KR101963749B1 - 눈-수술용 레이저 장치 및 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법 - Google Patents

눈-수술용 레이저 장치 및 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 눈-수술용 레이저 장치, 상기 장치의 사용법, 및 눈 수술 전에 또는 수술하는 동안 눈의 각막 조직을 스캔하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 장치는 눈의 각막 조직 내에 있는 초점에 레이저 빔을 집속하도록 구성된 광학부와, 초점에서 주파수 다중으로서 형성되며 후방산란된 또는 전방 방출된 빛을 검출하도록 구성된 검출 요소를 포함한다. 그때 내부 각막 조직에 대한 영상 정보가 검출된 빛으로부터 생성된다.

Description

눈-수술용 레이저 장치 및 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법 {EYE-SURGICAL LASER APPARATUS AND METHOD OF SCANNING A CORNEAL TISSUE OF AN EYE}
라식(LASIK) 수술과 같은 눈 수술에서, 이 수술에 사용하기 위해 정보를 수집할 수 있다. 예를 들어, 수술 전의 각막 조직의 형상 또는 두께, 또는 수술 도중에 만들어진 절삭 깊이가 측정될 수 있다. 다른 실례로서, 이전 수술로 인한 각막 조직 내의 어떠한 흉터 영상을 얻을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 사람 각막은 5개의 층을 가진다. 외부층은 상피(epithelium)(64)로서, 통상적으로 세포들의 대략 6층으로 구성된, 가장 빨리 성장하며 용이하게 재생된 세포들의 얇은 조직층이다. 다음에 보우만 층(Bowman's layer)(62)이며, 이는 기질(stroma)을 보호하는 8㎛ 내지 14㎛ 두께의 콜라겐 응집층이다. 기질(60)은 두꺼운 투명한 중간층이며, 이는 규칙적으로 배열된 콜라겐 섬유(또한 "원섬유(fibrils)"라고도 함)와, 일반적인 수선 및 정비를 책임지는 세포인, 드문드문 분포되어 상호연결된 각막실질세포(keratocyte)를 포함한다. 데스메막(Descemet's membrane)(66)은 대략 5㎛ 내지 20㎛ 두께의 무세포(acellular) 층이다. 끝으로, 내피(endothelium)(68)는 대략 5㎛ 두께를 갖는 미토콘드리아-농후(mitochondria-rich) 세포의 층이다.
기질(60)은 각막 두께의 최대 90%를 차지하는, 각막 중 가장 두꺼운 층이다. 기질은 서로 중첩되어 "박막층(lamellae)"이라고 부르는 콜라겐 원섬유의 대략 200개의 판(plate)으로 구성되어 있다. 각각의 박막층은 대략 1.5㎛ 내지 2.5㎛ 두께이다. 각 박막층의 섬유는 서로 평행하지만 일반적으로 인접한 박막층의 섬유에 대해 직각으로 놓여 있다. 섬유들은 빈번하게 인접한 층들 사이에서 섞여 있다. 수술 중에 기질의 리모델링(remodelling) 또는 재형성이 환자 시력을 교정할 수 있는 각막의 광-집속 능력을 변경시킨다.
각막을 재형성하기 위한 일반적인 형식의 수술은 레이저를 이용하여 실시되는, 라식(레이저-이용 현장 굴절 교정 각막형성술) 수술이다. 라식 수술은 통상적으로 3단계로 실시된다. 제1 단계는 각막 조직의 플랩(flap)을 만든다. 제2 단계는 레이저를 이용하여 플랩 아래의 각막을 리모델링한다. 제3 단계에서, 플랩이 재배치된다.
라식 수술을 실시하기 전에, 각막의 두께는 통상 적어도 하나의 각막 파치메트리(pachymetry) 기술을 이용하여 측정된다. 수술 도중에, 각막 조직의 절삭뿐만 아니라 기질층의 재형성이 모니터링(monitoring)될 수 있다. 통상적으로 플랩이 절삭되고 각막이 재형성되는 동안에 데스메막 및 내부가 손상되지 않고 유지되는 것이 바람직하다. 그러나 공지된 진단 시스템은 제한된 정확도 및 영상 해상도를 가지며 라식 수술에 사용된 치료 시스템과 통합하기가 어렵다.
각막 조직의 수술전(pre-operative) 및 수술중(intra-operative) 진단을 위한 공지된 진단 장치는 샤임플러그(Scheimpflug) 카메라와 광간섭 단층 촬영장치(OCT) 스캐너를 포함한다. 각막 파치메트리에 사용되는 샤임플러그 카메라는 대략 10㎛로 제한된 영상 해상도를 가진다. 샤임플러그 카메라는 각막의 외부면의 위치를 검출하는데 사용될 수 있지만, 각막의 내부 구조에 대한 정보를 제공하지는 않는다.
