KR100692993B1 - 2개의 편축된 카메라를 구비한 안구 추적 장치 - Google Patents

Abstract

개선된 레이저 눈 수술 및/또는 안구 추적 시스템, 방법 및 장치는 2개의 영상 포착 장치(13)를 사용하는데, 일반적으로 영상 포착 장치 양자는 안구 및/또는 임의의 레이저 전송 시스템(28)의 광축을 벗어나도록 배치된다. 이는, 특히 안구의 동공을 추적하는 데 적외선 촬상을 이용하는 경우, 전하 결합 소자(CCD)를 구비한 카메라와 같은 영상 포착 장치에서 촬상 대비를 향상시킨다. 편축된 2개의 카메라는 독립적으로 사용되어 안구의 2개의 수직 횡축을 따른 동공의 운동을 추적하고(흔히 X-Y 추적이라 칭함), 또한 광축 또는 Z축을 따른 안구의 위치를 지시한다.

Description

2개의 편축된 카메라를 구비한 안구 추적 장치{TWO CAMERA OFF-AXIS EYE TRACKER}

본 발명은 안구의 측정에 관한 것으로, 구체적으로 말하면 레이저 눈 수술 중에 안구의 위치를 측정하는 방법, 시스템 및 장치를 제공하는 것이다.

시력 결함을 교정하기 위해 각막 조직에 대해 행하는 안과 수술에서는 현재 레이저를 기초로 한 시스템을 이용하고 있다. 이 시스템은 레이저를 이용하여 각막을 원하는 형태로 변화시키는데, 레이저는 일반적으로 광분해 제거법으로서 설명되는 기법을 사용하여 각막 조직의 박층을 제거한다. 레이저 눈 수술법은 굴절 교정 레이저 각막 절제술, 치료적 레이저 각막 절제술, 레이저 각막 절삭술(LASIK) 등과 같은 수술에 유용하다.

환자의 안구의 이동을 추적하거나 추종하는 능력은 레이저 눈 수술 시스템에서 요망되는 특징으로 인식되고 있다. 안구의 운동은 수의(隨意) 운동과 불수의 운동을 모두 포함한다. 바꿔 말하면, 환자가 시각 목표에 "확고한" 고정을 유지하고 있더라도, 안구 운동은 여전히 발생한다. 레이저 눈 수술 중에 안구의 추적은 안구의 전체 부동화(不動化)를 달성하고자 시도한 불편한 구조를 피하기 위해 제안되었다. 추적은 공지의 레이저 눈 수술법을 개선시키고, 또한 불규칙한 난시의 치료와 같은 새로운 수술을 용이하게 할 수도 있다.

안구의 운동을 추적하고 각막 조직에 걸쳐 레이저빔을 주사하기 위해 다양한 구조와 기법이 제안되었다. 1999년 8월 2일자로 출원되어 공동 계류중인 미국특허출원 제09/365,428호에 전형적인 선형 정렬의 안구 추적 시스템 및 방법이 개시되어 있으며, 그 전체 개시는 본 명세서에 참조로서 인용된다. 특히, 레이저 눈 수술에 사용하기 위해 안구의 운동을 추적하는 다른 시스템이 미국특허 제5,865,832호, 제5,632,742호 및 제4,848,340호에 개시되어 있으며, 그 전체 개시는 본 명세서에 참조로서 인용된다.

각막 조직의 선택적인 절제 및 절삭을 위한 전형적인 "오프셋 영상" 주사 시스템이 유럽특허출원 공보 제628298호에 개시되어 있으며, 그 전체 개시는 본 명세서에 참조로서 인용된다. 특히, 주사 또는 오프셋 영상 시스템이 레이저 빔을 형상화하는 하나 이상의 가변 구멍과 조합되는 경우, 이러한 오프셋 영상 시스템은 비교적 큰 빔이 각막 조직의 표면으로 정확하게 지향되도록 하여 근시, 원시, 난시 및 이들 안구 결함의 조합을 완화시킨다. 1999년 3월 23일자로 출원되고 발명의 명칭이 다수의 빔 절삭 시스템 및 방법(Multiple Beam Sculpting System and Method)이며 공동 계류중인 미국특허출원 제09/274,499호(그 개시는 본원 명세서에 참조로서 인용됨)에 개시된 바와 같이, 레이저 빔은 다수의 빔렛(beamlet)으로 이상적으로 분리되어 절제 연부에 인접한 비연속성을 최소화시킨다. 대안적인 주사 시스템이 미국특허 제5,556,395호, 제5,683,379호, 제5,391,165호 및 제5,637,109호에 개시되어 있으며, 또한 본 명세서에 참조로서 인용된다.

공지의 주사 시스템이 각막을 절삭하여 시력을 향상시키는 데 효과적이고 안전한 것으로 입증되었지만, 안구 추적 능력을 공지의 레이저 눈 수술 시스템에 통합하는 것은 부가적인 문제를 보일 수 있는 것으로 본 발명과 관련한 연구에서 나타났다. 예컨대, 공지의 레이저 눈 수술 시스템은 레이저 전송 시스템의 광학 소자와 공축이며 그 광학 소자를 공유하는 광학 영상 경로를 대개 포함한다. 영상을 기초로 한 추적 시스템을 이용하는 것이 이전에 제안되었지만, 이렇게 공유된 광학 경로는 유효 영상 대비 및 이에 따른 추적 기구의 효율성을 제한할 수 있다.

상기의 관점에서, 개선된 레이저 눈 수술 시스템, 장치 및 방법을 제공하는 것이 요망된다. 또한, 측방향 추적과 광학축을 따른 안구의 위치에 관한 정보를 이상적으로 모두 제공하는 추적 장치를 구비한, 특히 레이저 눈 수술에 사용하기 위한 개선된 안구 추적법을 제공하는 것이 요망된다. 이러한 개선이 이상적으로 레이저 전송 시스템을 변경시키지 않으면서도 추적 효율성을 향상시키고 공지의 레이저 눈 수술 시스템에 안구 추적 능력을 통합할 수 있게 한다면 특히 유리할 것이다.

본 발명은 대체로 개선된 레이저 눈 수술 및/또는 안구 추적 시스템, 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 2개의 영상 포착 장치를 사용하는데, 일반적으로 영상 포착 장치 양자는 안구의 광축 및/또는 임의의 레이저 전송 시스템의 광축을 벗어나게 배치된다. 이는, 특히 안구의 동공을 추적하는 데 적외선 촬상을 이용하는 경우, 전하 결합 소자(CCD)를 구비한 카메라와 같은 영상 포착 장치에서 촬상 대비를 향상시킨다. 편축된 2개의 카메라는 독립적으로 사용되어 안구의 2개의 수직 횡축을 따른 동공의 운동을 추적하고(흔히 X-Y 추적이라 칭함), 또한 광축/치료축 또는 Z축을 따른 안구의 위치를 지시할 수 있다.

제1 양태에 있어서, 본 발명은 환자의 시력에 원하는 변화를 달성하도록 안구의 각막 조직을 절삭하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 각막 조직을 향해 에너지 스트림을 선택적으로 지향시키는 에너지 전송 시스템을 구비한다. 제1 및 제2 영상 포착 장치는 안구를 향해 배향된다. 프로세서는 영상 포착 장치를 에너지 전송 시스템에 접속시킨다. 에너지 전송 시스템은 제1 영상 포착 장치에 의해 감지된 안구의 운동에 응답하여 제1축을 따른 에너지 스트림을 측방향으로 편향시킨다. 에너지 전송 시스템은 또한 제2 영상 포착 장치에 의해 감지된 안구의 운동에 응답하여 제2축을 따른 에너지 스트림을 측방향으로 편향시킨다.

에너지 스트림은 대개 치료축을 결정하며, 안구는 일반적으로 제1 및 제2 영상 포착 장치의 제1 및 제2 시야 내에 각각 배치된다. 이러한 시야는 치료축으로부터 소정 각도로 편향되는 것이 바람직하고, 통상 치료축에 대해 서로 원주 방향으로 편향되는데, 흔히 약 90°만큼 원주 방향으로 편향된다.

