DE69333740T2

DE69333740T2 - Vorrichtung zur Formung der Cornea

Info

Publication number: DE69333740T2
Application number: DE69333740T
Authority: DE
Inventors: Kristian Hohla
Original assignee: Technolas GmbH
Current assignee: Technolas GmbH
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: DK0662810T3; ATE183068T1; DE69333740D1; AU671668B2; JP2001157689A; US5683379A; DE69326013D1; US6575962B2; ES2199386T3; EP0860156A3; JPH06277247A; US5827264A; DE69332839T2; ES2235268T3; WO1994007447A3; DE69332839D1; WO1994007447A2; US20020099362A1; JP2004024900A; ES2135488T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur chirurgischen Veränderung der Krümmung der Augenhornhaut und insbesondere ein Gerät zur glatten bzw. kontinuierlichen Korrektur verschiedener Hornhautdefekte.
Beschreibung der verwandten Technik
Seit der erstmaligen Entwicklung von Korrekturlinsen, wurden neue und bessere Verfahren zum Korrigieren von fehlerhaftem Sehvermögen entwickelt. Von der bifokalen Linse und dem verbreiteten Tragen weicher Kontaktlinsen bis Hornhautinzision und -formung hat man auf dem Gebiet der Augenheilkunde große Fortschritte bezüglich Bequemlichkeit, Sicherheit und Genauigkeit bei der Korrektur diverser Defekte des Sehvermögens einschließlich Kurz- und Weitsichtigkeit sowie Astigmatismus erreicht.
Während Korrekturlinsen immer noch eine breite Anwendung finden, konzentrieren sich die Augenheilkundler auf die chirurgische Korrektur solcher Defekte. Eine der beliebtesten chirurgischen Techniken ist die radiale Keratotomie, wobei ein Chirurg radiale Einschnitte in die äußere Oberfläche der Hornhaut schneidet, damit die Hornhaut sich zurückformt und als Folge eine modifizierte Hornhaut entsteht, um die Mängel im Sehvermögen des Patienten zu korrigieren. Diese Technik hat sich zunehmend weiterentwickelt, aber erst das Aufkommen des Lasers und seine Einführung in die Medizin hat eine neue und nahezu revolutionäre Methode der Augenchirurgie entstehen lassen. Insbesondere die Entwicklung des Excimerlasers und dessen Anwendung in der Augenchirurgie haben der chirurgischen Augenheilkunde neue Möglichkeiten eröffnet.
Der Excimerlaser erzeugt kohärentes Licht einer sehr kurzen Wellenlänge von ungefähr 193 nm. Bei diesen Wellenlängen und den daraus resultierenden hohen Energien entfernt der Excimerlaser bzw. trägt Gewebe auf molekularer Ebene ohne wesentliche Erwärmung des Nachbargewebes ab. Der Excimerlaser "brennt" das Gewebe nicht weg, sondern bricht vielmehr die molekularen Bindungen auf, und das abgetragene Gewebe wird von der abgetragenen Oberfläche abgestoßen, wobei eine relativ unverletzte Oberfläche, die nahezu narbenfrei verheilt, zurückbleibt. Diese Eigenschaft des Excimerlasers ist wohlbekannt und ist ausführlicher z. B. in US-Patent 4,784,135 mit dem Titel "Far Ultraviolet Surgical and Dental Procedures", erteilt am 15. November 1988, beschrieben.
Der Begriff "Excimer" im Excimerlaser wurde ursprünglich aus seiner auf molekularer Basis stattfindenden Betriebsweise abgeleitet. Der Excimerlaser basierte ursprünglich auf der Laserwechselwirkung von angeregten Dimeren, wie Xenon, Krypton oder Fluoriden in Form von Xe₂, Kr₂ oder F₂. Der auf Laser angewendete Begriff "Excimer" ist heutzutage irreführend, da die am verbreitetsten Excimerlaser, die in der Augenchirurgie verwendet werden keine Dimere verwenden, sondern Argonfluorid. Der Excimerlaser ist ebenso ein gepumpter Laser, in dem Sinne, daß ein weiterer Laser verwendet wird, um die Laserwechselwirkung der Argonfluoridmischung in der Laserkavität zu stimulieren. Es ist üblich geworden den Begriff " Excimerlaser" auf eine große Gruppe von Lasern im Ultraviolettbereich unterhalb 400 nm anzuwenden.
Bei der Anwendung in der chirurgischen Augenheilkunde wird der Excimerlaser vorzugsweise gepulst, weil diese Betriebsweise ermöglicht, hohe Energie ohne thermisches Erwärmen anzuwenden. Diese Pulse sind sehr kurze Folgen hochenergetischen Laserlichts, das der Hornhaut zugeführt wird. So ein Laser wird beispielsweise typischerweise mit 1 bis 50 Hz mit 10 bis 20 ns Pulsen gepulst. Ein Nachteil des Excimerlasers allerdings ist, daß die Energiedichteverteilung über den Strahl dazu tendiert, Inhomogenitäten aufzuweisen, sowohl im großen als auch im kleinen Maßstab. Die Anwendung des Excimerlasers für chirurgische Verfahren ist im US-Patent 4,784,135 mit dem Titel "Far Ultraviolet Surgical and Dental Procedures", erteilt am 15. November 1988, beschrieben. Zum geschichtlichen Hintergrund der Entwicklung und Anwendung des Excimerlasers in der augenheilkundlichen Chirurgie kann im Kapitel 1 des Farbatlas/Text für Excimerlaserchirurgie, herausgegeben 1993 von Igaku-Shoin Medical Publishers, Inc. nachgeschlagen werden.
Bereits 1983 erkannten Wissenschaftler die mögliche Anwendung des Excimerlaserlichts zur Formung der Augenhornhaut. Seit dieser Zeit wurden eine Reihe von Systemen zum Zurückformen der Augenhornhaut entwickelt, wobei diverse Techniken wie beispielsweise größenvariable kreisförmige Aperturen zur Korrektur der Kurzsichtigkeit, größenvariable ringförmige Aperturen zur Korrektur der Weitsichtigkeit und größenvariable schlitzförmige Aperturen zur Korrektur des Astigmatismus verwendet wurden. Diese Verfahren wurden alle als photorefraktive Keratektomie bekannt. Es wurde festgestellt, daß bei Verwendung solcher Aperturen zur Korrektur der Kurzsichtigkeit beispielsweise eine Serie von Excimerlaserschüssen, die zunehmend kleinere Laserfleckgrößen verwenden, einen Teil der Hornhaut ablösen können, um auf effiziente Weise eine "Korrekturlinse" in der Hornhaut zu bilden. Diese Techniken werden beispielsweise im US-Patent 4,973,330 mit dem Titel "Surgical Apparatus for Modifying the Curvature of the Eye Cornea", erteilt am 27. November 1990 und im US-Patent 4,729,327 mit dem Titel "Apparatus for Performing Ophthalmic Laser Surgery", erteilt am 8. März 1988, diskutiert. Experten auf dem Gebiet der augenheilkundlichen Chirurgie haben ausführlichst die benötigten Bestrahlungsmuster, die diese größenvariablen Aperturen zur Bereitstellung eines angemessenen Korrekturvermögens für die verschiedenen Stufen der Kurzsichtigkeit, der Weitsichtigkeit und des Astigmatismus verwenden, und eine Kombination dieser Bedingungen untersucht.
Diese Vielfachapertursysteme zeigen allerdings eine Reihe von Nachteilen. Sie sind tendentiell kompliziert und unflexibel und benötigen eine Reihe von Aperturblenden bzw. -masken, wobei sie nur eine Standardform zur Korrektur von Kurz- und Weitsichtigkeit mit zirkularer Symmetrie und Astigmatismus mit zylindrischer Symmetrie bieten. Das menschliche Auge allerdings tendiert dazu, subtilere Mängel aufzuweisen. Ein System, das sich diesen Mängeln anpaßt und vielgestaltigere Lösungen bietet und auch physikalisch einfachere Komponenten aufweist, wäre daher vorteilhaft.
Ein Gerät zur Gewebeablation vom Auge ist im obenerwähnten US-Patent 4,973,330 gezeigt. Dieses Gerät umfaßt einen Excimerlaser, dessen Lichtstrahl auf die Hornhaut trifft, wobei die Achse des Laserstrahls mit der optischen Achse des Auges übereinstimmt. Weiterhin begrenzt eine Feldbegrenzung den Laserstrahl auf der Augenhorn haut auf bestrahlte Gebiete des Laserflecks und die Größe dieser Feldbegrenzung wird zeitlich variabel entsprechend dem Profil des zu entfernenden Gebiets festgelegt, so daß die Dicke des zu entfernenden Gebiets eine Funktion des Abstands von der optischen Achse des Auges ist.
Das im US-Patent 4,973,330 beschriebene System gestattet auf diese Weise, daß die "deponierte Laserenergie" auf der Hornhaut als Funktion des Abstandes von der optischen Achse des Auges festgelegt wird, aber lediglich unter der Bedingung, daß die Energieverteilung (d. h., die Leistung des Laserstrahlflecks) homogen oder zumindest axial symmetrisch ist. Diese Bedingung erfüllen insbesondere Excimerlaser nicht immer. Eine inhomogene Leistungsverteilung führt zu einer nichtaxial symmetrischen Abtragung. Des weiteren gestattet das im US-Patent 4,973,330 beschriebene System lediglich die Korrektur von sphärischer Aberration aber nicht von Astigmatismus.
Ein auf dem gleichen Prinzip basierendes Gerät ist aus der US-Patentschrift 4,994,058 mit dem Titel "Surface Shaping Using Lasers", erteilt am 19. Februar 1991, bekannt. Dieses Gerät verwendet anstatt einer Feldbegrenzung mit einer zeitlich veränderlichen Apertur eine "zerstörbare Feldbegrenzungsmaske".
Eine weitere Klasse von Geräten zum Formen der Augenhornhaut mittels Gewebeabtragung ist von den diversen L'Esperance Patenten bekannt. Diese schließen die folgenden US-Patente mit ein: US-Patentschrift 4,665,913 mit dem Titel "Method for Ophthalmological Surgery", erteilt am 19. Mai 1987; US-Patentschrift 4,669,466 mit dem Titel "Method and Apparatus for Analysis and Correction of Abnormal Refractive Errors of the Eye", erteilt am 2. Juni 1987; US-Patentschrift 4,718,418 mit dem Titel "Apparatus for Ophthalmological Surgery", erteilt am 12. Januar 1988; US-Patentschrift 4,721,379 mit dem Titel "Apparatus for Analysis and Correction of Abnormal Refractive Errors of the Eye", erteilt am 26. Januar 1988; US-Patentschrift 4,729,372 mit dem Titel "Apparatus for Performing Ophthalmic Laser Surgery, erteilt am 8. März 1988; US-Patentschrift 4,732,148 mit dem Titel "Method für Performing Ophthalmic Laser Surgery", erteilt am 22. März 1988; US-Patentschrift 4,770,172 mit dem Titel "Method of Laser-Sculpture of the Optically used Portion of the Cornea", erteilt am 13. September 1988; US-Patentschrift 4,773,414 mit dem Titel "Method of Laser-Sculpture of the Optically used Portion of the Cornea", erteilt am 27. September 1988; und US-Patentschrift 4,798,204 mit dem Titel "Method of Laser-Sculpture of the Optically used Portion of the Cornea", erteilt am 17. Januar 1989. Mit diesem Gerät wird ein Laserstrahl mit einem kleinen Brennpunkt von einem zweidimensionalen Abtastsystem über das abzutragende Gebiet bewegt. Dieses als "Scanner" arbeitende Gerät hat den Vorteil, daß es beliebige zweidimensionale Profile deponierter Energie "über dem abzutragenden Gebiet" erzeugen kann. Aufgrund der geringen Größe des Brennpunkts ist allerdings die Dauer der Behandlung sehr groß, da die Leistung pro Einheitsfläche nicht über einen speziellen "kritischen" Wert hinaus erhöht werden kann.
Die heutigen Verfahren tragen daher nicht in angemessener Weise der nichtlinearen Energieverteilung eines Excimerlasers, Rechnung. Der Excimerlaser weist in seiner Energieverteilung Nichtlinearitäten sowohl in großem als auch in kleinem Maßstab auf. Dies kann zu einer überhöhten Abtragung und einer zu geringen Abtragung von gewissen Bereichen eines zu behandelnden Auges führen. Es wäre daher wünschenswert, ein System bereitzustellen, daß die effektive Energiedeposition auf dem Auge stärker homogenisiert.
