JPH10503662A - レーザビーム配送および眼球トラッキングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、表面処理レーザビームの配送およびトラッキングシステムに関する。レーザ（５００）は、表面処理に適したエネルギーレベルのレーザ光（５０２）を経路に沿って発生する。光学的トランスレータ（５２０）は、生成されたビーム経路を本来のビーム経路上にシフトする。光学的角度調節装置（３１０，３１６，３２０，３２６）は、処理すべき表面上にレーザ光が入射されるように、生成されたビーム経路の角度を変化させて本来のビームにする。運動センサ（１００）は、光エネルギー（１０１−Ｔ）を前記表面に送信すると共に、前記表面から前記光学的角度調節装置を介して光エネルギー（１０１−Ｒ）を受信する。この光エネルギーは、前記光学的角度調節装置を通して、シフトされたビームに対して平行な経路上を伝搬する。この運動センサは、本来の経路に対する前記表面の動きを検知すると共に、その動きを示すエラー制御信号を生成する。前記光学的角度調節装置は、前記エラー制御信号に応答して、生成されたビーム経路の角度を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザビーム配送および眼球トラッキングシステム 本願は、同日に出願され、従属の特許出願として共通の譲渡人により所有され た「眼球運動検出方法およびシステム」および「レーザスカルプティングシステ ムおよび方法」と題した関連の特許出願と係属するものである。これらの出願の 内容は引用によりここに取り込むものとする。発明の分野 本発明は、一般にレーザシステムに係り、特に眼球の角膜組織などの運動表面 を浸食するために用いられるレーザシステムに関する。発明の背景 被加工体の表面の全てまたは要部を浸食するためのレーザの使用は、技術的に 公知である。眼科医療の分野における光屈折性角膜切除術（ＰＲＫ）は、角膜曲 率の修正による眼球の集光欠陥のレーザ補正のための手法である。このＰＲＫは 、組織切断や熱的凝固などのより従来的な眼科手順の目的のためのレーザベース 装置を使用したものとは異なっている。ＰＲＫは一般に、波長１９３ｎｍのエキ シマレーザビームを用いて実施され、このレーザは、光分解過程において角膜組 織を切除する。現時点までの殆どの臨床作業は、１２０−１９５ｍＪ／ｃｍ²の 作用レベルおよびほぼ５〜１０Ｈｚのパルス繰り返し速度で動作するレーザを用 いてなされている。この手法は「角膜スカルプティング」と呼ばれている。 角膜のスカルプティングが行われる前に、角膜の上皮または外層が機械的に除 去され、基質の前面にボウマン膜を露出させる。この時点で、ボウマン層におけ るレーザ切除を開始できる。この施行にはエキシマレーザが好適である。レーザ ビームは切除時には可変的にマスクされ、角膜組織を前面基質の再輪郭づけに必 要なものとして可変深さまで除去する。その後、上皮は急速に再成長し、輪郭領 域を再表面化し、光学的に正しい（または十分に正しい）角膜をもたらす。ある 場合には、角膜の表面フラップは側方に折り畳まれ、角膜の基質の露出面は所望 の表面形状に切除され、表面フラップはそのとき置き換えられる。 光線療法角膜切除術（ＰＴＫ）は、このＰＲＫに必要な装置に機能的に同等な 装置を含む処置である。このＰＴＫ処置は、ＰＴＫは、角膜を再形成するよりむ しろ、エキシマレーザを用いて、さもなければ角膜の移植を必要とする病理学的 な表面の角膜ジストロフィー処置するという点でＰＲＫとは異なっている。 これらの両処置において、望ましくない眼球運動中の処置用のレーザの適用に よる手術エラーは、手術の結果を劣化させる。眼球の運動または眼球の位置決め は重要である。というのは、処置用レーザは、実際には患者の瞳孔のほぼ中心で ある患者の理論的視軸線に中心を置くからである。しかしながら、この視軸線は 、一部は残留する眼球運動のために、また衝動性運動として知られる無意識の眼 球運動のために決定するのが困難である。衝動性運動は、人の視覚に固有の高速 運動であり（すなわち、１０−２０ミリ秒という非常に短い時間幅で、通常は最 高１度の眼球回転）、網膜に対して動的な情景を与えるために用いられる。眼球 がピクピク動く運動は、振幅は小さいが、心理学的な影響、ボデイ化学、外科的 照明条件などのため患者によって大きく変化する。このようにして、外科医が或 る眼球運動を認識することができ、また通常手動スイッチを動作させることによ って処置用レーザを停止／再起動することができても、外科医の反応時間は眼球 運動に対応して処置用レーザを運動させる程速くはない。発明の要約 従って、本発明の目的は、表面を浸食することができるレーザシステムと共に 用いられるレーザビーム配送および眼球トラッキング方法とシステムを提供する ことにある。 本発明の他の目的は、処置用レーザを表面に配送し、この処置用レーザを自動 的に再方向付けして表面の運動を補償するシステムを提供することにある。 本発明の更に他の目的は、角膜切除レーザビームを眼球の光学中心の周りに特 定のパターンをなして眼球の表面に配送し、かつ角膜切除レーザビームを自動的 に再方向付けして、得られた切除パターンが眼球運動に関わらず同一であるよう に眼球運動を補償するシステムを提供することにある。 本発明の更に他の目的は、トラッキング動作が眼球運動を非侵襲的に検出する 眼科処置用レーザと共に使用するレーザビーム配送および眼球トラッキングシス テムを提供することにある。 