KR20180008407A - 안과용 수술 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1 피코초 내지 1 나노초의 지속 시간으로 레이저 펄스의 빔(8)을 방사하도록 구성된 레이저 광원(1); 초점(6)상에 레이저 펄스의 상기 빔을 집속하는 광학 집속 시스템(10); 및 미리 정해진 경로를 따라 상기 초점(6)을 이동시키도록 구성된 레이저 펄스의 상기 빔을 이동시키는 시스템을 포함하는 안과용 수술장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 레이저 광원(1)은 눈(4)의 전안부의 표면(25) 다음에 집속되는 피코초 내지 나노초 레이저 펄스의 빔(8)을 생성하고; 상기 초점(6)은 눈(4)의 전안부의 대칭의 광축(21)으로부터 제로(zero)가 아닌 거리(d)에 떨어져 위치되고, 레이저 펄스의 빔을 이동시키는 상기 시스템(30)은 눈(4)의 전안부의 대칭의 광축(21) 주위의 환형 영역에 위치된 곡선 경로(16)를 따라 상기 초점(6)을 이동시키도록 회전축(36)을 중심으로 하는 단일 회전 자유도를 포함하고, 그리고 상기 안과용 수술장치는 초점(6)에서의 그리고 눈(4)의 전안부의 대칭의 광축(21) 주위의 상기 환형 영역 내의 전체 곡선 경로(16) 상에서의 기하학적 광학 수차를 제한하도록 개구 수(numerical aperture)로 구성된다.

Description

안과용 수술 장치

본 발명은 안과용 수술장치들에 관한 것이다. 보다 정확하게는, 본 발명은 눈의 전안부(前眼部)의 수술 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 백내장 치료용 수술 장치에 관한 것이다.

백내장은 매년 전세계의 수십만 명의 사람들을 괴롭히는, 주로 나이와 관련된 눈의 질병이다. 백내장은 수정체의 점진적인 혼탁화를 일으킨다. 수정체는 각막과 망막 사이에 양면 볼록 렌즈의 형태를 갖는 눈의 광 매체이며, 일반적으로 투명하다. 수정체는 수정체 백(bag)이라고도 하는 캡슐과 캡슐의 중심에 배치된 코어를 포함한다. 캡슐은 근육에 인대를 통해 연결되어 수정체의 곡률을 수정할 수 있다. 이와 같은 수정체는 조절(accommodation), 즉 시정 거리(distance of vision)에 따라 망막상에 상(images)이 형성되도록 한다.

백내장의 외과적 치료는 의심의 여지없이 세계에서 가장 많이 시행되는 미세 수술이다. 이 치료는 일반적으로 수정체 또는 불투명한 수정체의 일부를 추출하고 이를 합성 수정체 임플란트로 대체하는 것으로 구성된다.

외과적 치료의 첫 번째 유형은 기본적으로 메스와 같은 종래의 수술 도구와 수정체 유화 프로브(phacoemulsification probe)를 사용한다. 이 종래의 기술은 만족스러운 결과를 얻기 위해 외과의의 몸짓의 오랜 학습과 고도의 전문 기술을 필요로 한다.

종래의 백내장 수술은 하나 또는 여러 개의 수동 도구에 의해 실행되는 여러 단계들로 나뉠 수 있다. 절단 공구, 예를 들어 메스는 수정체에 가능한 한 가깝게 다른 수술 기구들을 도입할 수 있도록, 각막의 주변부에 일반적으로 2mm 미만의 하나 또는 두 개의 소형 절개부(mini-incisions)를 형성하는데 사용된다. 수정체낭절개술(capsulorhexis) 또는 원형 낭절개술(capsulotomy)의 단계는 수정체의 전방 낭(anterior capsule)의 원형 절단 또는 곡선 절단을 하는 것으로 구성된다. 이 절단은 통상 특정한 포셉(forceps)을 사용하여 수동으로 수행된다. 수정체낭절개(capsulorhexis)의 직경은 원칙적으로 5.5mm이다. 수동 절단 중, 이 수정체낭절개의 정확한 직경은 조절하기 어려울 수 있으며 양호한 원형도(circularity)를 얻기도 어렵다. 수정체낭절개의 이 단계는 초음파에 의해 조각난 수정체로부터 코어를 추출하는 다음 단계의 안전성을 결정한다. 이러한 취지에서, 코어를 파쇄하기 위해 초음파 수정체 유화 프로브가 수정체 낭 내에 도입된다. 흡착 시스템은 코어의 파편들을 빼낸다. 그 다음, 낭(capsule)의 후방 부분에 안구 내(intraocular) 수정체 임플란트가 설치된다. 절단(cut)의 원형성과 그의 정확한 지름은 특히 프리미엄 임플란트로 지칭되는 새로운 다초점 임플란트들의 경우에 임플란트의 정확한 위치 결정에 중요한 요소이다.

이 기술은 수정체 유화(phacoemulsificators) 및 안구 내 임플란트(intraocular implants)에 관한 기술적 진보로부터 이익을 얻었다.

이 기술은 백내장의 치료뿐만 아니라 수정체의 굴절 교정 수술에도 적용된다. 실제로, 난시, 노안, 원시 또는 근시와 같은 특정 시력 결함들을 교정할 수 있는 프리미엄 임플란트라고 하는 특수 임플란트가 있다.

눈의 두 번째 유형의 외과적 치료는 기본적으로 펨토초(femtosecond) 레이저를 사용한다.

펨토초 레이저는 근시 치료에서 각막을 절단하는 라식(LASIK) 기술의 안과 수술에 일반적으로 사용된다.

펨토초 레이저를 기반으로 하는 백내장 수술 장치들이 최근에 등장했다. 펨토초 레이저는 1 ~ 수백 펨토초의 지속 시간을 갖는 펄스를 방출하는 레이저이다. 펨토초 레이저는 국소 가열없이 안구 조직을 절단할 수 있는 초고속 고출력 펄스를 방출한다. 펨토초 레이저는 3차원 이미징 시스템과 마이크로미터 정밀도로 움직이는 로봇 시스템에 결합되어 수정체의 절제 수술을 보조하고 최적화 및 보호할 수 있다. 펨토초 레이저를 사용하는 안과 수술 시스템은 센터링(centring)의 정밀도와, 수동 수술로 얻은 것보다 분명히 우수한 수정체낭절개 직경의 재현성을 보장한다.

팸토초 레이저 보조 백내장 수술(femtosecond laser-assisted cataract surgery; FLAC)에서 팸토초 레이저는 사전 설정된 경로, 종종 원형의 경로 및 수정체 코어의 파쇄(fragmentation)에 따라 수정체의 전방 낭(capsule)의 절단을 가능하게 한다. 그러나, 어떤 특정의 경우에, 연속적인 레이저 충격은 레이저 빔의 집속(focussing) 및 펨토초 레이저의 충격들 사이에서의 빔의 공간적 이동으로 인해 에지가 톱니 형상(또는 우표와 같은)을 갖는 절단부(a cut)를 생성할 수 있다는 것이 관찰된다.

특정 펨토초 레이저는 또한 수술 기구들의 통과를 목적으로 한 각막 절개를 수행하거나 또는 난시와 같은 굴절 이상 치료를 목적으로 한 각막 변연 절개(corneal limbic incisions)를 수행하는 것을 가능하게 한다. 이러한 펨토초 레이저는 코어를 일반적으로 프로브(probe)를 통해 흡입될 수 있을 만큼 작은 파편으로 파쇄하는 수정체 유화 프로브에 결합된다.

FLAC 기술에 의해 이론적으로 매우 집속된 방식으로 레이저의 에너지를 유도할 수 있다. 그러나, 이러한 레이저 빔의 집속은, 예를 들어, 소위 "백색" 백내장의 경우에는 통과하는 광 매체로 인해 광학 수차(optical aberrations) 및/또는 확산이 존재하므로 실제로는 제한을 받는다.

