JP4413434B2 - 眼の角膜の矯正モデルの作成方法及びコンタクトレンズ - Google Patents
眼の角膜の矯正モデルの作成方法及びコンタクトレンズ Download PDFInfo
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Description
(発明の分野)
本発明は眼の角膜の矯正モデルの作成方法及びコンタクトレンズに関する。
【0002】
(発明の背景)
人間の視力における最も一般的な欠陥は、眼において適切に焦点を結ぶことができないことに起因する。例えば近視は、眼において網膜上の代わりにその前方に焦点を結ぶことにより生じ、遠視は眼において網膜を超えて焦点を結ぶことにより生じ、そして乱視は眼においてぼやけた区域を作るどころか、鮮明な焦点を作ることができないことにより生じる。眼科医は楕円の長軸と短軸によって規定される楕円体の一部として角膜のモデルを作る。視力矯正の現在の手術処置は一般的に、その形状をより球面状にさせながら、角膜の曲率を増加又は減少することに向けられている。
【0003】
角膜切除手術のような現代の角膜処置と関連し、及び臨床適用のために、高解像度のカメラが角膜表面上の離散データポイントのデジタル化配列を得るために使用される。角膜をマッピングするのに有用な一つのシステム及びカメラは、PAR (登録商標)視力システムから得られるPAR 角膜トポグラフィーシステム(PAR CTS )である。PAR CTS は角膜表面トポロジーを二次元デカルト空間、すなわちx及びy座標に沿って写像し、手術手順を決めるために開業医によって次いで用いられる「照準線」を位置決めする。「照準線」は固視点から入射瞳の中心への直線セグメントである。Mandell 著“Locating the Corneal Sighting Center From Videokeratography,”J.Refractive Surgery, V.11, pp.253-259 (1995年7/8月) により詳細に記述されているように、固視点から入射瞳上の一点に向かって導かれる光線は、角膜及び水分によって屈折され、実瞳孔の対応する点を通過し、最後に網膜に達する。
【0004】
照準線が角膜表面と交差する角膜上の点は、角膜の“光学的中心”又は“照準中心”である。それは通常、光屈折角膜切除において切除されるべき区域の中心を表す、屈折手術における一次参照点である。照準線は従来、角膜切除手術を管理するレーザ制御システムのプログラムに組み込まれてきた。しかしながら、瞳孔軸を参照線として使用する開業医がいる。経験のある開業医は、照準中心を位置決めするために色々な技術を採用してきた。一つの技術では、瞳孔(“光学的”)軸に対する照準中心の位置を計算するために、角度ラムダが使用される。角度カッパ及びラムダの詳細な議論を含んでいる上記Mandell 著を参照のこと。その全文を記述した参考文献に開示されている。
【0005】
現代の角膜切除処置においては、角膜表面の一部が切除される。角膜表面が、切除ゾーン内で照準線についての適当な半径の球形表面に、より接近して選択的に切除されるように、集められた高度なデータがレーザのような切除装置を導くのに用いられる。処置のために参照線としての照準線の使用は、近視を低減し、そうでなければ手術前の機能障害を矯正するであろう。しかしながら、存在する乱視を悪化させ、又は処理された眼に乱視を導入するかもしれない、より不規則な形状の角膜が得られる。このことは、行われる必要があるその後の如何なる視力矯正測定をも面倒なものにする。また、作られた如何なる本質的な不規則性も、視力に悪影響を与えるであろう瘢痕組織、又は涙沈積の局所的蓄積の展開を引き起こすであろう。
【0006】
角膜は眼の半径に沿って伸長する軸について対称であるという仮定は、照準線又は瞳孔軸を参照軸として使用することに黙示的に含まれる。しかしながら、角膜は「非対称な非球面」の表面である。「非球面」は、どの角膜「経線」に沿う曲率半径も一定ではない(「経線」は角膜表面と瞳孔軸を含む平面との交差によって形成される曲線として考えることができる)ということを意味する。実際、角膜の曲率は、幾何学的中心から外周に向かって段々と平坦化する傾向がある。「非対称な」は、角膜の経線がその中心について対称性を示さないということを意味する。角膜が非球面及び/又は非対称である度合いは患者によって異なり、及び同一人間でも眼によって変わる。
【0007】
本特許出願の譲受人に譲渡された米国特許No.5,807,381に開示された方法に従って分析されるように、PAR CTS によって実施される臨床測定は、角膜が眼に対して傾斜、一般に前方及び下方への傾斜を示すということを現す。この傾斜は6°程に大きくなり、平均して1°から3°である。従って、参照軸として照準線又は瞳孔軸を利用する角膜切除処置は、角膜のある部分を切除し過ぎ及び角膜の他の部分の切除が足りない傾向がある。同時にそれは、角膜と眼の他の部分との間の幾何学的関係を変化させる。こうして角膜の傾斜を考慮しない切除処置はいずれも角膜の望ましい成形を達成せず、従ってその効果を予測できない。
【0008】
米国特許No.5,807,381の方法に従う臨床測定の分析はまた、PAR CTS の基準平面から最も遠い角膜の表面上の点(以後頂点として参照)が角膜中心よりも角膜切除用の参照点として遥かにより有効である、ということを示す。特に、特許No.5,807,381に論証されるように、頂点を通過する軸についてのレーザ切除は、角膜軸のような眼の中心に近い軸について実施される同じ操作よりも、遥かにより正しく成形された角膜を作り、実質的に角膜の除去量がより少なくなる。
【0009】
角膜傾斜を組み入れ、頂点を利用することは、改良され、角膜切除手術により一致する結果に導かれるけれども、依然として予測不能性は極めて高い。例えば最近の臨床測定の分析により、術後の角膜が角膜切除手術の直後で形状変化を始める、ということが判っている。こうして殆ど完全な球面の術後の角膜は、時間と共に非球面、非対称の形状に戻る。
【0010】