제1 영상 포착 장치가 안구의 X축을 따른 안구의 운동을 측정하도록 사용되는 경우, 제1 영상 포착 장치는 X-Z 평면을 따라 배치되고 Y-Z 평면으로부터 소정 각도로 편향되는 것이 바람직하다. 유사하게, 제2 영상 포착 장치가 안구의 Y축을 따른 안구의 운동을 감지하도록 사용되는 경우, 제2 영상 포착 장치는 대개 Y-Z 평면을 따라 배치되고 X-Z 평면으로부터 소정 각도로 편향된다. 제1 및 제2 영상 포착 장치의 편향 각도는 통상 약 10°내지 70°이고, 대개 약 15°내지 약 65°이며, 약 20°내지 약 50°인 것이 바람직하고, 약 25°내지 약 45°인 것이 보다 바람직하다. 모범적인 실시예는 약 27°의 편향 각도를 갖는다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 안구의 이동을 감지하는 장치를 제공한다. 안구는 광축과 제1 및 제2 측방향 광축을 갖는다. 상기 장치는 제1 영상 포착 장치와 제1 프로세서 모듈이 있는 제1 추적 장치를 구비한다. 제1 영상 포착 장치는 제1 촬상축을 따라 안구를 향해 배향된다. 제1 촬상축은 광축으로부터 소정 각도로 편향되어 있다. 제1 프로세서 모듈은 제1 촬상축에 대한 안구의 측방향 운동을 지시하는 제1 신호를 발생시킨다. 제2 영상 포착 장치와 제2 프로세서 모듈이 있는 제2 추적 장치가 또한 제공된다. 제2 영상 포착 장치는 제2 촬상축을 따라 안구를 향해 배향된다. 제2 촬상축은 광축으로부터 소정 각도로 편향되어 있으며 광축에 대해 제1 촬상축으로부터 원주 방향으로 변위되어 있다. 제2 프로세서 모듈은 제2 촬상축에 대한 안구의 측방향 운동을 지시하는 제2 신호를 발생시킨다.

제3 프로세서 모듈이 제1 및 제2 추적 장치에 연결될 수 있다. 제3 프로세서 모듈은 제1 및 제2 신호로부터 제1 및 제2 측방향 축을 따른 안구의 측방향 변위를 연산하는데, 이는 광축을 따른 운동 연산을 가능하게 한다.

방법 양태에 있어서, 본 발명은 광축과 제1 및 제2 측방향 축을 갖는 안구의 운동을 감지하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 제1 영상 포착 장치로 제1 측방향 축을 따른 안구의 운동을 감지하는 단계를 포함한다. 제1 포착 장치는 광축으로부터 편향된 제1 촬상 경로를 따라 배치된다. 제2 측방향 축을 따른 안구의 운동은 광축으로부터 편향된 제2 촬상 경로를 따라 배치된 제2 영상 포착 장치에 의해 감지된다. 제2 촬상 경로는 광축에 대해 제1 촬상 경로로부터 원주 방향으로 변위되어 있다.

안구의 광학 특성에 원하는 변화를 달성하도록 소정 패턴의 레이저 에너지가 안구를 향해 지향되는 것이 바람직하다. 레이저 에너지는 안구가 이동할 때 패턴과 안구 사이의 정렬을 향상시키도록 제1 및 제2 영상 포착 장치로부터 감지된 안구의 운동에 응답하여 측방향으로 변위될 수 있다. 광축을 따른 안구의 위치 및/또는 운동은 제1 및 제2 영상 포착 장치로부터의 정보를 이용하여 연산될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 안구 운동 감지 시스템 및/또는 레이저 빔 편향 시스템은 가장 빠른 안구의 불수의 운동 또는 단속성 운동을 충분히 추종할 정도로 급격히 움직이지는 않지만, 시각 고정 동안 안구의 불수의 운동과 관련된 속도인 안구의 운동을 효과적으로 추적한다. 다른 실시예는 (단속성 안구 운동을 비롯하여) 대부분 및/또는 모든 안구 운동을 추적하는 데 충분한 성능을 제공할 수 있는데, 이러한 고성능 시스템은 대개 샘플링 속도가 빠른 영상 포착 장치를 구비한다.

도 1은 본 발명과 합체된 안과 수술 시스템의 개략적 블록도.

도 2는 도 1의 시스템의 레이저 전송 광학 장치와 추적 영상축의 개략적 사시도.

도 3은 도 2의 레이저 전송 시스템에서 사용하기 위한 모범적인 주사(走査) 기구의 사시도.

도 3a, 도 3b 및 도 4는 도 3의 주사 기구의 작동을 도시하는 도면.

도 5는 안구의 제1축 또는 X축을 따른 안구의 운동을 감지하기 위한 카메라의 위치를 도시하고, 카메라에 의해 감지된 운동을 측방향 안구 운동의 측정으로 변환시키는 데 사용되는 변수와 함께 카메라와 안구의 좌표 시스템을 모식적으로 도시하는 도면.

도 6과 도 6a는 도 1의 시스템에 사용하기 위한 카메라 교정 도구를 도시하는 도면.

도 7은 도 2의 시스템에 사용될 때 동공 휘도 한계값의 최적화를 도시하는 그래프.

도 8은 도 1의 시스템의 영상 포착 장치에 의해 잡힌 영상을 도시하고, 그 영상을 이용하여 상대 위치 결정 정보를 제공하는 방법을 나타내고 있는 개략도.

도 9는 제1축 또는 X축과 제2축 또는 Y축을 따른 안구의 이동을 도시하는 그래프.

도 10과 도 11은 실험 부분에 설명된 바와 같이, 제1 방향 또는 X 방향과 제2 방향 또는 Y 방향에서의 추적 실행을 도시하는 도면.

도 12는 실험 부분에서 설명된 바와 같은 안구 이동 시뮬레이터의 사시도.

도 13a와 13b는 도 12의 안구 이동 시뮬레이터를 사용하여 측정할 때 의도된 절제 형상과 실제 절제 형상간에 차이와 시험 절제 형상을 도시하는 도면,

본 발명은, 특히 레이저 눈 수술에 사용하기 위한, 안구의 운동을 감지하는 개선된 방법을 제공한다. 본 발명의 시스템은 2개의 편축 영상 포착 장치를 대개 포함하며, 각 영상 포착 장치는 관련된 측방향 안구 운동축을 따른 안구의 운동을 감지한다. 본원 명세서에서 때로는 카메라로 칭하는 상기 영상 포착 장치는 통상 안구의 광축을 벗어나 배치되는데, 안구의 광축은 대개 레이저 시스템의 치료축과 동축이다(반드시는 아님). 2개의 편축 카메라 시스템에 의해 추적되는 안구의 측방향 운동은 대개 수평 이동과 수직 이동을 참조하여 설명될 것이다. 본원 명세서에 사용된 바와 같이, 수평 이동은 환자에 대해 우측에서 좌측 또는 좌측에서 우측 방향이지만, 수직 이동은 환자에 대해 하위/상위 배향을 따른 것이다. 제1 및 제2 영상 포착 장치와 관련된 제1 및 제2 이동축은 직각일 필요는 없으며, (직각의 X와 Y 측방향 방위를 정의하는 경우처럼) 이들 이동축이 직각일 지라도 수평 배향 및 수직 배향으로 정렬될 필요는 없다.

이제, 도 1을 참조하면, 안과 수술 시스템(10)은 수평 추적 장치(11h) 및 수직 추적 장치(11v)를 구비한다. 각각의 추적 장치(11)는 카메라(13)와, 관련된 추적 프로세서(15)를 포함한다. 아래의 설명에서 구별하는 경우, 이들 부품은 수평 카메라(13h), 수직 카메라(13v) 등이라 칭한다.

