JP2003052737A - 多数の焦点を備えたレーザビーム発射システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は単一焦点を使用した従来技術の欠点
を排除して角膜の下層組織を迅速かつ安全に光線変形さ
せるレーザシステムであって、複数の位置で角膜組織を
同時に光線変形させるよう複数の焦点にレーザビームを
分割し、集束させるシステムを提供する。 【解決手段】 一実施例においてはマスタービームを分
散ビームに分割するために活性ミラーが使用される。別
の実施例においては、小型レンズのアレイが使用され
る。分散ビームは平行にされ、拡大されて、複数の焦点
に集束される。各焦点は角膜組織の下層を光線変形させ
るに適した平均パルスを有する。角膜組織の下層の所定
容積を迅速かつ安全に光線変形させるために複数の焦点
を群として所定の通路に沿って角膜を通過させるために
走査器が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般にレーザシステ
ムに関する。特に、本発明は単一のレーザ源から複数の
焦点を同時に形成するためのレーザビーム発射システム
に関する。本発明は、専用ではないが、屈折矯正手術
（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｓｕｒｇｅｒｙ）を実行する
のに適した複数のレーザ焦点を形成する上で有用であ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のＬＡＳＩＫ方法においては、角膜
皮弁（ａ ｃｏｒｎｅａｌ ｆｌａｐ）がマイクロ角膜
切開刀を用いて形成される。次いで、皮弁が持ち上げら
れて支質組織（ａ ｓｔｒｏｍａｌ ｔｉｓｓｕｅ）を
露出する。一旦露出されると、支質組織はエキシマレー
ザを使用して光線剥離される。光線剥離の後、皮弁が角
膜の上に置き直され、角膜が癒着しうるようにする。そ
の結果角膜が再形成される。このような仕方で角膜を再
形成することによって、患者の視力低下が矯正されう
る。しかしながら、皮弁を形成するためにマイクロ角膜
切開刀を使用することに関わる数々の欠点がある。更
に、マイクロ角膜切開刀を使用した場合に得られる成果
は外科医の技術に高度に依存する。最終的に、マイクロ
角膜切開刀を使用することによって得られる支質組織の
露出された基底の形状は一般に平坦面に限定される。こ
れらの欠点のため、角膜皮弁を形成するための新規な技
術を開発することに価値がある。

【０００３】広く容認されている角膜皮弁を形成する一
つの技術は支質組織を光線変形（ｐｈｏｔｏａｌｔｅ
ｒ）するためにパルス化したレーザビームを使用するこ
とを必要とする。この技術において、パルス化されたレ
ーザは角膜の前面の下の支質内の焦点に集束される。例
えば、パルスの持続時間が長くて数ナノ秒、短くて単に
数フェムト秒の約４ｋＨＺのパルス周波数のパルス化さ
れたビームを支質組織の下層の光線変形に使用すること
ができる。直径が約１０ミクロンの一般に使用される焦
点サイズに対して、典型的なレーザ源は焦点において約
６０μＪの平均パルスエネルギを発生させることができ
る。このエネルギ（６０μＪ）は支質組織を光線変形す
るに要するエネルギをはるかに上回っている。詳しく
は、支質組織の光線変形には単に約２μＪが必要であ
り、約５μＪが最適である。その結果、単一の焦点のみ
が使用された場合、典型的なパルス化したレーザ源で利
用可能なエネルギの殆どが無駄にされる。

