JP5323937B2 - コヒーレンス光干渉測定機器を使用してレーザ装置のパルス・エネルギーを較正する方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルス式施術レーザ照射を行うレーザ装置のパルス・エネルギーを較正する方法に関する。その方法では、施術レーザ照射を用いて、１つまたは複数の供試体に様々なパルス・エネルギーによって複数の試験切除、特に複数パルスの試験切除を実施する。試験切除それぞれの切除深さを測定し、測定された切除深さおよび指定の設定点切除深さに基づいて、対応する設定点パルス・エネルギーを求める。この設定点パルス・エネルギーをレーザ装置に設定する。

本発明はまた、施術レーザのエネルギー較正を実施するレーザ装置に関する。

上記の方法およびレーザ装置は、中でも、レーザ屈折矯正眼科手術に使用される。

ここで、レーザ屈折矯正手術とは、レーザ照射によって、「眼球」と呼ばれる光学システムの結像特性を変えることであると理解されたい。放射されたレーザ照射の眼球との相互作用が、眼球の１つまたは複数の構成要素の屈折特性を変化させる。角膜が眼球の結像特性を決定するものであるので、多くの場合、眼球へのレーザ手術は角膜の施術を含む。対象を定めて構成物質を除去（構成物質の切除）することによって、角膜の形状の変更が行われる。したがって、角膜の再成形という用語も使われる。

屈折矯正眼科手術の重要な例は、ＬＡＳＩＫ（レーザ・イン・サイチュ角膜曲率形成術）であり、その手術では、視力不良を回復するために角膜組織を除去（切除）して、角膜を再成形する。角膜組織を切除するために、ＵＶ領域（通常１９３ｎｍ）のエキシマ・レーザが通常使用される。レーザ照射は、角膜の選択した位置で指定した量の組織が切除されるように、眼球上に時間および位置的に導かれる。この切除は、いわゆる切除プロフィールによって表され、すなわち、切除プロフィールが、角膜のそれぞれの点で行うべき切除を示す。

切除プロフィールは、通常、矯正すべき眼球の手術治療処置が実施される前に計算される。この計算の基礎は、その現状の測定である。眼球のこの測定に関し、従来技術において、様々な技法、特にトポグラフィ測定器（いわゆるトポライザ）、波面収差解析装置、シャインプルーク装置、パキメータ、および自覚式検眼法が知られている。

切除プロフィールは、手術後、治療された眼球の角膜が最適な形状を有し、以前に存在した眼球の光学的結像誤差が可能な限り修正されるように計算される。切除プロフィールの計算に関しては、適切な方法が、かなり以前から専門医には知られている。

治療する眼球の切除プロフィールが決定されると、次に、利用可能なレーザ照射を用いて、どのようにすれば所望の除去を最適に達成することができるかを計算する。これを行うために、レーザ・パルスのエネルギー密度とそれがもたらす構成物質の除去量との関係を見出し、考慮しなければならない。この関係が、施術する構成物質および既定の構成物質の除去量に対して施術レーザを較正するための基準を形成する。レーザ・パルスのエネルギー密度に加えて、一連の別のパラメータ、たとえば構成物質の特性自体、構成物質の温度、表面形状などが構成物質除去量に影響するが、ここでは、主に、パルス・エネルギーの変化を考慮する。レーザ・パルスの制御プログラムは、特定された一定のパルス当たり除去量を想定して計算される。したがって、この想定／必要除去量を正確にもたらすエネルギーがレーザ・システムに正確に設定されることが重要である。

眼科手術では、施術する構成物質へのパルス・レーザ光の作用に関するレーザのエネルギー較正の様々な方法が知られている。

第１の方法では、較正するレーザ・ビームを用いて、特殊なキャパシタ・フォイルの融除を実施する。融除が色の変化を起こし、そしてその変化が、フォイルを融除するためにフォイルに加えられたエネルギーの測定に使用される。

エネルギー較正の別の方法では、屈折矯正切除がポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）のサンプルに適用される。次いで、切除位置での屈折の変化が、頂点屈折計を使用して求められる。

