WO2005011547A1 - Vorrichtung und verfahren zum ausbilden gekrümmter schnittflächen in einem transparenten material - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ausbilden gekrümmter schnittflächen in einem transparenten material Download PDF

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spatial direction
focal point
cut surface
contour
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PCT/EP2004/008279
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Dirk MÜHLHOFF
Mario Gerlach
Markus Sticker
Carsten Lang
Mark Bischoff
Michael Bergt
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Carl Zeiss Meditec Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for forming curved cut surfaces in a transparent material, in particular in the cornea, by generating optical breakthroughs in the material by means of laser radiation focused into the material, wherein the focal point is adjusted three-dimensionally to form the cut surface by juxtaposing the optical breakthroughs , and wherein the adjustment of the focal point in a first spatial direction is at a low maximum speed, as in the remaining two spatial directions.
  • the invention further relates to a device for forming curved cut surfaces in a transparent material, in particular in the cornea, with a laser radiation source which focuses laser radiation into the material and causes optical breakthroughs there, wherein a scanning device which adjusts the focal point three-dimensionally, and a Control means are provided, which controls the scanning device to form the cut surface by juxtaposing the optical openings in the material, and wherein the scanning device for adjusting the focal point in a spatial direction has an adjustable optics.
  • Curved cut surfaces within a transparent material are generated in particular in laser surgical procedures and there especially in ophthalmological surgery. In doing so, treatment laser radiation within the tissue, i. Focused below the tissue surface so that optical breakthroughs arise in the tissue.
  • US Pat. No. 5,984,916 and US Pat. No. 6,110,166 describe generic methods for producing cuts by means of suitable generation of optical breakthroughs, so that in the end the refractive properties of the cornea are specifically influenced.
  • a multiplicity of optical breakthroughs are placed against each other in such a way that a lenticular partial volume is isolated within the cornea of the eye.
  • the lenticular subvolume separated from the remaining corneal tissue is then removed from the cornea via a laterally opening cut.
  • the shape of the partial volume is chosen so that after removal, the shape and thus the refractive properties of the cornea are changed so that the desired refractive error correction is effected.
  • the thereby required cut surfaces are curved, which makes a three-dimensional adjustment of the focus necessary. Therefore, a two-dimensional deflection of the laser radiation with simultaneous focus adjustment in a third spatial direction is combined.
  • the two-dimensional deflection of the laser radiation is like the focus adjustment equally for the accuracy with which the cut surface can be generated, decisive.
  • the adjustment speed which can be achieved, has an effect on the speed with which the required cutting surface can be produced. Rapid cutting surface production is not only desirable for comfort or time-saving desires, against the background that inevitably movements of the eye occur in ophthalmological operations, rapid cutting surface production additionally promotes the optical quality of the result obtained or reduces the requirements for any tracking of eye movements.
  • the invention is therefore the object of a method and an apparatus of the type mentioned in such a way that for the production of a cutting surface the shortest possible time is required.
  • This object is achieved with a method of the type mentioned, in which the focus point is guided so that it follows contour lines of the cut surface with respect to the remaining two spatial directions, which lie in planes which are substantially perpendicular to the first spatial direction.
  • the object is further achieved with a device of the type mentioned, in which the control device controls the scanning device so that the focal point is guided in the other two spatial directions on contour lines of the cut surface, which lie in planes that are perpendicular to the first spatial direction.
  • contour lines of the cut surface to be produced are related to that spatial direction of the system in which the slowest adjustment speed is given. It is thereby possible to leave the focus in this spatial direction almost unchanged over a longer period of time, and the higher adjustment speed in the other two spatial directions can be exploited without limitation. Overall, a fast cut surface generation is obtained.
  • the contour lines can be conveniently obtained by cutting the curved section surface with plane perpendicular to the first spatial direction. The more precisely the planes of the contour lines are perpendicular to the first spatial direction, the more constant the adjustment can be maintained in the first spatial direction during a contour line.
  • the laser radiation is adjusted at least with respect to the two spatial directions that are perpendicular to the plane of the contour line, taking into account the contour line. It is on the one hand possible that the focal point within certain tolerances exactly follows the respective contour line. In this case, the focal point describes concentrically located closed trajectories, wherein for each trajectory of the focus in the first spatial direction is set accordingly different. Instead of closed trajectories that follow the contour lines exactly within certain tolerances, it is also possible to connect the contour lines together. The focal point is thereby moved along a contour line, wherein the individual contour lines are not executed as closed trajectories, but adjacent contour lines are connected by a sliding transition, so that the total focus point is moved on a single continuous trajectory.
  • This continuous juxtaposition of contour lines can preferably be achieved in that the focal point is moved in each case to a residual piece completely along the contour line and in the remaining piece by adjustment of the focal point in the first spatial direction, a transition to the next contour line is effected.
  • This approach has the advantage that the requirements for the adjustment in the first spatial direction are lowered again, as well as during the transition between two contour lines optical breakthroughs are generated to form the cut surface.
  • the contour image is determined by the topography, i. depend on the curvature of the cut surface.
  • concentric circular contour lines are obtained. Since ophthalmic corrections also regularly correct a certain astigmatism, however, a spherically curved cut surface will be the exception rather than an ellipsoid or toroidal surface.
  • the contour lines are formed as (conveniently concentric) ellipses.
  • the ellipticity is between 1, 0 and 1, 1 or even 1, 2.
  • the contour lines may also be based on the guidance of the focal point such that the deflected focus point follows an ellipsoid spiral, i. a lying on the lateral surface of the curved cutting surface spiral.
  • the ellipticity of the ellipses or the ellipsoid spiral may depend on the shape of the corneal surface.
  • Ellipticity means the ratio of the major axis of an ellipse to its minor axis.
  • the natural surface topography is used.
  • the shape of this contact glass plays a role.
  • a flat contact glass represents a mathematical borderline case, and the concept of the contour line scan leads to degeneration here the trajectories, although these can still be described as closed.
  • a dependence of the surface topography eg. B. the ellipticity of the curvature of the contact glass. This is true even if the curvature is purely spherical, since then also sets an ellipsoidal shape for the cut surface. However, the ellipticity is usually not the same in the entire edit field, but often shows a radial dependence.
  • the ellipticity of a sphero-cylindrical correction of -2dpt and 1dpt is only about 1.03 in the central field near the optical axis and increases by about 10% with the distance from the optical axis to the outer trajectory.
  • the variability of the ellipticity or a corresponding modification of an ideal circular path does not play a disturbing role in the correction of higher-order aberrations, and thus can be assumed to be constant in a first approximation.
  • the distances between the control lines underlying the contour lines are naturally given by the distances of the planes, which are generated by a mathematical section with the curved section of the contour lines.
  • the distances in the first spatial direction are chosen so that the average distances of the contour lines are constant and in particular below a threshold, which is of course less than the aforementioned limit.
  • a threshold which is of course less than the aforementioned limit.
  • the distance between adjacent contour lines on the long semiaxis can be evaluated in a simplified manner in the contour line image to ensure that the optical breakthroughs are sufficiently dense.
  • the curved cut surface required for this purpose also has higher orders of curvature. If you want to represent these shapes directly by contour lines, sometimes results in a very complex contour line image, which requires a complex and fast adjustment in the two other spatial directions when descending a contour line. For such cases, it is expedient to neglect the higher curvature orders of the curved cut surface in the determination of the contour lines and then, while the focus point is adjusted in the other two spatial directions according to the contour line, the adjustment in the first spatial direction according to the influence of the higher curvature orders change. The Correction of higher aberrations is then then modulated in the first spatial direction, for example in the z-direction, to a basic movement which corresponds to the curved sectional area without higher aberrations.
  • the adjustment of the focal point can be effected with a scanning device which, for the adjustment in the first spatial direction (usually z-direction), has a zoom lens preferably designed as a tunable telescope and for the other two spatial directions (usually x and y). Directions) has two tilting mirrors with crossed axes of rotation.
  • the surface of the material in particular the cornea front surface, has a known shape. This facilitates the guidance of the focal point. Furthermore, it is expedient to spatially fix the material to be processed, in particular the cornea of the eye, since it is then possible to dispense with sometimes costly beam tracking. From both points of view, it is expedient to put on the material a contact glass, which gives the material surface a certain shape. This shape is then taken into account in determining the contour lines. This can be done in particular by the fact that the initially mentioned coordinate transformation, which takes place by pressing against the contact glass, is received during the control.