本発明の他の目的は、眼球の瞳孔の幾何学的中心または眼球の瞳孔の中心から のドクターにより規定されたオフセット量に関して角膜切除用レーザビームを自 動的に配送、維持するレーザビーム配送、眼球トラッキングシステムを提供する ことにある。本発明の特定の目的は、不連続な切除パターンをなして分布されて 角膜切除用以外に鮮明な対象物を成形するレーザパルスを使用することにより与 えられる。 本発明の他の目的と利点は以下の明細書と図面により更に明らかになるであろ う。 本発明によれば、眼球処置用レーザビーム配送および眼球トラッキングシステ ムが提供される。処置用レーザおよびその投影光学系は、眼球処置に適したエネ ルギーレベルで本来のビーム経路（すなわち、システムの光学軸）に沿いレーザ 光を発生させる。光学的トランスレータは、本来のビーム経路に対して平行に生 じたビーム経路上に本来のビームがシフトされるように、特定の走査パターンに 従って本来のビーム経路をシフトさせる。光学的角度調節装置は、レーザ光が眼 球に入射するように、本来のビーム経路に対して生じたビーム経路の角度を変化 させる。 眼球運動センサは、システムの光学軸線に対して眼球の運動の測定可能な量を 検出し、眼球の運動を示すエラー制御信号を生成する。眼球運動センサは、（１ ）眼球に対して損傷を与えないような光エネルギーを発生する光源と、（２）処 置用レーザにより生じたビーム経路と平行関係に配送光路上の光エネルギーを光 学的角度調節装置に配送する光学的配送装置と、（３）受光装置とを備えている 。眼球運動センサの配送経路と処置用レーザの生じたビーム経路の間の平行関係 は光学的角度調節装置により維持される。このようにして、処置用レーザ光およ び眼球運動センサの光エネルギーは、それらの平行関係をなして眼球上に入射さ れる。眼球運動センサの光エネルギーの要部は、光学的角度調節器を通して反射 光路上を逆に伝搬する反射エネルギーとして眼球から反射される。受光装置は反 射エネルギーを生成し、反射エネルギーに基づいてエラー制御信号を生成する。 光学的角度調節装置は、エラー制御信号に応答して、処置用レーザの生じたビー ム経路と眼球運動センサの配送光路を互いに対応するように変化させる。このよ うにして、処置用レーザから生じたビームと眼球運動センサから生じた光エネル ギーは、眼球の運動に追随する。 この方法を実施する際に、パターンは重なりを構成するが、切除または浸食に より材料の微小体積を除去する各々のパルスと共に生じる切除に対する共軸位置 は構成しない。深さが異なる場合は、切除の増加が必要な領域にわたってパター ンが反復される。レーザパルスは通常は或るパルス繰り返し速度を有している。 シーケンスをなす引き続くパルスは、前のパルスから少なくとも一つのパルスビ ーム幅だけ隔置され、また切除した粒子が次のパルスと実質的に干渉しない距離 をなして隔置される。切除の速度を最大にするためには、パルス繰り返しの時間 内でビームが引き続く位置に移動されることを可能にする程十分に近接して隔置 される。切除は、所望の特定の形状が得られるまで対象物に対して実施される。 本発明の方法は根本的に新しいものであり、角膜以外の対象に対して用いても よい。図面の簡単な説明 図１は、眼科領域の治療用レーザと共に用いられたときの本発明によるレーザ ビーム配送および眼球トラッキングシステムを示すブロック図である。 図２は、眼科治療用レーザの実施例において用いられる本発明に係るレーザビ ーム配送部の投影光学系の断面図である。 図３は、一軸線に沿い光ビームの並進シフトを与えるために用いられるミラー の光学的配置を概略的に示した図である。 図４は、本発明の眼科治療レーザの実施例に用いられるサーボ制御装置／モー タ駆動回路のブロック図である。 図５は、本発明の眼科治療レーザの実施例に用いられる好適な実施例の眼球運 動センサのブロック図である。発明の詳細な説明 ここで、図面、特に図１を参照すると、図中において符号５により示されるレ ーザビーム配送および眼球トラッキングシステムのブロック図が示される。この システム５のレーザビーム配送部は、治療用レーザ光源５００、投影光学系５１ ０、Ｘ−Ｙ並進ミラー光学系５２０、ビーム並進制御装置５３０、二色ビームス プリッタ２００、およびビーム角度調節ミラー光学系３００を備えている。例え ば、治療用レーザ光源５００は、移動自在な被加工体、例えば眼球１０に対して 実施される眼科ＰＲＫ（または、ＰＴＫ）手順で用いられる１９３ナノメートル 波長エキシマレーザである。ただし、本発明の方法とシステムは、眼球以外の移 動自在な被加工体に対しても同様に適用され、更に他の波長表面処理または表面 浸食用レーザに対しても適用されることが理解される。レーザパルスは、被切除 または被浸食領域にわたるショットとして、好適には分布シーケンスをなして分 布される。切除をもたらすのに十分なパワーの単一レーザパルスは、切除粒子の 微細な雲を生成し、この雲は同じ点または直ぐ側の点に配置されると、次のレー ザパルスと干渉する。この干渉を回避するために、次のレーザパルスは、切除粒 子の雲を回避するように十分な距離に配置された浸食または切除の次の点に空間 的に分布される。雲が消散すると、他のレーザパルスが浸食前の領域に隣接して 生成され、従ってパターンのショットが完了した後、累積的なショットが充填さ れ、前記のパターンを完了し、これにより対象物または角膜の所望の形状が実現 される。 