DE69534571T2

DE69534571T2 - Laserstrahlabgabe- und Augensuchsystem

Info

Publication number: DE69534571T2
Application number: DE69534571T
Authority: DE
Inventors: Rudolph W. Maitland Frey; James H. Burkhalter; Gary P. Gray; Jr. George R. Downes; John E. Mcwhirter; Neil Zepkin
Original assignee: Alcon RefractiveHorizons LLC
Current assignee: Alcon RefractiveHorizons LLC
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2015-04-19
Also published as: US20010016737A1; ES2252144T3; EP0757579A4; US20010021846A1; US6626896B2; TW287100B; US20010016735A1; CA2188040A1; EP1108405A2; US20010016733A1; US6626895B2; US6585726B2; EP1108405B1; EP0757579A1; DE69534571D1; US6626898B2; EP1108405A3; AU2287995A; US20010016734A1; US20010031958A1

Description

Diese Patentanmeldung ist mit einer zugehörigen Patentanmeldung mit dem Titel "Laser Sculpting System and Method" (WO 95 28890) anhängig, die an demselben Datum wie die gegenständliche Patentanmeldung hinterlegt wurde und durch eine gemeinsame Zessionarin bzw. Anwenderin besessen wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf allgemein auf Lasersysteme und spezifischer auf ein Lasersystem, das verwendet wird, um eine sich bewegende Oberfläche wie ein Augenhornhautgewebe zu erodieren bzw. abzutragen.
Hintergrund der Erfindung
Eine Verwendung von Lasern zum Erodieren einer gesamten oder eines Teils einer Oberfläche eines Werkstücks ist in der Technik bekannt. In dem Gebiet der ophthalmischen bzw. Augenmedizin ist die photorefraktive Keratektasie (PRK) ein Verfahren zur Laserkorrektur von Brennpunkt- bzw. Fokussierfehlern des Auges durch eine Modifikation einer Hornhautkrümmung. PRK ist verschieden von der Verwendung von auf Laser basierenden Vorrichtungen für traditionellere, ophthalmische, chirurgische Verfahren, wie ein Gewebeschneiden oder thermische Koagulation. PRK wird allgemein durch Verwendung eines Excimer-Laserstrahls mit 193 Nanometer Wellenlänge erzielt bzw. durchgeführt, welcher das Werkstück, d.h. das Hornhautgewebe in einem Photozersetzungsverfahren abträgt. Die meiste klinische Arbeit für diesen Zweck wurde mit einem Laser durchgeführt, der bei einem Teilchenflußniveau von 120–195 mJ/cm² und einer Pulswiederholungsrate von etwa 5–10 Hz arbeitet. Das Verfahren wurde als "Hornhautmeißeln bzw. -bildhauen bzw. -formen" bezeichnet.
Bevor ein Formen der Hornhaut stattfindet, wird das Epithel oder die Außenschicht der Hornhaut mechanisch entfernt, um die Bowman-Membran auf der vorderen Oberfläche des Stroma freizulegen. An diesem Punkt kann ein Laserabtragen an der Bowman-Schicht beginnen. Ein Excimer-Laserstrahl ist für dieses Verfahren bevorzugt. Der Strahl kann variabel während der Abtragung bzw. Ablation maskiert sein bzw. werden, um Hornhautgewebe bis zu variierenden Tiefen, wie erforderlich, abzutragen, um das vordere Stroma neu zu konturieren. Danach wächst das Epithel schnell wieder auf und bildet eine neue Oberfläche auf dem konturierten Bereich, was in einer optisch korrekten (oder bedeutend näher dazu) Hornhaut resultiert. In einigen Fällen wird eine Oberflächenklappe der Hornhaut weggefaltet und die freigelegte Oberfläche des Hornhautstromas wird bis zur gewünschten Oberflächenform bzw. -gestalt abgetragen, wobei die Oberflächenklappe dann neu angeordnet wird.
Phototherapeutische Keratektasie (PTK) ist ein Verfahren, das eine Einrichtung bedingt, die funktionell identisch zu der Einrichtung ist, die für PRK erforderlich ist. Das PKT-Verfahren unterscheidet sich von PRK dahingehend, daß statt einem Neuformen der Hornhaut PTK den zuvor erwähnten Excimerlaser verwendet, um pathologische, oberflächliche Hornhautdystrophien zu behandeln, welche ansonsten Hornhauttransplantate erfordern würden.
In beiden dieser Verfahren können chirurgische Fehler aufgrund einer Anwendung des Behandlungslasers während einer unerwünschten Augenbewegung den refraktiven Erfolg bzw. das Ergebnis der Chirurgie verschlechtern bzw. beeinträchtigen. Die Augenbewegung oder Augenpositionierung ist kritisch, da der Behandlungslaser auf der theoretischen Sehachse des Patienten zentriert ist, welche praktisch gesprochen etwa das Zentrum der Pupille des Patienten ist. Jedoch ist diese Sehachse schwierig zu bestimmen, teilweise aufgrund einer Restaugenbewegungen und unwillkürlichen Augenbewegung, die als sakkadische Augenbewegung bekannt ist. Eine sakkadische Augenbewegung ist eine Hochgeschwindigkeitsbewegung (d.h. von sehr kurzer Dauer, 10–20 Millisekunden, und typischerweise bis zu 1° einer Augenrotation), die im menschlichen Sehen inhärent ist und verwendet wird, um eine dynamische Szene auf der Retina zur Verfügung zu stellen. Eine sakkadische Augenbewegung variiert, während sie klein in der Amplitude ist, stark von Patient zu Patient aufgrund von psychologischen Effekten, Körperchemie, chirurgischen Beleuchtungsbedingungen usw. Somit ist, selbst wenn ein Chirurg fähig sein kann, eine gewisse Augenbewegung zu erkennen und typischerweise einen Behandlungslaser durch eine Betätigung eines händischen Schalters inhibieren/neu starten kann, die Reaktionszeit des Chirurgen nicht schnell genug, um den Behandlungslaser in Übereinstimmung mit der Augenbewegung zu bewegen.
