RU2162675C2

RU2162675C2 - Method for positioning eximer laser beam point

Info

Publication number: RU2162675C2
Application number: RU99108405A
Authority: RU
Inventors: А.В. Тихов; В.В. Белогорский; С.К. Вартапетов
Original assignee: Тихов Александр Викторович
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2001-02-10

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: method involves determining optic axis of an eye by means of selected reference points which coordinates are entered into computer to be used with scanning system with needed adjustments made for producing the next laser impulse. To determine optic axis of an eye, new reference points are to be marked on the eye cornea as labels visible in infrared and ultraviolet radiation bandwidth all over the perimeter outside the surgical intervention zone. The spatial coordinates of the points are entered into the computer by means of two video cameras. The computer controls the scanning system operation in three-dimensional space, positioning laser beam focus in a predefined point based on superimposed projections of two diaphragms through which diode laser beams pass. EFFECT: high degree of beam point positioning accuracy. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области офтальмологии и может быть использовано при операции по коррекции зрения с применением эксимерного лазера. The invention relates to the field of ophthalmology and can be used in surgery to correct vision using an excimer laser.

Известен способ подачи луча эксимерного лазера на роговицу глаза (см. патент США N5108388, кл. НКИ 606/005, 1992 г.), при котором излучение направляют через маску, что позволяет образовать абляцию определенной формы и глубины. Но данная система не учитывает отклонения глаза пациента во время операции по коррекции зрения от фокальной плоскости, а это приводит к изменению площади пятна на 5-10% и, как следствие, к изменению энергии лазерного излучения, падающего на единицу поверхности. A known method of supplying an excimer laser beam to the cornea of the eye (see US patent N5108388, CL NKI 606/005, 1992), in which the radiation is sent through a mask, which allows the formation of ablation of a certain shape and depth. But this system does not take into account the deviation of the patient’s eye during surgery to correct vision from the focal plane, and this leads to a change in the spot area by 5-10% and, as a result, to a change in the energy of laser radiation incident on a surface unit.

Известен способ позиционирования точки луча эксимерного лазера, описанного в патенте США N5645550, кл. НКИ 606/108, 1997 г., выбранного в качестве прототипа. В известном способе за оптическую ось глаза принимают центр зрачка. Система содержит инфракрасную подсветку, инфракрасную видеокамеру, которая производит съемку глаза, где в качестве объекта съемки выступает зрачок. Через процессор-преобразователь инфракрасного изображения в видимое на мониторе компьютер по разнице контрастности радужной оболочки и зрачка определяет центр зрачка. Координаты центра зрачка постоянно сообщаются системе сканирования лазерным лучом, которая вносит необходимую поправку для производства следующего импульса лазера. A known method of positioning the point of the beam of an excimer laser described in US patent N5645550, CL. NKI 606/108, 1997, selected as a prototype. In the known method, the center of the pupil is taken for the optical axis of the eye. The system contains infrared illumination, an infrared video camera that takes pictures of the eye, where the pupil acts as the subject of photography. Through the processor-converter of the infrared image into the computer visible on the monitor, the center of the pupil is determined by the difference in contrast between the iris and the pupil. The coordinates of the pupil center are constantly communicated to the laser beam scanning system, which introduces the necessary correction to produce the next laser pulse.

Недостаток известного способа малая вероятность совпадения центра зрачка с оптической осью глаза и невозможность учесть перемещение глаза вверх и вниз от фокуса луча эксимерного лазера. The disadvantage of this method is the low probability of coincidence of the center of the pupil with the optical axis of the eye and the inability to take into account the movement of the eye up and down from the focus of the beam of the excimer laser.

В известном способе видеокамера регистрирует границы зрачка, принимая его как круг правильной геометрической формы, но такая условность не может применяться для зрачка. Зрачок это пустота, ограниченная мышцами радужки. Мышцы радужки состоят из сфинктера, инервируемого парасимпатической нервной системой. In the known method, the video camera registers the boundaries of the pupil, taking it as a circle of regular geometric shape, but such a convention cannot be applied to the pupil. The pupil is a void limited by the muscles of the iris. The muscles of the iris are composed of a sphincter, innervated by the parasympathetic nervous system.

