KR101312704B1 - 재료 가공, 특히 굴절교정 눈 수술 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료 가공, 특히 굴절교정 눈 수술용 장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로, 상기 장치는 펄스 펨토초 레이저로 작동되며, 규칙적이며 바람직하지 않은 회절을 야기하는 그리드 구조를 방지하기 위해, 이웃하는 초점들 사이의 거리가 실질적으로 변화하도록 초점들의 위치가 설정된다.

굴절교정 눈 수술용 장치, 펄스 렘토초 레이저

Description

재료 가공, 특히 굴절교정 눈 수술 장치 {DEVICE FOR MATERIAL PROCESSING, PARTICULARLY REFRACTIVE EYE SURGERY}

본 발명은, 펄스 레이저 빔원과, 그 레이저 빔원에서 방사된 레이저 빔을 피가공 재료, 특히 눈 위로 집속 및 안내하는 수단과, 레이저 빔의 초점들을 제어된 경로 상에서 안내하기 위해 상기 가이드 수단을 제어하는 컴퓨터-보조 제어기를 구비하는 재료 가공 장치, 특히 굴절교정 눈 수술용 장치에 관한 것이다.

본 발명은 굴절교정 눈 수술, 특히 라식(LASIK)과 관련하여 기재된다.

라식은 현재 널리 확립되어 있는 굴절교정 수술의 한 방식이다. 굴절교정 수술에 의해, 눈의 굴절 특성이 레이저 광선에 의해 교정된다.

라식에 있어 중요도가 증가하는 기구는 펨토초 레이저(femtosecond laser)인데, 일례로 펄스 길이가 극초단으로 최대 몇백 펨토초의 영역에 있는 펄스 레이저이다. 이들의 펄스 길이가 짧기 때문에, 레이저 광선을 매우 좁은 체적 내로 집속함으로써, 전자기 광선의 극히 높은 파워 밀도를 생성하여 극히 높은 필드 세기를 생성할 수가 있다. 현재 라식에서 펨토초 레이저는 주로 플랩 절편(flap cut), 즉 각막을 절단하여 일반적으로 가장자리의 작은 부분이 각막에 연결되어 있는 플랩을 생성하는 기구로서 사용된다. 이에 의해, 기저의 스트로마를 노출하기 위해 플랩이 접혀질 수 있으며, 그런 다음 사전에 계산된 삭마 프로파일에 따라 (다른) 레이저 빔으로 각막을 제거한다. 각막의 이러한 재성형 후에, 플랩이 다시 제자리로 접혀지고 일반적으로 각막과 함께 매우 신속하게 치료된다. 펨토초 레이저가 점점 마이크로케라톰(microkeratome)을 대체하고 있다. 마이크로케라톰은 진동 칼날을 구비하는 기계 장치로, 마이크로케라톰으로 플랩을 형성하기 위한 전술한 절삭을 할 수가 있다.

전 세계에서 펨토초 레이저를 구비하는 이러한 유형의 수술이 현재까지 1백만 회를 상회하는 정도로 이루어지는 것으로 예측된다.

각막의 전술한 절삭을 위해 펨토초 레이저를 사용하는 것은 fs-라식으로도 호칭된다. 기계적인 마이크로케라톰을 사용할 때와 비교하여, fs-라식은 예를 들어 합병증의 위험도가 낮고, 플랩을 소망하는 절삭 두께로 절삭하는 절삭 정밀도가 높으며, 가장자리 형상이 낫다는 이점이 있다.

그러나 fs 레이저를 사용하여 마이크로케라톰의 정밀한 칼날의 사용하였을 때만큼의 품질의 절편 베드를 형성하고 또한 절삭 후에 합병증을 일으키지 않으면서 플랩을 분리하기 위해, fs-라식의 파라미터들, 특히 절삭 파라미터들(아래 참조)은 매우 정교하게 최적화되어야 한다.