WO-A-93 16 631 offenbart ein Abtast- und Verfolgungssystem für Hornhautlaserchirurgie wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend ist es ein Ziel bzw. Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Laserstrahlabgabe- und Augensuch- bzw. -verfolgungssystem zur Verfügung zu stellen, welches im Zusammenhang mit einem Lasersystem verwendet wird, welches fähig ist, eine Oberfläche zu erodieren bzw. abzutragen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Abgeben bzw. Liefern eines Behandlungslasers auf eine Oberfläche und zum automatischen Neuausrichten des Behandlungslaser zur Verfügung zu stellen, um eine Bewegung der Oberfläche zu kompensieren.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Abgeben eines eine Hornhaut erodierenden bzw. abtragenden Laserstrahls auf die Oberfläche eines Auges in einem spezifischen Muster um das optische Zentrum des Auges und zum automatischen Neuausrichten des die Hornhaut abtragenden Laserstrahl zur Verfügung zu stellen, um eine Augenbewegung derart zu kompensieren, daß das resultierende Abtragungs- bzw. Erosionsmuster dasselbe ist unabhängig von der Augenbewegung.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserstrahlabgabe- und Augensuch- bzw. -verfolgungssystem zur Verwendung mit einem ophthalmischen Behandlungslaser zur Verfügung zu stellen, wobei der Verfolgungsvorgang eine Augenbewegung in einer nicht-intrusiven Weise detektiert bzw. feststellt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserstrahlabgabe- und Augensuch- bzw. -verfolgungssystem zum automatischen Abgeben und Beibehalten eines eine Hornhaut abtragenden bzw. erodierenden Laserstrahls in bezug auf das geometrische Zentrum einer Augenpupille oder einer vom Doktor definierten Versetzung von der Augenpupille zur Verfügung zu stellen.
Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend in der Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlicher werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Laserstrahlabgabe- und Augensuch- bzw. -verfolgungssystem zur Verfügung gestellt, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Ein Behandlungslaser und seine Projektionsoptik generieren bzw. erzeugen ein Laserlicht entlang eines ursprünglichen Strahlenpfads bzw. -wegs, (d.h. der optischen Achse des Systems) bei einem Energieniveau, das für ein Behandeln des Auges geeignet ist. Eine optische Verschiebeeinrichtung verschiebt den ursprünglichen Strahlpfad in Übereinstimmung mit einem spezifischen Scan- bzw. Abtastmuster, so daß der ursprüngliche Strahl auf einen resultierenden Strahlpfad verschoben wird, welcher parallel zu dem ursprünglichen Strahlenpfad ist. Eine optische Winkeleinstellvorrichtung verändert den resultierenden Strahlenpfadwinkel relativ zu dem ursprünglichen Strahlenpfad derart, daß das Laserlicht auf dem Auge einfällt bzw. auftrifft.
Ein Augenbewegungssensor detektiert meßbare Größen bzw. Ausmaße einer Bewegung des Auges relativ zu der optischen Achse des Systems und generiert bzw. erzeugt dann Fehlersteuer- bzw. -regelsignale, die für die Bewegung hinweisend sind. Der Augenbewegungssensor umfaßt bzw. beinhaltet: 1) eine Lichtquelle zum Generieren von Lichtenergie, welche für das Auge nicht schädlich bzw. beschädigend ist, 2) eine optische Abgabeanordnung zum Abgeben der Lichtenergie auf einem Abgabelichtpfad zu der optischen Winkeleinstelleinrichtung in einer parallelen Beziehung zu dem resultierenden Strahlenpfad bzw. -weg des Behandlungslasers und 3) eine optische Empfängeranordnung. Die parallele Beziehung zwischen dem Augenbewegungssensor-Abgabelichtpfad und dem des resultierenden Strahlenwegs des Behandlungslasers wird durch die optische Winkeleinstelleinrichtung aufrecht erhalten. Auf diese Weise fallen das Behandlungslaserlicht und das Augenbewegungssensor-Lichtenergie auf das Auge in ihrer parallelen Beziehung.
Ein Teil der Augenbewegungssensor-Lichtenergie wird von dem Auge als reflektierte Energie reflektiert, die auf einem reflektierten Lichtpfad bzw. Weg bzw. Pfad eines reflektierten Lichts zurück durch die optische Winkeleinstelleinrichtung läuft. Die optische Empfängeranordnung detektiert die reflektierte Energie und generiert die Fehlersteuer- bzw. -regelsignale basierend auf der reflektierten Energie. Die optische Winkeleinstelleinrichtung spricht auf die Fehlersteuer- bzw. -regelsignale an, um den resultierenden Strahlenpfad des Behandlungslasers und den Abgabelichtpfad des Augenbewegungssensors in Übereinstimmung miteinander zu verändern. Auf diese Weise laufen der Strahl, der von dem Behandlungslaser stammt, und die Lichtenergie, die von dem Augenbewegungssensor herstammt, gemeinsam mit der Augenbewegung.