コラーゲンゲルの使用が、角膜の波の円滑化を促進するための賦形剤として提案されてきた。Ophthalmology Times “Slick Start, Clear Finish ”1995, pp. 1 and 24 (1995年6月19−25日) 及びReview of Ophthalmology,“News & Trends: Researchers Unveil New Ablatable Mask, ”pp. 12-13 (1995年6月) を参照のこと。全文を記述した参考文献にこれが開示されている。タイプ1コラーゲンは、ゲルマスクを形成するためにコンタクトレンズと角膜表面の前方との間にモールドされる。手術医は、希望に沿ってより平坦な又はより傾斜のあるレンズを選択することにより、術後の角膜の曲率を調節できる。レポートによれば、ゲルマスクはレーザパルスが当っても、転移しない。従って角膜の所定位置を選択的に切除する代わりに、マスクされた角膜は均一な深さに切除でき、それによって角膜の表面輪郭をレンズに対応できる。滑らかな術後の角膜が得られ、及び屈折能矯正を実現できる。しかしながら切除操作は角膜の光学的中央又は瞳孔の中央に中心が置かれ、角膜傾斜を考慮に入れないので、術後の眼は不規則な形状を示し、又は必要以上に角膜が取り除かれる。
【0011】
当該技術に必要とされながら、これまで与えられてこなかったものは、これらの問題の一つ以上を防止し、予測可能な結果を作ることができ、矯正が行われている患者の眼の特別の位相幾何学に関して矯正された視力を提供する、視力矯正の方法である。
従って、眼の視力を改良する方法を提供することが、本発明の一つの目的である。
また、角膜切除処置についての改良された手術方法を提供することが、本発明の目的である。
さらに、眼の術後の状態を予測し、そしてより効果的な手術を計画するために、手術前の眼を診断し、分析する方法と装置を提供することが、本発明の目的である。
【0012】
本発明者は、角膜切除処置は偏狭な取り組み方のために成功と予測の可能性が限られていたと信ずる。従来は、滑からな球面状の角膜が視力を最適にするという期待をもって、角膜の形状に傾注してきた。しかしながら人間の眼は、角膜の表面の他に、それらの総てが視力に影響を与える数多くの光学的構成要素(例えば角膜の裏面、レンズ及び水分)を含む複合的なシステムである。また眼の機械的環境も無視できない。例えば臨床測定の最近の分析により、眼瞼が角膜にかなりの圧力を及ぼし、その上眼瞼付近でそれを平坦化させ、その下眼瞼付近で凹みを形成させる、ということが明らかになっている。眼の機械的環境は、大部分がその形状に起因すると思われる。このことはまた、完全な球面状の術後の角膜がなぜ非球面状の非対称な形状に戻るのかを説明する。
【0013】
本発明によれば、眼の角膜切除処置は、角膜の自然な形状、又は眼の残りの部分に対するその向きを妨げず、その表面曲率を視力に要求される矯正を実現するために適切に変える方法で実施される。角膜を精度の異なる度合いに形を作る、三つの好ましい実施例が記述される。一旦角膜のモデルが得られると、患者の眼の検査によって決定されるように、必要な屈折矯正の程度を実現するために、表面曲率が修正される。次に角膜の修正モデルは、角膜切除操作において角膜の表面の切除を制御するために利用される。
【0014】
第1実施例において、互いに直交である長軸と短軸とを有する楕円体として角膜のモデルを作る。これらは、従来の眼検査によって屈折矯正のために適切であると示される軸である。米国特許NO.5,807,381の開示に従って生成された角膜のモデル上に、ローカルすなわち傾斜Z軸を含み、その軸の周囲に眼検査によって特定される角度に回転される垂直な平面を構成する。これらの各平面の表面モデルとの交差は、アーチ形曲線を作る。次にこれらの各曲線は、各軸における患者の現在の曲率半径を推定する円弧によって推定される。各軸における必要な視度矯正を実現するための修正弧が、次に決定される。次に術後の角膜のモデルが、1つの弧から他の弧の滑からな補間法を実施することによって作られる。このモデルにおいて、角膜表面は眼の検査によって特定された2つの直交軸での矯正曲率半径を有する楕円体表面として表される。
【0015】
第2実施例において、その非対称性を防止するような方法で角膜のモデルが作られる。これを実現するために、大量の環状に離隔配置された経線が角膜の表面モデル上に生成される。頂点から角膜の作動域の外周に向かって各経線に沿う距離が測定され、最大及び最小の平均曲率半径を有する曲線が円弧によってそれぞれ推定される。次に2つの初期曲線(すなわち頂点から直径的で反対の対応する曲線へ伸長するもの)が、また円弧によって推定される。次に4つの弧の各々は、各弧における視力矯正の望ましい度合いを達成する曲率に調節される。次に術後の角膜のモデルは、上記4つの弧の対の間で角度的に補間すること、及び当初の4つの各弧における2つの部分的表面間で円滑化を与えることにより生成される。
【0016】
本発明の第3実施例は、角膜の初期形状の保存に最も近い例である。最初に、大量の、例えば72本の環状に離隔配置された経線が表面モデル上に生成される。頂点から角膜の作動域の外周へ伸長する経線を規定する曲線は、それぞれ円弧によって見積られる。次にこれらの弧の各々は、それぞれの弧において必要な視度矯正を達成するために曲率が矯正される。次に術後の角膜表面は、全ての矯正区域に対応する最適表面を生成することにより、見積られる。
【0017】
(好ましい実施例の詳細な説明)
上述の簡単な説明は本発明の他の目的、特徴及び利点と共に、以下に記載の好適な態様及び添付図面の参照によりさらによく理解できることと思われる。
本発明による角膜のレーザ切除を達成するためのプロセスが、図1のブロック図に示されている。このプロセスは、角膜画像取り込みシステム610、隆起分析プログラム620、コンピュータ援用設計システム630、命令プロセッサ640及び角膜成形システム650を用いる。角膜画像取り込みシステム610は隆起分析プログラム620と共同して患者の角膜の三次元トポグラフィーマップを作成する。コンピュータ援用設計システム630は、表面モデルを作るために角膜のトポグラフィーデータを編集し、又は修正するために用いられ、モデルに関するデータは命令プロセッサ640を経て角膜成形システム650へ送られる。命令プロセッサ640は、コンピュータ援用設計システム630から送られてきた成形する角膜の表面のトポグラフィーデータを用いて、角膜成形システム650が必要とする一連の命令/制御信号を生成する。角膜成形システム650は、命令プロセッサ640から送られてきた、その三次元方向の動きを記述する一連の命令(いずれの座標系であってもよい。例えばデカルト、放射状又は球面座標)を受け取って、角膜を成形する。
