TWI407946B - 眼科雷射手術系統 - Google Patents

Description

眼科電射手術系統

本發明之領域為眼科雷射手術系統。

當前眼科雷射手術系統使用病人介面以耦合手術雷射之手術尖頭與病人眼睛。使用病人介面使得手術尖頭在手術程序期間不直接與眼接觸。在每一手術程序之後若發生此直接接觸則手術尖頭將需要滅菌。拋棄式病人介面減輕對用於此手術程序之裝置的重複滅菌的需要。

病人介面(而非手術尖頭)包括根據美國專利案第5,549,632號之扁平透鏡，該申請案之揭示內容以引用的方式併入本文中且服務三個主要目的。扁平透鏡之第一目的在於為手術雷射提供位置參考；第二目的在於在手術程序期間控制角膜之形狀；且第三目的在於提供在上皮與空氣之間的可控制邊界以減小手術雷射束之畸變。雖然所有三個目的對於所述之眼科雷射手術類型可為重要的，但由於建立在手術雷射與扁平透鏡之間的相對位置所需之精密度，第一目的可對手術系統增加顯著花費。

用於以必要精密度相對於扁平透鏡定位手術雷射之可用選擇目前為有限的。機械感應器可用於感應手術雷射及扁平透鏡之實體位置，但此等感應器傾向於具有過低準確度或過高成本。在美國專利申請公開案第20040070761號中描述另一選擇。

焦點定位之準確度及可靠性及安全性在手術應用中為重要的。為此，已開發閉環定位系統。舉例而言，在美國專利案第6,751,033號中所述之系統使用自聚焦透鏡總成實際位置之反饋信號以驗證系統效能、修改所命令之位置座標且對使用者發出關於可能錯誤之警告，該案之揭示內容以引用的方式併入本文中。然而，此等系統並非對於所有情況為理想的。

本發明針對用於眼科雷射手術之系統及方法。手術系統包括經調適以執行眼科手術之雷射源及傳輸來自雷射源之光的手術尖頭。參考窗口在相對於雷射源之固定位置被附著至手術尖頭。病人介面經調適以耦合於病人眼睛與手術尖頭之間。病人介面亦耦合至扁平透鏡。光學感應器在手術尖頭與病人介面之間的耦合程序期間偵測在反射離開參考窗口之光中的干擾。

在本發明之第一各別態樣中，光學感應器偵測在反射離開參考窗口之光與反射離開扁平透鏡之光之間所產生的干擾。所偵測干擾可顯示於操作者之監測器上或可由系統用於進一步處理。

在本發明之第二各別態樣中，光學感應器使用干擾判定在參考窗口與扁平透鏡之間的距離。此判定可藉由對偵測信號執行傅立葉轉換來進行。

在建立於第二各別態樣上之本發明的第三各別態樣中，光學感應器在沿雷射源之光軸的一點處判定在參考窗口與扁平透鏡之間的距離。

在建立於第二各別態樣上之本發明的第四各別態樣中，光學感應器在參考窗口之表面周圍的多個點處判定在參考窗口與扁平透鏡之間的距離。

在本發明之第五各別態樣中，光學感應器使用干擾判定參考窗口相對於扁平透鏡之傾角。

在本發明之第六各別態樣中，光學感應器包含光源、光偵測器及處理器。光源將光導向參考窗口。當此光反射離開參考窗口與扁平透鏡兩者時產生干擾。光偵測器偵測干擾且回應地將偵測信號輸出至處理器，該處理器分析偵測信號。

在本發明之第七各別態樣中，干擾可在光之任何適當光譜中產生。舉例而言，可在可見光譜外之光內、在具有超過約750 nm光譜之光中、在具有不包括雷射源所操作之光之光譜的一光譜的光中產生干擾。

