JP4723489B2 - 光学系の光学的測定データセットを登録するための装置 - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、開示全体が参照により本明細書に組み込まれている、２００２年５月３０日に出願した米国仮特許出願第６０／３８４，６５３号の利益を主張している２００２年１１月１９日に出願した米国特許出願第１０／３００，７１４号に関係する。

本出願は、さらに、開示全体が参照により本明細書に組み込まれている、２００２年２月１１日に出願した仮特許出願第６０／３５６，６５８号および２００２年６月１３日に出願した米国特許出願第６０／３８９，０９０号明細書の利益を主張している２００３年２月１１日に出願した米国特許出願第１０／３６５，１２１号明細書にも関係する。

本出願は、一般に、互いに複数のデータセットを登録することに関係する。より具体的には、本発明は、波面測定結果と眼球の角膜トポグラフィ・マップを登録することに関係する。

知られているレーザ眼球手術では、一般に、紫外線または赤外線レーザを使用して、眼球の角膜から間質組織の顕微層を取り除き、眼球の屈折特性を変える。レーザは、角膜組織の選択された形状を除去し、これにより、眼球の屈折異常を矯正することが多い。紫外線レーザ切削の結果、角膜組織の光分解が生じるが、一般には、眼球の隣接組織と下層組織に熱による著しい障害を引き起こすことはない。照射を受けた分子は、光化学的に小さな揮発性の断片に細分され、直接分子間結合を破壊する。

近視、遠視、乱視などを矯正するなど様々な目的のために、レーザ切削手術では、角膜の目標とされる間質を切削し、角膜の輪郭を変化させることができる。角膜上の切削エネルギーの分布の制御は、切削可能マスク、固定と可動開口、制御走査システム、眼球運動追跡メカニズムなどをはじめとする様々なシステムと方法により行うことができる。知られているシステムでは、レーザ光線は、多くの場合、レーザ光エネルギーの一連の離散パルスを含む。除去される組織の全体形状と量は角膜に照射されるレーザ・エネルギー・パルスのパターンの形状、サイズ、位置、および／または数によって決定される。様々なアルゴリズムを使用して、眼球の屈折異常を矯正するために角膜を整形するのに使用されるレーザ・パルスのパターンを計算することができる。知られているシステムでは、赤外線レーザ、紫外線レーザ、フェムト秒レーザ、波長増倍固体レーザなどを含む様々な形態のレーザおよび／またはレーザ・エネルギーを使用して矯正を行う。代替視力矯正方法では、角膜の放射状切開、眼内レンズ、取り外し可能角膜支持構造、熱形成などを使用する。

知られている角膜矯正治療方法は、一般に、近視、遠視、乱視などの標準的な視覚異常を矯正するのに成功している。しかし、成功しているとしても、さらに改良を進めることが望ましい。この目的に対し、現在では、特定の患者の眼球の屈折特性を測定する波面測定システムが利用可能になっている。

有望な波面測定システムの１つに、一次と二次球面円柱レンズ異常を含む、光学系全体の至るところの高次収差だけでなく、コマ収差と球面収差によって引き起こされる三次から六次までの収差を定量化することができるＨａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ波面センサ・アセンブリを使用する、ＶＩＳＸ ＷａｖｅＳｃａｎ（登録商標）システムがある。眼球の波面測定では、光経路全体を通る収差、例えば、内部収差と角膜表面の収差の両方の評価を行えるようにする眼球の高次収差マップを作成する。その後、波面収差情報を保存し、それから、コンピュータ・システムに入力して、患者の眼球の収差を矯正するためカスタム切削パターンを計算することができる。

波面測定結果に基づき切削パターンをカスタマイズすることにより、２０／２０よりも大きい視力を確実に、繰り返しもたらすようにわずかな屈折異常を矯正することが可能な場合がある。それとは別に、視力を２０／２０よりも低くする眼球の収差を矯正することが望ましい場合がある。

波面測定システムは大きな成功を収めたが、改良はまだありうる。例えば、いくつかの場合に、２つ以上もの異なる光学的測定装置を使用して眼球の屈折異常を同時診断し、眼球の視覚組織の屈折異常の診断（および治療）を改良することが望ましい場合がある。しかし、角膜治療計画に２つの異なるデータ・ソースを利用するために、２つの光学的測定装置からのデータを登録しなければならない。

そのため、必要なのは、別々の光学的測定装置からのデータセットを登録するための方法、システム、およびソフトウェアである。

本発明は、対象の第１のデータセットをその対象の第２のデータセットとともに登録し、揃えるための方法、システム、ソフトウェアを提供する。一実施態様では、第１と第２のデータセットが、光学系の第１の光学的測定結果と第２の光学的測定結果である。

一態様では、本発明は、２つの異なる測定器により得られたデータセットを登録する方法を提供する。この方法は、第１の測定器により対象から第１のデータセットを取得し、第２の測定器により対象から第２のデータセットを取得することを含む。対象の顕著なデータ点は、データセットのそれぞれに配置され、それらの顕著なデータ点は、第１のデータセットを第２のデータセットに登録するために使用される。

一実施態様では、対象は、屈折異常またはその他の光学異常を有する眼球である。第１の光学的測定結果は、波面測定装置により得られる波面測定結果とすることができる。第２の光学的測定結果は、角膜トポグラファにより得られた角膜トポグラフィ・マップとすることができる。通常、顕著なデータ点は、角膜輪部、虹彩、虹彩中心部、虹彩パターン、瞳、瞳中心部、瞳境界、角膜頂点などの眼球内の１つまたは複数のランドマークである。

一実施態様では、複数のランドマークのうちの１つは、虹彩中心部である。虹彩中心部が両方のデータセット内に配置されると、虹彩中心部が照合される。必要ならば、第１のデータセットと第２のデータセットの他の選択されたランドマークの間の眼球回旋(cyclotorsion)オフセットを計算し、２つのデータセットの間の眼球回旋オフセットを、互いにデータセットをオーバーレイするのに先立って補正することができる。２つの光学的測定結果同士の登録を可能にするために、２つのデータセットの間に座標系変換を設定することができる。

また、データセットの一方または両方のサイズをスケーリングして、第１のデータセットと第２のデータセットが実質的に互いに一致するようにすることができ、したがってデータセットがオーバーレイされる場合に、それぞれのデータセット上で点が互いに実質的に登録され揃えられる。第１と第２のデータセットが登録され揃えられた後、データセットを分析して、光学系内の光学異常を診断することができる。その後、登録されている第１と第２のデータセットの分析に基づいて、光学系に対する切削パターンを生成することができる。

他の態様では、本発明は、光学系の屈折異常の測定を改善する方法を提供する。この方法は、光学系の第１の光学的測定結果を取得し、光学系の第２の測定結果を取得することを含む。眼球の第１の光学的測定結果は、光学系の第２の測定結果に登録される。

光学系は、通常、眼球の視覚組織を含み、光学系の第１の測定結果は、眼球の波面測定結果とすることができ、第２の測定結果は、眼球の角膜トポグラフィ・マップとすることができる。一実施態様では、眼球の角膜トポグラフィ・マップを眼球の波面測定に登録することは、眼球の角膜トポグラフィ・マップと眼球の波面測定結果内でランドマークを特定し、かつ、ランドマークの間の相対的位置と捻りオフセットのうちの少なくとも一方を計算してトポグラフィ・マップと波面測定結果との間の座標系変換を生成する。ランドマークは、限定はしないが、角膜輪部、虹彩、虹彩中心部、虹彩パターン、瞳、瞳中心部、瞳境界、角膜頂点のうちの少なくとも１つを含む。座標系変換は、眼球の角膜トポグラフィ・マップを眼球の波面測定結果に揃えるために使用することができる。角膜トポグラフィ・マップと波面測定結果のサイズは、必要に応じて、スケーリングすること、および／または互いにオーバーレイすることが可能である。

角膜トポグラフィ・マップと波面測定結果が登録された後、眼球の登録されている角膜トポグラフィ・マップと波面測定結果を使用して、眼球の光学異常を診断することができる。その後、角膜切削マップと波面測定結果のうちの少なくとも一方を分析することにより、眼球に対する切削パターンを生成することができる。