【０００４】直径が約１０ミリメートルであるＬＡＳＩ
Ｋ方法に対する皮弁の例を検討する。この皮弁に対して
は、約２００、０００個の支質点の光線変形が必要とさ
れる。換言すれば、各パルスが約５μＪの平均エネルギ
を有する、約２００、０００個のパルスが必要とされ
る。この例を引続き検討すれば、単一の焦点を使用した
４ｋＨｚのレーザに対しては、１０ミリメートルの皮弁
を形成するには約５０秒が必要である。この長さの時間
（すなわち、５０秒）を要する方法は多数の深刻な問題
をもたらすことを認識すべきである。時間の長い方法に
関わる一つの問題は目の動きである。目の動きを克服す
るために、目の抑制手段がよく使用されている。残念な
がら、目を長い時間抑制することは患者に苦痛をもたら
しうる。時間の長い方法に関わる別の問題は患者の瞬き
である。患者が瞬きするたびに、角膜の前面に新しい涙
の膜が堆積される。涙の膜が僅かに異なる仕方でレーザ
ビームの光路に影響を与え、手術の精度に影響をもたら
す。このように、もしも可能であるとすれば、単一の涙
の膜で全体の処置を実行することが好ましい。典型的に
は、患者が瞬きせずに抑制しうる最大時間は約１０秒で
あり、そのため、処置全体を約１０秒以下で完了するこ
とが好ましい。

【０００５】全ての手術処置において、非対象の（すな
わち、副行の）組織に対する損傷は避けるべきである。
対象とする組織の光線変形の間、近傍の（非対象の）組
織が加熱される。非対象の組織のある程度の加熱は非対
象の組織に対する損傷なしに許容しうる。特に、支質組
織に対して、約３℃の温度上昇は長期の細胞の損傷なし
に許容しうるが、対照的に、約８℃から２３℃までの間
の温度上昇は組織の収縮、細胞の変性、細胞機能の喪失
および凝固をもたらしうる。本発明に対して重要なこと
は、組織を同時に光線変形するために多数の焦点が使用
される場合、非対象の組織が光線変形の間発生する熱に
よって損傷されるのを阻止するために隣接する焦点の間
に最小の間隔が必要とされることである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のことから、本発
明の目的は副行組織を有害な温度まで加熱することな
く、支質組織を迅速に光線変形するに適したレーザシス
テムを提供することである。本発明の別の目的は各焦点
が支質組織の光線変形を達成するための適当なパルスエ
ネルギを有しており、複数の離隔したレーザ焦点を発生
させることのできるパルス化したレーザシステムを提供
することである。更に別の本発明の目的は光線変形の間
発生する熱を放散しうるように焦点の間に適当な間隔を
有する複数のレーザの焦点にパルス化したレーザビーム
を分割することによって非対象の組織に対する熱による
損傷を阻止するレーザシステムを提供することである。
更に別の本発明の目的は約１０秒以内で支質内で約２０
０、０００の点を光線変形することができる多数の焦点
のパルス化したレーザシステムを提供することである。
本発明の更に別の目的は患者の瞬き間の時間（すなわ
ち、約１０秒以内）に１０ミリメートルの角膜皮弁全体
を迅速に光線変形することのできる多数焦点のパルス化
したレーザシステムを提供することである。更に別の本
発明の目的は、比較的使い易く、実行が簡単で、比較的
費用効果的であるレーザビームとその使用方法とを提供
することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は複数の位置にお
いて角膜組織を同時に光線変形するようにレーザビーム
を分割し、複数の焦点に集束する光学システムを指向す
る。複数の焦点は、角膜組織の下面の所定の容積を迅速
かつ安全に光線変形するように群として角膜を通して走
査することができる。本発明に対して、本システムは約
４ｋＨｚのパルス周波数と約６０μＪの平均パルスエネ
ルギとを有するパルス化したレーザビーム（以下マスタ
ービームと称する）を発生させることが可能なレーザ源
を含む。

【０００８】本発明の一実施例において、レーザ源によ
って発生するマスタービームはマスタービームを複数の
ビームに分割するために小型レンズのアレイに導かれ
る。小型レンズのアレイは中心の小型レンズの周りに円
形に６個の小型レンズを配置している。このように、７
本のビームが一連の光学レンズおよび走査器に導かれ
る。詳しくは、７本のレンズは先ず、７本のビームに分
散するために視野レンズに導かれる。該視野レンズか
ら、分散したビームは７本のビームを平行したビーム通
路に位置させるためにコリメータレンズまで導かれる。
次に、平行にされたビームはその平行にされたビームを
拡大する望遠鏡として配置された一対のリレーレンズま
で導かれる。

