JP4833992B2 - 実質の手術のための時間分解走査パターン - Google Patents

Description

本発明は、広く、眼の屈折矯正レーザ手術用のスポット・パターンを作るためのシステム及び方法に関するものである。より詳細には、本発明は、先のレーザ焦点におけるレーザ誘起光学的破壊（ＬＩＯＢ）からの、後続のレーザ焦点でのＬＩＯＢへの残留効果を最小限に抑えるためのシステム及び方法に関するものである。本発明は、実質（透明物質）内の隣り合う焦点でのＬＩＯＢが、所定の空間的及び時間的な離隔に従って行われるシステム及び方法に特に有用であるが、それに限定されない。

角膜の実質組織を切除する眼のレーザ外科手術中に、レーザ誘起光学的破壊（ＬＩＯＢ）として知られる効果によって切除が行われる。通常、実質内のＬＩＯＢは、１０ｋＨｚの大きさのパルス繰返し数を有することのできるパルス・レーザ・ビームによって実施される。詳細には、連続した個々のＬＩＯＢ効果が、累積する。しかし、個々のレーザ・パルスは、それぞれ別個と考えることができる。

単独のレーザ・パルスでは、ＬＩＯＢの間に、切除される組織がいくつかの異なる現象に曝されることが発生する。１つには、切除される組織周辺の組織が、断裂（機械的損傷）及び焼け（熱的損傷）などの不利な副作用を受ける。しかし、これらの特定の不利な副作用は、パルス・エネルギー密度を最小限に抑えると回避できることが知られている。他方、パルス・エネルギー密度は、ＬＩＯＢを生じさせるために、組織の閾値を上回らなければならない。これらの相反する見地を念頭に置いて、以下の特徴を有するレーザ・パルスが、周辺組織への不利な機械的又は熱的副作用を回避しながら、実質組織内にＬＩＯＢを生じさせることができることが確認されてきた。
レーザ・パルス
・ パルス幅（持続時間）：１〜１０００フェムト秒
・ エネルギー密度：１〜１０Ｊ／ｃｍ^２
・ フォーカル・スポット・サイズ：直径１〜１０μｍ
・ パルス繰返し数：数（ｍｕｌｔｉ）ＫＨｚ

上記の副作用が、周辺組織には不利だが回避可能であるにもかかわらず、ＬＩＯＢはなお、少なくとも３つのその他の異なる識別可能な方法で、実質組織に悪影響を与える。それらは、１）プラズマの形成、２）衝撃波の発生、及び３）キャビテーション気泡である。これら３つの現象を、図面の図１に概略的に示す。

ここで図面の図１を参照すると、単一のレーザ・パルスによって生じるＬＩＯＢの結果が、空間的な関係で示される。但し、これらの結果がまた、時間的な関係も有することを理解されたい。まず、レーザ・パルスのフォーカル・スポット内に位置する組織から、マイクロ・プラズマが形成される。具体的には、このプラズマは、およそ１〜１０μｍの範囲の直径「ｄ_１」（ｄ_１＝１〜１０μｍ）を有する組織体積体１２内で、角膜組織１０が蒸発した結果として生じる。このプラズマの形成に続き、組織１０全体に放射される衝撃波が生じる。通常、衝撃波は、体積体１２の中心から、約２０μｍの半径「ｒ」（ｒ≒２０μｍ）全体に広がる。しかし、衝撃波は、数ナノ秒内に減衰する。しかし、その持続時間が比較的短いとはいえ、ＬＩＯＢの閾値を大幅には上回らないパルス・エネルギーを用いることによって、衝撃波の影響は可能な限り小さく抑えられるべきである。