在本發明之第八各別態樣中，由光學感應器所收集之位置及傾角資訊用作閉環系統之一部分以為聚焦組件驗證或校正焦點位置命令。

在本發明之第九各別態樣中，可組合使用任何以上態樣。

相應地，揭示用於眼科雷射手術之改良系統及方法。其他目標及優點將出現在下文中。

詳細參看圖式，圖1說明為用於執行眼科雷射手術之系統之一部分的病人介面11。如以下所述，病人介面11在手術雷射與病人眼角膜之間建立介面。病人介面11之框架13具有附著端15及扁平端17。附著端15為較寬且打開的以容納眼科手術雷射系統之出口孔徑，而扁平端17相當窄以便利在手術程序期間在病人介面11與眼睛之間的耦合。在附著端15與扁平端17之間，框架13之側壁19形成錐形腔。然而，框架13之形狀通常為設計選擇問題。框架13亦具有非穿孔側壁19。側壁19中之無穿孔幫助在手術程序期間減小眼睛與眼科手術雷射系統之間的交叉污染之可能性。然而，若定位側壁穿孔使得在眼睛與眼科手術雷射系統之間維持無菌障壁，則更開放的框架可為合適的。

環形裙套21、環形撓性支撐件23及透鏡25附著至框架13之扁平端17，其中裙套21及撓性支撐件23直接附著至框架13且透鏡25直接附著至撓性支撐件23。在圖2中說明框架13之扁平端17的細節。環形裙套21位於框架13之扁平端17的互補環形通道27中。通道27包括側開口29，臂31自裙套21延伸過該側開口29。臂31安放有過道33，該過道33可經由管37附著至真空泵35。真空泵35可為注射器或能夠產生負壓之任何其他機械設備。病人介面11用於在手術期間使眼睛固定不動。為此，裙套21較佳由軟性可彎材料構成。當相對於眼39置放裙套21時，形成腔室41且真空泵35可用於在腔室內形成至少部分真空，藉此將裙套21及因而病人介面11耦合至眼睛39。

較佳使用適合於所使用材料之黏著劑將裙套21附著至框架13之扁平端17。此黏著劑應為當曝露至通常用於眼科手術雷射系統中之雷射光時將不會迅速變壞之一黏著劑。

透鏡25具有後面43及前面45且如所示可為平面的或表面之一或兩者可為彎曲的。前面45之外邊緣黏附至撓性支撐件23。此外，黏著劑可為適合於所使用材料之任何黏著劑，同時考慮黏著劑將曝露至之雷射光。如在相關技術中所理解，透鏡25之前面45在手術程序期間與角膜接觸，且弄平、組態用於手術程序之角膜或另外使用於手術程序之角膜成形。因此透鏡25之幾何組態視角膜在手術程序期間與之一致之形狀而定。透鏡25較佳由便宜的高強度透明材料(諸如玻璃、塑料等)製成。

儘管亦可使用機械耦合，但撓性支撐件23其本身使用黏著劑黏附至框架13之扁平端17。對黏著劑之考慮再次相同。

在眼科雷射手術期間，當病人介面11耦合至眼睛39時形成輔助腔室49。輔助腔室49由透鏡25之前面45、撓性支撐件23、框架13之環形通道27、環形裙套21及眼睛39之角膜形成。輔助腔室49之體積隨透鏡25在撓性支撐件上移動而改變。透鏡移動量在判定弄平、組態用於手術程序之角膜或另外使用於手術程序之角膜成形的量中為重要因素。隨著輔助腔室49之體積改變，壓力之局部改變出現在凹穴內。此壓力改變可消極地影響使用透鏡25視需要使角膜成形之能力。為了緩和此問題，排氣孔51被安置於框架13之扁平端17內。排氣孔51允許輔助腔室49內空氣或流體之相對壓力等同於大氣壓力。排氣孔51較佳既不損害眼睛39與眼科手術雷射系統之間的無菌障壁，亦不損害真空室41內之已形成壓力。病人介面11可包括單一排氣孔或高達十二個或更多的排氣孔。多個排氣孔較佳關於垂直於透鏡25之軸在一環中規則隔開。排氣孔51幫助確保角膜形狀僅由透鏡25之後面43上的壓力來規定。

