JP4234388B2 - 角膜の屈折特性を変えるための装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、広くは眼科のレーザによる外科処置に関するものである。より具体的には、本発明は、間質組織を除去するために、光破壊技術を利用することで眼の角膜を再形成または再構成するレーザによる外科処置に関するものである。本発明は、特に、間質組織を光破壊するために、間質薄膜内にレーザエネルギーを集束させる方法およびシステムとして有用だが、その用途に限られるわけではない。
【従来技術】
角膜の屈折特性を角膜組織の選択的除去により変更できることは周知である。例えば、近視の場合、角膜中央部から角膜組織を選択的に除去することで矯正できる。同じように、遠視の場合には、角膜中央部を取り巻く環状縁辺部内の角膜組織を選択的に除去することで矯正できる。
【0002】
眼の角膜の解剖学的な一般知識は、角膜の屈折矯正時に直面する問題を理解するのに有用である。詳しく言えば、角膜は、構造の異なる複数組織層を含む。角膜の異なる層は、眼の外側から後部に向かって内側へ順に、角膜上皮、ボーマン(Bowman)膜、間質、デシメット(Decimet)膜、角膜内皮から成る。これらの異なる組織のうち、間質は最も広がりが大きく、かつ概ね400ミクロン厚である。加えて、間質組織の治癒反応は、概して他の角膜層より早い。このため、屈折矯正処置には、概して間質組織が選ばれる。
【0003】
詳しく言えば、眼の間質は、約200の同定可能かつ区別可能な薄膜層を含んでいる。間質内のこれらの薄膜層のそれぞれは、角膜自体と同様に概ね丸天井形であり、約6ミリメートル直径の円形区域にわたって広がっている。特別な薄膜が内部に存在する層とは異なり、層内の各薄膜は、僅か約10分の1ミリ(0.1mm)から1ミリと2分の1(1.5mm)の短い距離にわたって延びている。したがって、各層は幾つかの薄膜を含んでいる。重要な点は、各薄膜が多くの原繊維を含み、該原繊維が薄膜内で事実上互いに平行に位置している点である。しかし、一方の薄膜内の原繊維は、他方の薄膜内の原繊維とは概して平行ではない。このことは、同一層内の薄膜についても、異なる層内の薄膜についても当てはまる。最後に、留意すべき点は、各個の薄膜の厚さは、層に対して直角方向に約2ミクロンにすぎない点である。
【0004】
前述の全体的な構造内で、間質に関して少なくとも3つの重要な要因がある。これらの要因は、屈折率を変更させるための、間質組織の光破壊に係わる点で重要である。要因の第1は、構造的なもので、間質内にかなりの異方性があるために、重要である。特に、薄膜内の組織の強度は、薄膜層を一緒に保持している接着組織によって得られる強度の約50倍である。したがって、薄膜の一方の層を他層から分離する(つまり薄膜層を剥離する)のに要するエネルギーは、薄膜の切断に要するエネルギーより、はるかに小さい。第2の要因は、或る程度第1の要因と関係し、光破壊に対する間質組織の反応を含んでいる。特に、光破壊レーザービームのエネルギーレベルが一定の場合、光破壊によって、より強い間質組織内に発生する気泡は、薄膜層間に発生する気泡より著しく小さくなるだろう。このことが重要なのは、大きい気泡の発生は角膜を曇らせがちで、そのために処置中の波面解析の効果が低下するからである。加えて、レーザビームが薄膜層間に集束される場合より、薄膜内部に集束される場合の方が、一定レーザエネルギーで、はるかに多くの組織が光破壊される。
【0005】
間質組織の光破壊後、水分は吸収され、光破壊効果が低下する。若干の組織の場合には、光破壊により生じる水蒸気の最大80%が吸収される。したがって、本発明は、光破壊が、若干の種類の間質組織には他の間質組織より効果的に作用するものと認識する。また、光破壊によって角膜の屈折率を変えるためには、間質薄膜内部に小気泡を発生させるのが好ましい。間質に係わる第3の要因は、光学的なもので、この要因が、ここで重要なのは、続く薄膜層の間で間質の屈折率が変わるからである。これは、各薄膜内の原繊維の配向が異なるためである。
【0006】