또한, FLAC 기술은 각막, 홍채의 치수와 위치의 이미징 및 수정체의 두께의 이미징을 통한 사전 검사가 필요하다. 이 정보는 낭 또는 후낭(posterior capsule)의 후면을 손상시키지 않기 위해 레이저 빔의 초점 위치를 3차원으로 결정하는데 필수적이다. 그러나, 이러한 분석에는 특별한 3차원 이미지 장치의 구현이 요구되며 또한 획득된 이미지들의 처리에는 현재 기술로는 수 분이 걸린다. 일단 획득하여 3차원 이미지 처리가 완료되면, 외과의는 레이저 장치의 타겟 마크들(target marks)을 확인하고 레이저 장치를 작동(triggers)시킨다. 이 두 가지 작업 중에 레이저 장치는 복잡한 눈/기계 적응 인터페이스(eye/machine adaptation interface)를 통해 환자의 눈에 연결되어 있어야 한다. 눈은 미리 고정되어 있으며 눈에 안약 방울(drops)을 주입하여 동공을 팽창시킨다. 이미지 처리가 지연되게 되면 눈 또는 동공의 움직임을 실시간으로 제어할 수 없으므로 눈의 움직임이 통제되지 않거나 예기치 않은 동공 수축이 발생할 경우 어려움을 초래할 수 있다. 또한, 눈에 결합하기 위한 시스템이 부착되는 기계의 치수 및 기계의 강성 자체로 인해 눈에 대한 이 기계의 유연하고 빠른 이동이 가능하지 않다.

마지막으로, 펨토초 레이저 보조 백내장 수술 시스템의 비용은 수술 기간이 현저하게 감소되지 않기 때문에 매우 높게 유지된다.

따라서 안과 수술의 기간 및 수술 비용을 줄이면서도 안과 수술 시스템의 품질과 안전성을 향상시킬 수 있는 백내장 치료에 특히 적용되는 안과 수술 시스템이 필요하다.

본 발명은 이러한 단점들을 극복하기 위한 목적을 가지며, 레이저 펄스의 빔을 방사하도록 구성된 레이저 광원, 눈의 전안부의 일부에 위치되는 초점 상에 상기 레이저 펄스의 빔을 집속하기에 적합한 상태로 펄스 레이저 빔의 광 경로 상에 배치되는 광학 집속 시스템, 및 미리 정해진 경로를 따라 상기 초점을 이동시키도록 구성된 상기 레이저 펄스의 빔을 이동시키는 시스템을 포함하는 안과용 수술장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 바람직하게는 상기 레이저 광원은 약 1 피코초 내지 1 나노초의 지속 시간을 갖는 펄스 레이저 빔을 생성하고, 상기 광학 집속 시스템은 눈의 전안부의 표면 부근의 초점 상에 상기 펄스 레이저 빔을 집속하도록 구성되며, 상기 초점은 눈의 전안부의 대칭의 광축으로부터 제로(zero)가 아닌 거리(d)가 떨어져 위치되고, 상기 레이저 펄스의 빔을 이동시키는 시스템은 눈의 전안부의 대칭의 광축 주위의 환형 영역에 위치된 곡선 경로를 따라 상기 초점을 이동시키도록 상기 전안부의 대칭의 광축과 실질적으로 평행한 회전축을 중심으로 하는 단일 회전 자유도를 포함하고, 그리고 상기 광학 집속 시스템은 예를 들어 제한된 개구 수에 의해 구성되어 초점에서의, 그리고 눈의 전안부의 대칭의 광축 주위의 상기 환형 영역 내의 전체 곡선 경로상에서의 기하학적 광학 수차를 제한한다.

이와 같이, 안과용 수술장치는 예를 들어 수정체의 전방 낭의 원형 절단을 가능케한다. 절단은 오직 단일 회전 운동을 수반하기 때문에 매우 빠르다. 이 절단은 광학 수차의 보정을 아주 용이하게 하는 전체 곡선 경로상의 단일 집속 점으로 광학 필드가 제한함으로 인해 품질이 우수하다. 이 장치에 의해 또한 수술자 또는 외과의가 양안 현미경을 통해 수술의 적절한 전개(unfolding)의 실시간 제어를 수행할 수 있다.

특히 유리하게는, 상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 렌즈 또는 집속 거울의 상류 또는 하류의 레이저 빔의 광 경로 상에 배치된 광학 시스템을 포함하며, 상기 광학 시스템은 입사 레이저 빔을 수신하도록 구성되고 상기 입사 레이저 빔에 대하여 각도 편향되거나 병진된 레이저 빔을 형성하도록 구성되고, 그리고 상기 광학 시스템은 상기 레이저 빔의 회전을 생성하도록 상기 회전축을 중심으로 회전가능하게 장착된 적어도 하나의 광학 구성 요소를 포함한다.

또 하나의 실시예에 따르면, 상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 펄스 레이저 빔의 광 경로 상에 배치된 프리즘을 포함하고, 상기 프리즘은 회전축을 중심으로 회전가능하게 장착된다.

또 하나의 실시예에 따르면, 상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 상기 펄스 레이저 빔의 각도 편위 및/또는 횡방향 이동을 일으키도록 펄스 레이저 빔의 광 경로 상에 배치된 적어도 하나의 거울을 포함하며, 상기 적어도 하나의 거울은 회전축을 중심으로 회전가능하게 장착된다.

유리하게는, 상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 정해진 반경을 갖는 원형 경로를 따라 상기 초점을 이동시키도록 구성된다.

본 발명의 특정 및 유리한 형태에 따르면, 상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 회전축에 평행한 병진 축을 따라 병진 자유도를 더 포함하며, 상기 이동시키는 시스템은 원형 단면(circular section) 및 정해진 반경의 나선형 경로를 따라 상기 초점을 이동시키도록 구성된다.

대안적으로, 상기 곡선 경로는 타원 단면이고, 정해진 그리고 어떤 경우에는 가변 치수들로 이루어진다.

특히 유리하게는, 상기 안과용 수술장치는 한편으로는 광학 집속 시스템 및 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템을 포함하는 수동 공구, 그리고 다른 한편으로는 레이저 광원과 수동 공구 사이에 배치된 광섬유 링크를 포함한다.

따라서, 상기 안과용 수술장치는 외과의의 한 손으로 눈의 광축에 대해 위치 및 각도가 신속하게 조절되어, 광섬유의 끝에 위치된 수동 공구를 직접 움직여서 그리고 이 수동 공구만으로, 눈의 전안부 내의 곡선 경로의 위치 및/또는 각도를 이동시킬 수 있으며, 상기 이 수동 공구는 실제 수술 도구를 구성한다.

바람직하게는, 상기 수동 공구는 반 반사 거울(semi-reflective mirror) 또는 레이저 빔의 광 경로 상에 배치된 이색성 거울(dichroic mirror)을 포함하고, 상기 수동 공구는 실시간으로 눈의 전안부의 육안 검사를 제공하도록 양안 현미경을 선택적으로 조합하도록 구성된다.

특히, 레이저 수단과 집속 시스템 사이의 이 광섬유 연결부(link)는 가요성이고 유선(wired)이며, 레이저 광원의 오프셋(offset)을 가능케 한다. 광섬유 연결부는 또한 상기 집속 시스템의 가요성을 가능케 하고, 상기 집속 시스템은 특히 조작자가 손에 직접 잡을 수 있는 수동 공구에 통합될 수 있다.

본 발명의 특정 형태에 따르면, 상기 안과용 수술장치는 평면 및 평행면 및/또는 평평한 오목 플레이트를 갖는 라임(lame)을 포함하는 적응 인터페이스 장치를 더 포함하며, 상기 적응 인터페이스 장치는 초점 및 상기 초점의 상기 경로상의 광학 수차를 보정하도록 구성된 적어도 하나의 광학 표면을 가진다. 선택적으로, 상기 장치는 눈의 저압 흡인을 수행하도록 구성된 시스템을 포함할 수 있다.

이와 같이, 상기 안과용 수술장치는 치료될 눈에 배치될 수 있으며, 상기 적응 인터페이스 장치는 눈의 안구상에 있다.

바람직하게는, 상기 안과용 수술장치는 레이저 광원 및 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템의 작동을 트리거링하는 장치를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 레이저 광원은 700nm 내지 1350nm의 파장, 바람직하게는 1025nm 내지 1080nm의 파장으로 레이저 펄스를 방출한다.

바람직하게는, 상기 레이저 광원은 20kHz 내지 1MHz의 반복 속도, 바람직하게는 240kHz 이상의 반속 속도로 레이저 펄스를 방출한다.

일 실시예에 따르면, 이상적으로 펄스된 단일 횡 모드 레이저 광원은 1 피코초 내지 100ps의 지속 기간을 갖는 레이저 펄스의 빔을 방사하는데 적합하다. 특히 바람직하게는, 상기 이상적으로 펄스된 단일 모드 레이저 광원은 1 피코초 내지 30ps의 지속 시간을 갖는 레이저 펄스의 빔을 방사하도록 구성된 반도체 레이저 또는 다른 레이저를 포함한다. 최적으로, 초점에서의 펄스의 (시간 프로파일의 중간 높이에서 측정된) 지속 시간은 1ps 내지 5ps이다.