  • FIG. 1 is a perspective view of a patient during a laser surgical treatment with a laser surgical instrument
  • Figure 2 is the focusing of a beam on the eye of the patient in the instrument of Figure 1
  • Figure 3 is a schematic representation for explaining a during the laser surgery with the instrument of the figure
  • FIG. 4 shows a deflection device of the laser surgical instrument of FIG. 1
  • FIG. 5 shows an exemplary contour line image which is used in the control of the deflection device of FIG. 4.
  • FIG. 6 shows a section of a contour line image similar to that of FIG.
  • FIG. 5 to illustrate the transition between successive sections Contour lines
  • Figure 7 similar to Figure 6 with a further possibility for a transition between contour lines
  • Figures 8a and 8b another example of a contour line image including associated control functions for the deflection device
  • Figure 10 is a view similar to Figure 2 when using a contact glass
  • Figure 11 in determining the contour lines relevant sizes and Figures 12 and 13, the sizes of the figure 11 with and without contact glass.
  • FIG. 1 shows a laser-surgical instrument for treating an eye 1 of a patient, the laser-surgical instrument 2 serving to carry out a refractive correction.
  • the instrument 2 dispenses a treatment laser beam 3 onto the eye of the patient 1, whose head is fixed in a head holder 4.
  • the laser surgical instrument 2 is capable of generating a pulsed laser beam 3 so that the method described in US 6,110,166 can be carried out.
  • the laser surgical instrument 2 has a beam source S whose radiation is focused into the cornea 5 of the eye 1.
  • Defective vision of the patient's eye 1 is remedied by means of the laser surgical instrument 2 by removing material from the cornea 5 in such a way that the refractive properties of the cornea change by a desired amount.
  • the material is taken from the stroma of the cornea, which lies below the epithelium and Bowman's membrane above the Decemet's membrane and the endothelium. Material removal takes place by separating tissue layers in the cornea by focusing the high-energy pulsed laser beam 3 by means of an objective telescope 6 in a focus 7 in the cornea 5.
  • Each pulse of the pulsed laser radiation 3 generates an optical breakthrough in the tissue, which initiates a plasma bubble 8.
  • the tissue layer separation comprises a larger area than the focus 7 of the laser radiation 3.
  • many plasma bubbles 8 are now lined up during the treatment.
  • the adjoining plasma bubbles 8 then form a cut surface 9 which circumscribes a partial volume T of the stroma, namely the material of the cornea 5 to be removed.
  • the laser-surgical instrument 2 acts through the laser radiation 3 like a surgical knife, which, without violating the surface of the cornea 5, directly separates material layers in the interior of the cornea 5. If the cut is carried out by further generation of plasma bubbles 8 as far as the surface of the cornea 5, a material of the cornea 5 isolated by the cut surface 9 can be pulled out laterally and thus removed.
  • the generation of the cutting surface 9 by means of the laser surgical instrument 2 is shown schematically in FIG.
  • the cut surface 9 is formed.
  • the focus shift takes place on the one hand in one embodiment by means of the deflection unit 10 shown schematically in Figure 4, which deflects the incident on a Haupteinfailsachse H on the eye 1 laser beam 3 about two mutually perpendicular axes.
  • the deflection unit 10 uses a line mirror 11 and a picture mirror 12 for this, which leads to two consecutive spatial deflection axes. The crossing point of the main beam axis with the deflection axis is then the respective deflection point.
  • the telescope 6 is suitably adjusted.
  • the focus 7 in the x / y / z coordinate system shown schematically in FIG. 4 can be adjusted along three orthogonal axes.
  • the deflection unit 10 adjusts the focus in the x / y plane, whereby the line mirror allows to adjust the focus in the x-direction and the image mirror in the y-direction.
  • the telescope 6 acts on the z-coordinate of the focus 7.
  • a sectional area 9 as shown in FIG. 3 is curved in the same direction as the corneal surface, this is to be achieved with an optic whose field curvature is similar to the curvature of the cornea without the guidance of the focus 7 having to take this into account. Due to the Cornea curvature, which is between 7 and 10 mm, the partial volume T is also correspondingly curved. The corneal curvature thus has the effect of a field curvature. This is taken into account by suitable control of the deflection unit.
  • a contour line image 16 is determined from the curvature thereof, as shown for example in FIG. 5 in the x / y plane.
  • the contour line image 16 consists of a multiplicity of concentric contour lines 17 which connect points of the same z coordinates to the section 9.
  • the contour line image 16 was obtained, in which from the curved sectional surface 9 determines those points, for. B. were filtered out, which have at least approximately a certain z-coordinate. This corresponds to a mathematical section of the curved section 9 with an x / y plane with the respective z-coordinate.
  • the z-coordinates were chosen to produce the individual contour lines 17 of the contour line image 16 of Figure 5 so that the distances of adjacent contour lines 17 in the contour line image 16 do not exceed a predetermined limit.
  • This limit value is defined by the maximum permissible distance between two plasma bubbles 8, which is permissible for achieving a continuous sectional area.
  • the focus 7 is adjusted by the deflection unit 10 in accordance with the contour lines 17, the zoom lens 6 setting the corresponding z coordinate for the focus 7 for each contour line 17. While the focus 7 runs over a contour line 17, the telescope 6 remains fixed. Only during in Figure 5 dashed lines transitions 18 between adjacent contour lines is an adjustment.
  • FIG. 6 shows a section of the contour line image 16.
  • Each contour line 17 is traversed as almost completely closed curve of the focus 7, wherein the distance between the beginning and end of a contour line 17 does not exceed the limit defined by the maximum permissible distance between two plasma bubbles 8.
  • At the end of each contour line 17 (in Figure 6 are three contour lines 17.1, 17.2 and 17.3 indicated), there is a transition 18 by adjusting the telescope 6 to each next contour line. Between the contour lines 17.1 and 17.2 is thereby a transition 18.1, between the contour lines 17.2 and 17.3 a transition 18.2. This continues for all contour lines.
  • the contour lines 17 can be written as a continuous track.
  • FIG. 6 shows in this regard other transitions 18.1 to 18.3 in which a sliding transition takes place between the end of a contour line and the beginning of the immediately adjacent contour line.
  • FIG. 7 shows in this regard other transitions 18.1 to 18.3 in which a sliding transition takes place between the end of a contour line and the beginning of the immediately adjacent contour line.
  • the continuation of the corresponding contour lines not followed by the focus 7 is shown in dashed lines in FIG.
  • a sliding transition to the next contour line is made by suitable control of the line mirror 11 and of the image mirror 12.
  • the telescope 6 is adjusted synchronously during the transitions 18.1, 18.2 and 18.3 reached thereby.
  • FIG. 8 a shows another example of a contour line image 16, which is constructed here from concentric elliptic contour lines 17.
  • the beam source S controlled so that it produces no optical breakthrough in the material 5, ie no plasma bubble 8. This is shown in FIG. 9 by different hatchings.
  • the beam source S can generate plasma bubbles 8.
  • the beam source S is switched off or operated at least so that no plasma bubbles 8 can arise.
  • the laser surgical instrument 2 and the method performed thereby have been described in conjunction with a concept that leaves the shape of the anterior surface of the cornea unchanged for the procedure.
  • the above description also applies to approaches that put on the cornea 5 a contact glass.
  • the structure present in such a procedure is shown schematically in FIG. 10, which corresponds essentially to FIG. 2, so that elements already described there will not be discussed further.
  • a contact glass 21 is now placed on the cornea 5, which with its inner surface 22 gives the front surface of the cornea 5 a specific profile.
  • the procedure described so far is now in the determination of the trajectories, z.
  • the contour lines no longer the curvature of the cornea 5 in the free, ie natural state, based, but the predetermined by the inner surface 22 of the contact glass 21 shape.
  • the cornea 5 is approximately spherically curved with respect to the eye center Z, so that it has a radius of curvature R Cv and the position of the center Z on the optical axis OA is clearly determined.
  • the coordinates of a point at which a laser focus 7 comes to lie to produce a plasma bubble 8 are thus either in cylindrical coordinates (radius r of the optical axis OA, distance z from the vertex plane and angle ⁇ ) or in radial coordinates (radius r from the eye center Z, angle ⁇ and ⁇ ) can be clearly stated.
  • the contour lines or the trajectories on which the focus 7 is adjusted can be calculated and specified, wherein in cylindrical coordinates elliptical trajectories can be described particularly simply mathematically.
  • a contact glass 21 is now placed on the eye, the conditions shown in FIG. 13 are present as long as the contact glass 21 does not deform the cornea of the eye with its inner surface 22.