이러한 fs-라식의 필수 미세 최적화의 이유는 절편을 생성하는 물리적 현상에 있다. 기본적으로, fs-라식 절삭은 타이트하게 배치되어 있는, 일례로 직경이 5 ㎛ 정도인 소형의 현미 해부열(sequence of microdissection)에 의해 이루어진다. 레이저 광선의 극히 높은 국소 파워 밀도(즉, 높은 필드 세기)에 의해 조 직(tissue)이 분열되고, 각막 조직과 그 안에 있는 미세피브릴에의 국부적 침투가 이루어진다. 이와 함께, 근접하여 있는 집속된 이웃 펄스들 세트가 조직 내에 광범위하게 침투한다. 현재 시판되는 레이저들을 사용할 때에, 필수 필드 세기는 일반적으로 초점부에서만 달성된다. 결국 이는 조직 침투가 조직 표면 아래의 깊이, 초점 위치에서 정밀하게 유발될 수 있다는 이점이 있다.

매우 민감하게 최적화되어야 하는 전술한 방법 파라미터들은 특히 레이저 펄스 에너지, 초점 직경, 초점 간격 및 각 집속된 펄스들의 시간 및 공간상에서의 제어이다.

경로 상에서 안내되는 초점들을 근접하게 배치하고 시간상으로 연속하게 함으로써, 타이트하게 이웃하는 현미 해부열을 사용하여 fs-라식 절삭을 수행하는 다양한 방법이 선행 기술로 공지되어 있다. 플랩을 생성하기 위해 절삭 전체를 수행하는 데에 소요되는 시간도 하나의 기준이 된다.

일례로, 상기 선행 기술은 펄스들의 각 광선 퍼즐의 초점들을 나선형 경로를 따라 안내하는 것을 포함하는데, 특히 시간적으로 연속하는 초점들을 라인 방식(linewise)으로 안내하는데, 예를 들어 통상적인 음극선 튜브에서의 전자 빔의 제어와 유사하다.

전술한 목적을 달성하기 위해 레이저 광선을 성형(shaping)하고 공간상에서 안내하는 수단은 이미 선행 기술로 공지되어 있다. 활용가능한 스캐닝 기법들(미러 및 이들의 제어)이 채용될 수 있기 때문에, 초점들의 전술한 라인 방식의 래스터가 널리 사용되고 있다. 연속적인 레이저 광선 펄스들의 초점들을 라인 방식으로 안내 하여 우수한 fs-라식 절편을 생성하기 위해, 일례로 아래의 방법 파라미터들이 적당할 수 있다.

- 레이저 펄스 에너지: 1 μJ

- 초점 직경: < 5 ㎛

- 열 내의 초점 간격: ~ 8 ㎛

- 열 간격: ~ 12 ㎛

- 플랩 직경: 9 ㎜

- 레이저 펄스 반복 주파수: 60 ㎑

이들 파라미터들을 사용하면, 일례로 30 초 미만에 플랩 절편을 얻을 수가 있다.

그러나 fs-라식 절삭과 관련하여, 치료받은 환자들을 괴롭히는 다음과 같은 현상이 최근에 일어나고 있다. fs-라식 수술 후에, 환자들이 물체의 예리한 가장자리에서 일종의 무지개와 같이 색채가 분해된 가장자리 구조를 종종 본다. 이를 무지개 효과(rainbow effect)라고 부른다.
국제 특허 공개 공보 WO03/011175호는 삭막의 국소 주파수를 낮게 유지하고 PRK를 구비하는 삭마 영역의 상호 열에 의한 교란을 방지하여, 표면 거칠기가 작은 표면을 얻기 위한, 삭마를 위한 레이저 펄스의 불규칙 열(sequence)에 대해 논의하고 있다.
미국 특허 US2006/0095023호는 집속된 레이저 펄스로 재료, 일례로 각막을 처리할 때에 얻어지는 효과가 시간에 따라 어떠한 거동을 한다는 이해에 기초하고 있다. 단일 레이저 펄스의 효과는 팽창 및 붕괴된 공동(cavity)을 생성한다는 것이다. 열 형태의 펄스들을 따르는 펄스가 선행 펄스의 영향 영역 내에 직접 위치하는 것을 방지하기 위해, 시퀀셜 펄스의 간격은 이전에 생성된 공동 바깥쪽에 위치하도록 충분히 커야 한다.

본 발명의 목적은 그러한 무지개 효과를 방지하는 것이다.