Beim Ausführen dieser Technik stellt das Muster überlappende, jedoch treten keine koaxialen Orte dar, damit eine Abtragung bzw. Ablation mit jedem Puls auftritt, der ein Mikrovolumen von Material durch Ablation oder Erosion entfernt. Für unterschiedliche Tiefen wird ein Muster über diese Flächen bzw. Bereiche wiederholt, wo eine erhöhte Abtragung erforderlich ist. Die Laserpulse sind üblicherweise bei einer bestimmten Pulswiederholungsgeschwindigkeit bzw. -rate. Die nachfolgenden Pulse in einer Sequenz sind um wenigstens eine Pulsstrahlbreite von dem vorhergehenden Puls beabstandet und in einem Abstand werden die abgetragenen bzw. erodierten Teilchen nicht wesentlich mit dem nachfolgenden Puls zusammenwirken bzw. diesen beeinflussen. Um die Geschwindigkeit der Abtragung zu maximieren, ist der nachfolgende Puls ausreichend nahe beabstandet, um es dem Strahl zu ermöglichen, daß er zu dem nachfolgenden Ort innerhalb der Zeit der Pulswiederholung bewegt werden kann. Die Abtragung bzw. Ablation wird auf einem Gegenstand ausgeführt, bis eine gewünschte spezifische Form bzw. Gestalt erreicht ist.
Diese Technik ist fundamental neu und kann auf Gegenständen, die keine Hornhaut sind, angewandt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Laserstrahlabgabe- und Augensuch- bzw. -verfolgungssystems in Übereinstimmung mit der folgenden Erfindung, wie es im Zusammenhang mit einem ophthalmischen Behandlungslaser verwendet wurde;
2 ist eine Schnittansicht der Projektionsoptik, die mit der ophthalmischen Behandlungslaserausbildung des Laserstrahlabgabeabschnitts der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 illustriert diagrammartig eine optische Anordnung von Spiegeln, die verwendet werden, um Querverschiebungen in einem Lichtstrahl entlang einer Achse zu erzeugen;
4 ist ein Blockdiagramm der Servo-Steuer- bzw. -Regel/Motorantriebsschaltung, die in der ophthalmischen Behandlungslaserausbildung der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
5 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausbildung eines Augenbewegungssensors, der in der ophthalmischen Behandlungslaserausbildung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Indem nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 Bezug genommen wird, ist ein Blockdiagramm eines Laserstrahlabgabe- und Augensuch- bzw. -verfolgungssystems gezeigt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist. Der Laserstrahlabgabeabschnitt des Systems 5 umfaßt bzw. beinhaltet eine Behandlungslaserquelle 500, eine Projektionsoptik 510, eine X-Y Translationsspiegeloptik 520, eine Strahlverschiebungssteuer- bzw. -regeleinrichtung 530, einen dichroitischen Strahlteiler 200 und eine Strahlwinkeleinstellspiegeloptik 300. In beispielhafter Weise wird angenommen, daß der Behandlungslaser 500 Excimerlaser einer Wellenlänge von 193 Nanometer ist, der in einem ophthalmischen PRK (oder PTK) Verfahren verwendet wird, das auf einem bewegbaren Werkstück, z.B. einem Auge 10 ausgeführt wird. Jedoch ist es zu verstehen, daß das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise auf bewegbare Werkstücke verschieden von einem Auge angewandt werden können und weiters auf eine Oberflächenbehandlung bei anderer Wellenlänge oder eine Oberfläche erodierende Laser. Die Laserpulse werden als Schüsse über die abzutragende oder zu erodierende Fläche, vorzugsweise in einer verteilten Sequenz bzw. Aufeinanderfolge verteilt.
Ein einziger Laserpuls einer ausreichenden Leistung zum Bewirken einer Abtragung bzw. Ablation erzeugt eine Mikrowolke von abgetragenen Teilchen, welche mit dem nächsten Puls zusammenwirkt, wenn er auf demselben oder unmittelbaren Punkt angeordnet ist. Um dieses Zusammenwirken bzw. Beeinflussen zu vermeiden, ist der nächste Laserpuls räumlich zu einem nächsten Erosions- oder Abtragungspunkt verteilt, welcher in einem ausreichenden Abstand angeordnet ist, um die Wolke von abgetragenen Teilchen zu vermeiden. Sobald die Wolke verschwunden bzw. verteilt ist, wird ein weiterer Laserpuls benachbart dem Bereich durchgeführt, der vorher erodiert wurde, so daß, nachdem das Muster von Schüssen vervollständigt ist, die kumulativen Schüsse das Muster so auszufüllen und vervollständigen, daß die gewünschte Form bzw. Gestalt des Gegenstands oder der Hornhaut erreicht bzw. erhalten wird.
Im Betrieb des Strahlabgabeabschnitts des Systems 5 erzeugt die Laserquelle 500 Laserstrahlen 502, welche auf die Projektionsoptik 510 auftreffen. Die Projektionsoptik 510 stellt den Durchmesser und den Abstand ein, um den Strahl 502 in Abhängigkeit von den Erfordernissen des speziellen Verfahrens zu fokussieren, das ausgeführt wird. Für das erläuternde bzw. illustrative Beispiel eines Excimerlasers, der in dem PRK oder PTK Verfahren verwendet wird, beinhaltet die Projektionsoptik 510 eine planare konkave Linse 512 und Linsen mit feststehenden Brennpunkt 514 und 516, wie dies in der Schnittansicht von 2 gezeigt ist. Die Linsen 512 und 514 wirken gemeinsam, um ein afokales Teleskop zu bilden, welches den Durchmesser des Strahls 502 aufweitet. Die Linse 516 mit feststehendem Brennpunkt fokussiert den expandierten Strahl 502 auf das Werkstück, d.h. das Auge 10, und stellt eine ausreichende Tiefe, die durch Pfeil 518 angedeutet ist, in der Ebene des Brennpunkts der Linse 516 zur Verfügung. Dies stellt eine Flexibilität in der Anordnung der Projektionsoptik 510 relativ zu der Oberfläche des Werkstücks zur Verfügung. Eine alternative Implementierung ist es, die Linse 514 zu eliminieren, wenn weniger Flexibilität toleriert werden kann.
