KR20120039538A - 안과 레이저 수술 장치 - Google Patents

Abstract

안과 레이저 수술 장치가 제공되고, 상기 안과 레이저 수술 장치는, 펄스화된 펨토초 레이저 빔을 위한 소스(28)와, 레이저 빔을 확장시키는 텔레스코프(32)와, 텔레스코프의 다운스트림에 위치하여 레이저 빔을 빔 경로에 수직인 평면으로 편향시키는 스캐너(36)와, 그리고 스캐너의 다운스트림에 위치하여 레이저 빔을 집속시키는 f-쎄타 대물렌즈(44)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 텔레스코프(32)의 입구 렌즈(52)는 가변 굴절력을 갖는 제어가능한 렌즈 형태를 취한다. 입구 렌즈(52)는 바람직하게는 전기적으로 제어가능한 유체 렌즈 혹은 액정 렌즈로 구성된다.

Description

안과 레이저 수술 장치{DEVICE FOR LASER-SURGICAL OPHTHALMOLOGY}

본 발명은 안과 레이저 수술(ophthalmic laser surgery) 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 레이저 수술 장치에 의해 제공되는 레이저 빔의 초점이 z-방향으로 빠르게 위치 변경될 수 있도록 하는 그러한 레이저 수술 장치에 관한 것으로, 여기서 표현 'z-방향'의 의미는 일반적인 표기법에 따른 것으로 빔 경로 방향(빔의 전파 방향)을 의미한다. z-방향에 직교하는 평면에서의 임의의 방향은 x-y 방향으로서 이해돼야 한다. 이러한 평면에서, 스캐너에 의한 레이저의 빔의 편향은, 레이저 빔을 사용하여 치료될 눈의 영역을 스캐닝하기 위해, 종래방식으로 실행된다.

펨토초(femtosecond) 범위 내의 단펄스 방사선(short-pulse radiation)을 방출하는 레이저 시스템이 안과 수술에서 사용되는바, 특히 각막에서뿐만 아니라 사람의 렌즈에서의 조직 내부 절개를 표시하기 위해 사용된다. 이와 관련되어 이용되는 효과는 광학 돌파(optical breakthrough)이며, 이것은 소위 조사(irradiate)된 조직의 광파괴(photodisruption)를 일으킨다. 이러한 광파괴를 발생시키기 위해, 레이저 빔의 비교적 강한 집속(focusing)이 필요하고, 이것은 집속을 위해 사용되는 집속 광학부의 대응하는 고개구율(high aperture)에 의해 달성된다. 공지된 안과 fs 레이저 시스템에서, 일반적으로 집속 광학부는 소위 f-쎄타 대물렌즈(f-theta objective)로 구성되며, f-쎄타 대물렌즈는 레이저 빔에 의한 스캐닝 동안 평면 필드 이미징(plane-field imaging)을 보증함과 아울러 z-방향에서의 빔 초점의 바람직하지 않은 변위를 피할 수 있다.

fs 레이저 시스템은 안과학에서, 예를 들어 LASIK 애플리케이션에서, 확고한 위치를 가지고 있고, LASIK은 영문 'laser in-situ keratomileusis'의 약어이고, 시력 결함을 없애는 각막 치료 기술을 말하는바, 여기서 작은 덮개판(소위 각막편으로 불림)(이것은 또한 각막 조직에 부분적으로 연결되어 있음)이 먼저 각막 표면 상에서 절개되고, 그 다음에 이 각막편은 한쪽으로 저쳐지고, 각막편이 저쳐진 이후 노출된 각막기질 조직이 후속적으로, 개개의 환자에 대해 확인된 절제 프로파일(ablation profile)에 따라, 단파 레이저광, 예를 들어, 193 nm에서 조사되는 엑사이머 레이저(excimer laser)로 절제된다. 이러한 경우, fs 레이저 시스템은 각막편 절개를 표시하기 위해 사용된다.

