KR20140104584A - 안과용 수술장치, 이의 제어 방법 및 이를 이용한 수술 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안과용 수술장치, 이의 제어방법 및 이를 이용한 수술방법에 관한 것으로, 레이저를 생성하는 광원, 상기 광원에서 생성된 상기 레이저의 파라미터를 변환하는 광 변환부, 상기 광원에서 생성된 상기 레이저의 전달 경로를 형성하는 광 전달부, 상기 광 전달부의 단부에 형성되어 외부로 광을 조사하는 광 조사부 그리고, 수정체의 전낭을 절개하기 위한 제1 작동 모드, 상기 수정체의 핵 부위를 절개하기 위한 제2 작동 모드 및 각막을 절개하기 위한 제3 작동 모드에 따라 상기 광 변환부 및 상기 전달부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 각각의 작동 모드에 따라 상기 광 조사부를 통해 조사되는 레이저의 출력, 펄스 파형 또는 조사 패턴 중 적어도 어느 하나가 상이한 특성을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치 및 이를 이용한 수술방법과 이의 제어방법을 제공한다.

Description

안과용 수술장치, 이의 제어 방법 및 이를 이용한 수술 방법 {An ophthalmic surgical apparatus, an method for controlling thereof and method for surgery using that}

본 발명은 레이저를 이용한 안과용 수술장치, 이의 제어방법 및 이를 이용한 수술방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펨토초 레이저를 이용하여 전안부 수술을 진행할 수 있는 안과용 수술장치, 이의 제어방법, 및 이를 이용한 수술방법에 관한 것이다.

백내장(cataract)은 눈의 수정체(crystalline lens)가 혼탁해지면서 시력이 쇠퇴하는 질환이다. 수정체의 가장자리만 혼탁해지는 경우에는 시력에 큰 영향을 미치지 않으나, 수정체의 핵 부위가 혼탁해지는 경우에는 시력 감소, 복시, 눈부심 등 다양한 증상이 나타나게 된다. 백내장의 치료는 주로 혼탁한 수정체를 제거하고 인공 수정체(intraocular lens)로 대체하는 수술을 통해 이루어지며, 이러한 백내장 수술은 가장 많이 이루어지는 수술 중 하나이기도 하다.

종전의 백내장 수술은 칼을 이용하여 각막(cornea)을 절개하고, 절개된 부위를 통해 수정체의 전낭(anterior chamber)을 원형으로 절개한 후, 초음파를 이용하여 수정체 핵을 잘게 분쇄되어 흡입(aspiration) 방식으로 추출되고, 수정체의 핵이 위치하던 부위에 인공 수정체(intraocular lens)를 삽입하는 방식으로 이루어진다. 이러한 백내장 수술 방식은 한국 특허공개공보 1990-0015698호에도 유사하게 개시되어 있다.

그러나, 종전의 백내장 수술은 각막과 수정체 전낭을 절개하고, 수정체 핵을 분쇄하는 과정이 시술자에 의해 수작업으로 진행되기 때문에, 사고 위험성이 높고 시술자의 능력에 에 따라 수술 결과가 좌우되는 단점이 있었다.

최근 들어 이러한 문제점을 개선하기 위해, 레이저를 이용하여 수정체를 절개하는 수술 방법들이 제안되고 있다. 그러나 현재까지는 연구 개발의 초기 단계이기 때문에, 백내장 수술의 각 단계의 특성을 고려하여 레이저를 적용하는 데에는 한계가 있는 상황이다.

한국 특허공개공보 1990-0015698호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 백내장의 수술 단계에 따라 사용되는 레이저 특성을 조절하여 최적화된 수술을 진행할 수 있는 안과용 수술장치, 이의 제어 방법 및 이를 이용한 수술 방법을 제공하기 위함이다.

상기한 본 발명의 목적은, 레이저를 생성하는 광원, 상기 광원에서 생성된 상기 레이저의 파라미터를 변환하는 광 변환부, 상기 광원에서 생성된 상기 레이저의 전달 경로를 형성하는 광 전달부, 상기 광 전달부의 단부에 형성되어 외부로 광을 조사하는 광 조사부 그리고, 수정체의 전낭을 절개하기 위한 제1 작동 모드, 상기 수정체의 핵 부위를 절개하기 위한 제2 작동 모드 및 각막을 절개하기 위한 제3 작동 모드에 따라 상기 광 변환부 및 상기 전달부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 각각의 작동 모드에 따라 상기 광 조사부를 통해 조사되는 레이저의 출력, 펄스 파형 또는 조사 패턴 중 적어도 어느 하나가 상이한 특성을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 안과용 수술장치에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 상기 제1 작동 모드에서 조사되는 제1 레이저, 상기 제2 작동 모드에서 조사되는 제2 레이저 및 상기 제3 작동 모드에서 조사되는 제3 레이저는 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 조사되는 에너지가 각각 상이하도록 제어되며, 이 중 제2 레이저가 해당 조사 위치에서 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달하도록 제어될 수 있다.

또한, 제어부는 상기 제1 작동 모드에서 조사되는 제1 레이저, 상기 제2 작동 모드에서 조사되는 제2 레이저 및 상기 제3 작동 모드에서 조사되는 제3 레이저가 각각의 조사 위치에 각각 상이한 패턴으로 조사되도록 제어되도록 구성될 수 있다.