Systeme, die Aperturen verwenden, um eine Reihe von zunehmend kleineren Strahlflecken zu erzeugen, weisen ebenfalls den Nachteil auf, scharte Kanten in der Behandlungszone der Hornhaut zu erzeugen. Insbesondere in der Nähe des äußeren Randes der Behandlungszone werden typischerweise eine Reihe von Strahlschüssen benötigt, um die notwendige Abtragungstiefe bei jeder speziellen Strahlfleckgröße zu erzeugen. Für jeden Schuß ist die typische Abtragtiefe 0,2 μm. Wenn mehrere Schüsse bei einer einzelnen Aperturgröße benötigt werden, verstärkt sich die Kantentiefe, wobei eine tiefe Kante mit Vielfachen von 0,2 μm erzeugt wird. Beispielsweise haben fünf Schüsse eine Kantenhöhe von 1,0 μm zur Folge. Diese scharfen Kanten in der Behandlungszone können zu unerwünschtem Epitheliumwiederwachstum insbesondere, wenn Defekte mit hoher Dioptrie zu korrigieren sind, führen. Ein System, daß solche Kanten auf ein Minimum reduzieren würde, würde einen glatteren Epitheliumheilungsprozeß fördern, star kes Nachwachsen verhindern und es ermöglichen, daß das behandelte Auge seine Korrektur über einen längeren Zeitraum und mit größerer Stabilität beibehält.
Die meisten heutigen Excimertechniken setzen vor dem Abtragen voraus, daß auch die Epitheliumschicht vom Auge physikalisch abgekratzt wird. Dies kann für den Patienten eine traumatische Prozedur sein und erfordert ein hohes Maß an Genauigkeit vom Chirurgen. Alternativ dazu sind wenige eingreifende Verfahren zur Entfernung des Epitheliums vor einer Abtragung der Augenhornhaut wünschenswert.
EP 457 612 A2 bezieht sich auf ein Verfahren zum Rekonfigurieren der Oberfläche eines optischen Gegenstands. Das darin beschriebene Ablationsverfahren, das in erster Linie für Kontaktlinsenoberflächen und voraussichtlich allgemein zum Formen der optischen Oberfläche eines Auges geeignet sein soll, beruht auf der Steuerung der Geschwindigkeit mit der ein Strahl entlang einer vorgegebenen Achse über ein Zielobjekt geschwenkt wird, um das Maß der Ablation entlang der Achse an einem bestimmten Punkt zu steuern. Das Problem der Strahlintensitäthomogenisierung, soweit es darin angesprochen wird, beruht auf einem Verfahren zum Abschneiden der Strahlränder.
EP 296 982 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Korrigieren der Form eines Objekts durch Laserbehandlung. Allgemein wird ein länglich geformter Strahl erzeugt und ein optisches System verwendet, mit dem der Strahl über die optische Oberfläche zum Erreichen der gewünschten Oberflächenformung gedreht und/oder hinwegbewegt wird. In einer beschriebenen Ausführungsform wird ein schmaler Schlitz verwendet, um den Teil des Strahls mit der besten Homogenität auszuwählen, und gemäß einem Aspekt dieser Ausführungsform wird ein Schlitz beschrieben, der ein variables Profil aufweist, um eine Kompensation einer möglichen irregulären Intensitätsverteilung der Lichtenergie über den Querschnitt einer Keule des Behandlungslaserstrahls bereitzustellen.
EP 326 760 A3 beschreibt eine Laserstrahlführungsvorrichtung zum Bewegen des Wegs eines Laserstrahls und zum gleichzeitigen Verändern seines Brennpunkts auf dem Weg des Strahls, so daß der Brennpunkt entlang eines bestimmten Weges im dreidimensionalen Raum geführt wird. Zum Steuern der Strahlparameter werden Lenkspiegel und bewegliche Linsen beschrieben.
Das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung bietet Augenhornhautkorrektur unter Verwendung von Laser-"Polierung" oder -"Zitterbewegung", wobei aufeinanderfolgende Strahlschüsse zum Abtragen von Augengewebe zufällig oder auf andere Weise ausgehend von einer zentralen Behandlungsachse bewegt werden, um die Ausbildung hoher Kanten in der Behandlungszone zu verhindern.
Weiterhin wird erfindungsgemäß anstatt der Verwendung verschiedener Aperturformen ein relativ großer Strahl entlang einer Linie, an der Weitsichtigkeits- oder Astigmatismus-Korrekturen erwünscht sind, bewegt, wobei eine Linie von sich überlappenden Schüs sen erzeugt wird. Wenn eine weitere Korrektur erforderlich ist, werden anschließend überlappende Linien unter Verwendung unterschiedlicher Strahlgrößen erzeugt, um somit die gewünschte Korrekturkurve in der Augenhornhaut zu formen.
Weiterhin werden durch die Verwendung dieser erfindungsgemäßen Strahlabtasttechnik diverse nichtsymmetrische optische Defekte korrigiert, z. B. "gekrümmter" Astigmatismus, in dem die Bewegungslinie der sich überlappenden Schüsse modifiziert wird oder in dem auf andere Weise eine Sequenz von Schüssen erzeugt wird, um nichtsymmetrische Defekte geeignet abzutragen.
Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Apparat das Epithel durch Laserabtragung entfernt werden. Das Epithel wird zunächst mit einem infrarotfluoreszierenden Farbstoff gefärbt. Anschließend wird dann das Epithel kontinuierlich unter Verwendung eines Strahls, der das zu entfernende Gebiet des Epithels bedeckt, abgetragen, bis ein Infrarotabtastungsgerät erkennt, daß ein gewisser Bereich des Epithels, erkennbar durch ein Fehlen von Fluoreszenz, entfernt ist. Dann wird entweder manuell oder unter Computerkontrolle die Fleckgröße reduziert und die Gebiete, die noch fluoreszieren, werden bis zum Verschwinden der Fluoreszenz abgetragen. Dies wird solange wiederholt, bis das Epithel vom gesamten Behandlungsbereich entfernt ist. Dieses Verfahren kann ebenso die ursprüngliche Dicke des Epithels vor der Entfernung aufzeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung läßt sich erhalten, wenn die folgende, detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigen:
1A ein vereinfachtes Diagramm, das ein typisches Excimerlaser-Augenchirurgiesystem darstellt, in welches der Apparat der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann;
1B ein detaillierteres Schaubild, das das System aus 1A darstellt;
2A eine Ansicht entlang der Mittelachse der Behandlungszone, welche ein typisches Großstrahl-Ablagerungsmuster zur Korrektur der Kurzsichtigkeit darstellt;
2B eine Seitenansicht von 2A, die weiterhin die Verwendung von Übergangszonen veranschaulicht;
3A eine Ansicht entlang der Mittelachse der Behandlungszone, wobei die zufällige, erfindungsgemäße Zitterbewegung dargestellt wird;
3B eine Ansicht entlang der Mittelachse der Behandlungszone, die das kreisförmige Schwanken entsprechend der Erfindung darstellt;
4A und 4B Illustrationen, die ein Strahlschußmuster zur Astigmatismus-Korrektur entsprechend der Erfindung zeigen;
5 eine Illustration einer Behandlungszone, die ein Strahlschußbehandlungsmuster für gekrümmten Astigmatismus entsprechend der Erfindung darstellt;
6A und 6B Darstellungen, die ein Strahlschußmuster zum Behandeln von Weitsichtigkeit entsprechend der Erfindung zeigen;
7A und 7B Seitenansichten der Augenhornhaut, die den ursprünglichen Radius und Endradius einer Krümmung über einer Behandlungszone zum Korrigieren von Kurz- und Weitsichtigkeit darstellen;
8 eine Darstellung eines Strahlschußmusters, das zur Korrektur für allgemein nichtsymmetrische Aberrationen des Auges gemäß der Erfindung verwendet wird;
9 ein Flußdiagramm, das ein Berechnungsverfahren zeigt, das verwendet wird, zur Korrektur von Astigmatismus, Weitsichtigkeit und Kurzsichtigkeit unter Verwendung der zufälligen Bewegung oder Zitterbewegung und Großstrahlabtastung gemäß der Erfindung;
10 und 11 Flußdiagramme, die ein Verfahren bei Astigmatismus zeigen, das von dem Rechenverfahren aus 9 verwendet wird;
12 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren bei Weitsichtigkeit zeigt, das von dem Rechenverfahren aus 9 verwendet wird;
13 ein Flußdiagramm eines Verfahrens mit zufälliger Zitterbewegung, das von dem Rechenverfahren aus 9 verwendet wird;
14 ein Flußdiagramm für ein Verfahren für kreisförmige Zitterbewegung, das von dem Rechenverfahren aus 9 verwendet wird; und
15 und 16 Ansichten entlang der Behandlungsachse des Auges, die das erfindungsgemäße Abtragen des Epithels zeigen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1A zeigt einen Excimerlaser 20, der einen Strahl zu einer Strahlhomogenisiereinrichtung 24, welche auch fokussierende Komponenten enthält, liefert. Die Strahlhomogenisiereinrichtung 24 liefert dann einen relativ homogenen Strahl 22 zu einer Feldbegrenzung, die als eine Blende 36 ausgebildet ist, und welche von einer Kontrolleinheit 64 in der Weise gesteuert wird, um den auf ein Auge 44 gerichteten Laserfleck auf ein Gebiet zu begrenzen, dessen maximale Größe zwischen ungefähr 10% und ungefähr 90% des Gebiets im Bereich liegt, in dem Gewebe zu entfernen ist, wenn eine Abtragung zur Korrektur von Astigmatismus oder Weitsichtigkeit stattfindet. Diese bevorzugte maximale Größe hängt mehr von der Form und Größe des abzutragenden Gebietes ab als von einem beliebig festgelegten Prozentsatz und könnte beispielsweise auch zwischen 20% und 80% liegen. Je größer die Ausdehnung des verwendeten Strahlflecks ist um so besser ist es in Hinsicht auf eine verkürzte Behandlungszeit.
Weiterhin ist eine Strahlmanipuliereinheit in Form eines Abtastspiegels 42, der ebenso von der Kontrolleinheit 64 gesteuert wird, vorgesehen. Der Abtastspiegel 42 bewegt die Achse des Strahls 22 zumindest über einen Teil des Gebietes im Auge 44, von dem Gewebe abzutragen ist.
Die Erfindung stellt somit ein Augenchirurgiesystem 10 zum Formen der Augenhornhaut durch Gewebeentfernung bereit, mit dem die Entfernung von nichtaxial symmetrischen Profilen in verhältnismäßig kürzerer Zeit verwirklicht werden kann. Weiterhin gleicht das Augenchirurgiesystem 10 inhomogene Energieverteilungen über den Strahlfleck aus.
Dadurch kann nicht nur wie im Falle einer Abtasteinrichtung ein sehr kleiner Fleck ausgeleuchtet werden, sondern es kann ebenso ein relativ großer Bereich bestrahlt werden, so daß die Behandlung verhältnismäßig schnell durchgeführt werden kann. Um die Behandlungszeit abzukürzen, ist es vorzuziehen, die Größe des Laserflecks im Auge 44 für möglichst lange Zeit möglichst groß, beispielsweise auf mindestens 50% der Größe des zu behandelnden Gebiets beizubehalten.
Der Abtastspiegel 42 kann zur Abbildung entlang oder um zumindest eine Achse geneigt werden. Spiegelelemente, die Verwendung finden, und insbesondere Spiegelelemente die um zwei Achsen neigbar sind, sind beispielsweise in der US-Patentschrift 4,175,832 beschrieben.
Weiterhin kann die Kontrolleinheit 64 die Größe des Laserflecks auf dem Auge 44 in Abhängigkeit der Bewegung der Strahlachse (durch Verwendung des Abtastspiegels 42) auf dem Auge 44 steuern, womit die auf einem spezifizierten Bereich des Auges 44 deponierte Energie exakt gesteuert wird. Somit können nichtaxiale symmetrische Profile auf der Oberfläche der Augenhornhaut des Auges 44 erzeugt werden. Es können verschiedene Arten von Blenden 36, beispielsweise Ovale oder Kreise mit abgedeckter Mitte, verwendet werden.