굴절교정 눈 수술에 사용하기 위해, 본 발명은 펄스 레이저 빔원과, 상기 레이저 빔원에서 방사된 레이저 빔을 눈 위로 집속 및 안내하는 수단과, 안내되는 레이저 빔의 초점들이 사전에 결정된 경로를 따라 눈 위로 또는 눈 내로 안내되도록, 상기 안내 수단을 제어하는 컴퓨터-보조 제어기를 구비하고, 이웃하는 초점들의 간격이 적어도 대부분에서 변동하는 굴절교정 눈 수술 장치에 의해 달성된다.

본 발명의 용도는 굴절교정 수술에 한정되지 않으며, 그보다는 일례로 광학 부품 가공 분야와 같이 무지개 효과가 일어날 수 있는 재료의 가공에 일반적으로 사용된다.

이를 위해, 본 발명은 일반적으로 펄스 레이저 빔원과, 상기 레이저 빔원에서 방사된 레이저 빔을 피가공 재료 위로 안내 및 집속하는 수단과, 레이저 빔의 초점들이 사전에 결정된 경로를 따라 재료 위로 또는 재료 안으로 안내되도록, 상기 안내 수단을 제어하는 컴퓨터-보조 제어기를 구비하고, 상기 재료 위 또는 재료 내의 이웃하는 초점들의 간격이 적어도 대부분에서 변동하는 재료-가공 장치를 제어하는 컴퓨터 프로그램을 교시한다.

본 발명은, 가공된 재료 예를 들어 특히 각막 내에 생성되는 구조가, 통과하는 백색광을 회절에 의해 스펙트럼 성분으로 분해하는 격자(grating)와 같은 물리적인 작용을 하기 때문에, 광선 초점들의 공간 위치를 종래 방식으로 제어할 때에는 상기 무지개 효과가 발생한다는 가정에 기초한다. 다시 말하면, 종래 기술에서, 개별 광선 초점을 위해 선택된 공간 위치는 특히 2차원 격자를 형성할 수 있는, 격자 간격이 등거리인 규칙적인 구조를 생성하며, 이는 예를 들어 눈의 망막 상에 회절 이미지를 형성하여, 예리한 가장자리를 관측할 때에 백색광의 개별 색상들이 더 이상 서로에 대해 정밀하게 놓여지지 않게 된다.

이러한 효과가 굴절교정 수술에서는 지극히 바람직하지 않다는 점은 이해가 될 것이다.

본 발명에 따르면, 가공된 재료 특히 각막 내에 상기의 규칙적인 구조가 더 이상 생성하지 않도록, 이웃하는 초점들의 간격이 선택된다. 다시 말하면, 본 발명에 따르면, 바람직하지 않은 회절 현상을 야기하는 규칙적인 구조가 더 이상 발생하지 않도록, 레이저 광선이 작용하는 개별 위치들이 설정된다.

종래의 fs-라식의 경우, 레이저 광선의 각 초점들이 본질적으로 등거리로 위치하기 때문에, 바람직하지 않은 회절 효과를 야기하는 규칙적인 구조가 생성된다. 이에 따라, 플랩을 제자리에 덮고 치료가 완료된 후에도, 굴절률이 국부적으로 변동된 규칙적인 격자 구조가 남아 있게 된다.

본 발명의 바람직한 장치에 따르면, 이웃하는 초점들의 간격이 추계학적(stochastically)으로 변동한다. 공간상에서 연속하는 초점들의 각 위치를 계산하기 위해, 일례로 계산식에서 상수로 되는 기본 간격이 특정되고, 그런 다음 사전에 미리 결정된 미소 한도 내에서 펄스들의 간격이 변동하게 된다. 초점들의 간격이 일정하지 않음에도 깨끗한 절편을 생성할 수 있도록, 사전에 미리 결정된 편차 한계(일례로 등거리 초점 열로부터 일탈되는 한계)가 선택된다. 예를 들면, 상기 편차 한계는 계산된 기본 격자의 상수의 5 내지 20%로 설정될 수 있다. 계산된 기본 격자의 격자 상수는, 생성되는 초점 위치들의 간격이 최대로 가능한 간격인 경우에도, 미소 절개(microdissection)를 방해하지 않을 정도로 충분히 작다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 대표적인 실시 형태를 상세하게 기재한다.

도 1은 굴절교정 눈 수술용 장치를 개략적으로 나타낸다.