他の態様では、本発明は、第１の測定器により得られる眼球の角膜トポグラフィ・マップを第２の測定器により得られる眼球の波面測定結果に登録する方法を実現する。この方法は、角膜トポグラフィ・マップ内のランドマークを特定し、波面測定結果内で対応するランドマークを特定することを含む。ランドマークは、角膜輪部、虹彩、虹彩中心部、虹彩パターン、瞳、瞳中心部、瞳境界、角膜頂点のうちの少なくとも１つとすることができる。ランドマーク間の相対的位置と捻りオフセットが決定され、角膜トポグラフィ・マップが波面測定に登録される。

本発明の他の態様では、第１のデータセットを第２のデータセットに登録するシステムを提供する。このシステムは、プロセッサに結合されたメモリを備える。メモリは、第１のデータセットを第２のデータセットに登録するための複数のモジュールを含む。これらのモジュールは、第１のデータセットを受け取るためのモジュール、第２のデータセットを受け取るためのモジュール、それぞれのデータセット内の顕著なデータ点を特定するためのモジュール、その顕著なデータ点を使用して第１のデータセットを第２のデータセットに登録するためのモジュールを含む。

顕著なデータ点は、瞳中心部、瞳境界、虹彩中心部、虹彩境界、虹彩パターン、角膜輪部、および／または角膜頂点などの眼球内の複数のランドマークとすることができる。顕著なデータ点を使用するためのモジュールは、第１のデータセットと第２のデータセット内の顕著なデータ点の間の位置と捻りオフセットを計算し、補正するように構成することができる。

顕著なデータ点を使用するためのモジュールは、第１のデータセットを第２のデータセットにオーバーレイするように構成することができる。顕著なデータ点を使用して第１のデータセットを第２のデータセットに登録するモジュールは、さらに、第１のデータセットと第２のデータセットのうちの少なくとも一方のサイズをスケーリングしてデータセットのサイズが実質的に互いに一致するように構成することができる。

システムは、第１のデータセットが波面測定結果であるような波面測定装置を備えることができる。システムは、さらに、第２のデータセットが角膜トポグラフィ・マップであるような角膜トポグラファを備えることもできる。システムの複数のモジュールは、さらに、第１のデータセットと第２のデータセットの分析に基づいて切削パターンを計算するためのモジュールを備えることもできる。システムは、状況に応じて、切削パターンを送出するためのレーザ・アセンブリを備えることができる。

他の態様では、本発明は、光学系の第１の光学測定結果を光学系の第２の光学測定結果に登録するためのシステムを実現する。このシステムは、プロセッサに結合されたメモリを備える。メモリは、第１の光学的測定結果を第２の光学的測定結果に登録するための複数のモジュールを含む。これらのモジュールは、光学系の第１の光学的測定結果を取得するためのモジュール、光学系の第２の光学的測定結果を取得するためのモジュール、光学系の第１の光学的測定結果を光学系の第２の光学的測定結果に登録するためのモジュールを含む。

これらのモジュールは、さらに、光学系の光学異常を診断するためのモジュールを含むことができる。診断モジュールは、第１の光学的測定結果と第２の光学的測定結果を使用して、光学系を診断することができる。これらのモジュールは、さらに、光学系の診断された光学異常を矯正するための切削パターンを生成するモジュールも含むことができる。

一実施態様では、本発明のシステムは、ＶＩＳＸ ＷａｖｅＳｃａｎ（登録商標）装置とＨｕｍｐｈｒｅｙ（登録商標）ＡＴＬＡＳ（商標）角膜トポグラフィ・システムなどの２つの独立の装置からの２つの像内で眼球の同じランドマークを特定するように構成される。これらのランドマークが特定された後、本発明のシステムは、データの２つの集合（例えば、像）間の相対的位置および／または捻りオフセットを計算し、データセット同士を揃えることができる。

他の態様では、本発明は、光学系の光学異常を測定するためのコンピュータ可読記憶媒体上に格納されるコンピュータ・プログラムを提供する。コンピュータ・プログラムは、第１のデータセットを受け取るためのコード・モジュール、第２のデータセットを受け取るためのコード・モジュール、それぞれのデータセット内の顕著なデータ点を特定するためのコード・モジュール、その顕著なデータ点を使用して第１のデータセットを第２のデータセットに登録するためのコード・モジュールを含む。

一実施態様では、これらのコード・モジュールは、波面測定結果および／またはトポグラフィ・マップを受け取るように構成される。コンピュータ・プログラムは、さらに、光学系の光学異常を診断するためのコード・モジュールと、光学異常を矯正するための切削パターンを生成するコード・モジュールを含み、切削パターンは、少なくとも一部は、光学系の光学異常の診断結果に基づく。

他の態様では、本発明は、光学系の第１の光学的測定結果を光学系の第２の光学的測定結果に登録するためのコンピュータ可読記憶媒体上に格納されるコンピュータ・プログラムを実現する。コンピュータ・プログラムは、光学系の第１の光学的測定結果を取得するためのコード・モジュール、光学系の第２の光学的測定結果を取得するためのコード・モジュール、および光学系の第１の光学的測定結果を光学系の第２の光学的測定結果に登録するためのコード・モジュールを含む。

本発明の性質および利点をさらに理解するために、付属の図面とともに以下の説明を参照すべきである。

本発明は、眼球の光学異常の診断を改善し、レーザ屈折矯正角膜切除術（ＰＲＫ）、レーザ治療角膜切除術（ＰＴＫ）、レーザ原位置角膜曲率形成術（ＬＡＳＩＫ）、レーザ上皮角膜曲率形成術（ＬＡＳＥＫ）などの眼球の光学異常を矯正するレーザ眼球外科手術の精度と効果を高めるために特に使用される。

本発明は、主に、レーザ眼科手術システムを使用して眼球の屈折異常の診断と治療を改善する背景状況において説明されるが、本発明は、他の光学系の代替診断、眼球治療法、、フェムト秒レーザとレーザ治療、赤外線レーザとレーザ治療、放射状角膜切除術（ＲＫ）、強膜バンド、フォローアップ診断法などの光学系での使用に適合することができる。

さらに、残りの説明では、波面測定システムと角膜トポグラファからの眼球のデータセットと像を登録し、揃えることに重点を置いているが、本発明は、様々な他の光学的測定器により取得されるデータセットを登録し揃えることにも等しく適用することができる。例えば、本発明は、波面測定システム、波面測定システム上の瞳カメラ、角膜トポグラファ、測厚装置、光干渉断層計（ＯＣＴ）走査装置、瞳と虹彩の一部を視野内に置いて眼球を撮像する測定器などの任意の組合せの像を揃えるために使用することができる。

図１は、本発明の一実施形態の簡略化されたシステムの概略を示す。本発明の例示されているシステムは、通常、第１の測定器１０、第２の測定器１６、レーザ・システム１５を備える。

一実施形態では、第１の測定器は、全体の眼組織または他の視覚組織システムの収差やその他の光学特性を測定する波面測定装置１０である。このような波面測定装置からのデータを使用して、光学的勾配の配列から光学面を生成することができる。勾配は眼組織システム全体にわたって実際に配置される収差の効果を示すので、光学面は実際の組織表面と正確に一致している必要はないことは理解されるであろう。しかしながら、勾配から生じる収差を矯正するために視覚組織面に課される矯正により、視覚組織システムが矯正されるであろう。本明細書で使用されているように、「視覚組織表面」などの用語は、理論的組織表面（例えば、波面センサ・データから導かれる）、実際の組織表面、および／または治療目的のために形成される組織表面（例えば、ＬＡＳＩＫ法の実施中に角膜上皮のフラップをずらし、下にある間質を露出するように角膜組織を切開することにより）を包含しうる。