각막편 절개를 행함에 있어, 압평 플레이트(applanation plate)로 누름으로써 치료될 눈의 각막을 평평하게 하는 것, 그리고 각막 내의 평면에서 이차원적으로 빔 초점을 가이딩하는 것이 알려져 있다. f-쎄타 대물렌즈에 의해 달성되는 평면 필드 이미징으로 인해, 이러한 경우 빔 초점의 z-방향 변위는 필요 없다. 각막의 기질로부터 위쪽 방향으로 각막편의 가장자리 절개를 가이딩할 것이 요구되는 경우, 각막편의 가장자리 영역에서만 단지 z-방향으로 초점 위치의 변위가 필요할 수 있다.

z-방향에서의 초점 변위를 위해, 현재 기술 수준에서 다양한 방법이 제안되었다. 특허공보 WO 03/032803 A2는 z-축(즉, 빔 경로를 따르는 축) 방향에서 전체적으로 집속 대물렌즈의 위치 변경을 제공한다. 이러한 것의 수정된 구성은 집속 대물렌즈를 줌 대물렌즈(zoom objective)로서 구성하는 것이다. 그러나, 이러한 양쪽 방법들은 단점이 있는데, 그 단점은 집속 대물렌즈의 기계적 변위 혹은 줌 설정이 (초점 위치의 1:1 재조정으로 변환되기 때문에) 매우 정밀하게 실행돼야만 한다는 것이다. 따라서, 레이저 빔의 연속적인 펄스들 간의 수 ㎛만큼의 초점의 원하는 변위를 위해, 동일한 거리만큼의 집속 대물렌즈 혹은 대물렌즈의 줌 렌즈의 대응하는 빠른 기계적 변위가 요구된다. 종래의 기계적인 구동은 이러한 것에 적합하지 않다.

대안적 방법이 특허 공보 DE 10 2005 013 949 A1에 제시되어 있다. 여기서, 레이저 시스템은 텔레스코프(telescope)의 형태를 갖는 2-렌즈 빔 확장기, 다운스트림에 있는 스캐너, 스캐너 바로 다음에 있는 집속 렌즈를 보여준다. 빔 확장기의 입력 렌즈(이것은 수렴 렌즈(converging lens)로 구성됨)는 선형 구동에 의해 빔 방향, 즉 z-방향으로의 변위가 가능하다. 입력 렌즈의 이러한 변위는 빔 확장기로부터 나오는 레이저 빔의 발산을 변경시킨다. 집속 렌즈의 위치가 일정하다면, 이러한 방식으로, 초점 위치는 z-방향으로 시프트된다. 집속 광학부의 z-방향 변위와 비교하여, 이러한 방법의 한 가지 장점은 변위의 더 높은 정밀성(accuracy) 및 더 좋은 재현성(reproducibility)에 있는데, 왜냐하면 광학 이미징 시스템(optical imaging system)이 빔 확장기의 입력 렌즈의 변위 경로를, 예를 들어 인자 10만큼 더 작은, 초점 위치의 변위 경로로 변환시키기 때문이다. 그러나, 입력 렌즈의 위치 재조정의 달성가능한 속도가, 빔 초점의 위치 변경(이것은 초점면(focal plane)으로 변환됨)의 속도를 제한한다. 각막 조직편 추출을 위해 요구되는 바와 같은 그러한 삼차원 절개를 위해, 특허 문헌 DE 10 2005 013 949 A1에 따른 초점 위치 재조정의 방법은 특허 문헌 WO 03/032803 A2에 제시된 방법보다 실제로 명확히 더 빠른데, 왜냐하면 단지 다음과 같은 이유 때문인 바, 즉, 빔 확장기의 입력 렌즈의 위치 재조정의 경우, 움직여야할 부분이, 전체 집속 광학부의 위치 재조정 혹은 심지어 단지 단일의 집속 렌즈의 위치 재조정의 경우보다, 실질적으로 더 작기 때문이다. 현재의 집속 광합부는 족히 수 킬로그램의 무게를 가질 수 있고, 이것이 진동 없이 이동돼야만 한다. 반면, 빔 확장기의 입력 렌즈는 상대적으로 작은 개구를 가질 수 있으며 이에 따라 크기가 작고 무게가 가벼울 수 있다. 그럼에도 불구하고 종래의 선형 구동은, 만약 허용가능한 단시간 내에 충분히 높은 반복 레이저로 각막내 조직편 절개 혹은 또 다른 삼차원 절개의 수행이 요구되는 경우, 이러한 요건을 만족시키지 못한다. 종래 선형 구동의 경우, 빔 확장기의 입력 렌즈의 틸팅(tilting)없는 신뢰가능한 가이딩을 위해 가능한 위치 재조정의 속도는, 예를 들어, 약 1 mm/s 내지 3 mm/s이고, 그리고 입력 렌즈의 기계적 가이딩을 위한 합리적인 노력을 통해 이 속도는 또한 가능하게는 최대 5 mm/s까지 가능하다. 그러나, 조직편 절개에 있어, z-방향 초점의 위치 재조정의 동일한 원리를 가지고 두 자리 내지 세 자리 kHz 범위 혹은 이보다 훨씬 더 높은 주파수로 반복되는 fs 레이저가 사용되는 경우, 적어도 10 mm/s 이상의 입력 렌즈의 위치 재조정 속도가 필요하고, 이 속도는 시장에서 현재 입수가능한 선형 구동 시스템으로는 달성될 수 없고, 적어도 조정 정밀도에 관한 요건을 만족시키는 그러한 시스템으로도 달성될 수 없다.