圖3說明病人介面11提供在病人眼睛39與眼科手術雷射系統之手術尖頭47之間的介面。病人介面11之框架13經組態以具有與手術尖頭47互補的形狀。此允許手術尖頭47被直接插入於框架13中且立即鄰近於眼睛39定位而不與眼睛39實體接觸，藉此便利手術程序同時減小在眼睛與手術尖頭47之間的交叉污染可能。

框架13之附著端15耦合至手術尖頭47以進一步減小交叉污染之可能且穩定介面。此耦合可藉由在限定框架13之附著端15的環49中包括鐵磁材料且在出口孔徑外殼47中包括互補滑動電磁鐵51來達成。電磁鐵51在徑向上為可滑動的使得當啟動時，其可與框架13之附著端15耦合且相對於框架13之附著端15密封。亦可使用將框架13耦合至出口孔徑外殼47之替代方法，其包括一或多個機械閂鎖、充氣囊等。

圖4說明用於對眼睛63執行眼科雷射手術之眼科手術系統61。病人介面65以上述方式附著至眼睛，使得經由撓性支撐件69耦合至病人介面65之扁平透鏡67與角膜接觸。系統之手術尖頭71以上述方式耦合至病人介面65且包括鄰近於扁平透鏡67而安置的參考窗口73。雷射75與掃描及聚焦光學器件77共同將雷射束指向用於手術程序之眼睛63。雷射75相對於參考窗口73在固定位置，在只要校準系統則自雷射75發射之點至參考窗口73之間的雷射束路徑具有已知長度的範圍內。藉由使雷射75相對於參考窗口73之前面74在固定位置，雷射束可在參考窗口73之前面74迅速且簡易地聚焦，因而消除潛在時間消耗對準程序。雷射75可具有在美國專利案第4,764,930號中所述之類型且較佳產生如美國專利案第5,984,916號中所述之超短波脈衝束，該等案之揭示內容以引用的方式併入本文中。掃描及聚焦光學器件77較佳具有在以Ferenc Raksi的名義題為"Laser Scanner"之於2005年11月9日申請之同在申請中美國專利申請案第11/272,571號中所揭示之類型，該案之揭示內容以引用的方式併入本文中。

眼科手術系統61亦包括用於判定參考窗口73至扁平透鏡67之接近性的光學感應器79。光源81將光導向參考窗口73，且偵測器83接收反射離開參考窗口73之後面的光，該光較佳來自參考窗口73落在手術雷射束之光軸上的點。然而，非所有來自光源81之光由參考窗口73反射。一些光穿過參考窗口且反射離開扁平透鏡67之前面72。反射離開扁平透鏡67之光組合且干擾反射離開參考窗口73之光。此干擾形成由偵測器83所感應之反射光中的空間及光譜調變。回應於所偵測之光，偵測器83輸出由如下所述之可程式化處理器87分析之偵測信號。空間調變圖案及光譜調變之週期用於相對於扁平透鏡67之前面72判定參考窗口73之位置。已知在病人介面65與手術尖頭71之間的耦合程序期間及之後的參考窗口73與扁平透鏡67之相對位置為特別有利的，使得可在手術程序期間在角膜內準確聚焦手術雷射。

光源81可具有任何類型且可發射在任何光譜中之光，但其較佳發射在頻寬上大約100 nm或以上之寬頻光譜。由於相干長度與照明光之頻寬成反比，因此藉由適當選擇頻寬，可使相干長度匹配扁平透鏡67相對於參考窗口73之位置公差的接受準則。以此方式，干擾之存在或缺乏形成用於參考窗口73在扁平透鏡67之預定距離內的合格/失敗準則。

通常，不能觀測到調變意謂兩個表面較照明光之相干長度分開更遠。此距離近似為具有100 nm頻寬之幾微米光。作為一選擇，光源可操作以具有大體上等於參考窗口73與扁平透鏡67之間的位置公差之相干長度。在最簡單實施例中，操作者視覺上能夠觀測顯示於監測器上之偵測信號中的空間相干條紋。此允許操作者判定手術尖頭之位置是否在相對於病人介面的預定位置公差內。儘管光譜調變對於經過更好訓練之觀測者亦為可能的，但人工偵測空間調變更適合於視覺觀測。