한편, 전술한 본 발명의 목적은 레이저를 생성하는 광원 및 조사되는 상기 레이저의 특성을 제어할 수 있도록 구성된 안과용 수술장치의 제어방법에 있어서, 수정체의 전낭을 절개할 수 있는 제1 레이저를 조사하는 제1 작동 단계, 상기 수정체의 핵 부위를 절개할 수 있는 제2 레이저를 조사하는 제2 작동단계, 각막을 절개할 수 있는 제3 레이저를 조사하는 제3 작동 단계를 포함하고, 상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 출력, 펄스 파형 또는 조사 패턴 중 적어도 어느 하나가 서로 상이한 특성을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 안과용 수술장치의 제어방법에 의해서도 달성될 수도 있다.

이 중, 상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저 중, 상기 제2 레이저는 조사 위치에 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달할 수 있도록 제어될 수 있다.

또는, 상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 각각의 조사 위치에 조사되는 패턴이 각각 상이하도록 제어될 수 있다.

나아가, 전술한 본 발명의 목적은, 수정체의 전낭에 제1 레이저를 조사하여 상기 전낭을 절개하는 단계, 상기 수정체의 핵 부위에 제2 레이저를 조사하여 상기 수정체의 핵을 절개하는 단계 그리고, 각막에 제3 레이저를 조사하여 상기 각막을 절개하는 단계를 포함하고, 상기 제1 레이저, 제2 레이저 및 제3 레이저는 출력, 펄스 파형 또는 조사 패턴 중 적어도 어느 하나가 서로 상이한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전안부 수술방법에 의해서도 달성 될 수 있다.

상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 조사되는 에너지가 각각 상이하고, 특히 이 가운데, 제2 레이저는 조사 위치에 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달하도록 조사되도록 구성될 수 있다.

또는, 상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 각각의 조사 위치에 조사되는 패턴이 각각 상이하도록 구성되는 것도 가능하다.

본 발명에 의할 경우, 수술 부위 및 수술 내용에 따라 레이저의 파라미터 및 조사 패턴을 조절하여 사용함으로써, 수술의 안전성을 향상시키면서 최적화된 수술을 진행하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안과용 수술장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도,
도 2는 도 1의 안과용 수술 장치를 이용한 안과용 수술 방법 및 이에 대응되는 수술장치의 제어방법을 도시한 순서도,
도 3은 도 2의 수술 단계에 따른 치료 부위를 도시한 도면,
도 4는 도 2의 각 단계별 레이저의 출력 특성을 도시한 그래프이고,
도 5는 도 2의 각 단계별 레이저의 조사 패턴을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 안과용 수술장치, 이의 제어방법 및 이를 이용한 전안부 수술방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 아래의 설명에서 각 구성요소의 위치관계는 원칙적으로 도면을 기준으로 설명한다. 그리고 도면은 설명의 편의를 위해 발명의 구조를 단순화하거나 필요할 경우 과장하여 표시될 수 있다. 따라서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 각종 장치를 부가하거나, 변경 또는 생략하여 실시할 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안과용 수술장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 안과용 수술장치는 치료용 레이저를 생성하는 광원(110) 및 치료용 레이저를 가공하고 전달하는 레이저 시스템(100)을 포함하여 구성된다. 여기서, 레이저 시스템(100)은 광 변환부(120) 및 광 전달부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

광원(110)은 적어도 하나 이상의 공진단(미도시)을 포함하여 구성되며, 안과용 수술에 사용되는 치료용 레이저를 생성한다. 광원(110)에서 생성되는 레이저는 10~10000 펨토초(femtosecond)의 펄스 지속시간(duration time)을 갖는 극초단파 레이저일 수 있다. 이러한, 극초단파의 펨토초 레이저는 세포 수준의 정밀한 치료가 가능하여, 치료부위와 인접한 위치에 위치한 세포에 영향을 최소화시키면서 수술할 수 있는 장점이 있다.

본 실시예의 광원(110)은 1000nm 내지 1100nm의 파장을 갖고, 10KHz 내지 500KHz의 펄스 주파수를 갖는 레이저를 생성하도록 구성된다. 다만, 이는 일 예로서 상기 범위 이외의 파장 또는 펄스 주파수를 갖는 레이저를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.

광 변환부(120)는 레이저의 파라미터를 변화시킬 수 있는 다수개의 광학소자를 포함하여 구성된다. 여기서, 레이저의 파라미터라 함은 레이저의 출력, 펄스의 파형, 조사 시간, 조사 직경 등을 포함하는 의미로 이해될 수 있다. 따라서, 광원(110)에서 생성되는 레이저는 광 변환부(120)를 통과하면서 가공되어, 전안부 수술에 적합한 형태로 조절된다.

도면에는 구체적으로 도시되지 않았으나, 광 변환부(120)는 반 파장판(half wave plate) 및 선형 편광판(linear polarizer) 등을 포함하여 레이저의 출력 및 레이저의 편광 특성 등을 변환시킬 수 있다. 이때, 별도의 검출기(detector)를 구비하여 피드백 제어에 의해 레이저의 출력 및 편광 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 광 변환부(120)는 레이저의 직경(diameter), 발산특성(divergence), 비점수차 등의 파라미터를 조절할 수 있는 다양한 광학소자가 순차적으로 배열되어, 수술 내용에 적합한 레이저를 형성할 수 있도록 구성될 수 있다. 다만, 이러한 소자들은 다른 광학장치에서도 널리 사용되는 구성이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

그리고, 광 전달부(130) 또한 복수개의 렌즈, 거울 및 스플리터 등을 포함하는 다수개의 광학 소자를 포함하여 구성된다. 따라서, 광원(110)에서 생성되는 레이저가 일단으로 유입되고, 타단에 형성되는 광 조사부를 통해 레이저가 치료 부위로 조사되는 레이저의 광 경로를 형성한다.