본 발명의 목적은 안과 수술에서 삼차원 절개 가이딩에 더 적합한 레이저 장치를 만드는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 안과 레이저 수술(ophthalmic laser surgery) 장치가 제공되며, 상기 안과 레이저 수술 장치는, 펄스화된 펨토초 레이저 빔(pulsed femtosecond laser beam)의 소스(source)와; 상기 레이저 빔을 확장시키는 텔레스코프(telescope)와, 여기서 상기 텔레스코프는 가변 굴절력(variable refractive power)을 갖는 제어가능한 렌즈 형태의 입력 렌즈를 구비하며; 상기 텔레스코프의 다운스트림(downstream)에 위치하여 상기 레이저 빔을 빔 경로에 수직인 평면(x-y 평면)으로 편향시키는 스캐너(scanner)와; 상기 스캐너의 다운스트림에 위치하여 상기 레이저 빔을 집속시키는 적어도 단일 렌즈인 집속 대물렌즈(특히, f-쎄타 대물렌즈)와; 그리고 프로그램으로 제어되는 전자 제어 장치를 포함하고, 상기 프로그램으로 제어되는 전자 제어 장치는 상기 빔 경로의 방향(z-방향)으로 빔 초점(50)의 변위(displacements)를 요구하는 소정(predetermined)의 절개 프로파일(incision profile)을 얻기 위해, 상기 집속 대물렌즈의 집속 설정(focusing setting)을 변경함이 없이, 단지 상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈만을 제어함으로써, 상기 변위를 일으키도록 구성된다.

가변 굴절력을 가진 렌즈는 바람직하게는 전기적으로 조정가능하고, 그리고 예를 들어, 전기습윤(electrowetting)(이것은 때때로 전기 모세관 현상(electrocapillarity)으로 불리기도 함)의 원리에 따라 동작하는 유체 렌즈(liquid lens)일 수 있거나, 혹은 대안적으로 액정 렌즈(liquid-crystal lens)일 수 있다. 유체 렌즈는 알려진 바와 같이 그렇게 알려져 있고, 그리고 리프만 효과(Lippmann effect)에 기반을 두고 있는바, 이에 대해서는, 예를 들어, 논문(저자: W. Moench, W.F. Krogmann, H. Zappe, 제목: Variable Brennweite durch fluessige Mikrolinsen [Variable focal length by means of liquid microlenses], Photonik 4/2005, pages 44-46)을 참조하기 바란다. 유체 렌즈의 전극 장치에 전압을 인가함으로써, 표면 장력이 변하고, 결과적으로 유체 계면의 곡률이 변한다. 또한, 곡률의 변경은 유체 렌즈의 초점 거리의 변경을 일으킨다. 특히, 유체 렌즈는 인가된 전압의 변동에 의해 수 밀리초 내에 10 dpt 이상의 굴절력의 변경이 가능하다.

액정 렌즈가, 마찬가지로, 알려진 바와 같이 그렇게 알려져 있고, 그리고 전기장 하에서, 액정 및 예를 들어 모노머(monomers)로부터 형성된 액정 층에서의 액정의 재배향(reorientation) 또는/및 초점 시프트에 기반을 두고 있다. 액정의 재배향 또는 시프트는 액정층의 굴절율의 변경을 일으키고, 이것에 의해 렌즈의 굴절력이 변경된다.

가변 굴절력을 갖는 렌즈의 전기 모세관 현상은 전체 렌즈의 선형 위치 재조정보다 z-방향에서 명확하게 더 빠른 초점 변위를 가능하게 하고, 그리고 기계적 위치 재조정 디바이스를 필요로 하지 않는다. 결과적으로, 고속의 위치 재조정이 가능하게 되고, 이와 관련하여 기계적 구동 수단 및 기계적으로 움직이는 부분들이 필요하지 않기 때문에 마찰력이 일어나지 않는다(유체 혹은 액정의 내부 마찰력은 논외로 함). 이것은 높은 신뢰도, 긴 서비스 수명, 및 고도의 강임함(즉, 기계적 마모가 없음)을 보장한다.