Ferner kann der Abtastspiegel 42 nicht nur nach der Blende 36 im Strahl 22 angeordnet werden, sondern auch vor der Blende 36. Vorzugsweise wäre dann die Blende 36 synchron mit dem Abtastspiegel 42 zu bewegen.
Beim Korrigieren sphärischer Aberrationen bewegt die Kontrolleinheit 64 den Abtastspiegel 42 so, daß der Strahl 22 von Schuß zu Schuß mindestens in einer Richtung so oszilliert, wie es durch einen Pfeil 12 veranschaulicht ist. Eine solche Oszillation gleicht Inhomogenität der Energieverteilung über den Strahl 22 aus. Diese Oszillation wird unabhängig von der maximalen Strahlgröße verwendet.
Um Astigmatismus zu korrigieren, bewegt der Abtastspiegel 42 die Achse des Strahls 22 zwischen mindestens zwei Richtungen, von denen keine kollinear mit der Behandlungsachse des Auges 44 ist, hin und her. Dies gestattet es, ein astigmatives Auge, welches nach neuester Forschung nicht einen sondern zwei Scheitelpunkte aufweist, zu behandeln, ohne dabei aber auf die Theorie beschränkt zu sein. Dies bedeutet, daß es die Form von Kamelhöckern aufweist. Die Kontrolleinheit 64 steuert den Abtastspiegel 42 auch so, daß die Achse des Strahls 22 zumindest eindimensional um jede Richtung oszilliert, um auf diese Weise Homogenitäten des Strahls 22 zu kompensieren.
Um Weitsichtigkeit zu korrigieren, wird die Achse des Strahls 22 vorzugsweise auf einer konisch geformten Oberflächenschale bewegt, wobei es ebenso möglich ist, eine mindestens eindimensionale Oszillation zur Kompensierung der Inhomogenität des Strahles 22, zu überlagern. Durch die Bewegung auf einer konisch geformten Oberflächenschale wird ein kreisförmiges Muster von sich überlappenden Schüssen auf das Auge 44 projiziert.
Durch Anpassung der Blende 36 auf die typische Querschnittsform eines Excimerlaserstrahls kann die Blende 36 ebenso eine nichtaxial symmetrische Form aufweisen, wobei die Blende 36 zur Homogenisierung der deponierten Energie während der Bewegung der Achse des Strahls 22 auf der konischen Schale gedreht wird. Der Effekt des Homogenisierens wird verstärkt, wenn die Drehung der Blende 36 asynchron zur Drehung der Achse des Strahls 22 auf der konischen Schale stattfindet.
1B zeigt zusätzliche Einzelheiten des typischen Augenchirurgiesystems 10, in welches der Apparat entsprechend der Erfindung zu implementieren wäre. Ein Excimerlaser 20 liefert einen gepulsten Strahl 22 nach Reflexion von Optik 26 zu einer Strahlhomogenisiereinrichtung 24. Ebenso ist ein Verschluß 28 vorgesehen, um das Durchdringen des gepulsten Strahls 22 zur Strahlhomogenisiereinrichtung 24 abzublocken. Der Excimerlaser 20 ist ein in der Technik wohlbekannter typischer Excimerlaser. Dieser liefert vorzugsweise einen Strahl mit einer Wellenlänge von 193 nm und einer maximalen Pulsenergie von 400 mJ/Puls. Vorzugsweise liefert der Excimerlaser 20 eine maximale Leistung von 1 W mit einer Pulsfrequenz von 10 Hz und einer Pulslänge von 18 ns an einem Behandlungsfleck. Selbstverständlich kann eine Vielzahl anderer Excimerlaser verwendet werden und das Gerät gemäß der Erfindung ist ferner für Anwendungen geeignet, wo eine andere Laserart als Excimerlaser verwendet wird. Beispielsweise ist die Wellenlänge des Lichts von dem Laser vorzugsweise kleiner als 400 nm, da damit die gewünschte Abtragung mit reduzierter thermischer Erwärmung vonstatten geht. Ferner können andere Pulsenergien bis herab zu 200 mJ/Puls mit einer typischen Wiederholungsrate von 60 bis 100 Pulsen pro Sekunde mit einer typischen Pulslänge von 10 bis 30 ns vorgesehen werden. Dies alles sind nur typische Werte und Abweichungen davon sind möglich. Weitere Beispiele für solche Lasersysteme können in der US-Patentschrift 4,665,913 mit dem Titel "Method for Ophthalmological Surgery", erteilt am 19. Mai 1987 und der am 8. März 1988 erteilten US-Patentschrift 4,729,372 mit dem Titel "Apparatus for Performing Ophthalmic Laser Surgery", gefunden werden.
Die Strahlhomogenisiereinrichtung 24 beinhaltet vorzugsweise eine Standardausrüstung zum Homogenisieren und Fokussieren, welche sowohl auf optischer Mischung des Strahls als auch auf Drehung des Strahls basieren kann. Für ein Beispiel typischer Strahlhomogenisierungskomponenten kann US-Patentschrift 4,911,711 mit dem Titel "Sculpture Apparatus For Correcting Curvature of The Cornea", erteilt am 27. März 1990, eingesehen werden. Anzumerken ist, daß durch Bereitstellung der "Zitterbewegung" gemäß der im folgenden diskutierten Erfindung die Strahlhomogenisiereinrichtung 24 einfacher als die in dieser Referenz gezeigten Strahlhomogenisierkomponenten ausgeführt sein kann. Von der Strahlhomogenisiereinrichtung 24 wird anschließend der gepulste Strahl 22 von Optik 30 reflektiert, welche auch einen roten Führungslaserstrahl von einem Führungslaser 32 weiterleitet. Dieser Führungslaser 32 ist vorzugsweise als ein 633 nm-Heliumneonlaser mit weniger als 1 mW Leistung ausgeführt. Der rote Führungsstrahl des Führungslasers 32 kann ebenso von einem Schließer 34 abgeblockt werden. Der Führungslaser 32 ist so angeordnet, daß sein optischer Pfad mit dem des gepulsten Strahls 22 übereinstimmt. Der Führungslaser sorgt dafür, daß der Strahl 22 auf die Behandlungsachse des Auges 44 zentriert wird und sorgt ebenso dafür, daß, wie anschließend diskutiert wird, auf das Auge 44 fokussiert wird. Weiterhin kann er einen optischen Fixpunkt für den Patienten bereitstellen, wobei allerdings ein anderer Laser oder eine andere Lichtquelle ebenso für diesen Zweck vorgesehen werden können.
Von der Optik 30 ausgehend, durchdringt der gepulste Strahl 22 (der nun ebenso mit dem Strahl des Führungslasers 32 zusammen ausgerichtet ist) eine verstellbare Blende 36, die es ermöglicht, die Strahlgröße zu justieren, bevor der Strahl in die letzte Optik eintritt. Nach der Blende 36 sorgt eine Strahlfleckmodenlinse 38, falls vorhanden, für eine weitere Konzentration des Strahls 22, die es gestattet, gewisse Defekte im Auge durch den Strahlfleck abzutragen, wobei ein Arzt dabei mehr therapeutische als optische Chirurgie durchführt. Die Strahlfleckmodenlinse 38 wird dabei aus dem Strahlengang heraus- oder hineinbewegt, abhängig, ob eine therapeutische oder eine optische Behandlung gewünscht wird.
Nach der Strahlfleckmodenlinse 38 lenkt eine Fokussierlinse 40 den Strahl 22 auf den Abtastspiegel 42, der dann den Strahl 22 auf das Auge 44 eines Patienten reflektiert. Anzumerken ist, daß der Teil des Strahles 22 vom Führungslaser 32 sowohl zum Einstellen der Entfernung des Auges 44 vom gesamten Augenchirurgiesystem 10 als auch zur Zentrierung wie im folgenden diskutiert wird, verwendet wird. Die Fokussierlinse 40 fokussiert das Licht so, daß wenn das Auge 44 sich im optimalen Abstand befindet, der Strahl 22 geeignet auf das Auge 44 fokussiert wird.
Diese diversen Linsen und Spiegel bilden somit in Kombination ein optisches System, das einen Excimerstrahl zur Augenhornhaut liefert. Das optische System erzeugt einen Laserfleck auf der Augenhornhaut, wobei die Fleckgröße und die Lage einstellbar sind. Es soll noch betont werden, daß eine große Bandbreite verschiedener Systeme verwendet werden kann, um solch einen Strahl bereitzustellen. Beispielsweise könnte eine Linse statt einer Blende verwendet werden, um die Strahlfleckgröße einzustellen und anstatt eines Abtastspiegels könnte der Patient oder das Auge 44 des Patienten physikalisch bewegt werden, um Laserschüsse an verschiedenen Stellen des Auges 44 zu liefern.
In dem System gemäß der Erfindung ist ebenso ein Fokussieren der Laser 46 vorgesehen, dessen Strahl ebenso von einem Schließer 48 abgeblockt werden kann. Der fokussierende Laser 46 ist vorzugsweise ein grüner Heliumneonlaser, der einen Strahl mit einer Wellenlänge von 535 nm mit einer Leistung von weniger als 1 mW liefert. Der Strahl des fokussierenden Lasers 46 durchdringt die Optik 50 und trifft auf das Auge 44 unter einem Winkel. Der Abstand des Auges 44 von dem Augenchirurgiesystem 10 wird so eingestellt, daß sowohl der Strahl des Führungslasers 32 als auch der Strahl des fokussierenden Lasers 46 die Oberfläche des Auges 44 am selben Punkt treffen.
Weiterhin ist eine optionale auf diesem Gebiet wohlbekannte Fixiermaske 52 vorgesehen, um das Auge 44 während der Operation zu stabilisieren. Diese kann Komponenten zur Entfernung von Verunreinigungen beinhalten und wird typischerweise am Auge 44 entweder durch einen Vakuumsaugring oder Haken befestigt. Eine Gassäuberungsein heit 54 gewährleistet, daß die Optik und die Strahlen in dem System frei von umherschwebenden Verunreinigungen sind.
Ein Mikroskop 56 ist für den Chirurgen vorgesehen, um das Voranschreiten der Abtragung auf der Oberfläche des Auges 44 zu beobachten. Das Mikroskop 56 ist vorzugsweise ein ZEISS OPMI "PLUS", Artikel-Nr. 3033119910, mit Vergrößerungen von 3,4, 5,6 und 9,0. Eine Feldausleuchtung wird durch eine nicht gezeigte Kaltlichtquelle, vorzugsweise die Schott KL 1500 Electronic, ZEISS, Artikel-Nr. 417075, bereitgestellt. Dieses Mikroskop 56 fokussiert durch den Abtastspiegel 42 und fokussiert ebenso durch einen Strahlteilerspiegel 58. Der Strahlteilerspiegel liefert weiterhin eine Ansicht des Auges 44 an eine Infrarotvideoeinheit 60, die für die nachfolgende diskutierte Abtragung des Epithels verwendet wird. Die Infrarotvideoeinheit 60 liefert vorzugsweise eine Bildausgabe an einen Datenerfassungsvideoschirm 62 und an eine Kontrolleinheit 64. Die Infrarotvideoeinheit 60 ist vorzugsweise sowohl für Infrarotlicht als auch für sichtbares Lichtempfindlich.
Die Kontrolleinheit 64, typischerweise ein IBM kompatibler Computer hoher Betriebsleistung von International Business Machines Corp., steuert vorzugsweise alle Komponenten des Augenchirurgiesystems 10 einschließlich der Schließer 28, 34 und 48, der Blende 36, der Strahlfleckmodenlinse 38 und des Abtastspiegels 42.
2A zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf die Hornhaut eines typischen Auges 44, an dem eine myopische Korrektur ausgeführt worden ist. Eine Behandlungszone 100 mit einer Breite S ist an einer Behandlungsachse 102 zentriert, die nicht notwendigerweise mit der optischen Achse des Auges 44 übereinstimmt. Die Behandlungszone 100 wird von einem ersten äußeren Abtragungsring 104 begrenzt, wobei sich anschließende Abtragungsringe 106 bis 114, die in Richtung des Zentrums der Behandlungsachse 102 weiter beabstandet sind, gezeigt sind (zu bemerken ist, daß vorzugsweise die kleineren Schüsse zuerst ausgeführt werden).