이러한 광 전달부(130)는 광 조사부를 통해 조사되는 레이저의 조사 위치를 가변시킬 수 있도록, 광 경로를 가변할 수 있도록 구성된다. 따라서, 광 전달부(130)를 구성하는 광학 소자의 구동에 의해 전안부의 다양한 위치로 레이저가 조사될 수 있다.

구체적으로, 광 전달부(130)는 X-Y 스캐너(미도시) 및 Z 스캐너(미도시)를 포함하여 구성된다. 여기서, X-Y 스캐너는 적어도 두 개 이상의 갈바노 거울(galvano mirror)을 포함하여 구성되며, X-Y 스캐너의 구동에 의해 수평면 상에서 레이저의 조사 위치를 조절할 수 있다. 그리고, Z 스캐너는 레이저의 진행 방향을 따라 이동 가능한 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하여 구성되며, Z 스캐너의 구동에 의해 레이저가 조사되는 깊이가 결정된다. 따라서, 레이저는 광 전달부(130)를 통과함에 따라 수평 방향 및 수직 방향(도 1 기준)으로 다양하게 조사 위치가 변경될 수 있다.

전술한 바와 같이, 백내장 수술은 각막, 수정체의 전낭 및 수정체의 핵 부위 등 다양한 위치에서 치료가 요구된다. 따라서, 본 실시예에 따른 광 전달부는 X-Y 스캐너 및 Z 스캐너를 제어함으로써, 전안부의 다양한 위치에 레이저를 조사하여 수술을 진행하는 것이 가능하다.

다만, 도 1에서는 광 변환부와 광 전달부를 별개의 블록으로 도시하고 있으나, 이는 레이저가 통과되는 광학소자의 기능을 설명하기 위해 편의상 구분하여 도시한 것에 불과하다. 실시예를 구성함에 있어서는 레이저의 파라미터를 변환시키는 광학 소자가 광 경로를 형성함으로써, 광 변환부 및 광 전달부의 기능을 모두 수행하는 것도 가능하다. 또한, 도면에서는 광 변환부가 레이저의 진행 방향으로 전방에 배치되고, 광 전달부가 후방에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이러한 순서에 한정되는 것은 아니며 광 변환부를 구성하는 광학소자와 광 전달부를 구성하는 광학소자를 혼재하여 다양하게 배열하여 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

전술한 바와 같이, 광원(110)에서 생성된 레이저는 광 변환부(120)와 광 전달부(130)를 통과하여 광 조사부를 통해 외부로 조사된다. 이때, 광 조사부는 대물렌즈를 포함하여 구성되며, 이러한 대물렌즈는 레이저의 진행 방향을 축으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 이러한 광 조사부를 통해 조사된 빛은 환자의 전안부로 조사되어 치료가 이루어질 수 있다.

이때, 환자의 눈은 고정된 상태를 유지할 수 있도록, 아이인터페이스(eye interface)(600)에 의해 석션(suction)된 상태로 고정된다. 이러한 아이인터페이스(600)는 대물렌즈의 후방(레이저의 진행 방향을 기준)에 일체로 설치될 수도 있고, 또는 별도의 부재로 구성되어 눈을 석션한 상태에서 광 조사부의 말단에 결합되도록 구성될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 안과용 수술장치는 수술이 진행되는 전안부의 이미지를 획득하기 위한 이미지 검출부(200)를 더 포함한다. 여기서, 이미지 검출부(200)는 카메라부(210) 및 OCT(optical coherence tomography)부(220)를 포함하여 구성될 수 있다.

카메라부(210)는 눈 표면의 2차원 이미지를 획득할 수 있는 장치이다. 카메라부는 별도의 카메라 광원(미도시) 구비하고, 카메라 광원을 이용하여 이미지를 검출한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 카메라 광은 전술한 광 전달부(130)의 빔 컴바이너(beam combiner)로 조사되고, 치료용 레이저가 조사되는 경로를 따라 광 조사부를 통해 눈에 조사된다. 그리고 눈의 표면에서 반사되는 빛을 검출하여, 눈 표면의 이차원 이미지를 획득하는 것이 가능하다.

OCT부(220)는 전안부의 단면 이미지를 획득할 수 있는 장치이다. OCT(optical coherence tomography)는 빛의 간섭 현상을 이용하여 단층 이미지를 획득하는 기술로, 컴퓨터 단층촬영(CT)에 비해 분해능이 높아 비침습적 진단법으로 널리 활용되고 있다. 최근 들어, 다수개의 단층 이미지를 초고속으로 처리하여 3차원 영상을 획득할 수 있는 기술이 개발되었고, 본 실시예에서는 이와 같이 3차원 영상 획득이 가능한 OCT를 적용하여 전안부의 단층 영상 특히, 수정체의 3차원 영상을 획득하는 것이 가능하다.

이와 같이 이미지 검출부(200)에서 획득된 눈에 대한 표면 이미지 및 단층 이미지는 프로세서에 의해 처리되어 인터페이스(500)로 제공될 수 있다. 다만, 이미지 검출부(200)의 카메라부(210) 및 OCT부(220)의 구체적인 기술은 유사한 기술 분야에서 널리 사용되는 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 인터페이스(500)는 디스플레이를 포함하여, 이미지 검출부(200)에서 획득된 이미지를 표시할 수 있다. 인터페이스(500)를 통해 표시되는 이미지는 다양한 용도로 활용될 수 있다. 예를 들어, 카메라로부터 전송되는 아이인터페이스에 고정된 환자의 눈의 이미지를 제공하여, 눈이 정상적으로 도킹되었는지를 확인하는 것도 가능하고, 각막이 절개되는 부위를 선택하거나 절개 부위를 표시하는데 활용할 수 있다. 또한, OCT부로부터 전송된 전안부의 단층 이미지는 수정체의 절개 범위 및 절개되는 패턴을 선택하고, 이를 표시하는데 활용할 수 있다. 나아가, OCT로부터 획득된 단층 이미지를 처리하여 얻어지는 3차원 영상은 수정체의 시축을 결정하고, 수술 과정의 실시간 영상을 제공하는데 활용할 수 있다. 이와 같이, 인터페이스(500)는 이미지 검출부로부터 획득된 정보를 이용하여 사용자가 수술 부위에 관한 정보를 얻고, 수술을 설계하고, 수술 과정을 표시하는데 다양하게 활용될 수 있다.