システム５のビーム配送部の動作時には、レーザ光源５００はレーザビーム５ ０２を生成し、このビーム５０２は投影光学系５１０に入射する。投影光学系５ １０は、実施される特定の施行手順の要件に依存してビーム５０２の直径および 焦点までの距離を調節する。ＰＲＫまたはＰＴＫ手順に用いるエキシマレーザを 例示するものとして、投影光学系５１０は、図２の断面図に示したように、平面 凹レンズ５１２、固定集光レンズ５１４、５１６を備えている。レンズ５１２、 ５１４は、ビーム５０２の直径を拡大するＡ−焦点望遠鏡を形成するように作用 する。固定集光レンズ５１６は被加工体、すなわち眼球１０に拡大ビーム５０２ を集光し、レンズ５１６の焦点面内で、矢印５１８により示した十分な深さを与 える。これは、被加工体の表面に対して投影光学系５１０の配置に柔軟性を与え る。十分な柔軟性が要求されないときは、他の実施例としてレンズ５１４が排除 される。 ビーム５０２は、投影光学系５１０を出た後、Ｘ−Ｙ並進ミラー光学系５２０ に入射し、ここでビーム５０２は、ビーム並進制御装置５３０により制御されて ２本の直交並進軸線の各々に沿い独立に並進またはシフトされる。制御装置５３ ０は、通常は、実施される特定の眼科手順に依存してビーム５０２の所定の組の 二次元並進またはシフトによりプログラムされたプロセッサである。ＰＲＫまた はＰＴＫ手順に用いられるエキシマレーザを例示するものとして、制御装置５３ ０は、上記の「レーザスカルプティングシステムおよび方法」と題した同時係属 の特許出願に従ってプログラムされる。ビーム５０２のプログラムされたシフト 操作はＸ−Ｙ並進ミラー光学系５２０により実施される。 並進の各々のＸおよびＹ軸は並進ミラーにより制御される。図３に概略図示し たように、Ｘ−Ｙ並進ミラー光学系５２０のＹ並進動作は並進ミラー５２２を用 いて実施される。並進ミラー５２２は図示の位置とドット線５２６により示され た位置の間で移動自在である。並進ミラー５２２の運動は、入射ビームに対する 出射ビームの角度が一定のままであるようになされる。このような運動は、ビー ム並進制御装置５３０から受信された入力により駆動される並進ミラーモータと 制御装置５２８によりもたらされる。例えば、モータと制御装置５２５は トリ ロジー・システム・コーポレション製のモータ(例えば、モデルT050)およびデル タ・タウ・システムズ社製の制御ボード（例えば、モデル400-602276 PMAC）に より実現できる。 並進ミラー５２２が図示のように位置付けされると、ビーム５０２は実線５２ ８ａにより示した経路を伝搬する。並進ミラー５２２がドット線５２６に沿い位 置付けされると、ビーム５０２はドット線５２８ｂにより示された経路を伝搬す る。Ｘ−並進動作に対しては同様の並進ミラー（図略）が用いられる。Ｘ−並進 動作は同様にして実現されるが、Ｙ−並進動作に対して直交している。Ｘ−並進 動作は、Ｙ並進動作の前にまたはそれに続いて実施される。 システム５の眼球トラッキング部は、眼球運動センサ１００、二色ビームスプ リッタ２００、およびビーム角度調節ミラー光学系３００を有している。センサ １００は眼球運動の量を決定し、その量を用いてミラー３１０、３２０を調節し てこのような眼球運動を追跡する。このため、センサ１００は、先ず、二色ビー ムスプリッタ２００を送出するように選択された光エネルギー１０１−Ｔを送出 する。同時に、特定の治療手順に従って並進された後、ビーム５０２が、ビーム ５０２（例えば、１９３ナノメートル波長レーザビーム）をビーム角度調節ミラ ー光学系３００に反射するように選択されている二色ビームスプリッタ２００に 入射する。 光エネルギー１０１−Ｔは、これがビーム角度調節ミラー光学系３００に入射 したときこれがビーム５０２に平行になるように調整される。ここで用いる用語 「平行」は、光エネルギー１０１−Ｔとビーム５０２が一致または共線になり得 る可能性を含む。光エネルギー１０１−Ｔおよびビーム５０２は、光学系３００ により互いに対応して調節される。従って、光エネルギー１０１−Ｔおよびビー ム５０２は、これらが眼球１０に入射したとき平行関係を維持している。Ｘ−Ｙ 並進ミラー光学系５２０は、光学系３００とは独立にビーム５０２の位置を並進 的にシフトさせるので、ビーム５０２と光エネルギー１０１−Ｔの間の並行関係 は特定の眼科手順を通して維持される。 ビーム角度調節ミラー光学系３００は、独立の回転ミラー３１０、３２０で構 成される。ミラー３１０は矢印３１４により示されるように軸線３１２の周りに 回転自在であり、ミラー３２０は矢印３２４により示されるように軸線３２２の 周りに回転自在である。軸線３１２と３２２は互いに直交している。このように して、ミラー３１０は第一平面内（例えば、平面に沿う面内）で光エネルギー１ ０１−Ｔとビーム５０２を掃引するこができ、一方ミラー３２０は、第一平面に 垂直な第二平面内（例えば、方位角に沿う面内）で光エネルギー１０１−Ｔとビ ーム５０２を独立に掃引することができる。借りエネルギー１０１−Ｔとビーム ５０２は、ビーム角度調節ミラー光学系３００を出射すると、眼球１０に入射す る。 ミラー３１０と３２０の運動は、通常、サーボ制御装置／モータドライバ３１ ６によりそれぞれ実現される。図４は、例示としてのＰＲＫ／ＰＴＫ処置に用い られる好適な実施例のサーボ制御装置／モータドライバ３１６のブロック図であ る。（同じ構造がサーボ制御装置／モータドライバ３２６に対して用いられる。 ）一般に、ドライバ３１６と３２６は、眼球運動センサ１００からの測定エラー が大きいときは急速に反応可能でなければならず、更に低い周波数（ＤＣ）から 秒当たり約１００ラジアンまでの非常に高い利得を与えて定常状態とトランジエ ントエラーの両者を排除しなければならない。 更に詳細には、眼球運動センサ１００は、瞳孔の中心（または、ドクターが選 択した瞳孔の中心からのオフセット量）と、ミラー３１０の配設位置との間のエ ラーの測度を与える。位置センサ３１６６は、ガルバノメータモータ３１６４の 駆動シャフト（図略）の位置を直接測定するために設けられる。位置センサ３１ ６６の出力は微分回路３１６８で微分されて、モータ３１６４のモータシャフト の速度を与える。この速度は、眼球運動センサ１００からのエラーと加算される 。この和は積分回路３１６０で積分され、電流増幅器３１６２に入力されてガル バノメータモータ３１６４を駆動する。モータ３１６４のモータシャフトがミラ ー３１０を回転させると、眼球運動センサ１００が測定するエラーは省略できる 量に減少する。位置センサ３１６６と微分回路３１６８を介した速度帰還は、サ ーボ制御装置／モータドライバ３１６に、測定されたセンサエラーが大きいとき 迅速に反応する機能を与える。 参照符号１０１−Ｒにより示された眼球１０から反射された光エネルギーは、 光学系３００とビームスプリッタ２００を通して逆に伝搬し、センサ１００にお ける検出に供する。センサ１００は、反射エネルギー１０１−Ｒの変化に基づい て眼球運動の量を決定する。眼球運動の量を示すエラー制御信号は、センサ１０ ０によりビーム角度調節ミラー光学系３００に帰還される。エラー制御信号は、 この信号をゼロにするようにミラー３１０、３２０の運動または再調整を統括す る。これを行う際に、光エネルギー１０１−Ｔとビーム５０２は眼球運動と対応 して移動され、一方瞳孔の中心に対するビーム５０２の実際の位置はＸ−Ｙ並進 ミラー光学系５２０により制御される。 ビームスプリッタ２００の性質の利点を得るために、光エネルギー１０１−Ｔ は処置用レーザビーム５０２のものより異なる波長でなければならない。光エネ ルギーは、好適には眼球１０の外科医の視野を干渉または妨害しないように可視 スペクトルの外側にあるべきである。更に、本発明が眼科手術手順に用いられる ときは、光エネルギー１０１−Ｔは米国安全規格協会（ＡＮＳＩ）により規定さ れた「眼球の安全」に適合するものでなければならない。多くの光波長は上記の 要件を満足するが、例えば、光エネルギー１０１−Ｔは９００ナノメートル波長 領域で赤外光エネルギーである。この領域の光は上記の基準を満足し、更に直ち に入手でき、経済的に余裕のある光源である。このような光源の一つは、５０ナ ノ秒パルスで、１０ナノジュールのＡＮＳＩ規定の眼球安全パルスを生成する４ ｋＨｚで動作する高パルス繰り返し速度ＧａＡｓ９０５ナノメートルレーザであ る。 眼球運動の量を決定する好適な実施例の方法並びにかかる方法を実施する眼球 運動センサ１００は、上記同時係属の特許出願に詳細に示されている。ただし、 明瞭な説明のために、センサ１００について図５に示したブロック図により簡単 に説明する。センサ１００は、配送部分と受光部分に分割される。実質的には、 配送部分は眼球１０の表面の境界（例えば、虹彩／瞳孔境界１４）上に光スポッ ト２１、２２、２３及び２４の形態をなして光エネルギー１０１−Ｔを投影する 。受光部分は光スポット２１、２２、２３および２４によりもたらされる反射の 形態をなす光エネルギー１０１−Ｒを監視する。 配送時には、図示のように、スポット２１、２３は軸線２５上に集光され、位 置決めされ、スポット２２、２４は軸線２６上に集光され、位置決めされる。軸 線２５、２６は互いに直交している。スポット２１、２２、２３および２４は虹 彩／瞳孔境界１４上に入射し、その周りに均等に隔置されるように集光される。 ４個のスポット２１、２２、２３および２４は等しいエネルギーを有し、虹彩／ 瞳孔境界１４の周りに、またその上に均等に隔置される。この配置は次のように ２軸運動検出を与える。各々の光スポット２１、２２、２３および２４は、虹彩 ／瞳孔境界１４上のその位置にある量の反射をもたらす。境界１４は眼球運動に 従って運動するので、光スポット２１、２２、２３および２４からの反射量は、 眼球運動に従って変化する。円形境界形状周りに４個のスポットを均等に隔置す ることにより、水平または垂直眼球運動は隣接スポット対からの反射量の変化に より検出される。例えば、水平方向の眼球運動は、光スポット２１、２４からの 結合された反射を光スポット２２、２３からの結合された反射と比較することに より監視される。同様にして、垂直方向の眼球運動は、光スポット２１、２２か らの結合反射を光スポット２３、２４からの結合反射と比較することにより監視 される。特に、配送部分は９０５ナノメートルパルスダイオードレーザ１０２を 備え、このレーザは光ファイバ１０４を通して光を光ファイバアセンブリ１０５ に送出し、ここで光ファイバアセンブリはレーザ１０２からの各々のパルスを好 適には４個の等エネルギーパルスに分割し、遅延させる。アセンブリ１０５は１ 対４の光学的スプリッタ１０６を備え、このスプリッタは等しいエネルギーの４ 個のパルスを光ファイバ１０８、１１０、１１２、１１４に出力するものである 。