本発明に幾らか関連するが、波面アナライザーとエリプソメーターを使用して、光破壊時に薄膜層間の界面を見つける方法が、ビレ氏(Bille)により2001年2月14日付けで提出された『薄膜を分離する方法』という名称の米国同時係属出願第09/783,665号に開示されている。該出願の内容は、ここに引用することで、本明細書に取り入れるものである。この係属出願第09/783,665号では、LASIK式処置用の角膜フラップを製造する方法が提示されている。本発明と異なり、角膜フラップ製造の目的は、間質組織を連続カットする間に光破壊される組織全量を最小化することである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
既述のことに照らして、本発明の目的は、間質薄膜内にレーザビームの焦点を位置付け、かつ間質薄膜内部の部位に焦点を維持して、間質組織を光破壊し、眼の屈折特性を変更する装置と方法を得ることにある。本発明の別の目的は、比較的多量の間質組織を比較的低エネルギーのレーザビームを用いて光破壊する方法を得ることである。本発明の更に別の目的は、レーザビームを薄膜層間の界面にある組織に集束させた場合に発生する大気泡と、それに関連して発生する曇りとを防止可能な、間質組織光破壊の方法を得ることにある。本発明の更に別の目的は、光破壊処置の進行を追跡し、所望の屈折矯正のために除去を要する間質組織の量および部位を更新するのに利用可能な情報を得る装置と方法を得ることである。本発明の更に別の目的は、角膜の屈折特性を変更する方法、それも実施が容易で比較的費用効果のよい方法を得ることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の特徴によれば、以下の角膜の屈折特性を変えるための装置が提供される:
眼の角膜内の、多数薄膜層から成る間質薄膜を光破壊して前記角膜の屈折特性を変えるための装置において、
間質組織を光破壊して、光破壊に対する反応としての気泡を発生させるために、間質内の焦点にレーザビームを集束させる手段と、
前記気泡が前記薄膜層の内部にあるか否かを確定するために、前記気泡の直径を基準値と比較するための手段と、
前記比較結果を用いて、光破壊を行なうための、前記薄膜層内の次の位置を選択するための手段と、
前記角膜の屈折特性を変えるべく、間質組織を光破壊して、光破壊に対する反応としての気泡を発生させるために、前記レーザビームの前記焦点を選択された前記次の位置に動かすための手段とを含む、角膜の屈折特性を変えるための装置。
また、本発明の第二の特徴によれば、以下の角膜の屈折特性を変えるための装置が提供される:
眼の角膜内の、多数薄膜層から成る間質薄膜を光破壊して前記角膜の屈折特性を変えるための装置において(表面を有するとともに複数層を含む柔らかい透明材料を光変性させて材料の屈折特性を変えるための装置において)、
前記間質薄膜材料内の複数部位に位置する各焦点にレーザビームを順次集束させ、もって間質組織前記材料を光破壊して変性させ、前記各部位に気泡を発生させるための手段と、
前記各部位が処理対象である特定薄膜或る層の内部にあるか否かを確定するための手段と、
前記確定結果を用いて、前記特定薄膜或る層内の次の光破壊部位を選択し、材料の屈折特性を変化させるための手段とを含む、角膜の屈折特性を変えるための装置。
角膜の屈折特性を変更する方法は、角膜間質内部の選択部位で組織を光破壊することを含んでいる。特に、各光破壊部位は、薄膜間の部位より、むしろ間質薄膜内部に選択するのが好ましい。このようにして、複数間質薄膜を光破壊することで、角膜の屈折特性を、比較的低レーザエネルギーで、かつまた角膜の曇りなしに、変更できる。間質薄膜内部の部位を光破壊するために、レーザの焦点は、したがってレーザエネルギーは、間質薄膜内部に集束される。
本発明の場合、光破壊処置時に波面検出器を使用し、矯正処置の進行を追跡できる。波面検出器の使用により、外科医は、処置の進行中に、角膜の屈折特性について連続的に更新される情報を得ることができる。連続的に更新される情報により、外科医は、次に改変すべき間質組織の量と部位とを選択して、角膜の目標形状を得ることができる。
【0009】