При сокращении сфинктера зрачок сужается. Некоторым заболеваниям глаз (перенесенная глаукома, парез мышц, деиннервация и т.д.) сопутствует неравномерное сокращение мышц, что приводит к нарушению идеальной геометрии зрачка. Указанная патология состояния мышц встречается у 15% пациентов, которым показана фоторефрактивная кератотомия. Учитывая, что в ходе операции зрачок меняет свои размеры и форму, его границы могут принимать форму эллипса или другую несимметричную форму, то вычисленный от ее координат центр зрачка не обязательно будет совпадать с оптической осью глаза. А это снижает точность позиционирования. Кроме того, в известном способе применение одной видеокамеры позволяет анализировать движение глаза только в двух измерениях и не может учитывать перемещения глаза вверх и вниз от фокуса луча эксимерного лазера. В процессе операции такие перемещения составляют +1 мм, а это изменяет плотность энергии в лазерном пятне на 5-10%. Такую же величину составляет в этом случае ошибка коррекции кривизны роговицы. When the sphincter contracts, the pupil narrows. Some eye diseases (previous glaucoma, muscle paresis, denervation, etc.) are accompanied by uneven muscle contraction, which leads to a violation of the ideal pupil geometry. The indicated pathology of the muscle condition occurs in 15% of patients who are shown photorefractive keratotomy. Given that during the operation the pupil changes its size and shape, its borders can take the form of an ellipse or other asymmetric shape, then the center of the pupil calculated from its coordinates will not necessarily coincide with the optical axis of the eye. And this reduces the accuracy of positioning. In addition, in the known method, the use of one video camera allows you to analyze eye movement in only two dimensions and cannot take into account the movement of the eye up and down from the focus of the beam of an excimer laser. During the operation, such movements are +1 mm, and this changes the energy density in the laser spot by 5-10%. The same value in this case is the error of correction of the curvature of the cornea.

Задачей создания изобретения были выбор новых реперных точек на глазе, координаты которых не изменяли бы свое положение во время операции, т.е. оставались неподвижными относительно оптической оси глаза. Кроме того, по данным координатам этих точек необходимо добиться возможности управлять системой сканирования эксимерного лазера в трехмерном пространстве. The task of creating the invention was the selection of new reference points on the eye, the coordinates of which would not change their position during the operation, i.e. remained stationary relative to the optical axis of the eye. In addition, according to the coordinates of these points, it is necessary to achieve the ability to control the scanning system of an excimer laser in three-dimensional space.

Поставленная задача решается тем, что в способе позиционирования точки луча эксимерного лазера при операции на глазе путем определения оптической оси глаза с помощью выбранных реперных точек, координаты которых через компьютер сообщают системе сканирования с необходимыми поправками для производства следующего импульса, выбранные реперные точки координат наносят в виде меток на роговицу глаза вне зоны оперативного вмешательства, а координаты этих точек определяются в пространстве с помощью двух видеокамер и передаются в компьютер, который управляет системой сканирования в трехмерном пространстве, обеспечивая фокус луча эксимерного лазера в нужной точке по совмещенным проекциям двух диафрагм, через которые проходят лучи диодных лазеров. The problem is solved in that in the method of positioning the point of the beam of an excimer laser during eye surgery by determining the optical axis of the eye using the selected reference points, the coordinates of which are communicated through a computer to the scanning system with the necessary corrections for the production of the next pulse, the selected reference coordinate points are applied in the form marks on the cornea of the eye outside the surgical intervention, and the coordinates of these points are determined in space using two cameras and transmitted to a computer, tory controls the scanning system in three dimensions, providing an excimer laser beam focus at the desired point on the projected two aligned apertures through which the rays pass diode lasers.

Решение этой задачи позволяет повысить точность позиционирования точки луча эксимерного лазера до 50 мкм за счет нанесения на роговицу глаза неподвижных относительно оптической оси глаза меток. А поскольку координаты этих меток регистрируются не только в плоскости, но и в пространстве, то система слежения позволит вносить корректировку при смещениях глаза вдоль оси луча эксимерного лазера, т.е. при уходе поверхности роговицы из фокуса луча. The solution to this problem makes it possible to increase the accuracy of positioning the point of the beam of an excimer laser to 50 μm by applying marks that are stationary relative to the optical axis of the eye on the cornea. And since the coordinates of these marks are recorded not only in the plane, but also in space, the tracking system will allow you to make adjustments for eye displacements along the axis of the excimer laser beam, i.e. when the surface of the cornea leaves the focus of the beam.

