JP2005296624A - 角膜レーザ外科療法のビーム誘導システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】角膜レーザ外科療法において、レーザ・ビームを目標組織の焦点に誘導する装置および方法を提供する。
【解決手段】レーザ・ビームを生成する際、レーザ・ビームの中心ビーム路からの発散は、光学誘導コンポーネントを順次配置構成することにより、最小になる。順番に、ビームは最初に、ｚ走査器具の中心へと案内され、これは焦点を媒体中でｚ方向に移動させる。次に、ビームは第１検流計ミラーの中心へと通過し、これはｘ方向に焦点の移動を導入する。次に、第２検流計ミラーが、ビームを第３検流計ミラーの中心へと再案内することにより、ｘ方向の移動を補償し、ここでｙ方向で焦点の移動が導入される。
【選択図】図２

Description

本発明は概ね角膜レーザ外科療法を実行するシステムおよび方法に関する。特に、本発明は角膜レーザ外科療法を実行するためにレーザ・ビームを光学的に誘導するシステムおよび方法に関する。本発明は特に、しかし排他的ではなく、角膜レーザ外科療法のために、ビーム路をシステムの光学コンポーネント上にほぼセンタリングしたまま、レーザ・ビームを媒体中の焦点へと光学的に誘導するシステムとして有用である。

角膜レーザ外科療法は、多くの予め決定した焦点の連なりにレーザ・ビームを移動させ、集束させる（つまり誘導する）必要がある。実行すべき特定の外科措置に応じて、このような予め決定した焦点は媒体（目標組織）上にあるか、媒体内にある。いずれの場合も、所期の目的は、予め決定したパターンに従い目標組織を光変更（photoalter）することである。例えば屈折性外科療法では、目標組織は通常、人間の目の角膜の間質組織であり、レーザ・ビームの誘導は、レーザ・システムの光学コンポーネント（つまりレンズおよびミラー）の移動、傾斜または再位置合わせによって達成される。

現在使用されているレーザ外科療法システムは通常、ビームがシステムを通過するにつれ、レーザ・ビームを移動させ、案内するよう操作される二重ミラーの組合せを含む。この組合せの中で、一方のミラーは、レーザ・ビームの焦点が目標組織のｘ−ｙ面のｘ方向に移動するよう動作する。これで、他方のミラーは、焦点が目標組織のｘ−ｙ面のｙ方向に移動するよう動作する。その結果、このような動作ごとに、レーザ・ビームは必然的にシステムを通る中心路から離れた方向に向けられる。さらに、この効果は累積的である。したがって、レーザ・ビームが動作して、特定のレーザ外科療法パターンに合わせて「ｘ」および「ｙ」の動作を実行するにつれ、ビーム路の中心が、システムの下流にある光学コンポーネントの中心から外れることになる。何らかのポイントで、これらの動作を組み合わせた効果が、レーザ・システムの光学的効率および外科的精度を大幅に低下させることがある。

以上を鑑みて、レーザ外科療法中に媒体中の焦点へとレーザ・ビームを誘導する装置で、ビームがシステムを通過するにつれ、レーザ・ビームの動作を補償して、ビームがシステムの光学コンポーネント上にほぼセンタリングした状態を維持する装置を提供することが、本発明の目的である。本発明のさらに別の目的は、角膜レーザ外科療法中に媒体中の焦点へとレーザ・ビームを誘導する装置で、目標組織中でレーザ・ビームの焦点が「ｘ」、「ｙ」および「ｚ」方向に移動する間、光学要素の中心からのレーザ・ビームの変位を最小にする装置を提供することである。本発明のさらに別の目的は、角膜レーザ外科療法中に媒体中の焦点へとレーザ・ビームを誘導するために、使用しやすく、相対的に単純に製造され、費用効果が比較的高い装置を提供することである。