또한, 안과 수술 시스템(10)은 통상 전송 시스템 광학 장치(28)에 의해 안구(E)를 향해 선택적으로 지향되는 레이저 빔(26)을 발생시키는 레이저(20)를 포함한다. 전송 시스템 광학 장치(28)는 컴퓨터(14)로부터의 지시에 따라 안구(E)의 각막 조직 위로 레이저 빔(26)을 주사한다. 상기 컴퓨터는 일반적으로 제1 및 제2 스테이지 피봇 시스템(22, 24)의 각도 위치를 변화시킴으로써 안구(E)위로 레이저 빔(26)을 주사한다(후술함). 대안적인 실시예에 있어서, 컴퓨터는 검류계 모터나 광범위한 대안적인 주사 기구 중 어떤 것을 사용하여 하나 이상의 거울을 피봇 회전시킴으로써 빔을 주사할 수도 있다. 선택적으로, 컴퓨터(14)는 하나 이상의 가변 구멍을 사용하여 빔(26)의 형상화를 지시할 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 컴퓨터(14)에 연결된 개인용 컴퓨터(PC) 워크스테이션(12)을 포함한다. 레이저 수술 시스템(10)은 앞서 본원 명세서에 참조로서 인용된 유럽특허출원 공보 제628298호에 개시된 것과 같은 가동 기구와 광학 부품으로부터 피드백 신호를 생성하는 다수의 센서(전체적으로, 참조 번호 16으로 지시됨)를 포함할 수도 있다. PC 워크스테이션(12)과 컴퓨터(14)는 단일의 프로세서 구조로 조합될 수도 있으며, 또는 이들 처리 기능이 광범위한 대안적인 구성으로 분배될 수도 있다. 유사하게, 추적 프로세서 모듈(15)은 컴퓨터(14)로부터 분리된 하나 이상의 처리 구조를 구비하거나, 단일 프로세서로서 컴퓨터(14)에 일체화되거나 광범위한 처리 구성으로 분배될 수도 있다. 컴퓨터(14)는 코드를 판독할 수 있는 장치에서 본 발명의 방법을 실현하는 유형(有形)의 매체(21)를 구비할 수도 있다. 적절한 매체로는 플로피 디스크, 콤팩트 광학 디스크(CD), 착탈형 하드 디스크 등이 있다. 다른 실시예에 있어서, 코드는 인터넷과 같은 통신 양식으로부터 다운로딩되어 하드웨어, 펌웨어(firmware) 또는 소프트웨어 등처럼 저장될 수도 있다.

추적 프로세서 모듈(15)과 센서(16)에 의해 제공되는 신호에 응답하여, 그리고 시력 결함을 완화시키기 위해 안구에 실행될 절삭에 따라, 컴퓨터(14)는 명령 신호를 모터 드라이버(18)와 레이저(20)에 전송한다. 이러한 명령 신호에 응답하여, 모터 드라이버는 신호를 생성하여 제1 스테이지 피봇 시스템(22)과 제2 스테이지 피봇 시스템(24)의 각도 배향을 변화시키고, 예컨대 가변 직경의 홍채 크기를 변경시켜 근시를 교정하며, 평행한 한 쌍의 블레이드 사이의 거리를 조절하여 레이저 빔의 폭을 변경시키고, 평행한 블레이드와 장방형 빔의 각도 배향을 회전시켜 난시를 교정하는 등 레이저 전송 시스템의 기타 부품들을 작동시킨다. 컴퓨터(14)는 [통상 제1 및 제2 스테이지(22, 24)의 이동에 의해] 모터 드라이버가 빔의 위치를 변경하도록 함으로써 절삭 수술 동안 안구의 측방향 운동을 보정할 수 있으므로, 안구로 향하게 될 레이저 에너지의 치료 패턴이 안구의 수의 및/또는 불수의 운동 동안 안구와 정렬 상태로 있게 된다.

광범위한 표현에 있어서, 수평과 수직 카메라(13)는 빔(26)의 치료축으로부터 편향된 영상 경로를 따라 안구의 영상을 포착한다. 카메라는 통상 추적 프로세서 모듈(15)로 전송되는 영상 신호를 발생시키는 적외선 민감성 전하 결합 소자(CCD)를 구비한다. 추적 프로세서 모듈은 안구의 특징점의 위치를 연산하고 그 위치를 지시하는 신호를 컴퓨터(14)에 전송한다. 이 신호는 레이저 시스템에 대한 특징점의 절대적 위치, 특징점의 상대 위치, 특징점의 크기 등을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 위치 정보는 특징점의 속도, 특징점의 가속도 등을 포함할 수도 있다. 보다 빠른 안구의 급격한 불수의 운동을 추적하는 데 충분한 추적 시스템의 성능을 원한다면, 카메라(13)는 대개 약 250 Hz 이상의 샘플링 속도를 갖는 높은 샘플링 속도의 영상 포착 장치를 구비해도 좋다.

일반적인 전송 시스템 광학 장치(28)가 그와 관련된 지지 구조가 없는 상태로 도 2에 도시되어 있다. 거울(30a, 30b)[거울(30a, 30b...)은 대체로 거울(30)이라 칭함]은 공간적 및 시간적 통합기(32)와 가변 구멍(34)을 통해 레이저 빔(26)을 지향시킨 후에 주사 기구(36)로 진입시킨다. (제1 및 제2 스테이지를 포함하는) 주사 기구(36)는 X-Y 평면에서 안구(E)의 각막 표면을 가로질러 측방향으로 빔(26)을 선택적으로 편향시킨다. 단면이 비교적 큰 빔을 갖는 레이저 시스템이 도시되어 있지만, 추적 시스템은 작은 스폿의 주사 레이저를 갖는 시스템을 비롯하여 광범위한 레이저 눈 수술 시스템에도 잇점을 제공한다.

현미경(M) 등을 사용하는 수술을 촬상, 관찰하기 위해 다양한 렌즈를 제공할 수도 있다. 추적 시스템(11)이 안구(E)의 운동을 감시하므로, 컴퓨터(14)가 안구의 운동을 보정하여 의도된 치료 영역 부분을 정확하게 제거할 수 있다. 특히 유리한 안구 추적 카메라/프로세서는 미국 매사추세츠주 버링톤 소재의 Iscan사에서 시판하고 있다. 이상적으로, 추적 시스템(11)은 미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 VISX사에서 시판하고 있는 VISX STAR™ 및 VISX STAR S2™ 레이저 눈 수술 시스템에 일체화되는 데 적합하다. 대안적으로, 본 발명의 추적 시스템의 실시예는 미국 캘리포니아주 소재의 Chiron Vision of Irvine(Bausch & Lomb사의 분사), 일본 가마고리 소재의 Nidek사, 미국 플로리다주 오랜도 소재의 Laser Sight사, 미국 플로리다주 오랜도 소재의 Autonomous Technologies사 및 다양한 다른 회사들에서 시판하고 있는 레이저 시스템에 합체될 수도 있다.

레이저(20)는 파장이 약 193 nm인 레이저 에너지를 생성하는 아르곤-불화물 엑시머 레이저와 같은 엑시머 레이저를 포함하지만, 그것에 제한되지는 않는다. 대안적인 레이저 시스템은 주파수 증가 고체 레이저, 플래시 램프 및 다이오드 여기 고체 레이저 등과 같은 고체 레이저를 포함할 수도 있다. 전형적인 고체 레이저는 미국특허출원 제5,144,630호와 제5,742,626호 및 Borsuztky 등의 Turnable UV Radiation at Short Wavelengths(188-240 nm) Generated by Frequency Mixing in Lithium Borate, Appl.Phys. 61: 529 내지 532쪽(1995년)에 개시된 것과 같이 대략 188 내지 240 nm의 파장을 생성하는 UV 고체 레이저를 포함한다. 다양한 대안적인 레이저가 또한 사용되어도 좋다. 레이저 에너지는 일반적으로 일련의 개별 레이저 펄스로서 형성되는 빔을 포함하며, 상기 펄스는 다수의 빔렛으로 분리될 수 있다.

