JP2002521100A - 再帰反射装置を採用した眼動追跡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ポジショニング基準として逆反射ディスクを採用し、基準ディスクの位置を決定するためのポジショニング検出を簡素化した、物体の横方向の動きを追跡する方法の開示である。逆反射表面を備えた基準ディスクが、追跡する物体上に固定される。照射光線（4）が1方向から基準ディスクを照射し、画像工学が、基準ディスクからの後方散乱によって基準ディスクの明るい画像点（5）を形成する。2次元ポジショニング検出器（24）が明るい画像点の位置を検出し、次に、電子回路（25）が、追跡する物体のポジショニング信号（26）を生成する。基準ディスクの明るい画像点によって、単要素2次元ポジショニング検出器の使用が可能になり、また、物体位置の高速検出（＞＞1kHz）が可能になる。眼動追跡システムの方法の実施例を説明している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本願明細書は、1998年7月21日付けでファイルされた米国仮出願明細書第60/09
3,618号の利点を請求するものである。 （技術分野） 本発明は、物体の横方向への動きを追跡するための光デバイスに関するもので
ある。特に、本発明は、角膜のレーザ手術の最中の眼動を追跡するための光追跡
デバイスに関するものである。

【０００２】 （背景技術） 光屈折角膜切除術またはレーザを用いたin-situケラトミリューシス（keratom
ileuses）のような、小型レーザ光線を用いた角膜手術では、患者の眼の位置を
追跡するために、迅速かつ正確な眼動追跡装置が必要である。このような追跡装
置を用いれば、たとえ術中に眼が動いても、手術用レーザ光線を眼の所定の位置
へ伝達することができる。この追跡装置の1例が、Frey等の米国特許第5632742号
に記載されている。また、LangおよびCloutsの米国特許第5620436号には別の例
が説明されている。 これらの装置は、赤外線スペクトル範囲内で動作する光システムである。正確
性が高く高速な、信頼できる眼動追跡を達成するには、光画像システムによって
位置を正確かつ迅速に決定することができる基準を角膜上に上手く画定する必要
がある。しかし、瞳孔や角膜縁といった眼の自然構造から、信頼性の高い基準が
常に得られるとは限らない。例えば、瞳孔の質点は、瞳孔がその大きさを変える
際に移動してしまう。さらに、これらの自然構造は術中に妨害されてしまう可能
性がある。

【０００３】 様々な眼動追跡装置用の信頼性の高い基準を提供するために、角膜上に付着す
るハイコントラストマスクが提案されてきた。Frey等は、米国特許第5632742号
において、患者の眼に付着させるインクリングを開示している。LangおよびClou
tsは、米国特許第5620436号において、患者の眼に付着するリング状の目標物固
定を開示している。 リング状マスクの主な利点は、レーザ手術を施す角膜の中心周囲に簡単に配置
できることである。一方で、リング状マスクは多くの状況において不便な点があ
る。その1例は、レーザ用いたin-situケラトミリューシスである。このタイプの
手術では、自動マイクロケラトンと呼ばれる機械装置が、患者の眼の中央部分か
ら角膜表層を裂く。この層は、切られていないヒンジ部分によって角膜に付着し
てフラップとなり、このフラップを開けて、下にある角膜床の1部分をレーザで
切除することができる。このフラップにより、リング状マスクを眼に付着するこ
とが困難になる。

【０００４】 （発明の概要） 本発明は、眼のような物体の横方向の動作の高速かつ信頼性の高い追跡を可能
にするための、逆反射表面を備えた小型の基準ディスクを意図したものである。
基準ディスクは追跡する物体上に固定される。ディスクは、入射光線の後方散乱
を著しく拡張するための逆反射表面を備えている。照射光線が1方向から基準点
を照射する。画像工学装置が、基準ディスクの明るい画像点からの後方散乱を収
集する。このような明るい画像点の横方向位置を、単要素ポジショニング検出器
によって検出することができる。次に、ポジショニング検出器に接続した電子回
路が、基準ディスクのポジショニング信号を生成し、これにより物体の横方向の
動作を追跡することができる。