광간섭 단층 촬영장치는 생물학적 조직과 같은 광 산란 매체 내에서부터 3차원 영상을 포착하기 위해 사용되는 간섭측정 기술이다. 각막 파치메트리에서 응용하기 위해, OCT 스캐너는 대략 5㎛ 내지 10㎛의 해상도를 가지며, 이는 공지된 기술을 이용하여 대략 1㎛ 내지 2㎛로 증가될 수 있다. 검출에 사용된 파장은 통상적으로 800nm 내지 1300nm의 범위에 있다.
OCT 스캐너는 인접한 조직들의 굴절률들의 중대한 차이를 검출함으로써 신호를 발생한다. 인접한 조직들의 다른 굴절률들은 반사된 또는 후방산란된 빛에서 위상 변이를 일으키는 원인이 된다. 그러나 굴절률의 큰 차이에 의해 구별되지 않는, 서브마이크로미터 크기의 조직 구조 및 조직 경계는 검출될 수 없다. 예를 들어, 기질의 콜라겐 원섬유의 위치 및 구조와 사람 각막의 층구조는 OCT 스캐닝을 이용하여 검출될 수 없다.
샤임플러그 카메라 및 OCT 스캐너는 외과수술 내시경에 의해 사용되는 파장 범위, 예로서 420nm 내지 700nm의 가시 범위에서 중첩하는 파장을 사용한다. 따라서 수술중에 이러한 검출 장치를 이용하면 감소된 측정 정확도 및/또는 타협된(comprimised) 영상 품질을 초래하는 시스템들 사이의 간섭을 극복할 수 있다.
치료 장치에 추가하여, 펨토초-펄스 레이저와 같은 별도의 진단 장치를 제공하면 수술을 실시하는데 필요한 장비의 전체 비용을 증가시킨다.
따라서 본 발명의 실시예의 목적은 외과수술 도중에 측정 정확도 및/또는 사용법을 강화함으로써 종래의 장치, 사용법 및 방법을 개선하는, 눈-수술용 레이저 장치, 눈-수술용 레이저 장치의 사용법, 및 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따라서, 청구항 1에 따른 눈-수술용 레이저 장치가 제공되어 있다. 이 장치는 눈의 각막 조직 내에 있는 초점에 파장 및 펄스 길이를 갖는 레이저 빔을 집속하도록 구성되어 있는 광학부(optics)를 포함한다. 추가로, 이 장치는 내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하기 위해 초점에서 주파수 다중(frequency multiple)으로서 형성되며 후방산란되는 빛을 영상-생성 신호로서 검출하도록 구성된 검출 요소를 포함한다.
주파수 다중에서 후방산란된 빛의 검출은 주파수 다중에서의 빛이 더 짧은 파장을 가지며 결과적으로 개선된 영상 해상도를 제공함에 따라 고해상도 영상을 포착하도록 허용한다.
제1 양태의 하나의 실시예에서, 광학부는 이전 초점의 깊이와는 다른 깊이에 위치될 수 있는 추가의 초점에 레이저 빔을 연속적으로 집속하도록 구성될 수 있다. 검출 요소는 내부 각막 조직에 대한 상기 영상 정보를 생성하기 위해 상기 추가의 초점에서 주파수 다중으로서 형성되며 후방산란되는 또는 전방 방출되는 빛을 추가의 영상-생성 신호로서 검출하도록 구성되어 있다. 2개의 다른 초점 깊이로부터 후방산란된 빛을 수집하면 양쪽 깊이로부터 영상 신호를 예를 들어 컴퓨터를 이용하여 조합함으로써 3차원 영상을 형성할 수 있다.
제1 양태의 다른 실시예에서, 광학부는 눈의 각막 조직 내에서 다양한 깊이에 있는 복수의 초점에 레이저 빔을 연속적으로 집속하도록 구성될 수 있다. 검출 요소는 내부 각막 조직에 대한 3차원 영상 정보를 편집하기 위해 상기 초점들 각각에서 주파수 다중으로서 형성되며 후방산란되는 또는 전방 방출되는 빛을 영상-생성 신호로서 검출하도록 구성될 수 있다. 복수의 초점 깊이로부터 후방산란된 빛을 수집하면 복수의 깊이에서 영상 신호를 예를 들어 컴퓨터를 이용하여 조합함으로써 3차원 영상을 형성할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 눈의 내부 각막 조직을 스캔하기 위해 상술한 눈-수술용 레이저 장치의 사용법에 관한 것이다. 이 장치는 수술 현미경과의 간섭을 최소화하면서 각막 조직의 고해상도 영상을 생성하기 위해 사용될 수 있는, 주파수 다중에서 후방산란된 빛의 검출을 허용한다.
제2 양태의 하나의 실시예는 수술전 또는 수술중 진단 목적을 위해 상술한 눈-수술용 레이저 장치의 사용법에 관한 것이다. 이러한 형식의 사용법에 대해서, 레이저 빔의 파장은 레이저 빔의 초점에서의 빔 에너지가 각막 조직의 광파괴에 필요한 에너지보다 작도록 선택되어 있다.