【０００９】一旦拡大されると、ビームは各ビームを個
別の焦点に集束するために切断レンズまで導かれる。こ
のように、一群（すなわちクラスタ）の焦点が設定され
る。小型レンズのアレイと同様に、焦点のクラスタは７
番目の焦点を円の中心に位置させて６個の焦点を円の周
りに均等に配分させるようにして配置されることが好ま
しい。本発明では、焦点のクラスタを群として角膜を通
して運動させるために走査器が設けられている。走査器
は平行とされたビームを拡大するリレーレンズの間に介
装することが好ましい。

【００１０】別の実施例において、マスタービームを７
本の分散ビームに分割するために約４０、０００個の活
性面を有する活性ミラーを使用することができる。活性
ミラーからの分散ビームは次いで前述した光学装置を使
用して、平行にされ、拡大され、かつ集束される。双方
の実施例に対して、角膜組織の下面を光線変形するに適
した、各々の焦点が約５μＪの平均パルスエネルギを有
する複数の焦点が得られる。

【００１１】本発明の新規な特徴並びに本発明自体はそ
の構造および作動について以下の説明と関連して同様の
参照文字が同様の部材を指示する添付図面とから最良に
理解される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１を先ず参照すれば、患者１４
の目１２に対してレーザ治療処置を実行するレーザシス
テム１０が示されている。図示のように、患者１４の目
１２はレーザシステム１０からの複数のパルス化された
レーザビームを受取るように整合している。以下詳細に
説明するように、概ね軸線１６に沿って集束することが
好ましい複数のパルス化されたレーザビームは支質組織
を光線変形するように患者１４の目１２内の焦点にレー
ザシステム１０によって同時に集束される。本発明によ
れば、光線変形はＬＡＳＩＫタイプの手順に適した皮弁
を形成し、角膜の屈折変化を行い、目１２に通路すなわ
ち排液溝を形成し、あるいは目の組織を切開あるいは除
去する必要のある、当該技術分野で周知のその他のいず
れかのタイプの外科手順を全体的あるいは部分的に行な
うために実行することができる。

【００１３】図２は、角膜１８、瞳孔２０、虹彩２２お
よび強膜２４とを含む人間の目１２の解剖学的構造を示
す。図３において、角膜１８は組織の解剖学的に区別し
うる５個の層を含む。図３において、前面から後面の方
向に見て、角膜１８の組織の層は、上皮２６、ボーマン
膜２８、支質３０、デセメット膜３２および内皮３４が
ある。これらの中、支質３０は最も厚い層であり、本発
明に対して全体的に重要である支質組織を含んでいる。
特に、支質組織を除去あるいは破壊することは角膜１８
を再形成し角膜１８に対する屈折変化をもたらすための
効果的な方法と認められている。更に、典型的なＬＡＳ
ＩＫ手順に使用するに適した皮弁を形成するには支質組
織の切開を必要とする。

【００１４】図４を参照すれば、レーザシステム１０の
実施例が示されている。図示のように、レーザシステム
１０はパルス化されたレーザビームを発生させるための
レーザ源３６を含む。本発明に対して、パルス化された
レーザビーム３８は「多波長レーザ源」（Ｍｕｌｔｉｗ
ａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ）とい
う名称でジョセフ ・エフ・ビル他（Ｊｏｓｅｆ Ｆ．
Ｂｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ）に対して発行された米国特許
第４，７６４，９３０号に全体的に開示され、かつ請求
されているパルス化されたレーザ源によって発生したパ
ルス化されたレーザビームのそれと類似の物理的性質を
有することが好ましい。更に、本発明は長くて数ナノ
秒、短くてほんの数フェムト秒のパルス持続時間で約４
ｋＨｚのパルス周波数を有するパルス化されたレーザビ
ーム３８の使用を目論んでいる。パルス化されたレーザ
ビーム３８は約１０フェムト秒から５ピコ秒（１０ｆｓ
ｅｃ−５ｐｓｅｃ）の間の持続時間と約９００ナノメー
トル（９００ｎｍ）以上の波長を有するパルスを有する
ことが好ましい。また、パルス化されたレーザビーム３
８は平方センチメートル当たり１００ジュール以下（＜
１００／ｃｍ²）のフルエンスを有することが好まし
い。これらの特性により、パルス化されたレーザビーム
は約６０マイクロジュール（６０μＪ）の平均パルスエ
ネルギを有する直径が約１０マイクロメートル（１０μ
ｍ）の焦点に集束させることができる。