【0018】
角膜画像取り込みシステム610及び隆起分析プログラム620は、PAR 視力システムから得られるPAR R角膜トポグラフィーシステム(「PAR Rシステム」)の構成要素であることが好ましい。隆起分析プログラム620は例えばIBM TM互換PCのようなプロセッサによって実行されるソフトウェアプログラムの一種である。プログラム620はシステム610によって測定された角膜表面上の複数の標本点の各々について、三次元要素(各内部の基準平面からの距離を表すZ座標)を生成する。各点は、基準平面に書き込まれたそのX−Y座標により規定され、そのZ軸は点の輝度から決定される。各点の隆起、すなわちZ座標を算出する一つの方法は、患者の角膜14から測定されたX−Y座標及び輝度値と、既知の隆起を有する参考照面、例えば既知の半径の球面の座標及び輝度とを比較することによるものである。基準値は予め入力しておいてもよい。
【0019】
隆起分析プログラム620の最終出力は、ポイントクラウドとして知られる、角膜14の表面の多数の標本点についてのX−Y−Z座標である。角膜表面上の点の位置及び隆起に関する情報を提供するX、Y、Z座標角膜データを必要とされる精度でもって生成できる限り、如何なる方法をも使用できるということは当業者には明白である。好ましい実施例では、約1500個の点は、X−Y面に図示されるように、X−Y平面へのその投影が約200ミクロン間隔になるように格子パターン状に配置されている。
【0020】
隆起分析プログラム620から出力されたX−Y−Z座標データは、種々の公知の機械固有の形式にフォーマット可能である。好ましい実施例において、データは、データのアプリケーション間転送に代表的に用いられる業界標準形式−データ交換ファイル(DXF )形式−にフォーマットされる。DXF ファイルは、殆どのコンピューター援用設計システムで読むことができるASCII データファイルの一種である。
【0021】
図2及び3において、ポイントクラウド100は、Z軸(すなわちX−Y平面に投影されるように)に沿って基準平面を眺めたとき見えてくるように描かれている。各点は患者の角膜上の特定位置に対応する。データは通常、角膜の略10mmx10mm 四方の区域、すなわち作動域から生成されるため、50列のデータポイントがあることになる。患者の角膜表面のトポグラフィーをモデリングした、又はそれに適合する表面108(図4参照)は、コンピューター援用設計システム630によって、隆起分析プログラムから生成されたデータポイントをもとに生成される。好ましい実施例において、コンピューター援用設計システム630はアリゾナ州スコッツデールのManufacturing Consulting Services から得られるAnvil 5000TMプログラムである。
【0022】
角膜適合表面108は、ポイントクラウド100の複数のデータポイントによって規定される複数のスプライン102を生成することによって形成される。複数のデータポイント(すなわちノットポイント)と交差するスプラインの生成自体は当業者に知られており、一旦データを入力すればAnvil 5000TMプログラムによって完成される。表面モデルの形成に関する詳細については、参考文献として開示されている米国特許No.5,807,381を参照のこと。好ましい実施例において、既知の非有理一様B-スプライン式がスプラインを生成するために用いられるが、スプラインについての他の公知の数式、例えばキュービックスプライン式又は有理一様B-スプライン式を用いてもよい。図3に図示されるような好ましい実施例において、各スプライン102はX軸及びZ軸に平行な平面にあり、図3のポイントクラウド100からのポイント列を含む。
【0023】
次に、走査された眼の角膜表面に適合する表面108が、スプライン102から形成される。多数の公知の数式が、複数のスプライン102から表面を形成するのに用いられる。好ましい実施例において、公知のnurb表面方程式が、スプライン102から角膜表面を形成するのに用いられる。この実施例において、眼の走査区域は略10mm×10mm四方であるので、略50本のスプライン102が作られる。図3に図示されるように、スキンサーフェスセグメント104が隣接するスプライン数本ずつ(例えば5本)について作られる。隣接するスキンサーフェスセグメント104は、同じ境界スプラインを共有する。こうして約10個のスキンサーフェスセグメントがポイントクラウドから生成され、次に、当業者に既知の方法でAnvil 5000TMプログラムによって一体化され、一つの複合表面108を形成する。
【0024】
nurb表面方程式を用いて、数学的に表面を形成するので、原データポイントも、スプライン102のノットポイントも、表面108上にあるとは限らない。しかしながら表面108は、予め規定された公差範囲内でこれらのポイントを推定したものである。
【0025】
次に、作成した角膜適合表面108上の頂点(すなわちZ値が最大であるポイント)が、決定される。次に所定の直径の円筒106を、Z軸に平行かつ頂点を通る軸に沿った角膜適合表面108に投影する。円筒106の直径は4mm −7mm 、一般的に6mm の直径を持つことが好ましく、円筒106の表面108との交差によって形成される閉輪郭線は、X−Y平面における円106’として投影される。適合表面108上で、この輪郭線は角膜の作動域の外縁部26を規定する。角膜は頂点周辺で最も対称的でありかつ球面状であり、従ってこのポイントにおいて光学特性が最適となる。
【0026】