本発明により間質薄膜内部に焦点を設定するためには、始めにレーザビームを角膜前面から約180ミクロンの深さの間質内部の開始点に集束させる。本発明の考えによれば、角膜前面は、波面検出器によって同定できる。レーザービームは、間質組織の光破壊の閾値を僅かに超えるエネルギーレベルに設定するのが好ましい(すなわち10マイクロメートル直径の焦点寸法に対し約5マイクロジュールを僅かに超える値)。例えば、レーザビームに使用される初期エネルギーレベルは、10ミクロン直径の焦点に対し約6マイクロジュールでよい。
【0010】
開始点が決まると、開始点の組織がレーザビームにより光破壊され、光破壊反応が生じる(すなわち気泡が発生する)。次に、この気泡の寸法が測定され、基準値と比較され、該気泡が薄膜内部か薄膜層間のどちらに発生しているのかが検出される。この気泡寸法の測定は、波面検出器で行うのが好ましい。この初期気泡が薄膜層間に発生していることが検出された場合、次の気泡は、間質内部の別の部位に発生させられる。大抵の場合、この気泡は、初期気泡より角膜前面から浅い部位に発生させる。次いで、この新しい気泡が基準値と比較され、薄膜内部に発生しているかどうかが検出される。このような処理を、光破壊が薄膜内部で行われたことを示す気泡寸法が得られるまで反復する。
【0011】
本発明の目的の場合、基準値は間質内部の仮定気泡に対応するように選ばれている。該仮定気泡は、光破壊の結果として発生し、約15ミクロン直径を有するものと仮定される。測定気泡が、この基準値未満であれば、組織の光破壊が、薄膜層間の界面でではなく、薄膜内部の、より強い組織内部で行われていることを示す。したがって、次の光破壊は、レーザの初期深さを維持して焦点を移動させ、薄膜内部の複数部位で目標光破壊パターンが形成されるように行われる。他方、測定気泡が基準値を超えた場合は、焦点が薄膜内部に無いことを示している。その場合は、本発明によれば、薄膜内部で次の光破壊が行われるように(すなわち、気泡が基準値未満となるように)、焦点の深さが変更される。
【0012】
光破壊が薄膜内部の部位で行われたことを示す気泡が発生した場合には、エリプソメーターを使用して、その部位での複屈折状態を検出する。特に、この複屈折状態は、薄膜内部の原繊維の配向の結果である。更に、複屈折は、薄膜層ごとに変化し、この変化が約1/2度の位相変化として現れることが知られている。本発明によれば、複屈折の変化を検出することで、1つの薄膜層から他の薄膜層への変化を示すことができる。したがって、複屈折変化の検出は、間質内部の目標焦点深さの設定、維持に利用できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の新規な特徴並びに本発明自体の構成および操作は、添付図面および以下の説明から十分に理解されよう。各図において、等しい部分には等しい符号が付されている。
先ず図1を見ると、本発明の方法の実施に使用される装置が、制御ループフォーマットにより略示され、全体に符号10が付されている。図示のように、装置10は、好ましくは超短パルスの連鎖を発生させ得るレーザ発生源12を含んでいる。各パルスは、約1ピコ秒のパルス幅を有する。特に各パルスは、間質組織の光破壊に要する閾値を超えるエネルギーレベルを有する必要がある。本発明の場合、レーザ発生源12は、直径10ミクロンの焦点寸法に対し約6マイクロジュールのエネルギーレベルを有するのが好ましい。装置10は、また間質組織内の複屈折特性を検出できるエリプソメーターを含んでいる。本発明の目的の場合、ビレ氏に対し交付された『エリプソメーター』の名称の米国特許第5,822,035号に開示され、請求された種類のエリプソメーターが適している。更に、図1は、装置10が、波面検出器16、例えばハートマン−シャック・センサ(Hartmann−Shack sensor)を含むことを示しており、該センサは、波面のモデリングが可能である。加えて、装置10は、予め決めた焦点にレーザビームを案内し集束させ得る案内光学素子を含んでいる。電源ユニット20も備えられている。これらの構成素子は、組み合わされて互いに協働してレーザビームを発生させ、該レーザビームが、予め定めたエネルギーレベルで眼の角膜内の焦点へ向けられる。焦点およびエネルギーレベルの設定を含むこの操作に対する制御は、エリプソメーター14と波面検出器16を用いて、角膜24からの反射光をモニターすることで可能になる。
【0014】