도 2는 경로의 대표적인 실시 형태를 나타내는데, 그 경로에 따라 각막 내의 fs 레이저 펄스의 초점들이 각막 내에서 시간 순서대로 제어된다.

도 3은 각 초점 위치들 사이의 일정 등거리가 깨진, 도 2의 상세도이다.

도 1은 펄스 길이가 펨토초 영역에 속하는 레이저 펄스를 발생하는 레이저 빔원(10)을 구비하는, 굴절교정 수술용으로 이미 공지되어 있는 장치를 개략적으로 나타낸다. 방사된 펄스들은 도면부호 12로 지시된다. 레이저 펄스들은 성형(shaping), 특히 집속(focusing)을 위한 수단(14)을 지향하고, 레이저 빔 펄스들(12')이 눈(16) 방향으로 안내된다. 방사된 펄스들을 성형, 집속 및 안내 수단은 그 자체가 이미 공지되어 있는 것과 유사하다. 컴퓨터-보조 제어기(18)는 레이저 빔원과, 성형 및 안내 수단(14)을 제어한다. 예를 들면, 레이저 빔 펄스들(12')이 화살표(20)에 따라 굴절교정 처치될 눈 위로 안내된다. 방사된 펄스들은 이산형 펄스이기 때문에, 이와 같은 눈 위로의 안내를 "래스터"(rastering)라고도 부른다.

도 2는 fs-라식 절편용 초점들(F)의 래스터를 개략적으로 나타낸다. 절편의 에지는 R로 표시한다. 일례로 상기 절편의 직경은 9 ㎜일 수 있다. 개별 초점들(F)이 도 2의 상반부에만 표시되어 있으며, 초점들의 하반부도 동일한 방식으로 연속되어 있는 것으로 보아야 한다.

연대방식의 시퀀셜 레이저 펄스들(12')의 초점들(F)이 열(Z)로 안내되며, 열들 사이의 점프가 화살표로 표시되어 있다. 이에 따라 펄스들의 시간 순서는 열 내 에서 우측에서 좌측으로 또는 좌측에서 우측으로 선형적으로 계속된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 이는 열(Z) 내의 이웃 초점들(F)의 간격이 동일한 간격(Δx₀)인, 규칙적인 격자 구조가 되게 한다. 열들 사이의 간격(Δy₀)도 역시 일정하다. 전술한 바와 같이, 이러한 규칙적인 격자 구조는 방지되어야 한다.

이를 위해, 도 3에 나타낸 대표적인 실시 형태에서, 이웃 초점 위치들 사이의 간격(Δx)이 열(Z) 내에서 변한다. 일례로 이웃하는 2개의 초점들(F)의 도시된 간격(Δx_i)이 후속하는 2개의 초점들 간의 간격(Δx_{i +1})보다 크다.

간격들의 이러한 변동은, 각 열들 상에서 적어도 대부분의 초점 간격들에 대해 불규칙하게 이루어진다. "적어도 대부분"이란 조건은 충분히 규칙적인 격자 구조가 전체적으로 형성되지 않도록 선택되어야 하며, 이는 전술한 의미에서 교란 회절 효과를 생성할 수가 있다. 이러한 지침에 따르면, 약간의 등거리 초점 위치들이 문제를 야기하지는 않는다.

열 내에서 초점 간격(Δx)의 변동을 이루는 한 가지 방식으로, 아래의 추계학적 방식이 있다.