また、既定の試験切除をＰＭＭＡフルエンス試験円盤に実施する方法が開発されている。ここで「フルエンス」は、単位面積当たりのレーザ・ビームのエネルギーと解釈される。試験切除の切除深さが機械的プローブを用いて測定される。求められた切除深さが指定の範囲内であれば、レーザ・システムのエネルギーは正しく設定されている。

しかし、上記の方法およびそれに関連するシステムは様々な短所を有する。たとえば、上記のようなＰＭＭＡのフルエンス試験円盤の機械的測定が使用される場合、利用者は、切除および測定の後ごとに、設定エネルギーを調節する必要があるか、またはすでに正しく設定されているかを決定しなければならない。レーザ・ビームのエネルギーの望ましい設定点値を得るために、利用者がこの手順を何度か繰り返さなければならないことが起こり得る。これは、利用者にとってかなり面倒であり、利用者は、最適な切除深さ、すなわち望ましい照射エネルギーに、照射エネルギーを上げたり下げたりすることによってステップ・バイ・ステップで近付かなければならない。

本発明の目的は、上述の欠点を回避する改良されたエネルギー較正方法およびそれに対応するレーザ装置を提供することである。

本発明によれば、そのために、上記の方法では、コヒーレント光干渉測定装置を用いて切除深さを測定することが行われる。これによって、供試体上の切除位置の非接触測定が可能になり、その結果、較正方法の自動化に関する１つの必要条件が満たされる。このようにして、切除深さ、およびレーザ装置からの供試体の距離の両方を求めることができる。さらに、コヒーレント光干渉測定方法では、ビーム案内方式で、供試体からある程度の距離で測定を実施することが可能であり、したがって、パルス式施術レーザ照射を行う既存のレーザ装置に該測定方法を組み入れることができる。

非接触式に切除深さを求めること、および測定方法を組み入れることができることは、供試体の切除深さを求める全く新しい手法を可能にする。すなわち、１つには、パルス・エネルギーの較正は、たとえば、供試体を、そのために移動する必要なしに、試験切除の直後に測定するように改善することができ、それによって、較正プロセスの自動化を達成することができる。また、コヒーレント光干渉測定装置を用いて、切除深さと同時に、レーザ装置の施術面に対する供試体の位置を求め、調節することができるので、較正の精度が改善される。これによって、後の使用状況により良く適合されるので、施術レーザのパルス・エネルギーのより正確な決定が可能になる。

本方法の有利な実施形態によれば、測定装置は、ＯＬＣＲ（光低コヒーレンス反射率測定法）原理に基づいて機能する。この測定原理は、角膜の厚さを測定するために、パキメトリに使用される。すなわち、本発明は、角膜の厚さを測定するのに適している方法を使用して、供試体上の試験切除の切除深さを測定することを教示する。このように、切除によって生じる供試体の屈折特性の変化が、正確に、再現性を有して求められる。

特に、切除深さが測定装置の測定ビームを用いて測定される場合には、干渉測定装置を組み込むことが特に容易であり、前記測定ビームの経路は施術レーザ照射と同軸である。たとえば鏡、レンズなどすでに存在し、施術レーザ・ビームを案内し成形するのに使用される光学装置が、同時に測定装置の測定ビームに対しても使用することができる。エネルギー較正プロセスを自動化するために、複数の試験切除を同じ供試体上に実施することができ、その供試体は、連続する試験切除間に測定装置に対して移動することができる。特に、供試体は、手動ではなくモータによって移動させることができ、その結果、使用者が介入することなく一連の試験切除を供試体上に実施することができる。

一実施形態では、試験切除が、供試体として使用される試験円盤の円盤中心からある半径距離位置に適用され、試験円盤を担持する回転台が、連続する試験切除間に指定の回転角度だけ回されることが行われる。それによって、試験切除は、試験円盤上に相互に最大距離で一様に分布され、供試体の移動は、技術的に簡単な方式で達成される。隣接する切除からの構成物質の堆積による測定結果の悪化が低減され、または回避される。