다른 실시예에 따르면, 상기 이상적으로 펄스된 단일 횡 모드 레이저 광원은 0.1 나노초와 10ns의 지속 기간을 갖는 레이저 펄스의 빔을 방사하는데 적합하다.

본 발명은 눈의 전안부의 안과용 수술장치에 특히 유리하게 적용될 것이다.

본 발명은 또한 하기의 설명에 나타나고 개별적으로 또는 기술적으로 허용가능한 모든 조합에 따라 고려되어야 하는 특성들에 관한 것이다.

비 제한적인 예시의 방법으로 주어진 이 설명은 본 발명이 어떻게 수행될 수 있는지 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해되게 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안과용 수술장치의 개략도를 도시한다.
도 2는 레이저 시스템과 치료될 눈 사이의 적응 인터페이스 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 회전 프리즘에 기초하여 레이저 빔을 이동시키는 시스템의 제1 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4a 내지 도 4e는 프리즘의 상이한 배향 및 초점의 대응 위치에서의 광학 집속 시스템 및 회전 프리즘의 조합을 도시한다.
도 5는 회전 거울을 포함하는 거울들의 시스템에 기초하여 레이저 빔을 이동시키는 시스템의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 의해 수행된 수정체낭절개 수술 후 양안 현미경에 의해 촬영된 이미지들의 예를 도시한다.
도 8은 수정체 낭의 진원의 가장자리를 보여주는 주사 전자 현미경 이미지의 예를 도시한다.

장치

라식(LASIK) 유형의 많은 각막 수술 장치들 또는 백내장 수술 장치들(FLAC)은 펨토초 레이저를 기반으로 한다. 여기서 펨토초 레이저라는 용어는 1 ~ 수백 펨토초의 지속 시간을 갖는 광 펄스를 방출하는 레이저를 의미한다. 맥박의 지속 시간을 최소화하는 것은 일반적으로 눈 앞부분의 투명 조직을 절단하는데 권장된다. 실제로, 레이저 펄스 레이저의 지속 시간이 길수록 에너지 축적이 더 크며 열 효과를 발생시킬 위험이 더 커진다. 에너지 축적을 최소화하고 회복 불가능한 손상을 일으킬 수 있는 안구 조직의 가열을 피하는 것이 중요하다.

본 발명의 일부인 관찰 결과(observation)는 백내장 수술을 위해 펨토초 레이저를 사용하는 모든 시스템이 수정체의 매우 큰 부분에 해당하는 체적의 임의의 지점에 빔을 집속시킬 수 있도록 구성된, 빔을 이동시키는 장치를 기반으로 한다는 것이다.

이들 종래 기술 시스템들은 한편으로는 6 자유도(3 자유도의 회전 및 3 자유도의 병진(translation))로 초점을 이동시키는 기계 시스템을 사용하고, 다른 한편으로는 3차원 광학 이미징 시스템을 사용한다. 그러나, 수정체의 체적만큼 확장된 이미지 필드상에 기하 광학 수차(geometric optical aberrations)가 없는 집속(focussing)을 얻는 것은 매우 어렵고 불가능하다. 복잡한 광학 시스템을 사용하여 광학 수차를 보상하도록 시도할 수 있지만, 가변 직경의 필드에서 모든 광학 수차를 완벽하게 보상하는 것은 실제로 불가능하다는 것을 쉽게 알 수 있다.

또한, 종래 기술의 이러한 레이저 시스템에 사용되는 방법은 1초보다 훨씬 긴 지속 시간 동안, 그리고 어떤 경우에는 환자가 눈을 움직이지 않게 유지할 수 있는 지속 시간보다 더 긴 지속시간 동안 눈의 고정을 필요로 한다. 따라서 이전의 모든 펨토초 레이저 기반 시스템은 3D 이미지 수집 중에 그리고 백내장 수술 중에 눈을 움직이지 않게 할 정도의 흡입에 의해 압력을 가하는 적응 인터페이스 장치를 사용한다. 결과적으로, 실제로 눈의 고정은 수십 초에서 수 분까지 지속된다. 그러나, 눈에 가해지는 흡입 압력은 출혈, 안압의 해로운 증가, 또는 어떤 경우에는 궤양의 출현을 포함하는 많은 2차 효과를 유도하는 것으로 알려져 있다.

본 개시는 특히 수정체낭절개라고도 불리는 수정체의 전방 낭의 절단에 특히 전용되는 안과용 수술장치를 제안한다.

한편, 이 장치는 바람직하게는 펨토초 레이저 대신에 1 피코초(picosecond) 또는 나노초(nanosecond)의 지속 시간을 갖는 펄스 레이저의 사용에 기반한다. 상기 장치는 펨토초 레이저로도 작동할 수 있지만, 장치가 더 비싸다.

피코초 레이저라는 용어는 0.1 피코초와 약 100 피코초(ps) 사이의 지속 시간을 갖는 광 펄스를 방출하는 레이저를 의미한다. 마지막으로, 나노초 레이저라는 용어는 0.1 나노초와 약 100 나노초(ns) 사이의 지속 시간을 갖는 광 펄스를 방출하는 레이저를 의미한다.

레이저(1)는 바람직하게는 단일 횡 모드 레이저(single-transverse mode laser)이다.

한편, 본 개시에 따르면, 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 단일 회전 자유도를 갖는 시스템으로 제한된다. 선택적으로, 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 제한된 진폭의, 병진에서 1, 2 또는 3 자유도를 가질 수 있다. 이와 같이, 레이저 빔의 이동은 한정된 부피, 바람직하게는 환형 또는 원환체(toric) 형상의 한정된 부피에 위치된 곡선 경로로 제한된다. 이동을 위한 기계 시스템은 매우 단순화되고 장치 비용이 절감된다. 또한, 집속 지점의경로를 원(단일 점으로 제한된 필드에 광학적으로 대응함)으로 제한하면, 레이저 빔의 전체 경로에 걸쳐 초점에서 광학 수차를 보정하는 것이 가능하게 되는데, 그 이유는 초점의 기준에 위치하면 회전하는 요소가 움직이지 않기 때문이다. 마지막으로 경로를 한정된 부피로 제한하면 3차원 이미징 시스템에 대한 필요성을 억제할 수 있다. 수술실에서 통상적으로 사용하는 양안 현미경 유형의 2차원 이미징 시스템은 전체 경로에 걸쳐 실시간으로 레이저 빔의 집속을 모니터링하고 제어하기에 충분하다.

특히, 초점의 경로를, 예를 들어 프리즘 또는 오프-센터 집속 렌즈(off centered focussing lens)에 의한 편향 이전의 레이저 빔의 광축을 중심으로 하는 원으로 제한함으로써, 경로의 임의의 지점에서 정확히 동일한 파면(wavefront)을 가질 수 있다. 그리고 한 지점에서의 보정은 편위(deviation) 이전의 레이저의 광축을 중심으로 레이저를 편위(deviating) 또는 편향(deflecting)시키기 위한 요소를 회전시키는 조건을 갖는 모든 지점에 대한 보정과 동일하기 때문에 파면을 보정하는 것이 특히 쉽다.

편위 후의 빔의 경로 상에 위치하는 모든 요소는 레이저가 지수(index)의 상당한 변화를 갖는 인터페이스를 가질 때, 편위 후의 빔의 경로의 임의의 지점에서 레이저의 축에 대해 회전 대칭을 이루는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 집속 렌즈 다음에 위치된 이러한 표면은 주 반경이 그 경로의 임의의 지점에서 입사면에 항상 수직되게 하는 각도를 갖는 원추형 절두체의 형상을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안과용 수술장치(100)를 개략적으로 도시한다. 상기 장치는 수정체의 전방 낭(capsule)을 절단하는 수술을 위해 눈(4)에 대해 배치된다. 눈의 몇몇 해부학적 요소들, 즉 각막(24), 각막 주위의 윤부(limbus;7), 홍채(26) 및 수정체(5)를 나타내는 환자의 눈(4)의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 일반적으로, 수정체낭절개(capsulorhexis) 수술 동안, 홍채(26)는 최대로 확장된다. 수정체의 대칭의 광축(21)은 홍채(26)의 중심 또는 윤부(7)의 중심을 통과하는 축 또는 이들 2개의 중심 사이에 위치된 지점으로 정의되며, 이 광축(21)은 상기 수정체의 전방 낭의 표면에 실질적으로 수직이다.