次に図2を見ると、本発明の方法は、装置10を操作して開始点を設定(動作ブロック30)することで開始されるのが分かるだろう。図3からは、実際の開始点32が角膜24の間質34内に設定されるのが分かるだろう。詳しく言えば、開始点32は、前面38に対し事実上直角方向に、角膜前面38から測定した距離36の部位に設定される。装置10の場合に意図されていることだが、前面38の正確な位置は、波面検出器16を使用することで検出でき、次いで距離36が、前面38から約180ミクロンのところに任意に選択できる。
【0015】
開始点32が間質34内に設定されると、図2の動作ブロック40が示すように、本発明の次の段階は、開始点32で組織を光破壊して反応(すなわち間質組織内部に気泡)を発生させることである。質問ブロック41が示すように、前記反応が基準値(例えば15μm)と比較される。反応が基準値を超えている場合は、動作ブロック43が示すように、焦点を開始点から距離42(図4)だけ移動させねばならない。この距離42は、好ましくは前方へ(図4に矢印44で示す)取られ、おそらく2ミクロン未満となろう。しかし、この距離42が後方へ(図4の矢印46で示す)取られる場合もある。いずれの場合も、開始点32からの移動が行われると、図2の質問ブロック41が示すように、反応が基準値未満の場合には、角膜24からの反射光28は、エリプソメーター14によりモニターされ、複屈折基準値が検出される(動作ブロック48)。この複屈折基準値は、間質34の内部組織の配向の変化のため、検出でき、おそらく図4を参照することで最もよく理解されよう。
【0016】
図4には、眼26の角膜24内の複数薄膜50を含む間質34の一部が示されている。複数薄膜50のうち、薄膜50a,50b,50cのみが例示されている。寸法について言えば、間質34内の薄膜50のそれぞれは、約2マイクロメートルの深さ52、約0.1〜1.5ミリメートルの幅54を有する。したがって、薄膜50は極めて薄いディスク形状を有する。解剖学的には、薄膜50は、互いに重なって複数層をなし、該層が、約9ミリメートルの距離56にわたり角膜24内に延在している。図4に示すように、個々の薄膜50は、ある程度重なって、幾分ランダムに配置されている。とはいえ、薄膜50は多くのインタフェース層を形成し、これらの層が、概して、事実上互いに平行に、角膜24にわたって延在している。図4に示した界面58は、角膜24内の多くの界面の一例にすぎない。
【0017】
本発明の目的の場合、薄膜50と界面58とは、2つの点で重要である。第1は、薄膜内部の間質組織の複屈折特性が、界面層58のところで変化する点である。既述の開示内容からいえば、複屈折特性のこの変化は、薄膜50内の原繊維(図示せず)の配向の変化による。したがって、間質34内の異なる部位での複屈折特性を測定することにより、どの部位が薄膜50の同じ層内にあるのかが検出できる。第2は、界面層58に沿った間質組織が、薄膜50の内部の間質組織より弱い点である。したがって、薄膜50内部の1部位にレーザビーム22を集束させることで、間質組織は、比較的高速かつ比較的低エネルギーレベルで効果的に光破壊できる。
【0018】
間質組織が光破壊されるたびに、間質34内には気泡が発生する。所定の種類の組織の場合、形成される気泡寸法は、レーザビーム22のエネルギーレベルの関数である。この場合、エネルギーレベルが高ければ、それだけ気泡が大きくなる。更に、エネルギーレベルが一定の場合、形成される気泡寸法は、光破壊された組織の種類の関数である。この場合、同じエネルギーレベルでは、薄膜50内部のより強い組織には、より小さい気泡が発生し、界面58のところの、より弱い組織には、より大きい気泡が発生する。このことに留意して、同じエネルギーレベルでのレーザビーム22を用いて図4に示した部位60,62の光破壊を考えねばならない。前述の説明により、大きい気泡は、薄膜50a,50bの間の界面58のところの弱い組織部位60に発生する。他方、部位62には、薄膜50b内のより強い組織のため、より小さい気泡が発生する。幸いにも、本発明の場合には、各寸法の気泡が、比較的よく知られた波面技術を用いて波面検出器16により測定可能な光破壊反応として役立てられる。したがって、気泡の光破壊反応値を基準値と比較することにより、当該気泡が、インタフェース58の部位60か、薄膜50内部の部位62の、どちらの部位の光破壊の結果かを検出できる。