本発明による方法では、供試体、特に、少なくとも１つの試験切除を有する供試体に、求められた設定点パルス・エネルギーによる制御切除を実施し、次いで、測定装置を用いて制御切除の切除深さを測定することもまた行うことができる。これは、特に、供試体上の一連の試験切除後に有効である。たとえば、複数の試験切除の切除深さを求めた後、加えられたパルス・エネルギーと切除深さとの関数関係を想定することによって、設定点切除深さに対応する設定点パルス・エネルギーを導き出すことができる。求められた設定点パルス・エネルギーを用いて制御切除を実施することによって、この設定点パルス・エネルギーが望ましい設定点切除深さを生じるか否かを確認することが可能である。

１つまたは複数の供試体を冷却し、かつ／または試験切除上の領域を浄化するために、空気流を発生させ、少なくとも供試体の切除部分上に導くことが推奨される。これを、試験切除が実施されている間、または少なくともその後に行って、切除陥凹の正確な光学測定のために、避けられない切除塵煙中の全ての切除生成物を吹き払うことができる。

パルス・エネルギー較正のための、本発明による既述の方法に加えて、本発明の理念が、レーザ装置にも具体化される。そのようなレーザ装置は、
対象物を処理するパルス式施術レーザ照射を発射するレーザ照射源と、
施術レーザ照射の方向に沿って進む測定ビームを使用して少なくとも１つの長さ測定を行うコヒーレント光干渉測定装置と、
供試体を、レーザ照射源に対する複数の既定の位置に位置決めする制御可能な位置決めモジュールであって、供試体として用いられる試験円盤を受ける受け板と、受け板を回転駆動するモータ駆動装置とを有する位置決めモジュールと、
レーザ照射源、測定装置、および位置決めモジュールを制御するコンピュータであり、制御プログラムの制御の下に、レーザ照射源を較正するために以下の行為を実施するように設計されたコンピュータと、
を備え、その行為は、
施術レーザ照射を用いて円盤中心からある半径距離位置で試験円盤に対して、複数の試験切除をそれぞれの場合に異なるパルス・エネルギーで実施することと、
連続する試験切除間に、試験円盤を位置決めモジュールによって指定の回転角度だけ回すことによって、試験円盤をレーザ照射源に対する様々な既定の位置に移動させることと、
測定装置を用いて試験切除それぞれの切除深さを測定することと、
測定された切除深さ、および指定の設定点切除深さに基づいて、設定点パルス・エネルギーを求め、施術レーザ照射に対して前記求められた設定点パルス・エネルギーを設定すること、
である。

本発明が、添付図面に基づいて、以下にさらに説明される。

本発明による、レーザ装置のエネルギー較正方法の実施形態の流れ図である。 実施された様々な試験切除のエネルギー対切除深さのグラフである。 本発明によるレーザ装置の実施形態の試験切除前の概略構成図である。 本発明によるレーザ装置の実施形態の試験切除後の概略構成図である。 供試体を既定の変更可能な位置に固定する位置決めモジュールの平面図である。 供試体を既定の変更可能な位置に固定する位置決めモジュールの側面図である。 試験切除位置および制御切除位置を備える供試体の平面図である。

図１では、本発明による方法の可能な実施形態が、ステップＳ１〜Ｓ８によって示されている。パルス・レーザ照射を行うレーザ装置のパルス・エネルギーを較正するために、先ず、初期パルス・エネルギーをレーザ装置に設定する（Ｓ１）。パルス・エネルギーのこの初期値は、望ましい設定点エネルギーに近い場合、または望ましいパルス・エネルギーを含む範囲の端にある場合のいずれもあり得る。

この第１の設定パルス・エネルギーを用いて、たとえば数千のレーザ・パルスによって、試験切除を供試体に実施する（Ｓ２）。施術レーザ・ビームのパルス・エネルギーを注ぐことによって、試験切除位置で特定の量の供試体構成物質が除去され、それによって、供試体に陥凹が形成される。