Dieser weitere Abstand hat einen topographischen Effekt, da in einem typischen System die Änderung des Strahlfleckradius eigentlich konstant ist, allerdings mit einer größeren Anzahl in Richtung der Peripherie der Behandlungszone 100 ausgeführten Schüssen. Obwohl lediglich sechs Abtragungszonen gezeigt sind, wird in einem typischen Abtragungsmuster eine größere Anzahl an Strahlfleckgrößen verwendet und ebenso eine größere Anzahl an Schüssen wird durchgeführt. Die Abtragungsfunktion zum Berechnen der notwendigen Tiefe für eine Abtragung bei Kurzsichtigkeit wird anschließend im Zusammenhang mit 7A diskutiert.
Beim Durchführen hochdioptrischer Korrekturen bei Kurzsichtigkeit kann die Verwendung der im folgenden diskutierten Standardabtragungsfunktion in einer ausgeprägten Abtragungstiefe entlang der Behandlungsachse 102 resultieren. Wie in 2B dargestellt ist, würde die Standardgleichung für Abtragung bei Kurzsichtigkeit beispielsweise in einer Kurve 120 resultieren, die zu einer großen Abtragungstiefe entlang der Behandlungsachse 102 führen würde und die ebenso scharfe Kanten 122 am Rand der Behandlungszone 100 zur Folge hätte. Der Einfachheit halber zeigt 2B die Wirkung der Behandlung an einer flachen Oberfläche statt an der Oberfläche der Augenhornhaut. Für dieses hohe Maß an Korrektur kann die Verwendung von Übergangszonen die Wirkung der Kanten beim Heilen deutlich reduzieren und kann ebenso die Abtragungstiefe im Zentrum entlang der Behandlungsachse 102 verringern. Diese Übergangszonen 124 und 126 erzeugen in effizienter Weise eine multifokale Linse. In 2B sind zwei Übergangszonen 124 und 126 gezeigt, woraus eine engere Abtragungskurve 128 resultiert. Die erste dieser Übergangszonen 124 wird erzeugt, indem eine myopische Abtragung über die ganze Breite S der Behandlungszone 100 mit einem geringeren Korrekturmaß als das letztlich gewünschte durchgeführt wird. Werden lediglich jene Schüsse mit einem Radius, der innerhalb des Radius der Übergangszone 124 liegt, durchgeführt, so bleibt eine gleichmäßig abgetragene Oberfläche innerhalb der Übergangszone 124 zur weiteren Behandlung übrig. Daraus resultiert eine ursprüngliche Kurve 130.
Anschließend wird eine weitere Serie von myopischen Abtragungsschüssen unter Verwendung der im folgenden diskutierten myopischen Abtragungsfunktion durchgeführt, wobei ein etwas höherer Korrekturgrad aber eine kleinere "Behandlungszone" verwendet wird (in der Praxis werden die kleineren Schüsse vorzugsweise zuerst durchgeführt).
Die daraus resultierende Kurve und das gleichförmig abgetragene Gebiet 132 bilden die zweite Übergangszone 126. Schließlich wird eine Serie von Schüssen für die volle gewünschte Korrektur, allerdings wieder unter Verwendung einer engeren Behandlungszone, durchgeführt, woraus die Endkurve 134 resultiert. Die Verwendung von Übergangszonen ist auf dem Gebiet der photorefraktiven Keratektomie bekannt und wird beispielsweise in Kapitel 6 des Farbatlas/Text für Excimerlaserchirurgie, 1993 Igaku-Shoin Medical Publishers, Inc., beschrieben. Diese Übergangszonen 124 und 126 verringern das Entstehen von scharten Kanten 122, die andernfalls in unerwünschten Mustern wiedergewachsenen Epithelgewebes resultieren und auch die endgültige Abtragungstiefe entlang der Behandlungsachse 102 verringern könnten.
Die folgenden zwei Tabellen zeigen typische Übergangszonen. Für die Behandlung zur Korrektur von –9,00 Dioptrien Kurzsichtigkeit über eine 5 mm Behandlungszone 100 könnten die folgenden Übergangszonen verwendet werden:
Unter Verwendung dieser Tabelle würde zunächst eine standardmyopische Korrektur mit der anschließend diskutierten Gleichung für die gewünschte Korrektur von –9,00 Dioptrien allerdings stattdessen über eine Behandlungszone mit einer Breite von 4,00 mm durchgeführt werden. Dies liefert die volle Korrektur in der Mitte der 4,00 mm-Zone. Anschließend wird ein Übergang durch Abtragung von 4,00 auf 4,20 mm nach der Verwendung der geringeren Korrektur von –7,50 Dioptrien erzeugt. Dies wird für die nachfolgenden Einträge in der Tabelle wiederholt, so daß Übergangszonen mit einem größeren Krümmungsradius erzeugt werden.
Ohne die Übergangszonen würden 88 μm an der Behandlungsachse 102 abgetragen; mit der Übergangszone werden lediglich 71 μm, also 20% weniger, abgetragen. Dies wirkt sich günstig auf die Stabilität der Augenhornhaut aus.
Ein Beispiel einer Behandlung für –12,00 Dioptrien über eine volle 7 mm-Behandlungszone 100 ist im folgenden dargestellt:
Die 3A und 3B zeigen ein Abtragungsmuster, das einem der Abtragungsringe 104 bis 114 aus 2A entspricht, wobei aber die erfindungsgemäße "Zitterbewegung" des Lasers oder das "Polieren" verwendet wird. Der Begriff "Zitterbewegung" wird in dem Sinn verwendet, daß kleine zufällige oder pseudozufällige Fluktuationen zum Strahl 22 hinzugefügt werden, um gewisse Fehler zu "glätten", die sich sonst aufschaukeln würden. Unter der Annahme, daß einer der Abtragungsringe 104 bis 114 aus 2 fünf Schüsse mit einer gewissen Strahlfleckgröße einschließt, wird die Wirkung, die durch das erfindungsgemäße Gerät erreicht wird, in den 3A und 3B gezeigt. In 3A ist die Behandlungsachse 102 gezeigt, auf die die Schüsse herkömmlicher, in 2A gezeigter Systeme gerichtet wurden.
Entsprechend der Erfindung sind die Zentren der fünf Schüsse zufällig über einen Zitterbereich 140, nachfolgend auch als Zitterbewegungszone bezeichnet, wobei die Mittelachse jedes Schusses nicht mit der Behandlungsachse 102 zusammenfällt, verteilt. Fünf Schüsse unter Verwendung von zufällig verteilten Zentren 142 bis 150 haben fünf individuelle Excimerlaserabtragungsschüsse 152 bis 160 zur Folge. Vorzugsweise ist der Radius der Zitterbewegungszone 140 etwas kleiner als der Radius der Schüsse selber. Wie zu sehen ist, tritt eine Erhöhung, d. h., eine Kantenhöhe größer als eine einzelne Schußkantenhöhe, nur gelegentlich auf und im allgemeinen sind die Kanten über ein Zitterbewegungsband 162 verteilt. Dies liefert eine "glättende" Wirkung unter Verringerung der durchschnittlichen Kantenhöhe.
3B zeigt eine alternative Art dieses Polieren durchzuführen, in dem die Schußzentren 142 bis 150 gleichmäßig über die Peripherie der Zitterbewegungszone 140 verteilt sind. Dies gewährleistet, daß keiner der Abtragungsschüsse 152 bis 160 trotzt gleicher Radien verstärkende Kanten bildet.
Auf diese Weise wird eine glattere Oberfläche des Auges 44 während der Abtragung zur Korrektur von Kurzsichtigkeit erreicht. Dieses Polieren oder diese Zitterbewegung könnte auch als eine "Oszillation" des Laserflecks auf der Hornhaut beschrieben werden. Diese Zitterbewegung könnte auch eindimensional statt zweidimensional erfolgen. Weiterhin kann das Auge 44 des Patienten in Schwingungen versetzt werden, indem die Maske 52 oder der Patient selber in Schwingungen versetzt wird. Beispielsweise könnte ein kleiner mechanischer Schwingungserzeuger in der Patientenauflage oder in der Maske 52 angebracht werden. Dies könnte dann die notwendige Oszillation liefern. Wie einfach zu sehen ist, kann eine derartige Zitterbewegungs-Technik auf andere Korrekturarten angewendet werden, wie etwa das bekannte Verwenden von Ringblenden und Schlitzblenden zur Korrektur von Weitsichtigkeit und Astigmatismus. Weiterhin könnte die Zitterbewegung auf andere Schußmuster wie etwa für Weitsichtigkeit und Astigmatismus angewendet werden, wodurch sowohl die Wirkung der Kantenhöhe als auch der Strahlinhomogenität 22 verringert wird.
4 illustriert ein Großstrahl-Abtastmuster, das erfindungsgemäß von dem System zur Korrektur von Astigmatismus verwendet wird. Nach dem Stand der Technik werden für gewöhnlich variable Schlitzgrößen verwendet, um diese Korrektur auszuführen, wobei zusätzliche Hardwarestrukturen und für gewöhnlich unflexible Korrekturmuster benötigt werden.
Demgegenüber korrigiert das Gerät entsprechend der Erfindung Astigmatismus innerhalb der Behandlungszone 100, hier mit einer Breite S und einer Länge L dargestellt, durch eine Reihe von Linien 170 und 172, die von einer Serie von sich überlappenden Schüssen in einem Astigmatismus korrigierenden Gebiet erzeugt werden. In der Abbildung werden lediglich die erste Linie 170 und die zweite Linie 172 gezeigt, wobei die erste Linie gebildet wird, in dem kleinere Strahlfleckgrößen als in der zweiten Linie 172 verwendet werden. Gemäß diesem Verfahren wird eine kleinere oder größere Anzahl von Linien verwendet, um einen gewünschten Korrekturgrad für Astigmatismus zu liefern. Dies hat das in 4B gezeigte Abtragungsprofil zur Folge. Dieses Profil entspricht im allgemeinen der für eine Kurzsichtig keits-Abtragung benötigten Krümmung, deren Formel anschließend im Zusammenhang mit 7A diskutiert wird.
Ein typisches Abtragungsmuster zur Astigmatismus-Korrektur von –2,00 Dioptrien würde die Schüsse umfassen:
Für jede Strahlfleckgröße wird eine den Linien 102 und 104 entsprechende Linie erzeugt, wobei sich die Flecken vorzugsweise um ungefähr 88% überlappen. Dies würde eine geeignete, modifizierte Krümmung entsprechend einer Astigmatismus-Korrektur mit –2,00 Dioptrien erzeugen. Diese würden sich über eine Breite S von 3 mm der Behandlungszone 100 erstrecken.
5 stellt ein zur Korrektur nichtsymmetrischen Astigmatismus verwendetes Schußmuster dar. In diesem Fall ist lediglich eine einzelne Behandlungslinie 174 gezeigt; typischerweise würde eine höhere Anzahl von Linien verwendet werden, aber der Übersichtlichkeit halber stellt die einzelne Linie 174 die Behandlung eines gekrümmten Astigmatismus dar, welcher sich nicht linear über eine Behandlungsachse 102 des Auges 44 ausdehnt. Auf diese Weise ist eine größere Bandbreite von Astigmatismusarten korrigierbar.
6A illustriert die Großstrahl-Abtastung entsprechend der Erfindung, die verwendet wird, um Weitsichtigkeit ohne Verwendung von Ringblenden zu korrigieren. Stattdessen wird lediglich die einzelne Blende 36 verwendet, um die Strahlfleckgröße einzustellen, und ein kreisförmiger Abtragungsring 180 wird über der Behandlungszone 100 erzeugt, wie dies für den Fachmann auf dem Gebiet der hyperopen Abtragung wohlbekannt ist, in dem mehrere Ringe verschiedener Strahlfleckgrößen und diverser Überlappungen verwendet werden. Das ungefähre Abtragungsprofil ist in 6B gezeigt. Die Formel für die Krümmung für die hyperope Abtragung wird anschließend in Zusammenhang mit 7B diskutiert.
Anzumerken ist, daß die Schüsse zur hyperopen Abtragung über die Behandlungszone 100 mit der Breite S hinausreichen. Die Schüsse außerhalb dieses Gebietes liefern keine optische Korrektur, sondern liefern stattdessen einen glatten Übergang am Rand der hyperopen Abtragung. Obwohl der kreisförmige Abtragungsring 180 nicht so gezeigt ist, daß er sich über den ganzen Weg zum Mittelpunkt der Behandlungsachse 102 erstreckt, reichen die letzten Schußserien mit den größten Strahlfleckgrößen vorzugsweise sehr nahe an diese Achse heran, um ein glattes Profil vom Zentrum der Behandlungsachse 102 zum Rand der Behandlungszone 100 zu liefern.