ファイバ１０８、１１０、１１２および１１４により送出された各々のパルス によりもたらされる反射を処理する単一プロセッサを用いるために、各々のパル スはそれぞれの光ファイバ遅延線路１０９、１１１、１１３および１１５により 独自に遅延される。例えば、遅延線路１０９は遅延ゼロ、すなわち遅延＝０ｘを もたらし、ここでｘは遅延増分であり、遅延線路１１１は遅延ｘ，すなわち遅延 ＝１ｘをもたらすなどである。 パルス繰り返し周波数と遅延増分ｘは、センサ１００のデータ速度が対象物の 運動の速度より大きくなるように選択される。衝動性運動の場合は、センサ１０ ０のデータ速度が少なくとも数１００Ｈｚのオーダでなければならない。例えば 、（１）プロセッサ１６０がデータを処理することを（例えば、１６０ナノ秒） ｘが許容するのに小さいが十分な値を選択することにより、また（２）レーザ１ ０２からのパルス間の時間を２５０マイクロ秒であるように（すなわち、レーザ １０２は４ｋＨｚの速度でパルス化される。）選択することにより、ほぼ４ｋＨ ｚのセンサデータ速度が実現される。 ４個の等しいエネルギーパルスは、光ファイバ束１２３として構成された光フ ァイバ１１６、１１８、１２０および１２２を介してアセンブリ１０５を出射す る。光ファイバ束１２３は、各々のファイバの中心が正方形の角を形成するよう に光ファイバを配置する。アセンブリ１０５からの光が偏光器１２４を通過され 、この偏光器は矢印１２６により示されたように水平偏光ビームを出力する。水 平偏光ビーム１２６は集光光学系１３０に到り、ここでビーム１２６間の間隔は 問題の境界に基づいて調節される。更に、スポット２１、２２、２３および２４ により形成されたパターンの大きさの調節を許容するズーム機能（図示略）を設 けることができる。この機能は、センサ１００を異なる患者、境界などに適合さ せるものである。 偏光ビーム分割キューブ１４０は集光光学系１３０から水平偏光ビーム１２６ を受光する。キューブ１４０は水平偏光を透過し、垂直偏光を反射するように構 成される。従って、キューブ１４０は矢印１４２により示したように水平偏光ビ ーム１２６のみを透過する。かくして、眼球１０にスポット２１、２２、２３お よび２４として入射するのは水平偏光のみである。光エネルギーは、眼球１０か らの反射に際して、交差矢印１５０に示されるように偏光解消される（すなわち 、それは水平および垂直偏光成分を共に持つ。）。 受光部分は、先ず、矢印１５２により示されるように反射光の垂直成分を方向 付けする。かくして、キューブ１４０は透過光エネルギーを反射光エネルギーか ら分離し正確な測定に供するように作用する。スポット２１、２２、２３および ２４からの反射の垂直偏光部分は集光レンズ１５４を通過されて赤外線検出器１ ５６上への結像に供される。検出器１５６はその信号を多重化ピーク検出回路１ ５８に送出し、この回路は実質的に複数個のピーク・アンド・ホールド回路から なり、この回路の多くは技術的に熟知されている。回路１５８はレーザ１０２の パルス繰り返し周波数および遅延ｘに従って検出器１５６をサンプル（そして、 それからのピーク値をホールドする。）するように構成される。例えば、レーザ １０２のパルス繰り返し周波数が４ｋＨｚのときは、回路１５８は２５０マイク ロ秒毎にスポット２１、２２、２３および２４からの反射を収集する。 ４個のスポットの各々のグループ（すなわち、レーザ１０２の各々のパルス） に対する反射エネルギーに関わる値はプロセッサに送出され、そこで眼球運動の 水平および垂直成分が決定される。例えば、スポット２１、２２、２３および２ ４の一グループからの反射の検出量をそれぞれＲ₂₁，Ｒ₂₂，Ｒ₂₃，Ｒ₂₄と表すと する。水平運動の定量的な量は、規格化された関係 から直接決定され、垂直運動の定量的な量は、規格化された関係 から直接決定される。規格化（すなわち、Ｒ₂₁＋Ｒ₂₂＋Ｒ₂₃＋Ｒ₂₄で除算するこ と）は信号強度の変化の効果を逓減させる。眼球運動の測定量は、決定されると 、ビーム角度調節ミラー光学系３００に送出される。 本発明は多くの利点を有している。眼球運動は定量的に測定され、レーザ位置 決め機構とは独立にシステムのレーザ配送および眼球トラッキング部分を自動的 に再方向付けするために用いられる。このシステムは、特定の処置用レーザまた は眼球処置手順を実施する外科医と干渉することなしに動作する。 本発明はその特定の実施例に関して説明されたが、上記の教示の下で当業者に は容易に明らかな多くの変更と変形が可能である。従って、添付したクレームの 範囲内で、本発明は特に記述したもの以外に実施可能なことは理解されるべきで ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ， ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 グレイ，ゲイリー・ピー アメリカ合衆国、32837 フロリダ、オー ランド、シャープ・シャインド・ストリー ト 12859 (72)発明者 ダウンズ，ジョージ・アール，ジュニア アメリカ合衆国、32806 フロリダ、オー ランド、ハードマン・ドライヴ 1220 (72)発明者 マクファーター，ジョン・イー アメリカ合衆国、32812 フロリダ、オー ランド、パーシング・アヴェニュー 3509 (72)発明者 ゼプキン，ニール アメリカ合衆国、32707 フロリダ、キャ セルベリー、ヘインズ・サークル 3951