나아가, 인터페이스(500)는 사용자가 이를 통해 수술 장치의 구동을 비롯한 각종 조작을 할 수 있도록 구성된다. 따라서, 사용자는 디스플레이에 표시된 이미지 및 영상을 참고하여, 수술 위치의 선정, 수술 내용 설계, 환자 정보 열람 등 다양한 명령을 입력하는 것이 가능하다. 본 실시예에 따른 인터페이스는 터치 스크린(touch screen)으로 구성하여 디스플레이 되는 이미지를 활용하여 사용자가 각종 내용을 선택할 수 있도록 구성하나, 이외에도 다양한 방식으로 구성할 수 있음은 물론이다.

한편, 프로세서(300)는 이미지 검출부(200)로부터 획득한 이미지 데이터를 처리하여 인터페이스(500)로 제공할 수 있다. 예를 들어, OCT부(220)에서 획득한 단층 데이터를 이용하여 전안부의 3차원 영상을 구성하여 인터페이스(500)에 제공하거나, 인터페이스(500)에서 요청된 특정 방향의 단면 이미지를 추출하여 인터페이스로 다시 제공할 수 있다.

또한, 프로세서(300)는 이미지 데이터 및 좌표 데이터를 이용한 각종 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(300)는 카메라부(210)에서 획득된 눈의 표면 이미지, OCT부(220)에서 획득된 단층 이미지, 그리고 단층 이미지로부터 얻어지는 3차원 영상 사이의 좌표를 연산하여 매칭시킬 수 있다. 따라서, 사용자가 인터페이스(500)를 통해 눈의 표면의 특정 위치를 선택하면, 그 위치에 해당하는 단층 이미지 및 3차원 영상 데이터를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 사용자가 디스플레이된 이미지를 통해 위치를 선택하거나 수술 부위를 설정하면, 이를 좌표로 연산하여 해당 좌표의 이미지를 제공하거나 레이저가 조사되는 좌표를 산출하는 것이 가능하다.

이외에도, 프로세서(300)는 내부에서 획득되는 데이터 및 외부로부터 입력되는 데이터를 처리하는 역할을 수행할 수 있다. 다만, 이러한 프로세서의 기능은 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 기술이므로, 일반적인 기능에 대한 설명은 생략한다.

한편, 제어부(400)는 인터페이스(500)를 통해 사용자가 입력한 모드 또는 수술장치에 기 프로그래밍된 모드에 따라 광원(110), 광 변환부(120) 및 광 전달부(130)를 포함하는 각종 구성 요소의 동작을 제어한다.

예를 들어, 제어부(400)는 광원(110) 및 광 변환부(120)의 각종 구성요소를 제어하여 수술에 이용되는 레이저를 생성하고, 수술의 진행 단계에 따라 레이저의 펄스 파형, 출력, 빔 사이즈 등의 각종 파라미터를 조절할 수 있다. 또한, 사용자가 지정한 수술 모드 또는 기 설정된 수술 모드에 따라 광 전달부(130)의 각종 구성요소를 제어하여 설정된 치료 부위에 레이저가 조사될 수 있도록 제어하며, 레이저가 조사되는 궤적 및 패턴을 조절할 수 있다. 나아가, 수술 장치가 동작하는 중 이상이 발생하는 경우, 광 전달부에 구비되는 셔터(shutter, 미도시)를 동작하여 레이저가 눈으로 조사되는 것을 차단하는 것도 가능하다.

이 이외에도, 제어부는 수술을 진행하기에 앞서 수행되는 환자의 눈을 고정시키는 단계 및 수술이 진행된 이후에 수술 결과를 확인하는 단계에서도 각종 구성요소들의 동작을 제어하는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 안과용 수술 장치는 레이저를 이용하여 전안부의 다양한 부위를 치료하는 것이 가능하며, 이 때 이미지 검출부로부터 획득되는 다양한 이미지를 이용하여 용이하게 수술을 설계하고 수술을 진행하는 것이 가능하다.

이하에서는, 전술한 안과용 수술장치를 이용한 백내장의 수술 방법 및 이에 대응되는 수술 장치의 제어방법을 구체적으로 설명한다.

도 2는 도 1의 안과용 수술 장치를 이용한 안과용 수술 방법 및 이에 대응되는 수술장치의 제어방법을 도시한 순서도이고, 도 3은 도 2의 수술 단계에 따른 치료 부위를 도시한 도면이다. 도 2에서 좌측은 각각의 수술 단계를 도시한 것이고, 우측은 각 수술 단계에 대응되는 전안부 수술장치의 제어 단계를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 환자가 안과용 수술장치에 위치하면 환자의 눈을 고정하는 단계를 수행한다(S10, S100). 본 단계는 환자가 베드에 누운 상태에서 아이인터페이스(600)를 이용하여 환자의 눈을 석션한 후, 수술장치의 광 조사부 말단을 하강시켜 아이인터페이스(600)를 상기 광 조사부의 단부에 도킹시키는 방식으로 제어된다.