본 발명에 의해 가능하게 되는 z-방향으로의 빠른 초점 변위는, 크게 반복되는 집속된 fs 레이저 방사선으로 동작하는 안과 애플리케이션에서의 사용에 있어 특히 매력적이며, 그리고 짧은 치료 시간 동안 빠른 삼차원 절개 가이딩을 추구하는 안과 애플리케이션에서의 사용에 있어 특히 매력적이다. 이러한 빠른 삼차원 절개 가이딩으로부터 혜택을 받을 수 있는 하나의 가능한 애플리케이션은 각막 조직편 추출이고, 이 경우 각막의 굴절율 교정을 위해 근사적 조직편 분량 요소가 각막의 기질로부터 절개된다. fs 레이저 펄스의 초점의 정밀하고 빠른 삼차원 위치 조정이 이러한 경우 중요하다. x-y 방향에서, 이것은 스캐너의 대응하는 빠른 동작에 의해 문제가 되지 않는다. 예를 들어, 갈바노미터(galvanometer) 원리에 따라 동작하는 종래의 미러 스캐너(mirror scanner)는 MHz 범위 내의 펄스 반복율에서도 필요한 편향을 용이하게 보장할 수 있다. z-방향에 있어서, 가변 굴절력을 가진 입력 렌즈(텔레스코프의 입력 렌즈)를 사용함으로써, 높은 두 자리 ㎛ 범위 내지 최대 세 자리 ㎛ 범위에서의 빔 초점의 움직임이, 수 밀리초 혹은 적어도 수십분의 일 밀리초 내에서 용이하게 가능하다. 예를 들어, 각막 조직편 추출에 있어서, 이것은 수 분(예를 들어, 2분 내지 4분) 내에 완전한 조직편 절개가 이루어질 수 있게 하여, 이러한 동작 동안 환자가 겪게 되는 불편함을 매우 짧은 시간으로 호의적으로 줄여준다. 추가적으로, 본 발명은 지금까지 통상적으로 사용된 엑사이머 레이저를 사용함이 없이 눈의 굴절율을 교정하는 방법을 제시하고 있는데, 이는 빔 초점의 z-방향 위치조정의 높은 정밀성 및 재현성으로 인해, 제거돼야할 시력 결함에 정확하게 맞는 조직편 추출 과정에서의 절개 가이딩이 가능하기 때문이다.

특허 문헌 EP 1 837 696 A1이 이미, 적어도 하나의 집속 렌즈와, 텔레스코프 내의 적어도 두 개의 렌즈와, 그리고 빔 경로에서 텔레스코프의 다운스트림에 위치함과 아울러 집속 렌즈의 업스트림에 정렬되어 x-y 평명에서 빔을 편향시키는 스캐닝 유닛으로 구성되는 광학 이미징 시스템을 개시하고 있는데, 여기서 텔레스코프의 렌즈들 중 적어도 하나는 전기적으로 조정가능한 유체 렌즈이고, 이 유체 렌즈는 집속 렌즈의 상면 만곡(field curvature)을 보상한다. 반면, 본 발명의 경우, 가변 굴절력을 갖는 렌즈가 (눈에 생성될 소정의 절개 프로파일에 의해 사전에 결정되는) 빔 초점의 z-방향 변위를 실현시키는 역할을 담당한다.

본 발명의 경우에 있어 가변 굴절력을 갖는 렌즈는 수렴 렌즈일 수 있고, 대안적으로 발산 렌즈일 수 있다.

가변 굴절력을 갖는 렌즈 및 여기에 배정된 구동 수단(전압 구동기를 포함함)은, 바람직하게는, 30 ㎳ 이하의 시간에, 더 좋게는 24 ㎳ 이하의 시간에, 더욱 좋게는 18 ㎳ 이하의 시간에, 빔 경로의 방향으로 100 ㎛ 만큼의 빔 초점의 변위를 일으키도록 설정된다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 레이저 수술 눈 치료(laser-surgery eye treatment) 방법이 제공되고, 상기 방법은,

- 환자의 눈으로 인도되는 펄스화된 펨토초 레이저 빔을 제공하는 단계와,

- 빔 경로의 방향으로 빔 초점(50)의 변위를 요구하는 (상기 눈에서 실현될) 절개 프로파일에 따라 스캐너에 의한 레이저 빔의 스캐닝을 행하는 단계와, 그리고

- 레이저 빔을 집속시키는 집속 수단의 집속 설정을 변경함이 없이, 빔 초점의 변위를 얻기 위해, 가변 굴절력을 갖는 전기적으로 제어가능한 렌즈를 제어하는 단계를 포함한다.

절개 프로파일은, 예를 들어, 각막 조직편 절개(corneal lenticular incision)를 나타낼 수 있다.

본 발명은 첨부되는 도면에 근거하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.

도 1은 각막을 포함하는 인간 눈의 일부분의 단면도를 도식적으로 나타낸 것으로, 여기에는 각막 조직편 절개가 나타나 있다.
도 2는 본 발명에 따른 안과 레이저 수술을 위한 장치의 예를 도식적으로 나타낸다.

먼저, 도 1을 참조하여 설명된다. 여기서, 인간 눈의 각막(도면 부호 10으로 표시됨)이 단면도로 제시되어 있다. 눈의 광학 축(시선 축(visual axis))이 일점 쇄선(dash-dotted line)으로 도시되어 있고 도면 부호 12로 표시되어 있다. 각막(10)의 앞쪽 표면(12)과 뒷쪽 표면(16)이 또한 나타나 있다. 전형적인 인간 눈에서의 그 두께(d)는 대략 500 ㎛ 범위 내에 있지만, 당연히 사람마다 윗쪽 방향 혹은 아랫쪽 방향에서 변동이 있을 수 있다. 눈의 공막(sclera) 및 연곽(limbus)이 도 1에서 도면 부호 18로 표시되어 있으며, 각막윤부 마진(limbal margin)이 도면 부호 20으로 표시되어 있다.

더욱이, 도 1에서 점선(dashed line)으로 표시된 것은, 집속된 fs 레이저 방사선에 의한 치료시 절개될 각막내(보다 정확하게는 각막기질내) 조직편(lenticle)(22)이며, 이것은 각막(10)에 도입될 개구를 통해 외과수술로서 후속적으로 제거된다. 이러한 개구는 마찬가지로 레이저 절개를 통해 생성될 수 있다. 펨토초 조직편 추출은, 예를 들어, 근시 및 근시성난시와 같은 그러한 시력 결함의 교정을 가능하게 한다. 대개 조직편(22)은 실질적으로 평면 후방 절개(flat rear incision)(24) 및 곡면 전방 절개(curved frontal incision)(26)로 생성된다. 조직편의 평면 후방이 필수적이지 않음을 이해해야 한다. 원리적으로, 절개 가이딩은 조직편의 상면 및 하면에 대해 자유롭게 선택될 수 있다. 조직편 직경(도 1에서 도면 부호 a로 표시되어 있음)은, 예를 들어, 4 mm 내지 10 mm 범위 내에 있고, 반면 최대 조직편의 두께(도면 부호 b로 표시되어 있음)는 예를 들어, 50-150 ㎛에 이른다. 예를 들어, a=6-8 mm이고 b=80-100 ㎛의 값을 갖는 경우에, 약 -5 dpt 내지 -6 dpt의 시력 결함이 교정될 수 있다. 조직편 직경 및 조직편 두께 양쪽 모두는 교정될 시력 결함의 심각도(severity)에 따라 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 종종 조직편 두께는 수십분의 일 ㎛에 이르는바, 이것은 대체적으로 평평한 조직편 하면(이것은 후방 조직편 절개(24)에 의해 정의되는 것임)을 고려하는 경우, 조직편 정점(즉, 조직편(22)의 두께가 가장 큰 지점)을 넘는 레이저 빔의 라인 스캔(line scan) 동안, 레이저 빔의 빔 초점이 조직편 두께에 대응하는 빔 전파 방향으로 움직여야함을 의미한다.

이제, 추가적으로 도 2를 참조하여 설명된다. 이 도면에 제시된 레이지 장치는, 예를 들어, 섬유 레이저(fibre laser)로 구성되는 펨토초 레이저 소스(28)를 포함하고, 이것은 펨토초 범위 내의 펄스 지속시간을 갖는 펄스화된 레이저 방사선(30)을 생성하는바, 여기서 펄스 반복율은 바람직하게는, 높은 두 자리 kHz 범위 내지 최대 세 자리 kHz 범위 내에 있거나 또는 심지어 MHz 범위 내에도 있다. 생성된 레이저 빔(30)은 복수 렌즈 빔 확장기(32)에 의해 확장된다. 확장된 레이저 빔(34)은 이후 스캐너(36)에 이르게 되고, 여기서 스캐너(36)는 빔 전파 방향(z-방향, 도 2에 또한 도시된 좌표계 참조)에 수직인 x-y 평면으로 레이저 빔(34)을 편향시키는 역할을 하며, 이것을 통해 스캐너(36)는 치료될 눈의 영역을 레이저 빔으로 스위핑(sweeping)하는 역할을 한다. 제시된 예시적 경우에 있어, 스캐너(36)는 갈바노미터 원리에 따라 동작하고, 두 개의 틸팅가능한 편향 미러(deflecting mirror)들(40, 42)로 구성되며, 이 편향 거울들(40, 42)은 제어 유닛(38)에 의해 제어가능하다. 다른 원리에 따라 동작하는(예를 들어, 적절하게 제어가능한 크리스탈(crystal)을 사용하여 스캐닝하는) 스캐너들이 동등하게 사용가능하다는 것을 이해해야 한다.

스캐너(36)의 다운스트림에는 f-쎄타 집속 대물렌즈(44)가 위치하며, f-쎄타 집속 대물렌즈(44)는 초점 위치(50) 상으로 레이저 빔을 집속시키는 렌즈들(46, 48)을 갖는다. 집속 대물렌즈(44)를 f-쎄타 대물렌즈로 구성함으로써, 평면 필드 이미징이 일어나게 되며, 이 경우 레이저 빔의 편향 각도와는 독립적으로 초점 위치(50)는 언제나 z-방향에 수직인 평면에 있게 된다. 도 2에 제시된 집속 대물렌즈(44)의 2-렌즈 구성은 단지 예시적인 것임을 이해해야 한다. 대물렌즈(44)는 임의의 다른 개수의 렌즈들로 구성될 수 있다.

제시된 예시적 경우에 있어, 빔 확장기(32)는, 음의 굴절력(negative refractive power)(오목 렌즈)을 갖는 입력 렌즈(52) 및 양의 굴절력(positive refractive power)(수렴 렌즈)을 갖는 출구 렌즈(54)로 이루어진 갈릴레이식 텔레스코프(Galilean telescope)로 구성된다. 대안적으로, 두 개의 볼록 렌즈들을 갖는 케플러식 설계(Keplerian design)의 텔레스코프가 또한 사용가능하다. 입구 렌즈(52)는 가변 굴절력을 갖는 렌즈로서 구성되며, 이러한 렌즈의 가변 굴절력은 인가되는 전기적 구동기 전압(±U)에 의해 변경될 수 있다. 렌즈(52)의 달성가능한 굴절력 변경은 바람직하게는 명확히 10dpt보다 크다. 입구 렌즈(52)의 굴절력 변경은 출구 렌즈(54)에 진입하는 레이저 빔의 발산도의 변경을 일으키고, 이에 따라 빔 초점(50)의 z-방향 시프트가 일어나게 한다. 입구 렌즈(52)는, 유체 렌즈 혹은 액정 렌즈로서 구성되고, 구동기 전압이 인가되는 전극 장치(56)(이것은 도 2에서 단지 도식적으로 표시됨)를 가지고 있다. 제어 유닛(38)과 편향 미러들(40, 42) 및 구동기 전압(±U)을 위한 전압 구동기(58) 간의 제어 연결은 점선으로 도시되었다.

제어 유닛(38)은, 눈에서 실현될 절개 프로파일에 따라, 전압 구동기(58)를 제어하고, 따라서 입구 렌즈(52)에서의 전극 전압을 제어한다. 제어 유닛(38)을 위한 대응하는 제어 프로그램은 메모리(도면에서 상세히 표시되지 않음)에 저장된다. 전기습윤의 원리에 기반을 두고 있는 유체 렌즈의 경우에, 렌즈의 굴절력은 인가되는 전압의 제곱에 따라 달라진다. 따라서, 입구 렌즈(52)의 초점 거리의 제어는, 렌즈가 유체 렌즈로서 구성되는 경우, 상대적으로 작은 전압 변경으로 실행될 수 있다. 예를 들어, 약 10 V의 전압 변경으로, 그리고 입구 렌즈(52)의 적절한 치수가 주어지는 경우, (압전 렌즈(electrostrictive lens)(52)의 개구 및 구성에 따라) 약 10 dpt의 굴절력 변경이 쉽게 획득될 수 있다. 이와 관련하여, 적절히 설계되는 경우, 유체 렌즈의 반응 시간은 수십분의 일 ms 내지 수 ms 범위 내에 있을 수 있다.

결과적으로, f-쎄타 대물렌즈(44)의 초점은, fs 레이저 시스템으로 효과적이고 빠른 조직편 절개를 위해 필요한 시간에 위치 재조정될 수 있다. 예를 들어, 완전한 라인 스캔은 약 10 ms 내지 40 ms의 시간주기 내에서 약 100 ㎛의 빔 초점의 z-방향 진행으로 용이하게 수행될 수 있다. 본 발명에 따라, 빔 확장기(32)에서 전기적으로 제어가능한 가변 굴절력 렌즈를 사용하는 경우, 펨토초 조직편 추출 과정에서 중요한 애플리케이션에 대해 필요한 바와 같은 그러한 초점 진행 주파수가 결과적으로 획득된다.

전기습윤의 원리에 따라 동작하는, 현재 시장에서 입수가능한 유체 렌즈는 약 300 nm 내지 1300 nm 범위 내의 높은 투명도를 갖는 유체를 함유한다. 이에 따라, 조직판 추출의 경우(그리고 다른 각막 절개의 경우에도), 전형적인 fs 레이저 소스의 낮은 적외선 영역 내에 위치하는 기본 파장과 UV 영역 내에 위치하는 고조파(예를 들어, 이러한 기본 파장의 제 3 고조파) 양쪽 모두가 사용될 수 있다.

UV 파장은 펨토초 조직판 추출에 의한 굴절 교정에 특히 적합한데, 이것은 빔 집속의 필요한 정밀도가 예를 들어, 약 340 nm 주위의 파장으로 획득될 수 있는 확률이 가장 높기 때문이다. 예를 들어, 단지 1 ㎛ 내의 초점 지름이 요구된다. NIR 파장의 경우 작은 초점 직경은 매우 어렵게 획득될 수 있다.

가변 굴절력 렌즈의 형태를 갖는 빔 확장기(32)의 입구 렌즈(52)의 설계는 다음과 같은 장점을 또한 가지고 있는바, 즉 상대적으로 작은 개구, 예를 들어, 약 2 mm 내지 6 nm의 렌즈 직경을 갖는 렌즈가 사용될 수 있는 장점을 가지고 있다. 결과적으로, 구동기 전압이 작게 유지될 수 있고, 더 빠른 스위칭 주파수가 획득될 수 있다.

세 번째로, 입구 렌즈(52)의 임의의 파면 오차(wavefront errors)가 (달성가능한) 초점 품질에 미치는 영향은 충분히 작다. 현재 시장에서 입수가능한 유체 렌즈는 단지 λ/4의 파면 품질을 나타내고, 이것은 집속 대물렌즈(44)에 줌 렌즈로서 사용되는 경우 회절-제한 초점(diffraction-limited focus)을 달성하기에는 불충분하다.

본 발명의 범위 내에서 사용되는 가변 굴절력을 갖는 렌즈는, 적어도 fs 레이저 펄스에 대해, NIR 파장 영역 내에서, 바람직하게는 적어도 약 1000 nm 내지 1100 nm에서 전송을 수행해야 한다. 전체적으로 볼 때, 적어도 300 ㎛, 바람직하게는 적어도 350 ㎛, 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 400 ㎛의 빔 초점의 z-방향 변위가, 단지 가변 굴절력을 갖는 렌즈만을 제어함으로써, 그리고 이러한 것을 위해 추가적으로 요구되는 집속 광학부의 조정 없이 이루어질 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 최대 초점 진행은, 적어도 7.5 dpt, 더 좋게는 적어도 8 dpt 그리고 더욱더 좋게는 적어도 8.5 dpt의 가변 굴절력을 갖는 렌즈의 굴절광학 변경으로 바람직하게 달성가능해야한다. 생성된 레이저 빔을 빔 초점으로 이미징하는 광학 이미징 시스템(즉, 텔레스코프 혹은 빔 확장기, 집속 대물렌즈 및 이들 사이에 배치되는 임의의 광학 소자들)은 대응하는 전송율을 보장해야 한다. 동작 변경 범위(이것은 예를 들어 약 9 dpt 혹은 약 10 dpt에 이를 수 있음) 내에서 가변 굴절력을 갖는 렌즈의 조정 정밀도는, 바람직하게는, 적어도 3%, 더 좋게는 적어도 2%, 그리고 예를 들어, 대략 1%가 돼야한다. 가변 굴절력을 갖는 렌즈에 인가되는 제어 전압의 약 1V의 전압 변경이 약 1 dpt의 굴절광학 변경을 근사적으로 일으키고 그리고 동시에 약 0.1 dpt의 굴절광학 변경이 약 3-4 ㎛의 z-방향 변위를 일으키는 설계는 현재 시장에서 입수가능한 컴포넌트들로 어느 때라도 획득될 수 있다.

