JP2014237024A - 眼科手術用レーザのための光学システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】眼科用レーザシステム1は、パルスレーザビームを生成するレーザ光源100と、パルスレーザビームを受け取り、光軸を実質的に横断する2つの方向に走査されたXY走査ビームを出射するXYスキャナ300と、XY走査ビームを受け取り、開口数NA及び標的領域内の焦点を有するXYZ走査ビームを出射し、光軸に沿った焦点のZ焦点深度の走査から実質的に独立して、開口数NAを変更する多機能Zスキャナ450とを備える。
【選択図】図1
Description
本出願は、2009年7月29日に出願された米国特許出願番号第12/511,988号、「Optical System for Ophthalmic Surgical Laser」の優先権を主張し、この文献の全体は、引用によって本願に援用される。
レーザエンジン100は、所定のレーザパラメータを有するレーザパルスを出射するレーザを含むことができる。これらのレーザパラメータは、1フェムト秒〜100ピコ秒の範囲内、10フェムト秒〜10ピコ秒の範囲内、又は幾つかの実施の形態では、100フェムト秒〜1ピコ秒の範囲内に収まるパルス幅を含むことができる。レーザパルスは、0.1μJ〜1000μJの範囲内、他の実施の形態では、1μJ〜100μJの範囲内の1パルスあたりのエネルギを有することができる。パルスは、10kHz〜100MHzの範囲内、他の実施の形態では、100kHz〜1MHzの範囲内の繰返し周波数を有することができる。他の実施の形態は、これらの範囲の限界の組合せ内に収まるレーザパラメータ、例えば、1〜1000フェムト秒の範囲内のパルス幅を有することができる。特定の処置のためのレーザパラメータは、例えば、術前処置の間、又は患者に関する何らかのデータ、例えば、患者の年齢に基づく計算に基づいて、これらの広い範囲から選択できる。
図2は、レーザビームの波面が、幾つかの異なる形式で及び幾つかの異なる理由で、理想的な振る舞いから逸脱することがあることを示している。これらの逸脱を大きくまとめて収差と呼ぶ。収差(及び他の波面歪み)によって、実際の像点は、理想的な近軸ガウス像点(paraxial Gaussian image points)から逸脱する。図2は、出射瞳ExPを介して出射される光の波面を示している。歪みのない球状の波面Gは、出射瞳から出て、波面Gの曲率中心である点P1に一点に収束する。Gは、ガウス基準球(Gaussian reference sphere)とも呼ばれる。収差波面Wは、Gから逸れ、異なる点P2に収束する。
以下の幾つかの具体例は、「前置補償されない」レーザ送達システム1、すなわち、前置補償器200が取り除かれたレーザ送達システムの収差測定値と、「前置補償された」レーザ送達システム、すなわち、前置補償器200が取り除かれていないシステムの収差測定値とを比較することによって特徴付けられる。
XYスキャナ300は、前置補償器200から前置補償されたビームを、直接的に、又は幾つかの中間光学素子を通過させて間接的に受け取ることができる。XYスキャナ300の機能は、前置補償器200から受け取ったビームを、レーザ送達システム1の光軸を実質的に横断する方向に走査することである。様々な実施の形態では、「横断」方向は、必ずしも光軸に直交していなくてもよく、光軸に対して実質的な角度を形成するあらゆる方向を含むことができる。
上述したように、眼の手術システムは、角膜の処置で走査されるインターバルより遙かに大きいインターバルに亘って焦点を走査できるような設計を有することによって、前方のセグメントの手術、又は水晶体手術を実行するように構成される。幾つかの具体例では、Z走査は、5mm〜10mm、又は0mm〜15mmのZ走査範囲内で、Z走査経路上で実行される。(本明細書の全体に亘って、「xmm〜ymmの範囲内の走査」という表現は、開始値がxmm以上であり、終了値がymm以下である走査経路を意味し、走査範囲の全体に達しない全ての走査経路を包含するものとする。)