おそらく、比較的低いパルス・エネルギーのＬＩＯＢによる最も顕著な悪影響は、キャビテーション気泡１４が生み出されることである。言い換えれば、比較的低いパルス・エネルギーでは、通常、周辺組織への機械的又は熱的損傷は存在しない。その代わり、上記で述べたパラメータを有するレーザ・パルスは、キャビテーション気泡１４（図１参照）を即座にもたらすＬＩＯＢを誘起する。気泡１４は、直径「ｄ_２」を有し、それは一般に、組織体積体１２の直径「ｄ_１」の約２倍よりも大きくなる（ｄ_２≧２ｄ_１）ことが分かるであろう。キャビテーション気泡１４は、図２に概略的に示すように次第に衰退するが、それは考慮されるべき時間依存性を有する（図２は例に過ぎないことに注意）。特に図２は、キャビテーション気泡１４の時間的な影響を、２つの衰退期間を通して存続するものと考え得ることを表す。具体的には、気泡１４の衰退は、第１の崩壊期間の時間「τ」の間に、毎秒約１０μｍ（１０μｍ／秒）の第１の緩和速度を経験する。「τ」の間、気泡１４は、「ｄ_２」よりも小さいが「ｄ_１」よりも大きい直径「ｄ_３」へと衰退する（ｄ_１＜ｄ_２＞ｄ_３、ここでｄ_３＞ｄ_１）。通常、この期間「τ」は約１〜１０００μ秒の範囲であり、パルス・エネルギー密度を含むいくつかの因子に依存する。その後、第２の衰退期間中に、気泡１４は、毎分ほぼ１／２μｍ（０．５μｍ／分）の第２の緩和速度で、約１５〜３０分のうちに直径「ｄ_３」から完全に消滅する。

上記の観点から、本発明の目的は、レーザ誘起光学的破壊（ＬＩＯＢ）を実質的に透明の物質（即ち眼の角膜）内で実施するためのシステム及び方法であって、所定の期間「τ」が、スポット・パターンの隣接するレーザ・フォーカル・スポット同士の間に置かれるシステム及び方法の提供である。本発明の別の目的は、レーザ誘起光学的破壊（ＬＩＯＢ）を実質的に透明の物質（即ち眼の角膜）内で実施するためのシステム及び方法であって、連続的なフォーカル・スポットのパターンが、互いに空間的及び時間的に離隔されるシステム及び方法の提供である。本発明のさらに別の目的は、レーザ誘起光学的破壊（ＬＩＯＢ）を実質的に透明の物質（即ち眼の角膜）内で実施するためのシステム及び方法であって、ＬＩＯＢが、先のＬＩＯＢの残留する影響が効果的に回避される位置に誘起されるシステム及び方法の提供である。本発明のさらに別の目的は、使用が容易であり、製造が相対的に単純であり、比較的コスト効果の高い、レーザ誘起光学的破壊（ＬＩＯＢ）を実質的に透明の物質（即ち眼の角膜）内で実施するためのシステム及び方法を提供することである。

本発明によれば、レーザ誘起光学的破壊（ＬＩＯＢ）を、眼の角膜などの実質的に透明の物質内で実施するためのシステム及び方法が提供される。具体的には、本方法は、物質内の一連のレーザ・フォーカル・スポットのパターンを計算する、第１のステップを有する。このパターンを用いて、直径「ｄ_１」を有する物質の体積体内でＬＩＯＢをパターンの各フォーカル・スポットに生じさせる外科的処置が実行される。本質的に、各フォーカル・スポットでのＬＩＯＢは、結果として、最大直径「ｄ_２」まで拡張するキャビテーション気泡を生じさせる。しかし、この過程で、一時的なキャビテーション気泡の直径「ｄ_２」は、フォーカル・スポットの直径「ｄ_１」の少なくとも２倍まで増大する。次いで、これは、減衰時間「τ」内に、フォーカル・スポットの体積体に向かって再びつぶれ、実質的に定常の直径「ｄ_３」となる。ここで、ｄ_１≦ｄ_３≦ｄ_２である。

