JP4209839B2 - レーザ照射装置の照射制御データを較正する方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
本発明は、レーザビームを角膜に照射して角膜をアブレーションするレーザ照射装置の照射制御データを較正する方法に関する。
【背景技術】
レーザビームは治療用や加工用として様々な分野で用いられている。例えば、眼科分野では、レーザビームにより角膜をアブレーション（切除）して角膜の曲率を変えることにより眼の屈折異常を矯正するレーザ装置が知られている。この種の装置では、レーザビームの１ショット当たり（または１スキャン当たり）のアブレーションレート（アブレーション深さ）は、レーザ出力や導光光学系の経年変化等の要因によりしばしば変化する。このため、アブレーションレートの変化に対応させて加工対象物をアブレーションすることが重要となる。
アブレーションレートの変化に対応するために、本出願人は、特開平６−２２６４７１号において１つの方法を提案している。この方法は、既知のアブレーションレートを持つ透明平板（ＰＭＭＡ板）に、所期する屈折力を持つようにレーザ照射により曲面を形成し、アブレーションにより形成された透明平板曲面部分の屈折力をレンズメータ等で測定し、その測定結果に基づきアブレーションのためのデータを較正する、というものである。
このような方法により、アブレーションレートの変化に対応させて加工対象物をアブレーションすることができるようになったが、より精度良くアブレーションするためのさらなる技術も思考されている。
本発明は、アブレーション状態を容易に評価することができ、また、加工対象物を精度良くアブレーションすることができる方法、及びそれに供する装置を提供することを技術課題とする。
【発明の開示】
上記課題を解決するために、本発明は、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１） レーザビームを角膜に照射して角膜をアブレーションするレーザ照射装置の照射制御データを較正する方法は、人眼の角膜形状に似た第１の凸曲面形状を持つ較正用基準物をレーザ照射装置に配置し、第１の凸曲面形状を第２の凸曲面形状にすべく照射条件を入力してレーザビームを較正用基準物に照射する照射段階と、該照射段階で実際に形成された第３の凸曲面形状を各部分的な形状として光学的に測定する測定段階と、第１の凸曲面形状から第３の凸曲面形状と変化したアブレーション深さの分布と第１の凸曲面形状から第２の凸曲面形状へ変化させるアブレーション深さの分布とに基づいて、又は第２の凸曲面形状と第３の凸曲面形状との曲率変化の分布に基づいて、各部位の照射制御データを較正する較正段階と、を持つことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、アブレーション装置システムの概略構成図である。
図２は、レーザ照射装置の導光光学系及び制御系の概略構成図である。
図３は、分割アパーチャ板の概略構成図である。
図４は、角膜形状測定装置の概略構成図である。
図５は、基準物のレーザ照射前の曲面形状、レーザ照射により予定される曲面形状、及びレーザ照射後の実際の曲面形状を説明する図である。
図６は、レーザ照射により予定されるアブレーション深さと実際のアブレーション深さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る眼科用のアブレーション装置システムの概略構成図である。
２００はエキシマレーザビームにより患者眼の角膜をアブレーションするレーザ照射装置である。１０は凸曲面形状を持つ基準物であり、照射装置２００の較正用に供する。基準物１０は透明なＰＭＭＡ（ポリメチルアクリルレート）から成り、その凸曲面形状は人眼の角膜形状に似た曲率を持つ。例えば、人眼の平均的な曲率半径Ｒ＝７．８ｍｍの半球面を持つ。この半球面の直径は１２ｍｍであり、１０ｍｍ以上あることが好ましい。１１は基準物１０を支持する支持器であり、レーザ照射中に基準物１０を安定して支持できればその構成は特に問わない。なお、レーザ照射により発生するカスがアブレーション面に付着してアブレーション後の形状に影響を与えるのを防ぐため、カス除去手段（ファンによるカスの吹き飛ばし、または吸引ポンプによるカスの吸引など）を支持器１１または基準物１０の近辺に設けることが好ましい。