ここで、「X、Y、Z」の割当は、様々な具体例に亘って、広義に解釈される。Zは、典型的には、光軸を指し、これは、幾何学的な軸に近いものであってもよい。但し、眼等の標的組織内のZ方向は、レーザ送達システム1の光軸に完全に平行ではなくてもよい。また、これらの2つの間の如何なる中間軸(compromise axis)もZ方向と呼ぶことができる。また、X、Y方向は、必ずしもZ軸に直交していなくてもよい。これらは、Z方向に対して実質的な角度を形成する如何なる方向であってもよい。また、幾つかの具体例では、レーザ送達システム1の走査について説明するために、動径座標系を用いた方がより適切である場合もある。それらの具体例では、XY走査は、適切な動径座標によってパラメータ化された、Z軸に平行ではない如何なる走査であってもよい。
幾つかの具体例では、Zスキャナ450によって出射されたレーザビームは、ビームスプリッタ/ダイクロイックミラー600によって、対物レンズ700に向けて偏向される。また、このミラー600を介して様々な補助光をレーザ送達システム1にカップリングすることができる。補助光源は、光干渉断層法イメージング(optical coherence tomography imaging:OCT)システム、照明システム、視覚的観察ブロックに関連する光を含むことができる。
様々な具体例において、サブシステム前置補償器200、XYスキャナ300、Zスキャナ450及び対物レンズ700のパラメータは、相互依存した形式で最適化でき、これにより、総合的なレーザ送達システム1の光学的性能は、例えば、眼科手術用途のために独自の有用性を有する特性を示すことができる。
図17は、レーザ送達システム1の幾つかの具体例による上述した課題に対する演算的ソリューションを示している。スキャナ座標は、球座標(ζ,χ,φ)によって与えられ、ここで、ζは、Zスキャナ450の位置であり、χは、XYスキャナ300の光軸からの傾斜角であり、φは、アジマス角である。焦点位置は、焦点円筒座標(z,r,φ)によって与えられ、zは、Z焦点深度であるであり、rは、光軸からの動径距離であり、φは、アジマス角である。
Claims (36)
- パルスレーザビームを生成するレーザ光源と、
前記パルスレーザビームを受け取り、光軸を実質的に横断する2つの方向に走査されたXY走査ビームを出射するXYスキャナと、
前記XY走査ビームを受け取り、開口数NA及び標的領域内の焦点を有するXYZ走査ビームを出射し、光軸に沿った焦点のZ焦点深度の走査から実質的に独立して、開口数NAを変更する多機能Zスキャナと
を備える眼科用レーザシステム。 - 前記Zスキャナは、
第1のビーム拡大器ブロックと、
可動ビーム拡大器ブロックと、
第2の光学コントローラとを備える請求項1記載の眼科用レーザシステム。 - 前記出射されたXYZ走査ビームは、幾何学的収差、回折収差、及び幾何学的収差と回折収差の合計に等しい総収差を有し、
前記総収差は、開口数NAの関数として、Z焦点深度について、最適な開口数NAopt(z)において最適となり、
前記Zスキャナは、前記Z焦点深度において、前記開口数NAを前記最適な開口数NAopt(z)に変更するように調整される請求項1記載の眼科用レーザシステム。 - 前記最適な総収差は、最適な収差測定値に対応しており、
前記最適な収差測定値は、焦点半径rf、RMS波面誤差ω及び球面収差係数a40のうちの1つの最小値又はストレール比Sの最大値である請求項3記載のレーザシステム。 - 前記最適な収差測定値は、単位をmmとして、任意のアジマス角φにおける位置(z,r)において、5つの参照点P1=(0,0)、P2=(2,6)、P3=(5,0)、P4=(8,0)、P5=(8,3)の1つに対応し、
zは、光軸に沿った距離を表し、rは、対応する円筒座標を表し、
前記円筒座標系の(0,0)は、前記標的領域の前面の中心を表す請求項4記載の眼科用レーザシステム。 - 前記出射されたXYZ走査ビームは、幾何学的収差、回折収差、及び幾何学的収差と回折収差の合計に等しい総収差を有し、
前記開口数NAは、Z焦点深度において、開口数NAが調整できないZスキャナを有する類似のレーザシステムの総収差に比べて、レーザシステムの総収差を少なくともP(MovableExpander)%低減するように調整され、
前記P(MovableExpander)%は、20%、30%、40%及び50%のうちの1つである請求項1記載の眼科用レーザシステム。 - 前記総収差は、収差測定値によって特徴付けられ、前記収差測定値は、焦点半径rf、RMS波面誤差ω及び球面収差係数a40のうちの1つである請求項6記載の眼科用レーザシステム。