この切除深さが、パキメータを用いて求められる（Ｓ３）。パキメトリを使用すると、レーザ装置からの供試体の距離を正確に設定し、同時に供試体の厚さを測定することが可能である。供試体に適切な材料は、切除に関し、その後の対象物体（たとえば角膜）と施術レーザ・ビームとの相互作用と同等の、施術レーザ・ビームとの相互作用を有しているか、または、照射されるレーザ・パルスに対する反応がその後処置する構成物質（たとえば生体組織）と比較して異なる（たとえば強度が異なる）材料を使用するが、供試物質の反応と処置する構成物質の反応との関係が、少なくとも概略的に、たとえば経験的データから分かっているかの、いずれかである。供試体の材料は、また、パキメトリに受け入れられなければならない。これに関連して、薄層の形態のポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）材料が、特に好適であることを示してきた。切除位置の深さが求められると、第１の切除深さ／パルス・エネルギー値の対ができる。

この測定値をもとに、その次の試験切除のパルス・エネルギーが変更される（Ｓ４）。そのために、第１のパルス・エネルギーをもとに、次のパルス・エネルギーが１段階幅だけ増加／減少される。この、あるエネルギー範囲をステップ・バイ・ステップで走査する代わりに、他の方法が考えられる。たとえば、設定点エネルギー値は、繰返し区間入れ子方法によって求めることもできる。

本方法は、事前に定めたパルス・エネルギー範囲を全て走査し終わるか、供試体に最大数の試験切除が行われるかのいずれかまで、ステップＳ２〜Ｓ４を再実行することによって、続けられる。

次いで、測定された諸切除深さとそれに関わる諸パルス・エネルギーとの関係を求める（Ｓ５）。たとえば、切除深さとパルス・エネルギーとの線形相関を想定することができ、補正直線をパルス・エネルギー／切除深さ値の対に当てはめることができる（「線形近似」）。必要なら、より高次の回帰解析または他のモデルによる近似を行うことができる。

このようにして求められた関数関係から、必要な設定点エネルギーを望ましい切除深さから計算する（Ｓ６）ことができる。

設定点エネルギー値が設定され、決定された設定点エネルギーによる制御切除が行われる（Ｓ７）。次いで求められる制御切除の切除深さが、ここでは望ましい設定点切除深さに対応する筈であり、それが、制御切除深さを設定点切除深さと比較することによって確認される（Ｓ８）。

このようにして、本発明による方法を実行すると、施術レーザが、その切除効果に関して簡単かつ正確に較正され、たとえば、眼科レーザ手術を実施する準備が行われる。

図２は、本発明による方法に従ったそのような較正プロセスの例を示す。グラフでは、横座標にレーザ・パルスのエネルギーがｍＪで示され、１．５８〜１．７６ｍＪの範囲が示されている。エネルギー値１．６０ｍＪ、１．６５ｍＪ、１．７０ｍＪ、および１．７５ｍＪで試験切除が行われた。パキメトリによって求められた切除深さが、縦座標にμｍで、３５〜７５μｍの範囲で示されている。パルス・エネルギー値に対応する切除深さは、５５μｍ、６０μｍ、６５μｍ、および７０μｍである。下記の補正直線が、これら４個の測定値対Ａ〜Ｄを近似することができる。すなわち、
ｙ＝１００ｘ−１０５
である。パラメータｙは、切除深さをμｍで表し、パラメータｘは、レーザ・パルスのエネルギーをｍＪで表す。たとえば、設定点の切除深さが、グラフ中に記号Ｅ_ｙで示されている６３．５μｍであれば、その結果提示される設定点エネルギーは１．６５８ｍＪである。この値は、グラフ中に記号Ｅ_ｘで示されている。