Отличительной особенностью заявленного способа от прототипа является новый выбор реперных точек, по координатам которых определяют оптическую ось глаза. За эти точки принимаются метки, которые наносятся на роговицу глаза вне зоны операционного поля. В прототипе точками координат является граница круга - зрачка. Кроме того, отличительной особенностью заявленного способа от прототипа является то, что метки на роговице с помощью двух видеокамер позволяют вычислить их координаты в трехмерном пространстве, а система сканирования может управлять лучом лазера как в фокальной плоскости, так и вдоль оптической оси глаза. При этом фокус луча эксимерного лазера в нужной точке глаза обеспечивается по совмещенным проекциям двух диафрагм, через которые проходят лучи диодных лазеров. В прототипе система слежения имеет только одну видеокамеру, поэтому позволяет учитывать перемещения глаза только поперек оси лазерного луча. При этом остаются неучтенными перемещения глаза вверх и вниз от фокуса луча эксимерного лазера. A distinctive feature of the claimed method from the prototype is a new selection of reference points, the coordinates of which determine the optical axis of the eye. For these points, marks are applied that are applied to the cornea of the eye outside the area of the surgical field. In the prototype, the coordinate points are the boundary of the circle - the pupil. In addition, a distinctive feature of the claimed method from the prototype is that the marks on the cornea using two cameras can calculate their coordinates in three-dimensional space, and the scanning system can control the laser beam both in the focal plane and along the optical axis of the eye. In this case, the focus of the excimer laser beam at the desired point in the eye is ensured by the combined projections of the two diaphragms through which the rays of the diode lasers pass. In the prototype, the tracking system has only one video camera, so it allows you to take into account the movement of the eye only across the axis of the laser beam. In this case, displacements of the eye up and down from the focus of the excimer laser beam remain unaccounted for.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана схема формирующей системы эксимерной лазерной установки, на фиг.2 - проекция диафрагм на роговице глаза при правильном наведении фокуса луча эксимерного лазера, на фиг.3 - то же, при неправильном выборе угла плоскости роговицы, на фиг.4 - то же, при неправильном наведении фокуса. The invention is illustrated by the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the forming system of an excimer laser system, Fig. 2 shows the projection of the diaphragms on the cornea of the eye with the correct focus of the beam of the excimer laser, and Fig. 3 shows the same if the angle of the plane of the cornea is incorrectly selected , figure 4 is the same, with incorrect focus.

Способ позиционирования точки луча эксимерного лазера при операции на глазе осуществляется следующим образом. Пациент укладывается на подвижный операционный стол (на чертеже не показан). На роговицу глаза 1 метчиком наносят три метки 2 вне зоны 3 операционного вмешательства. Для меток 2 используется флюоресцентный краситель, видимый в инфракрасном излучении. Включается нацеливающий диодный лазер 4, луч 5 которого совпадает с оптической осью эксимерного лазера 6. На глазе 1 пациента точечное пятно нацеливающего лазера 4 показывает место прохождения луча 7 эксимерного лазера 6. С помощью видеокамер 8 на монитор компьютера (на чертеже не показан) передаются пространственные координаты меток 2, по которым определяется оптическая ось глаза 1, а сканирующая система 9 совмещает луч 5 с оптической осью глаза 1. Одновременно включаются расположенные под углом к оптической оси глаза два диодных лазера 10, лучи 11 которых, проходя через крестообразные диафрагмы 12, будут видимы в виде проекций крестов на роговице глаза 1. Хирург, наблюдая в микроскоп 13 роговицу пациента (см. ориг. 2, 3, 4,), устанавливает глаз 1 пациента таким образом, чтобы проекции крестов от диафрагм 12 совместились, а ярко красное пятно от луча 5 нацеливающего лазера 4 находилось в центре креста. Эту реперную точку, являющуюся фокусом луча 7 эксимерного лазера 6, хирург фиксирует нажатием кнопки для системы 9 сканирования и включает эксимерный лазер 6. Начинается эмиссия и испарение ткани роговицы в зоне 3 оперативного пространства глаза 1. Время процедуры, диаметр зоны 3, а также толщина испаряемой роговицы в районе оптической оси выбирается индивидуально по плану операции. В процессе процедуры осуществляется компьютерный протокол поправок координат системы слежения за реперной точкой. По анализу поправок координат, сообщаемых через компьютер системе 9 сканирования, корректируется отклонение оптической оси глаза 1 от реперной точки и отклонение плоскости роговицы от фокальной плоскости. The method of positioning the point of the beam of an excimer laser during eye surgery is as follows. The patient is placed on a movable operating table (not shown in the drawing). Three tags 2 are applied to the cornea of the eye with a tap 2 outside the area 3 of the surgical intervention. For labels 2, a fluorescent dye is used that is visible in infrared light. The target diode laser 4 is turned on, beam 5 of which coincides with the optical axis of the excimer laser 6. On the patient’s eye 1, the dot spot of the target laser 4 shows the passage of beam 7 of the excimer laser 6. Using video cameras 8, spatial signals are transmitted to a computer monitor (not shown) coordinates of marks 2, which determine the optical axis of the eye 1, and the scanning system 9 combines the beam 5 with the optical axis of the eye 1. At the same time, two diode lasers 10 located at an angle to the optical axis of the eye turn on 11 of which, passing through the cross-shaped diaphragms 12, will be visible in the form of projections of crosses on the cornea of the eye 1. The surgeon, observing with a microscope 13 the cornea of the patient (see orig. 2, 3, 4,), sets the eye of 1 patient so that the projections of the crosses from the diaphragms 12 were combined, and a bright red spot from the beam 5 of the targeting laser 4 was in the center of the cross. The surgeon fixes this reference point, which is the focus of the beam 7 of the excimer laser 6, by pressing a button for the scanning system 9 and turns on the excimer laser 6. The emission and evaporation of corneal tissue in zone 3 of the operative space of the eye 1 begins. The time of the procedure, the diameter of zone 3, and also the thickness the evaporated cornea in the region of the optical axis is selected individually according to the plan of operation. During the procedure, a computer protocol for corrections of the coordinates of the reference point tracking system is implemented. By analyzing the coordinate corrections communicated through the computer to the scanning system 9, the deviation of the optical axis of the eye 1 from the reference point and the deviation of the corneal plane from the focal plane are corrected.