Ein typisches Schußmuster zur Weitsichtigkeitskorrektur mit 5,00 Dioptrien würde die Schüsse umfassen:
Jede Schußserie in diesem Muster wird benutzt, um einen Ring zu erzeugen, dessen Mittelpunkte auf einem Radius von 2,5 mm um die Behandlungsachse 102 des Auges 44 liegen. In diesem Fall ist die bevorzugte Überlappung pro Behandlungsring unterschiedlich und wird in der Tabelle dargestellt.
Weiterhin ist anzumerken, daß, obwohl die dargestellten Schußmuster kreisförmige Blenden verwenden, eine andere Blendenform verwendet werden könnte, um das Weitsichtigkeitskorrekturmuster und das Astigmatismus-Korrekturmuster gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu erzeugen. Beispielsweise könnte eine ovale Schußform verwendet werden, und dieses Oval könnte während der Weitsichtigkeitskorrektur so gedreht werden, daß eine Achse des Ovals zur Behandlungsachse 102 des Auges 44 zeigt. Alternativ dazu könnte das Oval nichtsynchron mit der Drehung um die Behandlungsachse 102 gedreht werden, so daß Inhomogenitätseffekte des Strahls 22 weiter verringert werden.
7A und 7B illustrieren diverse mathematische Beiträge zu den Abtragungsprofilen der vorhergehenden Abtragungsmuster. 7A zeigt ein typisches Abtragungsprofil für eine Kurzsichtigkeitsabtragung; 7B zeigt ein typisches Abtragungsprofil für eine Weitsichtigkeitsabtragung. In beiden ist der ursprüngliche Radius der Hornhaut des Auges 44 durch R_OLD und der neue, gewünschte Radius der Hornhaut des Auges 44 durch R_NEW gegeben. Die gesamte Behandlungszone 100 ist durch eine Breite S gekennzeichnet, die dem effektiven die Korrekturfunktion ausführenden Bereich entspricht. Dieser ist typischerweise zwischen 2 und 8 mm, kann aber größer oder kleiner sein. Die Abtragungstiefe an einem beliebigen Punkt innerhalb der Behandlungszone 100 mit der Breite S ist durch eine Variable A gegeben, die die Abtragungstiefe bezeichnet. Der Abstand von der Behandlungsachse 102 ist durch eine Variable ρ gegeben.
Um den neuen Radius R_NEW zu berechnen, wird der alte Radius R_OLD und eine gewünschte dioptrische Korrektur D_CORR in der folgenden Gleichung verwendet:
Die Größe NEW_RADIUS gibt zu einem gegebenen R_OLD und D_CORR einen Parameter zurück, der den neuen für die Korrektur benötigten Radius R_NEW bezeichnet. Sowohl R_OLD als auch R_NEW werden in Metern gemessen und liegen typischerweise zwischen 5 und 15 mm.
Die Formel zur Berechnung der notwendigen Abtragungstiefe zu der in 7A dargestellten Korrektur der Kurzsichtigkeit ist gegeben durch:
Die myopische Abtragungsfunktion MYO_ABLATE gibt bei gegebenem unkorrigiertem Krümmungsradius des Auges 44 R_OLD, einer gewünschten Zonenkorrektur S und einem gewünschten Korrekturgrad D_CORR eine benötigte Abtragungstiefe bei einem bestimmten Abstand ρ von der Behandlungsachse 102 zurück. Die Funktion MYO_ABLATE liefert ebenso den geeigneten Korrekturgrad über die Breite S eines Grabens, der, wie in den 4A und 4B dargestellt, verwendet wird, Astigmatismus zu korrigieren.
Mit Bezug zur 7B ist die Formel für hyperopische Abtragung gegeben durch:
Die hyperope Abtragungsfunktion HYP_ABLATE verwendet lediglich drei Parameter, da sie keine optische Korrekturzone S benötigt.
Diese speziellen Algorithmen zur Erzeugung geeigneter Krümmungen sind wohlbekannt und sind nachzuschlagen in MUNNERLYN, C. AND KOONS, S., PHOTOREFRACTIVE KERATECTOMY: A TECHNIQUE FOR LASER REFRACTIVE SURGERY, Cataract Refract Surg., Band 14, (Januar 1988).
Weiterhin werden in den Verfahren zum Ausführen der Abtragung, die im folgenden im Zusammenhang mit den 9–14 diskutiert werden, die Inversen dieser Gleichungen benötigt. Während für die obigen Gleichungen eine Abtragungstiefe, die für einen speziellen Wert von ρ für einen gegebenen Korrekturgrad benötigt werden, zurückgeben wird, verhalten sich die inversen Gleichungen genau gegenteilig. Sie geben einen speziellen Wert von ρ, für den eine spezielle Abtragungstiefe bei einem gegebenen speziellen Korrekturgrad benötigt wird, zurück. Diese Gleichungen sind gegeben durch:
where
and RNEW = NEW_RADIUS(ROLD, DCORR)
where C = RNEW – ROLD and RNEW = NEW_RADIUS(ROLD, DCORR)
Die inversen myopische Abtragungsfunktion INV_MYO_ABLATE gibt einen Parameter zurück, der den Abstand in Metern entsprechend dem ρ vom Zentrum der Abtragung bei einer gegebenen Abtragungstiefe A, ebenfalls in Meter, kennzeichnet. Es werden ebenso die Parameter R_OLD, S und D_CORR verwendet.
Die inverse hyperopische Abtragungsfunktion INV_HYP_ABLATE gibt ebenfalls einen Radius vom Abtragungszentrum in Metern entsprechend dem ρ bei einer gegebenen Abtragungstiefe A bei einer gewissen Korrektur D_CORR zurück. Sie gibt ein ρ an, das den Abstand vom Abtragungszentrum für eine gewisse Abtragungstiefe kennzeichnet.
8 illustriert, wie das System durch Ausrichten der Abtragungsachse und mittels variabler Strahlfleckengrößen eine Korrektur für beliebige Topographien des erkrankten Auges 44 einschließlich nichtsymmetrischer Topographien durchführen kann. In 8 ist eine Linie einer gewünschten Behandlungstopographie 190 dargestellt. Dies könnte beispielsweise von einem rechnergestützten Augentopographiesystem ermittelt werden, das diverse Abnormalitäten in der Oberfläche des Auges 44 kennzeichnet. Unter Verwendung eines solchen Topographiesystems führt dann das Augenchirurgiesystem 10 unter Verwendung der Kontrolleinheit 64 eine Reihe von Strahlschüssen durch, die der Einfachheit halber als die acht Schüsse 192 bis 206 dargestellt sind. In der Praxis würde sehr wahrscheinlich eine weitaus größere Anzahl an Schüssen verwendet werden. Da das System die benötigte Abtragung an jedem Punkt kennt, erzeugt es eine Karte der gewünschten Topographie und führt die Abtragung aus, wobei verschieden große Strahlschüsse auf verschiedene Punkte gerichtet werden, um die benötigte Korrektur durchzuführen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl nichtsymmetrischer Defekte der Augenhornhaut, wie etwa Apfel- und Bananenformen ebenso wie beliebig andere krankhafte Formen, korrigiert werden.
9 ist ein Flußdiagramm, das ein CALCULATE-Verfahren 700, das vorzugsweise in der Kontrolleinheit 64 ausgeführt wird, darstellt. Das CALCULATE-Verfahren 700 berechnet eine Reihe von Strahlschußmustern, die notwendig sind, die gewünschte Abtragung des Auges 44 durchzuführen, um eine Korrektur unter verschiedenen Bedingungen zu erhalten. In der beschriebenen Ausführungsform werden Strahlschußmuster erzeugt, um Astigmatismus, Weitsichtigkeit und Kurzsichtigkeit, wie dies im Zusammenhang mit den vorausgehenden 2A bis 7 beschrieben wurde, erzeugt. Weiterhin wird die in den 3 und 4 dargestellte Zitterbewegung auf die myopischen Korrekturschußmuster angewendet.
Vorzugsweise findet die CALCULATE-Routine 700 in der Kontrolleinheit 64 statt, die die notwendigen Laserschußberechnungen vor Beginn der Abtragungssequenz durchführt. Da alle Punkte im voraus berechnet wurden, gibt es keine Verzögerung durch die Berechnung, so daß jeder aufeinanderfolgende Schuß in rascher Reihenfolge ausgelöst werden kann, sobald der Excimerlaser 20 fertig ist. Dies sorgt für eine raschere Behandlung und geringere Schwierigkeiten in der optischen Fixierung des Patienten.
Die CALCULATE-Routine 700 beginnt bei Schritt 702 und legt eine Variable START-DITHER auf 1 fest. Diese Variable kennzeichnet den ersten Abtragungsschuß, an dem die Zitterbewegung beginnt, und wird im folgenden diskutiert. Zu bemerken ist, daß alle Abtragungsschüsse vorzugsweise in einem Feld gespeichert werden und START_DITHER bezeichnet eine Position innerhalb des Feldes. Der Programmablauf geht von Schritt 702 zu Schritt 704 über, indem die Routine 700 feststellt, ob eine Astigmatismus-Korrektur erwünscht ist. Dies wird zusammen sowohl mit dem Winkel als auch dem Grad der Astigmatismus-Korrektur und der maximalen Behandlungsfläche vom Arzt voreingestellt. Wie leicht zu erkennen ist, kann die Routine 700 ebenso ein Maß für die Krümmung für die Linie der Astigmatismus-Korrektur im Fall von nichtsymmetrischem Astigmatismus anfordern und auch für eine größere Korrektur in Richtung eines oder zweier weiterer Endbereiche des Astigmatismusbereichs sorgen.
Wenn eine Astigmatismus-Korrektur gewünscht wird, geht der Programmablauf vom Schritt 704 zum Schritt 706 über, in dem eine Astigmatismus-Routine 750 durchgeführt wird (wird im folgenden in Verbindung mit 10 diskutiert), welche die geeigneten Strahlschußmuster für die gewünschte Astigmatismus-Korrektur erzeugt. Diese Strahlschußmuster entsprechen beispielsweise jenen, die in Verbindung mit den 4A und 4B diskutiert wurden.
Nachdem das Strahlschußmuster für Astigmatismus-Korrektur im Schritt 706 berechnet wurde, geht der Programmablauf auf den Schritt 708 über, in dem die Variable START_DITHER durch eine Variable LAST_VECTOR festgelegt wird. LAST_VECTOR zeigt auf den letzten berechneten Strahlschuß des Feldes für einen Abtragungsprozeß. In diesem Fall zeigt er auf den letzten von der Astigmatismus-Routine 750 berechneten Vektor. Da Astigmatismus überlappende Strahlschüsse statt potentiell verstärkender Strahlschüsse umfaßt, wird während der Astigmatismus-Korrektur entsprechend der offenbarten Ausführungsform eine Zitterbewegung vorzugsweise nicht durchgeführt, obwohl dies möglich wäre.
Wenn keine Astigmatismus-Korrektur gewünscht war, geht der Programmablauf vom Schritt 704, sonst aber in jedem Fall vom Schritt 708 zum Schritt 710 über, in dem die CALCULATE-Routine 700 bestimmt, ob eine Kurzsichtigkeitskorrektur erwünscht wird. Falls nicht, wird eine Weitsichtigkeitskorrektur gewünscht und der Programmablauf schreitet zum Schritt 712 weiter, in dem eine HYPEROPIA-Routine 850, die im Zusammenhang mit 12 im weiteren diskutiert wird, durchgeführt. Da die Weitsichtigkeitskorrektur ähnlich der Astigmatismus-Korrektur ist, wobei lediglich die Schüsse statt in einer Linie in einem Kreis stattfinden, wird eine Zitterbewegung in dieser Ausführungsform vorzugsweise nicht durchgeführt (obwohl dies möglich wäre), so daß der Programmablauf zum Schritt 714 weiterschreitet, in dem die Routine 700 zu einer Hauptroutine zurückkehrt, die dann dem Arzt gestattet, die von der CALCULATE-Routine 700 berechnete Sequenz der Strahlschüsse auszuführen.