【００１５】図４および図５の断面図を参照すると、レ
ーザ源３６によって発生したレーザビーム３８は７個の
小型レンズ４２ａ−ｇを有する小型レンズのアレイ４０
中へ導かれることが判る。また、７個の小型レンズ４２
ａ−ｇはレーザビーム３８を７個の離隔したビームに分
割しており、その内の３個（すなわち、ビーム４４ａ−
ｃ）が図４に示されている。図５に示すように、小型レ
ンズのアレイ４０は中心の小型レンズ４２ｇを囲む円の
周りに配置された６個の小型レンズ４２ａ−ｆを有する
ように構成されている。小型レンズ４２ａ−ｆは約２ミ
リメートル（２ｍｍ）の直径４１を有し、図示のように
約６ミリメートル（６ｍｍ）の直径４３を有する円内に
緊密に詰められている。小型レンズのアレイ４０から、
ビーム４４ａ−ｃは負の視野レンズ４６に導かれ、ビー
ム４４ａ−ｃを分散することによって分散ビーム４８ａ
−ｃを形成する。視野レンズ４６から、分散ビーム４８
ａ−ｃはコリメータレンズ５０に導かれ、７本のビーム
を平行のビーム軌道に位置させる。次に、平行にされた
ビーム５２ａ−ｃは拡大するためリレーレンズ５４およ
びリレーレンズ５６を通して導かれる。図示のように、
リレーレンズ５４、５６は平行にされたビーム５２ａ−
ｃを拡大する望遠鏡として配置されている。リレーレン
ズ５４、５６は平行とされたビーム５２ａ−ｃを約８：
１の倍率で拡大するように構成されることが好ましい。

【００１６】引続き図４を参照すれば、リレーレンズ５
４、５６を通過した後、拡大されたビーム５８ａ−ｃは
集光レンズ５９（すなわち、切断レンズ）まで導かれ、
拡大されたビーム５８ａ−ｃの各々を個別の焦点６０ａ
−ｃに集束する。図４と図６とを相互参照すれば、７個
の焦点のクラスタ６１が設定されることが判る。小型レ
ンズのアレイ４０（図５に示す）と同様に、焦点６０ａ
−ｇのクラスタ６１は７番目の焦点６０ｂを円の中心に
位置させて円の周りに均等に６個の焦点（６０ａおよび
６０ｃ−ｇ）を配分させて配置されることが好ましい。
直径６２が約１０マイクロメートル（１０μｍ）である
焦点６０ａ−ｇはレーザシステム１０によって形成さ
れ、約５マイクロジュール（５μＪ）び平均エネルギを
有し、各焦点を支質組織の光線変形に適当なものとして
いる。更に、本発明の好適実施例においては、６個の焦
点（６０ａおよび６０ｃ−ｇ）は直径６４が約１００マ
イクロメートル（１００μｍ）である円に配置され、各
焦点６０ａ−ｇが少なくとも２０マイクロメートル（２
０μｍ）の距離６６だけ残りの焦点６０ａ−ｇから離隔
されている。このような間隔が光線変形の間の十分な放
熱を保証し、そのため非対象組織に対する熱による損傷
を阻止する。