도 2는 또한 수평 카메라(13h)와 수직 카메라(13v)의 위치와 배향을 도시하고 있다. 수평 카메라(13h)는 주로 안구(E)의 X축을 따른 안구의 운동을 측정하고, Y-Z 평면을 따라 배치되며 X-Z 평면으로부터 편향되어 있다. 수직 카메라(13v)는 주로 Y축을 따른 안구(E)의 운동을 측정하고, X-Z 평면을 따라 배치되며 Y-Z 평면으로부터 편향되어 있다. 수평 카메라(13h)와 수직 카메라(13v)는 카메라의 시야 중앙에 위치한 광학 영상 경로(17)를 따라 안구(E)를 향해 배향되고, 이 광학 경로는 일반적으로 관련된 카메라 구조의 렌즈에 의해 형성된다.

수평 카메라와 수직 카메라는, 추적 프로세서 모듈과 함께 대개 미국 매사추세츠주 버링톤 소재의 Iscan사에서 시판하고 있는 것과 같은 상업적으로 유용한 추적 시스템이나 기타 유사한 시스템을 구비한다. 적합한 추적 시스템은 일반적으로 위치 센서와, 이 센서로부터의 신호에 응답하여 위치 신호를 발생시키는 프로세서 를 포함한다. 바람직한 추적 시스템은 통상 2차원 광학 위치 센서를 포함하며, 안구를 센서 위에 촬상하는 광학 장치를 흔히 구비한다. 전형적인 시스템은 적외선 CCD 카메라와 개인용 컴퓨터 인터페이스(PCI) 카드와 함께, MICROSOFT(등록상표)의 윈도우 NT™와 같이 컴퓨터(14)를 구동하는 작동 시스템과 호환성을 갖는 소프트웨어 드라이버를 포함한다. 치수가 더 크거나 작은 대안적인 카메라 구조는 다양한 전원에 의해 여기되어, 가시 범위 또는 다른 파장 범위의 빛을 감지할 수 있다. 전술한 바와 같이, 카메라는 영상 신호를 관련된 추적 프로세서(15)에 제공하는데, 이 추적 프로세서는 통상 추적 카드의 형태이다.

사용시, 참조 번호 19로 개략적으로 도시된 적외선 광원으로 안구(E)를 비춘다. 적외선 광원(19)은 하나 이상의 적외선 발광 다이오드(LED)를 구비하는 것이 바람직하다. 모범적인 실시예에 있어서, 빛은 각 3개의 적외선 LED의 2개의 뱅크(bank)에 의해 제공되는데, 각 LED는 약 80 mA의 전류를 소비한다. 이 발광 다이오드의 뱅크는 선택적으로 여기될 수 있는데, LED 중 한 뱅크는 우측 안구가 레이저 시스템의 치료축과 정렬될 때만 여기되고, 다른 뱅크는 좌측 안구가 치료축과 정렬될 때만 여기된다. LED는 통상 카메라로부터 90°(경도)이내에 있으며, 카메라(13)보다 방위각(수직으로부터의 위도)이 큰 것이 바람직하다.

적외선 광원(19)에 의해 제공된 적외선 조명하에서, 안구(E)의 동공은 적외선 에너지가 이 선명한 구조에 의해 직접 반사되지 않으면 카메라(13)에 대해 비교적 어둡게 보일 것이다. 홍채와 공막을 비롯하여 동공을 둘러싸는 영역은 적외선 조명하에서 카메라(13)에 대해 훨씬 밝은 그늘로 나타나게 되고, 이에 의해 추적을 위한 동공의 고 대비 영상을 생성하게 된다.

안구(E) 주위의 빛이 수술 중에 변화할 수도 있기 때문에, 추적된 동공의 크기도 변화할 수 있다. 변화하는 동공의 크기에 적응하기 위하여, 시판되고 있는 전형적인 추적 카메라에서는 동적인 한계값이 매우 유리한 특징이다. 동적인 한계값은 동공 크기를 한계값을 조정하면서 결정함으로써 달성된다.

전술한 바와 같이, 주사 기구(36)는 카메라(13)에 의해 감지된 안구(E)의 운동에 응답하여 빔(26)을 측방향으로 편향시키는 것이 바람직하다. 주사 기구는 도 3에서 가장 분명하게 보인다. 주사 기구(36)는 일반적으로 촬상 렌즈(40)를 제1축(42)을 중심으로, 그리고 제2축(44)을 중심으로 피봇 회전시킴으로써 레이저 빔(26)을 측방향으로 편향시킨다. 보다 구체적으로 말하면, 주사 기구(36)는 브래킷(46) 형태의 고정된 지지 구조를 포함한다. 제1 스테이지(48)는 제1축(42)을 중심으로 브래킷(46)에 대해 피봇 회전하는 반면에, 제2 스테이지(50)는 제2축(44)을 중심으로 제1 스테이지(48)에 대해 피봇 회전한다.

편향되지 않은 빔 축(26a)으로부터 빔(26)의 편향은 도 3a와 도 3b를 참조하면 이해할 수 있다. 제1 스테이지와 제2 스테이지를 빔(26)을 따라 그 외측에서 연장하는 피봇축을 중심으로 피봇 회전시킴으로써, 촬상 렌즈(40)는 최초의 빔 축(26a)으로부터 가변 길이(D)만큼 변위된다. 촬상 렌즈(40)를 최초 축(26a)으로부터 변위시키면 최초 축(26a)으로부터의 가변 구멍(34)의 영상(52)은 편향 구멍 영상(52')으로 바뀐다. 구멍 영상의 양 및 운동 방향은 (반드시 비례하지는 않지만)렌즈의 편향(D)의 양 및 방향과 관련되어 있다. 그러므로, 각막 표면을 가로질 러 구멍 영상(52)의 위치를 변경시키기 위하여, 렌즈(40)를 이동시키는 편향 구조는 렌즈가 도 3에 도시된 바와 같이 직접적으로 최초 축(26)의 상하로 또한 도면 평면의 내측 및 외측으로 이동될 수 있게 하는 것이 바람직하며, 이에 의해 각막 조직을 가로질러 X-Y 평면에서 절제용 레이저 에너지의 주사가 가능하게 된다. 대안적인 레이저 전송 시스템은 일정한 형상을 갖는 빔을 주사할 수도 있고, 또는 그 빔의 형상과 세기가 가변형 확대 시스템에 의해 변경될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 가변 구멍을 갖지 않는 시스템을 포함한다.

주사 기구(36)의 X-Y 주사 능력은 또한 도 3과 도 4를 참조하여 이해할 수 있다. 제1 스테이지(48)는 피봇 이음매(54)에 의해 브래킷(46)에 피봇 가능하게 장착된다. 피봇 이음매(54)는 제1 피봇축 또는 피봇(42)을 형성하고, 제1 스테이지는 모터(56)와 제1 스테이지의 구동면(58) 사이의 구동 결합으로 인해 제1 피봇을 중심으로 회전된다. 제1 스테이지의 각도 배향과 관련하여 컴퓨터(14)에 피드백을 제공하도록 인코더(60)가 또한 구동면(58)과 맞물린다. 제1 스테이지(48)에는 제2 피봇축 또는 피봇(44)을 형성하는 다른 피봇 이음매(54)에 의해 제2 스테이지(50)가 장착된다. 제2 스테이지(50)에는 촬상 렌즈(40)가 장착되므로, 제1 스테이지가 축(60a)을 따라 피봇(42)을 중심으로 피봇 회전할 때 제1 스테이지와 함께 촬상 렌즈가 이동될 수 있다.

제2 축을 중심으로 촬상 렌즈의 각도 위치를 변경시키기 위해, 제1 스테이지(48)에는 모터(56)가 장착되어 제2 스테이지(50)의 구동면(58)과 구동 가능하게 맞물린다. 컴퓨터(14)에 대한 피드백이 인코더(60)에 의해 다시 제공되는 데, 이 인코더는 또한 제1 스테이지(48)에 장착되어 있다.