본 발명의 제3 양태는 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법에 관한 것이다. 파장 및 펄스 길이를 갖는 레이저 빔이 눈의 각막 조직 내에 있는 초점에 집속된다. 초점에서 주파수 다중으로서 형성되며 후방산란되는 빛은 내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하기 위해 영상-생성 신호로서 검출된다.
주파수 다중에서의 후방산란된 빛의 검출은 주파수 다중에서의 빛이 통상적으로 개선된 영상 해상도를 제공하는 더 짧은 파장을 가짐에 따라, 고해상도 영상을 포착할 수 있게 허용한다.
이러한 방법에서, 레이저 빔은 이전 초점의 깊이와 다른 깊이에 위치해 있는 다른 초점에 연속적으로 집속될 수 있다. 다른 초점에서 주파수 다중으로 형성되며 후방산란되는 빛은 그때 다른 영상-생성 신호로서 검출되어서 내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하는데 사용될 수 있다. 2개의 다른 초점 깊이로부터 후방산란된 빛을 수집하면 양쪽 깊이로부터 영상 신호를 예를 들어 컴퓨터를 이용하여 조합함으로써 3차원 영상을 형성할 수 있다.
더 일반적으로, 레이저 빔은 눈의 각막 조직 내에서 다양한 깊이에 위치된 복수의 초점에 연속적으로 집속될 수 있으며, 내부 각막 조직에 대한 3차원 영상 정보를 생성하기 위해 상기 초점들 각각에서 주파수 다중으로서 형성되며 후방산란되는 빛이 영상-생성 신호로서 검출되어 편집될 수 있다. 복수의 초점 깊이로부터 후방산란된 빛을 수집하면 복수의 깊이에서 영상 신호를 예를 들어 컴퓨터를 이용하여 조합함으로써 3차원 영상을 형성할 수 있다.
상기 양태 및 실시예의 어떤 것에서도, 복수의 초점이 눈의 기질에 있을 수 있으며, 따라서 기질 내에서 층들 및/또는 구조들의 고해상도 검출 및 모니터링을 가능하게 한다.
상기 양태 및 실시예의 어떤 것에서도, 레이저 소스(laser source)가 가변 파장을 갖는 레이저 빔을 발생하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 레이저 소스는 가변 펄스 에너지를 갖는 레이저 빔을 발생하도록 구성될 수 있다. 레이저 빔의 펄스 에너지가 그 파장에 의존하기 때문에, 본 출원의 문맥에서는 용어 "가변 파장(variable wavelength)" 및 "가변 펄스 에너지(variable pulse energy)"는 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 가변 파장/가변 펄스 에너지를 제공함으로써 레이저 소스가 진단 목적 및 치료 목적 모두에 사용될 수 있게 된다.
진단 목적을 위해, 레이저 소스는 낮은 에너지에 해당하는 파장 및/또는 펄스 길이로 설정될 수 있으며, 예를 들어 각막에 광파괴를 초래하지 않는 에너지 임계치가 I≤1012 W/cm2인 경우에, 영상 정보가 주파수 다중에서 후방산란된 빛으로부터 수집된다. 예를 들어, 진단 목적을 위해서, 약 920nm의 파장과 150fs 내지 180fs 사이의 펄스 길이가 설정될 수 있으며, 더 일반적으로 기질의 광파괴가 발생하는 에너지 임계치보다 더 작은 에너지를 초래하는 어떠한 파장 및/또는 펄스 길이가 인식될 수 있으며, 예를 들어 에너지 임계치가 I<1012 W/cm2이 될 수 있다.
치료 목적을 위해, 레이저 소스는 각막의 광파괴를 초래하기에 충분히 높은 에너지에 해당하는 파장 및/또는 펄스 길이로 설정될 수 있으며, 예로서 에너지 임계치가 I≥1012 W/cm2 이다. 예를 들어, 치료 목적을 위해서, 약 1030nm의 파장과 대략 300fs 또는 350fs 의 펄스 길이가 설정될 수 있으며, 더 일반적으로 기질의 광파괴가 발생하는 에너지 임계치와 동일하거나 그보다 더 큰 에너지를 초래하는 어떠한 파장 및/또는 펄스 길이가 인식될 수 있으며, 예를 들어 에너지 임계치가 I<1012 W/cm2이 될 수 있다.
상기 양태 및 실시예의 어떤 것에서도, 가변 파장/펄스 에너지는 눈의 각막 조직 내에서 초점의 깊이에 따라 변화될 수 있다. 파장은 700nm 내지 1050nm 사이에서 변화될 수 있으며, 또는 710nm, 820nm, 920nm, 또는 1030nm 과 같은 특별한 파장에서 유지될 수 있다. 700nm보다 더 짧은 파장이 더 높은 고해상도 영상 신호를 생성하며, 한편 1050nm보다 더 긴 파장은 각막 조직 내로 더 깊이 침투할 수 있다. 710nm, 820nm, 920nm, 및 1030nm의 연속적 파장은 고해상도 영상을 유지하면서 각막의 전체 스캔을 실시할 수 있게 허용한다.