안과용 수술장치는 바람직하게는 광섬유(15)에 의해 수동 공구(40)에 연결되는 레이저 광원(1)를 포함한다. 광섬유(15)는 수동 공구를 용이하게 조작할 수 있게 하는 한편, 여전히 레이저 광원(1)이 환자로부터 일정 거리 떨어져 고정되게 할 수 있다. 광섬유는 환자의 눈(4) 주위의 공간을 깨끗하게 하는 것 등을 가능하게 한다. 오퍼레이터 또는 외과의는 수동 공구(40)를 환자의 눈(4)의 각막(24)과 근접시키거나 접촉시킨다.

레이저부(1)는 유리하게는 피코초 또는 나노초 펄스 레이저부이다. 이러한 레이저부는 광섬유(15)를 파괴할 수 있는 펄스 전력을 방출하는 펨토초 레이저부와 달리, 광섬유(15)를 통한 전송부와 호환된다.

수동 공구(40)는 레이저 빔을 성형하기 위한 광학 시스템(10) 및 레이저 빔(8)을 안구 내(intraocular) 초점(6)에 그리고 보다 정확하게는 환자의 눈(4)의 전안부(anterior segment)의 지점에 집속시키기 위한 광학 접속 시스템(20)을 포함한다.

광학 시스템(10,20)은 예를 들어 렌즈를 갖는 하나 또는 두 개의 무한초점(afocal) 광학 시스템을 포함한다. 광학 집속 시스템(20)은 수정체의 전방 낭의 표면 부근에 초점(6)을 맞추도록 그리고 레이저 빔(8)의 초점(6)이 수정체의 대칭의 광축(21)에 대하여 중심에서 벗어나도록 구성된다. 이와 같이, 안구상의 입사 레이저 빔(8)은 눈의 전안부의 축 외부의 다양한 광 매체를 통해 전파된다. 보다 정확하게는, 레이저 빔(8)은 각막 축의 외측 부분에 의해 굴절되고, 각막의 후방 면과 수정체(5)의 전방 낭 사이에 위치한 수양액(aqueous humour)을 통해 전파된다.

수동 공구(40)는 또한 회전축에 대해 초점(6)을 이동시키도록 구성된 레이저 빔(8)을 이동시키는 시스템(30)을 포함한다. 보다 특히, 레이저 빔의 초점(6)을 이동시키는 시스템(30)은 회전축 둘레의 곡선 경로(16)를 초점(6)이 따르도록 구속하게 구성된다. 바람직하게는, 외과의는 수정체의 대칭의 광축(21) 상에 회전축을 정렬시키는 방식으로 수동 공구(40)를 배치한다. 여기서는 눈(4)은 반드시 고정되어 있지는 않지만, 고정되어 있다고 가정한다. 특히 유리하게는, 레이저 빔(8)의 초점(6)의 경로(16)는 실린더의 표면상에 또는, 축 대칭, 예를 들어 타원형 또는 원형 단면을 가지며 정해진 치수 또는 정해진 직경을 갖는 나선체(helicoid) 상에 위치되며, 실린더의 축은 수정체의 대칭의 광축(21)에 중심이 두어진다.

특히, 이 경로(16)는 수정체(5)의 부피에서 시작하여 수정체의 전방 낭의 표면(25)과 각막(24) 사이에서 마무리될 수 있다.

바람직하게는, 수동 공구(40)는 치료할 눈과 접촉한 상태로 배치된 적응 인터페이스 장치(60)를 포함하며, 적응 인터페이스 장치는 각막(24)상의 빔(8)의 입사각을 감소시킬 수 있다. 환자의 눈은 자유롭거나 약한 흡입에 의해 짧은 지속 시간(일반적으로 1초 미만) 동안 고정될 수 있다. 그와 같이 적응 인터페이스 장치(60)가 고정되는 수동 공구(40)는 광섬유에 의해 레이저 광원에 연결되는 이러한 안과용 수술 도구를 형성하며, 외과의가 쉽게 조작할 수 있다.

특히 유리한 실시예에서, 수동 공구(40)는 또한 레이저 빔(8)의 광 경로상에 배치된 반투명 플레이트 또는 이색성(dichroic) 플레이트를 포함하며, 여기서 반투명 플레이트 또는 이색성 플레이트는 수정체의 전방 낭 및 레이저 빔의 초점(6)을 직접 보거나 레이저 빔의 광 경로상에 양안 현미경을 광학적으로 결합시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 양안 현미경은 수정체의 전방 낭과 레이저 빔의 초점(6)을 동시에 볼 수 있게 한다. 이와 같은 양안 현미경은 수정체의 대칭의 광축(21)에 대한 수동 공구(40)의 정렬, 레이저 빔(8)의 집속 및 수정체의 전방 낭 절단을 실시간으로 제어할 수 있다. 그러나, 외과의가 직접 볼 경우에는 매우 짧은 시간에 안과용 수술기구의 정확한 수동 정렬이 가능하고 몇 초 또는 심지어 1초도 안되는 총 시간에 열편(rhexis)의 절제를 시행할 수 있는 이점을 제공한다.

도 2는 환자의 눈의 전안부에 접촉하여 설치된 적응 인터페이스 장치의 일부의 확대 단면도를 도시한다. 여기에서 적응 인터페이스 장치는 예를 들어, 각막(24)을 향하여 배치된 면이 각막(24)의 평균 곡률 반경보다 크거나 동일한 곡률 반경을 갖는 평면 오목 렌즈(61)를 포함한다. 또 하나의 실시예에서, 적응 인터페이스 장치는 평평한 면을 갖고 평면 오목 렌즈(61) 대신에 평행한 플레이트를 포함한다. 적응 인터페이스 장치는 고체 물질 또는 액체 물질 또는 고체 물질과 액체 물질의 조합으로 형성될 수 있다. 이들 재료는 레이저의 파장에 투과적이어야 한다. 윤부(limbus)의 중심 및/또는 홍채(iris)의 중심을 통과하는 광축(21)상에 적응 인터페이스 장치(60)의 광축의 중심을 맞추는 것이 중요하다. 바람직하게는, 서로 다른 굴절률을 갖는 광 매체 간의 경계면에서 굴절에 의한 레이저 빔(8)의 편위를 제한하기 위해, 액체 또는 겔(gel)이 각막(24)의 표면과 평면 오목 렌즈(61) 또는 적응 인터페이스 장치의 평면들을 갖는 플레이트 사이에 배치될 수 있다.

바람직하게는, 계면(61)의 하면은 구형 또는 준 구형이며, 각막의 곡률 반경보다 약간 큰 곡률 반경, 일반적으로 9mm 내지 11mm의, 바람직하게는 10mm의 곡률 반경을 갖는다. 이와 같이, 안과용 수술기구와 눈 사이의 접촉은 단일 지점 또는 매우 작은 준 평면 표면으로 줄어드는데, 이 매우 작은 준 평면 표면은 각막과의 광학적 접촉을 유지하면서 각막 꼭대기에 대한 홍채의 중심 이탈(off centering)을 보상하기 위해 전형적으로 +/- 0.5mm 내지 +/- 1mm의 최대 측방 이동이 가능하다. 외과용 기구의 정렬의 조정은 눈에 대한 안과용 수술기구의 수동 이동을 통해 외과의에 의해 수행되고, 스캐너 유형의 주사 빔 시스템의 사용에 기초한 시스템들에서와 같이 장치 내부의 레이저 빔의 이동에 의해 수행되지는 않는다. 이와 같이, 레이저 빔은 안구 움직임에 특징적인 시간보다 짧은 시간에 눈의 표면상의 안과용 수술기구의 각도 및 위치의 간단한 수정으로 외과의에 의해 안구의 위치 및 방향이 조정될 수 있는 원을 묘사한다. 따라서, 반드시 안구를 고정시킬 필요는 없다.

도 2의 선도에서, 레이저 빔(8)은 각막(24)과 렌즈(61)의 오목면 사이에 위치한 매질(공기 또는 지수의 액체 매질), 각막(24) 및 눈의 전방 낭에 있는 수양액(aqueous humour)을 연속적으로 통과한다.

레이저 빔(8)은 초점(6)상에 집속된다. 레이저 빔(8)은 렌즈(61) 및, 이들 광학 구성요소의 회전의 대칭의 광축에 대해 중심을 벗어나서 각막을 통과하며, 이 레이저 빔은 광축(21)과 합체되는 것이 관찰된다. 그러나, 레이저 빔(8)의 개구 수(numerical aperture)는 레이저 빔(8)이 통과하는 영역이 렌즈(61) 상에서 그리고 각막(24) 상에서 상당히 축소된 공간 범위를 가질 정도로 제한된다.