브래킷(46)에 대한 제1 스테이지(48)의 피봇 이동은 최초 빔 접근(26a)의 어느 한 측면상에서 제1 호형 경로(60a)를 따라 촬상 렌즈(40)가 피봇(42)을 중심으로 변위될 수 있도록 한다. 레이저 빔(26)의 X-Y 주사를 안구의 각막 표면상의 치료 영역 내의 임의의 위치에 제공하기 위하여, 제1 스테이지(48)에 장착된 모터(56)가 피봇(44)을 중심으로 제2 스테이지(50)를 피봇시킴으로써, 제1 호형 경로를 가로지르는 제2 호형 경로(60b)를 따라 편향 렌즈(40)를 이동시킨다. 모범적인 실시예에서, 피봇(42, 44)이 약 90°만큼 최초 빔축(26a)에 대해 편향되어 있으므로, 제1 및 제2 호형 경로(60a, 60b)도 약 90°로 교차된다.

각막 표면에 인접한 X-Y 평면상에 레이저 에너지의 위치를 정확하게 결정하는 것은 제1 피봇(42) 및 제2 피봇(44)을 중심으로 렌즈의 각도 위치를 조정함으로써 영상의 호형 이동에 순응해야 한다. 바꿔 말하면, 도 4를 참조하여 이해할 수 있는 바와 같이, 피봇은 X와 Y 방향의 이동에 가까우며, 시스템(10)은 보충 스테이지의 추가 운동에 의해 생기는 빔 편향의 비선형성을 보정한다. 본 발명의 이중 피봇 촬상 렌즈 지지부의 호형 빔 편향을 보정하기 위해 광범위한 알고리즘이 사용될 수도 있다. 컴퓨터(14)는 주사 기구(36)의 운동학적 구조와 렌즈(40)의 광학 특성에 기초하여 실질적인 레이저 빔의 호형 운동을 간단하게 모델링할 수도 있다. 대안적으로, 별개의 X와 Y 목표 좌표를 위해 원하는 제1 및 제2 스테이지의 각도 위치의 룩업(look-up) 표를 만들 수도 있는데, 별개의 표 입력 사이에는 표준 보간(補間) 루틴이 사용된다.

도 1에 도시된 시스템의 컴퓨터(14)는 수평 카메라(13h) 및 수직 카메라(13v)에 의해 감지된 동공의 위치에 일부 기초하여 원하는 제1 및 제2 스테이지의 각도 위치를 연산한다. 컴퓨터(14)는 도 5를 참조하여 이해할 수 있는 연산을 이용하여 안구의 광축에 대한 동공의 위치 및/또는 레이저 전송 시스템의 위치를 결정하는 것이 바람직하다. 이러한 연산은 수평 카메라(13h)를 위한 것으로 보이며, 이 수평 카메라는 카메라의 촬상 렌즈로 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 수직 카메라도 유사한 연산을 사용할 수 있지만, 대신에 수직 카메라(13v)는 Z축, 안구(E)의 광축 및/또는 레이저 빔(26)의 치료축에 대해 수평 카메라로부터 90°편향된 위치에 배치된다. 수평 카메라(13h)는 380개의 수평 화소(pixel)와 350개의 수직 화소를 가지며, 카메라의 수평축(X_H)은 X축을 따라 정렬된다. 대비를 향상시키면서 이 원하는 측정축을 따라 왜곡을 최소화하기 위하여, 수평 카메라(13h)는 X-Z 평면을 따라 배치되고 Y-Z 평면으로부터 각도 ξ만큼 편향된다. ξ는 약 10°내지 약 70°이고, 흔히 약 15°내지 65°이며, 바람직하게는 약 20°내지 50°이고, 이상적으로는 약 25°내지 45°이며, 모범적인 실시예에서 ξ는 약 27°이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 다음의 연산에 사용되는 변수 중 일부를 먼저 유도하기 위해서, 수평 카메라(13h)는 실질적으로 형태가 장방형인 안구(E)의 시야(FOV) 또는 시계 범위를 촬상하는데, 폭이 FOV_y로 지시되고 높이가 FOV_x로 지시되어 있다. 이 시야 내에 촬상된 안구 표면 영역은 카메라에 대해 거의 ξ의 각도로 존재한다. 시야의 중앙(70)은 카메라(13h)로부터 거리 r만큼 떨어져 있고, 시야의 상부 가장자리는 치료축(70)으로부터 거리 a만큼 떨어져 있으며, 시야의 측면 가장자리는 치료 중앙(70)으로부터 거리 b만큼 떨어져 있다. 시야(FOV)의 코너는 카메라(13h)로부터 거리 d_i만큼 떨어져 있는데, i는 1, 2,...이다. 시야가 Y-Z 평면에 대해 거의 대칭이면, 도시된 바와 같이, 관심사인 2개의 거리는 d₁과 d₂이다.

x가 안구의 좌표 시스템의 X축을 따른 동공의 좌표이고, y가 안구의 좌표 시스템의 Y축을 따른 동공 중심의 좌표인 경우, 수평 카메라의 Y 성분과 수직의 X 성분을 위해 보정 스케일 인자 Scale_x를 결정한다. 스케일 인자는 수학식 1을 사용하여 수평 카메라로부터 y값을 연산하는 데 사용된다.

여기에서, x는 수직 카메라에 의해 제공된 x 성분과 동일하고, y_H는 수평 카메라에 의해 제공된 y 성분과 동일하다. 스케일 인자를 결정하기 위하여, 먼저 수학식 2로부터 시야(FOV)의 코너까지의 거리 d₁d₂를 연산한다.

여기에서, θ₁은 π/2 + ξ과 동일하고 θ₂는 π/2 - ξ과 동일하다. 그 후, 스케일 인자는 밀리미터 또는 화소로 주어진 FOV에서 d₁d₂ 선에 의해 형성된 각도의 비율에 의해 수학식 3으로부터 연산된다.

여기에서, N_x는 x 방향의 시야(FOV)인 FOV_x에 걸쳐 있는 화소의 숫자이다. y_H는 사용된 시스템에 따라 밀리미터 또는 화소의 단위를 갖고, 유사한 단위를 갖는 y를 위한 값을 제공한다. 이러한 연산은 스케일 인자를 연산하는 하나의 방법의 일례이다. 다른 실시예에 있어서, 스케일 인자는 연산되기보다는 측정될 수도 있다.

전술한 바와 같이, x의 연산은 유사한 분석을 추종하며, 스케일 인자(여기서는 밀리미터)는 수학식 4에서 연산된 값이다.

여기에서, x는 수학식 5로부터의 스케일 인자를 사용하여 연산된다.

수평 카메라와 수직 카메라가 모두 치료축에 대한 소정 각도에서 2차원 정보를 제공함에 따라, 치료축 Z를 따른 안구(E)의 위치가 또한 연산될 수 있다. 더욱 구체적으로 말하면, 수평 카메라의 좌표 시스템에서 수평 카메라에 의해 측정된 동공의 위치 x_H는 다음 수학식 6과 같은 z 성분을 갖는다.

유사하게, [전형적인 수직 카메라(13v)가 하위 위치로부터 안구를 촬상할 때] 수직 카메라(13v)에 의해 제공된 측정은 다음 수학식 7과 같은 z 성분을 갖는다.

수직 카메라로부터 알게 된 x와 수평 카메라로부터 알게 된 y에 의해 z(Z 축을 따른 안구의 위치)를 풀면, 다음 수학식 8이 된다는 것을 알았다.

도 7에 개략적으로 도시된 바와 같이, 안구(E)의 추적은 상대적인 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 시스템 작동자가 추적을 개시하면, 추적 시스템은 기준 중앙 위치(O)를 갖는 최초 위치(Po)로서 동공의 위치(P)를 기록한다. 이어서, 이 기준 중앙 위치(O)에 대한 안구의 운동을 추적한다. 그러므로, 추적 장치의 절대적인 정렬이 중요하지는 않다. 그러나, 소프트웨어 등을 이용하여 회전 오정렬을 보정하는 것이 어렵고/어렵거나 불가능할 때는, 추적 장치 부품의 정확한 회전 정렬이 추적에 상당한 도움이 된다.