もちろん、線形回帰の利用は、特定の設定点切除深さに対する望ましい設定点エネルギーを測定値対から求めるための多くの実行可能な手段の１つに過ぎない。

図３ａおよび３ｂに示されているレーザ装置１００は、たとえば、眼科レーザ手術用に設計され、レーザ照射源として、角膜切除に適し、パルス照射を発する施術レーザ１１０と、角膜治療の間、眼球の運動を追跡するために使用されるアイ・トラッカ１２０と、角膜治療の間、患者が、眼球運動を可能な限り小さく保つために、自分の眼球をそれに固定しなければならない固定用光１４０とを備える。ＯＬＣＲ（光低コヒーレンス反射率測定法）を用いて角膜厚さを捕捉するのに適するパキメータ１３０もまた、レーザ装置１００に組み込まれている。上記の全ての構成要素１１０〜１４０は、共通の光学軸Ｘ上で働き、光学軸Ｘは、鏡、レンズなど様々な光学構成要素によって実施される。図３ａおよび３ｂでは、これら光学構成要素は、鏡１６０として概略的にしか示されていない。それ自体は既知である上記の構成要素に加えて、本発明によるレーザ装置は、位置決めモジュール１７０およびコンピュータ１５０を有する。位置決めモジュール１７０は、ブロックとして概略的にしか示されていず、そのより詳細な説明は図４ａおよび４ｂに関連して行われる。位置決めモジュールには、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）のいわゆるフルエンス試験円盤１８０が、交換することができるように取り付けられている。構成要素１１０〜１４０および位置決めモジュール１７０は共に、制御ライン１９０を介してコンピュータ１５０に接続されている。コンピュータは、構成要素１１０〜１４０および位置決めモジュール１７０を制御するように設計された制御プログラム２００を有する。

レーザ装置１００の設定点パルス・エネルギーを求めるために、双矢印２１０によって示されるレーザ装置１００、特にパキメータ１３０からのフルエンス試験円盤１８０の距離、および、別の双矢印２２０によって示されるフルエンス試験円盤１８０の厚さが共に、求められる。これら測定データに基づいて、施術レーザ１１０および位置決めモジュール１７０が、フルエンス試験円盤１８０の様々な位置で複数の試験切除を実施するように制御される。図３ｂでは、そのような試験切除２３０が概略的に示されている。試験切除が行われた直後に、その結果生じた切除深さを求めるために、試験切除位置２３０がパキメータ１３０を用いて測定される。これが、参照符合２４０によって図３ｂに概略的に示されている。様々なパルス・エネルギーによって一連の試験切除を行った後、図１および２に関連して上記に説明したように、目標切除深さに対する望ましい設定点パルス・エネルギーを求めることができる。

図４ａおよび４ｂには、図３ａおよび３ｂに関連してすでに言及した位置決めモジュール１７０がより詳細に示されている。図４ａは位置決めモジュールの概略平面図を示し、図４ｂは位置決めモジュールの概略側面図を示す。位置決めモジュール１７０はハウジング１７１を有する。その上面に、フルエンス試験円盤１８０を受ける受け板１７２が設けられ、受け板１７２は受け装置１７３上に配置され、受け装置１７３はハウジング１７１に恒久的に結合されている。空気排出開口１７４が、受け装置１７３に一体化されている。

フルエンス試験円盤１８０は、受け板１７２によって保持される。一連の試験切除が実施されるとき、試験切除位置２３０は、フルエンス試験円盤が、個々の試験切除の間に、たとえばコンピュータが制御するモータ駆動装置によって、たとえば反時計回りに９０°回されることによって、フルエンス試験円盤１８０上に一様に角度９０°で分布させられる。これが、図４ａに矢印１７５によって示されている。再現性のある測定結果を確保するために、フルエンス試験円盤の上面に空気流が導かれ、その空気流は開口１７４から出て、フルエンス試験円盤１８０の表面上を流れる。空気流は、少しの熱でも運び去るために使用することができる。空気流を発生させるファンと、受け板１７２を駆動して回転させるサーボ・モータとを、たとえば、ハウジング１７１内に格納することができる（どちらも図示されていない）。空気流は、試験円盤上に発生する切除塵煙中の切除生成物を取り除き、それによって円盤上の領域を清潔に、邪魔な粒子なしに保つことができるように、有効に導かれる。