다만, 본 실시예에서는 안과용 수술장치와 별개의 아이인터페이스를 이용하는 구조를 중심으로 설명하나, 광 조사부의 말단에 아이인터페이스가 일체로 형성되어 광 조사부의 위치를 하강하여 도킹 단계를 진행하는 것도 가능하다.

이와 같이 환자의 눈을 고정시키는 단계는 치료용 레이저가 조사되는 광 경로의 중심과 눈의 시축이 정렬되는 위치에 고정될 수 있도록 이미지 검출부(200)를 통해 획득되는 이미지를 지속적으로 참고 하면서 도킹을 진행할 수 있다.

환자의 눈의 위치가 고정되면, 환자의 눈을 진단하고 수술 내용을 설정하는 단계를 수행한다(S20, S200). 본 단계는 이미지 검출부(200)에 의해 획득되는 눈의 표면 이미지, 전안부 단층 이미지, 수정체의 3차원 이미지 등을 활용하여 진행할 수 있도록 인터페이스(500)를 통해 이미지 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 사용자는 수술 이전 단계에서 수집된 환자의 정보와 인터페이스(500)를 통해 제공되는 각종 이미지 정보를 이용하여 각막 및 수정체의 절개 위치, 레이저 파라미터 및 패턴 등의 구체적인 수술 정보를 설정하는 것이 가능하다.

그리고, 사용자의 선택에 의해 수술 영역이 설정되면, 프로세서(300)는 해당 영역의 좌표를 연산하여, 레이저가 조사되는 위치의 좌표를 제어부(400)로 제공할 수 있다. 따라서, 제어부(400)는 해당 좌표로 레이저를 조사할 수 있도록 레이저 시스템의 구동을 제어하는 것이 가능하다.

수술 내용의 설정이 완료되면, 먼저 수정체의 전낭을 원형으로 절개하는 원형 전낭 절개 단계(capsulotomy)를 수행한다(S30, S300). 원형 전낭 절개는 캡슐 형상으로 이루어진 수정체의 전면 표면(도 3 a의 B 참조)을 절개하는 것으로, 이후에 진행되는 수정체 핵 부위(도 3 a의 C 참조) 절개시 수정체의 압력이 증가하는 것을 방지할 수 있도록 수정체 핵 절개에 선행하여 진행된다. 이에, 안과용 수술장치는 제1 작동 모드로 동작하면서, 수정체의 전방 표면에 설정된 궤적을 따라 레이저를 조사하여 원형으로 전낭을 절개한다(도 3 b의 P1 참조).

원형 전낭 절개 단계가 이루어지면, 수정체의 핵 부위(도 3 a의 B 참조)를 절개하는 단계를 진행한다(S40, S400). 핵 부위의 절개는 백내장이 진행되어 혼탁해진 부분을 절개하는 것으로, 백내장에 의해 경화된 핵 부위를 레이저를 이용하여 작은 조각(fragment)으로 절개 또는 유연화시킴으로써 향후 흡입 과정을 통해 용이하게 수정체 핵을 제거하는 것이 가능하다.

이때, 수정체의 핵 부위를 제거하면서 수정체의 후낭(posterior chamber)(도 3 a의 D 참조)이 손상되면, 절개된 수정체 조각이 유리체(도 3 a의 E 참조) 부위로 빠져 나가 향후 후발성 백내장을 야기할 수 있다. 따라서, 본 단계를 진행함에 있어 수정체의 후낭이 손상되지 않도록, 레이저 조사 구역을 설정함에 있어 후낭과의 안전거리를 확보할 필요가 있다.

본 단계를 수행하기 위해, 안과용 수술장치는 제2 작동 모드로 동작하면서 수정체의 핵부위로 레이저를 조사한다. 본 실시예에서는 레이저가 바둑판 형상의 궤적으로 조사되도록 설정하였으나(도 3 a의 P2 참조), 이는 일 예에 불과하며 수정체를 작은 조각으로 절개할 수 있도록 다양한 형상으로 레이저 궤적을 형성할 수 있다.

또한, 본 단계는 전낭 절개 및 각막 절개와 달리 소정의 두께를 갖는 핵 부위를 절개하는 것이므로, 레이저가 하나의 평면에 조사되는 것이 아니라 Z 스캐너가 동작하면서 서로 다른 깊이의 복수의 층에서 절개가 이루어지도록 구성할 수 있다. 이때, 각각의 층에서 레이저가 조사되는 궤적은 동일한 궤적으로 조사되는 것도 가능하며, 수정체의 절개가 용이하도록 각각의 층별로 서로 다른 궤적을 형성하도록 구성될 수 있다.

나아가, 레이저가 조직에 조사되면 기포가 발생하게 되며, 본 단계와 같이 레이저를 다양한 깊이로 조사하는 경우에 선행 조사된 레이저에 의해 발생한 기포에 의해 레이저가 산란되어 조사 위치로 충분한 에너지가 전달되지 못하는 경우가 발생될 수 있다. 따라서, 안과용 수술장치는 제2 작동단계에서 레이저를 조사함에 있어, 수정체의 후낭과 인접한 부분을 먼저 조사하고 전낭 방향과 인접한 위치는 나중에 조사하여 선행 레이저로 인해 발생되는 기포의 영향을 최소화시킬 수 있다.

수정체의 절개가 완료되면, 각막(도 3a의 A 참조)을 절개하는 단계를 진행한다(S50, S500). 각막 절개는 흡입 장치가 삽입될 수 있는 통로를 형성할 수 있도록, 각막의 소정 구간을 절개하는 단계이다. 이와 더불어 백내장 수술과 동시에 각막 이상으로 인한 난시를 개선할 수 있도록, 각막의 특정 부위를 절개하여 각막의 형상을 변화시키는 시술을 동시에 진행하는 것이 가능하다.