更準確地，可組合使用偵測器83及可程式化處理器87來獲得相干範圍內之位置的定量評價。此組合可用於將更準確位置資訊提供至操作者，或者該組合可用作閉環反饋系統之一部分以使定位過程自動化。以下圖說明偵測信號可有利地用於相對於病人介面定位手術尖頭。

圖5A為展示自參考窗口73及扁平透鏡67所反射之偵測光之光譜的圖表。如圖5B中所見，此信號之傅立葉轉換說明不存在具有更高調變頻率之信號(亦即，不存在大體上不包絡圖表上之零點的峰值)。在此實例中，參考窗口73與扁平透鏡67之間的距離大於照明光的相干範圍。圖6A為展示當參考窗口73與扁平透鏡67之間的距離為18 μm時所偵測光之光譜的圖表。圖6B中所示之此信號的傅立葉轉換展示單個更高調變頻率峰值。圖7A為展示當參考窗口73與扁平透鏡67之間的距離為7.5 μm時所偵測光之光譜的另一圖表。圖7B中所示之此信號的傅立葉轉換亦展示單個更高調變頻率峰值。圖6B及圖7B中之調變頻率峰值的比較展示峰值在不同位置。

簡言之，調變週期及因此調變頻率峰值與參考窗口73與扁平透鏡67之間的距離有直接關係。因此，對於任何特定眼科雷射手術系統設計，調變頻率峰值之置放可用於確定在耦合程序期間或之後參考窗口73與扁平透鏡67之間的距離。

與以上所述之光譜調變相對比，使用所偵測光內之光強度的空間調變可使用相同技術。

上文所述之系統使用基本干涉計以偵測在自兩個表面所反射之光中的光譜調變。熟習該項技術者將認識到其他類型之干涉計(諸如邁克生干涉計、Mach－Zender干涉計、Fabry－Perot干涉計等)亦可使用以達到相同效應。又，如圖4中所說明，可允許自光源之光穿過自由空間或可視需要使用光導。一可能類型之光導為光纖。

自光源之光視需要可為連續、脈衝或時間上調變的。為了減小干涉計上背景光之影響，此背景光由室內光或自雷射之散射光引起，可調變、截斷或脈衝化光源。與閘控或調變偵測方案(諸如矩形波串或鎖定同步技術)組合之調變光源可用於顯著改良偵測及訊雜比。

可用於濾出背景光之另一技術為光譜帶之適當選擇。此可藉由在光源處濾出不需要的光譜或藉由在偵測器處僅偵測所規定光譜中之光來完成。舉例而言，偵測器可經組態以偵測在750 nm與1050 nm之間的光。通常，室內光、病人照明光或手術雷射之光將在此光譜外。藉由使用適當過濾器將光阻擋在所需光譜外或相反僅偵測所需光譜內之光有效地濾出不需要的背景雜訊。當選擇操作光譜時，在共用矽偵測器(諸如CCD相機、光電二極體或光電二極體陣列)之光譜靈敏度範圍內操作為合乎需要的。然而，通常，光源可發射在自可見範圍、紅外線範圍或更遠範圍內變化之任何光譜內的光。

上文論述集中在使用單一量測以判定參考窗口73與扁平透鏡67之間沿手術雷射之光軸的空間關係。雖然此資訊為重要的，由於其直接關於眼睛中雷射焦點之位置及眼睛中之切割深度，但該系統亦可用於在參考窗口73之表面周圍之多個位置處的量測。此等多個量測可用於提供傾角資訊。使用多個量測，關於剛體之所有六個自由度相對於扁平透鏡67來判定參考窗口73之精確位置為可能的。

因此，揭示一種用於眼科雷射手術之系統及方法。雖然已展示且描述本發明之實施例，但對於熟習該項技術者而言顯而易見在不偏離本文中之發明概念的情況下更多修改為可能的。因此，除以下申請專利範圍之精神以外不限制本發明。