Nach Erregen der Projektionsoptik 510 trifft der Strahl 502 auf eine X-Y Translationsspiegeloptik 520, wo der Strahl 502 unabhängig entlang von jeder von zwei orthogonalen Verschiebungs- bzw. Translationsachsen bewegt oder verschoben wird, wie dies durch die Strahltranslationssteuer- bzw. -regeleinrichtung 530 geführt bzw. geleitet wird. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. der Controller 530 ist typischerweise ein Prozessor, der mit einem vorbestimmten Satz von zweidimensionalen Translationen bzw. Bewegungen oder Verschiebungen des Strahls 502 in Abhängigkeit von dem speziellen opthalmischen Verfahren programmiert ist, das ausgeführt wird. Für das illustrative Beispiel des Excimerlasers, der in einem PRK oder PTK Verfahren verwendet wird, kann die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 530 in Übereinstimmung mit der zuvor erwähnten, ebenfalls anhängigen Patentanmeldung WO 9528890 programmiert sein. Die programmierten Verschiebungen des Strahls 502 werden durch die X-Y Verschiebungsspiegeloptik 520 implementiert.
Jede X- und Y-Achse einer Translation ist unabhängig durch einen Translationsspiegel gesteuert bzw. geregelt. Wie dies diagrammartig bzw. schematisch in 3 gezeigt ist, ist bzw. wird die Y-Translationstätigkeit der X-Y Translationsspiegeloptik 520 unter Verwendung eines verschiebenden bzw. Translationsspiegels 522 implementiert. Der Translationsspiegel 522 ist zwischen der gezeigten Position und der Position, die durch gepunktete Linie 526 angedeutet ist, bewegbar. Eine Bewegung des verschiebenden Spiegels 522 ist derart, daß der Winkel des ausgegebenen bzw. Ausgabestrahls in bezug auf den eingegebenen bzw. Eingabestrahl konstant bleibt. Eine derartige Bewegung wird durch einen Translationsspiegelmotor und eine Steuerung bzw. Regelung 525 ausgeführt bzw. zusammengebracht, die durch Eingaben angetrieben wird, die von der Strahltranslationssteuer- bzw. -regeleinrichtung 530 erhalten sind. In beispielhafter Weise können der Motor und die Steuerung bzw. Regelung 525 mit einem Motor von Trilogy Systems Corporation (z.B. Modell T050) und einer Steuer- bzw. Regelkarte von Delta Tau Systems (z.B. Modell 400-602276 PMAC) realisiert werden.
Wenn der Translationsspiegel 522 positioniert ist, wie dies gezeigt ist, bewegt sich der Strahl 502 entlang des Pfads bzw. Wegs, der durch die durchgezogene Linie 528a montiert bzw. angegeben ist. Wenn der verschiebende bzw. Translationsspiegel 522 entlang der gepunkteten Linie 526 angeordnet ist, bewegt sich der Strahl 502 entlang des Pfads, der durch die gepunktete Linie 528b markiert ist. Ein ähnlicher verschiebender Spiegel (nicht gezeigt) würde für den X-Translationsvorgang verwendet werden. Die X-Translationstätigkeit wird auf dieselbe Weise ausgeführt, ist jedoch senkrecht bzw. orthogonal zur Y-Translation. Die X-Translation kann vor oder nach der Y-Translationstätigkeit implementiert bzw. ausgeführt sein bzw. werden.
Der Augensuch- bzw. -verfolgungsabschnitt des Systems 5 beinhaltet einen Augenbewegungssensor 100, einen dichroitischen Strahlteiler 200 und eine Strahlwinkeleinstell-Spiegeloptik 300. Der Sensor 100 bestimmt die Größe bzw. das Ausmaß einer Augenbewegung und verwendet dieselbe, um die Spiegel 310 und 320 einzustellen, um sie gemeinsam mit einer derartigen Augenbewegung zu verfolgen bzw. zu führen. Um dies auszuführen, überträgt der Sensor 100 zuerst Lichtenergie 101-T, welche ausgewählt wurde, um durch den dichroitischen Strahlteiler 200 durchzutreten. Zur selben Zeit trifft, nachdem er einer Strahlverschiebung bzw. -translation in Übereinstimmung mit dem speziellen Behandlungsverfahren unterworfen wurde, der Strahl 502 auf den dichroitischen Strahlteiler 200 auf, welcher ausgewählt wurde, um den Strahl 502 (z.B. Laserstrahl einer Wellenlänge von 193 Nanometer) auf die Strahlwinkeleinstellspiegeloptik 300 zu reflektieren.
Die Lichtenergie 101-T wird derart ausgerichtet, daß sie parallel zu dem Strahl 502 ist, wenn er auf die Strahlwinkeleinstellspiegeloptik 300 auftrifft. Es ist zu verstehen, daß der Ausdruck "parallel", wie er hier verwendet wird, die Möglichkeit beinhaltet, daß die Lichtenergie 101-T und der Strahl 502 zusammenfallend oder kollinear sind. Sowohl die Lichtenergie 101-T als auch der Strahl 502 sind bzw. werden in Übereinstimmung miteinander durch die Optik 300 eingestellt. Dementsprechend behalten die Lichtenergie 101-T und der Strahl 502 ihre parallele Beziehung bei, wenn sie auf das Auge 10 einfallen. Da die X-Y Verschiebespiegeloptik 520 die Position des Strahls 502 in der Translation unabhängig von der Optik 300 verschiebt, wird die parallele Beziehung zwischen dem Strahl 502 und der Lichtenergie 101-T durch das spezielle ophthalmische Verfahren beibehalten.