上記のことを考慮して、ＬＩＯＢのパターンが決定されると、第１のフォーカル・スポットにＬＩＯＢを誘起することによって、実際の処理が始まる。次いでこの処理は、期間「τ」内に複数の中間フォーカル・スポットにＬＩＯＢを誘起することによって続行される。各中間スポットが、期間「τ」内に作られるその他すべての中間フォーカル・スポットから「ｄ_２」よりも大きく離れた距離に配置されることが重要である。期間「τ」の最後に、パターン内の第２のフォーカル・スポットを、第１のフォーカル・スポットから距離「ｄ_３」離れて作ることができる。次いで、第２のフォーカル・スポットを第１のフォーカル・スポットとして、このプロセスが続行される。次いで別の複数の中間フォーカル・スポットが、別の期間「τ」内に形成される。各フォーカル・スポットがパターン内に形成される際、それが、直前の期間「τ」内に発生された他のすべてのフォーカル・スポットから少なくとも距離「ｄ_２」離れていなければならないことが重要である。

本発明で意図されるところでは、距離「ｄ_１」は、約１〜１０μｍの範囲であり、距離「ｄ_２」は、２ｄ_１とほぼ等しい（ｄ_２≒２ｄ_１）。さらに、期間「τ」は通常、約２マイクロ秒未満である（τ≒２μｓ）。また、本発明で意図されるところでは、ＬＩＯＢは、１〜１０００ｆｓの範囲の持続時間、１〜１０Ｊ／ｃｍ^２の範囲のエネルギー密度、及び約１〜１０μｍのフォーカル・スポット直径を有する、レーザ・パルスによって誘起される。

本発明の新規な特徴および発明自体は、その構造及びその動作の両方について、同様の符号が同様の部分を示す添付の図面および以下の説明を併せて読むことにより最もよく理解されるであろう。

図３を参照すると、本発明の環境が示されている。そこでは、レーザ・ビーム１８の焦点を、眼の実質などの透明物質２０に合わせるためにレーザ・システム１６が使用される。図示の通り、レーザ・ビーム１８の焦点は、透明物質２０内の一連のフォーカル・スポット２２に合わせられる。そのフォーカル・スポット２２ａ〜ｃは単なる例示に過ぎない。さらに、同様に図３に示すとおり、一連のフォーカル・スポット２２は、物質２０内にパターン２４を作るように動かされる。本発明の目的のために、パターン２４は、直線、曲線、又は螺旋などの関連業界でよく知られたいかなる形又は模様とすることもできる。

パターン２４内のフォーカル・スポット２２は、レーザ・ビーム１８によって作られ、レーザ・ビーム１８は、マルチＫＨｚ領域（即ちおよそ１０ＫＨｚ又はそれ以上）のパルス繰返し数を有するレーザ・パルスの列を含むことが好ましい。さらに、各列の各パルスは、好ましくは、以下の特徴を有する、すなわち、１）１〜１０００フェムト秒の範囲のパルス幅（持続時間）、１〜１０Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度、及び直径１〜１０μｍの範囲のフォーカル・スポット・サイズ。上記のとおり、これらのパラメータを有するレーザ・パルスは、直径「ｄ_１」を有する物質２０の組織体積体１２内に、ＬＩＯＢを誘起する。このＬＩＯＢに続き、直径「ｄ_２」を有するキャビテーション気泡１４（図１参照）が発生する。ここで、「ｄ_２」は「ｄ_１」のサイズの２倍よりも大きい（ｄ_２≧２ｄ_１）。上記のとおり、本発明によって想定される処理中に、各キャビテーション気泡１４の一時的な影響が、期間「τ」の間続く。期間「τ」は、持続時間が数マイクロ秒となり得る。この期間「τ」の間、気泡１４は、つぶれて実質的に定常の直径「ｄ_３」（ｄ_１≦ｄ_３≦ｄ_２）となる。