평면 오목 렌즈(61) 또는 눈과 접촉하는 적응 인터페이스 장치를 형성하는 광학 시스템의 광학 두께는 매우 클 수 있다. 실제로, 적응 인터페이스 장치의 광학 두께는 광학 집속 시스템의 초점 길이의 90% 내지 98%에 도달할 수 있다. 이 두께는, 예를 들어 편위를 허용하는 프리즘인 경우와 같이, 집속 요소가 이동하지 않거나 느린 이동만을 하는 경우에 100%에 도달할 수도 있다. 침지 표면이 집속을 허용하고 또한 수차(aberrations)를 보정하도록 허용하는 경우, 집속 소자의 지수와 침지 매체의 지수 사이에 충분한 Δn이 유지되어야 한다. 1보다 큰 굴절률을 가지며 유리하게는 각막의 굴절률(각막의 굴절률은 약 1.38임)에 근접한 굴절률을 가지는 매질과 눈의 광학 집속 시스템을 분리하는 공간을 채움으로써, 초점의 물리적 크기를 증가시키지 않고 주어진 집속 시스템에 대해 후측 초점 거리, 즉 초점으로부터 렌즈의 정점까지의 거리를 증가시킬 수 있다. 또한, 적응 인터페이스 장치와 결합된 광학 집속 시스템이 필드의 단일 점에서 작동한다는 사실은 매우 큰 두께의 오목한 평면 렌즈(61)를 포함하는 전체 원형 경로에 대한 기하학적 수차를 정밀하게 보상할 수 있게 한다.

일 실시예에서, 적응 인터페이스 장치는 평면 오목 렌즈 또는 렌즈의 연속 조립체로 형성되어 수 디옵터(dioptres)를 갖거나 또는 인접한 표면들이 일치하고 지수들이 서로 인접한 몇 개의 재료로 구성된 두꺼운 플레이트(61)로 이루어진 광학 시스템을 포함한다. 바람직하게는, 두 연속하는 디옵터(dioptres) 사이의 지수(Δn)의 그 급상승(jump)은 0.1보다 작다. 또한, 광학적으로 연속적인 두꺼운 조립체를 제조하기 위해, 즉 재료는, 눈으로부터 가장 먼 인터페이스를 제외하고 공기와의 인터페이스 없이 전형적으로 1.3 내지 1.5의 각막의 굴절률(n=1.38)에 근접한 굴절률을 갖도록 선택된다. 바람직하게는, 고체 물질은 용융 실리카(n=1.45) 또는 저 굴절 렌즈(n<1.51) 또는 PMMA(n=1.49) 또는 아크릴(n=1.49)과 같은 중합체로부터 선택되며, 액체 물질은 물(n=1.33), 염분 또는 단수(sweet water; n=1.33 내지 1.45) 또는 수용성 염기를 갖는 겔로부터 선택된다. 광학 연속성을 유지하기 위해 하나 또는 여러 개의 두꺼운 광학 어셈블리 인터페이스가 액체 또는 겔로부터 형성될 수 있다. 광학 집속 시스템은 광학계의 단일 점에서만 작동하기 때문에, 통과된 다수의 광 매체에도 불구하고 광학계의 이 단일 점에서 구면 수차(aberrations)를 완벽하게 보상할 수 있다.

레이저 빔(8)의 초점(6)은 광축(21)으로부터 소정의 거리(d)에 위치된 수정체(5)의 전방 낭의 표면상의 한 점에 위치된다. 예를 들면, 초점(6)과 광축(21) 사이의 거리(d)는 2.5mm이다. 유리하게는, 거리(d)는 레이저 발사의 시작 전에 환자의 특정 요구에 따라 조정될 수 있다. 예를 들면, 거리(d)는 1∼4 mm 사이에서 조정될 수 있다.

레이저 광원(1)과 초점(6) 사이의 레이저 빔의 광 경로 상에 배치된 광학 구성요소들 및 광 매체 모두가 초점(6)의 형성에 참여한다. 안과용 수술장치의 광학 구성요소들과, 전방 낭과 각막의 전방 면 사이에 위치된 눈의 전치 부분(anterior segment)의 일부가 이렇게 결합함으로써 완전한 광학 시스템이 형성된다. 더욱 정확하게는, 광학 시스템들(10,20), 평면 볼록 렌즈(61), 및 평면 볼록 렌즈(61)와 초점(6) 사이에 위치된 눈의 다양한 광 매체와 인터페이스는 기하학적 광학제품(optics)의 측면에서 초점(6)의 위치 및 특성을 결정한다.

완전한 광학 시스템의 기하학적 광학 성능은 높은 개구 수(적어도 0.4와 동일한 N.A.)에 대한 회절(diffraction) 및 낮은 개구 수(전형적으로 0.2 미만, 바람직하게는 0.05와 0.15 사이, 예를 들어 대략 0.1의 N.A.)에 대한 악조건(fortiori)에 의해 쉽게 제한되는데, 이는 이미지 평면에서의 집속이 여전히 실질적인 작동 거리를 가지면서 단일 필드를 갖기 때문이다(예를 들어, 0.4보다 크거나 같은 개구 수(N.A.)에 대하여 수동 공구(40)의 광학 시스템과 초점(6) 사이의 작동 거리가 20mm보다 크다).

실제로, 평면 오목 렌즈(61) 및 눈의 전안부의 매질을 통한 레이저 빔(8)의 공간 범위는 매우 낮다(도 2 참조). 이렇게 해서 초점(6)에서 기하학적 수차를 감소시키거나 상쇄(cancel)할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 안과용 수술장치는 축(36)에 대하여 초점(6)을 이동시키도록 구성된 레이저 빔(8)을 이동시키는 시스템(30)을 포함한다. 예를 들어, 레이저 빔(8)을 이동시키는 시스템은 빔을 이동시키는 광 기계 시스템이다. 특히, 레이저 빔의 초점(6)을 이동시키는 시스템(30)은 회전축(36)을 중심으로 회전 대칭을 이루는 곡선 경로를 따르도록 상기 초점(6)을 구속하도록 구성된다. 바람직하게는, 외과의는 홍채(26) 및/또는 윤부(7)의 중심을 통과하는 광축(21)상에 회전축(36)이 정렬되도록 수동 공구(40)를 배열할 수 있다. 눈(4)은 반드시 고정될 필요는 없지만, 고정된 상태를 유지한다고 가정하자. 특히 유리하게는, 레이저 빔(8)의 초점(6)의 경로는 실린더의 표면상에 위치되거나 축 대칭을 갖는, 예를 들면 타원형 또는 원형 단면을 가지며 정해진 치수 또는 정해진 직경을 갖는 나선형(helicoid) 상에 위치되며, 이때 실린더(20)의 축은 홍채 및/또는 윤부 상에 중심이 맞춰진다.

일 실시예에서, 광학 시스템(10) 또는 광학 시스템(10)의 적어도 하나의 요소는 레이저 빔의 병진 및/또는 경사가 회전축과 관련을 가지면서 이 회전축을 중심으로 빔이 회전하게 하는 이동 프레임(mobile frame) 상에 장착된다. 수정체의 광축(21) 상에 레이저 빔의 회전축(36)을 정렬시킴으로써, 레이저 빔(8)은 수정체의 대칭의 광축(21)을 중심으로 일 회전한다.

예를 들어, 상기 이동 시스템은, 초점(6)을 직경이 4mm이고 광축(21)을 중심으로 하는 원형 경로를 따라 이동시키도록, 구성된다. 그와 같은 초점(6)의 경로는 편향된 레이저 빔의 회전축(36)을 횡단하는(transverse to) 평면 내에 있다. 수정체(5)의 전방 낭의 표면(25)의 원형 절단이 그와 같이 수행될 수 있다. 30Hz 내지 350Hz의 속도의 회전이 z 방향에서의 100μm/s로부터 1250μm/s까지의 이동 속도의 축방향 병진과 결합된다. 레이저 빔의 경로는 240kHz 이상, 예를 들어 500kHz의 펄스의 반복 속도로, 약 150ms의 지속 기간에 걸쳐서 200㎛의 높이의 나선형태(helicoid)를 취한다.

이 방식으로, 레이저 빔(38)의 초점(6)이 원형 경로를 따라 이동하는 동안, 레이저 빔(8)은 평면 오목 렌즈(61)의 광축으로부터 일정 거리 떨어져서 위치된 환형 영역에서 평면 오목 렌즈(61)를 횡단한다. 유사하게, 레이저 빔은 이 광축(21)을 중심으로 하는 광학 빔의 전체 경로에 걸쳐 초점(6)에 관계없이 일정하게 유지되는 광축(21)으로부터 조금 떨어져 있는 눈의 전안부의 각 인터페이스 또는 광 매체를 통과한다. 이와 같이, 다양한 광학 구성요소들 및 매질에서 레이저 빔이 통과하는 영역은 광축(21)에 대하여 중심 대칭(centro-symmetrical)이다. 광축(21)을 중심으로 하는 경로를 따라 초점을 이동시킴으로써 초점(6)이 전체 경로에 걸쳐 동일한 기하학적 광학 특성을 갖는 것을 보장할 수 있다. 이렇게 집속점(6)에서뿐만 아니라 광축(21)을 중심으로 하는 전체 곡선 경로에 걸쳐 기하학적 수차를 최소화하거나 심지어 보정하는 것도 가능하다. 이러한 특이성은 6㎛ 미만의 초점 크기를 여전히 유지하면서 제한된 개구 수를 여전히 사용하는 동안에, 회절 한계(limit of diffraction)에 매우 근접한 치수(전형적으로 회절 한계의 1.2배 미만의 직경을 가지는 경우)의 초점을 얻는 것을 가능하게 한다.

특히 바람직하게는, 적응 인터페이스 장치(60)는 레이저 빔(8)이 입사하는 적어도 하나의 환형 영역을 포함하며, 이 환형 영역은 안구 내 초점(6)상의 기하학적 광학 수차의 보정에 기여한다.

이와 같이, 상기 장치는 레이저 빔의 전체 경로에 걸쳐 초점(6)에서 광학 수차가 완벽하게 보정되고, 이 경로는 정해진 직경을 갖는 환형 경로이다.

도 3은 회전 프리즘에 기초한 제1 실시예에 따른 레이저 빔을 이동시키는 시스템을 도시한다. 프리즘(31)은 레이저 빔(8)의 광 경로 상에서 수동 공구(40) 내부에 배치된다. 프리즘(31)은 입사 레이저 빔(8)을 수신하고 편향된 레이저 빔(38)을 투과시킨다. 실제로, 프리즘(31)의 통과는 레이저 빔의 편위를 일으키며, 이 편위 각은 프리즘의 기하학적 광학 특성, 즉 프리즘(31)의 상부에서의 각도와 이 프리즘(31)을 형성하는 재료의 굴절률에 의해 결정된다. 프리즘(31)은 예를 들어 회전 플레이트 상에 회전축(36)을 중심으로 회전 가능하게 장착된다. 바람직하게는, 프리즘의 회전축(36)은 회전하는 프리즘(31) 상의 입사 레이저 빔(8)의 광축에 평행하다. 회전축(36)을 중심으로 한 프리즘(31)의 회전은 프리즘에 의해 편위된 레이저 빔(38)의 회전(R)을 일으킨다. 결과적으로, 회전축(36)에 대해 횡단하는 평면에서, 회전 프리즘(31)에 의해 편향된 레이저 빔(38)의 경로(28)는 회전축(36)을 중심으로 하는 원형 경로이다. 회전축에 대해 횡단하는 평면에서 빔의 원형 경로의 반경은 d와 같다.

도 4a는 집속 시스템(10) 및 회전 프리즘(31)의 조합을 도시한다. 광학 시스템(10)은 초점(6)상에 점 광원(18)의 이미지를 형성한다. 예로서, 광학 시스템(10)은 무한초점 광학 시스템(afocal optical system)을 형성하도록 배치된 두 개의 렌즈를 포함한다. 타 단부가 레이저 광원(1)에 연결되는 광섬유(15)의 단부는 예를 들어 점 광원(18)을 구성한다. 무한초점 시스템(10)은 점 광원(18)과 초점(6) 사이에 정해진 배율을 생성하도록 구성될 수 있다. 회전 프리즘(31)은 집속용 시스템(10)과 초점(6) 사이에 배치된다. 프리즘(31)은 레이저 빔(38)의 편위를 초래하고, 따라서 프리즘 상에서의 입사 레이저 빔의 광축에 대한 초점의 탈중심(decentring)을 초래한다. 결과적으로, 회전 프리즘(31)이 레이저 빔(8)의 축을 중심으로 회전하면 프리즘(31)의 회전축(36)을 수직으로 가로지르는 평면에서 초점(6)이 원형 경로를 따라 이동된다.

도 4b 내지 도 4e는, 회전 프리즘(31)의 서로 다른 방향들에서의 집속용 시스템(10) 및 회전 프리즘(31)의 조합을 도 4b 내지 도 4e의 평면의 투영도로서 상세히 도시하고 있다. 도 4b에서, 회전축(36)에 대한 프리즘(31)의 회전각은 0°이고, 초점(6)은 회전축(36) 위에, 도 4b의 평면에 위치된다. 도 4c에서, 회전축(36)에 대한 프리즘(31)의 회전각은 90°이고, 초점(6)은도 4c의 평면을 횡단하는 평면에 위치된다. 도 4d에서, 회전축(36)에 대한 프리즘(31)의 회전각은 135°이고, 초점(6)은 도 4d의 평면과 135°의 각도를 형성하는 평면에 위치된다. 도 4e에서, 회전축(36)에 대한 프리즘(31)의 회전각은 180°이고, 초점(6)은 회전축(36) 아래에, 도 4e의 평면에 위치된다. 도 4b 내지 도 4e의 각각에서, 편향된 레이저 빔(38)은 회전 프리즘(31)의 회전각에 따라 회전축(36)을 중심으로 이동되는 초점(6)상에 집속된다. 회전 프리즘(31)의 회전(R)은 회전축(36)을 횡단하는 평면 내에서 초점(6)의 이동을 발생시킨다. 프리즘의 회전각과 무관하게, 초점(6)은 축(36)으로부터 일정 거리 떨어져 있게 된다. 또한 프리즘에서의 입사 빔의 개구 수 및 상기 프리즘의 상부에서의 각도가 낮은 상태에서, 프리즘으로 인한 기하학적 수차는 보상이 허용되는 경로(16)를 따라 적고(low) 일정하게 유지된다.

도 5는 회전 거울을 갖는 광 기계 시스템에 기초한 제2 실시예에 따른 빔을 이동시키는 시스템을 도시한다. 예로서, 도 5의 이동 시스템은 제1 평면 거울(34) 및 원추형의 제2 오목 거울(35)을 포함하는 거울 시스템을 포함한다. 평면 거울(34)은, 레이저 빔(8)을 제2 오목 거울(35)에 반사시키도록, 입사 레이저 빔의 광축에 대해 경사져 있다. 제2 오목 거울(35)은 제1 거울(34)로부터 입사된 레이저 빔을 반사시키고, 입사 레이저 빔(8)의 광축에 대해 상쇄 및/또는 편위되는 레이저 빔(38)을 형성한다. 제1 거울(34)은 회전축(36)을 중심으로 회전 가능하게 장착되고, 더욱 바람직하게는 입사 레이저 빔(8)의 광축 상에 정렬되고 제2 원추형 거울(35)의 축 상에 정렬된다. 거울(34)의 회전은 회전축(36)을 중심으로 레이저 빔(38)의 회전을 일으킨다. 제2 거울(35)은 회전축(36)에 대하여 중심 대칭적으로(centro-symmetrically) 레이저 빔을 반사시킨다. 이와 같이, 초점(6)은 제1 미러(34)의 회전속도와 동일한 회전속도(R)로 회전축(36)을 중심으로 한 원형 경로(16)를 따른다.

도 3 내지 도 5에 도시된 경우들에서, 레이저 빔의 각도 편위와 이 편향된 레이저 빔의 회전의 조합은 원형 단면의 원추를 따라 편향된 레이저 빔(38)의 이동을 생성한다. 펄스 레이저 빔의 초점(6)은 수정체의 광축(21) 주위의 환형 영역 내부의 곡선 경로(16)를 따른다. 이 환상 영역은, 한편으로는 원형 단면을 가지며 직경이 서로 다른 두 동축 원뿔 - 이들 원뿔의 축은 하나로 합쳐짐 - 사이에 구획된 체적으로 제한되고, 다른 한편으로는 상기 원뿔들의 축을 횡단하는 두 평면 사이에 구획된 체적으로 제한된다.

또 하나의 실시예에서, 집속을 위한 시스템은 중심에서 벗어난 비구면(aspherical) 렌즈를 포함한다. 바람직하게는, 인터페이스 장치의 렌즈는 집속을 위한 시스템 측에 평탄한 표면을 갖는다. 이 경우, 기하학적 수차는 실질적으로 구면 수차 그리고 무시해도 될 정도의 탈중심 코마 수차(coma)로 감소된다. 집속용 시스템의 비구면 렌즈는 초점의 원형 경로(16)의 어느 점에서도 이러한 수차를 완벽하게 보정하도록 구성될 수 있다.