【0019】
図2に戻り、かつ図4についての前述の説明に照らして理解されることは、質問ブロック41と動作ブロック40,43とを組み合わせた機能により、薄膜50内部の部位62を見出し得ることである。薄膜50内部の部位62を見出すさい、エリプソメータ14(図1)を使用して、部位62の複屈折基準値を設定できる(動作ブロック48)。次いで、薄膜50内部の部位62が見出されると、視力障害矯正用に設計されたパターンの光破壊を実施できる。通常の視力矯正の場合、該パターンは、5〜15個の薄膜の厚さを有する間質組織量を構成している。本発明によれば、該パターンの光破壊時には、焦点が単一の薄膜層内に維持される。好ましくは、焦点は、単一薄膜層内で薄膜50の内部に維持される。本発明によれば、角膜24の屈折状態は、周期的に測定され、当初のパターン設計となるように調節される。これらの段階は、図2の破線64で囲まれた各ブロックにより閉ループフォーマットで示されている。
【0020】
更に、図2を見ると、パターンの光破壊時に、レーザビーム22をパターン内の新たな部位へスキャンするのに案内光学素子が使用される(動作ブロック66)。新たな部位での光破壊時には(動作ブロック68)、結果として発生する気泡が標準気泡基準値と比較される(動作ブロック70)。これにより、新たな部位が界面58にあるのか、薄膜50の内部にあるのかが検出される。本発明の場合、標準気泡基準値は、直径約15ミクロンの、間質組織の仮定気泡(図示せず)に対応する。間質34内に結果として発生した気泡が基準値を超える光破壊反応値を有する場合には、界面層58の弱い組織が光破壊されたことを示す。その場合は、焦点を開始点32から距離42(図4)だけ移動させた後に、パターン内部の次の部位を光破壊すべきである。
【0021】
次に、図2に示すように、新たな部位での複屈折特性がエリプソメータ14を使用して測定され(動作ブロック72)、複屈折基準値と比較される。この測定値(すなわち動作ブロック72)は、新たな部位が、動作ブロック48で測定した部位と等しい薄膜層にあるかどうかを決定するのに利用できる。双方の部位が、異なる2つの薄膜層にある場合には、プラスマイナス2分の1度程度の複屈折率変化が生じよう。重要なことは、単一薄膜層内部に焦点を維持するには、レーザビーム22の焦点の深さを、距離36と距離42とをほぼ兼ねるように固定することだろう。
【0022】
更に図2をみると、本発明の場合、角膜24の屈折特性が連続的または周期的に測定される(動作ブロック74)。この測定は、波面検出器16で行うことができ、好ましくは光破壊されていない角膜部分で行われる。例えば、図5を見ると、遠視の矯正時には、角膜24の中心部82を取り巻く環状周縁部80に、光破壊を行うことが多い。その場合、角膜24の中心部82の屈折特性を、波面検出器16で測定できる。更に屈折率矯正が要求される場合には(質問ブロック76)、目標屈折率矯正(動作ブロック78)を実現するために、動作ブロック70,72,74で行った検出値/測定値を利用して、光破壊を要する、間質組織の部位および量(すなわちパターン)を更新できる。更新されたパターンにより、レーザビーム22は、光破壊を要する新たな部位へスキャンされ(動作ブロック66)、破線64で囲まれた処置が、目標屈折率矯正が達せられるまで反復される。
【0023】
以上に図示し詳細に開示した、屈折率の外科的矯正を実施する方法は、本発明の目的を完全に実現でき、かつ既述の利点を有するものであるが、既述の例は、本発明の現時点での好適な実施例を説明するものに過ぎず、特許請求の範囲の記載以外によっては、構成または設計の詳細に制限は加えられないことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法の実施に使用される装置の操作構成素子を、閉ループ制御フィードバックのフォーマットで示す略示図。
【図2】本発明の方法により順次に実施される段階の論理流れ図。
【図3】眼の角膜の断面図。
【図4】眼の角膜内の2つの薄膜層を例示した断面図。
【図5】眼の角膜の正面図。
【符号の説明】
10 装置
12 レーザ発生源
14 エリプソメータ
16 波面検出器