최초 기준에 대한 안구(E)의 운동 벡터는 수학식 9와 같이 상기 주어진 수학식에 따라 벡터

로서 연산될 수 있다.

이제, 도 6과 6a를 참조하면, 수평 카메라(13h)와 수직 카메라(13v)를 정렬시켜, 카메라에 의해 제공된 x와 y값을 0에 맞추고 카메라를 광축에 대해 적당히 배향시키도록 안구(E)의 치료 위치에 교정 지그(80)가 착탈 가능하게 지지된다. 치구(82)가 교정 동안 원하는 위치에 지그(80)의 패턴을 유지한다. 조정성을 제공하기 위하여, 카메라는 3개의 회전축을 갖도록 장착된다. 이들 축에 대한 조정은 일단 교정 지그(80)가 원하는 위치와 방위에 보이면 카메라의 위치를 고정하도록 체결하는 미세한 나사 조정 기구에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 카메라 장착 회전축을 중심으로 한 카메라(13)의 이동 범위는 통상적으로 총 약 5°이상이다.

전형적인 수평 카메라(13h)와 수직 카메라(13v)의 구조와 배열은 또한 도 6a에서 명백하게 알 수 있다. 카메라는 환자의 광축에 대해 측방 좌측으로 하위 위치에 약 27°만큼 편향된다. 모범적인 안구 추적 장치 시스템은 2개의 소형 적외선 카메라에 연결된 2개의 전용 안구 추적 장치 카드를 포함한다. 적외선 발광 다이오드 다수 또는 뱅크가 경사를 제거하며, 모범적인 발광 다이오드는 파장이 약 880 nm인 빛을 생성한다. 이러한 구성은 동공이 광 싱크(sink)로서 작용하는 한편 주위의 홍채가 비교적 밝은 그림자를 가질 때, 비디오를 기반으로 한 시스템이 동공의 어둠을 감지할 수 있게 한다. 카메라는 12v 전원에 의해 여기되는 1.25" ×1.25" ×3.0"의 인쇄 회로 기판을 포함한다. 치료 전에 흔히 시작되는 동적 영상 분리법(thresholding)에 의해 대비 한계값이 적극적으로 설정될 수 있다. 모범적인 안구 추적 시스템은 관련된 축을 따른 시료 또는 안구의 위치 신호를 매 16.7 ns로 생성하는 60 hz 시스템을 사용한다.

모범적인 정렬 치구(82)와 지그(80)는 치료 평면 아래에 정렬 패턴을 위치시키는데, 정렬 패턴은 치료 평면에서 1.0 mm 이상 아래에 있는 것이 이상적이고, 모범적인 정렬 패턴은 치표 평면에서 약 3.5 mm 아래에 존재한다. 이는 각막 표면과 환자의 홍채 사이의 평균 거리를 보정한다. 지그(80)는 대체로 패턴이 있는 플레이트를 구비하며, 이상적인 패턴은 사각형(이상적으로는 측면이 14 mm인 사각형)의 4개의 코너에 배치된 4개의 구멍과, 사각형 중앙에 있는 십자가 부분을 포함한다. 이는 카메라의 광축 중앙과 회전 정렬을 쉽게 결정하게 한다. 구멍은 또한 카메라 해상도의 교정과 화소 당 마이크로미터 단위의 스케일 인자의 연산에 유용하다. 이 모범적인 패턴은 도 6과 도 6a에 도시되어 있다. 카메라의 회전 정렬은 안구 추적 장치 디스플레이 상에 십자선을 발생시키고 십자선이 패턴과 정렬하도록 각각의 카메라를 회전시킴으로써 용이하게 될 수 있다. 화소당 약 56.7㎛의 스케일 인자가 사용될 수 있다.

2개의 카메라에 의해 제공된 영상은 관련된 PCI 카드에 의해 처리되어 수평 및 수직 배향으로 동공의 중심을 결정할 수 있다. 동공 중심 데이터는 추적 장치가 중단을 트리거할 때 레이저 처리 시스템의 프로세서(들)에 이용될 수 있다. 카메라로부터의 데이터 흐름은 수평 및 수직 데이터 양자가 어느 한 카메라가 새로운 영상 중단을 트리거할 때마다 각 카메라로부터 발생될 때 중복될 수도 있다. C++ 프로그램이 중복 데이터를 제거하고 2개의 카메라로부터의 데이터에 정렬을 유지하도록 사용될 수도 있다. 선택적으로, 이러한 중복 데이터는, 전술한 바와 같이 양 추적 장치가 예정된 허용 오차 내에서 작동하는 것을 검증하고, 및/또는 동공의 수직 위치를 결정하도록 사용될 수도 있다. 추적 장치가 허용 오차를 벗어난 것으로 나타나거나 환자의 안구가 안전한 추적/치료 영역을 넘어서 수평 및/또는 수직으로 이동되면, 치료가 중단될 수도 있다. 타이밍 정보와 가장 최근의 동공 위치가 일반적으로 데이터 요청/중단을 통해 항상 시스템 프로그래밍에 이용될 수 있다.

추적 한계값을 발생시키는 모범적인 방법과 시스템은 도 7을 참조하여 이해할 수 있다. 일반적으로, 한계 수준이나 한계값과 게이트 영역(gated area)은 동공의 추적을 용이하게 하기 위해 결정된다. 게이트 영역은 대체로 영상 내에 제한된 관심 영역(ROI)을 포함하고, 모범적인 게이트 영역은 영상 내에 직사각형을 포함한다. 게이트 영역 내에 화소는 동공 내에 포함될 후보이지만, 게이트 영역 외측의 화소는 동공 내에 잠재적으로 포함되는 것에서 배제된다. 게이트 영역은 라식 플랩(Lasik flap), 눈꺼풀, 플랩 프로텍터, 스팩트럼 등과 같이 원치않는 가장자리 물질 또는 얼굴 부분을 배제하면서도 가능한 한 크게 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 그러한 게이트 영역의 사용은 시야 가장자리 근처에 원치않는 인공물을 제거하는 데 일조하지만, 동공이 게이트 영역 경계를 교차할 때 왜곡을 유발할 수도 있다. 각 추적 시스템은 동공 중심과 게이트 영역 경계 사이에 최소 분리 등을 비롯하여 동공 위치를 유효한 것으로서 받아들이기 전에 다양한 실험을 받는 것이 바람직하다. 이러한 실험 중 어느 것도 실행되지 않으면, 추적 에러 조건이 확인되어 추적 에러 신호가 발생될 수도 있다.

시스템 작동자가 레이저 눈 수술 시스템(2)으로 치료를 개시할 때마다, 응용은 "동력학적으로 영상 분리"를 하거나 자동적으로 동공 한계 수준을 발생시킨다. 모범적인 실시예에서, 이것은 상이한 조명 한계값 설정으로 다수의 개별 영상을 얻음으로써 달성될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 동공 크기는 이러한 다른 영상 각각에 대해 연산될 수 있으며, 동공 크기는 한계값 설정의 기능으로서 분석될 수 있다. 한계값/동공 크기 곡선은 커브 기울기가 대체로 A와 B 사이에서 예정값 또는 할당값 아래에 있다는 특징적인 형태를 갖는다. 기울기는 대체로 이들 2개의 지점을 지나서 곡선을 따라 증가하므로, 최적의 한계값은 비교적 커브의 평탄부 상에 A와 B 사이의 어떤 지점이다. 모범적인 한계값 수준 설정은, 최적의 위치가 A+(B-A)한계 비율과 동일하다는 등식으로부터 결정된다. 여기에서, 상기 한계 비율은 통상 0과 1 사이에 있는 할당값이다.