１００は角膜形状測定装置であり、後述するように、患者眼の角膜に多数の円環状のプラチドリングを投影してその像を検出することにより、角膜の広い範囲にわたって角膜曲率分布を得ることができ、角膜表面形状を測定することができる。なお、角膜形状測定はプラチドリングを使用した構成に限られるものでなく、例えば、スリット光により光切断した断面像を得て、これから角膜表面形状を測定する構成でもよい。この測定装置１００は、角膜だけでなく基準物１０の形状を測定する装置としても使用される。これにより、専用の測定装置を用意しなくても済むので、経済的に有利である。
３０は解析装置であり、解析部３１、モニタ３２、キーボード等の入力部３２、を備える。解析部３１は、測定装置１００で得られた角膜形状データと眼屈折力分布データとに基づき屈折矯正手術時のアブレーションデータを解析する機能を持つ。また、レーザ照射に対するアブレーションむら等を基準物１０の測定結果に基づき解析する機能や、照射装置１００の較正データを解析する機能等を持つ。解析装置３０で得られた解析結果は、照射装置１００のコンピュータ２０９に入力される。なお、解析装置３０の機能は、測定装置１００やコンピュータ２０９に持たせてもよい。
図２は、照射装置２００の導光光学系及び制御系を説明する概略構成図である。２１０は１９３ｎｍの波長を持つエキシマレーザビームを出射するレーザ光源である。レーザ光源２１０から出射されたレーザビームは、ミラー２１１，２１２により反射され、平面ミラー２１３でさらに反射される。ミラー２１３はミラー駆動部２１４により図における矢印方向に平行移動可能であり、レーザビームをガウシアン分布方向に平行移動（走査）する。２１５はイメージローテータであり、イメージローテータ駆動部２１６により中心光軸を中心に回転駆動され、レーザビームを中心光軸周りに回転させる。２１７はレーザビームの方向を変えるミラーである。
２１８はアブレーション領域を円形状に制限する可変円形アパーチャであり、アパーチャ駆動部２１９によりその開口径が変えられる。２２０はアブレーション領域をスリット状に制限する可変スリットアパーチャであり、アパーチャ駆動部２２１により開口幅とスリット開口の方向とが変えられる。２２２，２２３はレーザビームの方向を変えるミラーである。２２４は円形アパーチャ２１８およびスリットアパーチャ２２０を患者眼の角膜Ｅｃ上に投影するための投影レンズである。
また、スリットアパーチャ２２０とミラー２２２との間の光路には、分割アパーチャ板２６０が挿脱可能に配置される。分割アパーチャ板２６０は、分割シャッタ２６５との組み合わせにより、アブレーション領域をさらに制限する（スキャン領域を選択的に抽出する）。この分割アパーチャ板２６０及び分割シャッタ２６５は、角膜Ｅｃの非対称成分をアブレーションするときに使用される。分割アパーチャ板２６０を光源２１０側から見ると、図３に示すように、同じ大きさの円形小アパーチャ２６１が６個並んでいる。これらの小アパーチャ２６１を分割シャッタ２６５が持つシャッタ板２６６によって選択的に開閉することにより、アブレーション領域をさらに制限してレーザ照射することができる。なお、各小アパーチャ２６１には、その開口を通過する際に起こる回折によるレーザビームの強度分布を補正する補正光学系が設けられている。分割アパーチャ板２６０及び分割シャッタ２６５は、駆動部２６８により、中心光軸の垂直な平面内で移動可能となっている。
２２５は１９３ｎｍのエキシマレーザビームを反射して可視光及び赤外光を通過する特性を持つダイクロイックミラーであり、投影レンズ２２４を経たレーザビームはダイクロイックミラー２２５により反射されて角膜Ｅｃへと導光される。ダイクロイックミラー２２５の上方には、固視灯２２６、対物レンズ２２７、双眼の顕微鏡部２０３、が配置される。