상기 양태 및 실시예의 어떤 것에서도, 레이저 빔의 펄스 길이는 10fs 내지 400fs 사이, 예로서 100fs, 350fs의 펨토초 펄스 길이가 될 수 있다. 이러한 펄스 길이는 초기 파장의 주파수 다중을 생성하며 검출 유닛(unit)을 향하여 후방산란되게 하기에 충분한 에너지를 제공하며, 여전히 레이저 펄스의 전체 에너지가 눈의 각막 조직의 광파괴 임계치보다 낮게 유지된다는 것을 보장한다.
상기 양태 및 실시예의 어떤 것에서도, 레이저 빔의 펄스 에너지는 레이저 빔의 초점에서의 빔 에너지가 각막 조직의 광파괴를 위한 임계치보다 낮은 에너지 레벨에 있도록 설정될 수 있으며, 따라서 장치가 수술전 또는 수술중 진단 목적에 사용될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 장치가 외과수술 도중에 진단 목적을 위해 사용되지 않을 때, 레이저 빔의 펄스 에너지는 레이저 빔의 초점에서의 빔 에너지가 각막 조직의 광파괴를 위한 임계치와 동일하거나 초과하는 에너지 레벨에 있도록 설정될 수 있으며, 따라서 장치가 치료 목적에 사용될 수 있다.
상기 양태 및 실시예의 어떤 것에서도, 주파수 다중은 2차-조화 발생(SHG) 또는 3차-조화 발생(THG) 신호가 될 수 있다.
본 발명은 전체적으로 개략적으로 나타나 있는 첨부 도면에 기초하여 더 설명될 것이다.
도 1a는 눈-수술 처리를 위한 레이저 시스템의 요소에 대한 개략적 블록 선도를 도시한다.
도 1b는 도 1a에 도시된 레이저 시스템의 변경에 따른 레이저 시스템의 요소의 개략적 블록 선도를 도시한다.
도 2는 사람 눈의 각막의 개략도를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 눈의 단면 A-A'를 따른 각막 조직의 층을 도시한다.
도 4는 도 1a에 도시된 레이저 장치의 구성부품을 예시하는 블록 선도를 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 눈(16) 안에 있는 초점에 레이저 빔(14)을 집속하기 위한 레이저 장치를 포함하는 레이저 시스템(10)을 도시하고 있다.
레이저 시스템은 레이저 소스(12)를 포함한다. 레이저 소스(12)는 예를 들어, 레이저 발진기(예로서 고상 레이저 발진기); 이 발진기로부터 방출된 레이저 펄스의 펄스 전력을 증가시키며 동시에 일시적으로 스트레치(stretch)하는 전치 증폭기; 반복률을 필요한 정도로 낮추기 위해 발진기의 전치증폭된 레이저 펄스로부터 개별 레이저 펄스를 선택하는 후속 펄스-픽커(pulse-picker); 선택된(여전히 일시적으로 스트레치된) 펄스를 응용에 필요한 펄스 에너지로 증폭하는 전력 증폭기; 및 전력 증폭기로부터 출력된 펄스를 응용에 필요한 펄스 주기로 일시적으로 압축하는 펄스 압축기를 포함할 수 있다.
레이저 소스(12)는 펄스된 레이저 빔(14)을 발생한다. 방사선 펄스의 펄스 주기는 진단 목적을 위해 반사된 또는 후방산란된 광 신호를 발생하거나 또는 치료 목적을 위해 환자의 눈(16)의 각막 조직에서 절개부를 만들도록 선택된다. 레이저 빔(14)의 방사선 펄스는 나노초, 피코초, 펨토초 또는 아토초 범위에 있는 펄스 주기를 갖는다.
레이저 소스(12)에 의해 발생된 레이저 빔(14)은 추가로 특별한 응용에 적합한 펄스 반복률을 가진다. 레이저 장치(10)로부터 방출되어 눈(16)으로 지향된 방사선 펄스의 반복률은 레이저 소스(12)의 출력에서 발생되는 방사선 펄스의 반복률과 일치한다. 대안으로서, 레이저 소스(12)로부터 방출된 방사선 펄스의 일부분은 그들이 눈(16)에 도달하지 않도록 레이저 빔(14)의 방사선 경로에 배열된 광학 스위치(18)에 의하여 차단될 수 있다. 이것은 예로서 눈(16)을 위한 예정된 가공 프로파일(profile)에 의해 요구될 수 있다.
펄스 변조기라고도 부르는 광학 스위치(18)는 예로서 음향광학 변조기 또는 전기광학 변조기가 될 수 있다. 일반적으로, 광학 스위치(18)는 개별 레이저 펄스의 신속한 차단을 가능하게 하는 임의의 광학 능동 요소를 포함할 수 있다. 광학 스위치(18)는, 예를 들면, 차단될 방사선 펄스를 흡수하는 역할을 하는 빔 트랩(beam trap)(개략적으로 20으로 나타냄)을 포함할 수 있다. 광학 스위치(18)는 레이저 빔(14)의 방사선 펄스의 정상 빔 경로에서 차단될 그러한 방사선 펄스를 편향하여 빔 트랩(20)으로 향하게 할 수 있다.
레이저 빔(14)의 빔 경로에 배열되어 있는 추가의 광학 구성부품은 z-제어기(22) 및 x-y 제어기(24)를 포함한다. 한편으로 z-제어기(22)는 레이저 빔(14)의 초점의 길이방향 위치설정을 제어하며; 다른 한편으로 x-y 제어기(24)는 초점의 횡방향 위치설정을 제어한다.
눈(16)의 영역에서 x-y-z 방향을 나타내는 좌표 프레임이 예시를 위해 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다. 이러한 문맥에서, 용어 "길이방향(longitudinal)"은 종래 방식대로 z-방향으로서 지정되어 있는 빔 전파의 방향을 말한다. 유사하게, "횡방향(transverse)"은 종래 방식에서 x-y 평면으로서 지정되어 있는 레이저 빔(14)의 전파 방향에 대해 횡단하는 방향을 말한다.
레이저 빔(14)의 횡방향을 달성하기 위해서, x-y 제어기(24)는 예로서 상호 수직 교차 축에 대해 경사질 수 있는 한 쌍의 검류계 작동식(galvanometrically actuated) 스캐너 미러를 포함할 수 있다. z-제어기(22)는 예로서 길이방향으로 조정가능한 렌즈 또는 가변 굴절력 또는 변형가능한 미러의 렌즈를 포함할 수 있으며, 이에 의하여 레이저 빔(14)의 발산, 결과적으로 빔 초점의 z-위치가 제어될 수 있다. 그러한 조정가능한 렌즈 또는 미러는 레이저 소스(12)로부터 방출된 레이저 빔(14)을 확장하는 빔 확장기에 포함될 수 있다. 빔 확장기는 예로서 갈릴레이식 망원경(Galilean telescope)으로서 구성될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예의 레이저 장치는 레이저 빔(14)의 빔 경로에 배열된 집속 대물렌즈(26)를 포함한다. 집속 대물렌즈(26)는 각막 내에서와 같이 눈(16)에 또는 눈 내부의 필요한 장소에 레이저 빔(14)을 집속하는 작용을 한다. 집속 대물렌즈(26)는 f-세타(f-theta) 집속 대물렌즈가 될 수 있다.
광학 스위치(18), z-제어기(22), x-y 제어기(24), 및 집속 대물렌즈(26)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 순서대로 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 광학 스위치(18)는 일반성을 잃지 않고, z-제어기(22)의 하류에 있는 빔 경로에 배열될 수 있다. 필요하면, x-y 제어기(24) 및 z-제어기(22)는 조합되어 단일 구조 유닛을 형성할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 구성부품의 순서 및 그룹화는 결코 제한하는 것으로서 이해해서는 안 된다.
집속 대물렌즈(26)의 빔-출구 측에서, 압평 요소(30a)는 눈(16)의 각막을 위한 인접 인터페이스(abutment interface)를 구성한다. 압평 요소(30a)는 레이저 방사선에 대해 투명 또는 반투명이다. 눈을 향해 대면하는 하부면에서, 압평 요소(30a)는 눈(16)의 각막을 위한 인접면(32a)을 포함한다. 도시된 실시예의 경우에, 인접면(32a)은 평평한 표면으로서 실현된다. 어떤 실시예에서, 인접면(32a)은 볼록하거나 오목하다. 인접면(32a)은 압평 요소(30a)가 적절한 압력으로 눈(16)에 눌러질 때 또는 각막이 진공에 의해 인접면(32a)에 흡착될 때 각막과 평평하다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 눈(16)은 압평 요소(30a)의 평평한 인접면(32a)에서 지지된다.
평행-평면(plane-parallel) 디자인의 경우에 보통 압평판으로서 지정되는 압평 요소(30a)는 원뿔형으로 넓어지는 캐리어 슬리브(carrier sleeve)(34a)의 좁은 단부에 끼워맞추어진다. 압평 요소(30a)와 캐리어 슬리브(34a) 사이의 연결은 예를 들어 접착제 접합에 의하여 영구성을 갖거나, 또는 예를 들어 나사 결합에 의해 분리될 수 있다. 또한, 캐리어 슬리브(34a) 및 압평 요소(30a)로서 양쪽 모두의 기능을 하는 사출성형된 단일 광학 부품을 사용하는 것도 인식할 수 있다. 상세히 나타내지 않은 방법에서, 캐리어 슬리브(34a)는 도면에서 상부 단부인 넓은 슬리브 단부에서 결합용 구조를 가진다. 결합용 구조는 캐리어 슬리브(34a)를 집속 대물렌즈(26)에 결합하기에 적합하다.
레이저 시스템(10)은 또한 내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하기 위해, 초점에서 주파수 다중으로서 형성되며 검출 요소(50)를 향하여 후방산란되는 빛을 검출하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 검출 요소(50)를 포함한다. 검출 요소(50)는 캐리어 슬리브(34a) 내측 또는 외측에 배치될 수 있다.
도 1b에 도시된 실시예에서, 이색성 스플리터(dichroic splitter)가 될 수 있는 빔 스플리터(51)가 빔 경로에 설치되며, 검출 요소(50)는 빔 스플리터(51)에 의해 편향된 빛의 일부가 검출 요소(50)에서 편향되도록 하는 위치에 배치되어 있다. 다시 말하면, 검출 요소(50)는 주파수 다중으로서 형성되는 후방산란된 빛이 검출 요소(50)를 향해 직접 후방산란되도록 배치될 수 있다(도 1a). 대안으로서, 검출 요소(50)는 후방산란된 빛이 빔 경로에 배열된 빔 스플리터(51)로 후방산란되며 다음에 검출 요소(50)로 편향되도록 배치될 수 있다(도 1b). 검출 요소(50)는 광검출기이며, 예로서 광전 증폭관(PMT), 애벌란시 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)(APD), 고이득(high-gain) 실리콘 광전 증폭관(SPM), 또는 다른 형식의 증폭 광 센서이다.
레이저 소스(12), 광학 스위치(18), 검출 요소(50) 및 2개의 스캐너(22, 24)는 제어 컴퓨터(36)에 의해 제어되며, 제어 컴퓨터는 메모리(38)에 기억된 제어 프로그램(40)에 따라 작동한다. 제어 프로그램(40)은 각막에서, 렌즈에서, 또는 접촉 요소(30a)에 지지되어 있는 눈(16)의 다른 위치에서 레이저 빔(14)의 빔 초점의 위치를 제어하기 위해 제어 컴퓨터(36)에 의해 실행되는 지령(예로서, 프로그램 코드)을 내장한다.
레이저 시스템(30)은 또한 사용자가 제어 컴퓨터(36)에 지령을 입력하도록 허용하기 위해 제어 컴퓨터(36)에 연결된 인터페이스 모듈(interface module)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 인터페이스 모듈은 레이저 시스템의 구성부품에 대한 상태 정보 및/또는 적어도 하나의 검출 요소(50)에 의해 수집된 데이터를 사용자가 볼 수 있게 한다.
도 2 및 도 3은 사람 눈의 각막을 개략적으로 도시하고 있다. 사람 각막의 층을 예시하기 위해서, 눈(16)의 각막 층이 서두에 설명한 바와 같이 도 3에서 확대되어 도시되어 있다.
도 4는 레이저 장치의 구성부품을 개략적으로 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 장치는 눈(16)의 각막 조직 내에 레이저 빔(14)을 집속하도록 구성되어 있는 광학부(42)를 포함한다. 광학부(42)는 적어도 도 1a 및 도 1b의 레이저 시스템(10)의 z-제어기(22) 및 집속 대물렌즈(26)를 포함하지만, 또한 도 1a 및 도 1b에 도시된 레이저 소스(12), 펄스폭 변조기(18), 및/또는 x-y 제어기를 포함할 수 있다.
레이저 장치는 또한 내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하기 위해 초점에서 주파수 다중으로서 형성되며 검출 요소를 향하여 후방산란 또는 전방 방출되는 빛을 검출하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 검출 요소(50)를 포함한다.
레이저 장치가 치료 목적에 사용될 때, 빔(14)은 절개 패턴에서 절삭하기 위해, 깊이(82)에 위치해 있는 초점(80)에서 충분한 빔 에너지를 갖도록 발생된다. 각막의 가공 과정에서, 그러한 절개 패턴은 각막 실질조각 추출(corneal lenticule extraction) 또는 각막 이식술의 일부로서, 주변 각막 조직으로부터 각막 조직 체적을 완전히 절개한다. 필요하면, 이러한 절개 패턴은 절개된 조직 체적을 서로 개별적으로 분리된 복수의 체적 세그먼트(segment)로 추가로 분할할 수 있다.
레이저 장치가 진단 또는 스캐닝 목적에 사용될 때, 레이저 빔(14)의 초점(80)에서의 강한 빛이 콜라겐과 같이, 고도로 양극화된(polarized) 중심대칭이 되지 않은(noncentrosymmetric) 조직에서 입력 주파수의 주파수 다중에서 빛을 생성하도록 초래한다.
고주파수 빛은 2차-조화 발생(SHG) 신호의 형태로서 부분적으로 발생하며, 상기 2차-조화 발생(SHG) 신호는 2개의 근적외선 광자가, 고도로 양극화된 중심대칭이 되지 않은 물질과 상호작용하여 2배의 에너지와 반파장을 갖는 단일 가시 광자를 발생할 때 생성된다.
고주파수 빛은 또한 3차-조화 발생(THG) 신호의 형태로서 생성될 수 있으며, 상기 3차-조화 발생(THG) 신호는 3개의 근적외선 광자가, 고도로 양극화된 중심대칭이 되지 않은 물질과 상호작용하여 3배의 에너지와 1/3 파장을 갖는 단일 가시 광자를 발생할 때 생성된다. SHG 및 THG 신호만이 여기서 상세히 설명되어 있지만, 고차 조화 신호도 역시 가능하다는 것에 주목하기 바란다.
레이저 빔(14) 내의 빛은 초점(80) 내에 위치되어 있는 각막의 콜라겐 구조가 레이저 빔(14)을 형성하는 빛의 주파수의 주파수 다중에서 광자를 방출하도록 초래한다. 하나의 예로서, 레이저 빔(14) 내의 빛이 λ = 1030nm의 파장을 가지면, 그때 SHG 신호가 주파수 λSHG = 515nm에서 생성되고, THG 신호가 λTHG = 343nm에서 생성된다.
레이저 빔(14)에 의해 여기될 때, SHG 및 THG 신호의 형태로 된 고주파수 빛이 각막의 콜라겐 구조로부터 방출된다. 고주파수 빛은 모든 방향으로 산란되며 후방산란된 빔(86)의 형태로 된 신호를 생성한다. 검출 요소(50)는 이러한 신호를 검출하여 그 신호들을 내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 만드는데 사용한다.
레이저 빔(14)의 초점(80)의 지름은 대략 1㎛와 10㎛ 사이에 있을 수 있다. 레이저 빔(14)의 초점(80)의 지름은 시험될 구조물 또는 세포의 크기를 초과하도록 선택되며, 예로서 초점(80)의 지름은 1.5㎛으로 설정될 수 있다.
레이저 시스템(10)의 z-제어기(22)는 눈(16) 내부의 초점(80)의 깊이(82)를 변화시키도록 구성되어 있다. 더구나, 레이저 시스템(10)의 레이저 소스(12)는 레이저 빔(14)에서 빛의 파장을 변화시키도록 구성되어 있다.
진단 사용 중에, 레이저 빔(14)에서의 빛의 파장은 눈(16) 내부에서 초점(80)의 깊이에 따라 700nm 내지 1050nm 사이에서 변화될 수 있다. 더 긴 파장을 갖는 빛은 눈(16)의 물질을 더 용이하게 통과하여 이동하며, 따라서 더 긴 파장이 눈(16)의 외부면에서 더 많이 제거되는 물질을 시험하기 위해 사용될 수 있다.
더 나아가서, 레이저 시스템(10)의 펄스 변조기(18)가 레이저 빔(14)의 펄스 에너지를 변화시키도록 구성되어 있다. 예를 들어, 레이저 빔(14)의 펄스 에너지는 0.5μJ 내지 0.05μJ의 범위에서 변화될 수 있다.
작동시에, 진단 스캔은, 레이저 빔(14)의 초점(80)에서의 빔 에너지가 각막 조직의 광파괴에 필요한 에너지보다 더 작게 되도록 레이저 빔(14)의 펄스 에너지를 변화시킴으로써 실시될 수 있다. 그때 레이저 빔(14)은 눈(16)의 각막 내부에서 초점(80)에 집속되며, 초점(80)에서 주파수 다중으로서 형성되는 후방산란된 빛(86)이 영상-생성 신호로서 검출 요소(50)에 의해 검출되어 내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하게 된다.
3차원 영상 정보를 편집하기 위해서, 레이저 빔(14)은 각막 내에서 가변하는 깊이(82)에 따른 초점(80)들에 연속적으로 집속된다. 진단 스캔을 실시할 때, 레이저 빔은 700nm 내지 1050nm 사이에 있는 파장의 범위에서 작동한다. 연속적인 깊이(82)에서, 레이저 빔(14)을 형성하는 빛의 파장은, 눈(16)의 외부면에서부터 초점(80)의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 대안으로서, 700nm 내지 1050nm 범위의 단일 파장이 눈(16) 내부에서 다수의 깊이(82) 또는 모든 깊이(82)에 대해 사용될 수 있다.
각막 조직의 진단 스캔이 완료된 후, 레이저 빔(14)의 펄스 에너지가 증가되어서, 레이저 빔(14)의 초점(80)에서의 빔 에너지가 각막 조직의 광파괴에 필요한 에너지를 초과하게 된다. 이 시점에서, 수술이 시작되거나 재개될 수 있으며, 레이저 시스템(10)이 각막 조직을 절삭 및/또는 재형성하기 위해 사용된다.
