mittelpunkt; Schwerpunkt) oder dem Limbus ermittelt, verfolgt und zur Nachführung des Lasers herangezogen. Falls die zu verwendende Laserenergie vorgegeben ist, kann nicht nur der Auftreffpunkt des Lasers nachgeführt werden, sondern es kann zusätzlich das Soll-Ablationsprofil angepasst werden. Es ist auch denkbar, eine iterative Annäherung durch Vergleich zwischen einer neuen Sollfunktion und dem bereits ablatierten Profil durchzuführen und in jeder Iteration zu entscheiden, ob aufgrund der verbleibenden Abweichung an der aktuellen Position ein Schuss abgegeben wird oder nicht. Hierzu ist das Soll-Ablationsprofil in das Profil der gewünschten Korrektur mal eine Effizienz-Kompensations-Funktion zu zerlegen. Diese beiden Komponenten haben unterschiedliche Zentren (Referenzpunkte). Das Zentrum des Profils der gewünschten Korrektur kann beispielsweise die Pupillenmitte, das der Effizienz-Kompensations-Funktion der momentanen Vertex sein.
Zweckmäßigerweise werden zum Nachführen des Lasers die Bestrahlungssteuerdaten in Abhängigkeit der Lage des momentanen Vertex neu berechnet. Dies schließt die Berücksichtigung von Ablationseffizienzvariationen in Abhängigkeit des momentanen Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers (und, soweit ermittelt, weiteren Bezugspunkten) ein. Dadurch werden Bewegungen der zu ablatierenden Oberfläche, beispielsweise im Falle der Cornea willkürliche oder unwillkürliche Augenbewegungen, automatisch bei der Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten berücksichtigt. Insbesondere eine iterative Annäherung des tatsächlichen Ablationsprofils an das Soll-Ablationsprofil gelingt auf diese Weise mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit.
Vorteilhafterweise kann beim Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten ein Modell einer Ablationseffizienzverteilung verwendet werden, das zum Nachführen des Lasers in Abhängigkeit der Lage des momentanen Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers dynamisch ermittelt wird. Dadurch wird bei Bewegungen der zu ablatierenden Oberfläche, im Falle der Cornea beispielsweise willkürliche oder unwillkürliche Augenbewegungen, (zumindest näherungsweise) zu jedem Zeitpunkt eine hochgenaue Kompensation vertexbezogener Ablationseffizienzvariationen ermöglicht.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung werden beim Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten mindestens zwei Teilmodelle einer jeweiligen Ablationseffizienzverteilung insbesondere akkumuliert zur Korrektur der Bestrahlungssteuerdaten verwendet, wobei das erste Teilmodell auf einen augenfesten Punkt, insbesondere einen Apex oder einen Vertex bezüglich einer optischen Achse eines Auges oder die Pupille oder den Limbus, als Referenzpunkt bezogen ist und das zweite Teilmodell auf den insbesondere momentanen Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers als Referenzpunkt bezogen ist.
Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass Ursachen von Variationen der Ablationseffizienz möglich sind, die zu anderen Bezugszentren (Referenzpunkten) als dem Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers führen. Beispielsweise kann eine Variation aufgrund biomechanischer Umstände auftreten, beispielsweise als Reaktion auf die aktuelle oder eine frühere (laser)chirurgische Behandlung. Der Referenzpunkt ist hier die Symmetrieachse des Soll-Ablationsprofils (der aktuellen beziehungsweise der früheren Behandlung), also ein augenfester Punkt. Bezüglich der Cornea ortsfeste Strukturänderungen des cornealen Gewebes, beispielsweise pathologischer Art, haben als Referenzpunkt typischerweise den Apex der Cornea. Die verschiedenen Effekte führen jeweils zu einer eigenen Ablationseffizienzverteilung, die zwar für sich betrachtet in der Regel näherungsweise radialsymmetrisch beschrieben werden können, aber jeweils verschiedene Referenzzentren (allgemeiner für nicht-radialsymmetrische Variationen: Referenzpunkte) aufweisen können. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass im allgemeinen Fall des Zusammenkommens mehrerer Variationseffekte die Referenzpunkte auseinanderfallen, so dass die insgesamt resultierende Ablationseffizienzverteilung aus der Perspektive des ablatierenden Lasers nicht radialsymmetrisch ist, was bei nicht exakter Fixation des Auges die Genauigkeit der Kompensation von lokalen Ablationseffizienzvariationen vermindert. Erfindungsgemäß wird daher das herkömmliche Ablationseffizienz-Modell in mehrere radialsymmetrische Teil-Effizienzfunktionen (Teilmodelle) zerlegt. Dadurch wird in Verbindung mit der Ermittlung der Lage des Vertex der Cornea bezüglich der optischen Achse des Lasers eine mehrfache Kompensation von lokalen Ablationseffizienzvariationen ermöglicht und somit die Genauigkeit der laserchirurgischen Behandlung verbessert.