  • the contact glass is spherically curved here, wherein the radius of curvature RG is greater than the radius of curvature Rc v of the cornea. If now the contact glass 21 is pressed onto the eye 1, the ocular cornea 5 deforms from a sphere to an ellipsoid; The ratios shown schematically in FIG. 12 are established. The pressing thus causes the deformation of the eye, which applies at least in a region around the optical axis OA much closer to the inner surface 22 of the contact glass 21, as without contact pressure.
  • the ellipticity of the trajectories depends on the shape of this contact glass.
  • Ellipticity means the ratio of the major axis of an ellipse to its minor axis.
  • a plane contact glass is a mathematical borderline case, and the concept of the contour scan leads to the degeneration of the trajectories, although these can still be described as closed.
  • a dependence of the ellipticity on the curvature of the contact glass results.
  • the ellipticity is usually not the same in the entire processing field, but shows a radial dependence.
  • the ellipticity of the trajectories is typically less than 1.2 for a contact lens having a radius of curvature approximately equal to that of the human eye (major axis being 10% longer than the minor major axis).
  • the ellipticity of a sphero-cylindrical correction of -2dpt and 1dpt is only about 1.03 in the central field near the optical axis and increases by about 10% with the distance from the optical axis to the outer trajectory.
  • the variability of the ellipticity or a corresponding modification of an ideal circular path does not play a disturbing role in the correction of higher-order aberrations, and can thus be assumed to be constant in a first approximation.
  • contour lines according to the invention are applicable both for approaches with and without (flat or curved) contact glass, however, when using a contact glass any Vietnamese extension deleted and there is no uncertainty regarding the present surface topography.
  • the surface topography can be determined by suitable methods and devices and is then taken into account in the process (analogously) as well as the topography determined by the pressing process.
  • the shape of the contact glass surface can not be described by one sphere but follows another surface function, for example a paraboloid, a transformation law analogous to the transformation given above can be given but following the same physical idea.

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Abstract

Es wird beschrieben ein Verfahren zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen (9) in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut (5), durch Erzeugen optischer Durchbrüche (8) im Material (5) mittels ins Material (5) fokussierter Laserstrahlung (3), wobei der Fokuspunkt (7) dreidimensional verstellt wird, um die Schnittfläche (9) durch Aneinanderreihung der optischen Durchbrüche (8) zu bilden, und wobei die Verstellung des Fokuspunktes (7) in einer ersten Raumrichtung (z) durch eine verstellbare Optik (6) erfolgt und der Fokuspunkt (7) so geführt wird, dass er bezüglich der übrigen zwei Raumrichtungen (x, y) in einer Ebene senkrecht zur ersten Raumrichtung (z) liegenden Höhenlinien (17) der Schnittfläche (9) folgt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen in einem transparenten Material
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut, durch Erzeugen optischer Durchbrüche im Material mittels ins Material fokussierter Laserstrahlung, wobei der Fokuspunkt dreidimensional verstellt wird, um die Schnittfläche durch Aneinanderreihung der optischen Durchbrüche zu bilden, und wobei die Verstellung des Fokuspunktes in einer ersten Raumrichtung mit geringer Maximalgeschwindigkeit erfolgt, als in den übrigen zwei Raumrichtungen. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut, mit einer Laserstrahlungsquelle, die Laserstrahlung in das Material fokussiert und dort optische Durchbrüche bewirkt, wobei eine Scaneinrichtung, die den Fokuspunkt dreidimensional verstellt, und eine Steuereinrichtung vorgesehen sind, die die Scaneinrichtung ansteuert, um die Schnittfläche durch Aneinanderreihen der optischen Durchbrüche im Material zu bilden, und wobei die Scaneinrichtung zur Verstellung des Fokuspunktes in einer Raumrichtung eine verstellbare Optik aufweist.
Gekrümmte Schnittflächen innerhalb eines transparenten Materials werden insbesondere bei laserchirurgischen Verfahren und dort insbesondere bei augenchirurgischen Eingriffen erzeugt. Dabei wird Behandlungs-Laserstrahlung innerhalb des Gewebes d.h. unterhalb der Gewebeoberfläche derart fokussiert, daß optische Durchbrüche im Gewebe entstehen.
Im Gewebe laufen dabei zeitlich hintereinander mehrere Prozesse ab, die durch die Laserstrahlung initiiert werden. Überschreitet die Leistungsdichte der Strahlung einen Schwellwert, kommt es zu einem optischen Durchbruch, der im Material eine Plasmablase erzeugt. Diese Plasmablase wächst nach Entstehen des optischen Durchbruches durch sich ausdehnende Gase. Wird der optische Durchbruch nicht aufrechterhalten, so wird das in der Plasmablase erzeugte Gas vom umliegenden Material aufgenommen, und die Blase verschwindet wieder. Dieser Vorgang dauert allerdings sehr viel länger, als die Entstehung der Blase selbst. Wird ein Plasma an einer Materialgrenzfläche erzeugt, die durchaus auch innerhalb einer Materialstruktur liegen kann, so erfolgt ein Materialabtrag von der Grenzfläche. Man spricht dann von Photoablation. Bei einer Plasmablase, die vorher verbundene Materialschichten trennt, ist üblicherweise von Photodisruption die Rede. Der Einfachheit halber werden all solche Prozesse hier unter dem Begriff optischer Durchbruch zusammengefaßt, d.h. dieser Begriff schließt nicht nur den eigentlichen optischen Durchbruch sondern auch die daraus resultierenden Wirkungen im Material ein.
Für eine hohe Genauigkeit eines laserchirurgischen Verfahrens ist es unumgänglich, eine hohe Lokalisierung der Wirkung der Laserstrahlen zu gewährleisten und Kolateralschäden in benachbartem Gewebe möglichst zu vermeiden. Es ist deshalb im Stand der Technik üblich, die Laserstrahlung gepulst anzuwenden, so daß der zur Auslösung eines optischen Durchbruchs nötige Schwellwert für die Leistungsdichte nur in den einzelnen Pulsen überschritten wird. Die US 5.984.916 zeigt diesbezüglich deutlich, daß der räumliche Bereich des optischen Durchbruchs (in diesem Fall der erzeugten Wechselwirkung) stark von der Pulsdauer abhängt. Eine hohe Fokussierung des Laserstrahls in Kombination mit sehr kurzen Pulsen erlaubt es damit, den optischen Durchbruch sehr punktgenau in einem Material einzusetzen.
Der Einsatz von gepulster Laserstrahlung hat sich in der letzten Zeit besonders zur laserchirurgischen Fehlsichtigkeitskorrektur in der Ophthalmologie durchgesetzt. Fehlsichtigkeiten des Auges rühren oftmals daher, daß die Brechungseigenschaften von Hornhaut und Linse keine optimale Fokussierung auf der Netzhaut bewirken.
Die erwähnte US 5.984.916 sowie die US 6.110.166 beschreiben gattungsgemäße Verfahren zur Schnitterzeugung mittels geeigneter Erzeugung optischer Durchbrüche, so daß im Endeffekt die Brechungseigenschaften der Hornhaut gezielt beeinflußt werden. Eine Vielzahl von optischen Durchbrüchen wird so aneinandergesetzt, daß innerhalb der Hornhaut des Auges ein linsenförmiges Teilvolumen isoliert wird. Das vom übrigen Hornhautgewebe getrennte linsenförmige Teilvolumen wird dann über einen seitlich öffnenden Schnitt aus der Hornhaut herausgenommen. Die Gestalt des Teilvolumens ist so gewählt, daß nach Entnahme die Form und damit die Brechungseigenschaften der Hornhaut so geändert sind, daß die erwünschte Fehlsichtigkeitskorrektur bewirkt ist. Die dabei geforderten Schnittflächen sind gekrümmt, was eine dreidimensionale Verstellung des Fokus nötig macht. Es wird deshalb eine zweidimensionale Ablenkung der Laserstrahlung mit gleichzeitiger Fokusverstellung in einer dritten Raumrichtung kombiniert.