【０００５】 本明細書に記載している実施例では、角膜の屈折レーザ手術のための高速な眼
動追跡を提供するべく、逆反射ディスクと単要素ポジショニング検出器を実現し
ている。これらの実施例では、直径数ミリメートルの逆反射ディスクを手術範囲
付近および外の角膜上に固定する。約25cmの作業距離で離れた場所から、視軸付
近に配置した赤外線源が眼と基準ディスクを照射する。画像光学装置が角膜の画
像を単要素ポジショニング検出器上に形成する。逆反射ディスクからの強力な後
方散乱が、基本的に暗い背景画像内に明るい点を生成する。眼が動くと、基準デ
ィスクが眼と共に動き、明るい画像点がポジショニング検出器上で移動する。ポ
ジショニング検出器からの出力を読み出す電子回路が、明るい画像点のポジショ
ニング信号を生成し、これにより、眼の動作の情報が得られる。次に、制御回路
がこれらのポジショニング信号を使って、手術用レーザ光線を眼の動きに従って
誘導するための光線誘導機構を制御する。 基準ディスクは、基板と逆反射表面によって構成されている。ディスクの第2
表面は、滑らずに角膜に付着することができる。基板は、角膜に無害で、滅菌に
耐え得る紙またはその他の材料で製造することができる。基準ディスクは使い捨
てできることが好ましい。

【０００６】 逆反射基準ディスクを使用することにより、明るい画像点のポジショニング検
出への眼のポジショニング検出を簡略化することができる。その結果、単要素ポ
ジショニング検出器と簡単な電子機器を用いて、眼動の高速かつ高感度の追跡が
可能になる。あるプロトタイプは、逆反射ディスクと単要素ポジショニング検出
器を使用したポジショニング検出では10kHzよりも高速で、数ミクロンまでの高
感度が得られることを示している。これと比較して、CCDカメラに基づいたポジ
ショニング検出は、高価なフレームグラバと精巧なデータ処理電子機器を必要と
する。CCDカメラの最新値は一般に30〜60Hzに制限される。本発明のこれらの、
またその他の形態および利点は、図面、詳細な説明、請求項からより明白になる
であろう。

【０００７】 （実施例） 図１は、本発明による眼動追跡システム100のある好ましい実施例を示す略図
である。眼動追跡システム100は、位置決定装置20、制御電子機器50、スキャナ6
0を具備している。 光屈折手術の最中に眼球の動きを追跡するために、追跡システム100は、眼球1
1上に付した基準点10を採用している。位置検出装置20は、赤外線照射光線4を基
準点10上へ放射し、基準点10の位置を検出して、被験者の眼11のあらゆる位置異
常を検出する。位置決定装置20の出力からのポジショニング信号26を用いて、制
御電子機器50がスキャナ60を、手術用レーザ光線62が被験者の眼11の動きを追跡
するべく制御する。 基準点10は、直径数ミリメートルの再帰反射ディスク（retro-reflective dis
k）である。基準ディスク10を眼11の角膜の上、および施術範囲の外側に取付け
る必要がある。実際には、基準ディスク10は微量の水分で簡単に角膜上に取付け
ることができる。また、基準ディスク10は、照射光線の後方散乱を著しく拡張す
るための逆反射表面を備えている。

【０００８】 位置検出装置20は、赤外線光源21、光線スプリッタ22、焦点レンズ23、単要素
ポジショニング検出器24、電子回路25を備えている。外科医が手術を行うための
作業距離を十分に確保できるように、位置検出装置20と、追跡システム100のそ
の他の構成部分を患者の眼11から約25cm離して配置する。 赤外線光源21は、光線スプリッタ22と逆転鏡40を介して、眼11および基準ディ
スク10上に赤外線照射光線4を放射する。この赤外線光源21は、750〜1300ｎｍの
近赤外線スペクトル範囲内であることが好ましい。このスペクトル範囲内の波長
は、外科医と患者に悪影響を与えないよう十分に長く、また、一般に市販されて
いる光検出器が良好に機能できるよう十分に短い。眼11へ放射される赤外線照射
光線4の強度は、被験者の眼11に不快感を与えないようにするために、1 mW/cm²
未満であることが好ましい。

【０００９】 赤外線光源21の単純な実施例は、800nm程度で操作されるレーザダイオードか
らの拡散レーザ光線である。眼へのより均一でより安全な照射光線を生成するべ
くレーザ光線の空間的コヒーレンスを減少させるために、拡散板を使用してもよ
い。開ループ追跡システムでは、眼にかかる照射光線のサイズは所望の追跡範囲
を十分に網羅する大きさでなくてはならない。 眼11および基準ディスク10からの後方散乱5が、位置決定装置20内へと後方向
へ追跡を行う。この後方散乱光線5は、光線スプリッタ22を部分的に通過し、次
に、レンズ23によって焦点合わせが行われて、ポジショニング検出器24上に画像
を形成する。ディスク位置の良好な空間的解像度を得るためには、基準ディスク
10のポジショニング検出器24上への画像スポットサイズを1mmまたはこれ未満に
する。 ディスク10の逆反射表面のために、ディスク10からの後方拡散は、眼11の細胞
からの後方拡散よりもかなり強い。そのため、ポジショニング検出器24上のディ
スク10の画像は、基本的に暗い背景上の明るい点として見える。ポジショニング
検出器24からの出力信号は、この明るい点の位置を分析できるものであるため、
基準ディスク10の位置を決定するために使用することができる。電子回路25は、
ポジショニング検出器24からのこれらの出力信号を明るい点の質点をポジショニ
ング信号26に変換する。