２５０はレーザ光源２１０や各駆動部２１４，２１６，２１９，２２１，２６８等を制御する制御部であり、コンピュータ２０９に接続されている。
この照射装置１００におけるアブレーションは次のように行われる。一定の深さでアブレーションする場合、ミラー２１３を図２中の矢印方向に平行移動させ、レーザ光源２１０からのレーザパルスの繰返し周波数を踏まえた速度でレーザビームをガウシアン分布方向へ走査する。ミラー２１３はレーザパルスに同期させて移動される。すなわち、ある移動位置で１パルスまたは数パルス照射後にミラー２１３を次の位置に移動させ、再び１パルスまたは数パルス照射後にミラー２１３を移動させる。この動作をアパーチャ２１８の開口で制限される領域の一端から他端まで繰り返し、レーザパルスを重ね合わせる。そして、１走査毎に所定角度ずつ走査方向を変える。この重ね合わせの走査方向は、放射状に分散するようにすることが好ましい。なお、この対象物を均一にアブレーションする方法は、特開平６−１１４０８３号に詳細に記載されているので、詳しくはこれを参照されたい。
また、各走査におけるミラー２１３の移動速度を変化させることにより、加工対象物上でのレーザパルスの重ね合わせを変化させることができる。したがって、ミラー２１３の移動速度を適切に制御すれば、凸曲面に対しても略均一な深さでアブレーションすることができる。
近視矯正のための球面成分を取り除くべく角膜Ｅｃの中央部を深くアブレーションする場合は、次のようにする。円形アパーチャ２１８の開口により制限された領域内を、ミラー２１３を順次移動させることによりレーザビームをガウシアン分布方向に走査する。そして、レーザビームが１走査されるごとにイメージローテータ２１５の回転によりレーザビームの走査方向を変更する（例えば、１２０度間隔の３方向に走査する）。これを円形アパーチャ２１８の開口径を順次変えるごとに行うことにより、角膜Ｅｃの中央部を深く周辺部を浅くアブレーションすることができる。乱視成分を取り除く場合は、円形アパーチャ２１８の代わりにスリットアパーチャ２２０で同様な制御を行う。
また、部分的にアブレーションするときは、分割アパーチャ板２６０を使用する。分割アパーチャ板２６０を光路に配置し、分割アパーチャ板２６０が持つ小アパーチャ２６１の位置を制御すると共に、分割シャッタ２６５により小アパーチャ２６１を選択的に開閉する。ミラー２１３の移動によりレーザビームを走査することにより、開放された小アパーチャ２６１を通過するレーザビームのみが部分的に照射される。
図４は、測定装置１００の概略構成図である。角膜形状測定光学系は、測定用指標投影光学系１１０と指標検出光学系１２０とから成る。投影光学系１１０は、中央部に開口を持つ円錐状のプラチド板１１１、ＬＥＤ等の複数の照明光源１１２、反射板１１３、を備える。プラチド板１１１には、測定光軸Ｌ１を中心にした同心円状に、多数の透光部と遮光部とを持つリングパターンが形成されている。光源１１２から出射された照明光は反射板１１３で反射され、プラチド板１１２を背後からほぼ均一に照明する。プラチド板１１２の透光部を透過したリングパターンの光は、角膜Ｅｃに投影される。基準物１０の曲面形状を測定するときは、患者眼に代えて基準物１０が所定の位置に配置される。
検出光学系１２０は、ビームスプリッタ１２１、ミラー１２２、撮影レンズ１２３、ＣＣＤカメラ１２５、を備える。投影光学系１１０により投影されたリングパターンの反射光は、ビームスプリッタ１２１とミラー１２２とでそれぞれ反射された後、撮影レンズ１２３によりＣＣＤカメラ１２５の撮像素子面上に結像する。また、この検出光学系３５は観察光学系を兼ねており、図示なき前眼部照明光源によって照明された患者眼の前眼部像は、ＣＣＤカメラ１２５の撮像素子面上に結像し、ＴＶモニタ１２６上に表示される。