18 案内光学素子
22 レーザビーム
24 角膜
26 眼球
32 実際の開始点
34 角膜の間質
36 開始点を設定する距離
38 全面
44 前方
46 後方
50 複数の薄膜
52 深さ
54 幅
56 複数薄膜が重なり合って延在する距離
58 界面
60 より弱い組織の部位
62 より強い組織の部位
80 環状縁辺部
82 角膜の中心部

Claims (12)

  1. 眼の角膜内の、多数薄膜層から成る間質薄膜を光破壊して前記角膜の屈折特性を変えるための装置において、
    間質組織を光破壊して、光破壊に対する反応として気泡を発生させるために、間質内の焦点にレーザビームを集束させる手段と、
    前記気泡が前記薄膜層の内部にあるか否かを確定するために、前記気泡の直径を基準値と比較するための手段と、
    前記比較結果を用いて、光破壊を行なうための、前記薄膜層内の次の位置を選択するための手段と、
    前記角膜の屈折特性を変えるべく、間質組織を光破壊して、光破壊に対する反応としての気泡を発生させるために、前記レーザビームの前記焦点を選択された前記次の位置に動かすための手段とを含む、角膜の屈折特性を変えるための装置。
  2. 前記比較するための手段が、波面検出器と、プロセッサとを含む請求項1に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  3. 前記焦点が、直径10μmを有する焦点当たり約6μJのエネルギーを有する請求項1に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  4. 少なくとも2つの前記部位の複屈折特性を測定し、該測定値を用いて、光変性させる前記次の部位を或る層内で選択するための、エリプソメータを更に含む請求項1に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  5. 前記材料表面を突き止め、材料の屈折特性を測定して、前記次の光変性部位を確定するための波面検出器を更に含む請求項1に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  6. 前記焦点が材料表面から予め定められた距離にある請求項5に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  7. 前記予め定められた距離が180ミクロンにほぼ等しい請求項6に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  8. 前記基準値が、材料内の直径15ミクロンの気泡を表す請求項1に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  9. 眼の角膜内の、多数薄膜層から成る間質薄膜を光破壊して前記角膜の屈折特性を変えるための装置において、
    前記間質薄膜内の複数部位に位置する各焦点にレーザビームを順次集束させ、もって間質組織を光破壊して、前記各部位に気泡を発生させるための手段と、
    前記各部位が処理対象である特定薄膜層の内部にあるか否かを確定するための手段と、
    前記確定結果を用いて、前記特定薄膜層内の次の光破壊部位を選択し、材料の屈折特性を変化させるための手段とを含む、角膜の屈折特性を変えるための装置。
  10. 各部位が前記間質薄膜の特定薄膜層内部にあるか否かを確定するための前記手段が波面検出器を含む請求項9に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  11. 前記材料内部の複屈折特性を測定するための手段を更に含み、該測定手段が、光破壊のために選択された次の部位が光破壊済みの特定薄膜層内にあるか否かを確定するための手段である請求項9に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
  12. 角膜の屈折特性をモニターして、光破壊の程度を確定するための波面検出器を更に含む請求項9に記載された角膜の屈折特性を変えるための装置。
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