특히 바람직하게는, 축을 벗어나서 작동하는 비구면 렌즈를 포함하는집속용 시스템과 평탄한 상부면을 갖는 매우 두꺼운 렌즈를 포함하는 환자 인터페이스 장치의 조합은, 집속 시스템의 후측 초점 거리(back focal distance)를 약 40% 만큼 늘릴 수 있고, 따라서 눈으로부터 집속 시스템을 실질적으로 분리시킬 수 있다. 바람직하게는, 이 렌즈는 심지어 렌즈의 광축에 대하여 중심을 벗어나 전환될 수 있다. 예를 들어, 프레임의 회전축에 대한 렌즈의 광축의 중심 이탈은 기술하고자 하는 원의 반경과 대체로 동일하다. 그래서 이 요소는, 입사 광선이 통과하는 렌즈의 표면과 여전히 동일하기 때문에 입사 빔의 광축에 해당하는 기하학적 중심 둘레로 회전하도록 만들어질 수 있다. 이와 같이 얻어진 안과용 수술기구는 매우 소형이고 인체공학적이다. 따라서, 안과용 수술기구는 외과의에 의해, 그가 오른손잡이건 왼손잡이건 관계없이, 환자의 광대뼈, 눈썹 뼈 또는 심지어 코를 보지 않고 환자의 눈을 수직에서 바로 변하지 않는 시야를 계속적으로 유지하면서 왼쪽 눈 뿐만 아니라 오른쪽 눈에도 사용될 수 있다.

회전 플레이트의 회전 속도는 일반적으로 10 헤르츠 내지 수백 헤르츠이다. 일 실시예에서, 회전 속도는 250 헤르츠이며, 이는 4 밀리초(milliseconds) 동안 1 회전(turn)을 수행하는 것을 가능하게 한다.

상기 장치는 레이저 펄스의 방출의 동기화된 트리거링(triggering)을 위한 장치 및 레이저 빔을 이동시키기 위한 시스템을 포함할 수 있다. 동기화를 위한 장치는 예를 들어 운전자가 페달을 사용하여 제어할 수 있다.

대안적으로, 이동시키기 위한 시스템(30)의 회전은 규정된 회전 주파수, 예컨대 수십 헤르츠(Hertz)로 개시된다. 그런 다음, 작업자는 레이저 빔의 회전과 함께 레이저 펄스의 발사를 트리거한다.

바람직하게는, 빔을 형상화하기 위한 광학 시스템은 레이저 빔을 이동시키는 시스템과 초점(6) 사이에서 상기 빔의 개구 수를 결정하는 필드 다이어프램(field diaphragm)을 포함한다. 실제로, 개구 수는 0.05와 0.45 사이에서 조절된다. 초점과 적응 인터페이스 사이의 거리가 약 20mm 이하이므로, 적응 인터페이스의 광학 구성요소들에 대한 레이저 빔(8)의 공간적 범위는 제한적이며, 이는 초점(6)에서 기하 광학 수차를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

이와 같이 형성된 안과용 수술장치는 전체 경로(16)에 걸쳐 회절 한계에 가까운 치수를 갖는 초점(6)을 얻는 것을 가능하게 한다. 실제로, 전체 경로(16)에 걸쳐, 초점(6)에서의 레이저 빔은 적응 인터페이스 장치의 축에 대하여 대칭이다. 1/e²의 초점에서의 빔의 크기는 선택된 개구 수에 따라 수 마이크론 내지 수십 마이크론이다. 예를 들어, 0.12의 개구 수의 경우, 안구의 초점의 치수는 약 6 마이크로미터이다. 매끄러운 절단을 보장하도록 레이저 충격들의 중첩을 유지하기 위해, 회전 속도는 약 100Hz에서 선택되고, 회전축에 평행한 병진 이동의 속도는 수술의 총 지속 시간을 1초로 제한하는 것을 가능케 하는 눈에서 1mm/s로 선택되며, 이것은 정상 눈의 움직임 특성을 나타내는 시간보다 작다.

이 장치는 규칙적인 원형의, 연속의, 초고속의 그리고 재현성있는 절단을 가능하게 한다. 현미경 분석 결과, 현재의 상용 펨토초 레이저에서 얻은 것보다 더 규칙적이고 덜 거친 절단 품질을 보여준다. 이러한 레이저 수술 장치는 1초 미만, 심지어 10분의 1초 미만의 지속 시간으로 시간의 경과에 따라 수정체의 전방 낭의 원형 절단을 할 수 있게 한다.

진피 절개 전용의 레이저 안과 수술장치는 3차원 화상 획득 및 처리 시스템을 필요로 하지 않기 때문에 비교적 저렴하다.

도 6 내지 도 8은 사후 부검된 전체 돼지 눈에 만들어진 수정체 낭의 절단부(cuts)의 실시예들을 도시한다.

도 6 내지 도 8의 양안 현미경을 통한 이미지에서, 수정체는 착색되었으며, 이는 낭(capsule) 만을 착색하여 수정체의 다른 요소와의 콘트라스트(contrast)를 증가시키는 효과를 갖는다. 이들 도 6 내지 도 8에 있어서, 수정체 낭의 상부(25), 수정체(50)의 내부 및 중심부의 열편(rhexis;51)이 관찰된다. 점선의 원은 낭의 절단부(150), 수정체의 절단부(250) 및 열편의 가장자리(350)에 각각 대응하는 완벽한 원의 이상적인 위치를 나타낸다.

도 6 내지 8에 도시된 절단부는 그 후 양안 현미경으로 관찰하기 위해 탈수되었다. 절단부는 요구되는 정밀도, 재현성 및 품질의 기준에 부합하는 것으로 관찰된다. 실제 절단부와 완전 원 사이의 차이는 낮다. 절단부가 완벽하게 원형이 아닌 경우에도(도 9), 절단부는 매우 규칙적이다. 수정체 낭의 절단부는 연속적이며 어떠한 눈에 띄는 전단부(shearing)도 없다.

그러나 수정체낭절개(capsulorhexis)의 전단부는 이 유형의 수술의 즉각적인 또는 이후의 합병증의 많은 부분의 시작 부분이 될 수 있는 것으로 알려져 있다. 수정체낭절개의 전단부는 수정체의 추출이나 안구 내 주입의 설치 및 시간 경과에 따른 안정성에 매우 해로운 결과를 가져올 수 있다.

도 8에서 높은 배율(1000배)에서, 낭의 가장자리들(150) 및 수정체의 두께로 절단된 부분(250)이 관찰된다.

이러한 절단부(150,250)는 우수한 품질을 나타내며 어떠한 전단도 없다. 절단부는 규칙적이고 전체적으로 아주 매끄럽다. 높은 배율에서도 우표 레이저 절단 효과(postage stamp laser cutting effect)로 인한 어떠한 거친 부분도 관찰되지 않았으며, 이는 펨토초 레이저로 절단했을 때 종종 관찰된 것과는 다르다.

어떤 경우에는 약간의 표면 불규칙성이 관찰된다. 그러나, 절단 부분은 낭의 두께가 매우 양호한 상태로 유지된다. 때때로 열편(rhexis)은 붙어있는 것처럼 보일 수 있지만 포셉(forceps)을 사용하는 매우 작은 견인력으로 이 열편을 쉽게 추출할 수 있다.

예를 들어 100kHz의 레이저 발사 속도와 40Hz의 레이저 빔의 회전 속도로 다양한 테스트가 수행되었다. 커버리지의 비율(rate of coverage)은 두 인접한 레이저 충격 사이의 교차 부분과 이러한 레이저 발사들 중 하나의 충격 표면 사이의 비율로 정의된다. 커버리지의 비율은 특히 레이저 발사(laser firings)의 충격 표면, 레이저 펄스의 반복 속도 및 레이저 빔의 이동 속도에 따라 좌우된다. 커버리지의 비율이 약 50% 미만인 경우에도 절단은 연속적이고 규칙적이다.