図５は、フルエンス試験円盤１８０の拡大図である。そのような丸いフルエンス試験円盤は、たとえば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）から構成することができ、３０ｍｍの半径、約４ｍｍの厚さを有し得る。当然、フルエンス試験円盤は、いかなる形状（たとえば、正方形、細片形など）にも製作することができ、上記の寸法とは異なる寸法を有し得る。試験切除円盤１８０は、この場合、互いに等距離に、可能な限り縁に近く配置された４つの周縁切除位置２３０〜２３３を有する。この配置の目的は、試験切除位置２３０〜２３３が相互に最大可能距離を確保することによって、まだ切除に使用されている円盤表面が、先行する試験切除の切除生成物によって汚染されることを防止することである。

フルエンス試験円盤の中心に、制御試験切除位置２３４が配置されている。試験切除位置２３０〜２３３での試験切除の切除深さを測定し、切除深さを解析した後、その制御切除位置２３４を、求められた設定点エネルギーに対応するパルス・エネルギーによって切除する。適切な移動機構が設けられていれば、制御切除位置２３４も、パキメータ１３０を用いて測定することができる。ただし、別法として、深さ測定プローブを用いる測定などの機械的測定方法を使用することもできる。独立した２つの測定方法を使用することによって、誤差の確率をより低くすることができる。

Claims (5)

1. パルス式施術レーザ照射を行うレーザ装置のパルス・エネルギーを較正する方法であって、前記施術レーザ照射を用いて、それぞれ異なるパルス・エネルギーによる複数の試験切除を１つまたは複数の供試体に実施し、前記試験切除のそれぞれの切除深さを測定し、次いで、前記測定された切除深さ、および指定された設定点切除深さに基づいて、対応する設定点パルス・エネルギーを求め、前記レーザ装置に設定する方法において、
   コヒーレント光干渉測定装置を用いて前記切除深さを測定し、前記切除深さが、前記施術レーザ照射に沿って進む前記測定装置の測定ビームを用いて測定され、複数の試験切除が同じ供試体に実施され、該供試体が、連続する試験切除間に前記測定装置に対して動かされ、前記試験切除が、前記供試体として使用される試験円盤の円盤中心からある半径距離位置で行われ、前記試験円盤が、連続する試験切除間に指定の回転角度だけ回される、ことを特徴とする方法。
2. 前記測定装置が、ＯＬＣＲ原理に基づいて機能することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記供試体に、前記求められた設定点パルス・エネルギーによる制御切除を実施し、次いで、前記測定装置を用いて前記制御切除の切除深さを測定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 空気流を発生させ、前記供試体の少なくとも前記切除部分の上に導くことを特徴とする、請求項１から３の内のいずれか一項に記載の方法。
5. レーザ装置であって、
   対象物を処理するパルス式施術レーザ照射を発射するレーザ照射源（１１０）と、
   前記施術レーザ照射の方向に沿って進む測定ビームを使用して少なくとも１つの長さ測定を行うコヒーレント光干渉測定装置（１３０）と、
   供試体（１８０）を、前記レーザ照射源（１１０）に対する複数の既定の位置に位置決めする制御可能な位置決めモジュール（１７０）であって、前記供試体として用いられる試験円盤を受ける受け板と、前記受け板を回転駆動するモータ駆動装置とを有する位置決めモジュール（１７０）と、
   前記レーザ照射源（１１０）、前記測定装置（１３０）、および前記位置決めモジュール（１７０）を制御するコンピュータであり、制御プログラム（２００）の制御の下に、前記レーザ照射源（１１０）を較正するために以下の行為を実施するように設計されたコンピュータと、
   を備え、その行為が、
   前記施術レーザ照射を用いて前記円盤中心からある半径距離位置で前記試験円盤に対して、複数の試験切除をそれぞれの場合に異なるパルス・エネルギーで実施することと、
   連続する試験切除間に、前記試験円盤を前記位置決めモジュールによって指定の回転角度だけ回すことによって、前記試験円盤を前記レーザ照射源に対する様々な前記既定の位置に移動させることと、
   前記測定装置（１３０）を用いて前記試験切除それぞれの切除深さを測定することと、
   前記測定された切除深さ、および指定の設定点切除深さに基づいて、設定点パルス・エネルギーを求め、前記施術レーザ照射に対して前記求められた設定点パルス・エネルギーを設定すること、
   であるレーザ装置。

Images