本発明によると、ビーム路に沿って媒体中の焦点までレーザ・ビームを誘導する装置は、ビーム路に沿ってレーザ・ビームを生成するレーザ光源を含む。また、レーザ・ビームを誘導するために、ビーム路に沿って第１、第２および第３走査機構が順番に配置される。この３つの走査機構を組み合わせた効果は、媒体（目標組織）中のｘ−ｙ面上で焦点の動作を生成することである。本発明の好ましい実施形態では、第１、第２および第３走査機構は検流計ミラーである。この３つの走査機構に加えて、本発明の装置は、ｘ−ｙ面に直角であるｚ方向でレーザ・ビームの焦点を動作させるｚ走査器具も含む。本発明の一つの実施形態では、器具は音声コイル・サブアセンブリである。代替実施形態では、器具は能動ミラーである。

本発明で意図したように、システムの光学コンポーネントの中心からのレーザ・ビームの発散または変位は、ビーム路に沿って光学コンポーネントを適切に配置し、第３走査機構を組み込むことによって最小になる。特に、ｚ走査器具は、最初にレーザ光源の後に整列して配置され、器具の中心でレーザ・ビームを受けるよう位置決めされる。これで、ｚ走査器具により、レーザ・ビームは集束または発散して、ビームの焦点面のｚ方向動作を実行する。次に、ｚ走査器具は、ビームを第１検流計ミラーの中心に向かって送る。光学的に、第１検流計ミラーは、ビーム路上に位置決めされて、第１検流計ミラーが「θ」の角度だけ回転するたびに、ｘ−ｙ面上でｘ方向での変化を実行する。次に、第２検流計ミラーがビーム路上で位置決めされ、第１検流計ミラーによってビーム路の発散が導入されると、それを全て補償する。特に、これは第２検流計ミラーを「２θ」の角度だけ回転し、ビーム路を第３検流計ミラーの中心に再案内することによって実行される。次に、第３ミラーを「φ」の角度だけ回転し、ｘ−ｙ面上でのｙ方向での変化を実行することができる。

構造的に、第１、第２および第３検流計ミラーの個々の回転軸線は、全てビーム路に対して直角である。さらに、第１および第２検流計ミラーの回転軸線は、相互に平行である。しかし、第３検流計ミラーの回転軸線は、第１および第２検流計ミラー双方の回転軸線に対して直角である。検流計ミラーの組合せの中で、第１ミラーと第２ミラー間の中心間距離が、第２ミラーと第３ミラー間の中心間距離と等しいことも重要である。本発明で開示するように、「中心間」距離とは、ビーム路内で光学的に位置合わせされた任意の２つのミラーの反射表面の幾何学的中心間の距離と定義される。

装置は、電子的通信でｚ走査器具および３つの検流計ミラーのそれぞれと接続されたコンピュータ制御装置も含むことが好ましい。これを接続した状態で、コンピュータ制御装置は、ｚ走査器具の作用およびミラーの回転を一斉に制御する。したがって、コンピュータ制御装置は、レーザ外科療法中に媒体中の目標組織のｘ−ｙ−ｚボリュームにおいてレーザ・ビームの焦点の動作を制御することができる。さらに、コンピュータ制御装置は、光学コンポーネントの光学特性（例えばレンズの像面湾曲）、さらに走査された媒体の光学特性（例えば屈折率）を考慮に入れるようプログラムすることができる。

レーザ・ビームが上記で開示した光学コンポーネントを通過した後、ビームが媒体に入る前に、レーザ・ビームが集束レンズのほぼ中心付近に入射することが重要である。その達成を補助するため、装置は、ビーム路上で誘導用光学部品より下流に位置決めされたリレー光学部品を含む。また、本発明の好ましい実施形態では、レーザ・ビームを集束レンズへと案内するために、リレーと集束レンズとの間に２色性回転ミラーを配置することができる。また、顕微鏡を２色性回転ミラーを通して導入し、レーザ外科療法の措置中に患者の目を見るため、レーザ・ビームと位置合わせすることができる。