ビームスプリッタ１２１の後方には、患者眼の眼屈折力分布を測定する屈折力測定光学系１３０が配置されている。この屈折力測定光学系１３０は、回転セクタにより走査されるスリット光を患者眼の眼底に投影する光学系と、スリット光の走査方向に対応した経線方向で角膜Ｅｃに略共役な位置に測定光軸を挟んで対称に配置された受光素子を複数対持つ受光光学系と、を有し、スリット光と受光素子とを光軸回りに同期して回転させることにより、対となる受光素子の各々の位相差信号に基づいて各経線方向で変化する屈折力分布を広い範囲で得る。なお、この眼屈折力分布測定については、特開平１０−１０８８３７号、特開平１１−３４２１５２号に詳細に記載されているので、詳しくはこれを参照されたい。
ＣＣＤカメラ１２５の出力と屈折力測定光学系１３０が持つ受光素子の出力とは、演算・制御部１４０に接続されている。演算・制御部１４０は、ＣＣＤカメラ１２５で撮像された像を画像処理して、プラチドリング像のエッジを検出する。そして、所定の角度（例：１度）ステップ毎に角膜中心に対する各エッジ位置を得ることにより、角膜曲率を求める。基準物１０の曲面形状についても同様に処理する。演算・制御部１４０により得られた角膜Ｅｃ及び基準物１０の演算結果は、トポグラフィとしてＴＶモニタ１２６にカラー表示される。また、演算・制御部１４０により得られた眼屈折力分布も、カラーマップとしてＴＶモニタ１２６に表示される。
以上のようなアブレーション装置システムにおいて、アブレーション状態の評価及び較正方法について説明する。
まず、照射装置２００の導光光学系に対し、基準物１０を所定の位置に配置する。照射装置２００のコンピュータ２０９により、あるレンズ分を矯正するものとして、その度数データを入力する。例えば、−３．００Ｄの近視矯正をすべく、＋３．００Ｄのレンズを取り除くようなデータを入力する。また、図５（ａ）に示すように、基準物１０の曲面形状Ｒ１のデータ（曲率＝半径７．８ｍｍ）とアブレーション領域ＯＺのサイズデータとを入力しておく。基準物１０のレーザ照射（アブレーション）前の曲面形状Ｒ１が既知でない場合には、測定装置１００により測定して得ることができる。コンピュータ２０９はこれらのデータ及び基準物１０の屈折率（既知）に基づき、レーザ照射（アブレーション）後に予定される曲面形状Ｒ２を求める。そして、曲面形状Ｒ１と曲面形状Ｒ２とから、アブレーション領域ＯＺにおけるアブレーションデータを求める。このアブレーションデータに基づき、レーザ照射条件となる各駆動部の制御データを定める。
制御部２５０は、前述の近視矯正の場合と同様に、制御データに基づき円形アパーチャ２１８の開口径とミラー２１３の移動とを制御することにより、基準物１０をその中央部が深くなるようにアブレーションする。
レーザ照射後、実際にアブレーションした基準物１０の曲面形状Ｒ３（図３（ｂ）参照）を測定装置１００により測定する。測定に際しては、基準物１０を測定装置１００が持つ顎台ユニットに取り付け、治具を用いて固定する。測定装置１００では、角膜Ｅｃの測定と同様に、基準物１０のアブレーション面に多数の円環状のプラチドリングを投影してその像を検出することにより、レーザ照射後の実際の曲面形状Ｒ３が測定される。
アブレーション状態を評価する場合は、曲面形状Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３等のデータを解析部３１に入力する。解析部３１は、曲面形状Ｒ２の形成に対して曲面形状Ｒ３を形成したときの形状変化を解析する。例えば、曲面形状Ｒ２と曲面形状Ｒ３とを比較し、その曲率分布の差分を解析する。あるいは、曲面形状Ｒ１から曲面形状Ｒ２にするときのアブレーション深さの分布と実際にアブレーションした後の曲面形状Ｒ３におけるアブレーション深さの分布とから、その差分を解析する。解析結果は、トポグラフィとしてＴＶモニタ１２６に表示される。トポグラフィはカラーマップの形式で表示すると分かり易い。曲面形状Ｒ２を一様な形状とするときには、単に曲面形状Ｒ３を屈折力値に変換したマップとしても表現することができる。これらの解析結果により、実際に角膜にレーザ照射することなく、照射装置２００の現状におけるアブレーション面のむら分布やエネルギ分布等を評価することができる。また、照射装置２００の調整、調整後の確認に使用することができる。その他、手術結果の予測が可能となる。
次に、照射装置２００の制御を較正する方法を説明する。この方法としては、照射装置２００に測定装置１００で測定された曲面形状Ｒ３をフィードバックして較正する方法と、解析装置３０でアブレーションデータを曲面形状Ｒ３等のデータに基づいて較正する方法と、がある。
照射装置２００にフィードバックする場合は、測定装置１００で測定された曲面形状Ｒ３のデータをコンピュータ２０９に入力する。曲面形状Ｒ２の形成に対して曲面形状Ｒ３を形成したときの形状変化は、アブレーションレートの変化として解析することができる。例えば、レーザ照射前後の曲面形状Ｒ１，曲面形状Ｒ３の曲率半径の変化と基準物１０の屈折率とから、実際にアブレーションされたレンズ分の屈折力値を演算により得ることができる。これと、曲面形状Ｒ２を形成すべく決定されたレーザ照射条件の屈折力値とを比較することにより、基準物におけるアブレーションレートの変化を知ることができる。簡易的には、このアブレーションレートの変化を使用して、照射装置２００の駆動制御データを較正することができる。
また、屈折力変化として捉える代わりに、レーザ照射前後の曲面形状の変化から中央部で実際にアブレーションされた深さ情報が得られるので、これと曲面形状Ｒ２を形成すべく決定されたレーザ照射条件とから、そのまま基準物におけるアブレーションレートを知ることができる。すなわち、アブレーション深さを実際に施したレーザ照射条件のショット数（スキャン数）で割り算すれば、中央部における現在のアブレーションレートを知ることができる。
さらに、任意位置でのアブレーション深さ情報が得られるので、各位置におけるショット数（スキャン数）で割り算することにより、その各位置でのアブレーションレートを知ることができる。各位置でのアブレーションレートを詳細に知ることができれば、周辺側のアブレーション不足や部分的なアブレーション面のムラを較正することができる。
なお、人眼の角膜のアブレーションレートは、ＰＭＭＡのアブレーションレートに対して２倍程の値となることが経験的に得られている。従って、ＰＭＭＡから成る基準物を用いた場合、人眼の角膜に対するＰＭＭＡのアブレーションレートの関係と上記の演算で求められるＰＭＭＡでのアブレーションレートとから、角膜に対する現在のアブレーションレートを得ることができる。
照射装置２００の較正を説明する。アパーチャ２１８の開口径がアブレーション深さに対する関数として表現できるときは、現在のアブレーションレートに対するアパーチャ２１８の各開口径を演算し、その演算結果に基づいてアパーチャ２１８の開口径を変化させる。これは、アブレーション領域におけるアブレーションレートが回転対称で変動する場合にも対応することができる。また、アブレーションレートが線対称に変動するときには、スリットアパーチャ２２０の開口幅の制御により同様に対応することができる。
また、アパーチャ２１８の開口径の制御は従来のままで、レーザビームの１スキャンにおけるミラー２１３の移動速度を中央部と周辺部とで変化させることにより、回転対称で変動するアブレーションレートに対応することができる。すなわち、アブレーション領域の中央部に対して周辺部がアブレーション不足となる場合、中央部から周辺部にいくにしたがってミラー２１３の移動速度を遅くし、周辺側のショット数（レーザ照射時間）を多くする。この方法は、アパーチャ２１８の開口径を一定にしたまま、一定の深さをアブレーションする治療（ＰＴＫ）の場合に特に有効である。
さらに、部分的にアブレーションレートが変動する場合には、部分的なアブレーションに用いる分割アパーチャ板２６０の制御により対応することができる。上記のアパーチャの開口制御やミラー２１３の移動制御で対応できない部分についは、分割アパーチャ板２６０の制御により小領域のレーザビームを部分的に照射する。各位置ではアブレーションレートで割ることによりショット数（レーザ照射時間）を決定する。