Пример выполнения способа:
Пациенту с миопией - 6D, возраст 42 года, производилась коррекция зрения. По желанию пациента в результате операции по коррекции зрения остаточная миопия должна составить - 1D. Перед проведением операции установлено: толщина роговицы 510 мкм, планируемая зона оперативного вмешательства диаметром 7,5 мм, а программируемая толщина испаренной роговицы в районе оптической оси глаза - 85 мкм. Пациент укладывается на подвижном столе. На роговице глаза 1 по диаметру 10 мм наносятся три метки 2 флюоресцентным красителем, видимым в инфракрасном излучении. Глаз 1 пациента устанавливается по оси луча 7 эксимерного лазера 6 для чего используется нацеливающий диодный лазер 4, точечное пятно от которого показывает место прохождения луча 7 эксимерного лазера 6. С помощью видеокамер 8 на монитор компьютера передаются пространственные координаты меток 2, по которым с помощью программного обеспечения определяется оптическая ось глаза 1. Сканирующая система 9 совмещает луч 5 с оптической осью глаза 1. Включают два диодных лазера 10, лучи 11 которых, проходя через крестообразные диафрагмы 12, оставляют проекции крестов на роговице глаза 1. Под наблюдением через микроскоп 13 осуществляется перемещение глаза 1 вдоль его оптической оси, добиваясь совмещения проекций крестов в одну проекцию и чтобы красное пятно луча 5 от нацеливающего лазера 4 находилось в центре креста. Полученная точка является реперной точкой для системы 9 сканирования, после фиксации которой включается эксимерный лазер 6. Начинается эмиссия и испарение ткани роговицы в зоне 3 операции. Весь процесс проходит автоматически под наблюдением компьютерной системы слежения, которая управляет системой 9 сканирования. В данном примере время процедуры составляло 120 с, а зона 3 операции равнялась диаметру - 7,5 мм. В процессе процедуры осуществлялся компьютерный протокол поправок координат системы слежения за реперной точкой. По анализу поправок координат, сообщаемых системой слежения сканирующему устройству, обнаружено четыре отклонения оптической оси глаза 1 вверх (закатывание) на 43, 55, 83 и 90 секундах операции. Длительность каждого отклонения 0,8-1,5 с. Среднее отклонение оптической оси от реперной точки составляло 1,5 мм. Кроме того, по тем же компьютерным протоколам зафиксировано отклонение плоскости роговицы от фокальной плоскости вниз (вдавливание головы) на 20-ой секунде на 1 мм. При выполнении предложенного способа хирург визуально не наблюдал зафиксированных по протоколу перемещений глаза пациента, т.к. система слежения успевает скорректировать координаты и передать сканирующему устройству и механизму перемещения фокальной плоскости поправки к координатам последующих импульсов. Результаты операции по данному пациенту спустя месяц после вмешательства оказались следующими: миопия - 0,75D, толщина роговицы в зоне оптической оси 420 мкм.An example of the method:
A patient with myopia - 6D, age 42 years, vision correction was performed. At the request of the patient, as a result of surgery to correct vision, the residual myopia should be - 1D. Before the operation, it was established: the thickness of the cornea was 510 μm, the planned surgical area with a diameter of 7.5 mm, and the programmed thickness of the evaporated cornea in the region of the optical axis of the eye was 85 μm. The patient is placed on a movable table. On the cornea of the eye 1 with a diameter of 10 mm, three marks 2 are applied with a fluorescent dye visible in infrared radiation. The patient’s eye 1 is installed along the axis of the beam 7 of the excimer laser 6. For this purpose, a target diode laser 4 is used, the dot spot from which indicates the passage of the beam 7 of the excimer laser 6. Using video cameras 8, the spatial coordinates of the marks 2 are transmitted to the computer monitor, using which software the optical axis of the eye is determined 1. The scanning system 9 combines the beam 5 with the optical axis of the eye 1. Two diode lasers 10 are turned on, rays 11 of which, passing through the cross-shaped diaphragms 12, leave the projection crosses on the cornea of the eye 1. Under the observation through a microscope 13, the eye 1 is moved along its optical axis, achieving the alignment of the projections of the crosses in one projection and so that the red spot of the beam 5 from the targeting laser 4 is in the center of the cross. The obtained point is the reference point for the scanning system 9, after the fixation of which the excimer laser 6 is turned on. The emission and evaporation of corneal tissue in the operation zone 3 begins. The whole process takes place automatically under the supervision of a computer tracking system that controls the scanning system 9. In this example, the procedure time was 120 s, and zone 3 of the operation was equal to a diameter of 7.5 mm. During the procedure, a computer protocol for corrections of the coordinates of the reference point tracking system was carried out. An analysis of the coordinate corrections reported by the tracking system to the scanning device revealed four deviations of the optical axis of the eye 1 upward (rolling) at 43, 55, 83 and 90 seconds of the operation. The duration of each deviation is 0.8-1.5 s. The average deviation of the optical axis from the reference point was 1.5 mm. In addition, according to the same computer protocols, a deviation of the corneal plane from the focal plane downward (indentation of the head) was recorded at the 20th second by 1 mm. When performing the proposed method, the surgeon did not visually observe the patient’s eye movements recorded according to the protocol, because the tracking system manages to correct the coordinates and transmit corrections to the coordinates of subsequent pulses to the scanning device and the mechanism for moving the focal plane. The results of the operation for this patient a month after the intervention were as follows: myopia - 0.75D, the thickness of the cornea in the area of the optical axis 420 microns.