- 前記収差測定値は、単位をmmとして、任意のアジマス角φにおける位置(z,r)において、5つの参照点P1=(0,0)、P2=(2,6)、P3=(5,0)、P4=(8,0)、P5=(8,3)の1つに対応し、
zは、光軸に沿った距離を表し、rは、対応する円筒座標を表し、
前記円筒座標系の(0,0)は、前記標的領域の前面の中心を表す請求項6記載の眼科用レーザシステム。 - 前記出射されたXYZ走査ビームは、幾何学的収差、回折収差、及び幾何学的収差と回折収差の合計に等しい総収差を有し、
前記開口数NAは、Z焦点深度において、開口数NAが調整できないZスキャナを有するレーザシステムのストレール比Sに比べて、レーザシステムの総収差に対応するストレール比Sを少なくともP(MovableExpander)%増加するように調整され、
前記P(MovableExpander)%は、20%、30%、40%及び50%のうちの1つである請求項1記載の眼科用レーザシステム。 - 前記出射されたXYZ走査ビームは、幾何学的収差、回折収差、及び幾何学的収差と回折収差の合計に等しい総収差を有し、
前記開口数NAは、Z焦点深度において、前記総収差に対応するストレール比Sを0.8を超える値に増加させるように調整され、
開口数NAを調整できないZスキャナを有することのみが異なる類似のレーザシステムのストレール比Sは、0.8を下回る請求項1記載の眼科用レーザシステム。 - 前記ストレール比Sは、単位をmmとして、任意のアジマス角φにおける位置(z,r)において、5つの参照点P1=(0,0)、P2=(2,6)、P3=(5,0)、P4=(8,0)、P5=(8,3)の1つに対応し、
zは、光軸に沿った距離を表し、rは、対応する円筒座標を表し、
前記円筒座標系の(0,0)は、前記標的領域の前面の中心を表す請求項10記載の眼科用レーザシステム。 - 前記Zスキャナは、前記レーザシステムのZ焦点深度をZ走査範囲内で走査するように構成されており、前記Z走査範囲は、5mmから10mmまで及び0mmから15mmまでの何れかである請求項1記載の眼科用レーザシステム。
- 前記出射されたXYZ走査ビームは、幾何学的収差及び回折収差、並びに
幾何学的収差と回折収差の合計に等しい総収差を有し、
前記総収差は、Z焦点深度のシーケンスに対応する最適な開口数NAopt(z)のシーケンスにおいて最適な総収差値のシーケンスを有し、
前記Zスキャナは、前記Z焦点深度のシーケンスにおいて、前記開口数NAを、前記最適な開口数NAopt(z)のシーケンスに変更するように調整される請求項1記載の眼科用レーザシステム。 - 前記収差は、収差測定値によって特徴付けられ、前記収差測定値は、Z焦点深度のシーケンスに対応する焦点半径rf、ストレール比S、RMS波面誤差ω及び球面収差係数a40のうちの1つである請求項13記載の眼科用レーザシステム。
- 前記Z焦点深度のシーケンスに沿った前記焦点の動径座標は、3mm未満である請求項13記載の眼科用レーザシステム。
- 前記出射されたXYZ走査ビームは、幾何学的収差及び回折収差、並びに幾何学的収差と回折収差の合計に等しい総収差を有し、
前記開口数NAは、Z焦点深度のシーケンスにおいて、開口数NA(z)のシーケンスに調整され、Zスキャナが開口数NAを調整できない類似のレーザシステムに比べて、代表的な総収差を少なくともP(scan)%減少させる請求項1記載の眼科用レーザシステム。 - 前記代表的総収差は、Z走査範囲に亘る収差の平均、最小値及び最大値のうちの1つである請求項16記載の眼科用レーザシステム。
- 前記総収差は、Z焦点深度のシーケンスに対応する焦点半径rf、ストレール比S、RMS波面誤差ω及び球面収差係数a40のうちの1つによって特徴付けられる請求項16記載の眼科用レーザシステム。
- 前記P(scan)%は、20%、30%、40%及び50%のうちの1つである請求項16記載の眼科用レーザシステム。
- 前記開口数NAは、角膜の処置を実行する際の第1の値から、水晶体の処置を実行する際の第2の値に調整される請求項1記載の眼科用レーザシステム。
- 前記第1の値は、0.2から0.5までの範囲内であり、