【００１０】 制御電子機器50は、ポジショニング信号26を眼11の動きを追跡するべくスキャ
ナ60を制御するためのフィードバックとして用いる。制御電子機器50は、アナロ
グ回路またはコンピュータベースのデジタル回路のどちらであってもよい。その
柔軟性が本発明の用途に適しているため、デジタル回路について以下に詳細に説
明する。 コンピュータ50は、キャリブレーションからのスケール要素を用いて、明るい
画像点のポジショニング信号26から基準ディスク10の位置を計算する。ディスク
10の初期位置を登録および記憶する。次に、ディスク10の現在の位置を登録し、
これを初期位置と比較してディスク10の変位を求める。さらに、コンピュータ50
は、眼11の動きを追跡するべく手術用レーザ光線62を偏向させるようにスキャナ
60を駆動する信号51を生成する。 再帰反射ディスク10は、画像平面上に明るい点を形成させるよう明るい点を誘
導する。このような基本的に暗い背景上の明るい点の画像により、単要素でのポ
ジショニング検出器24と簡単な電子回路25を用いるだけで患者の眼11の位置を分
析することができる。

【００１１】 図1の追跡システム100は、手術用レーザ光線62のみが眼11の動きを追跡する開
ループ追跡システムである。閉ループ追跡システムでは、手術用レーザ光線62と
追跡照射光線4の両方が眼の動きを追跡する。 図2は、本発明のもう1つの好ましい実施例である閉ループ眼球追跡システム20
0を示す略図である。図1の実施例と同様に、この追跡システム200も位置検出装
置20、制御電子機器50、スキャナ60を具備している。図1の実施例と異なる点は
、入力手術用レーザ光線61と赤外線照射光線4が、ディアクロニックミラー70を
介して組み合わされ、両光線がスキャナ60で反射されることである。 ディスク10からの後方散乱5が位置検出装置20へと戻り、単要素ポジショニン
グ検出器24上に明るい画像点を形成する。電子回路25が、検出器24の出力信号を
明るい画像点の質点を表すポジショニング信号26に変換する。しかし、これらの
ポジショニング信号26はディスク10の位置だけでなくスキャナ60の角度位置にも
依存する。

【００１２】 この閉ループ追跡システム200を使って眼11の動きを追跡するには、まずコン
ピュータ50が明るい画像点の初期位置を登録および記憶する。次に、明るい画像
点のリアルタイム位置を登録および記憶し、これを初期位置と比較してポジショ
ニング検出器24上における明るい画像点の変位を求める。この変位はエラー信号
として扱われる。次に、コンピュータ50は、このエラー信号をゼロにするように
スキャナ60を駆動するための信号を生成する。この方法では、スキャナ60は、デ
ィスク10は眼11と一緒に動く 検出器24上に基準ディスク10の明るい画像点を静
止した状態で留めるために、ネガティブ・フィードバックのサーボループの一部
として機能する。この時、ディスク10は眼11と一緒に動いても構わない。これと
類似したサーボループが、瞳孔を眼の動きを追跡するための基準とした、Comswe
et等の米国特許第5410376号に記載されている。（該明細書に記載されている眼
動追跡装置は、瞳孔を追跡するものであり、眼の前に接眼鏡を設置する必要があ
るので光屈折手術には適さない。瞳孔へ届いた光線が光屈折手術において妨害さ
れ、接眼鏡が手術用のレーザ光線によって干渉されてしまう。）