Vorteilhafterweise sind das erste Teilmodell und das zweite Teilmodell bezüglich des betreffenden Referenzpunktes jeweils radialsymmetrisch. Dadurch kann die Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten mit geringem Aufwand und damit in kurzer Zeit erfolgen. Die Bestrahlungsdauer (Behandlungsdauer) wird minimiert.
Vorzugsweise wird das Soll-Ablationsprofil vor dem Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten anhand des ersten Teilmodells mit dem augenfesten Referenzpunkt ablationseffizienzkorrigiert. Dies reduziert den Aufwand für die Erstellung der Bestrahlungsdaten und damit die benötigte Bestrahlungsdauer, da die Kompensation anhand des ersten Teilmodells nur einmal durchgeführt zu werden braucht.
In einer möglichen Ausprägung der Erfindung werden während der Bestrahlung Bestrahlungssteuerdaten der tatsächlich abgegebenen Laserpulse protokolliert und insbesondere bei einer iterativen Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten berücksichtigt. Durch Protokollierung der bisherigen „Schüsse“ gelingt eine iterative Annäherung an das Soll-Ablationsprofil durch Wiederholung eines oder mehrerer Schüsse, ohne dass die Pulsenergie verändert zu werden braucht. Dies verbessert die Genauigkeit der Ablation.
Vorteilhafterweise kann eine Veränderung der Lage des Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers mittels einer Einrichtung zur Messung einer Bewegung der Oberfläche, insbesondere zur Messung einer Augenbewegung, ermittelt werden.
Ein Lasergerät, das diesen Vorteil erzielt, weist zur Ermittlung der Lage des momentanen Vertex eine Einrichtung zur Messung einer Bewegung der Oberfläche, insbesondere zur Messung einer Augenbewegung, auf. Beispielsweise werden Rotationsbewegungen um zwei oder drei Achsen und optional auch Translationsbewegungen längs zwei oder drei Achsen gemessen.
In einer weitergehenden Ausführungsform kann eine Wellenfrontinformation der Oberfläche, insbesondere einer okularen Wellenfront, ermittelt und zum Ermitteln des Soll-Ablationsprofil verwendet werden, beispielweise gemäß US 6 848 790 B1 . Dabei erfolgt vorzugsweise die Ermittlung der Wellenfrontinformation und des Vertex mittels derselben Vorrichtung. Die Ermittlung der Wellenfrontinformation kann durch Messen oder Entgegennehmen eines entsprechenden Datensatzes erfolgen. In einer solchen Ausgestaltung kann beispielsweise der Vertex bezüglich der optischen Achse im Zustand der Fixation des Auges auf ein Fixierziel längs der optischen Achse der verwendeten Wellenfrontmessvorrichtung ermittelt und als Bezugspunkt zur Registrierung eines Ablationseffizienz-Modells für von Wellenfrontanteile einer laserchirurgischen Operation verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der momentane Vertex zur Nachführung des Lasers ermittelt und verwendet werden.
Als Ausgangspunkt für die Ermittlung der Lage des momentanen Vertex einer zu ablatierenden Cornea bezüglich der optischen Achse des Lasers mittels Bewegungsverfolgung kann eine ursprüngliche Lage eines Vertex der Cornea bezüglich der optischen Achse des Lasers vorzugsweise in einem fixierten Zustand des betreffenden Auges ermittelt werden, da er bei korrekter Fixation mit dem augenfesten Durchstoßpunkt der Sehachse durch die Corneaoberfläche zusammenfällt. Dies gelingt vorteilhafterweise, indem das Lasergerät eine Einrichtung zur Identifikation einer Fixation eines Auges aufweist. In Verbindung mit einer Bewegungsmessung gelingt die Ermittlung der Lage des momentanen Vertex beispielsweise durch Akkumulation der einzelnen Änderungen auf die Ausgangslage des Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers. Eine höhere Genauigkeit dieser Ermittlung gelingt, indem zwischenzeitlich (beispielsweise in regelmäßigen Abständen) eine Zwischenreferenzierung durch Messung der absoluten Lage des Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers erfolgt. Beispielsweise kann zur Zwischenreferenzierung ein Fixierlicht blinkend geschaltet werden, so dass der Patient zur Fixation angehalten wird.
Die erfindungsgemäße Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten wird zweckmäßigerweise vor oder während einer Ablation von Material von einer Oberfläche, insbesondere einer Cornea, mittels eines gepulsten Lasers gemäß einem vorgegebenen Soll-Ablationsprofil durchgeführt, wobei zur Erzeugung eines tatsächlichen Ablationsprofils Pulse des Lasers entsprechend den erstellten Bestrahlungssteuerdaten auf die Oberfläche abgegeben werden.
Die Erfindung umfasst auch Steuereinheiten und Computerprogramme, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:

1 schematisch ein erstes Lasergerät und ein Auge mit Referenzpunkten für Ablationseffizienzvariationen,
2 ein zweites Lasergerät mit externer Fixierlichtquelle und
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten und zur Ablation von Material von einer Oberfläche.

In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.
Gemäß der Erfindung können zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten und zur Ablation von Material von einer Oberfläche beispielsweise dem Prinzip nach die in DE 10 2005 006 897 A1 beschriebene Verfahren und die dort beschriebene Anordnung in erfindungsgemäß erweiterter Form verwendet werden. Auch die Anwendung anderer Verfahren und die Verwendung anderer Anordnung sind möglich.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lasergeräts 1 für die Ablation von Material von einer gekrümmten Oberfläche 2, in diesem Fall einer Cornea eines Auges 3, mit einem gepulsten Laser 4, beispielsweise einem Excimerlaser. Der Laser wird von einer Steuereinheit 5 gesteuert. Ebenso werden eine x-y-Abtasteinheit 6, eine z-Abtasteinheit 7, eine erste Beleuchtungslichtquelle 8 und eine zweite Beleuchtungslichtquelle 9 von der Steuereinheit 5 gesteuert. Ein ortsauflösender Detektor 10, beispielsweise eine CCD-Videokamera oder ein CMOS-Detektor, ist über einen farbneutralen Strahlteiler 11 in den Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungslichtquellen 8, 9 eingekoppelt. Sowohl der Laser 4 als auch die Beleuchtungslichtquellen 8, 9 werden von einer Fokussieroptik 12 abgebildet, die gleichzeitig das Lasergerät 1 zur Oberfläche 2 hin abschließt.
Die visuelle Achse VA_A des Auges 3 durchstößt die Oberfläche der Cornea 2 am Durchstoßpunkt A. Dargestellt ist auch die optische Achse OA_L des Lasers 4 sowie eine Orthogonale O zu dieser, die den höchsten Punkt V der Cornea 2 in Blickrichtung der optischen Achse OA_L markiert. Dieser Punkt V der Cornea 2, der dem Lasergerät 1 am nächsten liegt (hier lediglich zufällig auf der optischen Achse OA_L des Lasers 4 gelegen), ist der Vertex V bezüglich der optischen Achse OA_L des Lasers 4. Da das Auge 3 nicht auf das Lasergerät 1 ausgerichtet ist (keine Fixation des hier nicht abgebildeten Fixierlichts), fallen die beiden optischen Achsen OA_A und OA_L nicht zusammen, sondern sind unter einem Winkel zueinander orientiert. Auch bei korrekter Fixierung fallen die Achsen nicht zwangsläufig zusammen, beispielsweise aufgrund einer lateralen Versetzung des Auges 3. Aufgrund einer Überlagerung unterschiedlicher Ursachen kommt es auf der Cornea 2 zu einer nicht radialsymmetrischen Variation der Ablationseffizienz.
Der Beleuchtungsstrahlengang der Beleuchtungslichtquellen 8, 9 ist über einen weiteren Strahlteiler 11 mit dem Beleuchtungsstrahlengang des Lasers 4 so gekoppelt, dass der Laser 4 und die erste Beleuchtungslichtquelle 8 koaxiale optische Achsen aufweisen. Die zweite Beleuchtungslichtquelle 9 ist so abseits der optischen Achse angeordnet, dass sie zur reflexfreien Aufnahme eines Bildes der Cornea und beispielsweise der dahinterliegenden Pupille 13 mittels des Detektors 10 geeignet ist. Dies dient der Ermittlung und Verfolgung der Lage des Apex A oder der Pupille 13 (deren Mitte oder Schwerpunkt) oder des Limbus (nicht dargestellt). Die zweite Beleuchtungslichtquelle 9 kann auch zur Identifikation einer Fixation durch das Auge 3 dienen, beispielsweise durch Auswertung der Bilder des Detektors 10 mittels Bildverarbeitung. Im Gegensatz zur zweiten Beleuchtungslichtquelle 9 bewirkt die erste Beleuchtungslichtquelle 8, deren Licht durch die Optiken 12, 14 so aufgeweitet wird, dass das gesamte Auge 3 ausgeleuchtet wird, bei einer Bildaufnahme mittels des Detektors 10 aufgrund ihrer koaxialen, mit der Nullposition des Lasers 4 übereinstimmenden Anordnung einen Spiegelreflex auf der Oberfläche 2 der Cornea oder der Sklera 15. Der Ort dieses Reflexes im aufgenommenen Bild gibt im einfachsten denkbaren Fall einer glatten Oberfläche 2 die Lage des Vertex V der Cornea bezüglich der optischen Achse OA_L des Lasers 4 in Laserkoordinaten wieder und dient der Ermittlung und Verfolgung dieser Lage.
Zur Berücksichtigung einer Rauheit der Oberfläche 2 der Cornea kann eine Schwerpunktbildung über das gestörte Spiegelbild der ersten Beleuchtungslichtquelle 8 auf der rauen Oberfläche 2 per Bildverarbeitung erfolgen. Zusätzlich werden mehrere zum Beobachtungsstrahlengang des Detektors 10 nichtkoaxiale Beleuchtungslichtquellen 9, deren Spiegelbilder außerhalb des zu ablatierenden Bereiches der Oberfläche 2 oder außerhalb eines Bereiches einer Hornhautklappe (engl. „corneal flap“) liegen, die aber scharf abgebildet werden, verwendet. Vor der Ablation oder dem Öffnen einer Hornhautklappe wird die Lage des Vertex V aus den Spiegelbildern der koaxialen ersten Beleuchtungslichtquelle 8 relativ zu den Spiegelbildern der nicht-koaxialen zweiten Beleuchtungsquellen 9 bestimmt. Während der laserchirurgischen Behandlung wird nur aus den Spiegelbildern der nichtkoaxialen zweiten Beleuchtungslichtquellen auf die Lage des momentanen Vertex V geschlossen. Das geschieht unter der Annahme einer näherungsweise sphärischen Geometrie der Cornea.
Im Fall einer asphärischen Hornhaut oder jedenfalls einer Hornhaut, für die eine sphärische Näherung nicht ausreichend ist, wird vor dem Öffnen zunächst eine komplette Topographie des Auges 3 ermittelt (Mittel dazu sind der Einfachheit halber nicht abgebildet), beispielsweise in bekannter Weise mittels Abbildung von Placido-Ringen und Ableitung von Oberflächenneigungen und daraus Ermittlung der Höhe der Cornea. Während der chirurgischen Behandlung erfolgt eine Nachverfolgung der Augenorientierung und der lateralen Bewegung und hieraus Berechnung des momentan höchsten Punktes (Vertex V). Die Nachverfolgung gelingt beispielsweise durch eine oder mehrere Videokameras 10, die den Limbus des Auges aufnehmen, wobei aus dem Zentrum des Limbus der laterale Versatz und aus seiner Elliptizität die Orientierung des Auges 3 bestimmt wird. Alternativ ist ein Mehrpunkt-Sensor denkbar, der die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Auges 3 an mehreren Punkten des Auges 3 analysiert und der nach dem Prinzip einer optischen Maus funktioniert, beispielsweise unter Auswertung von Laser-Interferenzflecken (engl. „speckles“). Aus den unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen lässt sich die Bewegung und Orientierungsänderung des Auges 3 verfolgen. Die Punkte des Sensors liegen hierbei optimaler Weise auf der Sklera 15 oder auf der Iris 13, da diese nicht-transparent sind.
2 zeigt eine alternative Anordnung, bei dem die zweite Beleuchtungslichtquelle 9 außerhalb des Lasergeräts 1 angeordnet ist, In diesem Beispiel liegt der (momentane) Vertex V, der wiederum als höchster Punkt V der Cornea durch eine Orthogonale O zur optischen Achse OA_L des Lasers 4 markiert ist, weder auf der optischen Achse OA_L des Lasers 4 noch auf der Sehachse VA_A des Auges 3.
In 3 ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms verdeutlicht. Ein entsprechendes Computerprogramm wird beispielsweise von der Steuereinheit 5 ausgeführt. Als aktuelle Bestrahlungssteuerdaten werden dabei die Bestrahlungssteuerdaten des jeweils behandelten Zielorts bezeichnet, wobei die Zielorte sequentiell behandelt werden.
Der Steuereinheit 5 ist ein Soll-Ablationsprofil vorzugeben, anhand dessen sie beispielsweise einen eine Vielzahl von entsprechenden Zielorten umfassenden Satz von Bestrahlungssteuerdaten erstellt. Bezüglich der für die Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten konkret verwendeten Algorithmen wird auf DE 10 2005 006 897 A1 verwiesen. Die Korrektur der Bestrahlungssteuerdaten durch Kompensation von Ablationseffizienzvariationen erfolgt ebenfalls mit dem Algorithmus gemäß DE 10 2005 006 897 A1 , jedoch mehrfach mit jeweils einem anderen Teilmodell, das sich auf einen jeweiligen Referenzpunkt A beziehungsweise V bezieht. Beispielsweise kann für eine Kompensation (Korrektur) einer Ablationseffizienzvariation biologischen Ursprungs ein Teilmodell gemäß DE 10 2005 013 252 A1 verwendet werden. Weitere Teilmodelle mit anderen Referenzpunkten können in alternativen Ausgestaltungen (nicht abgebildet) berücksichtigt werden.
Die Nachführung und Steuerung des Lasers 4 und die Ermittlung der Lage des momentanen Vertex V und des augenfesten Referenzpunkts können wie oben beschrieben oder auf andere Weise erfolgen. Als augenfester Punkt A kann beispielsweise ein Schwerpunkt/Mittelpunkt der Pupille oder des Limbus (oder der Apex) verwendet werden. Die augenfesten Profilanteile, die bei der Nachführung der Schussposition anhand einer Lageänderung des augenfesten Referenzpunktes korrigiert werden, sind beispielsweise eine Grund-Korrektur und ein Teilmodell der Ablationseffizienzverteilung. Die Reihenfolge der Schritte ist nicht auf die gezeigte Reihenfolge festgelegt. Beispielsweise kann die Ermittlung der Lage des momentanen Vertex V und die zugehörige Kompensation der Ablationseffizienz vor der Ermittlung der Lage des augenfesten Punktes A (Apex oder Pupille oder Limbus) und der zugehörigen Kompensation der Ablationseffizienz durchgeführt werden. Es ist auch denkbar, zunächst die Lage beider Referenzpunkte A, V zu ermitteln und erst danach die Bestrahlungssteuerdaten zur Kompensation der Ablationseffizienzvariationen zu korrigieren. Anstelle von radialsymmetrischen, um die Referenzpunkte A, V zentrierten Teilmodellen kann eines der beiden oder können beide Teilmodelle nicht radialsymmetrisch ausgebildet sein.
Die Steuerung der Ablation erfolgt beispielsweise gemäß dem momentanen Abstand des momentanen Vertex V durch Variation der Schussanzahl pro Zielort des Soll-Ablationsprofils, also pro Bestrahlungspunkt auf der Oberfläche 2, oder durch Variation der Energie des dem jeweiligen Zielort zugeordneten individuellen Einzelschusses. Im Fall der Variation der Schussanzahl pro Zielort erfolgt durch Speicherung während des Verfahrens eine Protokollierung, wie viele Schüsse bereits auf jeden Zielort abgegeben wurden, wobei für jeden Schuss die Position (Abstand) relativ zur momentanen Lage des momentanen Vertex V aufgezeichnet wird. Die zu diesem Zielort gehörigen Bestrahlungssteuerdaten wie beispielsweise Energie, Laserfleckgröße (engl. „spot size“) und -form werden ebenfalls protokolliert. Der tatsächliche Vertexabstand, der insbesondere von zwischenzeitlichen Augenbewegungen abhängt, und die Bestrahlungssteuerdaten dienen zur Bestimmung eines erfolgten effektiven Ablationsvolumens des Einzelschusses, das die Ablationseffizienz modelliert. Diese Einzelvolumina werden zu einer aktuellen Ablationskarte addiert, die den effektiven Abtrag wiedergibt. Anhand der Ablationskarte erfolgt jeweils vor Durchführung des nächsten Einzelschusses die Entscheidung, ob dieser noch appliziert wird, oder bereits genug Ablation erreicht wurde, um das Soll-Ablationsprofil zu erfüllen. In letzterem Fall wird der Schuss nicht getätigt, sondern mit dem nächsten Zielort fortgefahren. Die iterative Wiederholung einschließlich Neuvermessung der Lage des aktuellen Vertex V kann entweder nach jedem Schuss oder nach Vollendung eines Zielortes erfolgen.
Alternativ zur obengenannten Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten kann die Steuereinheit 5 eine Liste von zufällig verteilten Zielorten erstellen, die das Gebiet der Ablation ausreichend dicht abdecken. Sie kann diese Liste sukzessiv mehrfach abarbeiten und für jeden Zielort einen einzelnen Schuss berechnen und über die Abgabe entscheiden wie zuvor beschrieben, beispielsweise bis das Soll-Ablationsprofil mit einer Abweichung von weniger als einem einzelnen, kleinstmöglichen Ablationsvolumen erreicht wurde.
Eine weitere Alternative stellt die sogenannte Zwiebelschalen-Ablation dar. Hier wird beispielsweise pro Zielort und Schuss jeweils 1/10 der zu erzielenden Gesamtablation in Art einer Zwiebelschale erzeugt und die Prüfung auf ausreichende Erfüllung des Soll-Ablationsprofil nach jeder Schale durchgeführt, nicht nach jedem Schuss.
Bezugszeichenliste

1: Lasergerät
2: Oberfläche
3: Auge
4: Laser
5: Steuereinheit
6: x-y-Abtasteinheit
7: z-Abtasteinheit
8: Erste Beleuchtungslichtquelle
9: Zweite Beleuchtungslichtquelle
10: Detektor
11: Strahlteiler
12: Fokussieroptik
13: Pupille
14: Optik
15: Sklera
VAA: Sehachse des Auges
OAL: Optische Achse des Lasers
V: Vertex bezüglich der optischen Achse des Lasers
A: Augenfester Referenzpunkt

Claims

Verfahren, insbesondere Betriebsverfahren für ein Lasergerät (1), zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten für die Ablation von Material von einer gekrümmten Oberfläche (2), insbesondere einer Cornea, gemäß einem vorgegebenen Soll-Ablationsprofil mittels eines gepulsten Lasers (4), wobei eine Lage eines Vertex (V) der Oberfläche (2) bezüglich einer optischen Achse (OA_L) des Lasers (4) ermittelt und bei der Erstellung der Bestrahlungssteuerdaten verwendet wird, wobei die Lage des momentanen Vertex (V) während einer Bestrahlung, insbesondere wiederholt, ermittelt und der Laser (4) bezüglich des momentanen Vertex (V) nachgeführt wird, und wobei beim Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten ein Modell einer Ablationseffizienzverteilung, die lokalen Variationen der Ablationseffizienz entspricht, verwendet wird, das zum Nachführen des Lasers (4) in Abhängigkeit der Lage des momentanen Vertex (V) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten mindestens zwei Teilmodelle der jeweiligen Ablationseffizienzverteilung, insbesondere akkumuliert, zur Korrektur der Bestrahlungssteuerdaten verwendet werden, wobei das erste Teilmodell auf einen augenfesten Punkt (A) als Referenzpunkt bezogen ist und das zweite Teilmodell auf den insbesondere momentanen Vertex (V) bezüglich der optischen Achse (OA_L) des Lasers (4) als Referenzpunkt bezogen ist, und dass eine Kompensation von Ablationseffizienzvariationen aufgrund eines verminderten effektiven Energieeintrags durch eine Oberflächenneigung für zumindest das zweite Teilmodell relativ zur momentanen Lage des Vertex (V) als Referenzpunkt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Nachführen des Lasers (4) die Bestrahlungssteuerdaten in Abhängigkeit der Lage des momentanen Vertex (V) neu berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Teilmodell und das zweite Teilmodell bezüglich des betreffenden Referenzpunktes (A, V) jeweils radialsymmetrisch sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Soll-Ablationsprofil vor dem Erstellen der Bestrahlungssteuerdaten anhand des ersten Teilmodells mit dem augenfesten Referenzpunkt (A) ablationseffizienzkorrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Bestrahlung Bestrahlungssteuerdaten der tatsächlich abgegebenen Laserpulse protokolliert und, insbesondere bei einer iterativen Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten, berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Veränderung der Lage des Vertex (V) bezüglich der optischen Achse des Lasers mittels einer Einrichtung zur Messung einer Bewegung der Oberfläche (2), insbesondere zur Messung einer Augenbewegung, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Wellenfrontinformation der Oberfläche (2), insbesondere einer okularen Wellenfront, ermittelt und zum Ermitteln des Soll-Ablationsprofils verwendet wird, insbesondere mit Ermittlung der Wellenfrontinformation und des Vertex mittels derselben Vorrichtung.
Steuereinheit oder Computerprogramm, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche.
Lasergerät (1) für die Ablation von Material von einer gekrümmten Oberfläche (2), insbesondere einer Cornea, mit einem Laser (4) für einen gepulsten Betrieb, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Ermittlung einer Lage eines Vertex (V) der Oberfläche bezüglich einer optischen Achse (OA_L) des Lasers (4), wobei die Einrichtung eine Lichtquelle (8, 9) und einen ortsauflösenden Lichtempfänger (10) zur Aufnahme von an der Oberfläche reflektiertem Licht aufweist, und durch eine Steuereinheit (5) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einrichtung und die Steuereinheit (5) zur Datenübertragung miteinander verbunden sind.
Lasergerät (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einrichtung zur Ermittlung der Lage des momentanen Vertex (V) eine Einrichtung zur Messung einer Bewegung der Oberfläche (2), insbesondere zur Messung einer Augenbewegung, umfasst.
Lasergerät (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, aufweisend eine Einrichtung zur Identifikation einer Fixation eines Auges (3).