본 단계를 수행하기 위해, 안과용 수술장치는 제3 작동 모드로 동작하면서, 각막의 소정 구역으로 레이저를 조사한다(도 3b의 P3 참조). 이때, 각막이 절개되는 구역은 수술이 진행되기에 앞서 측정된 각막 검사 결과를 참고하여, 사용자가 인터페이스를 통해 설정할 수 있다.

이와 같이 레이저 조사를 통해 수정체의 전낭, 수정체의 핵 부위 및 각막의 절개가 완료되면, 안과용 수술장치는 도킹 상태를 해제하고(S600), 환자의 눈에서 아이인터페이스를 제거한다.

그리고, 프로브 형태의 흡입 장치를 각막의 절개 부위로 삽입하여, 조각으로 절개된 수정체를 빨아들임으로써, 수정체의 후낭을 제외하고 완전히 제거하는 것이 가능하다(S60). 그리고 수정체가 제거된 위치로 인공 수정체를 삽입함으로써 백내장 수술이 완료될 수 있다(S70).

이상에서 설명한 바와 같이, 전술한 안과용 수술장치는 전낭을 절개하고, 수정체를 분쇄하며, 각막을 절개하는 작업을 레이저를 조사하는 방식으로 진행하므로,종래에 비해 보다 신속하고 정확하게 수술을 진행하는 것이 가능하다.

그런데, 백내장 수술은 수술 단계마다 시술이 진행되는 대상 조직이 상이하고, 시술이 진행되는 목적이 상이하다. 따라서, 모든 단계를 통해 동일한 크기의 레이저를 동일한 방식으로 조사하게 되면, 조직의 특성 및 각 수술 단계의 특성을 반영하여 시술을 진행하는데 한계가 있다.

따라서, 본 실시예에서는 각각의 수술 단계에 따라 서로 다른 특성을 갖는 레이저를 이용하여 조사함으로써, 각 단계에 최적화된 레이저를 이용하여 정밀한 수술을 진행하는 것이 가능하다. 여기서, 레이저가 서로 다른 특성을 갖는다고 함은, 레이저의 출력, 펄스의 파형, 조사 시간, 직경, 조사 패턴 중 적어도 어느 하나가 상이한 것을 의미할 수 있다. 이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 레이저의 특성을 구체적으로 설명하도록 한다.

도 4는 도 2의 각 단계별 레이저의 출력 특성을 도시한 그래프이고, 도 5는 도 2의 각 단계별 레이저의 조사 패턴을 도시한 도면이다.

앞서 설명한 바와 같이, 안과용 수술 장치는 수정체 전낭 절개 단계(S30), 수정체 핵 절개 단계(S40) 및 각막 절개 단계(S50)에 대응하여 각각 제1 작동 모드, 제2 작동 모드 및 제3 작동 모드로 구동된다. 이때, 설명의 편의를 위해 제1 작동 모드에서 조사되는 레이저는 제1 레이저, 제2 작동 모드에서 조사되는 레이저는 제2 레이저, 그리고 제3 작동 모드에서 조사되는 레이저는 제3 레이저로 한다. 여기서, 레이저를 이용하여 진행하는 각각의 단계는 단계별로 서로 다른 특성을 갖는다.

우선, 원형 전낭 절개 단계는 수정체 중 상대적으로 연한 조직을 갖는 전낭에 레이저가 조사되므로, 상대적으로 작은 에너지에 의해서도 절개가 이루어질 수 있다. 또한, 전낭 절개에 의해 형성되는 원형 개구는 향후 인공 수정체 삽입된 이후에도 광이 통과하는 경로를 형성하므로 정밀한 절개가 요구된다.

이와 마찬가지로, 각막 절개 단계 또한 상대적으로 연한 조직을 갖는 각막에 레이저가 조사되므로, 작은 에너지에 의해서 절개가 가능하다. 또한, 각막은 빛이 입사되는 경로를 형성하므로 정밀한 절개가 요구된다.

이에 비해, 수정체의 핵 부위는 백내장에 의해 경화가 많이 진행된 상태이므로, 이를 절개하기 위해서는 높은 에너지가 요구된다. 또한, 수정체 핵 부위를 절개하는 것이 흡입 장치를 이용하여 용이하게 제거하기 위함이고 레이저가 조사되는 범위 또한 넓기 때문에, 원형 전낭 절개 또는 각막 절개만큼의 정밀한 시술이 요구되지 않는다.

따라서, 본 실시예에서는 이러한 각 수술 단계의 특징을 고려하여 수술을 진행할 수 있도록, 레이저는 광원(110), 광 변환부(120) 및 광 전달부(130)를 제어하여 제1 레이저, 제2 레이저, 제3 레이저의 특성을 서로 상이하게 구성할 수 있다. 특히, 제1 레이저가 전낭에 조사되어 단위면적 당 전달하는 에너지, 제2 레이저가 수정체 핵 부위에 조사되어 단위면적 당 전달하는 에너지, 제3 레이저가 각막 부위에 조사되어 단위면적 당 전달하는 에너지를 비교할 경우, 제2 레이저가 제1, 제3 레이저에 비해 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달하도록 제어된다.

이때, 수술 단계에 따라 레이저가 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 전달하는 에너지의 크기는 다양한 방식으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 광 조사부를 통해 조사되는 레이저의 출력을 조절하는 것도 가능하고, 동일한 출력에 있어 펄스 지속시간(on 상태의 지속시간)을 조절하는 것도 가능하며, 동일한 출력이더라도 조사위치에서의 빔 사이즈를 조절하여 전달되는 에너지의 크기를 제어할 수 있다.