本発明の動作は、おそらく図４を参照すると最もよく理解されるであろう。本発明による処理は、物質２０内の所定の位置２６で時点「τ_０」（図５参照）から開始されることが分かる。具体的には、処理は、位置２６にフォーカル・スポット２２のＬＩＯＢを誘起するために、レーザ・ビーム１８の焦点を定めることによって始まる。次いで、分割時間「Δτ」（τ_０＋Δτ＝τ_１）の間に、レーザ・ビーム１８は、動線２８［Ｘ_１（τ_１）］上を物質２０内の位置３０まで距離「Ｘ_１」動かされる。ここでもまた、レーザ・ビーム１８は、位置３０に別のフォーカル・スポット２２のＬＩＯＢを誘起するために焦点が合わせられる。これは、時点「τ_１」（図５参照）に行われる。距離「Ｘ_１」が、位置２６に発生したキャビテーション気泡１４の直径「ｄ_２」よりも大きいことが、本発明の重要な観点である。続いて、別の分割時間「Δτ」（τ_０＋２Δτ＝τ_１＋Δτ＝τ_２）の間に、レーザ・ビーム１８は、動線３２［Ｘ２（τ_２）］上を、物質２０内の位置３４まで距離「Ｘ_２」動かされる。時点「τ_２」にて、レーザ・ビーム１８は、別のフォーカル・スポット２２のＬＩＯＢを誘起するために、位置３４に焦点が合わせられる。同様に、図４の動線３６［Ｘ_３（τ_３）］は、次のＬＩＯＢが位置３８で生じることを示し、最後に、動線４０［Ｘ_４（τ）］は、期間「τ」の最後に、ＬＩＯＢが位置４２にて生じることを示す。

ここで議論した一連のフォーカル・スポット２２では、各距離「Ｘ_１」、「Ｘ_２」、「Ｘ_３」、及び「Ｘ_４」は、必ずしも互いに等しくなくてもよいが、それぞれ距離「ｄ_２」よりも大きい。さらに、位置３０、３４、３８、及び４２は、直前の期間「τ」内に作られた以前のすべてのフォーカル・スポット２２から、距離「ｄ_２」よりも大きく離隔されることに留意されたい。最後に、時点τで位置４２でのＬＩＯＢが、位置２６から距離「ｄ_３」以内であることに留意されたい。本発明によって意図されるように、位置２６及び位置４２のそれぞれでのＬＩＯＢの誘起が期間「τ」だけ離隔されるので、位置２６と位置４２の並置が可能である。この例では、５つの異なる位置について議論した。しかし、本発明は、期間「τ」内に、より多くの、又はより少ないそのような位置でのＬＩＯＢを想定していることを理解されたい。

概括的に、図４を参照することによって、本発明のいくつかの重要な観点が理解されるであろう。まず、各フォーカル・スポット２２は、各期間「τ」内に作られたその他すべてのフォーカル・スポット２２から、距離「ｄ_２」よりも大きく離隔される。第１のフォーカル・スポット２２が作られると、期間「τ」の終了後に、第２のフォーカル・スポット２２を第１のフォーカル・スポット２２からの距離「ｄ_３」内に配置することができる。最終的に、「ｎ」回の期間「τ」を用いて、フォーカル・スポット２２のパターン２４を作ことができる。

図５及び図６を相互参照すると、ＬＩＯＢフォーカル・スポットが螺旋パターンを形成する本方法の応用例が示される。具体的には、処理は、時点「τ_０」（図５参照）に、物質２０’内の所定の位置４４にて開始される。具体的には、処理は、位置４４にフォーカル・スポット２２のＬＩＯＢを誘起するように、レーザ・ビーム１８（図３参照）の焦点を合わせることによって始まる。次いで、分割時間「Δτ」（τ_０＋Δτ＝τ_１）の間に、レーザ・ビーム１８は、軸線４６の周りを矢印４７の方向に物質２０’内の位置４８まで回転される。ここでもまた、レーザ・ビーム１８の焦点は、位置４８にて別のフォーカル・スポット２２のＬＩＯＢを誘起するように合わせられる。これは、時点「τ_１」（図５参照）に行われる。位置４４と位置４８との間の距離が、位置４４に発生されたキャビテーション気泡１４の直径「ｄ_２」よりも大きいことが、本発明の重要な観点である。続いて、別の分割時間「Δτ」（τ_０＋２Δτ＝τ_１＋Δτ＝τ_２）の間に、レーザ・ビーム１８は、物質２０’内の位置５０まで回転される。時点「τ_２」では、レーザ・ビーム１８の焦点は、別のフォーカル・スポット２２のＬＩＯＢを誘起するために、位置５０に合わせられる。このプロセスは、位置５２及び位置５４での連続的なＬＩＯＢ誘起を続ける。この一連のフォーカル・スポット２２では、位置４４、４８、５０、５２、及び５４間の距離は、必ずしも互いに等しくなくてもよいが、それぞれ距離「ｄ_２」よりも大きい。さらに、位置４４、４８、５０、５２、及び５４は、直前の期間「τ」の間に作られた以前のすべてのフォーカル・スポット２２の位置から、距離「ｄ_２」よりも大きく離隔される。時点「τ」又はそれ以降に、図示のとおり位置４４から距離「ｄ_３」以内にある位置５６に、ＬＩＯＢを誘起することができる。本発明によって意図されるように、位置４４及び位置５６のそれぞれでのＬＩＯＢの誘起は、期間「τ」だけ離隔されるので、位置４４と位置５６との並置が可能である。次いでこのプロセスは、螺旋パターン内の各位置にてＬＩＯＢが誘起されるまで続けることができる。