本発明の新規の特徴、さらに本発明自体は、その構造および動作の両方について、添付図面を添付説明と組み合わせて考慮することにより、最もよく理解され、ここで同様の参照文字は同様の部品を指す。

角膜レーザ外科療法を実行するシステムを図１に示し、概ね１０とする。図示のように、システム１０は、患者１８の目１６に向かってビーム路に沿ってレーザ・ビーム１４を案内する外科用レーザ・ユニット１２を含む。また、システム１０は、患者１８の目１６を外科用レーザ・ユニット１２と位置合わせする台２０を含む。さらに、コンピュータ制御装置２２は、レーザ外科療法の措置を監視し、制御するために、電気ケーブル２４を介して外科用レーザ・ユニット１２と電子的に連絡する。

次に図２を参照すると、本発明により媒体中の焦点へとレーザ・ビーム１４を誘導する光学装置が図示され、概ね２６とされる。一般に、装置２６は外科用レーザ・ユニット１２の一体部品である。いかなる場合も、図示のように装置２６は、レーザ・ビーム１４を生成し、ビーム路３０に沿って目１６に向かってこれを案内するレーザ光源２８を含む。レーザ光源２８は、フェムト秒レーザ光源２８、つまり約１ミクロンの波長、約１００〜１０００フェムト秒の範囲のパルス継続時間、および０．１から１００ｍＪの範囲のパルス・エネルギを有するレーザ・ビーム１４を生成するレーザ光源であることが好ましい。

図２で示すように、本発明の装置２６は、ｚ方向に焦点を移動するためにビーム路３０上で位置決めされたｚ走査器具３２を含む。しばらく図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、ｚ走査器具３２の２つの代替実施形態が図示されている。図３Ａでは、音声コイル・サブアセンブリ３２’が、ビーム路３０に固定状態で位置決めされたレンズ３４を含む。レンズ３４は平凸レンズであることが好ましい。また、サブアセンブリ３２’は、長手方向軸線４０を画定する動作可能な直線スライド３８を有する音声コイル３６を含む。図示のように、長手方向軸線４０はビーム路３０に平行である。さらに、好ましくは平凹レンズであるレンズ４２は、ビーム路３０に沿って直線スライド３８とともに前後に動作するよう、これに装着する。図３Ｂで示すように、ｚ走査器具３２の代替実施形態は能動ミラー３２”である。特に、ミラー３２”は、「Method for Programming an Active Mirror to Mimic a Wavefront」と題されJ. Billeに対して発行された米国特許第６，２２０，７０７号で開示されたタイプでよい。図３Ｂを参照して認識されるように、ミラー３２”は複数の個々の切子面を有し、そのうち切子面４３が例示されている。切子面４３は、能動ミラー３２”の表面の形状を変化させて、光の入射ビーム１４を変更するよう別個に動作できることが重要である。ビーム路３０上のｚ走査器具３２の位置、つまりレーザ光源２８の後で装置２６の残りの光学素子より上流の位置により、ビーム１４は装置３２の中心を通過することができ、これはビーム１４を目１６の焦点に集束する場合に望ましい。

ｚ走査器具３２に加えて、装置２６は走査機構４４を含み、これは検流計ミラーであることが好ましく、ミラー４４を「θ」の角度だけ回転するようビーム路３０上で位置決めされる。ミラー４４は、ビーム路３０に対して直角である回転軸線４６を有する。ビーム路３０上では走査機構４８も位置決めされ、これも検流計ミラーであることが好ましい。本発明によって予想されるように、ミラー４８は、ビーム路３０に対して直角であり、ミラー４４の回転軸線４６に平行である回転軸線５０を有する。図４で示すように、ミラー４８は、「２θ」の角度だけ回転するよう位置決めされる。さらに、走査機構５２はミラー４８と光学的に整列するよう、ビーム路３０上で位置決めされる。本発明の好ましい実施形態では、走査機構５２は検流計ミラーであり、角度「φ」だけ回転するようビーム路３０上で位置決めされる。図２および図４で、ミラー５２が、回転軸線４６および５０の両方に対して直角であり、ビーム路３０に対して直角である回転軸線５４を有することが分かる。構造的に、ミラー４４の中心５６とミラー４８の中心５８との間の距離「ｄ₁」（図４）は、中心５８とミラー５２の中心６０との間の距離「ｄ₂」と等しい。