요약하면, 레이저 빔(14)의 펄스 에너지는 레이저 빔(14)의 초점(80)에서의 빔 에너지가 콜라겐의 광파괴 에너지보다 크게 또는 작게 되도록 선택될 수 있다. 그와 같이, 레이저 장치는 외과수술 도중에 각막 조직을 절삭/재형성하기 위해, 또는 각막에 대한 진단 정보를 생성하기 위해 검출 요소(50)에 의해 수집되는 SHG/THG 신호를 발생하기 위해 선택적으로 사용될 수 있다. 이러한 방법으로, 단일 레이저 시스템(10)이 진단 기능 또는 치료 기능을 제공하도록 선택적으로 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 눈-수술용 레이저 장치로서,
    레이저 소스 ― 상기 레이저 소스는:
    가변 파장 또는 가변 펄스 에너지를 갖는 레이저 빔을 발생하고,
    각막 조직에서 광파괴를 초래하지 않는 더 낮은 에너지를 갖는 레이저 빔을 발생하도록 파장, 펄스 길이 또는 둘다를 설정하고, 그리고
    상기 각막 조직에서 광파괴를 초래하는 더 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 발생하도록 파장, 펄스 길이 또는 둘다를 설정하도록 구성됨 ―;
    상기 각막 조직 내에 있는 초점에 상기 더 낮은 에너지를 갖는 레이저 빔을 집속하도록 구성된 광학부; 및
    내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하기 위해, 상기 초점에서 주파수 다중(frequency multiple)으로서 형성되며 후방 산란된 또는 전방 방출된 상기 더 낮은 에너지 레이저 빔에 기인한 빛을 영상-생성 신호로서 검출하도록 구성된 검출 요소를 포함하고,
    상기 가변 파장 또는 가변 펄스 에너지는 눈의 상기 각막 조직 내에서 초점의 깊이에 의존하여 변화하는 것을 특징으로 하는 눈-수술용 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학부는 상기 각막 조직 내에서 다양한 깊이에 있는 복수의 초점들에 상기 더 낮은 에너지를 갖는 레이저 빔을 연속적으로 집속하도록 구성되고,
    상기 검출 요소는 상기 내부 각막 조직에 대한 3차원 영상 정보를 수집하기 위해, 상기 초점들의 각각에서 상기 빛을 영상-생성 신호들로서 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 눈-수술용 레이저 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 초점들은 눈의 기질 내에 있는 것을 특징으로 하는 눈-수술용 레이저 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 하나의 청구항에 있어서,
    상기 파장은 700nm 내지 1050nm 사이에서 변화하는 것을 특징으로 하는 눈-수술용 레이저 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 하나의 청구항에 있어서,
    펨토초(femtosecond) 펄스 길이가 10fs 내지 400fs 사이에 있는 것을 특징으로 하는 눈-수술용 레이저 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 하나의 청구항에 있어서,
    상기 주파수 다중은 2차-조화 발생(SHG) 또는 3차-조화 발생(THG) 신호인 것을 특징으로 하는 눈-수술용 레이저 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법으로서,
    가변 파장 또는 가변 펄스 에너지를 갖는 레이저 빔을 발생하도록, 레이저 소스의 파장, 펄스 길이 또는 둘다를 설정하는 단계 ― 상기 레이저 빔은 각막 조직에서 광파괴를 초래하지 않는 더 낮은 에너지를 가짐 ―;
    상기 레이저 빔을 눈의 각막 조직 내에 있는 초점에 집속하는 단계;
    내부 각막 조직에 대한 영상 정보를 생성하기 위해, 상기 초점에서 주파수 다중으로서 형성되며 후방 산란된 또는 전방 방출된 상기 더 낮은 에너지 레이저 빔에 기인한 빛을 영상-생성 신호로서 검출하는 단계; 및
    상기 각막 조직에서 광파괴를 초래하는 더 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 발생하도록, 상기 레이저 소스의 파장, 펄스 길이 또는 둘다를 설정하는 단계를 포함하고,
    상기 가변 파장 또는 가변 펄스 에너지는 상기 눈의 각막 조직 내에서 초점의 깊이에 의존하여 변화하는 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 레이저 빔은 눈의 각막 조직 내에서 다른 깊이에 위치한 복수의 초점들에 연속적으로 집속되고,
    상기 초점들의 각각에서 주파수 다중으로서 형성되어 후방 산란된 또는 전방 방출된 빛은 영상-생성 신호로서 검출되어 상기 내부 각막 조직에 대한 3차원 영상 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 초점들은 눈의 기질 내에 있는 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
  16. 청구항 13 내지 청구항 15 중 하나의 청구항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 파장은 스캔 과정 중에 변화되는 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 파장은 눈의 각막 조직 내에서 초점의 깊이에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
  18. 청구항 13 내지 청구항 15 중 하나의 청구항에 있어서,
    상기 파장은 700nm 내지 1050nm 사이에서 변화되는 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
  19. 청구항 13 내지 청구항 15 중 하나의 청구항에 있어서,
    펨토초 펄스 길이가 10fs 내지 400fs 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
  20. 청구항 13 내지 청구항 15 중 하나의 청구항에 있어서,
    상기 주파수 다중은 2차-조화 발생(SHG) 또는 3차-조화 발생(THG) 신호인 것을 특징으로 하는, 눈의 각막 조직을 스캔하는 방법.
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