本明細書で詳細に図示及び記載したような、実質手術のための特定の時間分解走査パターンは、完全に上記本明細書内で述べた目的を達成し利点を提供することができるが、これは本発明の現在望ましい実施例の単なる例示に過ぎず、添付の特許請求の範囲内に示す以外に、本明細書に示す構造又は設計の詳細を限定することは意図されない。

切除される組織、衝撃波、及びＬＩＯＢによって生じるキャビテーション気泡の間の空間的な関係を示す図。 典型的なキャビテーション気泡の時間的な衰退を示すグラフ。 本発明で使用される手術用レーザ・ビームを示す概略図。 本発明による、レーザ・ビーム・フォーカル・スポットの空間的及び時間的な離隔のためのパターン順序を示す図。 図４に示す連続パターンの実施のためのタイム・ラインを示す図。 フォーカル・スポットの螺旋パターンを示す概略図。

Claims (3)

1. レーザ誘起光学的破壊を実質的に透明の物質内で実施する装置において、該装置が、
   レーザ・ビームを連続的なレーザ・フォーカル・スポットのパターンにより前記物質に送るレーザ手段であって、レーザ誘起光学的破壊を、直径「ｄ_１」を有する物質の体積体内の各フォーカル・スポットに生じさせ、前記レーザ誘起光学的破壊の結果として、「ｄ_１」よりも大きい最大直径「ｄ_２」と減衰時間「τ」とを有するキャビテーション気泡を生じさせる、レーザ手段と、
   前記レーザ・ビームを、第１のフォーカル・スポットから始めて、１つのフォーカル・スポットから別のフォーカル・スポットへと前記パターンを通して動かすための光学的手段とを含み、
   各フォーカル・スポットが、時間「τ」内に既に誘起された各フォーカル・スポットから「ｄ_２」よりも大きく離れた距離にあり、
   第１のフォーカル・スポットでのレーザ誘起光学的破壊後に時間「τ」を経過した後は、第１のフォーカル・スポットの中心から「ｄ _２ 」よりも小さい距離「ｄ」だけ離れた中心を有する、第１のフォーカル・スポットに並置された第２のフォーカル・スポットにレーザ誘起光学的破壊を起こすようになっている装置。
2. 前記キャビテーション気泡が、時間「τ」の間に、つぶれて実質的に定常な直径「ｄ_３」となり、ここでｄ_１≦ｄ_３≦ｄ_２であり、さらに、第１のフォーカル・スポットが開始時に誘起され、第２のフォーカル・スポットが、前記第１のフォーカル・スポットでのレーザ誘起光学的破壊後の時点「τ」にて誘起され、前記第２のフォーカル・スポットが、実質的に前記第１のフォーカル・スポットからの距離「ｄ_３」にある、請求項１に記載された装置。
3. 前記直径「ｄ_１」が、１〜１０μｍの範囲であり、前記最大直径「ｄ_２」が、２ｄ_１とほぼ等しく、前記減衰時間「τ」が、約２マイクロ秒未満である、請求項１に記載された装置。

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