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 表面を浸食するためのレーザビーム配送およびトラッキングシステム において、 本来のビーム経路に沿い特定のパターンに従って前記表面を浸食するのに適 したエネルギーレベルでレーザ光を生成するレーザ手段と、 前記本来のビーム経路を、この本来のビーム経路に対して平行なビーム経路 上にシフトさせる光学的トランスレータと、 前記本来のビーム経路の角度を前記本来のビーム経路に対して変化させる光 学的角度調節装置であって、前記レーザ光を前記表面に入射する光学的角度調節 装置と、 光学軸に対する前記表面の運動の測定可能な量を検出し、この測定可能な運 動の量を示すエラー制御信号を生成するセンサであって、前記エラー制御信号に 応じて生じるビーム経路の角度を変化させるように前記光学的角度調節装置を制 御するセンサと、 をそれぞれ具備することを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキングシス テム。 ２． 前記光学的トランスレータは、前記本来のビーム経路を互いに直交す る二つの軸線に沿ってシフトさせる独立の並進運動が可能な少なくとも二つのミ ラーを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム配送およびトラッ キングシステム。 ３． 前記光学的角度調節装置は、前記ビーム経路の角度を互いに直交する 二つの軸線に沿い変化させる独立の回転運動が可能な少なくとも二つのミラーを 備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム配送およびトラッキング システム。 ４． 前記センサは、 前記表面に関して非浸食的である光エネルギーを生成する光源であって、こ の光エネルギーが配送光路上を伝搬する光源と、 前記配送光路上の前記光エネルギーを前記光学的角度調節装置に配送する光 学的配送装置であって、前記配送光路の角度は前記光学的角度調節装置に従って 変化し、前記光エネルギーは前記表面に最終的に入射し、かつ前記光エネルギー の要部は、前記光学的角度調節装置を通して反射光路上を逆に伝搬する反射エネ ルギーとして前記表面から反射されるようにした光学的配送装置と、 前記光学的角度調節装置からの前記反射エネルギーを検出すると共にこの反 射エネルギーに基づいて前記エラー制御信号を生成する受光装置と、 を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム配送およびトラッキン グシステム。 ５． 前記センサと、前記光学的トランスレータおよび前記光学的角度調節 装置との間に光学的に介在されて、前記光エネルギーを前記光学的角度調節装置 に方向付けし、前記反射光エネルギーを前記センサに方向付けし、前記ビーム経 路を前記光学的角度調節装置に方向付けする二色ビームスプリッタを更に備える ことを特徴とする請求項４に記載のレーザビーム配送およびトラッキングシステ ム。 ６． 表面を浸食するためのレーザビーム配送およびトラッキング方法であ って、 光ビームの生成された配列を光ビーム経路調節装置に入射するように集光さ せる工程であって、前記生成された配列の各々のビームは前記表面に対して非浸 食なエネルギーレベルとする工程と、 前記生成された配列と平行関係にレーザ光ビームを前記光ビーム経路調節装 置に入射するように集光する工程であって、前記レーザ光ビームは前記表面を浸 食するのに適したエネルギーレベルとする工程と、 前記生成された配列および前記レーザ光ビームが前記平行関係で前記表面に 入射されるように前記光ビーム経路調節装置を作動させる工程であって、前記生 成された配列の各々の前記ビームの部分を、前記生成された配列に対応して光ビ ームの反射機構の一部をなす反射ビームとして前記表面から反射させ、前記反射 配列が前記表面の運動を示すエネルギーレベルを有するようにした工程と、 前記反射配列の前記エネルギーレベルに基づいて前記光ビーム経路調節装置 を再調整し、前記生成された配列と前記レーザ光ビームを前記表面の前記運動に 対応して前記平行関係に同時に移動させる工程と、 とをそれぞれ具備することを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキング方 法。 ７． 前記作動および再調整する工程は、前記生成された配列の各々の前記 ビームと前記レーザ光ビームのビーム角度を互いに直交する二つの軸線に沿い変 更する工程からなることを特徴とする請求項６に記載のレーザビーム配送および トラッキング方法。 ８． 前記二つの軸線の各々に沿うビーム角度は独立に変更されることを特 徴とする請求項７に記載のレーザビーム配送およびトラッキング方法。 ９． 