【００１３】 閉ループ追跡が確立されると、入力手術用レーザ光線61に沿って見た場合に眼
11が動かずに固定して見える。入力手術用レーザ光線61は、ディアクロニックミ
ラー70によってスキャナ60内に挿入され、次に眼11上に放射されて手術用レーザ
ビーム62として機能する。ディアクロニックミラー70は、入力手術用レーザ光線
61の反射率が高く、赤外線照射光線4の透過率が高い。閉ループ追跡を用いれば
、この入力手術用レーザ光線61を、まるで眼が不動状態にあるかのように、眼の
任意の所定位置に簡単に向けることができる。 追跡システム100、200のいずれにおいても、眼動に迅速に反応できるように、
ディスク10のリアルタイム位置を高い反復率で登録することができる。例えば、
1μWの明るい画像点では、単要素ポジショニング検出器24と電子回路25を、無意
識の眼動を追跡するのに必要な速度である500Hzよりも速い速度で簡単に操作す
ることができる。あるプロトタイプでは10kHzよりも速い検出速度が達成されて
いる。

【００１４】 閉ループ追跡システム200では、優れた直線性は必要なく、象限検出器をポジ
ショニング検出器24として使用することができる。象限検出器を用いれば高速動
作が得られる。 CCDカメラをポジショニング検出器24として使用した場合、カメラの読出し速
度を上げる注意が必要である。2次元のCCDカメラからの500Hzの読出し率を扱う
ことは困難である。この難点を克服するには、読出しを、x方向に沿った1つのス
イープと、y方向に沿った1つのスイープとにグルーピングする。この方法を用い
れば、2次元のCCDカメラを2つの直交直線CCDカメラとして使用することができる
。

【００１５】 高速な眼動追跡には高速スキャナを用いる必要がある。検流計タイプのスキャ
ナは、500Hzまたはこれよりも高いスモールステップ信号にも優れた対応性を示
す。高速スキャナは、マサチューセッツ州ウォータータウンにあるGeneral Scan
ning Inc.またはCambridge Technology Inc.から市販されている。様々な追跡の
必要性に応じるために、スキャナ60の替りにこれ以外のビームステアリング機構
を使用することもできる。 眼動追跡システム100または200は、信頼性および正確性の高い手術結果を得る
ために、レーザ手術システムに組み込んで使用するものである。追跡システムは
、手術システムに対して所定の位置と方向にある患者の眼を追跡する。眼動追跡
システムを使用するためには、外科医はまず、患者の眼11の正確な位置に再帰反
射ディスク10を付着しなければならない。次に、赤外線光源21と追跡システムの
スイッチを入れる。患者の眼11を所定の位置および方向に整列させる（顕微鏡30
等を用いて行う）。眼動追跡を始動してレーザ手術を開始する。この追跡システ
ムにより、術中における眼のあらゆる動きが自動的に補正される。眼が初期位置
にある状態であれば、眼にレーザ手術を施すことができる。 図1または図2に示す赤外線光源21は、追跡システム用に限定される。ある手術
システムでは、観察用の照明を使用することもできる。観察用の照明光は、可視
スペクトル範囲内にあり、光フィルタを用いることで追跡システムから分離する
ことが可能である。

【００１６】 図3は、本発明による逆反射ディスク10の略図である。ディスク10は基板1、第
1表面2、第2表面3によって構成されている。 基板1は、角膜にとって無害であり、滅菌に耐性のある紙またはその他の材料
から成る。基板1は軽量でなければならない。直径は約数ミリメートルで、厚さ
は直径の数分の1の割合である。 ディスク10の第1表面2は逆反射性（retro-reflective）を備えている。第2表
面3は、角膜に滑らずに付着するものでなくてはならない。実際には、ディスク1
0は水分によって角膜に簡単に付着でき、また、術後は簡単に除去することがで
きる。 逆反射表面2は、入射照明光に対して強力に後方散乱する必要がある。後方散
乱は、入射照明光周囲の小さな円錐角内でより一層集光される。逆反射表面を製
造する方法の1つは、多数の微小なガラスまたはプラスチックの球体を顔料の層
に埋め込み、顔料が乾燥するとこの球体の1部分が露出した状態になるようにす
る（S.R. Milk, Optics & Photonics News, 12/1993, 6-7, Optical Society of
America）。これらの球体は、好ましくは眼動追跡用とのための近赤外線スペク
トル範囲において、所定の照明光を通すものでなければならない。さらに顔料は
、油分ベースのもので、水によって分解するものでなくてはならい。また、滅菌
に耐え得るものでなければならない。この顔料の実用的な代替として、工具店ま
たはカー用品店で販売されている反射テープを用いることもできる。

【００１７】 上述した図面と説明は本発明の例証のみを目的としたものである。付属の請求
項に記載した本発明の範囲を逸脱しない限り、様々な変更が可能であることが理
解されるであろう。 その他の参考文献 S.R. Milk, Optics & Photonics News, 12/1993, Optical Society of America,
How retro-reflections really work