ビーム路３０に沿って続けると、図２から装置２６がｚ走査器具３２とミラー４４、４８および５２との両方の下流に位置決めされたリレー６２を含むことが分かる。図示のように、リレー６２は複数のレンズを有し、そのうちレンズ６４ａおよび６４ｂが例示されている。リレー６２に加えて、ビーム１４がリレー６２を出る時、レーザ・ビーム１４を目１６に向かって案内するため、２色性回転ミラー６６が位置決めされている。特に、回転ミラー６６は、リレー６２の後でビーム路３０上に連続して位置決めされ、ミラー６６は、ビーム路３０に対してほぼ４５°の角度で配向される。２色性ミラー６６に加えて、本発明の装置２６は、レーザ外科療法措置中に患者１８の目１６を見るため、２色性回転ミラー６６およびビーム路３０と光学的に整列する顕微鏡６８を含む。

さらに図２を参照すると、装置２６は、レーザ・ビーム１４を目１６の焦点に集束するために位置決めされた集束レンズ７０も含む。特に、集束レンズ７０は、回転ミラー６６の下流で位置決めされる。図２で示すように、集束レンズ７０はレンズ多重線（multiplet）である。さらに、本発明で想定されるように、集束レンズ７０は中心軸線７２を画定する。リレー６２は、検流計ミラー５２を集束レンズ７０の表面上に光学的に描像するため、集束レンズ７０の上流に位置することが分かる。言い換えると、集束レンズ７０を通過する前にリレー６２を通るビーム１４の正味効果は、検流計ミラー６２および集束レンズ７０が光学的に結合することである。

本発明の動作時には、レーザ光源２８が、目１６に向かって案内されるレーザ・ビーム１４を生成する。特に、レーザ・ビーム１４を目１６の特定の層、つまり媒体内の焦点へと誘導する。本発明から予想されるように、媒体は直交ｘ−ｙ−ｚ座標系を画定し、そのうち図５および図６の座標系７４が例示されている。図５および図６を交互参照して分かるように、媒体１６は目１６の角膜７６であり、座標系７４のｘ−ｙ面は、目１６の光学軸線７８に対して垂直である。図５および図６でさらに示すように、座標系７４のｚ軸線は、光学軸線７８とほぼ一致する。

さらに本発明の動作を考察すると、レーザ・ビーム１４はレーザ光源２８を出て、ビーム路３０に沿ってｚ走査器具３２に向かって進む。本発明の一つの実施形態（図３Ａ）では、コンピュータ制御装置２２が、音声コイル・サブアセンブリ３２’の直線スライド３８を案内して、長手方向軸線４０に沿って軸方向に規定の距離だけ移動させる。その結果、直線スライド３８に装着したレンズ４２も軸方向に移動する。機能的に、静止レンズ３４に対して集束レンズ４２が移動するので、ビーム１４がレンズ４２の移動方向に応じて発散または収束する。ビーム１４の発散または収束の結果、座標系のｘ−ｙ面は、ｚ軸線に沿って効果的に移動し、面の焦点に集束する。ビームの発散および収束は、能動ミラー３２”の使用など、当技術分野で知られている他の手段で達成してもよい。特に、レーザ・ビーム１４が能動ミラー３２”に到達する前に、コンピュータ制御装置２２は、ミラー３２”の個々の切子面、例えば４３の動作を指示し、ｚ軸線に沿った焦点に集束させる。