【００１７】さて図４を参照すると、走査器６８はリレ
ーレンズ５４とリレーレンズ５６との間に介装されるこ
とが好ましいことが判る。本発明に対しては、複数のレ
ーザビームの動きを制御するための当該技術分野で周知
の何れかの走査器を使用することができる。図４と図７
とを相互参照すれば、（例えば図７における矢印６９の
方向に）角膜１８を通して焦点６０の束６１を動かすた
めに走査器６８が設けられていることが判る。前記束６
１は（４ｋＨｚのレーザ源に対して）４０００分の１秒
の間光線変形を必要とする位置に位置されるような速度
で走査されることが好ましい。そのため、約１個のパル
スのエネルギが光線変形される各位置に対して各焦点６
０に集中される。例えば、図８に示すように、１０ミリ
メートル（１０ｍｍ）の皮弁６７を形成するために、支
質３０において約２００，０００個の点が光線変形を必
要とする。７個の焦点６０を有するクラスタ６１に対し
ては、約３０，０００個の位置が光線変形を必要とす
る。このように、この例に対して、走査器６８は約７か
ら８秒で１０ミリメートル（１０ｍｍ）の面積を走査す
るように構成される。代替的に、焦点６０の束６１は、
角膜１８において屈折変化を達成するために（例えば図
３に示す容積７２のような）支質組織の容積を光線変形
するように支質３０内で走査することができる。

【００１８】図９は本発明によるレーザシステム１０′
の別の実施例を示す。判り易くするために特性的に図４
に示す実施例において同じ番号で参照されている要素と
類似かあるいは同一の図９における要素を指示するため
にプライム（′）記号を使用している。図９に示すよう
に、前述したようにレーザ源３６′はパルス化されたレ
ーザビーム３８′を活性ミラー７０に導くために使用さ
れる。約４０，０００個の活性面を有する活性ミラー７
０が使用されることが好ましい。図示のように、活性ミ
ラー７０はパルス化されたレーザビーム３８′を７個の
離隔した分散ビームに反射するように構成され、前記レ
ーザビームの中の３本（４８′−４８ｃ′）が図９に示
されている。当該技術分野の専門家には、パルス化され
たレーザビーム３８′を分散ビームに分割するために１
個以上の光学プリズム（図示せず）を活性ミラー７０の
代わりに代替しうることが認められる。

【００１９】引続き図９を参照すると、分散ビーム４８
ａ′から４８ｃ′までは７本のビームを平行のビーム通
路に位置させるためにコリメータレンズ５０′まで導か
れる。次に、平行にされたビーム５２ａ′−５２ｃ′は
拡大するためにリレーレンズ５４′およびリレーレンズ
５６′を通して導かれる。リレーレンズ５４′、５６′
から拡大されたビーム５８ａ′−５８ｃ′はそれらを各
々個別の焦点６０ａ′−６０ｃ′まで集束させるために
集光レンズ５９′まで導かれる。この処置の間に全ての
焦点６０ａ′−６０ｃ′を同時に動かすために走査器６
８′が設けられている。

【００２０】本明細書で図示し、かつ詳細に説明したよ
うに多数の焦点を備えた特定のレーザビーム発射システ
ムは目的を達成し、前述した利点を提供することが完全
に可能であるが、それは本発明の現在好適な実施例を単
に例示しているのであり、特許請求の範囲に記載以外の
本明細書で示す構成あるいは設計の詳細に何ら制限がな
いことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法に従ってパルス化したレーザで処
置している患者を示す斜視図である。

【図２】目の斜視図である。

【図３】図２の３−３の線に沿って見た目の角膜の一部
の断面図であって、角膜の解剖学的層と、角膜の屈折を
変化させるために本発明の方法に従って除去しうる支質
組織の容積の一例とを示す図である。