Δx_i = Δx₀ + a(i·Δx₀) (i-1)번째 초점과 i번째 초점 사이

Δx_{i +1} = Δx₀ + a[(i+1)·Δx₀] i번째 초점과 (i+1)번째 초점 사이

일례로, Δx₀ = 일정 = 5 ㎛

a = 0.10 변조 속도 %

I; (I+1) 0과 1 사이의 생성된 난수

Δx₀는 열(Z) 내에서 이웃하는 초점들의 간격을 순전히 계산에 의해 지정한 기본 간격이다. 이 간격은 상기 공식에 따른 한계(limit) 내에서, 일례로 난수 열(random sequence)에 따라 추계학적으로 변할 수 있다. 예를 들면, 초점 직경이 3 ㎛일 때에, 계산된 기본 간격(Δx₀)은 5 ㎛이다. 상기 인자는 이웃 초점들의 간격의 허용 가능한 변동의 한계를 나타낸다. 만약 a가 0.10이면, 초점 간격들의 허용 한계는 10%이다. 따라서 상기 인자는 초점 간격들의 변조 한계를 결정하게 된다. 수치들(i, (i+1))은 난수 발생기에서 생성된 [0 ... 1] 사이의 숫자 간격으로, 개별 경우에서 있어 이웃 초점들의 간격을 추계학적으로 결정한다. 파라미터들(Δx₀, a, i)들은, 초점 간격의 변동에도 불구하고 코히어런트(coherent)가 높은, "연속적인" 절편 베드를 생성하기 위해 초점들 서로가 충분하게 인접하게 놓이도록 선택된다.

중요한 것은, 활용에 장애가 되는, 초점 간격의 변동이 규칙적인 격자 구조에 의한 회절 이미지가 더 이상 생성되지 않는다는 것이다.

이와 유사한 방식으로, 상기 열 내의 간격의 변동에 추가하거나 또는 그 자체만으로, 칼럼(S) 내의 초점 간격도 변동할 수 있다. 이와 유사하게, y 방향의 초점 간격의 규칙성이 다음과 같이 깨질 수 있다.

Δy_i = Δy₀ + b(i·Δy₀) (i-1)번째 열과 i번째 열 사이의 라인 간격

Δy_{i +1} = Δy₀ + b[(i+1)·Δy₀)] i번째와 (i+1)번째 열 사이의 라인 간격

일례로, b = 0.15 변조 폭

Δy₀=10 ㎛ 열 간격

각 파라미터들은 열(Z) 내의 간격 변동과 관련하여 기재한 전술한 사항들과 유사한 의미를 갖고 있다. 0.15인 인자(b)는 y 방향의 간격 변동의 한계를 지정하는데, 여기서는 15%이며, Δy₀는 칼럼(S) 내 초점들의 간격의 계산된 기본 간격을 나타낸다. 각 파라미터들은, 소정의 초점 직경과 fs 레이저를 위해 설정된 펄스 에너지를 사용하는 모든 경우에 일관성(coherent)이 높은 절삭면이 얻어질 수 있도록 선택되고 최적화되어야 한다.

전체적으로, 이렇게 함으로써 밀도 변동이 있는 절삭 베드에 잔류 표면 거칠기가 남게 되어, 바람직하지 않은 회절 효과들이 방지되도록 불규칙도가 충분해진다.

컴퓨터에 의한 가공의 제어 및 관리가 바람직하기는 하지만, 이론적으로, 변동하는 초점 간격들의 전술한 효과들은 기계적으로 불안정한 빔 안내장치에 의해 적어도 부분적으로는 인지될 수 있다. 여기서 초점 간격들의 변동은 난수 발생기나 이와 유사한 것에 의해 계량적으로 얻을 수가 있다.

Claims (5)

1. 굴절교정 눈 수술을 위한 라식 수술에서 플랩을 절삭하는 장치로서,

   - 펄스 레이저 빔원(10)과,

   - 상기 레이저 빔원에서 방사된 레이저 빔(12)을 눈(16) 위로 집속 및 안내하는 수단(14)과,

   - 안내되는 레이저 빔(12')의 초점들(F)이 사전에 결정된 경로(S, Z)로 눈 위로 또는 눈 내로 안내되도록, 상기 안내 수단(14)을 제어하는 컴퓨터-보조 제어기(18)를 구비하고,

   - 이웃하는 초점들(F)의 간격들(Δx_i)의 적어도 대부분이 변동하며,

   - 경로가 라인 방식(linewise)이며, 열(Z) 내의 이웃하는 초점들(F)의 간격들(Δx_i)이 추계학적으로 변동하거나, 또는

   - 경로가 칼럼식(columnar)이며, 칼럼(F) 내의 이웃하는 초점들(F)의 간격들(Δy)이 추계학적으로 변동하는, 굴절교정 눈 수술을 위한 라식 수술에서 플랩을 절삭하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔원(10)이 펨토초 레이저인, 굴절교정 눈 수술을 위한 라식 수술에서 플랩을 절삭하는 장치.
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