11．．．病人介面

13．．．框架

15．．．附著端

17．．．扁平端

19．．．側壁

21．．．環形裙套

23．．．環形撓性支撐件

25．．．透鏡

27．．．環形通道

29．．．側開口

31．．．臂

35．．．真空泵

37．．．管

39．．．眼睛

43．．．後面

45．．．前面

47．．．手術尖頭

49．．．輔助腔室

51．．．電磁鐵

61．．．眼科手術系統

63．．．眼睛

65．．．病人介面

67．．．扁平透鏡

69．．．撓性支撐件

71．．．手術尖頭

72．．．扁平透鏡之前面

73．．．參考窗口

74．．．參考窗口之前面

75．．．雷射

77．．．掃描及聚焦光學器件

79．．．光學感應器

81．．．光源

83．．．偵測器

87．．．可程式化處理器

圖1為病人介面設備之分解透視圖；圖2為病人介面設備之扁平端的橫截面細節圖；圖3為當用於眼科手術雷射系統之手術尖頭與眼睛之間的介面時病人介面設備之橫截面圖；圖4示意性說明眼科手術雷射系統；圖5A為說明當病人介面被安置在參考窗口相干範圍外時所得到之偵測信號的圖表；圖5B為說明圖5A之偵測信號之傅立葉轉換的圖表；圖6A為說明當病人介面被安置在與參考窗口相距近似18 μm時所得到之偵測信號的圖表；圖6B為說明圖6A之偵測信號之傅立葉轉換的圖表；圖7A為說明當病人介面被安置在與參考窗口相距近似7.5 μm時所得到之偵測信號的圖表；及圖7B為說明圖7A之偵測信號之傅立葉轉換的圖表。

61．．．眼科手術系統

63．．．眼睛

65．．．病人介面

67．．．扁平透鏡

69．．．撓性支撐件

71．．．手術尖頭

72．．．扁平透鏡之前面

73．．．參考窗口

74．．．參考窗口之前面

75．．．雷射

77．．．掃描及聚焦光學器件

79．．．光學感應器

81．．．光源

83．．．偵測器

87．．．可程式化處理器

Claims (13)

1. 一種用於眼科雷射手術之系統，該系統包含：一雷射源，其經調適以用於眼科雷射手術；一手術尖頭，其經調適以傳輸來自該雷射源之光；一參考窗口，其在相對於該雷射源之一固定位置處附著至該手術尖頭；一病人介面，其經調適以耦合於一眼睛與該手術尖頭之間；一扁平透鏡，其耦合至該病人介面；及一光學感應器，其經調適以在該手術尖頭與該病人介面之間的一耦合程序期間，偵測在反射離開該參考窗口之光與反射離開該扁平透鏡之光之間所產生的干擾。
2. 如請求項1之系統，其中該光學感應器包含：一光源，其經調適以將光導向該參考窗口；一光偵測器，其經調適以偵測該干擾且回應於該所偵測之干擾輸出一偵測信號；及一處理器，其經調適以分析該偵測信號。
3. 如請求項2之系統，其中該光學感應器經進一步調適以基於該偵測信號判定在該參考窗口與該扁平透鏡之間的一距離。
4. 如請求項3之系統，其中該距離在沿來自該雷射源之光之一光軸的一點處被量測。
5. 如請求項3之系統，其中該距離在該參考窗口周圍之多個點處被量測。
6. 如請求項1之系統，其中該光學感應器經進一步調適以判定該參考窗口相對於該扁平透鏡之一傾角。
7. 如請求項2之系統，其中該處理器經進一步調適以對該偵測信號執行一傅立葉轉換。
8. 如請求項1之系統，其中該光學感應器經調適以提供一閉環反饋用於相對於該扁平透鏡定位該手術尖頭。
9. 如請求項1之系統，其中該干擾自具有在一可見光譜外之光譜的光所產生。
10. 如請求項1之系統，其中該干擾自具有超過約750 nm之光譜的光所產生。
11. 如請求項1之系統，其中該干擾自具有近似等於該參考窗口與該扁平透鏡之間的一位置公差之一相干長度的光所產生。
12. 如請求項1之系統，其中該干擾自具有不包括在一第二光譜內之光的一第一光譜之光所產生。
13. 如請求項12之系統，其中該雷射源發射在該第二光譜中之光。