外縁部26は、角膜表面が測定される角膜データに基づいて形成できるようにポイントクラウド内に収まっていなければならない。コンピューター援用設計システム630は、例えばモニター画面上にポイントクラウドに関する初期設定の円106’を図示することができ(X−Y平面において)、それ故円106’がポイントクラウド内に入っていることをオペレータが確認できる。更に、システム630は、円106’がポイントクラウド100内部に入っているかどうかを判断し、もしそれがポイントクラウド100内に完全に収まっていないならば、円106’が角膜データポイントクラウド100内に収まるように円を修正するよう(すなわち中心点を移動させ及び/又は円の半径を変更する)、使用者に警告する設定にすることもできる。最悪の場合、角膜を患者角膜上に適切に適合させるため、一度走査したデータが不十分なら、眼を再び走査する必要がある。あるいは、ポイントクラウドの面積を、より広くすることもできる。
【0027】
円106’はX−Y平面で見られる時(すなわちZ軸に沿って見た時)、単なる円でしかないことが判る。周縁部26は実際には略楕円であり、基準平面に対して傾斜している平面上にある。頂点を通り、この傾斜平面に垂直な直線を、「ローカルZ軸」とし、基準平面に対する傾斜平面の傾斜は、角膜の作動域の傾斜角度とする。
【0028】
角膜は、約600μm 厚である。多くの角膜切除処置において、一般的に用いられるタイプのレーザで傷跡を残す危険性は実質的にないので、角膜は深さ100μm 未満が切除される。100μm を超えると、傷跡を残す危険性は増大する。例えば深さ120μm の切除は、傷跡を残すことが知られている。しかしながらレーザ処理に先立つ、又はそれと同時の薬物療法によってより深く切除しても傷跡が残る危険性が低減されるという可能性がある。角膜波状の大きさは、山の頂上から窪みの谷まで一般に約15乃至20ミクロンであり、略30ミクロン程である。
【0029】
仮のマスクを使用して角膜上に滑からな球面状表面を型とりするために、コラーゲンゲル、例えばAタイプ1コラーゲンの提案された使用法を用いることにより、角膜はマスクによって規定された球面形状に、均一に切除される。しかしながら従来のレンズでは、眼の特別のポイント辺りにそれ自身を予測的に着座させず、それらに依存する切除処置は、当該技術が角膜傾斜を保持し、眼の光学的中心を角膜の頂点に位置させ、及び適正な回転の向きを維持するためにレンズを方向付けする必要性を認識していなかったので、角膜傾斜又は適正な方向付けを維持することにはならない。
【0030】
本発明によって実施される手術手順は、「屈折検査」で決定された必要な矯正に従って患者の視力を矯正することを求めるものである。この検査が実施される時、患者は「フォロプタ」と呼ばれる特別の装置が装着された椅子に座り、「フォロプタ」を通して患者は約20フィート離れた視力検査表を眺める。患者がフォロプタを覗き込みながら、医師は異なる強さのレンズを視界中で操作し、特定のレンズを所定の場所に置きながら、その都度患者に検査表がより明瞭に、又はよりぼんやりと見えるかどうかを尋ねる。特に、医師は二つの軸についての強度又は視度矯正、及び照準線に沿うZ軸についてのそれらの軸の回転度合いを変更することができる。医師は患者が最適の視力を達成するまで、これら3つのパラメータを修正し続ける。屈折検査の結果は通常「a、b、c°」形式で与えられ、ここで「a」は第一軸に沿う視度矯正、「b」は第二直交軸で要求される追加の視度矯正、及び「c°」は水平に対する第一軸の回転角度である。この形式の情報は各眼に与えられ、眼鏡についての一対のレンズを研磨するのに直接的に有用である。
【0031】
本発明の目的に関し、修正形式の屈折検査を実施することが好ましい。修正形式の屈折検査について眼科医は、フォロプタを一連の等間隔角度、例えば水平から15°毎に調節し、各角度において最適の屈折を得る。一般に測定される角度が増えるほど、結果はより良くなる。しかしながら屈折検査は時間を要するので、全部で12回読めばすむ15°ずつの増加は合理的な数であると思われる。修正屈折検査を使用する方法は、以下に詳細に記述する。
【0032】
表面108上の特性曲線を生成する有用な技術を以下に記述する。ローカルZ軸を含む平面110が構成される(図4参照)。平面110と表面108との間の交差は、第一特性曲線112を規定する。次に平面110は、ローカルZ軸の周囲に例えば増分5°の反時計回りで、線114で表されるように回転させられ、表面108との交差部は図4に点線で図示される第二特性曲線116を規定する。このプロセスは、完全な一組の特性曲線を作るために、ローカルZ軸の周囲に固定回転増分、例えば5°毎に、この場合72回(360°÷5°)、平面110が360°掃引するまで続く。
【0033】
本発明の第1実施例によれば、角膜切除手術は従来の屈折検査で特定される視力矯正を果たすために実施される。この処置は、上述した二つの特性曲線の生成を必要とする。第一特性曲線は、ローカルZ軸を含み、X軸と角度c°、すなわち従来の屈折検査で得られる回転角度を形成する平面を構成することによって得られる。第一特性曲線は、この平面の、平面108との交差によって形成される。第二特性曲線は、ローカルZ軸を含み、及び第一平面に垂直な平面を構成することによって得られる。第二平面の、平面108との交差は、第二特性曲線を規定する。
【0034】
図5は、これら二つの特性曲線の誘導を図示する輪郭106’の傾斜平面における平面図である。輪郭106’は、それが傾斜平面に現れる時の角膜の作動域の外周である。平面20はローカルZ軸、従って頂点Hを含み、及び輪郭106’(傾斜平面)の平面にもまた垂直である。平面20は傾斜平面においてX軸と角度c°を形成する。平面20との平面108との交差は二つのポイントにおいて輪郭106’と接し、頂点Hを通過する特性曲線22を規定する。平面25は平面20に垂直で、ローカルZ軸を含むように構成される。平面25は従ってまた頂点Hを含み、輪郭106’の平面に垂直である。平面25と平面108との交差は第二特性曲線26を規定し、それは二つのポイントで輪郭線106’と接し、頂点Hを通過する。
【0035】
各特性曲線は、最適球面弧によって推定される。これを行う方法の1つに、単に各曲線について三つの既知のポイントを通過する円弧を選択するものがある(すなわち、それが輪郭線106及び頂点と接するポイント)。決定された各特性曲線の曲率半径を有して、Zeissレンズ方式は各特性曲線についての視度値を与える。次に視度値「a」は曲線22についての視度値に加えられ、視度値「a+b」は曲線25についての視度値に加えられる。当業者なら値a及びbは正又は負であることが認識できよう。決定された曲線22及び26についての矯正視度値によって、Zeissレンズ方式により二つの曲線についての矯正平均曲率半径が得られる。次に、二つの曲線は、それらの曲率半径を持つ円弧と置き換えられる。角膜についての矯正表面モデル108’は、輪郭線106’に沿って転回しながら、曲線22についての円弧から曲線26についての円弧へ補間する曲線転回表面を作ることにより、囲み区域106’内に生成される。曲線転回表面の生成は殆どのCAD/CAM プログラムで適用可能な特徴である。実際に、回転の表面は、輪郭106によって囲まれ、頂点H周辺に中心が置かれており、曲線22の弧から曲線26の弧に亘る円弧の連続体で構成される回転の表面が作られる。
【0036】
上述した内容から、矯正角膜表面108’は、二つの平面20及び25における屈折検査の内訳に正確に対応し、それらの間で次第に変化することが認識されるであろう。全ての操作は頂点の周囲とローカルZ軸に関して為されるので、眼に対する角膜の傾斜はその一般的幾何学的位置にあるように維持される。輪郭線106’内部の僅か小さな区域のみの形状が、必要な矯正の度合いを達成するために変えられる。
【0037】
第2実施例によれば、輪郭106’によって囲まれた表面108の区域は、角膜に最初にあった非対称性を保持するように形状が修正される。上述の方法により、非常に多数の、好ましくは72本の特性曲線(経線)が輪郭106’内の頂点について得られる。各特性曲線の平均曲率半径が決定され、最大及び最小の曲率半径を有する曲線(図6における曲線30及び32)が見出される。輪郭106の反対側の縁部に伸びる曲線30及び32により、それぞれ曲線30’及び32’が規定される。図6は、輪郭106’の投影、輪郭106’の傾斜面への曲線30、30’、32及び32’を示す。各事例において、曲線についての平均曲率半径を用いる代わりに、曲線は頂点を通過する円弧、曲線の輪郭106’との交差、図6においてそれら二つのポイント間の半分の位置にあるポイントによって(例えば輪郭30内のポイント34)推定される。
【0038】
四つの曲線の各々についての曲率半径を有してて、矯正平均曲率半径を生成することが可能になる。そのため、上記の修正屈折検査の結果が用いられる。各事例において、曲線は、修正屈折検査に最も近い弧の測定の視度矯正を受ける。次に弧30、30’、32及び32’の各々は、矯正平均曲率半径を有する円弧と置き換えられ、四つの曲線転回四分円表面が生成される。例えば上部右手四分円表面は、曲線32用の円弧を、転回レールとしての輪郭106’に沿って曲線30用の円弧へ転回することによって生成される。これにより、曲線32用の弧から曲線34用の弧へ滑らかに形状を併合する輪郭106’の外周を有する曲線転回四分円表面が作られる。3つの追加の四分円表面が同様に生成され、表面間の共有領域は滑らかにされ、輪郭106’によって囲まれた、矯正表面モデル108’が完成される。
【0039】
適用される検査結果は、例え従来の屈折検査からのものであっても、モデル108’の前述の構成は可能であることは理解されるであろう。次に、弧30、30’、32及び32’の各々における必要な矯正が、補間によって決定される。例えば弧30がc°(屈折検査角度)を超えて20°伸長したと仮定すると、弧30についての補間視度矯正d30は次のように計算される。
【0040】
d30=a+20b/90
【0041】
残りの視度矯正は、補間によって同様に決定される。次に矯正表面モデル108’は、図6に関して上述したのと同じ方法で生成される。
表面モデル108’は、図5のモデルよりも角膜の原形状により密接に対応しながら、四つの異なる弧に沿って必要な矯正を実現する。詳細には、それは角膜の原非対称性を保持している。
【0042】
第3実施例によれば、視力の必要な矯正はその全体的な原形状を保持しながら角膜の曲率を修正することによって実現される。この実施例について、非常に多数の角度で修正屈折検査を実施し、及び同じ多数の角度で特性曲線を生成することが好ましい。しかしながら、この手順は以下に記述するように、従来の屈折の結果を用いて実施できる。
【0043】
特性曲線と屈折測定は5°毎に取られ、それ故全部で72本の特性曲線ができる。第2実施例と同じように、各曲線の平均曲率半径が決定され、及び矯正平均曲率半径を得るために必要な視度矯正が各曲線に適用される。次に各特性曲線は、矯正平均曲率半径を有する円弧と置換され、矯正表面モデルが全ての矯正円弧間での補間によって生成される。次に円滑化が、境界輪郭106’内の矯正表面モデルを作るために適用される。この表面モデルは必要な視度矯正を含むのみでなく、角膜の原形状にもまた密接に近似している。
【0044】
視力矯正について利用可能な結果が従来の屈折検査によるものだけであっても、現方法は実施できる。第2実施例で行われたように、各72個の弧での矯正視度は従来の屈折検査測定値aとbとの間の補間によって計算できる。次に手順は、既述したように続けられる。
【0045】
一旦輪郭106’内の希望する矯正表面モデル108’が得られると、コンピューター援用設計システムは、命令プロセッサ640に情報を提供し、角膜成形システム650を操作する適当な制御信号が生成される。適量が角膜から取り除かれるように、システム670はモデル108と108’間の差を表す情報を作ることが好ましい。一般には、選択的角膜切除が行われる時、システム650は患者の頭と眼が固定して保たれる状態を保ち、正確な移動と切除の制御される度合いを達成するために、高精度レーザが角膜と密接した関係に維持される。レーザは、命令プロセッサ640の制御の下で適切な位置に移動され、次に各位置において必要な切除度合いを適用するように正確に制御される、スポットレーザであることが好ましい。
【0046】
図1に描かれたプロセスを達成するように利用される構成要素は確かに高価であり、平均した医局の予算から外れる。従って、角膜成形は代わりに円滑化マスクを利用する均一な切除のプロセスによって実施できることが考えられる。以下に説明するように、マスクは矯正整合表面108’に対応するように形成されたコンタクトレンズの裏面によって成形される。次にマスクの最大厚みへの廉価なレーザによる均一な切除により、角膜の作動域が適切に成形される。その上、このプロセスは廉価な広ビームレーザで実施され、極端な精度が必要とされないように比較的ゆっくりと行うことができる。
【0047】
均一な切除が実施される時、切除に先立って医師によって実施されるステップは眼検査だけである。次に、患者は、図1に図示された全ての器械を有した研究所に送られる。研究所はマスクを型とりする精密コンタクトレンズを生成し、それを医師に供給するであろう。次に均一な角膜切除が、医局で行われる。
【0048】
これまでの記述から、均一な角膜切除の場合には、図1のブロック図が図7に示されるように修正される。すなわち図7の要素はブロック650(角膜成形システム)の内容を示す。ブロック650’はレンズ成形システムである。注文コンタクトレンズ製作用のシステムは良く知られている。この場合、コンタクトレンズは、医師にレンズを方向付けすることを導くための適当なマーキングを備える。あるいは、レンズは、それが患者の角膜上で所定の位置と向きに向けられることを確保するために、注文外周すそ部を備えて作られる。製作のこの種の、及び他の方法のレンズが1996年3月26日発行の米国特許No.5,502,518に開示されており、参考文献として開示されている。
【0049】
一旦矯正角膜表面モデル108’が生成されると、矯正角膜表面108’に対応するように成形された裏面76を有するコンタクトレンズ72(図8参照)が作られる。均一切除はマスク70を角膜18上に沈積し(図7のブロック660)、レンズ72の裏面76を正しい回転の向きで、レンズ72の光学的中心74が頂点Hと配列するように、型とり可能なマスク70の上に置くことによって実施される。次に型とり可能なマスク70は、レンズがその中に押圧されながらレンズの裏面76の形状に型とりされる(図7のブロック670)。
【0050】
マスク70についての現在の好ましい物質は、Aタイプ1コラーゲンである。コラーゲンマスクはそれがシロップ状粘性を得るように、約42°から45°の温度に加熱される。加熱されたコラーゲンは角膜上に膜として沈積され、そこでそれは直ちに体温(37°)に冷却し始め、その温度においてゲル状の硬度を得る。冷却に先立って、レンズ72は上述し図7に示されるように、コラーゲン膜上に置かれる。一旦コラーゲンゲルが冷却され、セットされると、その位置に置かれたレンズ72により、コラーゲンが角膜の望ましい矯正形状を有する表面に成形される。レンズ72は廃棄できる。
【0051】
コラーゲンゲルを有した角膜は、滑からな、波状のない自由表面を持つ。マスクされた角膜の表面の均一な切除(図7のブロック680)は、当業者に知られた方法で、全てのゲルを取り除くのに十分な深さまで、マスクされた角膜を切除することによって進められる。コラーゲンと角膜とは同じ割合で切除されるので(それらは実質的に同等の物質でありそれ故選択される)、均一な切除により望ましい形状の滑からな角膜表面が得られる。
【0052】
既に説明した理由のために、コラーゲンマスクは6mm 幅で、移行領域を含めて1mm のリップで形成されるのが好ましい。この移行領域は別のステップで形成されるか、あるいはコンタクトレンズの裏面が適正に成形された移行リップを持つように研磨してもよい。
【0053】
図9は均一切除を実施する時、コラーゲンマスクの形成に有用なコンタクトレンズ40の一つの形式を示したものである。レンズは上記のように、成型、又は旋盤上の成形のような従来のレンズ製造技術によって形成される。角膜の原矯正モデル108’が作られると、オペレータはまた瞳孔の中心に対応する角膜上のポイントを規定する。レンズが製造されると、可視指標42が、瞳孔の中心を覆うべきレンズの表面の位置に置かれる。同様に、レンズ製造の間、可視指標44はレンズの底部エッジ、眼の隅の頂点、又はどこか他の予め規定された一方の向きの配される。レンズ40を患者の眼の上のコラーゲン上に置くとき、医師は指標42を瞳孔の中心の上に位置させ、指標44が下方(又はどこか他の予め規定された向き)を確実に指すようにする。次にレンズ40は、適正な回転の向きを有して眼の頂点の上に適正に置かれる。次にレンズをコラーゲン中に押圧することにより、適当に成形される。
【0054】
図10は、手動で得られるよりもより精密な向きが必要である状況において、コラーゲンマスクを成形するために用いられるコンタクトレンズ40’を示す。レンズは、その裏面がコラーゲンマスクの望ましい成形を実現するように構成された中央部分41を含む。溝43が、レンズの裏面にある中央部分を囲む。レンズは溝43がより深く入るように、リッジ部で形成される。溝43に沿って離隔した位置に、レンズを通して伸長する開口部45が設けられている。離隔した四つの開口部が図示されているが、より多い又はより少ない数でもよいことが認識されるであろう。溝43の外部で、その裏面が作動域の外側で角膜の表面の形状に密接して対応するように設計された外周すそ部46を、レンズ40’は含む。上述したように、すそ部の構造はレンズ40’にそれ自身を自動的に角膜上の所定位置と向きとに配するように意図されている。
【0055】
レンズは、コラーゲン物質が角膜上に置かれた直後に配される。すそ部はレンズの自動配列を確実にし、中心部分41が押し下げられるに従い、溝43の薄くされた物質によりすそ部に対する中心部分が所定量だけ後方へ移動する。レンズの部分41の裏面がコラーゲンと接触するとき、レンズはコラーゲンを広げさせ、溝43に次ぎ開口部45を通して溝の外へ流れさせる。開口部45から出る過剰の物質は、直ちに拭き取られるであろう。中心部分41が十分に押し下げられた時、コラーゲン物質は切除処置に適切な形状に成形される。次にレンズ40’は取り除かれ、廃棄される。
【0056】
比較的多量の除去を必要とする角膜に一般に用いられる選択的レーザ切除手術の他の方法として、レーザー援助基質間角膜移植(以後、「Lasik 」という)が知られている。従来のLasik 手術を実施する方法が、図11に略式に示されている。それは、角膜18上に置かれる真空円筒50を含むマイクロ角膜切開刀と呼ばれる器具により実施される。その実行において、瞳孔軸の上に取り付け具の中心が配され(図示せず)、円筒は取り付け具に取り付けられる。一般にマイクロ角膜切開刀は、その軸を瞳孔軸に沿わせて角膜上に置かれる。次に強い真空が円筒50にかけられ、円筒50は角膜を円筒内に引き込み、同時にそれを平坦化させる、すなわち「圧平」させる。
【0057】
圧平に続いて、刃52が角膜の圧平された部分18aの真下及びこれに平行に通される。略180μm の厚みで角膜を切断するのが好ましい。切断は圧平された角膜18aの遠端部18bで終わり、角膜の薄いフラップ18cを残す(図12参照)。
次に空気が円筒50中に入れられ、マイクロ角膜切開刀は取り除かれ、角膜を通常の形状に戻らせる。次にフラップ18cは折り戻され、角膜切除手術は角膜の基底露出表面上で実施される。この形式の手術を実施する理由は、フラップ18cの下の角膜表面は瘢痕組織を形成し難いからである。角膜切除の終了後フラップcは、注意深く角膜の基底表面上に折り込み戻され、そして治癒と共に望まれる再成形角膜を形成する。
【0058】
Lasik 手術の背景の理論は、フラップ18cが均一な厚みであることにある。従って、基底角膜は望ましい形状に形成され、その形状はフラップ18cが戻されても保持される。しかしながらLasik 手術は、瞳孔軸に垂直である薄片を取り出すことによって実施されるので、角膜傾斜を考慮していない。
結果として、フラップ18cはかなりの量の厚みの変化を示す。こうしてフラップ18cが従来の方法で切除された角膜の上に戻された時、実際に角膜の形状が変わる。伝統的なLasik 手術で得られる結果は、従って予測できるものから程遠い。
【0059】
従って、本発明によれば、あらゆる位置における曲率を変化させ、特別な結果としての形状にしないために、角膜の作動域の上で操作することによって選択的な切除手術が実施され、不規則な厚みのフラップ18cを有することが、手術の成果に影響を及ぼさなくなる。すなわち、フラップ18cの基底にある区域上の各ポイントは、望ましい矯正又は変化を達成し、望ましい全体的な形状を達成しないために切除されるので、フラップ18cが戻された時、望ましい変化が実際、角膜全体に達成される。
【0060】
しかしながら一様でない厚みのフラップ18cを有するつことは、或る区域が過度に薄い場合に、依然として望ましくない。
従って、本発明によれば、フラップ18cが角膜の傾斜を考慮するように、フラップ18cを切断させるために、或る修正がマイクロ角膜切開刀円筒に為される。図13A及び13Bに、出願人によって提案された修正を含むマイクロ角膜切開刀円筒の二つの略式図を示す。図13Bは図13Aと同じ装置を示しているが、図13Aの左から見た時に見られる状態を示す。今回の改良では円筒50の底部にくさび装置53を追加する。実際には、装置53は円筒の底とそれを角膜に保持する取り付け具との間に載置される。
【0061】
図示されているように、くさび装置は厚みにテーパーがある二つのリング52、56を有する。リング54は、当業者によく知られた補完ねじ又は差込み式接続により、円筒50の底部に確保されるように設計されている。同様にリング56は、補完ねじ又は差込み式接続により、円筒50の底部に確保されるように設計されている。図13A及び13Bに示したように、リング54、56は、それらの傾斜部がローカルZ軸について互いに回転式に垂直である立体角を形成するように構成されるのが好ましい。すなわち一方がX軸に対して傾斜した立体角、他方がZ軸に対して傾斜した立体角を与える。
【0062】
くさび装置53を使用する時、医師は角膜モデル108の結果に基づきX軸及びY軸に関する各眼の角膜傾斜を承知する。医師は次に適当なX傾斜を与えるためにリング54を、及び適当なY傾斜を与えるためにリング56を選択し、それらを円筒50の底部に載置する。完全に載置された時、リングにより、角膜が傾斜されたのと同じ方法で円筒の底部に対して傾斜された円筒50の下に下部リップ58が得られる。医師が続いて円筒50を角膜に適用する時、くさび装置52は円筒全体を角膜の傾斜に一致させて傾斜させる。次にナイフ52により、フラップ18cの厚みが実質的に不規則になるのを避けつつ、同じ傾斜でその切断が実施される。
【0063】
本発明の好ましい実施例を例示目的で開示してきたが、当業者により多くの追加、修正及び代替を本発明の範囲と意図とから外れることなく、考案し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による角膜のレーザ切除を実施する方法を示すブロック図である。
【図2】 角膜画像取り込みシステムで得られるポイントクラウドを示す平面図である。
【図3】 複数のスプラインと、それらがポイントクラウドのデータポイントを通してどのように接続されるかを示す図2と同様の平面図である。
【図4】 特性曲線がどのように構成されるかを示す角膜整合面の透視図である。
【図5】 第1実施例に従い、どのようにして角膜整合面が視力矯正のために修正されるかを示す傾斜した平面図である。
【図6】 第2実施例に従い、どのようにして角膜整合面が視力矯正を実現するために修正されるかを示す傾斜した平面図である。
【図7】 型とり可能マスク及び均一な角膜切除を使用する時、どのようにして角膜成形が達成されるかを示す機能ブロック図である。
【図8】 均一な角膜切除を実施する時に、型とり可能マスクを形成するためのコンタクトレンズの適用を示す断面図である。
【図9】 コンタクトレンズが手で付けられる時、均一な角膜切除用に型とり可能マスクを形成することができないコンタクトレンズの平面図である。
【図10】 レンズが眼に付けられる時、自動的にそれ自身を位置決めするように構成されている点を除き、図9のレンズに類似しているコンタクトレンズの平面図である。
【図11】 Lasik 手術の間、角膜の圧平を示す、部分断面を有した側面図である。
【図12】 角膜フラップの形成後の、但しLasik 手術の間のレーザー切除前の角膜を示す側面図である。
【図13A】 本発明による、従来のマイクロ角膜切開刀の改良を示す側面図である。
【図13B】 図13Aに関する左側面図である。
【図13C】 図13A及び13Bの組立て53の部分を形成するリングの一つを示す平面図である。
【符号の説明】
610 角膜画像取り込みシステム