Claims (9)

1. 안과 레이저 수술(ophthalmic laser surgery) 장치로서,
   펄스화된 펨토초 레이저 빔(pulsed femtosecond laser beam)의 소스(source)(28)와;
   상기 레이저 빔을 확장시키는 텔레스코프(telescope)(32)와, 여기서 상기 텔레스코프(32)는 가변 굴절력(variable refractive power)을 갖는 제어가능한 렌즈 형태의 입력 렌즈(52)를 구비하며;
   상기 텔레스코프의 다운스트림(downstream)에 위치하여 상기 레이저 빔을 빔 경로에 수직인 평면으로 편향시키는 스캐너(scanner)(36)와;
   상기 스캐너의 다운스트림에 위치하여 상기 레이저 빔을 집속시키는 집속 대물렌즈(44)와; 그리고
   프로그램으로 제어되는 전자 제어 장치(38)를 포함하여 구성되며,
   상기 프로그램으로 제어되는 전자 제어 장치(38)는 상기 빔 경로의 방향으로 빔 초점(50)의 변위(displacements)를 요구하는 소정(predetermined)의 절개 프로파일(incision profile)을 얻기 위해, 상기 집속 대물렌즈의 집속 설정(focusing setting)을 변경함이 없이, 단지 상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈만을 제어함으로써, 상기 변위를 일으키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 안과 레이저 수술 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈(52)는 수렴 렌즈(converging lens)인 것을 특징으로 하는 안과 레이저 수술 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈(52)는 발산 렌즈(diverging lens)인 것을 특징으로 하는 안과 레이저 수술 장치.
4. 앞선 항들 중 하나의 항에 있어서,
   상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈(52)는 전기적으로 조정가능한 것을 특징으로 하는 안과 레이저 수술 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈(52)는 전기 모세관 현상(electrocapillarity)의 원리에 따라 동작하는 유체 렌즈(liquid lens)인 것을 특징으로 하는 안과 레이저 수술 장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈(52)는 액정 렌즈(liquid-crystal lens)인 것을 특징으로 하는 안과 레이저 수술 장치.
7. 앞선 항들 중 하나의 항에 있어서,
   상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈(52) 및 상기 가변 굴절력을 갖는 렌즈(52)와 관련된 구동 수단(58)은, 30 ㎳ 이하의 시간에, 더 좋게는 24 ㎳ 이하의 시간에, 더욱 좋게는 18 ㎳ 이하의 시간에, 상기 빔 경로의 방향으로 100 ㎛ 만큼의 상기 빔 초점(50)의 변위를 일으키도록 되어있는 것을 특징으로 하는 안과 레이저 수술 장치.
8. 레이저 수술 눈 치료(laser-surgery eye treatment) 방법으로서,
   환자의 눈으로 인도되는 펄스화된 펨토초 레이저 빔을 제공하는 단계와;
   빔 경로의 방향으로 빔 초점(50)의 변위를 요구하는 절개 프로파일에 따라 스캐너에 의한 상기 레이저 빔의 스캐닝을 행하는 단계와, 여기서 상기 절개 프로파일은 상기 눈에서 실현되며; 그리고
   상기 레이저 빔을 집속시키는 집속 수단의 집속 설정을 변경함이 없이, 상기 빔 초점의 변위를 얻기 위해, 가변 굴절력을 갖는 전기적으로 제어가능한 렌즈를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 수술 눈 치료 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 절개 프로파일은 각막 조직편 절개(corneal lenticular incision)를 나타내는 것을 특징으로 하는 레이저 수술 눈 치료 방법.

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