Die zweidimensionale Ablenkung der Laserstrahlung ist wie die Fokusverstellung gleichermaßen für die Genauigkeit, mit der die Schnittfläche erzeugt werden kann, ausschlaggebend. Gleichzeitig wirkt sich die Verstellgeschwindigkeit, die dabei erreichbar ist, auf die Schnelligkeit, mit der die geforderte Schnittfläche erzeugt werden kann, aus. Eine schnelle Schnittflächenerzeugung ist nicht nur aus Komfort- oder Zeitersparniswünschen anzustreben, vor dem Hintergrund, daß bei ophthalmologischen Operationen unvermeidlicherweise Bewegungen des Auges auftreten, fördert eine schnelle Schnittflächenerzeugung zusätzlich die optische Qualität des erzielten Resultats bzw. senkt die Anforderungen an eventuelle Nachführungen von Augenbewegungen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß für die Erzeugung einer Schnittfläche eine möglichst geringe Zeit erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Fokuspunkt so geführt wird, daß er bezüglich der übrigen zwei Raumrichtungen Höhenlinien der Schnittfläche folgt, die in Ebenen liegen, welche im wesentlichen senkrecht zur ersten Raumrichtung sind.
Die Aufgabe wird weiter mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Steuereinrichtung die Scaneinrichtung so ansteuert, daß der Fokuspunkt in den übrigen zwei Raumrichtungen auf Höhenlinien der Schnittfläche geführt ist, welche in Ebenen liegen, die senkrecht zur ersten Raumrichtung sind.
Erfindungsgemäß werden also bei der Erzeugung der optischen Durchbrüche Bahnen verwendet, denen Höhenlinien der zu erzeugenden Schnittfläche zugrunde liegen. Die Höhenlinien sind dabei auf diejenige Raumrichtung des Systems bezogen, in der die langsamste Verstellgeschwindigkeit gegeben ist. Es ist dadurch möglich, den Fokus in dieser Raumrichtung über einen längeren Zeitraum nahezu unverändert zu lassen, und die höhere Verstellgeschwindigkeit in den anderen beiden Raumrichtungen kann ohne Begrenzung ausgeschöpft werden. Man erhält insgesamt eine schnelle Schnittflächenerzeugung. Die Höhenlinien kann man zweckmäßigerweise durch Schneiden der gekrümmten Schnittfläche mit Ebene senkrecht zur ersten Raumrichtung erhalten. Je exakter die Ebenen der Höhenlinien senkrecht zur ersten Raumrichtung stehen, desto konstanter kann die Verstellung in der ersten Raumrichtung während einer Höhenlinie gehalten werden.
Die Laserstrahlung wird dazu zumindest bezogen auf die zwei Raumrichtungen, die senkrecht zur Ebene der Höhenlinie liegen, unter Berücksichtigung des Höhenlinienverlaufes verstellt. Dabei ist es zum einen möglich, daß der Fokuspunkt innerhalb gewisser Toleranzen exakt der jeweiligen Höhenlinie folgt. In diesem Fall beschreibt der Fokuspunkt konzentrisch gelegene geschlossene Bahnkurven, wobei für jede Bahnkurve der Fokus in der ersten Raumrichtung entsprechend unterschiedlich eingestellt ist. Anstelle von geschlossenen Bahnkurven, die den Höhenlinien innerhalb bestimmter Toleranzen exakt folgen, ist es auch möglich, die Höhenlinien zusammenhängend miteinander zu verbinden. Der Fokuspunkt wird dabei entlang einer Höhenlinie bewegt, wobei die einzelnen Höhenlinien nicht als geschlossene Bahnkurven ausgeführt werden, sondern benachbarte Höhenlinien durch einen gleitenden Übergang miteinander verbunden sind, so daß insgesamt der Fokuspunkt auf einer einzigen zusammenhängenden Bahnkurve bewegt wird. Es entsteht dadurch eine auf einer geschlossenen Bahnkurve liegende Reihe optischer Durchbrüche, die die Schnittfläche bilden. Diese ununterbrochene Aneinanderreihung von Höhenlinien kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, daß der Fokuspunkt jeweils bis auf ein Reststück vollständig entlang der Höhenlinie bewegt wird und im Reststück durch Verstellung des Fokuspunktes in der ersten Raumrichtung ein Übergang zur nächsten Höhenlinie bewirkt wird. Dieser Ansatz hat den Vorteil, daß die Anforderungen an die Verstellung in der ersten Raumrichtung nochmals gesenkt sind, da auch während des Übergangs zwischen zwei Höhenlinien optische Durchbrüche zur Bildung der Schnittfläche erzeugt werden.
Das Höhenlinienbild wird dabei von der Topographie, d.h. der Krümmung der Schnittfläche abhängen. Bei einer sphärisch gekrümmten Schnittfläche erhält man konzentrische kreisförmige Höhenlinien. Da bei augenoptischen Korrekturen regelmäßig auch ein gewisser Astigmatismus zu korrigieren ist, wird jedoch eine sphärisch gekrümmte Schnittfläche eher die Ausnahme, eine Ellipsoid- oder Toroidfläche dagegen meist die Regel sein. Für eine solche Ellipsoidfläche sind die Höhenlinien als (günstigerweise konzentrische) Ellipsen ausgebildet. Vorzugsweise liegt die Elliptizität zwischen 1 ,0 und 1 ,1 oder sogar 1 ,2.
Bei einer solchen Form können die Höhenlinien auch derart der Führung des Fokuspunktes zugrundegelegt werden, daß der abgelenkte Fokuspunkt einer Ellipsoid-Spirale folgt, d.h. einer auf der Mantelfläche der gekrümmten Schnittfläche liegenden Spirale.
Die Elliptizität der Ellipsen bzw. der Ellipsoid-Spirale kann dabei von der Form der Hornhautoberfläche abhängen. Unter Elliptizität ist das Verhältnis der großen Hauptachse einer Ellipse zu ihrer kleinen Hauptachse zu verstehen.
Für kontaktlose Verfahren wird mit der natürlichen Oberflächentopographie gearbeitet, bei Verwendung eines Kontaktglases spielt die Form dieses Kontaktglases eine Rolle. Hier besteht ein Vorteil des Ansatzes mit Verwendung eines Kontaktglases, da die Topographie mit angepreßtem Kontaktglas wohl definiert ist. Ein ebenes Kontaktglas stellt einen mathematischen Grenzfall dar, und das Konzept des Höhenlinien-Scans führt hier zur Entartung der Bahnkurven, obwohl diese auch noch als geschlossen bezeichnet werden können. Für den auch aus applikativer Sicht interessanteren Fall eines gekrümmten Kontaktglases ergibt sich eine Abhängigkeit der Oberflächentopographie, z. B. der Elliptizität von der Krümmung des Kontaktglases. Dies gilt auch, wenn die Krümmung rein sphärisch ist, da sich dann ebenfalls eine Ellipsoidform für die Schnittfläche einstellt. Die Elliptizität ist allerdings meist nicht im ganzen Bearbeitungsfeld gleich, sondern zeigt oft eine radiale Abhängigkeit.
Im Prinzip ergibt sich für die Elliptizität e folgender Zusammenhang:
Figure imgf000007_0001
wobei Ra und Rb die Krümmungsradien der Comea-Oberfläche in Richtung der Hauptachsen der Ellipse bezeichnen und z der Abstand des Bearbeitungspunktes (der Höhenlinie) vom Hornhautscheitel ist. Da z dann eine Funktion des radialen Parameters des Bearbeitungsfeldes (Abstand zur optischen Achse) ist, ist es zweckmäßig, die bereits erwähnte radiale Abhängigkeit der Elliptizität als e(z) = e(z(r)) zu wählen.
Die oben genannte Gleichung gilt primär für das unkontaktierte Auge, da auch dort, wie oben erwähnt, meist eine Ellipsoidform vorliegt. Bei Anpressen an ein Kontaktglas kommt es in der Regel zu einer Deformation, die bei der Berechnung berücksichtigt wird. Dabei spielen neben den Kugelkoordinaten R.φ.α im natürlichen Augensystem und im Kontaktglassystem (gestrichene Koordinaten) der äußere Krümmungsradius der Cornea RCv und der Krümmungsradius des Kontaktglases RG eine Rolle. Eine einfache und kompakte Form der Transformationsgleichungen für diese Anpreßtransformation lautet: φ' = ψ α' • R' = α R
Figure imgf000007_0002
Weitere Ergänzungen, die in den Gleichungen zu Korrekturtermen führen, sind natürlich möglich und teilweise auch sinnvoll. Der hier offenbarte heuristische Ansatz wird dadurch jedoch nur modifiziert, gilt also im Prinzip weiter. Die genannten Zusammenhänge ermöglichen eine einfache Berechnung der Bahnkurven, was auch die Berechnung der Elliptizität mit einschließt. Ein besonders wichtiger Schritt bei den Algorithmen zur Berechnung ist die oben angegebene Vorwärts- und Rückwärtstransformation zwischen natürlichem Augensystem und Kontaktglassystem . Die Elliptizität der Bahnkurven beträgt für ein Kontaktglas mit einem Krümmungsradius, der etwa dem des menschlichen Auges entspricht, in der Regel weniger als 1.4 (große Hauptachse 10% länger als die kleine Hauptachse). Die Elliptizität beträgt bei einer sphäro-zylindrischen Korrektur mit -2dpt und 1dpt beispielsweise nur etwa 1.03 im zentralen Feldbereich nahe der optischen Achse und wächst mit dem Abstand von der optischen Achse bis zur äußeren Bahnkurve um ca. 10%. Für eine praktikable Ausführungsform spielt die Veränderlichkeit der Elliptizität oder einer entsprechenden Modifikation einer idealen Kreisbahn bei Fehlsichtigkeitskorrektur höherer Ordnung keine störende Rolle, kann also in einer ersten Näherung als konstant angenommen werden.