第２の測定器は角膜トポグラファ１６とすることができる。角膜トポグラファ１６は、角膜表面を診断し調べるために使用することができる。角膜トポグラファ１６は、通常、角膜を撮像するフレーム・グラバなどの撮像装置１８を備える。フレーム・グラバにより取得された像は、コンピュータ・システム１９により分析され、コンピュータ・システムは、三次元トポグラフィ・マップを含む、１つまたは複数のグラフおよび表形式出力を生成することができる。角膜トポグラファ１６は、角膜表面の凹凸を測定することにより角膜表面の等高線を決定することができる。角膜トポグラファの一実施例は、カリフォルニア州ダブリンのＺｅｉｓｓ Ｈｕｍｐｈｒｅｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ社のＨｕｍｐｈｒｅｙ（登録商標）Ａｔｌａｓ（商標）Ｃｏｒｎｅａｌ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｅｒであり、これは、プラシド・ディスク技術を使用して角膜表面の像を生成する測定器である。

角膜トポグラファ１６は、角膜の表面からの光のリングの反射を捕らえ、反射された光のひずみを測定する方法に基づくことができる。検出器（図には示されていない）は、反射された像を捕捉し、コンピュータ・システム１９は、データを処理し、情報をユーザによって選択された１つまたは複数の形式により表示する。例えば、角膜トポグラファ１６は、軸方向マップ（光軸に関する角膜の曲率半径を記述する）、曲率マップ（光軸と無関係の曲率半径を記述する）、および／または高度マップ（基準球に関する半径を例示する）を供給することができる。

Ｈｕｍｐｈｒｅｙ（登録商標）Ａｔｌａｓ（商標）トポグラファは、本発明と併用できる角膜トポグラファの１例に過ぎないことは理解できるであろう。Ｔｏｐｃｏｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｄｉｃｏｎ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ、Ｈａａｇ−Ｓｔｒｅｉｔ、ＥｙｅＱｕｉｐ、Ｔｏｍｅｙ Ｃｏｒｐ．、Ｂａｕｓｃｈ ＆ Ｌｏｍｂ、Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｏｐｈｔｈａｌｍｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｎｉｄｅｋ、およびＬａｓｅｒ Ｓｉｇｈｔの各社が販売する他の角膜トポグラファも、本発明と併用できる。眼球の角膜トポグラフィを測定するいくつかのシステムと方法については、開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第４，７６１，０７１号、４，９９５，７１６号、５，４０６，３４２号、６，３９６，０６９号、６，１１６，７３８号、４，５４０，２５４号、および５，４９１，５２４号で説明されている。

図１と２は、本発明に包含されるレーザ手術システム１５の一実施形態を例示している。レーザ眼科手術システム１５は、レーザ光線１４を発生するレーザ・アセンブリ１２を備える。レーザ・アセンブリ１２は、レーザ光線１４を患者Ｐの眼球に当てる、レーザ送出光学系２１に光学的に結合される。送出光学系支持構造物（分かりやすくするためここには示されていない）は、レーザ・アセンブリ１２を支えるフレーム１８から延びている。顕微鏡などの撮像アセンブリ２０は、レーザ手術中に眼球Ｅの角膜を撮像するため送出光学系支持構造物上に取り付けられる。

レーザ・アセンブリ１２は、一般に、エキシマ・レーザ源を備え、通常は、約１９３ｎｍの波長を持つレーザ光パルスを発生するアルゴン・フッ素レーザを含む。レーザ・アセンブリ１２は、送出光学系２１を介して送出される、患者の眼球でのフィードバック安定化フルエンスを供給するように設計するのが好ましい。本発明は、さらに、紫外線または赤外線の代替放射源、特に、眼球の隣接するおよび／または下層の組織に著しい損傷を引き起こすことなく角膜組織を制御可能な形で切削するように適合された放射源とともに使用することができる。このような放射源は、限定はしないが、固体レーザと、約１８５から２１５ｎｍまでの紫外線波長のエネルギーを発生することができる他の装置および／または周波数増倍手法を使用する装置を含む。したがって、エキシマ・レーザは切削ビームの例示されている放射源であるが、他のレーザも本発明では使用することができる。

レーザ・アセンブリ１２と送出光学系２１は、一般に、レーザ光線１４を、コンピュータ・システム２２の指令の下で患者Ｐの眼球に当てる。コンピュータ・システム２２は、一般に、角膜の所定のスカルプティング作業を行わせ、眼球の屈折特性を変えるため角膜の一部をレーザ・エネルギーのパルスに曝すように選択的にレーザ光線１４を調整する。多くの実施形態では、レーザ光線１４とレーザ送出光学系２１は、コンピュータ・システム２２のコンピュータ制御の下で、所望のレーザ・スカルプティング・プロセスを実行し、カスタマイズされた切削プロファイルを送出するが、コンピュータ・システムでは、光学的フィードバック・システムからの入力に応じて切削手順を変更するのが理想的である。フィードバックは、好ましくは、自動化像分析システムからコンピュータ・システム２２に入力されるか、または光学的フィードバック・システムにより供給される分析像の目視検査に応じて手作業でシステム・オペレータがプロセッサに入力してもよい。コンピュータ・システム２２は、フィードバックに応じてスカルプティング治療を継続および／または終了することが多く、状況に応じて、少なくとも一部はフィードバックに基づいて予定スカルプティングを修正することもできる。

レーザ光線１４は、様々な代替メカニズムを使用して所望のスカルプティングを行うように調整することができる。レーザ光線１４は、１つまたは複数の可変絞りを使用して選択的に制限することができる。可変虹彩と可変幅スリットを持つ可変絞りシステムの実施例は、開示全体が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第５，７１３，８９２号で説明されている。レーザ光線は、さらに、眼球の軸からのレーザ・スポットのサイズとオフセットを変えることにより手直しすることもでき、これについては、米国特許第５，６８３，３７９号で説明されており、また共通出願の１９９７年１１月１２日に出願した米国特許出願第０８／９６８，３８０号および１９９９年３月２２日に出願した第０９／２７４，９９９号でも説明されており、開示全体が参照により本明細書に組み込まれている。

さらに、眼球の表面に対するレーザの走査やそれぞれの場所のパルス数および／または滞留時間の制御など他の実施形態も可能であり、これについては、例えば、米国特許第４，６６５，９１３号（開示全体が参照により本明細書に組み込まれる）で説明されており、またＬａｓｅｒＳｉｇｈｔ社のＬＳＸレーザ、Ａｌｃｏｎ／Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ社のＬａｄａｒＶｉｓｉｏｎ、Ｗａｖｅｌｉｇｈｔ社のＡｌｌｅｇｒｅｔｔｏ、およびＴｅｃｈｎｏｌａｓ社の２１７Ｃなどの他の走査型レーザ・システムでも実証されており、その際に、１９９５年６月６日に出願した米国特許出願第０８／４６８，８９８号（開示全体が参照により本明細書に組み込まれる）で説明されているように切削して角膜に入射した光線のプロファイルを変えるマスクをレーザ光線１４の光学系内で使用し、また可変サイズ光線（通常は、可変幅スリットおよび／または可変口径虹彩絞りにより制御される）が角膜上で走査されるハイブリッド・プロファイル走査型システムなどを使用する。これらのレーザ・パターン修正手法に対するコンピュータ・プログラムと制御方法は、特許文献の中で適切に説明されている。

追加コンポーネントとサブシステムをレーザ・システム１５とともに含めることができるが、当業者であれば理解するであろう。例えば、空間をおよび／または時間積分器を組み込んで、レーザ光線内のエネルギーの分布を制御することができるが、これについては、開示が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第５，６４６，７９１号で説明されている。本発明を理解する上では必要のない、切削流出物エバキュエータ／フィルタ、およびレーザ手術システムのその他の補助コンポーネントについては、本発明の理解のため詳しくは説明する必要がない。

図１に概略が示されているように、波面測定装置１０は、通常、波面測定アセンブリ１１と撮像アセンブリ１３を備える。波面測定アセンブリ１１は、患者の眼球と撮像アセンブリ１３の少なくとも一方の波面立面を測定し、取得するために使用することができ、同時に、波面測定時に患者の眼球の静止または移動像を取得することができる。