이러한 레이저의 제어에 의해 제1 작동 모드 및 제3 작동 모드에서는 상대적으로 적은 에너지를 전달하는 제1 레이저 및 제3 레이저를 이용하여, 조사 위치와 인접한 다른 조직의 열화 현상을 최소화시키면서 정밀하게 조직을 절개할 수 있다. 그리고, 제2 작동 모드에서는 상대적으로 큰 에너지를 전달하는 제2 레이저를 이용하여, 경도가 높은 수정체 핵 부위를 용이하게 절개함과 동시에 상대적으로 넓은 구역을 신속하게 절개하는 것이 가능하다.

이러한 제어방식의 일 예로서, 도 4에서는 본 실시예에서 설정된 레이저 펄스의 출력 특성을 도시하고 있다. 우선, 제1 레이저와 제2 레이저를 비교할 경우, 제1 레이저는 제2 레이저와 비교하여 상대적으로 작은 출력으로 조사된다. 그리고, 제1 레이저의 펄스 조사시간(t1) 또한 제2 레이저의 펄스 조사시간(t2)에 비해 짧게 제어된다. 따라서, 제1 레이저는 제2 레이저에 비해 조사 위치에서 단위 면적당 작은 에너지를 전달할 수 있도록 구성된다. 한편, 제3 레이저 또한 제2 레이저에 비해, 작은 출력으로 조사되며 펄스의 조사시간 또한 짧게 구성된다. 따라서, 전술한 바와 같이 전낭 절개 및 수정체낭 절개는 상대적으로 적은 에너지를 제공하는 제1 레이저 및 제3 레이저를 이용하여 정밀한 시술이 가능하며, 수정체의 핵부위 절개는 상대적으로 큰 에너지를 제공하는 제2 레이저를 이용하여 경도 높은 조직을 신속하고 효과적으로 절개할 수 있다.

여기서, 제1 레이저 및 제2 레이저는 각각을 구성하는 복수개의 레이저 펄스가 동일한 출력 및 동일한 조사 시간을 갖도록 제어되었으나, 도 4에 도시된 제3 레이저와 같이 레이저를 서로 다른 출력 또는 조사 시간(t3, t4)을 갖는 복수의 레이저 펄스로 구성되도록 제어될 수 있다(상대적으로 높은 출력과 짧은 조사시간을 갖는 레이저 펄스와 낮은 출력과 긴 조사시간을 갖는 레이저 펄스가 각각 교차하여 조사되는 형태).

다만, 이는 레이저를 구성하는 레이저 펄스의 다양한 조합을 설명하기 위한 일 예로서, 본 발명이 전술한 레이저 펄스의 조합에 한정되는 것은 아니며, 이 이외에도, 제1, 제2 레이저 또한 다양한 파라미터를 갖는 레이저 펄스의 조합으로 구성하는 것도 가능하다. 나아가, 도 4에서는 레이저의 출력 및 레이저의 펄스 조사시간을 제어하여 단위 면적당 제공되는 에너지의 크기를 제어하였으나, 이 이외에도 레이저의 각 조사 위치에서의 빔 사이즈, 펄스 지연 시간 등을 제어하여 전달되는 에너지의 크기를 제어하는 것도 가능함을 밝혀둔다.

나아가, 제어부(400)는 광 전달부(130)를 조절하여 제1 작동 모드, 제2 작동 모드 및 제3 작동 모드에서 조사되는 레이저의 조사 패턴을 제어하는 것도 가능하다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 작동 단계 및 제3 작동 단계는 상대적으로 정밀한 수술을 진행하기 위해, 레이저를 구성하는 펄스 사이의 간격 짧게 형성되며, 제2 작동 단계는 상대적으로 신속하게 진행될 수 있도록 펄스 사이의 간격을 넓게 형성할 수 있다.

도 5은 각 작동 모드별 레이저 조사 패턴의 일 예를 도시하고 있다. 우선, 도 5의 a에 도시된 바와 같이, 제1 레이저는 이를 구성하는 각각의 레이저 펄스가 선행 조사된 레이저 펄스의 조사 위치와 일부가 겹쳐지는 패턴으로 구성될 수 있다. 따라서, 제1 레이저는 매우 작은 출력의 레이저를 오버랩(overlapped)되도록 조사함으로써 수정체의 전낭을 정밀하게 절개할 수 있다.

그리고, 도 5의 b에 도시된 바와 같이, 제2 레이저는 각각의 레이저 펄스가 넓은 간격(d1)을 두고 조사되는 패턴을 구성할 수 있다. 따라서, 높은 에너지를 전달하는 레이저를 이용하면서 넓은 구역의 핵 부위를 신속하게 시술하는 것이 가능하다.

나아가, 도 5의 c에 도시된 바와 같이 제3 레이저는 각각의 레이저 펄스가 제1 레이저와 같이 오버랩되지는 않지만 상대적으로 좁은 간격(d2)으로 조사되는 패턴을 구성할 수 있다. 따라서, 상대적으로 작은 에너지를 전달하는 레이저를 이용하여, 각막을 정밀하게 절개하는 것이 가능하다.

다만, 도 5에 도시된 레이저의 조사 패턴은 하나의 예로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이 이외에도 다양한 패턴을 적용할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 제3 레이저를 도 5의 a에 도시된 패턴으로 조사하는 것도 가능하며, 제1 레이저를 도 5의 c에 도시된 패턴으로 조사하는 것도 가능하다. 또한, 도 5은 하나의 조사 패턴에서 각각의 레이저 펄스가 동일한 간격으로 조사되는 형태만을 설명하고 있으나, 무작위 방식 또는 다양한 간격으로 레이저 펄스를 조사하는 패턴을 적용할 수 도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 각 수술 단계의 특성을 고려하여, 레이저의 파라미터를 제어하고, 레이저의 조사 패턴을 다양하게 적용할 수 있도록 안과용 수술장치, 이를 이용한 수술 방법 및 이의 제어방법을 제공한다. 따라서, 본 발명에 의할 경우 각 수술 단계에 따라 최적의 레이저를 적용함으로써, 신속하고 안전하게 정밀한 수술을 진행하는 것이 가능하다.