前記第2の値は、0.1から0.3までの範囲内である請求項20記載の眼科用レーザシステム。 - 前記第1の値は、0.25から0.35までの範囲内であり、
前記第2の値は、0.15から0.25までの範囲内である請求項20記載の眼科用レーザシステム。 - 前記第1のビーム拡大器ブロックは、固定ブロック及び可動ブロックの何れかである請求項1記載の眼科用レーザシステム。
- 白内障の手術を実行するためのレーザシステムにおいて、
パルスレーザビームを生成するレーザ光源と、
前記パルスビームを、光軸を実質的に横断する方向にXY走査するXYスキャナと、
前記XY走査されたビームの焦点を、標的領域で光軸Zに沿ってZ走査し、
開口数NAを調整して、焦点をZ走査しながら最適な開口数NAopt(z)を追跡するZスキャナとを備えるレーザシステム。 - 前記Z走査ビームは、開口数NAの関数として、一連のZ焦点深度について、最適な開口数NAopt(z)において最適となる総収差を有し、
前記Zスキャナは、焦点が一連のZ焦点深度に亘って走査されると、開口数NAを変更して、最適な開口数NAopt(z)を追跡するように調整される請求項24記載のレーザシステム。 - Z走査ビームは、幾何学的収差及び回折収差、並びに
幾何学的収差と回折収差の合計に等しい総収差を有する請求項25記載のレーザシステム。 - 前記最適な開口数NAopt(z)を追跡する開口数NAは、
前記NAopt(z)に実質的に等しい開口数NA及び
前記NAopt(z)からP(track)%以内の開口数NAの何れかであり、
前記P(track)は、10%、20%及び30%のうちの1つである請求項24記載のレーザシステム。 - 前記Zスキャナは、
一連のZ焦点深度に亘って焦点を走査し、
相関された形式で、前記開口数NAを調整し、前記一連のZ焦点深度に対応する最適な開口数NAopt(z)を追跡する統合されたコントローラを備える請求項24記載のレーザシステム。 - 前記統合されたコントローラは、
調整動作の間に、前記焦点を走査し、前記開口数NAを調整する請求項28記載のレーザシステム。 - 前記統合されたコントローラは、
第1のビーム拡大器ブロックと可動ビーム拡大器ブロックとの間の距離を調整する調整器と、
コントローラレンズの位置を調整する調整器とのうちの1つを備える請求項28記載のレーザシステム。 - 前記統合されたコントローラは、
相関された形式で、前記Zスキャナの2個のパラメータを調整するように構成された2個の調整器を備える請求項28記載のレーザシステム。 - 前記Zスキャナは、
焦点を、標的領域内で、0mmから10mmに亘るZ走査範囲内で走査し、
前記焦点の走査の間、前記開口数NAを、0.40から0.10まで、及び0.35から0.15までのうちの1つの範囲内で調整するように構成されている請求項24記載のレーザシステム。 - 前記Zスキャナは、
前記XYスキャナと連携して、前記焦点を走査し、前記開口数NAを調整するように構成されている請求項24記載のレーザシステム。 - 前記Zスキャナは、
前記レーザ光源と前記XYスキャナとの間に配置された補助Zスキャナと連携して、前記焦点を走査し、前記開口数NAを調整するように構成されている請求項24記載のレーザシステム。 - パルスレーザビームを生成するレーザ光源と、
前記パルスレーザビームを受け取り、
光軸を実質的に横断する2つの方向に走査されたXY走査ビームを出射するXYスキャナと、
前記XY走査ビームを受け取り、
前記光軸に沿ったZ方向に更に走査されたXYZ走査ビームを出射し、
開口数NAを、標的領域内で、前記レーザシステムのZ焦点深度が角膜の処置を表しているときの0.25から0.35までの角膜範囲から、前記Z焦点深度が水晶体の処置を表しているときの0.15から0.25までの水晶体範囲に減少させる多機能Zスキャナと
を備える眼科用レーザシステム。 - 前記Zスキャナは、調整可能な2個の制御パラメータを有し、
第1の制御パラメータは、第1のビーム拡大器ブロックと可動ビーム拡大器ブロックとの間の距離に関連し、
第2の制御パラメータは、前記Zスキャナの可動レンズの位置に関連する請求項35記載の眼科用レーザシステム。
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