620 隆起分析プログラム
630 コンピュータ援用設計システム
640 命令プロセッサ
650 角膜成形システム
Claims (13)
- 図形表示装置を含むコンピュータの援用で実施され、基準平面に関する座標が既知である角膜の標本ポイントを用い、角膜の表面を綿密に表す前記角膜の表面モデルを作る位相幾何学的モデリングコンピュータプログラムを実行する、眼の角膜の矯正モデルの作成方法において、
表面モデルと予め規定された直径の円筒との交差部によって角膜の作動域の外周を規定し、円筒の軸は基準平面に垂直で、表面モデル上のポイント、すなわち基準平面から最も遠い頂点を通過するものであるステップと、
作動域の外周に最も近接する平面に垂直である頂点を通過する線としてローカルZ軸を規定するステップと、
ローカルZ軸を含む平面の前記表面モデルとの交差部によってそれぞれ規定される複数の特性曲線を作り、平面は少なくとも二つの特性曲線に対するローカルZ軸について異なる回転位置にあるステップと、
眼について実施された視力検査から先に決定されたように、少なくとも二つの特性曲線において要求される視力矯正に基づいて曲率半径が変えられるように、少なくとも二つの特性曲線の形状を修正するステップと、
その中で、作動域の外周によって限定される表面の部分が少なくとも二つの修正特性曲線と整合し、その間で滑からに変動する矯正表面モデルを構成し、矯正表面モデルは視力矯正を達成するために角膜に実施される再成形を表すものであるステップと
を含むことを特徴とする眼の角膜の矯正モデルの作成方法。 - 少なくとも二つの特性曲線のうちの一の特性曲線の代わりに、該一の特性曲線の平均曲率半径に等しい半径を持つ円弧を用いるステップを含むことを特徴とする請求項1記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- その間に横たわる作動域の外周部分を転回レールとして用い、少なくとも二つの修正特性曲線である一対の前記修正特性曲線間に曲線転回表面を作るステップを含むことを特徴とする請求項1記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- 二つの特性曲線が用いられ、曲線は従来の眼の屈折検査に与えられる二つの軸の向きに対応するローカルZ軸に対応する回転位置に向けられるものである方法であって、
各特性曲線上の曲率を、眼の検査の対応する軸についての屈折検査によって要求された通りに視度を矯正するために変更する修正ステップを含むことを特徴とする請求項1記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。 - 4つの特性曲線が用いられ、全ては頂点と作動域の外周との間で伸長し、2つの選択された曲線はそれぞれ最大曲率を持つ表面モデルの一部及び最小曲率を持つ表面モデルの一部に対応し、他の二つの特性曲線は各々頂点を通り作動域の外周に至る選択された曲線の一つに続くものであり、これにより表面モデルは角膜のいかなる非対称性をも保有することを特徴とする請求項1記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- 多数の特性曲線が用いられ、全ては頂点と作動域の外周との間で伸長し、各特性曲線を眼の検査によって示された視度矯正に対応させて修正するステップを含み、それにより角膜の固有の形状を矯正表面モデルに綿密に対応させることを特徴とする請求項1記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- コンピュータに含まれる表示装置上に表面モデル及び矯正表面モデルの一方を表示するステップを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- レーザ装置を制御する信号を生成するために矯正表面モデルを示す情報を用いるステップをさらに含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- 矯正表面モデルに対応する裏面形状を持つコンタクトレンズの製作を制御するために、矯正表面モデルの情報を用いるステップをさらに含むことを特徴とする請求項8記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- 制御信号が、矯正表面モデルに従い、レーザ装置を作動させる請求項8記載の眼の角膜の矯正モデルの作成方法。
- 曲率半径を変えることに関与しない形状の実質的な変化を導入せず、眼の検査によって必要であると示された視力の矯正を達成するため、複数の選択ポイントにおける曲率半径が変化するように表面モデルの形状を修正することにより、角膜の表面形状を綿密に表す、前記角膜の表面モデルから得られた矯正表面モデルを作るために成形された裏面と、
眼に対する裏面の適正な回転位置を実現するために眼の予め規定された部分に配されるように設計された、レンズの前面から見ることのできるしるしと
を含むことを特徴とする眼のマスクされた角膜を切除するプロセスにおいて型とり可能マスクの成形に用いられるコンタクトレンズ。 - 曲率半径を変えることに関与しない形状の実質的な変化を導入せず、眼の検査によって必要であると示された視力の矯正を達成するため、複数の選択ポイントにおける曲率半径が変化するように表面モデルの形状を修正することにより、角膜の表面形状を綿密に表す、前記角膜の表面モデルから得られた矯正表面モデルを作るために成形された裏面と、
それによりレンズが眼に対して回転自己方向性を有する、角膜の位相に綿密に対応する裏面を有するレンズ上の外周すそ部と
を含むことを特徴とする眼のマスクされた角膜を切除するプロセスにおいて型とり可能マスクの成形に使用されるコンタクトレンズ。 - 過剰のマスク材をレンズの下から漏れさせるために、すそ部の内部でレンズを通して伸長する複数の開口部をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の眼のマスクされた角膜を切除するプロセスにおいて型とり可能マスクの成形に使用されるコンタクトレンズ。
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