Способ апробирован в межрегиональной клинике центра лазерной коррекции города Ярославля. The method was tested in the interregional clinic of the center of laser correction of the city of Yaroslavl.

Полезные свойства заявленного способа очевидны при сравнительном анализе. Например, при отсутствии системы слежения и коррекции координат перемещений глаза пациента во время операции, зафиксированные компьютерным протоколом в примере, привели бы к ошибке в коррекции до - 2D, т.е. пациент имел бы после операции - 3D. Кроме того, во время операции за счет того, что луч лазера имеет пятно 1-2 мм, нескомпенсированные отклонения глаза могут привести к появлению "островков" на поверхности роговицы. Конфигурация "островков" будет соответствовать форме колебаний глаза. Useful properties of the claimed method are obvious in a comparative analysis. For example, in the absence of a tracking system and correction of the coordinates of the patient’s eye movements during surgery, recorded by the computer protocol in the example would lead to an error in the correction to –2D, i.e. the patient would have had after surgery - 3D. In addition, during the operation due to the fact that the laser beam has a spot of 1-2 mm, uncompensated deviations of the eye can lead to the appearance of "islands" on the surface of the cornea. The configuration of the "islands" will correspond to the shape of the vibrations of the eye.

Claims

The method of positioning the point of the beam of an excimer laser during an eye operation by determining the optical axis of the eye using the selected reference points, the coordinates of which are communicated through a computer to the scanning system with the necessary corrections for producing the next laser pulse, characterized in that the selected reference points are determined to determine the optical axis of the eye in marks are applied to the cornea of the eye outside the surgical intervention area, and the coordinates of these points in space using two video cameras are transmitted to a computer, tory controls the scanning system in three dimensions, providing an excimer laser beam focus at the desired point on the projected two aligned apertures through which the rays pass diode lasers.