いくつかの実施例では、撮像アセンブリ１３は、患者の眼球の静止像を取得することができるＣＣＤカメラである。撮像アセンブリ１３により取得された（複数の）像は、その後、波面測定結果および／またはカスタマイズされた切削パターン（波面測定結果および／または角膜トポグラフィ・マップに基づく）をレーザ外科手術時に患者の眼球とともに登録するために使用することができる。

波面測定アセンブリ１１と撮像アセンブリ１３は、波面測定結果と患者の眼球の像を生成し、格納することができるコンピュータ・システム１７に結合または一体化することができる。それ以降、患者の波面データは、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ、フロッピー（登録商標）・ディスク、光ディスク、ハード・ドライブ、またはその他のコンピュータ可読媒体などのコンピュータ可読媒体２９に格納することができる。状況に応じて、いくつかの実施形態では、波面測定装置のコンピュータ・システムは、さらに、コンピュータ可読媒体２９上に波面データに基づいて切削プロファイルを生成して保存することもできる。

眼球の静止像、波面データおよび／またはカスタマイズされた切削プロファイルは、コンピュータ可読媒体２９の読み込みを通じて、またはローカルまたはワイドエリア・ネットワーク（ＬＡＮまたはＷＡＮ）上の外科手術システム１５のメモリ内に送ることにより、レーザ手術システム１５のメモリ内にロードすることができる。レーザ眼科手術システム１５は、撮像アセンブリ２０とレーザ・アセンブリ１２と通信するコンピュータ・システム２２を含むことができる。コンピュータ・システム２２は、メモリに格納されているソフトウェア、患者の眼球の切削エネルギーの送出、レーザ光線１４の光軸に関する患者の眼球の位置の追跡（例えば、ｘ、ｙ、ｚ方向への平行移動、回し運動回転(torsional rotation）などを制御するために使用できるハードウェアを備えることができる。いくつかの実施例では、とりわけ、コンピュータ・システム２２は、波面データおよび／または角膜トポグラフィ・データに基づいてカスタマイズされた切削プロファイルを計算し、撮像アセンブリ１３により撮られた（複数の）像を撮像アセンブリ２０により撮られたリアルタイムの（複数の）像に登録するようにプログラムすることができる。さらに、コンピュータ・システム２２は、リアルタイムで、レーザ光線の光軸に関する患者の眼球の移動（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）、回転の向きθ（ｔ））を測定し、患者の眼球のリアルタイムの位置および／または向きに基づいてカスタマイズされた切削プロファイルの送出をコンピュータ・システム側で修正できるようにプログラムすることができる。

次に図３を参照すると、本発明の波面測定装置１０の一実施形態の概略が例示されている。例示されている波面測定装置１０は、本発明のいくつかの実施形態とともに使用できる１つの波面測定装置の一実施例にすぎず、他の従来のまたは専用の波面測定装置を使用することができることは理解できるであろう。

非常に一般的な言い方をすると、波面測定装置１０は、波面測定アセンブリ１１による眼球の波面測定時に患者の眼球Ｅを撮像することができる撮像アセンブリ１３を備える。波面測定アセンブリ１１は、網膜Ｒの表面に像４４を形成するために眼球Ｅの視覚組織３４を通し像源を投射する、レーザなどの、像源３２を備える。網膜Ｒからの像は、眼球の光学系（特に視覚組織３４）により伝達され、システム光学系３８により波面センサ３６上に結像される。撮像アセンブリ１３は、患者の眼球の（複数の）像をコンピュータ・システム１７内のメモリの送出するためコンピュータ・システム１７と通信することができる。必要ならば、波面センサ３６も、角膜切削治療プログラムの決定のために信号をコンピュータ１７に伝達するように構成することができる。コンピュータ１７は、レーザ手術システム１５のオペレーションを指令するために使用されるのと同じコンピュータでよいが、あるいは、波面測定装置１０とレーザ手術システムのコンピュータ・コンポーネントの少なくとも一部または全部を別々にすることもできる。波面センサ３６からのデータは、有形な媒体２９、Ｉ／Ｏポート、イントラネット、インターネットなどのネットワーク接続を介してレーザ・システム・コンピュータ２２に送信することができる。

波面センサ３６は、一般に、小型レンズ・アレイ３８とイメージ・センサ４０を備える。網膜Ｒからの像が視覚組織３４を通して伝達され、小型レンズ・アレイ３８の表面に結像されると、小型レンズ・アレイは、伝達された像を小光線のアレイに分割し（システムの他の光学コンポーネントと組み合わせて）分離された小光線をセンサ４０の表面上に結像する。センサ４０は、通常、電荷結合素子つまりＣＣＤを備え、これらの個々の小光線の特性を感知し、それを使って、視覚組織３４の関連する領域の特性を決定することができる。特に、像４４が光の点または小さなスポットを含む場合、小光線により結像される伝達スポットの位置は、直接、視覚組織の関連する領域の局所的勾配を示す。

眼球Ｅは、一般に、前向きＡＮＴと後向きＰＯＳを定義する。像源３２は、一般に、視覚組織３４を通じて後向きで像を網膜Ｒに投影する。視覚組織３４は、再び、網膜から像４４を、前向きに波面センサ３６に向けて送る。実際に網膜Ｒ上に形成された像４４は、像源が視覚組織３４により最初に伝達されたときに眼球の光学系内の欠陥により歪まされる可能性がある。状況に応じて、像源投影光学系４６は、像４４の歪みを減らすように構成または適合することができる。

いくつかの実施形態では、像源光学系は、視覚組織３４の球面および／または円柱異常を補正することにより低次の光学異常を減らすことができる。視覚組織の高次の光学異常も、可変鏡などの適応型光学素子を使用することにより補正することが可能である。網膜Ｒ上の像４４に点または小さなスポットを定義するように選択されたレーザ像源３２を使用することで、波面センサ３６により供給されるデータの分析が簡単になる場合がある。像４４の歪みは、瞳５０よりも小さい視覚組織３４の中心部４８を通じて像源を伝達することにより制限することができるが、瞳の中心部は、周辺部よりも光学異常の影響を受けにくいためである。特定の像源構造に関係なく、一般に、網膜Ｒ上に適切に定義され、正確に形成された像４４を持つことが有益である。

本発明の方法は、一般に、網膜上の像４４の感知に関して説明されるが、一連の波面センサ・データ読み取りを実行できることは理解されるであろう。例えば、波面データ読み取りの時系列を使用すると、眼組織収差の総合的な決定をより正確に行うことがしやすくなる。眼組織は短時間のうちに形状を変えうるので、複数の時間的に隔てられた波面センサ測定結果であれば、屈折矯正手術の基盤として光学特性の単一スナップショットに依存しなくてすむ可能性がある。さらに、目を異なる構成、位置、および／または向きにして目の波面センサ・データを抽出することを含む他の手段も利用可能である。例えば、開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，００４，３１３号で説明されているように、患者は凝視目標に焦点を当てることにより眼球と波面測定アセンブリ１１と揃える動作を維持するのを手助けすることができる。その特許文献で説明されているように凝視目標の焦点位置を変えることにより、可変距離で視野を撮像するように眼球を適応または適合させながら眼球の光学特性を決定することができる。他の代替手段は、波面測定アセンブリ１１内で代替および／または移動凝視目標を用意することによる眼球の回転を含む。

眼球の光軸の位置は、波面測定時に眼球を同時に撮像する、瞳カメラなどの撮像アセンブリ１３から供給されるデータを参照することにより検証することができる。この実施例では、撮像アセンブリ１３は、後述のように、視覚組織に関する波面センサ・データの登録のため、その後瞳および／または虹彩の位置と回し運動の向き(torsional orientation))を決定できるように瞳５０および／または虹彩を撮像する。

波面センサ・システムの他の実施形態は図３Ａに例示されている。図３Ａのシステムの主要コンポーネントは、図３のと類似している。さらに、図３Ａは、可変鏡の形で適応型光学素子５２を備える。線源像は、網膜Ｒへの伝達時に可変鏡５２から反射され、可変鏡も、網膜Ｒと撮像センサ４０との間の伝達された像を形成するために使用される光学経路にそって配置される。可変鏡５２は、網膜内に形成された像の歪みを制限するために制御可能な形で変形することができ、波面データの精度を高めることができる。図３Ａのシステムの構造と使用法は、開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，０９５，６５１号でさらに詳しく説明されている。