Die Abstände zwischen den der Steuerung zugrunde zu legenden Höhenlinien sind naturgemäß durch die Abstände der Ebenen gegeben, die durch einen mathematischen Schnitt mit der gekrümmten Schnittfläche die Höhenlinien erzeugt sind. Um sicherzustellen, daß die Vielzahl von optischen Durchbrüchen eine zusammenhängende Schnittfläche ausbildet, ist darauf zu achten, daß der Maximalabstand der Höhenlinien einen Grenzwert nicht überschreitet. Es ist deshalb zweckmäßigerweise zu bevorzugen, daß Abstände der Höhenlinien in der ersten Raumrichtung so gewählt werden, daß die Abstände zwischen benachbarten Höhenlinien einen Grenzwert nicht überschreiten. Dabei kann als zu überprüfendes Maß sowohl der Abstand im Höhenlinienbild als auch der Abstand im dreidimensionalen Raum verwendet werden. Da in der Augenchirurgie die gekrümmten Schnittflächen zur optischen Korrektur innerhalb gewisser Grenzen in oftmals ausreichender Näherung einer sphärischen bzw. einer Ellipsoid-Geometrie genügen, kann es zur Vereinfachung ausreichen, daß die Abstände in der ersten Raumrichtung so gewählt werden, daß die mittleren Abstände der Höhenlinien konstant sind und insbesondere unterhalb eines Schwellwertes liegen, der natürlich geringer ist als der vorgenannte Grenzwert. Bei ellipsoidförmigen Schnittflächen kann vereinfacht im Höhenlinienbild der Abstand benachbarter Höhenlinien an der langen Halbachse ausgewertet werden, um sicherzustellen, daß die optischen Durchbrüche ausreichend dicht liegen.
Bei ophthalmologischen Operationen kann es mitunter erforderlich werden, auch höhere Aberrationen durch Entfernen eines Volumens aus der Hornhaut zu korrigieren. Die dazu erforderliche gekrümmte Schnittfläche weist dementsprechend dann auch höhere Krümmungsordnungen auf. Will man diese Formen durch Höhenlinien direkt abbilden, ergibt sich mitunter ein sehr komplexes Höhenlinienbild, das eine komplexe und schnelle Verstellung in den zwei übrigen Raumrichtungen beim Abfahren einer Höhenlinie erfordert. Für solche Fälle ist es zweckmäßig, bei der Bestimmung der Höhenlinien die höheren Krümmungsordnungen der gekrümmten Schnittfläche zu vernachlässigen und dann, während der Fokuspunkt in den übrigen zwei Raumrichtungen gemäß der Höhenlinie verstellt wird, die Verstellung in der ersten Raumrichtung gemäß dem Einfluß der höheren Krümmungsordnungen zu verändern. Die Korrektur höherer Aberrationen wird also dann in der ersten Raumrichtung, z.B. in z-Richtung auf eine Grundbewegung aufmoduliert, die der gekrümmten Schnittfläche ohne höhere Aberrationen entspricht.
Bei vielen augenoptischen Korrekturen ist es aufgrund physiologischer Gegebenheiten vorteilhaft, zur Fehlsichtigkeitskorrektur ein Volumen zu entnehmen, das bezogen auf die optische Achse des Auges in einem kreisförmigbegrenzten Bereich liegt. Dies gilt auch, falls astigmatische Korrekturen nötig sind. Für solche Fälle ist es vorteilhaft, mittels der Höhenlinien eine Ellipse abzutasten, in den Randbereichen, in denen die Ellipse über den gewünschten kreisförmigen Bereich hinausragt, jedoch die Laserstrahlung (z. B. durch einen optischen Schalter oder eine Blende oder durch Eingriff an der Laserstrahlungsquelle) so zu steuern, daß dort keine optischen Durchbrüche bewirkt werden. Durch eine derartige Ausblendung von Randbereichen der Ellipse kann sichergestellt werden, daß die (astigmatisch) gekrümmte Schnittfläche nur in einem kreisförmigen Bereich erzeugt wird.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Verstellung des Fokuspunktes mit einer Scaneinrichtung bewirkt werden, die zur Verstellung in der ersten Raumrichtung (üblicherweise z-Richtung) ein vorzugsweise als abstimmbares Teleskop ausgebildetes Zoom-Objektiv und für die anderen beiden Raumrichtungen (üblicherweise x- und y-Richtungen) zwei Kippspiegel mit gekreuzten Drehachsen aufweist.
Für die durch optische Mittel bewirkte Ausbildung gekrümmter Schnittflächen ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Materials, insbesondere die Augenhornautvorderfläche, eine bekannte Form hat. Dies erleichtert die Führung des Fokuspunktes. Weiter ist es zweckmäßig, das zu bearbeitende Material, insbesondere die Augenhornhaut, räumlich zu fixieren, da man dann auf mitunter aufwendige Strahlnachführungen verzichten kann. Unter beiden Gesichtspunkten ist es zweckmäßig, auf das Material ein Kontaktglas aufzusetzen, das der Materialoberfläche eine bestimmte Form gibt. Diese Form wird dann bei der Bestimmung der Höhenlinien berücksichtigt. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, daß die eingangs erwähnte Koordinatentransformation, die durch das Anpressen an das Kontaktglas erfolgt, bei der Ansteuerung eingeht.
Die Verwendung eines Kontaktglases ist sowohl für das erfindungsgemäße Verfahren als auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft. Bei der Vorrichtung ist die vom Kontaktglas der Oberfläche des Materials verliehene Form in der Steuereinrichtung bekannt oder wird dieser geeignet eingegeben, so daß die Steuereinrichtung bei der Wahl der Höhenlinien die Oberflächenform des Materials zugrundelegt. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Patienten während einer laserchirurgischen Behandlung mit einem laserchirurgischen Instrument, Figur 2 die Fokussierung eines Strahlenbündels auf das Auge des Patienten beim Instrument der Figur 1 , Figur 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer während der laserchirurgischen Behandlung mit dem Instrument der Figur 1 erzeugten Schnittfläche, Figur 4 eine Ablenkvorrichtung des laserchirurgischen Instruments der Figur 1 , Figur 5 ein beispielhaftes Höhenlinienbild, das bei der Ansteuerung der Ablenkeinrichtung der Figur 4 zugrundegelegt wird, Figur 6 einen Ausschnitt eines Höhenlinienbilds ähnlich dem der Figur 5 zur Verdeutlichung des Übergangs zwischen aufeinanderfolgenden Höhenlinien, Figur 7 ähnlich der Figur 6 mit einer weiteren Möglichkeit für einen Übergang zwischen Höhenlinien, Figuren 8a und 8b ein weiteres Beispiel für ein Höhenlinienbild samt zugehörigen Ansteuerfunktionen für die Ablenkvorrichtung der Figur 4, Figur 9 eine Draufsicht auf einen Schnittbereich beim Ausführen einer augenoptischen Operation zur Fehlsichtigkeitskorrektur, Figur 10 eine Darstellung ähnlich der Figur 2 bei Verwendung eines Kontaktglases, Figur 11 bei der Bestimmung der Höhenlinien relevante Größen und Figuren 12 und 13 die Größen der Figur 11 mit und ohne Kontaktglas.
In Figur 1 ist ein laserchirurgisches Instrument zur Behandlung eines Auges 1 eines Patienten gezeigt, wobei das laserchirurgische Instrument 2 zur Ausführung einer refraktiven Korrektur dient. Das Instrument 2 gibt dazu einen Behandlungs-Laserstrahl 3 auf das Auge des Patienten 1 ab, dessen Kopf in einen Kopfhalter 4 fixiert ist. Das laserchirurgische Instrument 2 ist in der Lage, einen gepulsten Laserstrahl 3 zu erzeugen, so daß das in US 6.110.166 beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann.
Das laserchirurgische Instrument 2 weist dazu, wie in Figur 2 schematisch dargestellt ist, eine Strahlquelle S auf, deren Strahlung in die Hornhaut 5 des Auges 1 fokussiert wird. Mittels des laserchirurgischen Instrumentes 2 wird eine Fehlsichtigkeit des Auges 1 des Patienten dadurch behoben, daß aus der Hornhaut 5 Material so entfernt wird, daß sich die Brechungseigenschaften der Hornhaut um ein gewünschtes Maß ändern. Das Material wird dabei dem Stroma der Hornhaut entnommen, das unterhalb von Epithel und Bowmanscher Membran oberhalb der Decemetschen Membran und des Endothels liegt. Die Materialentfernung erfolgt, indem durch Fokussierung des hochenergetischen gepulsten Laserstrahls 3 mittels eines objektiven Teleskops 6 in einem in der Hornhaut 5 liegenden Fokus 7 in der Hornhaut Gewebeschichten getrennt werden. Jeder Puls der gepulsten Laserstrahlung 3 erzeugt dabei einen optischen Durchbruch im Gewebe, welcher eine Plasmablase 8 initiiert. Dadurch umfaßt die Gewebeschichttrennung ein größeres Gebiet, als der Fokus 7 der Laserstrahlung 3. Durch geeignete Ablenkung des Laserstrahls 3 werden nun während der Behandlung viele Plasmablaseπ 8 aneinandergereiht. Die aneinanderliegenden Plasmablasen 8 bilden dann eine Schnittfläche 9, die ein Teilvolumen T des Stromas, nämlich das zu entfernende Material der Hornhaut 5 umschreiben.
Das laserchirurgische Instrument 2 wirkt durch die Laserstrahlung 3 wie ein chirurgisches Messer, das, ohne die Oberfläche der Hornhaut 5 zu verletzen, direkt Materialschichten im Inneren der Hornhaut 5 trennt. Führt man den Schnitt durch weitere Erzeugung von Plasmablasen 8 bis an die Oberfläche der Hornhaut 5, kann ein durch die Schnittfläche 9 isoliertes Material der Hornhaut 5 seitlich herausgezogen und somit entfernt werden.
Die Erzeugung der Schnittfläche 9 mittels des laserchirurgischen Instrumentes 2 ist in Figur 3 schematisch dargestellt. Durch Aneinanderreihung der Plasmablasen 8 in Folge stetiger Verschiebung des Fokus 7 des gepulsten fokussierten Laserstrahls 3 wird die Schnittfläche 9 gebildet.
Die Fokusverschiebung erfolgt dabei zum einen in einer Ausführungsform mittels der in Figur 4 schematisch dargestellten Ablenkeinheit 10, die den auf einer Haupteinfailsachse H auf das Auge 1 einfallenden Laserstrahl 3 um zwei senkrecht zueinander liegenden Achsen ablenkt. Die Ablenkeinheit 10 verwendet dafür einen Zeilenspiegel 11 sowie einen Bildspiegel 12, was zu zwei hintereinander liegenden räumlichen Ablenkachsen führt. Der Kreuzungspunkt der Hauptstrahlachse mit der Ablenkachse ist dann der jeweilige Ablenkpunkt. Zur Fokusverschiebung wird zum anderen das Teleskop 6 geeignet verstellt. Dadurch kann der Fokus 7 in dem in Figur 4 schematisch dargestelltem x/y/z-Koordinatensystem entlang dreier orthogonaler Achsen verstellt werden. Die Ablenkeinheit 10 verstellt den Fokus in der x/y- Ebene, wobei der Zeilenspiegel den Fokus in der x-Richtung und der Bildspiegel in der y- Richtung zu verstellen erlaubt. Das Teleskop 6 wirkt dagegen auf die z-Koordinate des Fokus 7.
Ist eine wie in Fig. 3 gezeigte Schnittfläche 9 in die gleiche Richtung wie die Hornhautoberfläche gewölbt, so ist dies mit einer Optik, deren Bildfeldkrümmung ähnlich der Krümmung der Hornhaut ist, zu erreichen, ohne daß die Führung des Fokus 7 dies berücksichtigen muß. Aufgrund der Corneakrümmung, die zwischen 7 und 10 mm beträgt, ist das Teilvolumen T auch entsprechend gekrümmt. Die Corneakrümmung wirkt sich somit in Form einer Bildfeldkrümmung aus. Diese wird durch geeignete Ansteuerung der Ablenkeinheit berücksichtigt.
Zur Erzeugung der Schnittfläche 9 wird aus deren Krümmung ein Höhenlinienbild 16 bestimmt, wie es beispielshalber in Figur 5 in der x/y-Ebene dargestellt ist. Das Höhenlinienbild 16 besteht aus einer Vielzahl konzentrischer Höhenlinien 17, die Punkte gleicher z-Koordinaten der Schnittfläche 9 verbindet. Das Höhenlinienbild 16 wurde gewonnen, in dem aus der gekrümmten Schnittfläche 9 diejenigen Punkte bestimmt, z. B. herausgefiltert wurden, die zumindest näherungsweise eine bestimmte z-Koordinate haben. Dies entspricht einem mathematischen Schnitt der gekrümmten Schnittfläche 9 mit einer x/y-Ebene mit der jeweiligen z-Koordinate. Die z-Koordinaten wurden dabei zur Erzeugung der einzelnen Höhenlinien 17 des Höhenlinienbildes 16 der Figur 5 so gewählt, daß die Abstände benachbarter der Höhenlinien 17 im Höhenlinienbild 16 einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreiten. Dieser Grenzwert ist durch den maximal zulässigen Abstand zweier Plasmablasen 8 festgelegt, der zum Erreichen einer zusammenhängenden Schnittfläche zulässig ist.
Zum Erzeugen der Schnittfläche 9 wird nun der Fokus 7 entsprechend der Höhenlinien 17 durch die Ablenkeinheit 10 verstellt, wobei die Zoom-Optik 6 für jede Höhenlinie 17 die entsprechende z-Koordinate für den Fokus 7 einstellt. Während der Fokus 7 über eine Höhenlinie 17 läuft, bleibt das Teleskop 6 fest eingestellt. Lediglich während in Figur 5 gestrichelt eingezeichneten Übergängen 18 zwischen benachbarten Höhenlinien erfolgt eine Verstellung.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt des Höhenlinienbildes 16. Jede Höhenlinie 17 wird dabei als fast vollständig geschlossene Kurve vom Fokus 7 abgefahren, wobei der Abstand zwischen Anfang und Ende einer Höhenlinie 17 den durch den Grenzwert definierten zulässigen maximalen Abstand zwischen zwei Plasmablasen 8 nicht überschreitet. Am Ende einer jeden Höhenlinie 17 (in Figur 6 sind drei Höhenlinien 17.1 , 17.2 und 17.3 angedeutet) erfolgt ein Übergang 18 durch Verstellen des Teleskopes 6 zur jeweils nächsten Höhenlinie. Zwischen den Höhenlinien 17.1 und 17.2 liegt dadurch ein Übergang 18.1, zwischen den Höhenlinien 17.2 und 17.3 ein Übergang 18.2. Dies setzt sich für alle Höhenlinien fort. Durch den derart gewählten Übergang ist zum einen erreicht, daß der Grenzwert für den maximal zulässigen Abstand zwischen zwei Plasmablasen 8 nicht überschritten wird, zum anderen die Höhenlinien 17 als zusammenhängende Spur geschrieben werden kann. In Figur 6 liegen die Übergänge 18 im wesentlichen auf Fallinien der gekrümmten Schnittfläche 9. Figur 7 zeigt diesbezüglich andere Übergänge 18.1 bis 18.3, bei denen ein gleitender Übergang zwischen dem Ende einer Höhenlinie und dem Beginn der unmittelbar benachbarten Höhenlinie erfolgt. Zur Verdeutlichung ist die vom Fokus 7 nicht verfolgte Fortsetzung der entsprechenden Höhenlinien in Figur 7 gestrichelt eingezeichnet. Wie zu sehen ist, wird am Ende einer Höhenlinie 17 ein gleitender Übergang auf die nächste Höhenlinie durch geeignete Ansteuerung des Zeilenspiegels 11 sowie des Bildspiegels 12 vorgenommen. Gleichzeitig wird synchron das Teleskop 6 während der dadurch erreichten Übergänge 18.1 , 18.2 und 18.3 verstellt.
Es ergibt sich dadurch im Gegensatz zum Übergang der Figur 6, bei der benachbarte Höhenlinien in entgegengesetzter Umlaufrichtung durchlaufen werden, ein gleichsinniger Umlauf um die Höhenlinien, die ähnlich einer Spirale aneinandergereiht werden. Im Unterschied zu einer wirklichen Spirale wird jedoch bis auf den Übergang 18 die Höhenlinie durch den Fokus 7 abgefahren und der Wechsel von einer Höhenlinie zur nächsten erfolgt über einen kleinen Winkelbereich des Umlaufs statt kontinuierlich während eines 360° Umlaufes.
Figur 8a zeigt ein weiteres Beispiel für ein Höhenlinienbild 16, das hier aus konzentrischen elliptischen Höhenlinien 17 aufgebaut ist. Für dieses Höhenlinienbild ist für jede Höhenlinie 17 die in Figur 8b schematisch dargestellte zeitliche Ansteuerung von Zeilenspiegel 11 und Bildspiegel 12 vorgesehen, die hier mit Ansteuerfunktionen Fy und Fx angesteuert werden, die der Gleichung sinφ bzw. A • sin(φ+α) und cos φ bzw. R • cos(φ+α) genügen (mit φ Winkelparameter der Höhenlinie, α auf die Winkellage der Ellipsenhauptachse zur y-Achse wirkendem Parameter R, und A die Elliptizität beeinflussendem Parameter, wobei meist R=1 gut).
Da bei einem nichtkreisförmigen Höhenlinienbild die Schnittfläche 9, in z-Richtung gesehen einen nichtkreisförmigen Bereich umfaßte, was aus ophtalmologischer Sicht nicht wünschenswert ist, wird in einer Ausführungsform bei solchen, nicht rotationssymmetrischen Höhenlinienbildern in Bereichen, die außerhalb eines kreisförmigen Bereiches liegen, die Strahlquelle S so gesteuert, daß sie im Material 5 keinen optischen Durchbruch, d.h. keine Plasmablase 8 erzeugt. Dies ist in Figur 9 durch unterschiedliche Schraffuren dargestellt. Im von links oben nach rechts unten schraffierten kreisförmigen Bereich 19 kann die Strahlquelle S Plasmablasen 8 erzeugen. In den darüber hinausragenden Bereichen 20, in denen das Höhenlinienbild 16 den gewünschten kreisförmigen Bereich 19 verläßt, ist die Strahlquelle S dagegen abgeschaltet oder wird zumindest so betrieben, daß keine Plasmablasen 8 entstehen können. Bisher wurde das laserchirurgische Instrument 2 sowie das dadurch ausgeführte Verfahren in Zusammenhang mit einem Konzept beschrieben, das die Form der Vorderfläche der Augenhornhaut für den Eingriff unverändert läßt. Obige Beschreibung gilt jedoch auch für Ansätze, die auf die Augenhornhaut 5 ein Kontaktglas aufsetzen. Der bei einem solchen Vorgehen vorliegende Aufbau ist schematisch in Figur 10 gezeigt, die im wesentlichen der Figur 2 entspricht, so daß auf dort bereits beschriebene Elemente nicht weiter eingegangen wird. Im Unterschied zu Figur 2 ist auf die Augenhornhaut 5 jetzt allerdings ein Kontaktglas 21 aufgesetzt, das mit seiner Innenfläche 22 der Vorderfläche der Augenhornhaut 5 ein bestimmtes Profil verleiht. Im Unterschied zum bisher beschriebenen Vorgehen, ist nun bei der Bestimmung der Bahnkurven, z. B. der Höhenlinien, nicht mehr die Krümmung der Augenhornhaut 5 im freien, d. h. natürlichen Zustand, zugrundezulegen, sondern die durch die Innenfläche 22 des Kontaktglases 21 vorgegebene Form.
Ohne Kontaktglas 21 stellen sich die geometrischen Verhältnisse am Auge 1 wie in Figur 11 gezeigt dar. Die Augenhornhaut 5 ist bezogen auf das Augenzentrum Z näherungsweise sphärisch gekrümmt, so daß sie durch einen Krümmungsradius RCv sowie die Lage des Zentrums Z auf der optischen Achse OA eindeutig lagebestimmt ist. Die Koordinaten eines Punktes, an dem ein Laserfokus 7 zu liegen kommt, um eine Plasmablase 8 zu erzeugen, sind damit entweder in Zylinderkoordinaten (Radius r von der optischen Achse OA, Abstand z von der Scheitelpunktebene und Winkel φ) oder in radialen Koordinaten (Radius r vom Augenzentrum Z, Winkel φ und α) eindeutig angebbar. In beiden Koordinatensystemen können die Höhenlinien bzw. die Bahnkurven, an denen der Fokus 7 verstellt wird, berechnet und angegeben werden, wobei in Zylinderkoordinaten elliptische Bahnkurven besonders einfach mathematisch beschrieben werden können.
Setzt man nun auf das Auge ein Kontaktglas 21 auf, liegen die in Figur 13 gezeigten Verhältnisse vor, solange das Kontaktglas 21 mit seiner Innenfläche 22 die Augenhornhaut nicht verformt. Das Kontaktglas ist hier sphärisch gekrümmt, wobei der Krümmungsradius RG größer ist, als der Krümmungsradius Rcv der Augenhornhaut. Preßt man nun das Kontaktglas 21 auf das Auge 1 , verformt sich die Augenhomhaut 5 von einer Sphäre zu einem Ellipsoid; es stellen sich die in Figur 12 schematisch dargestellten Verhältnisse ein. Das Anpressen bewirkt also die Verformung des Auges, das sich zumindest in einem Bereich um die optische Achse OA sehr viel enger an die Innenfläche 22 des Kontaktglases 21 anlegt, als ohne Anpressung.
Da sich die geometrischen Verhältnisse nun ändern, kann man den Vorgang des Anpressens bezüglich der mathematischen Beschreibung der Orte der Fokuspunkte 7 und damit der Bahnkurven in einer Koordinatentransformation, die auch als „Anpreßtransformation" bezeichnet wird, fassen. Die transformierten Koordinaten werden dann zweckmäßigerweise auf den Mittelpunkt M des vorzugsweise sphärisch gekrümmten Kontaktglases bezogen, da das Kontaktglas üblicherweise auch zur Fixierung des Auges 1 verwendet wird, d. h. fest mit dem Instrument 2 verbunden ist. Hier wirkt sich die Doppelfunktion des Kontaktglases (Formgebung und räumliche Fixierung) aus.
Es stellen sich dann elliptische Bahnkurven ein. Die Elliptizität der Bahnkurven hängt von der Form diese Kontaktglases ab. Unter Elliptizität ist das Verhältnis der großen Hauptachse einer Ellipse zu ihrer kleinen Hauptachse zu verstehen.
Ein ebenes Kontaktglas stellt einen mathematischen Grenzfall dar, und das Konzept des Höhenlinien-Scans führt hier zur Entartung der Bahnkurven, obwohl diese auch noch als geschlossen bezeichnet werden können. Für den auch aus applikativer Sicht interessanteren Fall eines gekrümmten Kontaktglases ergibt sich eine Abhängigkeit der Elliptizität von der Krümmung des Kontaktglases. Die Elliptizität ist zudem meist nicht im ganzen Bearbeitungsfeld gleich, sondern zeigt eine radiale Abhängigkeit.
Im Prinzip gilt für die Elliptizität e:
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wobei Ra und Rb die Krümmungsradien der Cornea-Oberfläche in Richtung der Hauptachsen der Ellipse bezeichnen und z den Abstand des Bearbeitungspunktes (der Höhenlinie) vom Hornhautscheitel. Da z in dem gewählten Zylinderkoordinatensystem (z, Abstand von Hornhautscheitel; r, Abstand zur optischen Achse; φ) dann eine Funktion des radialen Parameters v des Bearbeitungsfeldes ist, ist es zweckmäßig, die radiale Abhängigkeit der Elliptizität durch e(z) = e(z(r)) zu beschreiben.