Wenn im Schritt 710 eine Kurzsichtigkeitskorrektur erwünscht war, schreitet die CALCULATE-Routine 700 dann zum Schritt 716 weiter, in dem diese bestimmt, ob Übergangszonen benötigt werden. Wenn ja, müssen mehrere Kurzsichtigkeits-Strahlschußserien mit der ursprünglichen "Übergangszone"-Serie, die durch Durchführung einer Kurzsichtigkeitskorrektur erzeugt wurde, gebildet werden. Dies wurde weiter oben in Zusammenhang mit 2B erläutert. Der Programmablauf geht nun zum Schritt 718 über, in dem eine MYOPIA-Routine zur Erzeugung einer Übergangszone durchgeführt wird. Dies erzeugt eine Standardstrahlschußsequenz zur Kurzsichtigkeitskorrektur für die Übergangszone.
Im Schritt 716 wird wieder bestimmt, ob weitere Übergangszonen benötigt werden. Wenn die letzte Übergangszonen-Strahlsequenz berechnet wurde, oder wenn keine benötigt wird, schreitet das Programm zum Schritt 720 weiter, in dem die MYOPIA-Routine wieder ausgeführt wird, um dieses Mal die endgültige Kurzsichtigkeitskorrektur zu liefern.
Die Erzeugung von Serien von Schußsequenzen zur Korrektur der Weitsichtigkeit ist wohlbekannt. Bei gegebener notwendiger Abtragungstiefe, die durch die oben beschriebene Funktion MYO_ABLATE beschrieben wird, wird ein Strahlschußmuster erzeugt, in dem geeignete Strahlschußgrößen übereinstimmend mit der notwendigen Abtragungstiefe an jedem Punkt verwendet wird, wobei von der Behandlungsachse 102 weg bestrahlt wird.
Der Programmablauf schreitet dann zum Schritt 722 weiter, in dem eine im anschließenden im Zusammenhang mit 13 und 14 beschriebene DITHER-Routine 940 oder 970 ausgeführt wird, welche eine Zitterbewegung oder eine zufällige Verteilung für alle Strahlschüsse von der entweder im Schritt 702 oder im Schritt 708 gesetzten Variablen START_DITHER zur Variablen LAST_VECTOR, die zuvor in Verbindung mit Schritt 708 beschrieben wurde, durchgeführt wird. An dieser Stelle ist die Berechnung der Abtragungs-Strahlschußsequenz abgeschlossen, so daß der Programmablauf zum Schritt 714 weiterschreitet, wo die CALCULATE-Routine 700 zum Hauptprogramm zurückspringt, so daß der Arzt den Abtragungsprozeß, der jetzt im Feld gespeichert ist, ausführen kann.
10 zeigt ein Flußdiagramm der Astigmatismus-Routine 750, die zur Berechnung der zur Erzeugung von "Gräben" von sich überlappenden Linien zur Korrektur in einem gewünschten Maß an Dioptrien von Astigmatismus entlang einer speziellen Achse notwendigen Strahlschußvektoren verwendet wird. Es wird eine geeignete Anzahl an Gräben erzeugt, wobei jeder Graben vorzugsweise eine größer werdende Strahlfleckgröße verwendet. Beginnend bei Schritt 752 wird die notwendige Tiefe der Gesamtabtragung am tiefsten Teil der Gräbenreihe berechnet. Dies wird mit Hilfe der oben im Zusammenhang mit 7A beschriebenen Kurzsichtigkeits-Abtragungsfunktion MYO_ABLATE durchge führt. Eine Variable MAX_ABLATE wird auf den von der Funktion MYO_ABLATE für ρ = 0 zurückgegebenen Wert gesetzt, die die notwendige Tiefe am Zentrum des Grabens (dem tiefsten Punkt) kennzeichnet. Der Funktion MYO_ABLATE werden ebenso der unkorrigierte Krümmungsradius R_OLD, die notwendige dioptrische Korrektur D_CORR und die Breite der Astigmatismus-Behandlungszone S zugeführt. Zu bemerken ist, daß S gleich der Breite der Astigmatismus-Behandlungszone und nicht deren Länge ist.
Das Programm schreitet dann zum Schritt 754 weiter, in dem die notwendige Abtragungstiefe pro Graben berechnet wird. Diese wird vorzugsweise ebenso wie die Variable MAX_ABLATE berechnet, wobei aber stattdessen eine Variable ABLATE, die den Betrag an Abtragung pro Graben kennzeichnet, auf einen Wert festgelegt wird, der gleich ist dem Wert von MAX_ABLATE geteilt durch 10. Dies gibt an, daß vorzugsweise zehn Gräben zu formen sind, obwohl auch nur weniger erforderlich sein können gemäß dem berechneten Betrag an Abtragung pro Graben.
Der Programmablauf schreitet dann zum Schritt 756 weiter, in dem eine Variable DEPTH der zuvor berechneten Variable MAX_ABLATE minus der Variable ABLATE gesetzt wird. Die Variable DEPTH kennzeichnet den Betrag an verbleibender Abtragung, die noch durchzuführen ist, um das gewünschte Maß an Korrektur zu erhalten.
Der Programmablauf schreitet dann zum Schritt 758 weiter, in dem ein minimaler Strahlfleckdurchmesser MIN_SPOT_DIAM berechnet wird, der den kleinsten bei der Erzeugung eines Grabens zu verwendenden Strahlfleckdurchmesser kennzeichnet. MIN_SPOT_DIAM wird gleich zweimal dem von der inversen myopischen Abtragungsfunktion INV_MYO_ABLATE zurückgelieferten Wert gesetzt. Die Funktion INV_MYO_ABLATE wird mit dem ursprünglichen Krümmungsradius R_OLD, mit A, das auf DEPTH plus ABLATE/2 gesetzt wurde, mit D_CORR als dem gewünschten Dioptriekorrekturmaß und mit S als der Breite der Behandlungszone aufgerufen. Der von dieser aufgerufenen Funktion zurückgegebene Wert ist der Radius, bei dem 95% der gesamten benötigten Abtragungstiefe durchgeführt werden, und dieser Radius liegt vorzugsweise relativ dicht am Mittelpunkt der Behandlungsachse, d. h., daß der Radius im Vergleich zur Gesamtbreite jedes Grabens klein ist.
Bei Schritt 760 wird ein maximaler Strahlfleckdurchmesser MAX_SPOT_DIAM gleich S gesetzt, das einfach die Breite der Astigmatismus-Behandlungszone 100 (nicht die Länge) darstellt.
Im Schritt 762 wird eine Schleife begonnen, die eine Reihe von Gräben erzeugt, um den benötigten gesamten. Grad an Astigmatismus-Korrektur zu liefern. Zunächst wird im Schritt 762 festgestellt, ob DEPTH größer als Null ist. Zur Wiederholung, DEPTH ist die verbleibende noch abzutragende Tiefe, die größer als Null ist, wenn nicht genügend viele Gräben erzeugt wurden, um das gewünschte Korrekturmaß zu liefern.
Wenn DEPTH größer als Null ist, schreitet das Programm zum Schritt 764 weiter, in dem der Strahlfleckdurchmesser SPOT_DIAM gleich zweimal dem von INV_MYO_ABLATE zurückgegebenen Resultat gesetzt wird, wenn diese Funktion mit einem A aufgerufen wird, das gleich der Variablen DEPTH ist. Dies gibt den Radius zurück, bei dem die letztlich notwendige Abtragung gleich der Variablen DEPTH ist. Da DEPTH ursprünglich nahezu gleich der gesamten benötigten Abtragungstiefe ist, ist daher der ursprüngliche Strahlfleckdurchmesser klein.
Im Schritt 766 wird der Strahlfleckdurchmesser SPOT_DIAM empirisch korrigiert. Dies wird durchgeführt, indem SPOT_DIAM gleichgesetzt wird zu (1 + (0,3·SIN(π·(SPOT_DIAM – MIN_SPOT_DIAM)/(MAX_SPOT_DIAM – MIN_SPOT_DIAM)))). Dies führt zu einer empirischen Einstellung des Strahlfleckdurchmessers, um bessere Ergebnisse zu liefern und um eine bessere Übereinstimmung der Gesamtkorrektur der gewünschten zur Astigmatismus-Korrektur benötigten Kurve zu erhalten.
Bei Schritt 768 wird eine Variable STEP, die die Schrittweite der Bewegung des Strahlflecks bei jedem aufeinanderfolgenden Strahlschuß kennzeichnet, zu SPOT_DIAM·(DEPTH_PER_SHOT/ABLATE) gleichgesetzt. DEPTH_PER_SHOT ist der Abtragungsbetrag pro Strahlschuß und typischerweise 0,2 μm. Bei Schritt 770 wird dann eine Variable OVERLAP gleichgesetzt zu 100·(SPOT_DIAM – STEP)/ SPOT_DIAM. Dies ist der für jeden Strahlschuß benötigte Betrag an Überlappung in Prozent.
Im Schritt 772 wird eine Routine LINE 800, die anschließend im Zusammenhang mit 11 diskutiert wird, mit θ, dem Winkel, mit dem die Astigmatismuslinie erzeugt werden soll, mit einer Variable LENGTH, die auf eine vorbestimmte Länge der Reihe von Astigmatismus-Strahlschüssen plus 2·SPOT_DIAM gesetzt ist, wobei SPOT_DIAM die Strahlfleckgröße kennzeichnet, und mit einer Variable OVERLAP aufgerufen.
Nachdem die Reihe von Strahlschüssen für die Linie erzeugt wurde, schreitet das Programm zum Schritt 774 weiter, in dem DEPTH um ABLATE, das den Abtragungsbetrag pro Graben bezeichnet, reduziert wird. Das Programm springt dann auf Schritt 762, in dem der verringerte Wert von der Variable DEPTH wieder mit Null verglichen wird. Diese Schleife wird wiederholt, wobei Linien mit Strahlschüssen mit anwachsenden Strahlfleckdurchmessern bis die Variable DEPTH kleiner als Null ist, erzeugt werden. DEPTH wird kleiner als Null, wenn virtuell alle Abtragungsschüsse, die notwendig sind, um das gewünschte Maß an Korrektur durchzuführen, berechnet werden.
Sobald DEPTH kleiner als Null ist, schreitet das Programm zum Schritt 776, in dem bestimmt wird, ob DEPTH plus ABLATE größer als DEPTH_PER_SHOT ist. Falls nicht, sollte keine weitere Abtragungslinie durchgeführt werden, weil dies zuviel Korrektur liefern würde; das Programm schreitet dann zum Schritt 778 weiter, in dem die ASTIGMATISMUS-Routine 750 zur CORRECTION-Routine 700 zurückkehrt.
Wenn bei Schritt 776 der noch benötigte "Abtragungsrest" die Variable DEPTH_PER_SHOT nicht übersteigt, geht das Programm zum Schritt 780 weiter. Dort wird SPOT_DIAM auf den maximalen Strahlfleckdurchmesser von S, das die Breite der Behandlungszone 100 für die Astigmatismus-Grabenlinie bezeichnet, festgelegt, die Variable STEP wird gleichgesetzt mit SPOT_DIAM·DEPTH_PER_SHOT/(ABLATE + DEPTH) und die Variable OVERLAP wird gleichgesetzt (SPOT_DIAM – STEP)·100/SPOT_DIAM.
In Schritt 782 wird ein letzter Graben erzeugt, in dem die im Schritt 780 durch Aufrufen der Routine LINE 800 gesetzten Variablen der Strahlfleckbreite verwendet werden. Die Routine 750 kehrt dann zum Schritt 778 zurück.
Die ASTIGMATISMUS-Routine 750 erzeugt somit ein Strahlschußmuster, wie es oben in Verbindung mit 4A beschrieben wurde.
11 ist ein Flußdiagramm der LINE-Routine 800. Diese Routine 800 berechnet die Strahlschüsse zur Generierung einer Linie, die zur Erzeugung einer Astigmatismus-Korrektursequenz von Strahlschüssen verwendet wird. Die gewünschte Strahlfleckgröße wird der Routine 800 in einer Variablen SPOT_DIAM, ein Prozentsatz an Überlappung " in einer Variable OVERLAP und die Länge der Linie, die durch eine Variable LENGTH definiert ist, übergeben.
Beginnend bei Schritt 802 berechnet die LINE-Routine 800 zunächst die Schrittgröße, die gleich ist SPOT_DIAM·(1 – OVERLAP). Mit Weiterschreiten zu Schritt 804 wird die Anzahl an benötigten Startschüssen gleich dem gerundeten Wert von (LENGTH – SPOT_DIAM – STEP)/STEP berechnet. Mit Schritt 806 wird eine Zählervariable I gleich einer Variable START_VECTOR gesetzt, die gleich ist der Variable LAST_VECTOR + 1. LAST_VECTOR wird bei Beendigung der LINE-Routine 800 gleich I gesetzt.
Das Programm schreitet zu Schritt 808 weiter, in dem eine Variable entsprechend der X-Achsenentfernung von der Behandlungsachse 102 gleichgesetzt wird zu ((LENGTH – SPOT_DIAM)/2·cosθ, wobei θ der Winkel der gewünschten Astigmatismus-Korrektur ist. Im Schritt 810 wird Y entsprechend zu ((LENGTH – SPOT_DIAM)/2)·sinθ gesetzt.
Das Programm schreitet weiter zum Schritt 812, in dem bestimmt wird, ob I gleich ist START_VECTOR plus SHOTS, das das Ende dieser Strahlschußlinie anzeigt. Falls nicht, schreitet das Programm zum Schritt 814 weiter, in dem eine Feldposition X_SHOT[I] entsprechend der Strahlschußposition dieses speziellen Strahlschusses gleich X gesetzt wird und Y_SHOT[I] entsprechend I gesetzt wird. Anschließend wird im Schritt 816 X gleich X + (STEP·cosθ) und Y gleich Y + (STEP·sinθ) gesetzt. Dies ist das für den nächsten Strahlschuß benötigte Inkrement Delta.
Das Programm geht dann zum Schritt 818, in dem I inkrementiert wird und das Programm springt dann zum Schritt 812 zurück. Sobald I gleich ist START_VECTOR + SHOTS, das das Ende dieser Linie anzeigt, kehrt das Programm im Schritt 820 zur ASTIGMATISMUS-Routine 750 zurück.
12 ist ein Flußdiagramm der HYPEROPIA-Routine 850, die kreisförmige Gräben in die Behandlungsachse 102 erzeugt. Sie ist ähnlich der ASTIGMATISMUS-Routine 750, erzeugt aber kreisförmige Gräben mit geeignetem Profil, um anstatt Astigmatismus (wobei eine Kurzsichtigkeitskorrekturfunktion verwendet wird) Weitsichtigkeit zu korrigieren.
Beginnend bei Schritt 852 wird eine Variable DEPTH dem von der oben in Verbindung mit 7B diskutierten Funktion HYP_ABLATE zurückgegebenen Parameter gleichgesetzt, wenn ρ gleich S/2 – MIN_SPOT_RADIUS gesetzt wird, wobei S der Durchmesser des geeigneten Behandlungsgebiets und MIN_SPOT_RADIUS die minimale jemals für die Weitsichtigkeitsabtragung verwendete Strahlfleckgröße, die beispielsweise auf 200 μm festgelegt werden könnte, ist. Ebenso wird HYP_ABLATE mit dem den unkorrigierten Radius des Auges 44 repräsentierenden R_OLD und dem den gewünschten Grad an dioptrischer Korrektur repräsentierenden D_CORR aufgerufen. Die Variable DEPTH ist damit gleich der verbleibenden abzutragenden Tiefe. Sie ist ursprünglich geringer als die, gesamte abzutragende Tiefe, da ρ gerade innerhalb des Abtragungskreises liegt, was durch S/2 minus MIN_SPOT_RADIUS gekennzeichnet ist, wobei dies der erste Strahlfleckradius, an dem abgetragen wird, ist.
Bei Schritt 854 wird eine Variable ABLATE, die den Abtragungsbetrag für diese Weitsichtigkeitsbehandlung kennzeichnet, gleichgesetzt einem Parameter, der mit einem ρ gleich S/2 aufgerufener HYP_ABLATE zurückgegeben wird, wobei dieser zurückgegebene Parameter um den Betrag von DEPTH verringert ist. ABLATE ist somit die Diffe renztiefe am Rand der durch S/2 gekennzeichneten Behandlungsfläche und die Tiefe bei einer Entfernung MIN_SPOT_RADIUS innerhalb dieser Behandlungsfläche.
Im Schritt 856 wird eine Variable SPOT_DIAM gleich MIN_SPOT_RADIUS·2, eine Variable STEP gleich SPOT_DIAM·DEPTH_PER_SHOT/ABLATE und eine Variable OVERLAP gleich ((SPOT_DIAM – STEP)/SPOT_DIAM)·100 (d. h., in Prozent ausgedrückt) gesetzt. Damit wird der erste kreisförmige Graben geschlossen, in dem der minimale Strahlfleckdurchmesser, gekennzeichnet durch MIN_SPOT_RADIUS·2, verwendet wird.
In Schritt 858 wird eine Routine CIRCLE_LINE, die die Reihe notwendiger Strahlschüsse, um einen kreisförmigen Graben abzutragen, mit den gegebenen Variablen SPOT_DIAM, STEP und OVERLAP berechnet, aufgerufen. Die CIRCLE_LINE-Routine entspricht direkt der LINE-Routine 800 mit der Ausnahme, daß der Kreis mit einem festgelegten durch S/2 gegebenen Radius anstatt entlang einer Linie geschossen wird. Ihre Implementierung entspricht der LINE-Routine 800 mit der Ausnahme, daß jeder aufeinanderfolgende Schuß entlang des Radius ρ gleich S/2 anstatt entlang einer Linie inkrementiert wird.
In Schritt 860 wird ABLATE gleich einem von HYP_ABLATE, wenn diese mit ρ gleich S/2 aufgerufen wird, zurückgegebenen Parameter gesetzt, wobei dieser zurückgegebene Parameter anschließend durch 10 geteilt wird. Dies entspricht vorzugsweise zehn Gräben, die abgetragen werden, um das geeignete Krümmungsprofil zur Korrektur der Weitsichtigkeit zu bilden.
Im Schritt 862 wird DEPTH zu DEPTH minus ABLATE gesetzt, wodurch DEPTH auf 1/10 der gesamten zur Abtragung des hyperopischen Grabens benötigten Tiefe reduziert wird.
Die Routine 850 geht dann zum Schritt 864 weiter, wo bestimmt wird, ob die die gesamte verbleibende Abtragungstiefe kennzeichnende Variable DEPTH größer als Null ist. Wenn dies der Fall ist, gibt es verbleibende abzutragende Gräben, so daß das Pro gramm zum Schritt 866 weiterschreitet, wo die Variable SPOT_DIAM. gleich dem von INV_HYP_ABLATE, wenn diese Funktion mit einem A, das gleich der Variablen DEPTH ist, aufgerufen wird, zurückgegebenen Parameter gesetzt wird. Diese gibt dann wiederum den Radius zurück, bei dem eine Abtragung zu einer Tiefe gleich dem aktuellen Wert von DEPTH stattfinden muß, um die geeignete Weitsichtigkeitskorrektur zu liefern. Dieser zurückgegebene Parameter ist allerdings ein Abstand von der Behandlungsachse 102. Um den eigentlichen Strahlfleckdurchmesser zu berechnen, wird SPOT_DIAM gleich 2·(S/2 – SPOT_DIAM) gesetzt. Dies legt SPOT_DIAM auf zweimal der Differenz des Radius der eigentlichen Behandlungszone minus dem Radius, bei dem die tatsächliche Abtragungstiefe auftreten muß, fest. Diese Differenz in den Radien mal zwei ist somit gleich dem Strahlfleckdurchmesser des aktuellen abzutragenden Grabens.
Bei Schritt 868 wird die Variable STEP gleich SPOT_DIAM·DEPTH_PER_SHOT/ABLATE gesetzt. Zu Schritt 870 weiterschreitend, wird OVERLAP gleich ((SPOT_DIAM – STEP)/SPOT_DIAM)·100 gesetzt, womit die geeignete Überlappung in Prozent festgelegt ist.
Unter Verwendung dieser Werte von SPOT_DIAM und OVERLAP und mit einem ρ gleich S/2 wird bei Schritt 872 die Routine CIRCLE_LINE aufgerufen, um einen kreisförmigen Graben zu erzeugen. Beim Weiterschreiten zu Schritt 874 wird wieder die Variable DEPTH gleich DEPTH minus ABLATE gesetzt. Danach springt die Routine zu Schritt 864 und bildet eine kontinuierliche Schleife innerhalb der Schritte 866 bis 874 bis DEPTH nicht größer als Null ist.
Wenn DEPTH im Schritt 864 nicht größer als Null ist, geht die Routine 850 zum Schritt 876, in dem bestimmt wird, ob ABLATE plus DEPTH größer als RESIDUE ist, wobei RESIDUE ein willkürlicher Wert ist, bei dem kein weiterer Graben abgetragen wird. Dieser Wert beträgt vorzugsweise 500 μm, könnte aber auch ein anderer Wert sein. Wenn ABLATE plus DEPTH größer als RESIDUE ist, dann ist noch mehr als dieser RESIDUE-Wert abzutragen, so daß die Routine 850 zum Schritt 878 weitergeht, wo ein letzter Graben erzeugt wird, wobei ein SPOT_DIAM von 2·(S/2 – MIN_SPOT_SIZE) und ein OVERLAP von ((SPOT_DIAM – STEP)/SPOT_DIAM)·100 verwendet wird. Von den Schritten 876 und 878 kehrt die Routine zum Schritt 880 zurück.
13 ist ein Flußdiagramm einer RAND_DITHER-Routine 940, die der im Schritt 722 von 9 bezeichneten DITHER-Routine entspricht. Die RAND_DITHER-Routine 940 führt an allen Vektoren in dem beschriebenen Feld von START_DITH bis LAST_VECTOR eine zufällig verteilte Zitterbewegung aus. START_DITH wurde zuvor im Schritt 702 oder im Schritt 708 aus 9 gleich der ersten Feldposition gesetzt, die den für die Astigmatismus-Korrektur benutzten Strahlschüssen folgt. Die Zitterbewegung wird daher vorzugsweise mehr auf die Kurzsichtigkeitskorrektur als auf die Astigmatismus-Korrektur angewendet. Die RAND_DITH-Routine 970 erzeugt ein in 3A dargestelltes Strahlschußmuster.
Die RAND_DITHER-Routine 940 beginnt bei Schritt 942, in dem eine Zählervariable I auf den Wert START_DITH gesetzt wird. Das Programm geht dann zum Schritt 944 weiter, in dem eine zwischenzeitliche Variable X_DUM einer Zufallszahl RANDOM zwischen minus 0,5 und 0,5 mal AMPLITUDE mal SPOT_SIZE[I] gleichgesetzt wird. Die Variable AMPLITUDE wurde der RAND_DITHER-Routine 940 übergeben, um die geeignete AMPLITUDE der Zitterbewegung als Prozentsatz der Strahlfleckgröße zu kennzeichnen, und SPOT_SIZE[I] entspricht der Strahlfleckgröße für diesen speziellen Strahlschuß.
Das Programm schreitet dann zum Schritt 946 weiter, in dem die Routine 940 bestimmt, ob der absolute Wert von X_DUM größer als eine durch eine Variable LIMIT bezeichnete Grenzgröße ist, die durch das System vorgegeben ist. Wenn X_DUM zu groß ist, geht das Programm zum Schritt 948 weiter, in dem X_DUM gleich LIMIT·X_DUM/ABS(X_DUM) gesetzt wird, wodurch X_DUM auf LIMIT mit dem geeigneten versehenen Vorzeichen gesetzt wird.
Wenn X_DUM im Schritt 946 nicht zu groß war, und in jedem Falle vom Schritt 948 aus, geht das Programm zum Schritt 950 weiter, in dem X_SHOT[I] gleich X_SHOT[I] + X_DUM gesetzt wird, wodurch ein Effekt einer willkürlich verteilten Zitterbewegung ge mäß der Erfindung geliefert wird. Das Programm schreitet dann zu den Schritten 952, 954, 956 und 958 weiter, in denen Y_SHOT[I] mit der zufälligen Zitterbewegung eingestellt wird, ebenso wie X_SHOT[I] in den Schritten 944 bis 950 mit einer Zitterbewegung beaufschlagt wurde.
Das Programm schreitet dann von Schritt 958 zum Schritt 960 weiter, wo die RAND_DITHER-Routine 940, wenn I = LAST_VECTOR, was anzeigt, daß der letzte gewünschte Vektor einer Zitterbewegung unterworfen wurde, bestimmt. Falls das nicht der Fall ist, schreitet das Programm zum Schritt 962 weiter, in dem I inkrementiert wird, und das Programm springt dann zum Schritt 944, um den nächsten Strahlschuß zu bearbeiten.
Wenn im Schritt 960 I gleich LAST_VECTOR ist, ist die RAND_DITHER-Routine 940 abgeschlossen, so daß die Routine 940 dann bei Schritt 964 zurückspringt.
12 zeigt eine alternative Routine CIRCLE_DITH 970, die anstelle der RAND_DITH-Routine 940 verwendet werden kann. Von der CIRCLE_DITH-Routine 970 wird ein Strahlschußmuster erzeugt, wie es in 3B dargestellt ist. Die CIRCLE_DITH-Routine 970 beginnt bei Schritt 972, in dem eine Variable NUM_VECT dem Ausdruck LAST_VECTOR – START_VECTOR, die beide von der aufrufenden Routine übergeben werden, gleichgesetzt wird. Beim Weiterschreiten zu Schritt 974 wird bestimmt, ob NUM_VECT/ROTATIONS kleiner als 10 ist. Die Variable ROTATIONS wird an die Routine 970 übergeben, um anzuzeigen, wieviele Kreisumrundungen um die Behandlungsachse 102 auszuführen sind, um alle Strahlschüsse einzujustieren. Diese Überprüfung wird bei 974 ausgeführt, um eine übermäßige Anzahl an Umdrehungen zu verhindern, wenn es nicht ausreichende Strahlschüsse gibt. Wenn beispielsweise nur zwanzig Vektoren vorhanden sind, wären zehn Umdrehungen in zwei Blöcken von zehn jeweils 180° voneinander entfernten Strahlschüssen die Folge. Wenn das Verhältnis NUM_VECT/ROTATIONS willkürlich auf mindestens 10 festgelegt wird, wird dadurch ei- ne solche Akkumulierung von Strahlschüssen verhindert, und es ist erforderlich, daß die Strahlschüsse zumindest über zehn verschiedene Punkte um die Behandlungsachse 102 verteilt sind. Wenn das Verhältnis NUM_VECT/ROTATIONS kleiner als 10 ist, geht das Programm zum Schritt 976, in dem ROTATIONS gleich dem gerundeten Wert von NUM_VECT/10 gleichgesetzt wird. Wenn die Bedingung im Schritt 976 und 974 nicht erfüllt war, schreitet das Programm zum Schritt 978 weiter, in dem I gleich der Variable START_VECTOR gesetzt wird.
Das Programm schreitet zum Schritt 980 weiter, in dem X_SHOT[I] gleichgesetzt wird mit X_SHOT[I] + (DIAM/2)·cos((2π·I·ROTATIONS)/NUM_VECT). Dies ordnet den Mittelpunkt jedes Strahlschusses kreisförmig an. Y_SHOT [I] wird entsprechend im Schritt 982 justiert.
Vom Schritt 982 geht das Programm weiter zum Schritt 984, in dem bestimmt wird, ob I gleich LAST_VECTOR ist. Falls dies nicht der Fall ist, geht das Programm zum Schritt 986 weiter, in dem I für einen weiteren Durchgang der Schritte 980 und 982 zur Einstellung nachfolgender Vektoren inkrementiert wird.
Wenn im Schritt 984 I gleich LAST_VECTOR ist, geht das Programm weiter zum Schritt 988, in dem der Kontrollablauf zur CALCULATE-Routine 700 zurückkehrt.
Zu betonen ist, daß diese Zitterbewegung oder Oszillation ebenso eindimensional angewendet werden kann, und für Weitsichtigkeit ebenso wie für Astigmatismus-Korrektur verwendet werden könnte.
13 illustriert ein von der Videoeinheit 56 zurückgegebenes Bild, in dem Epitheliumabtragung unter Verwendung von Infrarotfarbmittel und Großstrahlabtastung gemäß der Erfindung durchgeführt wird. Das Epithelium ist typischerweise ungefähr 50 μm dick. Wenn der in dem System S entsprechend der Erfindung bevorzugte Excimerlaser 20 ungefähr 0,2 μm per Schuß abträgt, werden typischerweise 250 vorausgehende Strahlschüsse benötigt, bis das Epithelium abgetragen ist. Ab einer bestimmten Zeit vor diesem Zeitpunkt allerdings werden Veränderungen der Dicke des Epitheliums wichtig. Beispielsweise könnten einige Punkte etwa 40 μm dick sein, während andere 60 μm dick sind.
Das System S entsprechend der Erfindung entfernt das Epithelium, in dem es erfühlt, wann es zumindest einen Teil des Epithels vollständig entfernt hat, und entfernt anschließend selektiv den restlichen Teil. 13 illustriert eine Epithelium-Entfernungszone 1000, in der zuvor eine vorbestimmte Anzahl von Strahlschüssen ausgeführt wurde, wobei eine Strahlfleckgröße von der Größe des Epithelium-Entfernungsgebiets 1000 verwendet wurde. Nach jedem Schuß weist die Videoeinheit 56 jegliche vom Auge 44 emittierte Infrarotfluoreszenz nach. Diese Fluoreszenz wird erzeugt, in dem zunächst das Epithelium mit einem infraroten fluoreszierenden Farbstoff, der nicht die Schichten unterhalb des Epitheliums einfärbt, gefärbt wird. Diese Farbmittel fluoresziert bevorzugterweise im Infraroten, um die Möglichkeit zu verringern, daß im Auge 44 ein Lasereffekt mit schädigenden Lichtfrequenzen und Energien angeregt wird. Es können auch andere Farbmittel einschließlich solcher, die im sichtbaren Lichtbereich emittieren, verwendet werden, wenn sichergestellt ist, daß keine Laserwirkung erzielt wird, die das Auge 44 schädigen könnte. Ein Infrarotfluoreszierendes Farbmittel wird auch bevorzugt, um schädigende optische Einflüsse auf den Patienten während der Ablösung des Epitheliums zu verhindern.
Nach einer vorbestimmten Anzahl an Strahlschüssen weist die Videoeinheit 56 einen Bereich des zu entfernenden Epithelium-Gebiets 1000 nach, der nicht fluoresziert. Dies zeigt an, daß dort kein infrarotfluoreszierendes Farbmittel vorhanden ist, was wiederum anzeigt, daß an diesem Punkt das Epithelium komplett abgetragen wurde.
In 13 sind zwei Gebiete 1002 und 1004 gezeigt, in denen das Epithelium durch die vorbestimmte Anzahl an Strahlschüssen entfernt wurde. An diesem Punkt wird die Strahlfleckgröße verringert und ein Gebiet 1006, in dem das Epithelium noch vorhanden ist, was durch das infrarotfluoreszierende Farbmittel angezeigt wird, wird weiter abgetragen.
Entweder unter Computeraufsicht oder unter ärztlicher Aufsicht wird die in 14 illustrierte selektive Abtragung durchgeführt. In 14 wurde das verbleibende Gebiet 1006 unter Verwendung verringerter Strahlfleckgrößen weiter abgetragen, wobei weitere Epithelium-freie Gebiete 1008, 1010, 1012, 1014 und 1016 gebildet werden. Die Video einheit 56 beobachtet das Epithelium-Entfernungsgebiet 1000 während der Abtragung jedes dieser verbleibenden Gebiete und erkennt, wenn ein gewisser Bereich dieser Gebiete nicht mehr fluoresziert. Unterschiede in der Epitheliumtiefe über jedes einzelne dieser Gebiete können wiederum eine lediglich teilweise Abtragung des Epitheliums in diesen verbleibenden Gebieten zur Folge haben. Beispielsweise ist eine Insel 1018 des Epitheliums als Rest des Gebietes 1008, das weiter abgetragen wurde, gezeigt. Solche Inseln müssen zusammen mit anderen restlichen Teilen des Epitheliums 1006, die noch nicht von der zuvor ausgeführten Abtragung entfernt wurden, weiter abgetragen werden.
Anzumerken ist, daß durch Erstellen einer Computerkarte des zu entfernenden Epitheliumgebiets 1000 in Verbindung mit der Anzahl der auf jeden speziellen Punkt in diesem Gebiet abgefeuerten Strahlschüsse eine Karte von der Dickenverteilung des Epitheliums hergestellt werden kann. Indem die Abtragungstiefe sowie der Ort eines jeden Strahlschusses, der abgefeuert wurde, bekannt ist, ist auch bekannt, mit wieviel Strahlschüssen ein spezieller Punkt beaufschlagt wurde, bevor das Epithelium von diesem Gebiet entfernt wurde. Auf diese Weise wird eine Karte der Dicke des Epitheliums erzeugt. Diese Karte wäre ähnlich zu derjenigen, die bei der Korrektur nichtsymmetrischer optischer Aberrationen, wie dies in Verbindung mit 8 diskutiert wurde, erzeugt wird.
Es soll betont werden, daß das erfindungsgemäße Großstrahlabtasten und Erzeugen einer Zitterbewegung nicht nur auf die Oberfläche des Auges 44 angewendet werden kann. Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift 4,903,695 mit dem Titel "Method and Apparatus for Performing a Keratomileusis or the Like Operation", erteilt am 27. Februar 1990, ein Verfahren zum Entfernen eines Teils der Augenhornhaut mit anschließender Abtragung der offenliegenden bzw. zugänglichen Oberfläche. Somit kann das erfindungsgemäße Gerät auch an offenliegenden bzw. herausgelösten Oberflächen, die aus einem solchen augenheilkundlichen Verfahren resultieren, verwendet werden. In so einem Falle würde die Behandlungsachse 102 entweder auf den abgetrennten Teil der Augenhornhaut oder die Oberflächenhornhaut, von der ein Teil abgetrennt wurde, fallen.

Claims

Vorrichtung (10) zum Formen der Cornea durch Gewebeentfernung von einem Bereich (100) der Cornea (44), wobei die Cornea eine Behandlungsachse hat, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Laser (20), der einen Laserstrahl (22) mit einer geeigneten Wellenlänge abstrahlt, ein optisches System (24), das den Laserstrahl auf die Cornea abbildet, wobei ein Laserlichtfleck auf der Cornea gebildet wird, und eine mit dem optischen System gekoppelte Steuereinrichtung (64), die den Laserlichtfleck erzeugt, der eine Größe hat und eine Mitte hat, die eine Lage des Lichtflecks auf dem Bereich (100) der Cornea (44) festlegen, und zum Oszillierenlassen der Achse des Laserstrahls über mindestens einen Abschnitt des Bereichs der Cornea, dadurch gekennzeichnet, daß: die Steuereinrichtung geeignet ist, die Lichtfleckmittenlage innerhalb eines Zitterbereichs (140) mit einem kleineren Durchmesser als die maximale Breite des Laserlichtflecks zu verteilen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung geeignet ist, die Lichtfleckgröße auf einen Wert zwischen 10% und 90% der Größe des Bereichs einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (64) ferner geeignet ist, die Lichtfleckmittenlage entlang der Peripherie eines Zitterbereichs (140) mit einer maximalen Breite gleichmäßig zu verteilen, die kleiner als die maximale Breite des Laserlichtflecks ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (64) ferner geeignet ist, die Lichtfleckmittenlage entlang der Peripherie eines kreisförmigen Zitterbereichs (140) mit einem Durchmesser zu bewegen, der kleiner als die maximale Breite des Laserlichtflecks ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (64) ferner geeignet ist, die Lichtfleckmittenlage entlang mindestens einer Achse (170) zu bewegen, die senkrecht zur optischen Achse ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (64) ferner geeignet ist, (a) die Lichtfleckmittenlage entlang einem ersten Kreis (180) zu bewegen; (b) die Lichtfleckgröße zu ändern; und (c) die Lichtfleckmittenlage entlang einem zweiten Kreis (180) mit einer Mitte zu bewegen, die der Mitte des ersten Kreises entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (64) ferner geeignet ist, (a) die Lichtfleckmittenlage entlang einer Linie (170) zu bewegen; (b) die Lichtfleckgröße zu ändern; und (c) die Lichtfleckmittenlage entlang der Linie zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (64) ferner geeignet ist, (a) die Lichtfleckmittenlage entlang einem Bogen (174) zu bewegen; (b) die Lichtfleckgröße zu ändern; und (c) die Lichtfleckmittenlage entlang dem Bogen zu bewegen.