眼球と収差を測定するための波面システムの一実施形態のコンポーネントは、カリフォルニア州サンタクララのＶＩＳＸ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社のＶＩＳＸ ＷａｖｅＳｃａｎ（登録商標）の素子を含む。好ましい一実施形態は、上述のように可変鏡とともにＶＩＳＸ ＷａｖｅＳｃａｎ（登録商標）を含む。波面測定装置の他の実施形態は、開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，２７１，９１５号で説明されている。

図４は、本発明のシステムに含まれるコンピュータ・システム１７、１９、２２の実施例の簡略化されたブロック図である。コンピュータ・システムは、通常、バス・サブシステム６２を介して多数の周辺装置と通信する少なくとも１つのプロセッサ６０を備える。これらの周辺装置には、メモリ・サブシステム６６とファイル格納サブシステム６８を含む記憶装置サブシステム６４、ユーザ・インターフェース入力装置７０、ユーザ・インターフェース出力装置７２、ネットワーク・インターフェース・サブシステム７４がある。ネットワーク・インターフェース・サブシステム７４は、他の撮像装置、データベースなどとの通信を行うための通信ネットワーク７５とのインターフェースを提供する。

ユーザ・インターフェース入力装置７０は、キーボード、マウス、トラックボール、タッチ・パッド、またはグラフィックス・タブレットなどのポインティング装置、スキャナ、フット・ペダル、ジョイスティック、ディスプレイに組み込まれタッチスクリーン、音声認識システムなどのオーディオ入力装置、マイク、その他の種類の入力装置を含むことができる。一般に、「入力装置」という用語の使用は、情報をコンピュータ・システムに入力するための様々な従来のと専用の装置と手段を含むことが意図されている。このような入力装置は、多くの場合、コンピュータ・ネットワークまたは本発明の方法のステップまたはプログラミング命令を実現する有形な記憶媒体からコンピュータ実行可能コードをダウンロードするために使用される。

ユーザ・インターフェース出力装置７２は、ディスプレイ・サブシステム、プリンタ、ファクス機、またはオーディオ出力装置などの非ビジュアル・ディスプレイを含むことができる。ディスプレイ・サブシステムは、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのフラットパネル装置、投射装置などとすることができる。ディスプレイ・サブシステムは、さらに、オーディオ出力装置などを介して非ビジュアル・ディスプレイを備えることもできる。一般に、「出力装置」という用語の使用は、情報をコンピュータ・システムからユーザに出力するための様々な従来のと専用の装置と手段を含むことが意図されている。

記憶装置サブシステム６４は、本発明の様々な実施形態の機能を実現する基本プログラミングとデータ構造を格納する。例えば、本発明の機能を実装するデータベースとモジュールは、記憶装置サブシステム６４に格納することができる。これらのソフトウェア・モジュールは、プロセッサ６０により一般的には実行される。分散環境では、ソフトウェア・モジュールは、複数のコンピュータ・サブシステムのメモリ内に格納され、複数のコンピュータ・システムのプロセッサにより実行することができる。記憶装置サブシステム６４は、通常、メモリ・サブシステム６６とファイル格納サブシステム６８を含む。

メモリ・サブシステム６６は、通常、プログラム実行時に命令とデータを格納するためのメイン・ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）７６を含む多数のメモリと固定された命令が格納される読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）７８を含む。ファイル格納サブシステム６８は、プログラムとデータ・ファイル用の永続的（不揮発性）記憶装置を備え、またハード・ディスク・ドライブ、関連する取り外し可能媒体が付属するフロッピー・ディスク・ドライブ、コンパクト・デジタル読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）ドライブ、光ドライブ、ＤＶＤ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、または取り外し可能媒体カートリッジまたはディスクを含むことができる。ドライブの１つまたは複数をコンピュータ・システムに結合された他のサイトの他の接続されたコンピュータ上のリモートの位置に置くことができる。本発明の機能を実装するデータベースとモジュールは、さらに、ファイル格納サブシステム６８により格納することもできる。

バス・サブシステム６２は、コンピュータ・システムの様々なコンポーネントとサブシステム同士に意図されているとおりに通信を行わせるためのメカニズムを備える。コンピュータ・システムの様々なサブシステムとコンポーネントは、同じ物理的位置にある必要はないが、分散ネットワーク内の様々な位置に分散させることはできる。バス・サブシステム６１２は単一のバスとして概略が示されているが、バス・サブシステムの他の実施形態では複数のバスを使用することができる。

コンピュータ・システム自体は、パーソナル・コンピュータ、携帯型コンピュータ、ワークステーション、コンピュータ端末、ネットワーク・コンピュータ、撮像ユニット内のモジュール、メインフレーム、またはその他のデータ処理システムを含む様々なタイプのものとすることができる。コンピュータとネットワークは絶えず変化する性質のものであるため、図４に示されているコンピュータ・システムの説明は、本発明の一実施形態を例示する目的のための特定の実施例としてのみ意図されている。図４に示されているコンピュータ・システムよりもコンポーネントを増やしたり減らしたりしたコンピュータ・システムを備える他の多くの構成も可能である。

図５は、本発明の実施形態を実行することができる複数のモジュール８０の概略を例示している。モジュール８０は、ソフトウェア・モジュール、ハードウェア・モジュール、またはそれらの組合せとすることができる。モジュールがソフトウェア・モジュールの場合、それらのモジュールは、コンピュータ可読媒体上に実装され、本発明のコンピュータ・システムのどれかのプロセッサ６０により処理される。

第１の測定器からの第１のデータセットは、モジュール８２によって受信される。第１のデータセットは、通常、目などの光学系の光学的測定結果および／または像である。例えば、一実施形態では、光学的測定結果は、患者の目の波面測定の形である。このような波面測定結果は、図３と３Ａに例示されている波面測定装置により取得することができる。第２の測定器からの第２のデータセットは、モジュール８４によって受信される。第２のデータセットも、通常は、同じ光学系の光学的測定結果および／または像である。例えば、一実施形態では、第２の光学的測定結果は、患者の目の角膜トポグラフィ・マップの形である。

本発明は、波面測定装置と角膜トポグラファに限定されないことは理解されるであろう。第１の測定器と第２の測定器は、光学系の光学異常または屈折異常の測定結果を取得するために使用される光学的測定装置の任意の組合せとすることができる。第１と第２のデータセットは、通信ネットワークにより第１の測定器と第２の測定器から伝達することができるか、またはそれぞれの装置からのデータセットをコンピュータ可読媒体に格納し、処理モジュール８０であるコンピュータ・システムにアップロードすることができる。

眼球の屈折異常の診断と角膜治療計画に２つのデータ・ソース（例えば、角膜トポグラファと波面測定装置）を利用するために、２つのソースからのデータを登録しなければならない。したがって、第１のデータセットと第２のデータセットがモジュール８６に伝送され、そこで、１つまたは複数の像処理アルゴリズムがデータセットに適用され、第１のデータセットと第２のデータセットが登録される。通常、２つのデータセットの登録により、位置および／または回し運動のずれ(torsional misalignment)を補正するために２つのデータセットの間の座標系変換が確立される。

図６は、モジュール８６の一実施例の概略を示している。しかし、図６は、２つのデータセットを登録するために使用することができる像処理アルゴリズムの一実施例にすぎないことは理解できるであろうし、また本発明は、図６の特定の例に限定すべきではない。

例示されているように、モジュール８２からのデータはモジュール８６に伝達することができ、そこで、１つまたは複数のアルゴリズムが第１のデータセット（例えば、波面測定結果）に適用され、それにより、波面測定結果内のランドマークなどの顕著なデータ点を特定する。ランドマークのいくつかの実施として、角膜輪郭部、虹彩、虹彩境界、虹彩中心部、虹彩パターン（例えば、虹彩パターンのテクスチャ）、瞳、瞳中心部、角膜中心部、角膜頂点がある。図６Ａに例示されている一実施形態では、アルゴリズム９０は、高い精度でランドマークを検出することができる（例えば、瞳と虹彩）。