眼球の表面を処理する眼球処理レーザビーム配送および眼球トラッキ ングシステムであって、 本来のビーム経路に沿い前記眼球を処理するのに適したエネルギーレベルで レーザ光を生成するレーザ手段と、 前記本来のビーム経路を、生成されるビーム経路上にシフトさせる光学的ト ランスレータと、 前記レーザ光が前記眼球に入射して生成されるビーム経路の角度を前記眼球 の光軸に対して変化させる光学的角度調節装置と、 前記光軸に対して前記眼球の測定可能な量の運動を検出すると共に前記可能 な量の運動を示すエラー制御信号を生成する眼球運動センサと、 をそれぞれ具備し、 前記眼球運動センサは、 （１）前記眼球に対して損傷を与えないような光エネルギーを生成する光源と、 （２）配送光路上の前記光エネルギーを前記生成するビーム経路と平行関係に前 記光学的角度調節装置に配送する光学的配送装置であって、前記配送光路の角度 は前記生成されるビーム経路の角度に対応して前記光学的角度調節装置により変 化され、前記光エネルギーと前記レーザ光は前記並行関係に前記眼球に入射し、 前記光エネルギーの要部は前記光学的角度調節装置を通して反射光経路を逆に伝 搬する反射エネルギーとして前記眼球から反射されるようにした光学的配送装置 と、 （３）前記光学的角度調節装置からの前記反射エネルギーを検出すると共にこの 反射エネルギーに基づいて前記エラー制御信号を生成する受光装置であって、前 記光学的角度調節装置は前記エラー制御信号に応じて前記生成されるビーム経路 の角度と前記配送光路の角度を互いに対応させて変化させるようにした受光装置 と、 を備えることを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキングシステム。 １０． 前記レーザ手段は１９３ナノメートルの波長のエキシマレーザであり 、そのエネルギーレベルは光分解過程において前記眼球の角膜組織を切除するの に適していることを特徴とする請求項９に記載のレーザビーム配送およびトラッ キングシステム。 １１． 前記光学的トランスレータは、互いに直交する二つの軸線に沿い前記 本来のビーム経路をシフトさせる独立した並進運動が可能な少なくとも二つのミ ラーを有することを特徴とする請求項９に記載のレーザビーム配送およびトラッ キングシステム。 １２． 前記光学的角度調節装置は、互いに直交する二つの軸線に沿い前記生 成されるビーム経路の角度と前記配送光路の角度を変化させる独立した回転運動 が可能な少なくとも二つのミラーを有することを特徴とする請求項９に記載のレ ーザビーム配送およびトラッキングシステム。 １３． 前記光源が、可視スペクトルの外側に波長を持つ前記光エネルギーを 生成することを特徴とする請求項９に記載のレーザビーム配送およびトラッキン グシステム。 １４． 前記光源は、ほぼ９００ナノメートルの波長を持つ前記光エネルギー を生成することを特徴とする請求項１０に記載のレーザビーム配送およびトラッ キングシステム。 １５． 前記眼球運動センサと、前記光学的トランスレータと、前記光学的角 度調節装置との間に光学的に介在されて、前記光エネルギーを前記光学的角度調 節装置に方向付けし、前記反射光エネルギーを前記眼球運動センサに方向付けし 、更に前記生成されるビーム経路を前記光学的角度調節装置に方向付けする二色 ビームスプリッタを備えることを特徴とする請求項１４に記載のレーザビーム配 送およびトラッキングシステム。 １６． 前記光学的配送構成は、 前記光エネルギーを複数個の光スポットに変換する光学的スプリッタと、 前記光学的角度調節装置を通して集光して、前記眼球の前記運動のものと一 致する運動をなす境界上に配置された対応する複数個の位置に入射する前記複数 個の光スポットを方向付けする集光光学系と、 をそれぞれ備え、 前記境界は異なる反射係数を有する二つの可視的に隣接する表面により規定 され、前記反射エネルギーの要部は前記複数個の位置の各々から反射されること を特徴とする請求項９に記載のレーザビーム配送およびトラッキングシステム。 １７． 前記境界は円形であり、前記複数個の光スポットは４個の光スポット からなり、前記集光光学系は前記４個の光スポットを前記円形境界の周りにほぼ 均等に隔置する手段を有することを特徴とする請求項１６に記載のレーザビーム 配送およびトラッキングシステム。 １８． 前記円形境界は前記眼球の瞳孔の中心の周りに配置されることを特徴 とする請求項１７に記載のレーザビーム配送およびトラッキングシステム。 １９． 前記円形境界は前記眼球の表面上に自然に生成されている部分である ことを特徴とする請求項１７に記載のレーザビーム配送およびトラッキングシス テム。 ２０． 前記複数個の光スポットの各々は可視スペクトルの外側にあることを 特徴とする請求項１８に記載のレーザビーム配送およびトラッキングシステム。 ２１． 前記レーザ手段は光分解過程において前記眼球の角膜組織を切除する のに適したエネルギーレベルを持つ１９３ナノメートルの波長のエキシマレーザ であることを特徴とする請求項１６に記載のレーザビーム配送およびトラッキン グシステム。 ２２． 前記眼球運動センサと、前記光学的トランスレータと、前記光学的調 節装置との間に光学的に介在されて、前記複数個の光スポットの前記光学的角度 調節装置への送出に供し、前記反射光エネルギーの前記眼球運動センサへの送出 に供し、更に前記生じたビーム経路の前記光学的角度調節装置への送出に供する 二色ビームスプリッタを備えることを特徴とする請求項２１に記載のレーザビー ム配送およびトラッキングシステム。 ２３． 前記光学的配送構成は、 前記複数個の光スポットを水平偏光成分に偏光させる手段と、 前記複数個の光スポットの各々の前記水平偏光成分のみを前記光学的角度調 節装置に送出する偏光ビーム分割キューブと、 を更に有することを特徴とする請求項１６に記載のレーザビーム配送およびトラ ッキングシステム。 ２４． 