【図４】複数の分散ビームを発生させるための小型レン
ズのアレイと視野レンズとを有する本発明によるレーザ
システムの概略線図である。

【図５】本発明において使用する小型レンズのアレイの
側面図である。

【図６】本発明によるレーザシステムの焦点の好適配置
を示す線図である。

【図７】外科処置の間の本発明による焦点のクラスタの
動きを示す目の角膜の一部の拡大した平面図である。

【図８】本発明によるレーザシステムを使用して角膜の
皮弁を切開し、持ち上げた後の図３と同様の断面図であ
る。

【図９】複数の分散ビームを発生させるための活性ミラ
ーを有する本発明によるレーザシステムの別の実施例の
概略線図である。

【符号の説明】

１０ レーザシステム １２ 目 １８ 角膜 ３６ レーザ源 ３８ レーザビーム ４０ 小型レンズのアレイ ４２ 小型レンズ ４４ 分割されたビーム ４８ 分散したビーム ５０ コリメータレンズ ５２ 平行のビーム ５４、５６ リレーレンズ ５８ 拡大されたビーム ５９ 集光レンズ ６０ 焦点 ６１ 焦点のクラスタ ６７ 皮弁 ６８ 走査器 ７０ 活性ミラー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザによる目の外科処置に使用するた
   めに複数の焦点を形成するレーザシステムにおいて、 パルス化されたレーザビームを形成する手段と、 前記のパルス化されたレーザビームを分割して複数のビ
   ームを発生させる手段と、 前記の複数のビームを集束してクラスタとして配置され
   た複数の焦点を発生させる手段と、 前記外科処置の間の目の内部で前記クラスタの前記複数
   の焦点を同時に動かすように前記クラスタを走査する手
   段とを含むことを特徴とする複数焦点を形成するレーザ
   システム。
2. 【請求項２】 複数の分散ビームを発生させるために前
   記複数のビームを分散させる手段と、 複数の平行したビームを発生させるために前記複数の分
   散ビームを平行にする手段と、 複数の拡大されたビームであって、前記複数の焦点に集
   束される複数の拡大されたビームを発生させるために前
   記複数の平行したビームを拡大する手段と、を更に含む
   ことを特徴とする請求項１に記載されたレーザシステ
   ム。
3. 【請求項３】 患者の角膜の支質組織を光線変形させる
   レーザシステムにおいて、 約４ｋＨｚのパルス周波数と約６０μＪの平均パルスエ
   ネルギとを有するパルス化されたレーザビームを形成す
   る手段と、 各々の焦点がパルス当たり約５μＪの平均エネルギを有
   する複数の焦点を発生させるために前記のパルス化され
   たレーザビームを分割する手段と、 支質組織の所定容積を光線変形させるために支質内で各
   焦点を同時に動かすように前記の複数の焦点を走査する
   手段と、を含むことを特徴とする角膜の支質組織を光線
   変形させるレーザシステム。
4. 【請求項４】前記分割手段が、 前記パルス化されたレーザビームから複数の分散ビーム
   を発生させる活性ミラーと、 複数の平行したビームを発生させるために複数の分散ビ
   ームを平行にするコリメータレンズと、 複数の拡大されたビームを発生させるために前記複数の
   平行したビームを拡大する一対のリレーレンズと、 複数の焦点を発生させるために前記複数の拡大されたビ
   ームを集束させる切断レンズとを含むことを特徴とする
   請求項３に記載されたレーザシステム。
5. 【請求項５】前記の分割手段が、 前記パルス化されたレーザビームから複数のビームを発
   生させる小型レンズのアレイと、 前記複数のビームを分散させ、複数の分散ビームを発生
   させる視野レンズと、 複数の平行ビームを発生させるために前記複数の分散ビ
   ームを平行にするコリメータレンズと、 複数の拡大されたビームを発生させるために前記複数の
   平行のビームを拡大する一対のリレーレンズと、 複数の焦点を発生させるために前記複数の拡大されたビ
   ームを集束する切断レンズとを含むことを特徴とする請
   求項３に記載されたレーザシステム。