현재, 이 결과에 의하면, 피코초 또는 나노초 펄스의 지속 시간은, 레이저 펄스의 에너지와 관련된 붕괴의 기계적 효과들, 그리고 레이저 펄스의 열 증착과 관련된 아주 국부화된 낮은 열 효과들을 동시에 충분히 이용할 수 있도록 하는 것으로 이해된다. 반대로, 펨토초 펄스는 붕괴 효과만 발생시키는데, 이는 펨토초 레이저를 통한 절단에 의해 생성된 불규칙한 가장자리들을 설명할 것이다. 그러나, 열 효과는 절단부 주위에 위치한 안구 조직을 손상시키지 않을 정도로 제한된다. 바람직하게는, 레이저 광원은 50ps와 500ps 사이의 지속 시간에는 그의 작지만 무시할 수 없는 부분(전형적으로 5 내지 40%)의 에너지를 생성하도록 구성된다. 유리하게는, 레이저 광원은 펄스들을 생성하는데, 그 펄스들 중 에너지의 60% 내지 90%가 5ps 미만의 지속 시간을 갖는 시간 프로파일 내에 있고, 에너지의 나머지가 대략 50ps 내지 100ps의 지속 기간에 걸쳐서 대략 가우시안 프로파일에 따라 확산된다.

재현성 테스트는 동물로부터 사후에 찍은 많은 테스트 샘플에서 행해졌다.

수정체 낭의 절단으로 얻어지는 결과는 우수한 품질을 나타낸다. 수동 절단 만큼 실제적으로 규칙적인 가장자리들을 가지는 절단 효과가 얻어지며, 절단부는 곡선형이고, 전체 경로에 걸쳐 그리고 수동 절단부와 심미적으로 비교가능한 일정하거나 준 상수의 곡률 반경을 가지며, 따라서 펨토초 레이저에 의해 얻어진 절단부보다 더 규칙적이다. 또한, 이 절단부는 펨토초 레이저로 얻은 것과 유사한 원형성(circularity) 이점을 갖는다.

절단은 빠르고 150ms 내지 수백 밀리초의 지속 기간 내에 완료될 수 있다.

이 장치는 값이 비싸고 시간 소모적인 3차원 이미징 시스템을 필요로 하지 않다. 따라서, 수술은 펨토초 레이저 수술 장치를 사용하는 것보다 더 빠르다.

안과 수술을 위한 이 피코초 또는 나노초 레이저 장치의 다른 적용에는 눈의 전안부의 수술이 고려된다. 특히, 이 레이저 장치는 노안, 난시 또는 심지어 각막 내경(intra-corneal rings)의 이식 또는 주입 수술을 교정하기 위한 목적을 갖는 각막 수술에 적용할 수 있다.

나노초 또는 피코초 레이저 광원을 사용할 경우 광원 비용을 실질적으로 절감할 수 있다. 반면에 나노초 또는 피코초 레이저 기술들은 또한 입증되고 통합되어 일반적으로 점점 강력해지고 있다.

다른 한편으로, 나노초 또는 피코초 레이저 광원을 사용하면 fs 레이저와 달리 광섬유 출력부와 호환된다. 광섬유 레이저 광원을 사용할 경우 레이저 빔의 공간 품질을 향상시킬 수 있다. 또한 광섬유 레이저 광원을 사용할 경우 소형의 가요성(flexible) 장치를 제안할 수 있다.

레이저의 반복 속도와 레이저 펄스의 지속 시간에 따라 레이저 빔의 이동 속도를 조정하면 집속된 레이저 점들(spots)의 양호한 커버리지를 제공할 수 있으며, 따라서 전단없이도 연속적인 절단을 얻을 수 있다.

Claims (12)

1. - 레이저 펄스의 빔(8)을 방사하도록 구성된 레이저 광원(1);
   - 눈(4)의 전안부의 초점(6) 상에 펄스 레이저 빔(8)을 집속하는 광학 집속 시스템(10,20); 및
   - 미리 정해진 경로(16)를 따라 상기 초점(6)을 이동시키도록 구성된 상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템(30)을 포함하고,
   - 상기 레이저 광원(1)은 약 1 피코초 내지 1 나노초의 지속 시간을 갖는 펄스 레이저 빔(8)을 생성하고;
   - 상기 광학 집속 시스템(10,20)은 눈(4)의 전안부의 표면(25) 부근의 초점(6)상에 상기 펄스 레이저 빔(8)을 집속하도록 구성되고, 상기 초점(6)은 눈(4)의 전안부의 대칭의 광축(21)으로부터 제로(zero)가 아닌 거리(d)에 떨어져 위치되고;
   - 상기 레이저 펄스의 빔을 이동시키는 상기 시스템(30)은 눈(4)의 전안부의 대칭의 광축(21) 주위의 환형 영역에 위치된 곡선 경로(16)를 따라 상기 초점(6)을 이동시키도록 회전축(36)을 중심으로 하는 단일 회전 자유도를 포함하고; 그리고
   상기 광학 집속 시스템(10,20)은 초점(6)에서의, 그리고 눈(4)의 전안부의 대칭의 광축(21) 주위의 상기 환형 영역 내의 전체 곡선 경로(16) 상에서의 기하학적 광학 수차를 제한하도록 구성되는 안과용 수술장치(100).
2. 제 1항에 있어서,
   상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템(30)은 레이저 빔(8)의 광 경로 상에 배치된 광학 시스템(31,34,35)을 포함하고, 상기 광학 시스템(31,34,35)은 입사 레이저 빔(8)을 수신하도록 구성되고 상기 입사 레이저 빔(8)에 대하여 각도 편위되거나 병진된 레이저 빔(38)을 형성하도록 구성되며, 그리고 상기 광학 시스템(31,34,35)은 상기 레이저 빔(38)의 회전을 생성하도록 상기 회전축(36)을 중심으로 회전가능하게 장착된 적어도 하나의 광학 구성 요소(31,34)를 포함하는 안과용 수술장치(100).
3. 제 2항에 있어서,
   상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템(30)은 펄스 레이저 빔(8)의 광 경로 상에 배치된 프리즘(31)을 포함하고, 상기 프리즘(31)은 회전축(36)을 중심으로 회전가능하게 장착되는 안과용 수술장치(100).
4. 제 2항에 있어서,
   상기 펄스 레이저 빔(8)을 이동시키는 시스템(30)은 상기 펄스 레이저 빔(8)의 각도 편위 및/또는 횡방향 이동을 일으키도록 펄스 레이저 빔(8)의 광 경로 상에 배치된 적어도 하나의 거울(34)을 포함하며, 상기 적어도 하나의 거울(34)은 회전축(36)을 중심으로 회전가능하게 장착되는 안과용 수술장치(100).
5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 펄스 레이저 빔(8)을 이동시키는 시스템(30)은 정해진 반경을 갖는 원형 경로(16)를 따라 상기 초점(6)을 이동시키도록 구성되는 안과용 수술장치(100).
6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템은 회전축(36)에 평행한 병진 축을 따라 병진 자유도를 더 포함하고, 그리고 상기 이동시키는 시스템은 원형 단면 및 정해진 반경의 나선형 경로를 따라 상기 초점(6)을 이동시키도록 구성되는 안과용 수술장치(100).
7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   한편으로는 광학 집속 시스템(10,20) 및 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템(30)을 포함하는 수동 공구(40), 그리고 다른 한편으로는 레이저 광원(1)과 수동 공구(40) 사이에 배치된 광섬유 링크(15)를 포함하는 안과용 수술장치(100).
8. 제 7항에 있어서,
   상기 수동 공구(40)는 반 반사 거울(semi-reflective mirror) 또는 레이저 빔(8)의 광 경로 상에 배치된 이색성 거울(dichroic mirror)을 포함하고, 상기 수동 공구(40)는 실시간으로 눈(4)의 전안부의 육안 검사를 제공하도록 양안 현미경을 선택적으로 조합하도록 구성되는 안과용 수술장치(100).
9. 제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   평면 및 평행면 및/또는 평평한 오목 플레이트(61)를 갖는 프레이트를 포함하는 적응 인터페이스 장치(60)를 더 포함하고, 상기 적응 인터페이스 장치(60)는 초점(6) 및 상기 초점(6)의 상기 경로(16)에 걸쳐 광학 수차를 보정하도록 구성된 적어도 하나의 광학 표면을 갖는 안과용 수술장치(100).
10. 제 1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 광원(1) 및 펄스 레이저 빔을 이동시키는 시스템(60)의 작동을 트리거링하는 장치를 더 포함하는 안과용 수술장치(100).
11. 제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원(1)은 700nm 내지 1350nm의 파장, 바람직하게는 1025nm 내지 1080nm의 파장으로 레이저 펄스를 방출하는 안과용 수술장치(100).
12. 제 1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원(1)은 20kHz 내지 1MHz의 반복 속도로 레이저 펄스를 방출하는 안과용 수술장치(100).

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