例示されている実施形態では、アルゴリズム９０は、瞳を特定する、瞳の中心を見つける、および／または瞳の半径を計算するなど、瞳情報を計算する（ステップ１００）。一実施形態では、瞳は、ピクセル値ヒストグラムを分析することによりデータセットのしきい値を決め、少なくとも２０００個のピクセルがカットオフしきい値よりも下であった後にヒストグラム内の最初の「凹み」の位置を選択することにより特定される。しきい値よりも下にあるすべてのピクセルは、「１」でラベル付けされ、しきい値よりも上にあるピクセルは、「０」でラベル付けされるようにできる。「１」のラベルが付けられているピクセルは、一般に、瞳、まつげ、場合によっては像の他の領域に対応するであろう。しかし、使用されるピクセルの個数は、瞳の面積に関係し、発明のアプリケーションによって変わることは理解されるであろう。

非瞳領域と比べたときに瞳領域周りの２つ際立った特徴は、その大きなサイズと中心位置である。いくつかの実施形態では、データセットの５ピクセル幅の内側フレームと交差する領域は破棄することができ、最大の残りの領域を瞳として選択することができる。

必要ならば、選択された瞳領域を塗りつぶして、反射などにより生じる穴を除去することができる。例えば、一実施形態では、像の残り領域も、凸性について分析することができる。瞳の半径と中心は、標準重み付き最小２乗推定手順により推定することができる。

瞳情報を計算した後、虹彩境界、虹彩中心部、虹彩半径を特定するなど、虹彩情報を計算することができる（ステップ１０２）。いくつかの実施形態では、虹彩境界は、いくつかのピクセルの特定の半径（例えば、３２０ピクセル）であると推定することができ、またすべての人について一定であると仮定することができる。虹彩の中心部は、虹彩の外側境界に対応する円の中心として計算することができる。必要ならば、虹彩の中心部の位置を使用して、虹彩中心部からの瞳のオフセットを計算することができる。

それとは別に、虹彩情報を計算する他の方法では、瞳中心部がすでに見つかっており（上述のように）、虹彩が限られた範囲の可能な値を持ち、虹彩中心部が通常瞳中心部からあまり離れていないという事実を利用する。瞳の中心部と虹彩の中心部は、通常、互いに離れていないため、瞳中心部に関する半径方向微分により虹彩中心部に関する像強度の半径方向微分を推定することが可能である。さらに、事実上生じる限られた範囲の虹彩半径値により、可能な探索の範囲を、瞳中心部を中心とし、虹彩縁が常にこの範囲内のどこかに置かれるような内側半径と外側半径を持つ輪に制限することができる。一実施形態では、数値探索範囲は、約１０．５ｍｍから１４ｍｍまでの範囲とすることができる。他の実施形態では、この範囲は、必要に応じて大きくも小さくもできる。

状況に応じて、虹彩が見つかった後、虹彩直交座標を、瞳を中心とする極座標に変換することにより、虹彩輪をアンラップし、一定数のセクタに分割することができる（ステップ１０４）。他の実施形態では、アンラップすることなく虹彩輪を分析することが可能である場合がある。しかし、出願者は、虹彩輪のアンラップとスケーリングでは、純粋な平行移動を使用して眼球の異なる像の間で虹彩のランドマーク（例えば、テクスチャ・ブロック）の照合がうまくゆくことを見いだした。例えば、虹彩輪がアンラップされていない場合、アルゴリズムでは、回転されたテクスチャ・ブロックの照合が面倒な場合があるが、虹彩輪がアンラップされていれば、テクスチャ・ブロックは同じ相対形状を維持する。

虹彩を複数のセクタに分割した後、ランドマークを特定することができる（ステップ１０６）。例えば、それぞれのセクタ内の１つの凸領域またはランドマークを識別し、その特性を抽出することができる。一実施形態では、虹彩領域は中心角１５度の２４個のセクタに分割される。しかし、他の実施形態では、虹彩領域は、２４よりも多いセクタまたは２４よりも少ないセクタに分割することができることは理解されるであろう。

ランドマークは、十分に目立ち、コントラストが高いことが好ましい。このようなランドマークを選択する方法はいくつかありえる。一例では、サイズＭ×Ｍの正方形のマスク（例えば、暗色の眼球では２１×２１、明色の眼球では３１×３１）が定義される。マスクは、２４個のセクタのそれぞれの上で走査され、各セクタ内の各ピクセルについて、そのピクセルを中心とするマスクの内側の領域から値が計算される。そのピクセルに割り当てられた値は、領域内に存在するすべての空間周波数の振幅の総和として決定される。一実施形態では、振幅の総和は、その領域のフーリエ変換により計算することができる。必要ならば、フーリエ・スペクトルの中心５×５部分をヌルにして、ＤＣ成分を除去することができる。その後、それぞれのセクタ内で最大値を特定し、瞼とまつげなどの瞳マージンと他の境界アーティファクトに近づくのを回避するために、対応するマスクの境界が虹彩境界から少なくとも５ピクセルは離れているようにすることができる。「ウィニング」位置と対応するブロックは、後で比較できるように格納される。

波面測定像内の瞳の中心部、虹彩の中心部、他のランドマークを特定するために使用できるアルゴリズムのさらに詳細については、２００２年１１月１９日に出願した米国特許出願第１０／３００，７１４号、Ｇｒｏｅｎ，Ｅ．「Ｃｈａｐｔｅｒ １ ｏｎ Ｖｉｄｅｏ−ｏｃｕｌｏｇｒａｐｈｙ」、ＰｈＤ Ｔｈｅｓｉｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｕｔｒｅｃｈｔ（１９９７）で説明されており、開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

図６を再び参照すると、第１のデータセット内のランドマークが格納され、モジュール８４からの第２のデータセットがモジュール８６に伝達され、そこで、アルゴリズム９２を使用して、第２のデータセット（例えば、角膜トポグラフィ測定結果）内の対応する顕著なデータ点（例えば、瞳中心部、虹彩、ランドマークなど）を特定することができる。図６Ａに示されているのと類似しているアルゴリズムを使用して、第２のデータセット内の顕著なデータ点を特定することができる。

しかし残念なことに、第２のデータセットが角膜トポグラファからのものである場合には、角膜トポグラファからの像は、多くの場合、実際の表面高度の計算を行うために角膜トポグラファ１６により使用されるプラシド・リングからの反射を含む。プラシド・リングが存在するため、正確な瞳中心部と境界を見つけることが困難な場合が多い。しかし、アルゴリズム９２は、像内の瞳中心部と境界を正確に特定できるように十分にロバストでなければならない。

図６Ｂは、角膜トポグラフィ像内で瞳を特定するために使用することができるステップ例１００の概略を例示している。第１に、しきい値は、瞳の境界を決定するために像ヒストグラム２００に基づいて決定される。第１の凹み２０２を使用して、瞳と虹彩を区別する。像は、しきい値設定され２０４、その後、形態的膨張と侵食２０６が続き、リングからのギャップが閉じる。領域の境界２０８に基づいて、最良適合の円が見つけられる。最良適合の円は、瞳の外側境界２１０とみなされる。この外側境界から、アルゴリズムは瞳中心部を特定することができる。

さらに、または別に、虹彩の外縁は、部分的に見えるが、角膜の中心部を見つけるために使用することができる。図６Ａに示されているのと類似のステップを使用して、必要な場合に、虹彩の中で虹彩中心部、虹彩境界、虹彩半径、その他のランドマークを特定することができる。このような虹彩を見つけるアルゴリズムのいくつかの実施形態では、瞳中心部を虹彩の中心部の初期推定値として使用するが、角膜トポグラフィ・マップについては、初期推定値としてその像の中心を使用することが可能な場合がある。