前記反射エネルギーが垂直および水平方向に偏光されるシステムであ って、 前記受光装置は、 水平方向に偏光された前記反射エネルギーから別に垂直方向に偏光された前 記反射エネルギーを方向付けする前記偏光ビーム分割キューブと、 垂直方向に偏光された前記反射エネルギーを測定するエネルギー検出光学系 と、 垂直方向に偏光された前記反射エネルギーに基づいて前記眼球の前記運動の 前記測定可能な量を決定するプロセッサと、 を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザビーム配送およびトラッキ ングシステム。 ２５． 眼球処置のためのレーザビーム配送およびトラッキングシステムであ って、 眼球処置に適したエネルギーレベルで本来のビーム経路に沿いレーザ光を生 成するレーザと、 前記本来のビーム経路をこの本来のビーム経路から異なるビーム経路上にシ フトさせる機構と、 前記眼球の測定可能な運動の量を検出すると共にこの測定可能な量の運動を 示す制御信号を生成するセンサと、 をそれぞれ具備し、 前記機構は前記制御信号に応じて前記ビーム経路を前記異なるビーム経路に変化 させるように作動することを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキングシ ステム。 ２６． 表面を浸食するためのレーザビーム配送およびトラッキングシステム であって、 前記表面を浸食するのに適したエネルギーレベルで本来のビーム経路に沿い レーザ光を生成するレーザと、 前記表面に対する形状変化における特定のパターン結果に従って前記本来の ビーム経路を異なるビーム経路上にシフトさせる機構と、 前記表面の測定可能な量の運動検出すると共に前記測定可能な量の運動を示 す制御信号を生成するセンサと、 前記制御信号に応じて前記ビーム経路を変化させる個別の調節機構であって 、前記レーザ光ビームが補正されて前記特定のパターンを実現するようにした個 別の調節機構と、 をそれぞれ具備することを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキングシス テム。 ２７． 眼球の角膜に作用することにより眼球の光学的性質を変化させる方法 において、選択的な紫外線照射を含み、かつ、付随する角膜の切除光分解は、基 質への深さ浸透と共に所定の曲率プロフィルに対する角膜組織の体積測定除去で あり、眼球位置を検出すると共に前記紫外線照射を調節して、前記所定の曲率プ ロフィルを確保し得るようにしたことを特徴とするレーザビーム配送およびトラ ッキング方法。 ２８． 対象物を所望の形状に浸食する方法であって、 複数個のレーザビームショットを生成する工程と、 前記対象物を所望の形状に浸食するために、前記複数個のレーザビームショ ット用のショットパターンを選択する工程と、 前記複数個のレーザビームショットを、浸食されるべき前記対象物の面積に わたって広げられた空間的に分布されたパターンをなして前記対象物に印加し、 これにより後続のショットが他のショットから十分な距離に隔置され、従って浸 食材料は後続のショットと干渉することはないようにする工程と、 累積的なショットが充填され、前記パターンを完了して前記所望の形状を実 現するまで前記レーザビームショットを反復する工程と、 をそれぞれ具備することを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキング方法 。 ２９． 対象物を所望の形状に浸食するためのシステムにおいて、 複数個のレーザビームショットを生成するパルスレーザであって、前記複数 個のレーザビームショットの各々が本来のビーム経路上を伝搬するようにしたパ ルスレーザと、 所定のショットパターンに従って前記本来のビーム経路をこの本来のビーム 経路とは異なるビーム経路上にシフトさせる機構であって、前記複数個の前記レ ーザビームショットは前記浸食されるべき対象物に方向付けさるようにした機構 と、 前記所定のショットパターンに従ってシフト制御コマンドを前記機構に発す る制御装置と、 をそれぞれ具備し、 前記ショットパターーンは前記対象物を前記所望の形状に浸食することができ、 当該制御装置はシフト制御コマンドを発して前記複数個のレーザビームショット を前記対象物に浸食されるべきこの対象物の面積にわたって広げられた空間的に 分布されたパターンをなして印加し、これにより前記レーザビームショットは、 前回のショットからの浸食された材料が次の隣接するショットがなされる前に散 逸することを許容する十分な距離だけ前記対象物上で互いに連続的に隔置され、 累積的なショットが充填され、前記所定のショットパターンを完了して前記所望 の形状を得るようにしたことを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキング システム。 ３０． 対象物を特定の形状に切除する方法において、 成形されるべき対象物を設ける工程と、 この対象物から切除されるべき材料の体積と形状を与える工程と、 前記対象物から微小体積の材料を切除するパルス繰り返し速度を持つパルス 切除ビームを与える工程と、 重なってはいるが、前記ビームが材料を切除する共軸位置ではない配置パタ ーンを与える工程と、 前記ビーム用のパルスシーケンス化プログラムを与える工程であって、後続 の切除パルスが少なくとも位置ビーム幅だけ、またパルス繰り返し速度の時間内 で前記ビームが引き続く位置に移動されることを可能にする程十分に近接して互 いから隔置されるようにした工程と、 前記特定の形状が実現されるまで前記パターンに従って順次に前記対象物か ら材料を切除する工程と、 をそれぞれ具備することを特徴とするレーザビーム配送およびトラッキング方法 。