100 : 레이저 시스템 200 : 이미지 검출부
210 : 카메라부 220 : OCT부
300 : 프로세서 400 : 제어부
500 : 인터페이스

Claims (19)

1. 레이저를 생성하는 광원;
   상기 광원에서 생성된 상기 레이저의 파라미터를 변환하는 광 변환부;
   상기 광원에서 생성된 상기 레이저의 전달 경로를 형성하는 광 전달부;
   상기 광 전달부의 단부에 형성되어 외부로 광을 조사하는 광 조사부; 그리고,
   수정체의 전낭을 절개하기 위한 제1 작동 모드, 상기 수정체의 핵 부위를 절개하기 위한 제2 작동 모드 및 각막을 절개하기 위한 제3 작동 모드에 따라 상기 광 변환부 및 상기 전달부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
   상기 제어부는 각각의 작동 모드에 따라 상기 광 조사부를 통해 조사되는 레이저가 출력, 펄스 파형 또는 조사 패턴 중 적어도 어느 하나에서 상이한 특성을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 작동 모드에서 조사되는 제1 레이저, 상기 제2 작동 모드에서 조사되는 제2 레이저 및 상기 제3 작동 모드에서 조사되는 제3 레이저는 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 조사되는 에너지가 각각 상이하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 안과용 수술 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저 중 상기 제2 레이저가 해당 조사 위치에서 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 안과용 수술 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제1 작동 모드에서 조사되는 제1 레이저, 상기 제2 작동 모드에서 조사되는 제2 레이저 및 상기 제3 작동 모드에서 조사되는 제3 레이저가 각각의 조사 위치에 각각 상이한 패턴으로 조사되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 레이저는 순차적으로 조사되는 복수의 레이저 펄스로 이루어지고, 상기 각각의 레이저 펄스가 각각의 조사 위치에서 선행 조사된 레이저 펄스의 조사 면적과 일부가 중첩되도록 조사되는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 레이저는 순차적으로 조사되는 복수의 레이저 펄스로 이루어지고, 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 전달되는 에너지가 서로 상이한 두 개 이상의 펄스가 반복적으로 조사되는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
7. 제4항에 있어서,
   상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저 중, 상기 제2 레이저가 조사 위치에 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달하도록 조사되고, 상기 제3 레이저가 가장 작은 에너지를 전달하도록 조사되는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치.
8. 레이저를 생성하는 광원 및 조사되는 상기 레이저의 특성을 제어할 수 있도록 구성된 안과용 수술장치의 제어방법에 있어서,
   수정체의 전낭을 절개할 수 있는 제1 레이저를 조사하는 제1 작동 단계;
   상기 수정체의 핵 부위를 절개할 수 있는 제2 레이저를 조사하는 제2 작동단계;
   각막을 절개할 수 있는 제3 레이저를 조사하는 제3 작동 단계;를 포함하고,
   상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 출력, 펄스 파형 또는 조사 패턴 중 적어도 어느 하나가 서로 상이한 특성을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치의 제어방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저 중, 상기 제2 레이저는 조사 위치에 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달할 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 안과용 수술장치의 제어방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 각각의 조사 위치에 조사되는 패턴이 각각 상이한 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 순차적으로 조사되는 복수의 레이저 펄스로 이루어지고, 상기 각각의 레이저 펄스가 각각의 조사 위치에서 선행 조사된 레이저 펄스의 조사 면적과 일부가 중첩되도록 조사되는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 순차적으로 조사되는 복수의 레이저 펄스로 이루어지고, 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 전달되는 에너지가 서로 상이한 두 개 이상의 펄스가 반복적으로 조사되는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
13. 수정체의 전낭에 제1 레이저를 조사하여 상기 전낭을 절개하는 단계;
    상기 수정체의 핵 부위에 제2 레이저를 조사하여 상기 수정체의 핵을 절개하는 단계; 그리고,
    각막에 제3 레이저를 조사하여 상기 각막을 절개하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 레이저, 제2 레이저 및 제3 레이저는 출력, 펄스 파형 또는 조사 패턴 중 적어도 어느 하나가 서로 상이한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 조사되는 에너지가 각각 상이한 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저 중, 상기 제2 레이저는 조사 위치에 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달하도록 조사되는 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저는 각각의 조사 위치에 조사되는 패턴이 각각 상이한 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 순차적으로 조사되는 복수의 레이저 펄스로 이루어지고, 상기 각각의 레이저 펄스가 각각의 조사 위치에서 선행 조사된 레이저 펄스의 조사 면적과 일부가 중첩되도록 조사되는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 순차적으로 조사되는 복수의 레이저 펄스로 이루어지고, 각각의 조사 위치에서 단위 면적당 전달되는 에너지가 서로 상이한 두 개 이상의 펄스가 반복적으로 조사되는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.
19. 제16항에 있어서,
    상기 제1 레이저, 상기 제2 레이저 및 상기 제3 레이저 중, 상기 제2 레이저가 조사 위치에 단위 면적당 가장 큰 에너지를 전달하도록 조사되고, 상기 제3 레이저가 가장 작은 에너지를 전달하도록 조사되는 것을 특징으로 하는 전안부 수술방법.

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