도 2 및 도 8을 참조하면, 일반적인 외과 레이저 수술은 추적 장치가 꺼진 상태에서 환자를 위치시키는 시스템 작동자에 의해 진행된다. 이어서, 시스템 작동자는 환자의 안구(E)에 대해 레이저 전송 광학 장치를 배치하는데, 수평 및 수직 카메라(13)는 전송 시스템의 광학 장치에 대해 장착되므로 상기 수평 및 수직 카메라는 안구(E)와 정렬될 수 있다. 현미경(M)의 초점을 안구(E)에 맞추고, 통상 키패드 버튼을 눌러 명령을 시스템에 입력하는 시스템 작동자에 의해 추적 시스템이 작동된다.

시스템 작동자가 안구(E)를 현미경(M)의 십자선과 정렬시켜 추적 장치의 기준 위치를 달성할 수 있다. 안구가 정렬되면, 시스템 작동자가, 예컨대 발 스위치를 가압함으로써 다른 입력 명령을 제공한다. 이러한 제2 입력 명령 시기에 동공 위치(O)가 추적 장치의 발원점이다.

그 후, 추적 장치는 추적 장치의 발원점으로부터 시스템에 운동 좌표 벡터를 제공한다. 다양한 실시예에 있어서, 추적이 실시되고 있다는 것을 보여주기 위한 현미경(M) 시야 내에 빛으로서 선택적으로 작동자에게 지시가 표시될 것이다. 안구 추적 장치는, 예컨대 키패드 버튼을 다시 누름으로써 시스템 작동자로부터 다른 입력 명령이 전달될 때까지 대체로 유지되는데, 버튼은 추적 장치의 온 및 오프를 토글링한다(toggling).

치료 중에(예컨대, 발 페달을 눌러 시스템 작동자가 치료를 유지하려고 하는 동안에) 추적 대상을 놓치면, 예컨대 현미경 내에 또는 임의의 다른 시스템 디스플 레이 상에 점멸 지시기를 제공함으로써 시스템 작동자에게 추적 실패의 표시가 제공된다. 선택적으로, 레이저 절삭은 추적이 실패하면 자동적으로 중단될 수도 있다. (많은 레이저 눈 수술 시스템에서, 발 페달을 부분적으로 해제하여) 완성 전에 수술이 중단되면, 발 페달을 완전히 해제시키는 등에 의해 수술을 완전히 중단시킬 때까지 및/또는 수술을 완전히 중단시키지 않는 한 추적 장치는 저장된 기준 위치를 유지한다.

실험

도 1, 도 2 및 도 6a의 안구 추적 시스템이 안구 이동을 추적할 수 있는 지를 결정하도록 안구 이동 및 추적 데이터를 임상 세팅에 기록하였다. 네 명의 안과의를 모집하여 연구에 참여시켰다. 전술한 2개 카메라 시스템에 의해 위치 정보를 발생시키지만 이 위치 정보에 응답하여 절제 레이저 패턴의 방향을 바꾸지 않으면서, 의사들이 정상적으로 45개의 안구에 대해 외과 수술을 수행할 수 있도록 기록 시스템을 실시하였다. 외과 수술은 수평 및 수직 편향 카메라 추적 시스템이 장착된 VISX STAR S2™엑시머 레이저 시스템을 사용하여 수행하였다.

임상 세팅에서 추적의 정확성을 평가하기 위해, 확인 추적 시스템을 편축된 2개 카메라 추적 장치로부터 발생된 위치 데이터와 비교하였다. 확인 추적 시스템은 실시간 시스템이 아니고, 레이저 눈 치료 동안 디지털 비디오 테이프 리코더로서의 역할을 하였다. 확인 추적 장치는 5 ms마다 안구 영상을 기록하였으며, 안구 위치를 연구소에서 소급적으로 결정하여 편축된 2개 카메라 추적 장치를 사용한 기록 중에 얻은 실시간 데이터와 비교하였다.

2개 카메라 안구 추적 장치와 확인 추적 장치(38)를 추적 실험용 엑시머 레이저 시스템 컴퓨터와 관계없는 컴퓨터에 연결하였고, 2개 카메라 추적 장치와 확인 추적 장치의 동기화는 하드웨어 트리거에 의해 0.1 ms 내에 달성하였다. 시작/포착 버튼을 누르면 실질적으로 바로 추적 장치가 시동되며, 비동기성 카메라는 (한 프레임까지) 0 내지 16.7 ms의 지연 시간을 갖고 추적 장치 데이터를 생성하였지만, 200 Hz의 확인 추적 장치는 0.1 ms 내에서 포착을 시작하여 5 ms 후에 영상을 생성하였다. 편축된 2개 카메라와 LED 전원이 외부에서 접속되어 LED에 5 볼트를, 카메라에 12 볼트를 제공하였다. 카메라 출력부를 엑시머 레이저 시스템에 접지하고, 안구 추적 장치 카드에 직접 접속하였다. 안구 추적 장치 카드는 동공의 중앙을 보여주는 오버레이에 의해 카메라 비디오를 포함하는 비디오 출력을 발생시켰다.

안구 추적 장치 비디오 출력부는 분배 증폭기에 접속하고 한쌍의 아날로그 비디오 포착 카드 및 한쌍의 비디오 카세트 리코더에 접속하였다. 비디오는 디지털과 아날로그 형태를 모두 기록하였다.

확인 카메라(38)용 조명은 가시광이었다. 조명의 대부분은 엑시머 레이저 시스템의 경사각에 의해 제공되었다. 여러 의사가 조명을 상이한 수준으로 작동시키기 때문에, 영상 휘도와 대비가 일정하지 않았으며, 의사가 치료 중에 원하는 조명량을 자유롭게 이용할 수 있었다.

2개 카메라 추적 장치와 확인 추적 장치로부터의 추적 데이터는 29명의 환자로부터 취했으며, 19개의 좌측 안구와 26개의 우측 안구를 포함하여 전체 45개의 안구의 치료 동안 기록을 행하였다. 레이저 수술 동안 평균 교정은 -0.63D의 실린더를 갖는 -4.84D의 구(球)이었다.

도 9를 참조하면, X축 또는 수평축(어두운 선)을 따라 수직 배향 또는 Y 방향(밝은 선)으로 운동을 기록하였다. 도 9는 확인 추적 장치에 의해 기록된 바와 같은 라식 수술 중에 일반적인 환자의 안구 운동의 그래프를 나타내고 있다. 이러한 그래프는 안구 운동의 범위가 수시 단속성 운동의 경우 +/- 100 ㎛보다 작다는 것을 보여준다.

도 10은 비교적 확장된 시간 스케일을 갖고, 확인 추적 장치와 2축 추적 장치로부터 얻은 데이터 사이에 시간 지연을 나타내고 있다. 도 11a와 11b에서 알 수 있는 바와 같이, 2축 추적 장치와 확인 추적 장치는 전체 약 25초 시간 동안 비교된다. 이 그래프는 2개의 추적 장치가 서로 매우 잘 관련되어 있음을 보여준다. 몇 미크론 정도의 작은 차이를 볼 수 있다.

이제, 도 12를 참조하면, 안구의 운동을 추종하기 위한 2개 카메라 추적 시스템이 일체로 된 VISX STAR S2™의 능력을 측정하도록 안구 운동 시뮬레이터를 설계 및 제작하였다. 시뮬레이터(100)는 시험 오라클(oracle)의 이동 중에 실험 플라스틱을 절제할 수 있도록 직교축을 중심으로 피봇 회전함으로써 안구 운동을 시뮬레이팅한다. 이는 시뮬레이팅된 회전 안구 운동 동안 절제가 진행될 수 있게 한다. 5 ms내에 최대 0.213 ㎛의 운동을 하도록 교정된 한쌍의 컴퓨터 제어식 검류계에 의해 짐벌(102; gimbal)을 구동하였다. 이 속도는 200 Hz 확인 추적 장치의 프레임 속도에 대응한다.