Die oben genannte Gleichung gilt primär für das unkontaktierte Auge. Bei Anpressen an ein Kontaktglas kommt es in der Regel zu einer Deformation, die bei der Berechnung berücksichtigt werden muß. Dabei spielen der äußere Krümmungsradius der Cornea RCv und der Krümmungsradius des Kontaktglases RG eine Rolle. Eine einfache und kompakte Form der Transformation lautet: φ' = φ α' ■ R' = α • R
Figure imgf000015_0002
Weitere Ergänzungen, die in den Gleichungen zu Korrekturtermen führen, sind natürlich möglich und teilweise auch sinnvoll. Obiger Ansatz wird dadurch jedoch nur modifiziert, gilt also im Prinzip weiter. Die genannten Zusammenhänge ermöglichen die Berechnung der Bahnkurven, was auch die Berechnung der Elliptizität mit einschließt. Ein besonders wichtiger Schritt bei den Algorithmen zur Berechnung ist die Vorwärts- und Rückwärtstransformation zwischen natürlichem Augensystem und Kontaktglassystem.
Die Elliptizität der Bahnkurven beträgt für ein Kontaktglas mit einem Krümmungsradius, der etwa dem des menschlichen Auges entspricht, in der Regel weniger als 1.2 (große Hauptachse 10% länger als die kleine Hauptachse). Die Elliptizität beträgt bei einer sphäro-zylindrischen Korrektur mit -2dpt und 1dpt beispielsweise nur etwa 1.03 im zentralen Feldbereich nahe der optischen Achse und wächst mit dem Abstand von der optischen Achse bis zur äußeren Bahnkurve um ca. 10%. Für einen Ansatz spielt die Veränderlichkeit der Elliptizität oder einer entsprechenden Modifikation einer idealen Kreisbahn bei Fehlsichtigkeitskorrektur höherer Ordnung keine störende Rolle, kann also in einer ersten Näherung als konstant angenommen werden.
Es sei noch einmal betont, daß die erfindungsgemäße Verwendung von Höhenlinien sowohl für Ansätze mit wie auch ohne (ebenem oder gekrümmtem) Kontaktglas anwendbar sind, allerdings entfällt bei der Verwendung eines Kontaktglases jeglicher Nachführungsbedarf und es besteht keine Unsicherheit hinsichtlich der vorliegenden Oberflächentopographie.
Wird kein Kontaktglas verwendet, läßt sich die Oberflächentopographie mit geeigneten Verfahren und Vorrichtungen bestimmen und wird anschließend, (analog) ebenso wie die durch den Anpreßvorgang festgelegte Topographie im Verfahren berücksichtigt.
Ist die Form der Kontaktglasfläche nicht durch eine Sphäre beschreibbar, sondern folgt einer anderen Raumflächenfunktion, beispielsweise einem Paraboloiden, kann analog der oben angegebenen Transformation ein Transformationsgesetz angegeben werden, das aber den gleichen physikalischen Gedanken folgt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen (9) in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut (5), durch Erzeugen optischer Durchbrüche (8) im Material (5) mittels ins Material (5) fokussierter Laserstrahlung (3), wobei der Fokuspunkt (7) dreidimensional verstellt wird, um die Schnittfläche (9) durch Aneinanderreihung der optischen Durchbrüche (8) zu bilden, und wobei die Verstellung des Fokuspunktes (7) in einer ersten Raumrichtung (z) mit einer geringeren Maximalgeschwindigkeit erfolgen kann als in den übrigen zwei Raumrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokuspunkt (7) so geführt wird, daß er bezüglich der übrigen zwei Raumrichtungen (x, y) Höhenlinien (17) der Schnittfläche (9) folgt, die in Ebenen liegen, welche im wesentlichen senkrecht zur ersten Raumrichtung (z) sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenlinien elliptisch mit einer Elliptizität zwischen 1 ,0 und 1 ,2 sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Höhenlinien (17) in der ersten Raumrichtung so gewählt werden, daß die mittleren Abstände zwischen benachbarten Höhenlinien (17) im wesentlichen, insbesondere innerhalb ± 10%, konstant sind.
4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokuspunkt (7) jeweils bis auf ein Reststück vollständig entlang der Höhenlinien (17) bewegt wird und im Reststück durch Verstellung des Fokuspunktes (7) in der ersten Raumrichtung (z) ein Übergang (18) zur nächsten Höhenlinie (17) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei höheren Krümmungsordnungen der Schnittfläche (9) die Höhenlinien (17) durch Schneiden einer um höhere Krümmungsordnungen bereinigten gekrümmten Schnittflächen (9) mit Ebenen senkrecht zur ersten Raumrichtung (z) erhalten werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung in der ersten Raumrichtung (z) gemäß dem Einfluß der höheren Krümmungsordnungen verändert wird, während der Fokuspunkt (7) in den übrigen zwei Raumrichtungen (x, y) gemäß der Höhenlinien (17) verstellt wird, die der bereinigten Schnittfläche (9) ohne höhere Krümmungsordnungen zugeordnet sind.
7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Material ein Kontaktglas (21) aufgesetzt wird, das der Materialoberfläche eine bestimmte Form (22) gibt, und daß diese Form bei den Höhenlinien berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (3) bezüglich der Erzeugung optischer Durchbrüche (8) abgeschaltet wird, solange die Höhenlinie (17) außerhalb eines Sollbereiches des Materials (5) verläuft, in dem die Schnittfläche (9) erzeugt werden soll, wobei insbesondere der Sollbereich (19) entlang der ersten Raumrichtung (z) gesehen kreisförmig ist.
9. Vorrichtung zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen (9) in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut (5), mit einer Laserstrahlungsquelle (S), die Laserstrahlung (3) in das Material (5) fokussiert und dort optische Durchbrüche (8) bewirkt, wobei eine Scaneinrichtung (6, 10), die den Fokuspunkt (7) dreidimensional verstellt, und eine Steuereinrichtung (2) vorgesehen sind, die die Scaneinrichtung (6, 10) ansteuert, um die Schnittfläche (9) durch Aneinanderreihen der optischen Durchbrüche (8) im Material (5) zu bilden, und wobei die Scaneinrichtung (6, 10) zur Verstellung des Fokuspunktes (7) in einer Raumrichtung (z) eine verstellbare Optik (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) die Scaneinrichtung (6, 10) so ansteuert, daß der Fokuspunkt (7) in den übrigen zwei Raumrichtungen (x, y) auf Höhenlinien (17) der Schnittfläche (9) geführt ist, die in Ebenen liegen, welche im wesentlichen senkrecht zur ersten Raumrichtung (z) sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbare Optik eine Teleskopanordnung (6) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scaneinrichtung (6, 10) zwei Kippspiegel (11 , 12) mit gekreuzten Drehachsen aufweist, um die Verstellung in den übrigen zwei Raumrichtungen (x, y) zu bewirken.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenlinien elliptisch mit einer Elliptizität zwischen 1,0 und 1 ,2 sind.
13. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) die Abstände der Höhenlinien (17) in der ersten Raumrichtung so wählt, daß die mittleren Abstände zwischen benachbarten Höhenlinien (17) im wesentlichen, insbesondere innerhalb ± 10%, konstant sind.
14. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) den Fokuspunkt (7) jeweils bis auf ein Reststück vollständig entlang der Höhenlinien (17) bewegt und im Reststück durch Verstellung des Fokuspunktes (7) in der ersten Raumrichtung (z) einen Übergang (18) zur nächsten Höhenlinie (17) vornimmt.
15. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gegenzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) bei höheren Krümmungsordnungen der Schnittfläche (9) die Höhenlinien (17) durch Schneiden einer um höhere Krümmungsordnungen bereinigten gekrümmten Schnittflächen (9) mit Ebenen senkrecht zur ersten Raumrichtung (z) bestimmt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gegenzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) die Verstellung in der ersten Raumrichtung (z) gemäß dem Einfluß der höheren Krümmungsordnungen verändert, während sie den Fokuspunkt (7) in den übrigen zwei Raumrichtungen (x, y) gemäß der Höhenlinien (17) verstellt, die der bereinigten Schnittfläche (9) ohne höhere Krümmungsordnungen zugeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Kontaktglases (21) der Oberfläche des Materials (5) eine bestimmte Form verliehen ist und daß die Steuereinrichtung (2) die bestimmte Form bei den Höhenlinien berücksichtigt.
18. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) die Laserstrahlung (3) bezüglich der Erzeugung optischer Durchbrüche (8) abschaltet, solange die Höhenlinie (17) außerhalb eines Sollbereiches des Materials (5) verläuft, in dem die Schnittfläche (9) erzeugt werden soll, wobei insbesondere der Sollbereich (19) entlang der ersten Raumrichtung (z) gesehen kreisförmig ist.
19. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum kurzzeitigen Abschalten oder Schwächen des Laserstrahls (3).
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