レーザ・ビーム１４は、ｚ走査器具３２を出た後、続いてビーム路３０に沿って第１検流計ミラー４４に向かう。図２および図４の相互参照から分かるように、レーザ・ビーム１４はミラー４４の中心に向かって案内される。図４で示したように、ミラー４４は、コンピュータ制御装置２２によって指示されたように、回転軸線４６の周囲で「θ」の角度だけ回転する。レーザ・ビーム１４がミラー４４から反射すると、ビーム１４の入射角度に対するミラー４４の配向により、角膜７６の焦点がこれに対応してｘ方向に移動する。特に、焦点は、座標系７４のｘ−ｙ面のｘ軸に沿って、回転角度「θ」と比例する距離「Δｘ」だけ移動する。

ミラー４４の回転と共同して、ミラー４８は「２θ」の角度だけ回転軸線５０の周囲で回転する。レーザ・ビーム１４がミラー４８から反射すると、レーザ・ビーム１４は、ミラー４４の回転によって導入された「Δｘ」の動作を維持しながら、ビーム路３０をミラー５２の中心と整列させるよう補償される。この方法で、レーザ・ビーム１４はミラー５２の中心から反射し、ビーム１４はｙ方向に移動する。特に、ミラー５２は、コンピュータ制御装置２２に指示されて、回転軸線５４の周囲で角度「φ」だけ回転する。その結果、ミラー５２が角度「φ」だけ回転すると、ビーム１４の焦点がｘ−ｙ面のｙ軸線に沿って直線距離「Δｙ」だけ移動する。

再び図２を参照すると、レーザ・ビーム１４は第３ミラー５２で反射し、リレー６２に入る。リレー６２内で、レーザ・ビーム１４はレンズ６４ａおよび６４ｂを通過し、その間ビーム路３０は、レーザ・ビーム１４が集束レンズ７０に入射した場合に集束レンズ７０の中心軸線７２上にセンタリングするよう位置決めされる。特に、レーザ・ビーム１４は、レンズ６４ａおよび６４ｂによって集束し、ｙ方向ミラー５２を集束レンズ７０と一致するよう光学的に位置決めする。したがって、ミラー５２は、ビーム１４が集束レンズ７０に当たる前に、ビーム１４の入射角度を変化させる。しかし、ビーム１４がミラー５２から反射し、リレー６２を通過する時、ビーム１４が集束レンズ７０の中心から離れる横方向の移動はない。レーザ・ビーム１４がリレー６２を出て、回転ミラー６６から反射する時、回転ミラー６６は、ビーム１４を集束レンズ７０に向かって案内する。集束レンズ７０において、レーザ・ビーム１４はレンズ７０の中心区間に当たる。レーザ・ビーム１４が集束レンズ７０を通過する時、レーザ・ビーム１４は、目１６の角膜７６の望ましい焦点に集束する。レーザ外科療法措置の過程を通して、システムのオペレータ（図示せず）は、２色性回転ミラー６６と整列した顕微鏡６８を通して、患者１８の目１６を見ることができる。

本明細書で図示し、詳細に開示した角膜レーザ外科療法の特定のビーム誘導システムは、目的を達成し、前述したような利点を提供することが十分にできるが、これは本発明の現在好ましい実施形態の例示にすぎず、請求の範囲に記載されたものを除き、本明細書で示した構造または設計の詳細に制限がないことを理解されたい。

角膜レーザ外科療法を実行するために本発明を組み込んだシステムの立面図である。 媒体中の焦点へとレーザ・ビームを誘導するため、本発明による装置の光学コンポーネントの略図である。 本発明のｚ走査器具、特に音声コイル・サブアセンブリの一実施形態の略図である。 本発明のｚ走査機構、特に能動ミラーの代替実施形態の代表図である。 本発明によりレーザ・ビームを誘導する検流計ミラーの機能的レイアウトである。 直交座標系を画定する媒体（目標組織）の区間の斜視図である。 人間の目の断面図である。