Die Strahlwinkeleinstellspiegeloptik besteht aus den unabhängig drehenden bzw. rotierenden Spiegeln 310 und 320. Der Spiegel 310 ist um eine Achse 312 drehbar, wie dies durch einen Pfeil 314 angedeutet ist, während der Spiegel 320 um eine Achse 322 drehbar ist, wie dies durch einen Pfeil 324 angedeutet ist. Die Achsen 312 und 322 sind orthogonal zueinander. Auf diese Weise ist der Spiegel 310 fähig, die Lichtenergie 101-T und den Strahl 502 in einer ersten Ebene (z.B. Aufriß bzw. Höhe) zu schwenken, während der Spiegel 320 fähig ist, unabhängig die Lichtenergie 101-T und den Strahl 502 in einer zweiten Ebene (z.B. Azimuth) zu verschwenken bzw. zu schwenken, welche senkrecht zu der ersten Ebene ist. Nach einem Austreten aus der Strahlwinkeleinstellspiegeloptik 300 treffen die Lichtenergie 101-T und der Strahl 502 auf das Auge 10 auf.
Eine Bewegung der Spiegel 310 und 320 wird typischerweise mit einem Servocontroller/Motorantrieb 316 bzw. 326 ausgeführt. 4 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausbildung eines Servocontroller/Motorantriebs 316, der für das illustrative PRK/PTK Behandlungsbeispiel verwendet wird. (Dieselbe Struktur wird für den Servocontroller/Motorantrieb 326 verwendet). Allgemein müssen die Antriebe 316 und 326 fähig sein, schnell zu reagieren, wenn der gemessene Fehler von dem Augenbewegungssensor 100 groß ist, und weiters müssen sie eine hohe Ausbeute bzw. Verstärkung von niedrigen Frequenzen (DC) bis etwa 100 Radian pro Sekunde zur Verfügung stellen, um virtuell sowohl einen stabilen Zustand als auch einen transienten bzw. vorübergehenden Fehler zu eliminieren.
Spezifischer stellt der Augenbewegungssensor 100 ein Maß des Fehlers zwischen dem Zentrum der Pupille (oder einer Versetzung von dem Zentrum der Pupille, welche der Arzt gewählt hat) und dem Ort zur Verfügung, wo der Spiegel 310 positioniert ist. Der Positionssensor 3166 ist zur Ver fügung gestellt, um direkt die Position der Antriebswelle (nicht gezeigt) des Galvanometermotors 3164 zu messen. Die Ausgabe des Positionssensors 3166 wird an der Differenziationseinrichtung 3168 differenziert, um die Geschwindigkeit der Antriebswelle des Motors 3164 zur Verfügung zu stellen. Diese Geschwindigkeit wird mit dem Fehler von dem Augenbewegungssensor 100 summiert. Die Summe wird am Integrator 3160 integriert und einem Stromverstärker 3162 eingegeben, um den Galvanometermotor 3164 anzutreiben. Wenn bzw. da die Antriebswelle des Motors 3164 den Spiegel 310 dreht, sinkt der Fehler, den der Augenbewegungssensor 100 mißt, auf eine vernachlässigbare Größe ab. Die Geschwindigkeitsrückmeldung über den Positionssensor 3166 und die Differenziationseinrichtung 3168 versieht den Servocontroller/Motorantrieb 316 mit der Fähigkeit, schnell zu reagieren, wenn der gemessene Sensorfehler groß ist.
Lichtenergie, die von dem Auge 10 reflektiert wird, wie dies durch das Bezugszeichen 101-R bezeichnet ist, bewegt sich bzw. wandert zurück durch die Optik 300 und den Strahlteiler 200 zur Detektion an dem Sensor 100. Der Sensor 100 bestimmt das Ausmaß einer Augenbewegung basierend auf den Veränderungen in der Reflexionsenergie 101-R. Fehlersteuer- bzw. -regelsignale, die für das Ausmaß einer Augenbewegung hinweisend sind, werden durch den Sensor 100 zu der Strahlwinkeleinstell-Spiegeloptik 300 zurückgesandt. Die Fehlersteuer- bzw. -regelsignale beherrschen die Bewegung oder Wiederausrichtung der Spiegel 310 und 320 in einem Bemühen, die Fehlersteuer- bzw. -regelsignale auf null zu führen. Indem dies ausgeführt wird, werden die Lichtenergie 101-T und der Strahl 502 in Übereinstimmung mit der Augenbewegung bewegt, während die aktuelle bzw. tatsächliche Position des Strahls 502 relativ zu dem Zentrum der Pupille durch die X-Y Translationsspiegeloptik 520 gesteuert bzw. geregelt ist.