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による眼動追跡システムの1実施例を示す略図である（開
ループ）。

【図２】 本発明による眼動追跡システムのもう1つの実施例を示す略図で
ある（閉ループ）。

【図３】 逆反射表面を備えた基準ディスクを示す略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 眼動を追跡するための位置検出装置であって、 眼に固定した基準点上に放射される赤外線照射光線を有し、前記基準点は再帰
   反射面を備えており、 前記基準点の明るい画像点を形成するべく、前記基準点からの後方散乱光を収
   集するために配置された光手段、 前記基準点の前記明るい画像点の位置を検出する2次元ポジショニング検出器
   、 前記基準点のポジショニング信号を生成するために前記2次元ポジショニング
   検出器と接続した電子回路を備え、 前記眼の動きを追跡するべく手術用レーザ光線または光路を導くために前記ポ
   ジショニング信号を使用することができることを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記赤外線照射光線の波長範囲が750〜1500nmであることを
   特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記赤外線照射光線がレーザダイオードから生成されること
   を特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記基準点が、直径数ミリメートルの再帰反射ディスクであ
   ることを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。
5. 【請求項５】 前記2次元ポジショニング検出器が単要素ポジショニング検
   出器を有することを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。
6. 【請求項６】 前記2次元ポジショニング検出器が射角検出器を有すること
   を特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。
7. 【請求項７】 眼動を追跡する方法であって、 再帰反射表面を備えた基準点を眼の上に固定する段階と、 赤外線照射光線を前記基準点上に放射する段階と、 前記基準点から後方散乱した照射光を収集し、前記基準点の明るい画像点を形
   成するために光手段を提供する段階と、 前記基準点の前記明るい画像点の位置を検出するために2次元ポジショニング
   検出器を提供する段階と、 前記眼のポジショニング信号を生成するための、前記2次元ポジショニング検
   出器と接続した電子回路を提供する段階とを有し、 前記眼の動きを追跡するべく手術用レーザ光線または光路を導くために前記ポ
   ジショニング信号を使用することができることを特徴とする方法。
8. 【請求項８】 前記赤外線照射光線の波長範囲が750〜1500nmであることを
   特徴とする請求項7に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記赤外線照射光線がレーザダイオードから生成されること
   を特徴とする請求項7に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記基準点が、直径数ミリメートルの再帰反射ディスクで
    あることを特徴とする請求項7に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記2次元ポジショニング検出器が単要素ポジショニング
    検出器を有することを特徴とする請求項7に記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記2次元ポジショニング検出器が射角検出器を有するこ
    とを特徴とする請求項7に記載の方法。
13. 【請求項１３】 物体の横方向動きを追跡する方法であって、 再帰反射表面を備えた基準点を前記物体の上に固定する段階と、 照射光線を前記基準点上に放射する段階と、 前記基準点から後方散乱した光を収集し、前記基準点の明るい画像点を形成す
    るために光手段を提供する段階と、 前記基準点の前記明るい画像点の位置を検出するために2次元ポジショニング
    検出器を提供する段階と、 前記物体のポジショニング信号を生成するための、前記2次元ポジショニング
    検出器と接続した電子回路を提供する段階とを有し、 前記物体の横方向の動きを追跡するために前記ポジショニング信号を使用する
    ことができることを特徴とする方法。
14. 【請求項１４】 前記照射光線の波長範囲が300〜1500nmであることを特徴
    とする請求項13に記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記基準点が、前記物体と等しい、または前記物体よりも
    小さい直径を持った再帰反射ディスクであることを特徴とする請求項13に記載の
    方法。
16. 【請求項１６】 前記2次元ポジショニング検出器が単要素ポジショニング
    検出器または射角検出器を有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
17. 【請求項１７】 眼動追跡用の基準ディスクであって、 人間の角膜に無害で、滅菌に耐え得る材料から成る基板と、 赤外線照射光において動作する再帰反射コーティングを施した第1表面と、 人間の角膜上に付着可能な第2表面とを有することを特徴とする基準ディスク
    。
18. 【請求項１８】 前記基板が、紙およびプラスチックを含む材料から成るこ
    とを特徴とする請求項17に記載の基準ディスク。
19. 【請求項１９】 前記再帰反射コーティングが、反射テープの層によって形
    成されていることを特徴とする請求項17に記載の方法。
20. 【請求項２０】 前記ディスクが使い捨てであることを特徴とする請求項17
    に記載の方法。