안구 운동 시뮬레이터(100)의 단일 운동의 정확성은 약 25 ㎛의 기계적 허용 오차를 갖도록 설계되었으며, 장치의 실제 허용 오차는 약 10 ㎛에 가깝다. 포크와 짐벌은 티타늄으로 제작하였으며 과도한 중량을 피하도록 설계하였다. 검류계를 짐벌에 연결시키는 레버 아암은 알루니늄으로 제작하였으며, 조립되자 마자 검류계를 회전시켰다. Cambridge Technologies사로부터 검류계를 입수하였으며 조정 가능한 제어기로 제어하였다. 이 조정은 일반적으로 소기의 중량을 실제 실험 중량과 부합시키는 것을 포함하였다.

직경이 1.5"인 플라스틱 디스크를 지지하기 위해 검류계를 조정하였으며, 재료는 미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 VISX사에서 시판하는 교정 플라스틱으로부터 천공하였다. 링이 플라스틱 디스크를 컵(104)의 상부면 상에 견고하게 유지하였다.

검류계를 구동하기 위해 사용된 데이터는 전술한 임상 안구 운동 연구 동안 기록하였다. 이 데이터는 운동 방정식으로부터 발생되었고 검류계를 구동하는 데 이용하였다.

실제 측정된 안구 운동과 동일한 운동으로 실험 절제 플라스틱을 이동시키도록 안구 운동 시뮬레이터(100)가 구동되는 동안, 레이저 전송 시스템은 플라스틱 상에 표준 구형 치료를 지시하였다. 일단은 초기에 추적을 추가하지 않은 상태에서 실험 절제 동안 STAR S2™을 사용하였다. 안구 운동으로 시뮬레이팅된 절제의 완료 후에, 새로운 실험 절제 플라스틱을 안구 운동 시뮬레이터(100)상에 장착하였으며, 이 제2 실험 재료는 안구 운동 시뮬레이터를 고정 위치에 유지하면서 절제하 였다.

제3 플라스틱 절제 실험 시료를 안구 운동 시뮬레이터(100)상에 장착하였으며, 안구 운동 시뮬레이터(100)가 기록된 임상 안구 운동 실험에 따라 실험 절제를 이동시키는 동안 이 제3 실험 플라스틱을 절제하였다. 이 제3 절제 실험의 경우, 안구 운동에 의해 야기된 에러에 대해 레이저 전송 패턴을 보정하도록 2개 카메라 추적 장치가 레이저 전송 시스템에 정보를 제공하였다. 추적이 보조된 절제 형상과 보조되지 않은 절제 형상의 분석은 절제된 플라스틱을 주사하고 운동 중 절제와 소기의 이론적 절제 형상 사이의 차이를 측정하여 수행하였다. 일반적인 절제 형상의 결과는 도 13a와 도 13b에 도시되어 있다.

도 13a의 그래프는 일반적인 절제의 경우 수직축과 수평축을 따른 절제 형상을 도시하고 있다. 어두운 선은 이론적 절제 형상을 도시하고 있다. 이론적 절제 형상으로부터 가장 멀리 있는 밝은 선(114)은 운동 추적없이 수행된 실험 절제의 형상을 도시하고 있다. 도 13b에서 알 수 있는 바와 같이, 추적이 없어도 이론적 절제 형상과 실제 절제 형상간에 차이는 매우 작다.

이론적 절제 형상에 가장 가까운 도 13a의 밝은 선(112)은 안구 시뮬레이터의 추적 운동이 2개 카메라 추적 시스템을 이용하면서 수행되는 플라스틱 절제의 측정된 형상이다. -2.5 mm 내지 2.5 mm의 범위(5 mm 직경)에 걸쳐 도 13b에 도시된 차이 플롯의 표준 편차를 구하면 추적(112)에 0.53 ㎛의 표준 편차값을 제공하고, 추적이 없는 경우(114)에 0.92 ㎛의 표준 편차값을 제공한다.

표 2는 추적 장치가 온된 경우와 추적 장치가 오프된 경우에 측정된 형상과 이론적 형상 사이에 표준 편차에 대해 95% 신뢰 실험을 제공한다. 임상 절제 형상을 위한 평균 구형 동등물이 -4.8D일 때, 대응하는 절제 깊이는 약 38.4 ㎛이었다. 그러므로, 추적 장치가 오프된 시스템의 에러는 1.2 ㎛ 또는 3.1%이었던 반면에, 추적 장치가 온된 시스템의 에러는 0.6 ㎛ 또는 1.5%이었다. 따라서, 추적 시스템이 효율적이라는 것이 명백하다.

	μ: 추적 장치 오프	μ: 추적 장치 온
95% CI 에러	1.2 ㎛	0.60 ㎛
백분율 에러	3.1%	1.5%

예를 통해 이해를 명확하게 하기 위해 모범적인 실시예를 상당히 상세하게 설명하였지만, 다양한 개조, 변화 및 변경이 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (16)

1. 환자의 시력에 원하는 변화를 달성하도록 안구의 각막 조직을 절삭하는 각막 조직 절삭 장치로서,

   에너지 스트림을 각막 조직을 향해 선택적으로 지향시키는 에너지 전송 시스템과,

   안구를 향해 배향된 제1 및 제2 영상 포착 장치와,

   에너지 전송 시스템이 제1 영상 포착 장치에 의해 감지된 안구의 운동에 응답하여 에너지 스트림을 제1축을 따라 측방향으로 편향시키고 제2 영상 포착 장치에 의해 감지된 안구의 운동에 응답하여 에너지 스트림을 제2축을 따라 측방향으로 편향시키도록 제1 및 제2 영상 포착 장치를 에너지 전송 시스템에 연결시키는 프로세서

   를 구비하는 각막 조직 절삭 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 에너지 스트림은 치료축을 규정하며, 안구는 제1 및 제2 영상 포착 장치의 제1 및 제2 시야 내에 각각 배치되고, 시야는 치료축으로부터 소정 각도로 편향되는 것인 각막 조직 절삭 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 시야는 치료축에 대해 제1 시야로부터 원주 방향으로 편향되는 것인 각막 조직 절삭 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2 시야는 치료축에 대해 제1 시야로부터 약 90도 만큼 원주 방향으로 편향되는 것인 각막 조직 절삭 장치.
5. 제3항에 있어서, 안구는 안구의 광축을 따르는 Z축, 제1축을 따르는 X-Z 평면 및 제2축을 따르는 Y-Z 평면이 있는 X-Y-Z 좌표 시스템을 규정하고, 제1 영상 포착 장치는 Y-Z 평면을 따르고 X-Z 평면을 벗어나도록 배치되며, 제2 영상 포착 장치는 X-Y 평면을 따르고 Y-Z 평면을 벗어나도록 배치되는 것인 각막 조직 절삭 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 프로세서는 제1 및 제2 영상 포착 장치에 의해 감지된 제1 및 제2 시야 내의 안구의 특징점의 측방향 위치에 응답하여 에너지 전송 시스템과 안구의 특징점 사이의 거리를 지시하는 신호를 발생시키는 것인 각막 조직 절삭 장치.
7. 제1항에 있어서, 에너지 스트림을 발생시키는 레이저를 더 구비하며, 상기 에너지 스트림은 각막 조직을 절제하도록 된 레이저 빔을 포함하는 것인 각막 조직 절삭 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 에너지 전송 시스템은 레이저 빔의 광로를 따라 하나 이상의 편향된 촬상 렌즈를 구비하며, 상기 촬상 렌즈는 제1 및 제2 영상 포착 장치로부터의 신호에 응답하여 레이저 빔에 대해 측방향으로 이동하는 것인 각막 조직 절삭 장치.
9. 제1항에 있어서, 안구를 향해 배향된 적외선 광원을 더 구비하며, 각 영상 포착 장치는 안구의 홍채와 공막에 의해 반사된 적외선에 민감한 CCD를 구비하고, 프로세서는 제1 및 제2 영상 포착 장치와 각각 관련된 제1 및 제2 추적 장치 모듈을 구비하며, 상기 제1 및 제2 추적 장치 모듈은 반사된 적외선으로부터 안구의 동공 중심 위치를 결정하는 것인 각막 조직 절삭 장치.
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