Um die Eigenschaften des Strahlteilers 200 zu nutzen, muß die Lichtenergie 101-T von einer unterschiedlichen Wellenlänge sein als jene des Behandlungslaserstrahls 502. Die Lichtenergie sollte vorzugsweise außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, um nicht die Sicht des Chirurgen auf das Auge 10 zu behindern bzw. zu beeinflussen. Weiters muß, wenn die vorliegende Erfindung in ophthalmischen, chirurgischen Verfahren anzuwenden ist, die Lichtenergie 101-T "augensicher" sein, wie dies durch das American National Standards Institute (ANSI) definiert ist. Während eine Vielzahl von Lichtwellenlängen die obigen Erfordernisse erfüllt, ist in beispielhafter Weise die Lichtenergie 101-T Infrarotlichtenergie in dem Wellenlängenbereich von 900 Nanometer. Licht in diesem Bereich füllt die oben genannten Kriterien und ist weiters durch leicht verfügbare, ökonomisch erschwingliche Lichtquellen hergestellt. Eine derartige Lichtquelle ist ein mit hoher Pulswiederholungsrate arbeitender GaAs 905 Nanometer Laser, der bei 4 kHz arbeitet, welcher einen durch ANSI definierten augensicheren Puls von 10 Nanojoule in einem 50 Nanosekunden Puls produziert.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Bestimmen des Ausmaßes einer Augenbewegung, ebenso wie der Augenbewegungssensor 100 zum Ausführen eines derartigen Verfahrens sind im Detail woanders beschrieben. Jedoch wird für Zwecke einer vollständigen Beschreibung der Sensor 100 kurz mit der Hilfe des Blockdiagramms beschrieben, das in 2 gezeigt ist. Der Sensor 100 kann in einen Abgabeabschnitt und einen empfangenden bzw. Empfängerabschnitt unterteilt werden. Im wesentlichen projiziert der Abgabeabschnitt die Lichtenergie 101-T in der Form von Lichtpunkten 21, 22, 23 und 24 auf eine Grenze (z.B. Iris/Pupillen-Grenze 14) auf der Oberfläche des Auges 10. Der Empfängerabschnitt überwacht die Lichtenergie 101-R in der Form von Reflexionen, die durch die Lichtpunkte 21, 22, 23 und 24 bewirkt sind bzw. werden.
Bei der Abgabe werden die Punkte bzw. Spots 21 und 23 fokussiert und auf einer Achse 25 positioniert, während die Spots 22 und 24 fokussiert und auf einer Achse 26 positioniert werden, wie dies gezeigt ist. Die Achse 25 und 26 sind orthogonal zueinander. Die Punkte 21, 22, 23 und 24 sind bzw. werden fokussiert, um auf der Iris/Pupillen-Grenze 14 aufzutreffen und gleichmäßig um diese verteilt zu sein. Die vier Punkte 21, 22, 23 und 24 sind von gleicher Energie und sind gleichmäßig um die und an der Iris/Pupillen-Grenzlinie 14 verteilt. Diese Anordnung stellt eine Zwei-Achsen-Bewegungsabtastung bzw. -erfassung in der folgenden Weise zur Verfügung. Jeder Lichtpunkt 21, 22, 23 und 24 bewirkt eine gewisse Menge an Reflexion an seiner Position auf der Iris/Pupillen-Grenze 14. Da sich die Grenze 14 im Zusammentreffen mit der Augenbewegung bewegt, verändert sich die Größe bzw. Menge einer Reflexion von den Lichtpunkten 21, 22, 23 und 24 in Übereinstimmung mit der Augenbewegung. Indem die vier Punkte gleichmäßig um die Geometrie einer kreisförmigen Grenze beabstandet sind, wird eine horizontale oder vertikale Augenbewegung durch Veränderungen in dem Reflexionsausmaß von benachbarten Paaren von Punkten detektiert. Beispielsweise wird eine horizontale Augenbewegung durch Vergleichen der kombinierten Reflexion von den Lichtpunkten 21 und 24 mit der kombinierten Reflexion von den Lichtpunkten 22 und 23 überwacht. In einer ähnlichen Art und Weise wird eine vertikale Augenbewegung durch ein Vergleichen der kombinierten Reflexion von den Lichtpunkten 21 und 22 mit der kombinierten Reflexion von den Lichtpunkten 23 und 24 überwacht.
Spezifischer beinhaltet der Abgabeabschnitt einen 905 Nanometer gepulsten Diodenlaser 102, der Licht durch eine optische Faser 104 zu einer optischen Faseranordnung 105 überträgt, welche jeden Puls von dem Laser 102 in vorzugsweise vier Pulse mit gleicher Energie aufteilt und verzögert. Die Anordnung 105 beinhaltet eins-auf-vier optischen Strahlteiler 106, welche vier Pulse von gleicher Energie in optische Fasern 108, 110, 112, 114 ausgibt. Um einen einzigen Prozessor zu verwenden, um die Reflexionen zu verarbeiten, die durch jeden Puls bewirkt wird, der durch die Fasern 108, 110, 112 und 114 übertragen ist bzw. wird, wird jeder Puls einzigartig bzw. einzeln durch eine entsprechende Faseroptikverzögerungsleitung 109, 111, 113 und 115 verzögert. Beispielsweise bewirkt die Verzögerungsleitung 109 eine Verzögerung von null, d.h. VERZÖGERUNG = 0x, wo x das Verzögerungsinkrement ist; die Verzögerungsleitung 111 bewirkt eine Verzögerung von x = VERZÖGERUNG = 1x; usw.
Die Pulswiederholungsfrequenz und das Verzögerungsinkrement x sind bzw. werden so gewählt, daß die Datengeschwindigkeit bzw. -rate des Sensors 100 größer als die Geschwindigkeit der Bewegung von Interesse ist. In bezug auf eine sakkadische Augenbewegung muß die Datenrate des Sensors 100 in der Größenordnung von wenigstens mehreren hundert Hertz liegen. Beispielsweise wird eine Sensordatenrate von etwa 4 kHz erzielt durch 1) Wählen eines kleinen, jedoch ausreichenden Werts für x, um dem Prozessor 160 zu ermög lichen, die Daten handzuhaben (z.B. 160 Nanosekunden), und 2) Wählen der Zeit zwischen Pulsen von dem Laser 102, um 250 Mikrosekunden zu betragen (d.h., der Laser 102 wird bei einer 4 kHz Rate gepulst).