図７は、本発明の方法を使用して分析された１１個の眼球からのデータを例示している。虹彩のサイズ推定値が実測の虹彩サイズと比較された。実際の半径からの推定虹彩半径の平均差は、０．０２４ｍｍであり、標準偏差は０．０８１ｍｍであった。瞳中心部に関する角膜頂点の位置を像のペアのそれぞれについて比較した。図７は、ペア毎の推定された頂点位置の相対変化を示している。暗いドットは、波面データからの角膜頂点位置を表しているが、明るいドットは、角膜トポグラファから角膜頂点位置を表す。２つのドットを結ぶ直線は、推定される変位を示す。

図８と９は、虹彩発見ステップを角膜トポグラフィ・マップ・データセットに適用し、角膜中心部を特定するいくつかのサンプルである。ドット３００は、本発明のアルゴリズムにより計算されるような虹彩の計算された中心を示す。中心３０４を持つ円３０２は、像内の瞳の計算された中心である。瞳サイズが小さいためトポグラフィ像上の角膜中心に関する瞳中心部の特性鼻変位に注意されたい。図９は、角膜トポグラファ１６により取得された角膜トポグラフィ・マップを含む類似のデータの集合を示している。波長が類似しているため、虹彩パターンは、２つの像のでより類似しているように見える。波面測定では、測定レーザ光線からのプルキンエ反射像に対応する角膜頂点を撮像するが、トポグラフィ・ベースの像では、頂点は、一番内側のリングの中心であり、これもまた、測定器目標からのプルキンエ反射を含む。

図６を再び参照すると、虹彩の中心および／または顕著なデータ点が第１のデータセットと第２のデータセットの両方で特定された後、モジュール９３を使用して、２つのデータセット内の顕著なデータ点を登録する。これらのデータセット像の一方または両方のスケールは、第１のデータセットと第２のデータセットが実質的に互いに一致するようにスケーリングおよび／または調整することができる。シクロローテーションが無視された場合（例えば、同じ身体向きと視覚的目標向きにより、シクロローテーションが有意でない）、２つの像は、波面測定結果に対応する角膜トポグラフィの領域が選択され、揃えられるようにオーバーレイされ、それにより登録を実行することができる。

シクロローテーションが有意でない場合でも、必要ならば、ランドマークをそのまま使用し、第１と第２のデータセットの間の小さなシクロローテーションについて矯正することができることは理解されるであろう。

いくつかの実施形態では、これ以降アルゴリズム９４を使用して、顕著なデータ点の間の相対的位置および／または向きオフセットを計算し、それら２つのデータセットの間のシクロトーションの差を決定することができ、また回転角度を考慮したうえで、２つのデータセットのオーバーレイを行うことができるが、これについては、上で説明しているほかに、２００２年１１月１９日に出願した特許出願第１０／３００，７１４号で説明されており、開示全体が参照により本明細書に組み込まれている。

図５を再び参照すると、第１のデータセットと第２のデータセットが登録された後（モジュール８６）、登録されたデータは、状況に応じて、モジュール８８に伝達され、そこで、データセットが個別にまたは組み合わせられて分析され、光学系の光学異常を診断することができる。それとは別に、登録されたデータは、医師が手作業で分析し、それにより、光学異常を診断することができる。光学系の光学異常が診断された後、データセットの一方または両方がモジュール８９に送られ、そこでレーザ切削パターンが計算される。

一実施形態では、切削プログラム・マップなどの治療パターンは、波面高度マップおよび／または角膜トポグラフィ・マップから計算することができ、それにより、視覚組織の規則正しい（球面および／または円柱）異常と不規則な異常を除去することができる。治療プログラムを特定のレーザ・システムのレーザ切削パルス特性と組み合わせることにより、切削パルス位置、サイズ、形状、および／または個数のテーブルを作成することができる。切削テーブルを作成するための方法とシステムのいくつかの実施例は、開示全体が参照により本明細書に組み込まれている、２００１年３月１３日に出願した「Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｓｐｏｔ Ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｅｙｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ」という表題の同時係属米国特許出願第０９／８０５，７３７号と２００２年６月１３日に出願した「Ｃｏｒｎｅａｌ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ−Ｂａｓｅｄ Ｔａｒｇｅｔ Ｗａｒｐｉｎｇ」という表題の仮特許出願第６０／３８９，０９０号で説明されている。切削テーブルは、状況に応じて、個別のパルスをソートすることにより最適化することができ、それにより、局部加熱を回避する、治療プログラムが中断した場合に不規則な切削を最小限に抑える、といったことが行える。

いくつかの実施形態では、角膜トポグラフィ・マップと波面測定結果のうちの一方のみを使用して、切削パターンを生成することができることは理解されるであろう。例えば、角膜トポグラフィ・マップのみが使用される場合、すべての測定結果は角膜表面からのものであり、眼球の光学系全体ではない。角膜トポグラフィを使用して切削位置と形状を決定するためのいくつかのシステムと方法が、米国特許第６，２４５，０５９号、第６，１２９，７２２号、第５，８４３，０７０号で説明されており、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

角膜切削パターンは、コンピュータ・システム１７、１９、または２２のプロセッサ内で処理されるモジュール８９により、または眼球の測定された光学異常を矯正するためにレーザ切削システムで眼球を切削するため他の独立したプロセッサにより計算することができる。本発明のモジュール８９は、角膜の後面、モデル・レンズなどを考慮することにより眼球の高度なモデリングを行うことができる。全収差（例えば、波面測定からの）と表面収差（例えば、角膜トポグラファからの）の両方を使用することにより、眼球の異なる収差の発生源を突き止めて、網膜上のＰＳＦ（点広がり関数）のサイズを最小にする切削パターンを作成し、それにより、患者の最適な視力を得るようにすることが可能である。２つの表面（例えば、波面と角膜トポグラフィ）は、網膜像を作成するために眼球の様々な光学表面（角膜とレンズの両方の表面）を通るレイトレーシングから決定されるであろう様々な組合せ（例えば、波面と角膜トポグラフィの重み付き平均）で組み合わせることができる。純粋に波面駆動の外科手術では、患者に優れた成果をもたらしているが、角膜トポグラフィを使用すると、結果の一貫性、異常な角膜表面のスクリーン、高い量のレンズ収差を改善し、光学系内の内部収差に関する角膜収差の割合を決定することができ、それにより、屈折治療のよい診断と結果が得られる。

一実施形態では、モジュール８９は、波面データとトポグラフィ・データの両方をインポートする独立の治療プランナー・システム（図に示されていない）内にある。切削プロファイルの計算は、多くの場合、眼球の測定された光学特性と切削の目標となる角膜組織の特性の両方に基づく（切削速度、屈折率、「中央分離帯」または一様なエネルギー・ビーム内の減少する中心切削深さを形成する組織の傾向）。計算の結果は、多くの場合、切削位置、パルスの個数、切削サイズ、および／または切削形状の一覧である切削テーブルの形で切削パターンを含み、これにより、所望の屈折矯正を行う。切削パターンを生成する方法の具体例については、開示全体が参照によりすでに本明細書に組み込まれている、同時係属米国特許出願第０９／８０５，７３７号で説明されている。屈折異常が代替治療法により矯正される場合、角膜輪移植サイズなどの代替治療計画を立てることができる。

患者の眼球と切削プロファイルとを回し運動の関係で揃える（つまり、登録する）ために、計算された切削プロファイルは、レーザ・システムの瞳カメラにより撮られた眼球の像への一意的な座標変換を持つ必要があり、これにより、切削プロファイルと眼球のリアルタイム像との間の位置の差と回し運動オフセットを決定しなければならない。いくつかの例では、瞳カメラは、患者の眼球のストリーミング・ビデオを取得することができるビデオ装置である。ストリーミング・ビデオの一フレーム、つまり通常は、ストリーミング・ビデオの第１フレームをコンピュータ・システムにより分析し、瞳中心部、虹彩中心部、および／または第１および／または第２のデータセット内に元々置かれていたマーカーを特定することができる。瞳中心部、虹彩中心部、および／またはマーカーが特定されると、患者の眼球の切削パターンとビデオ・フレーム像との間の回し運動オフセットが計算される。

回し運動オフセットが決定された後、コンピュータ・システムは、患者の瞳の平行移動位置（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ））を高速眼球追跡装置（ＨＳＥＴ）で追跡し、眼球の回し運動の向き（θ（ｔ））を回し運動追跡装置で追跡することができる。瞳の中心部の位置は、通常、ＨＳＥＴで追跡されるため、回し運動追跡装置では、一般に、瞳中心部に関してランドマークの位置を推定する。眼球の像を回し運動に関して登録し、眼球を回し運動に関して追跡する詳細は、開示全体が参照によりすでに本明細書に組み込まれている、２００２年１１月１９日に出願した共通出願の米国特許出願第１０／３００，７１４号で説明されている。

当業者であれば理解するように、本発明は、本質的特性から逸脱することなく、他の特定の形態で実現することが可能である。当業者であれば、他の変更形態、修正形態、代替形態を理解するであろう。例えば、本発明は、２つのデータセットを登録するという方法により説明されているが、本発明は、必要ならば、３つ以上のデータセットを登録できることについても理解されるであろう。さらに、本発明は、レンズ・モデル、点広がり関数などで最適な治療を選択し、収差発生源（例えば、角膜表面または内部収差）の診断に使用することができる。したがって、前記の説明は、限定はしないが、請求項で規定されている発明の範囲を例示することを目的としている。

本発明の一実施形態による簡略化されたシステムの概略を示す図である。 本発明の一実施形態によるレーザ・システムの一実施例の概略を示す図である。 本発明の一実施形態による波面測定装置を示す図である。 本発明の代替波面測定装置を示す図である。 本発明の一実施形態によるコンピュータ・システムの一実施例の概略を示す図である。 複数のモジュールにより実行されるような本発明の方法の概略を示す図である。 第１のデータセットと第２のデータセットを登録するためのモジュールの一実施例を示す図である。 データセット内の顕著なデータ点を特定するアルゴリズムの一実施例を示す図である。 角膜トポグラフィ・マップ内の瞳中心部を特定するステップの一実施例を示す図である。 波面像と角膜トポグラフィ像からの測定結果の推定頂点位置の相対的変化を例示するグラフである。 患者の眼球の複数の像と計算された顕著なデータ点を例示する図である。 患者の眼球の複数の像と計算された顕著なデータ点を例示する図である。

Claims (21)

1. 眼球の光学系の光学異常を測定するための装置であって、この装置は、
   前記光学系および関連の眼球イメージの第１の高次光学的測定データセットを取得する手段と、
   前記光学系および関連の眼球イメージの第２の高次光学的測定データセットを取得する手段と、
   眼球イメージに基づく計算処理で得られたイメージランドマークに応じて、前記光学系の前記第１の光学的測定結果と前記光学系の前記第２の光学的測定結果を回旋して揃える手段と、
   を備え、
   前記回旋して揃える手段は、眼球の顕著なデータ点を使って、第１光学測定結果と第２光学測定結果との間の相対的な位置オフセットと相対的な眼球回旋オフセットを計算することにより、光学的測定結果を揃えるように構成されることを特徴とする装置。
2. 前記光学系の前記第１の光学的測定結果と前記第２の光学的測定結果を使用して前記光学系の前記光学異常を診断するための手段をさらに備える請求項１に記載の装置。
3. 前記光学系の前記診断された光学異常を矯正するための手段をさらに備える請求項２に記載の装置。
4. 前記回旋して揃える手段は、光学的測定結果の複数の顕著なデータ点を確定するように構成されており、各光学面用の顕著なデータ点はイメージより得られた計算値を比較することによって、関連イメージから特定される請求項１に記載の装置。
5. 前記回旋して揃える手段は、眼球の複数の虹彩セクターを識別することによって各光学測定結果における眼球の顕著なデータ点を特定するものであって、前記顕著データ点は、
   各セクターに配置された１つの特定虹彩パターンランドマークを備えた虹彩パターンと、
   虹彩または瞳中心部と、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記顕著なデータ点は、眼球の１つまたはそれ以上のランドマークから構成され、上記ランドマークは角膜輪部、虹彩、虹彩中心部、虹彩パターン、瞳、瞳中心部、瞳境界、角膜頂点のうちの少なくとも１つを含む請求項４に記載の装置。
7. 前記顕著なデータ点は、虹彩中心部を有し、これの登録手段は第１光学測定値と第２光学測定値が実質的に整合されるように第１および第２のデータセットの虹彩中心部と整合をとり且つ上記第１および第２の光学測定値が実質的に整合されるように、データセットの少なくとも１つをスケーリングする請求項６に記載の装置。
8. 前記回旋して揃える手段は第１と第２の光学測定値間での座標変換を行うように構成された請求項１に記載の装置。
9. 第１の高次光学面データセットを第２の高次光学面データセットに揃えるための装置であって、この装置は、複数のモジュール群を有するプロセッサを具備し、
   前記モジュール群は、
   眼球の前記第１の高次光学面データセットを受信するモジュールと、
   眼球の前記第２の高次光学面データセットを受信するモジュールと、
   眼球の前記データセットの夫々における顕著なイメージデータを計算するモジュールと、
   前記第１の高次光学面データセットを前記第２の高次光学面データセットに回旋して揃えるために顕著なデータ点を使用するモジュールと、から構成され、
   前記顕著なデータ点を使用するモジュールは、前記第１の高次光学面データセットと第２の高次光学面データセット内の前記顕著なデータ点の間の位置オフセットおよび眼球回旋オフセットを計算し且つ補正するように構成されることを特徴とする装置。
10. 前記第１の高次光学面データセットは、波面測定結果を含む請求項９に記載の装置。
11. 前記第２の高次光学面データセットは、角膜トポグラフィ・マップを含む請求項９または１０に記載の装置。
12. 前記第２の高次光学面データセットを得る角膜トポグラファを更に有する請求項９に記載の装置。
13. 前記第１の高次光学面データセットを得る波面測定装置を更に有する請求項９に記載の装置。
14. 前記モジュール群は、前記第１の高次光学面データセットと前記第２の高次光学面データセットに基づいて切削パターンを計算するためのモジュールを更に有する請求項９に記載の装置。
15. 前記切削パターンを送出するためのレーザ・アセンブリを更に有する請求項１４に記載の装置。
16. 前記顕著なデータ点は、眼球内の複数のランドマークから成る請求項９に記載の装置。
17. 顕著なデータ点を特定するための前記モジュールは、前記第１および第２の高次光学面データセットにおける瞳、瞳中心部、瞳境界、虹彩中心部、虹彩パターン、虹彩境界、角膜輪部、角膜頂点のうちの少なくとも１つを特定するように構成される請求項１６に記載の装置。
18. 前記顕著なデータ点を使用するためのモジュールは、前記第１の高次光学面データセットを前記第２の高次光学面データセットでオーバーレイするように構成される請求項９に記載の装置。
19. 光学系の第１の高次光学面測定結果を前記光学系の第２の高次光学面測定結果に揃えるための装置であって、この装置は、
    プロセッサと、このプロセッサに結合されたメモリーとから構成され、このメモリーは前記第１の光学的測定結果を前記第２の光学的測定結果に揃えるための有形媒体と一体となっているプロセッサ指示を具備した複数のモジュールを含むメモリとを備え、
    前記モジュールは、
    前記光学系の前記第１の高次光学面測定結果を取得するモジュールと、
    前記光学系の前記第２の高次光学面測定結果を取得するモジュールと、
    計算されたイメージランドマークに応じて、前記光学系の前記第１の高次光学面測定結果を前記光学系の前記第２の高次光学面測定結果に揃えるために、顕著なデータ点を使用するモジュールとを含み、
    前記顕著なデータ点を使用するモジュールは、前記第１の高次光学面測定結果と第２の高次光学面測定結果内の前記顕著なデータ点の間の位置オフセットおよび眼球回旋オフセットを計算し且つ補正するように構成されることを特徴とする装置。
20. 前記光学系の第１の高次光学面測定結果と前記第２の高次光学面測定結果を使用して前記光学系の光学異常を診断するためのモジュールをさらに備える請求項１９に記載の装置。
21. 前記光学系の診断された光学異常を矯正するための切削パターンを生成するモジュールをさらに含む請求項２０に記載の装置。

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