コンピュータ２０９で上記のような各駆動部の制御データの較正が終了したら、再度、新たな基準物１０にレーザ照射し、アブレーションされた基準物１０の曲面形状を測定装置１００により測定し、較正状態を確認する。
次に、解析装置３０でアブレーションデータを較正する場合を説明する。アブレーション領域ＯＺ，曲面形状Ｒ１，曲面形状Ｒ２，曲面形状Ｒ３の各データを解析部３１に入力する。解析部３１は、曲面形状Ｒ２の形成に対して曲面形状Ｒ３を形成したときの形状変化を解析する。図６に示すように、レーザ照射前の曲面形状Ｒ１のデータとレーザ照射により予定される曲面形状Ｒ２のデータとから、アブレーションレートが基準値のときにアブレーションされる深さＤ１（予定深さ）をアブレーション領域ＯＺの各位置で算出する。次に、レーザ照射前の曲面形状Ｒ１のデータと実際にアブレーションされた曲面形状Ｒ３のデータとから、実際にアブレーションされた深さＤ２をアブレーション領域ＯＺの各位置で算出する。これから各位置でのアブレーション深さの変化率である較正常数ｋ（ｒ，θ）を次式により求める。
ｋ（ｒ，θ）＝設定深さＤ１／実際にアブレーションされた深さＤ２
ここで、ｒは照射中心に対する距離、θは基準方向に対する角度とし、位置のパラメータを極座標系（ｒ，θ）で表すものとする。この較正常数ｋ（ｒ，θ）を使用して、手術時に照射装置２００に入力するアブレーションデータを較正する。
実際に患者眼のアブレーションデータを算出するときは、測定装置２００により測定した術前の角膜形状データと屈折力分布データとを解析部３１に入力する。また、アブレーション領域のサイズデータを入力する。解析部３１は入力された各データに基づき、アブレーションレートが基準値であるときのアブレーションデータ（ショットデータ）を決定する。広い範囲にわたる屈折力分布データを使用することにより、眼の収差をも補正するアブレーションデータを得ることができる（この算出の詳細は、特開平１１−２０７８１号等を参照）。なお、このアブレーションデータの算出は測定装置２００で行ってもよい。算出したアブレーションデータに対して、前述の較正常数ｋ（ｒ，θ）を掛けて較正後のショットデータであるアブレーションデータを決定する。
較正後のアブレーションデータを照射装置２００に入力する。予めアブレーションデータを較正しておけば、照射装置２００ではそのアブレーションデータに従って各駆動部２１４，２１６，２１９，２２１，２６８を制御すれば、目的とするアブレーションが可能となる。
以上説明した照射装置２００は、アパーチャ開口制御、レーザビームの平行走査を使用する構成としたが、１．０ｍｍほどの小スポットのレーザビームをガルバノミラー等で走査する方式であってもよい。
【産業上の利用可能性】
以上説明したように、本発明によれば、加工対象物の曲面に近似した曲面形状を持つ基準物を使用することにより、アブレーション状態を容易に評価することができる。また、加工対象物を精度良くアブレーションすることができる。さらにまた、基準物の曲面形状の測定に専用の装置を準備しなくてよいので、経済的にも有利となる。

Claims (1)

1. レーザビームを角膜に照射して角膜をアブレーションするレーザ照射装置の照射制御
   データを較正する方法において、
   人眼の角膜形状に似た第１の凸曲面形状を持つ較正用基準物をレーザ照射装置に配置し、第１の凸曲面形状を第２の凸曲面形状にすべく照射条件を入力してレーザビームを較正用基準物に照射する照射段階と、
   該照射段階で実際に形成された第３の凸曲面形状を各部分的な形状として光学的に測定する測定段階と、
   第１の凸曲面形状から第３の凸曲面形状と変化したアブレーション深さの分布と第１の凸曲面形状から第２の凸曲面形状へ変化させるアブレーション深さの分布とに基づいて、又は第２の凸曲面形状と第３の凸曲面形状との曲率変化の分布に基づいて、各部位の照射制 御データを較正する較正段階と、
   を持つことを特徴とするレーザ照射装置の照射制御データを較正する方法。

Images