Die vier Pulse gleicher Energie verlassen die Anordnung 105 über optische Fasern 116, 118, 120 und 122, welche als ein faseroptisches Bündel 123 konfiguriert sind. Das Bündel 123 ordnet die optischen Fasern derart an, daß das Zentrum von jeder Faser die Ecke eines Quadrats ausbildet. Licht von der Anordnung 105 wird durch einen optischen Polarisator 124 hindurchgeführt, welcher horizontal polarisierte Lichtstrahlen ausgibt, wie dies durch einen Pfeil 126 angedeutet ist. Horizontal polarisierte Lichtstrahlen 126 gelangen zu der fokussierenden Optik 130, wo ein Abstand zwischen den Strahl 126 basierend auf der Grenzlinie bzw. Grenze von Interesse eingestellt wird. Zusätzlich kann eine Zoomfähigkeit (nicht gezeigt) zur Verfügung gestellt sein, um eine Einstellung der Größe des Musters zu ermöglichen, das durch die Punkte 21, 22, 23 und 24 gebildet ist. Diese Fähigkeit erlaubt es dem Sensor 100, sich an unterschiedliche Patienten, Grenzen usw. anzupassen.
Ein einen polarisierenden Strahl aufteilender Kubus bzw. Würfel 140 erhält bzw. empfängt horizontal polarisierte Lichtstrahlen 126 von der Fokussieroptik 130. Der Kubus 140 ist konfiguriert, um eine horizontale Polarisation zu übertragen und eine vertikale Polarisation zu reflektieren. Dementsprechend überträgt der Kubus 140 nur horizontal polarisierte Lichtstrahlen 126, wie dies durch einen Pfeil 142 angedeutet ist. Somit ist es nur horizontal polarisiertes Licht, welches auf das Auge 10 als Punkte 21, 22, 23 und 24 auftrifft. Nach einer Reflexion von dem Auge 10 wird die Lichtenergie depolarisiert (d.h. es hat sowohl horizontale als auch vertikale Polarisationskomponenten), wie dies durch sich kreuzende Pfeile 150 angedeutet ist.
Der empfangende Abschnitt richtet zuerst die vertikale Komponente des reflektierten Lichts, wie dies durch einen Pfeil 152 angedeutet ist. Somit dient der Kubus 140 dazu, um die übertragene Lichtenergie von der reflektierten Lichtenergie für eine genaue Messung zu trennen. Der vertikalpolarisierte Anteil der Reflexion von den Punkten 21, 22, 23 und 24 wird durch eine fokussierende Linse 154 für ein Abbilden auf einem Infrarotdetektor 156 hindurchgeführt. Der Detektor 156 leitet sein Signal zu einer multiplexenden Spitzen- bzw. Peakdetektionsschaltung 158, welche im wesentlichen eine Mehrzahl von Peaksammel- und Halteschaltungen ist, von welchen eine Vielzahl in der Technik gut bekannt ist. Die Schaltung 158 ist konfiguriert, um den Detektor 156 in Übereinstimmung mit der Pulswiederholungsfrequenz des Lasers 102 und der Verzögerung x abzufragen (und den Spitzenwert davon zu halten). Beispielsweise sammelt, wenn die Pulswiederholungsfrequenz des Lasers 102 4 kHz ist, die Schaltung 158 Reflexionen von den Punkten 21, 22, 23 und 24 alle 250 Mikrosekunden.
Die Werte, die mit der reflektierten Energie für jede Gruppe von vier Punkten (d.h. jedem Puls des Lasers 102) assoziiert sind, werden einem Prozessor 160 übergeben, wo horizontale und vertikale Komponenten einer Augenbewegung bestimmt werden. Beispielsweise sollen R₂₁, R₂₂, R₂₃ und R₂₄ jeweils die detektierte Größe einer Reflexion von einer Gruppe von Punkten 21, 22, 23 und 24 repräsentieren. Eine quantitative Größe einer horizontalen Bewegung wird direkt aus der normalisierten Beziehung
bestimmt, während eine quantitative Größe einer vertikalen Bewegung direkt aus der normalisierten Beziehung bestimmt wird. Es ist festzuhalten, daß ein Normalisieren (d.h. Dividieren durch R₂₁, R₂₂, R₂₃ und R₂₄) die Effekte von Variationen in der Signalstärke reduziert.
Sobald sie bestimmt sind, werden die gemessenen Größen einer Augenbewegung der Strahlwinkeleinstellspiegeloptik 300 zugesandt.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind zahlreich. Eine Augenbewegung wird quantitativ gemessen und verwendet, um automatisch sowohl die Laserabgabe- als auch die Augensuch- bzw. -verfolgungsabschnitte des Systems unabhängig von dem Laserpositioniermechanismus neu auszurichten. Das System arbeitet, ohne den speziellen Behandlungslaser oder den Chirurg zu beeinflussen, der das Augenbehandlungsverfahren ausführt.
Obwohl die Erfindung in bezug auf eine spezifische Ausbildung derselben beschrieben wurde, gibt es zahlreiche Variationen und Modifikationen, welche leicht dem Fachmann in der Technik im Licht der obigen Lehren ersichtlich sein werden. Es ist daher zu verstehen, daß innerhalb des Rahmens der beiliegenden Ansprüche die Erfindung anders als spezifisch beschrieben ausgeführt werden kann.