符号の説明

１０ システム
１２ 外科用レーザ・ユニット
１４ レーザ・ビーム
１６ 目
１８ 患者
２０ 台
２２ コンピュータ制御装置
２４ 電気ケーブル
２６ 装置
２８ レーザ光源
３０ ビーム路
３２ ｚ走査器具
３２’ 音声コイル・サブアセンブリ
３２” 能動ミラー
３４ レンズ
３８ 直線スライド
４３ 切子面
４４ ミラー
４６ 回転軸線
４８ 走査機構
５０ 回転軸線
５２ 走査機構
５４ 回転軸線
５６ 中心
５８ 中心
６０ 中心
６２ リレー
６４ レンズ
６６ 回転ミラー
６８ 顕微鏡
７０ 集束レンズ
７２ 中心軸線
７４ 座標系
７６ 角膜
７８ 光学軸線

Claims (5)

1. レーザ・ビームを媒体の焦点に誘導する装置で、媒体が直交ｘ−ｙ−ｚ座標系を画定し、
   レーザ・ビームをビーム路に沿って媒体へと案内するレーザ光源と、
   レーザ・ビームを媒体のｘ方向に移動させるため、ビーム路上で位置決めされた第１走査機構と、
   レーザ・ビームの動作をｘ方向で補償するために、ビーム路上で位置決めされた第２走査機構と、
   レーザ・ビームを媒体のｙ方向に移動させるため、ビーム路上で位置決めされた第３走査機構と、
   焦点をｚ方向に移動させるｚ走査器具と、
   レーザ・ビームを媒体のｘ−ｙ面の焦点に向かって誘導するために、前記第１、前記第２および前記第３走査機構、および前記ｚ走査器具の動作を一斉に制御する手段とを備える装置。
2. 前記第１走査機構、前記第２走査機構、および前記第３走査機構が検流計ミラーである、請求項１に記載の装置。
3. 目標組織を通してレーザ・ビームの焦点を移動させる方法で、
   レーザ・ビームをビーム路に沿ってｚ走査器具の中心に案内するステップを含み、ｚ走査器具が、焦点の位置を目標組織内でｚ方向で変化させるために動作可能であり、さらに、
   レーザ・ビームをｚ走査器具の中心から第１走査機構の中心へと通過させるステップを含み、第１走査機構が、ビーム路を変更し、目標組織の焦点の位置にｘ方向の変化を導入するよう回転可能であり、さらに、
   レーザ・ビームを第３走査機構の中心に再案内することにより、変更したビーム路を補償させるために第２走査機構を回転するステップを含み、第３走査機構が、ビーム路を変更し、目標組織の焦点の位置にｙ方向の変化を導入するよう回転可能である方法。
4. レーザ・ビームが、ビーム路上に位置決めされた集束レンズを通過し、前記集束レンズが中心軸線を画定して、ビーム路は、レーザ・ビームが前記集束レンズに入射すると、前記集束レンズの中心軸線にほぼセンタリングされる、請求項３に記載の方法。
5. レーザ・ビームを媒体の焦点に誘導する方法で、媒体が直交ｘ−ｙ−ｚ座標系を画定し、
   レーザ・ビームをビーム路に沿って媒体へと案内するよう、レーザ光源を起動するステップと、
   焦点をｚ方向に移動させるため、レーザ・ビームをｚ走査器具へと案内するステップと、
   第１検流計ミラーを第１回転軸線の周囲で角度「θ」だけ回転させるステップと、
   第２検流計ミラーを第２回転軸線の周囲で角度「２θ」だけ回転させるステップと、
   第３検流計ミラーを第３回転軸線の周囲で角度「φ」だけ回転させるステップと、
   レーザ・ビームを焦点に向かって媒体のｘ−ｙ面で誘導するために、前記ｚ走査器具、および前記第１、前記第２および前記第３検流計ミラーの回転を一斉に制御するステップとを含む方法。
   

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