Claims

Laserstrahlabgabe- und Augensuch- bzw. -verfolgungssystem (5), umfassend einen Behandlungslaser (500) zum Erzeugen eines Laserlichts entlang eines Strahlenwegs bzw. -pfads (502) auf einem Energieniveau, welches für ein Erodieren bzw. Abtragen einer Oberfläche des Auges (10) geeignet ist; einen Sensor (100) zum Detektieren einer Bewegung der Oberfläche des Auges und zum Erzeugen bzw. Generieren eines Regel- bzw. Steuersignals, welches für die Bewegung anzeigend ist; eine Strahlwinkel-Einstelloptik (300), welche auf das Regel- bzw. Steuersignal von dem Sensor (100) zum Ändern des Strahlenwegs (502) in Antwort auf eine Bewegung der Oberfläche des Auges anspricht; und Strahlenweg-Einstellmittel (520), welche innerhalb des Strahlenwegs (502) für ein seitliches bzw. laterales Verschieben bzw. Verlagern des Strahlenwegs (502) von seinem ursprünglichen Weg (502) auf einen unterschiedlichen Weg (528b) betätigbar sind, wobei das Ausmaß einer seitlichen Verlagerung (X, Y) auf ein bestimmtes Muster anspricht, wobei das Muster eine gewünschte Formänderung- an der Oberfläche zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenweg-Einstellmittel (520) eine Propagations- bzw. Fortpflanzungsrichtung parallel zu derjenigen des ursprünglichen Wegs (502) beibehalten.
System (5) nach Anspruch 1, weiters umfassend den Behandlungslaser (500), welcher eine Ausgabe eines gepulsten Laserstrahls aufweist, welche eine Vielzahl von Laserstrahlschüssen zur Verfügung stellt, und eine Regel- bzw. Steuereinrichtung bzw. einen Controller (530), welcher) mit den Strahlenweg-Einstellmitteln (520) für ein Bereitstellen eines vorbestimmten Schußmusters betätigbar ist, wobei das vorbestimmte Schußmuster in einer Erosion bzw. einem Abtragen der Oberfläche des Auges (10) für ein Bereitstellen der gewünschten Formänderung resultiert, und wobei die Regel- bzw. Steuereinrichtung (530) Befehle zum Anwenden bzw. Aufbringen einer Vielzahl von Laserstrahlschüssen in einem räumlich verteilten Muster ausgibt, welches über die zu erodierende Oberfläche verteilt ist, so daß jeder Laserstrahlschuß der Vielzahl von Laserstrahlschüssen sequentiell von einem vorangehenden Schuß um einen Abstand beabstandet (X, Y) ist, welcher ausreichend ist, um erodiertem Material von dem vorhergehenden Schuß zu erlauben, sich im wesentlichen zu verteilen bzw. zu zerstreuen, bevor ein nachfolgender benachbarter Schuß durchgeführt wird, und wobei kumulative Schüsse das vorbestimmte Schußmuster auffüllen und vervollständigen, um die gewünschte Form zu erzielen.
System (5) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Laserlicht bei einer Wellenlänge von ungefähr 193 Nanometer ist und die Oberfläche die Hornhaut-Oberfläche ist.
System (5) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Strahlenweg-Einstellmittel (520) eine Einstelleinrichtung (528) eines optischen Winkels umfassen, welche wenigstens zwei Spiegel (522, 524) beinhaltet, welche zu einer unabhängigen Bewegung zum Ändern des Strahlenwegs (502) entlang von zwei Achsen (X, Y) fähig sind, welche orthogonal aufeinander sind.
System (5) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Sensor (100) umfaßt: eine Lichtquelle zum Erzeugen bzw. Generieren von Lichtenergie, welche nicht-erodierend in bezug auf die Oberfläche ist, wobei sich die Lichtenergie auf einem Lieferweg bzw. -pfad (101-T) bewegt; die Strahlwinkel-Einstelloptik (300), welche eine optische Lieferanordnung beinhaltet, welche eine Einstelleinrichtung (310, 320) eines optischen Winkels zum Liefern bzw. Zuführen der Lichtenergie auf dem Lieferlichtweg (502) zu der Einstelleinrichtung des optischen Winkels beinhalten, wobei sich der Winkel des Lieferlichtwegs in Antwort auf die Einstelleinrichtung des optischen Winkels ändert, wobei die Lichtenergie auf die Oberfläche einfällt und wobei ein Bereich bzw. Teil der Lichtenergie von der Oberfläche als reflektierte Energie reflektiert ist bzw. wird, welche sich auf einem Pfad bzw. Weg (101-R) reflektierten Lichts zurück zu der Einstelleinrichtung (310, 320) des optischen Winkels bewegt; und eine optische Empfangsanordnung zum Detektieren der reflektierten Energie von der Einstelleinrichtung des optischen Winkels zum Erzeugen bzw. Generieren des Regel- bzw. Steuersignals basierend auf der reflektierten Energie.
System nach einem vorangehenden Anspruch, weiters umfassend eine optische Lieferanordnung, welche beinhaltet: einen optischen Strahlteiler bzw. Splitter (106) zum Umwandeln von Lichtenergie in eine Vielzahl von Lichtpunkten (21–24); und eine fokussierende bzw. Fokussieroptik (130) zum Fokussieren der Vielzahl von Lichtpunkten durch die Strahlenweg-Einstellmittel, um die Vielzahl von Lichtpunkten zu leiten, welche auf eine entsprechende Vielzahl von Positionen einfallen, welche an einer Grenze (14) angeordnet sind, deren Bewegung mit derjenigen der Bewegung der Oberfläche zusammenfällt, wobei die Grenze (14) durch zwei benachbarte bzw. aneinander angrenzende Oberflächen definiert ist, welche unterschiedliche Reflexionskoeffizienten aufweisen, wobei ein Teil der reflektierten Energie von jeder der Vielzahl von Positionen reflektiert ist bzw. wird.
System nach Anspruch 6, wobei die Grenze (14) kreisförmig ist und die Vielzahl von Lichtpunkten vier Lichtpunkte (21–24) umfaßt, wobei die Fokussieroptik (130) Mittel zum Beabstanden der vier Lichtpunkte ungefähr gleichmäßig um die kreisförmige Grenze (14) beinhaltet.
System nach Anspruch 7, wobei jeder der Vielzahl von Lichtpunkten (21–24) außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt.