专利名称：使用地形学和激光系统界面的交互式眼球矫正手术系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种系统和一种方法，用来矫正角膜的不规则，通过眼角膜的再成形来得到预期的矫正后的角膜曲率。本发明的优选实施例包括一种用来详细绘制角膜的不规则和表面偏差的地形学(topography，形貌学)设备；和一种界面系统，用来接收和处理地形学数据，并为激光系统或类似系统提供方向来完成在诸如角膜叠层的基片上的预定的仿形切削，并且还可提供多种真实的和模拟的手术前后的视觉感受。该界面系统为外科医生或类似医生提供一种工具，其允许外科医生针对包括不规则的眼球形状和不规则的角膜表面等多种角膜疾病估计和模拟多种可能的、供选择的外科手术。
许多年以来，人类一直在探寻矫正视力问题的方法。这可以从隐形眼镜的发展中看出，最初是硬的镜片，到后来是软的和可任意使用的软镜片。尽管这些光学辅助器可以使患者戴上它们时看得很清楚，但是它们不能永久性治愈视力紊乱或视力疾病；而且在某些情况下，例如，局部的、高度不规则形状的角膜疾病，即使是眼镜和隐形眼镜也不能达到完全矫正的效果。
大约在二十年前，永久性矫正近视和散光的外科手术技术作为成就提出来。放射状的角膜切削术程序是用钻石手术刀将角膜的前表面或“眼睛的窗户”切开一个缺口。尽管这种技术相对来说使用得很好，但是仍然存在视力长期稳定性的问题，以及作为伤口的后遗症经常形成95％的角膜混浊而使角膜功能变弱的问题。
更近一些年来，这些老技术由激光治疗技术替代，激光治疗技术用计算机控制的激光替代了外科手术刀对角膜的形状进行逐步地、反复地雕刻，而不用对角膜进行切割或使视力变弱，在大多数应用中。这些激光技术具有代表性的是通过使用准分子激光器的光吸收处理来实现的。
准分子激光器主要应用于计算机微芯片的制造中，用来蚀刻电路板。然而，激光的极度的精确性和低的热影响使得它很适合作为治疗眼睛的激光器。也就是说，许多治疗眼睛的激光有极度的精确性，而且每脉冲仅有0.25微米(1/4000th毫米)的细胞移走。在反复的雕刻中，准分子激光器轻轻地“蒸发”或使得细胞蒸发；这里没有燃烧或切割。在多数病例中，依靠折射误差的严重程度，激光治疗仅需要20到45秒。快的治疗时间的重要性在于，对一些步骤，过于延长的治疗时间会减慢手术后治愈过程的速度，从而降低最终得到的视力水平。
对于正常的眼睛，光线进入眼睛后在视网膜上准确地聚焦，并形成清晰的图像。对于在角膜处发生弯曲或聚焦的大部分光线，眼睛内自然的透镜就能很好地调整。如果光线不能在视网膜上聚焦，就称之为眼睛存在折射误差。一般的折射误差包括近视、远视和散光。准分子激光器作为一种成就应用于矫正近视、远视和散光，通过反复雕刻角膜，以使角膜曲面能使光线在视网膜上正常聚焦。
对于近视，光线总是聚焦在视网膜的前面，而不是视网膜的后面。这就导致了视力的模糊，尤其是当注视远处的物体时。近视是由于眼球的长度过长或角膜过度弯曲引起的。
对于远视，光线聚焦在视网膜的后面。导致视力的模糊，尤其是在注视近处的物体时。远视是由于眼球的长度过短或角膜过于扁平造成的。
对于散光，角膜、或者“眼睛的窗户”，具有不规则的曲率形状更象橄榄球，而不象英式足球。光线聚焦在不同的点上。一个人经常会同时有一定程度的近视和散光，或远视和散光。由于不规则导致光线偏离视网膜上预期的聚焦点，任何表面轮廓不规则都会导致眼睛聚焦的不合适。
在激光矫正近视的方法中，使角膜变得更扁平以使光线更好地在视网膜上正常聚焦；相反矫正远视是使角膜变得更弯曲。对于散光，反复雕刻角膜的表面使其有一个规则的曲率。
老花眼是一个受关注的问题，它是由于眼睛的自然透镜老化而造成的，并且因而不会发生上面所提到的近视、远视和散光同样的折射误差，尽管存在老花眼和一种或多种的折射误差一起发生的可能性。属于Dr.Luis.A.Ruiz的美国专利No.5,533,997描述了矫正老花眼的仪器和方法，包括在老花眼矫正中用激光系统从眼睛移走细胞这一已由发明人证明是有效的模式。
现有技术中的一种激光治疗方法通称为图像折射角膜切削术(PRK)，其中上皮细胞的薄表面层移走后(例如，通过用溶剂擦拭、初步的激光治疗或者是较少的磨损)，激光束直接作用在角膜表面上。在激光直接反复雕刻角膜之后，留下角膜上裸露的区域，将花几天时间(例如2到6天)来愈合，并且会感到不舒服。愈合的过程有时会导致衰退(一些折射误差会恢复)或者留下疤痕(会使视力变得模糊不清)，尤其是对于有较大折射误差的患者。尽管仍在矫正低度的近视和远视中使用，对于同样的病症LASIK方法通常会取代PRK，在LASIK方法中，激光治疗作用在角膜保护瓣下面。在“Laser in situKeratomileusis”(LASIK)的治疗中，顶起一个象活板门似的保护角膜的薄瓣。准分子激光器对露出的角膜前表面进行治疗。最终结果使角膜按照允许光线正常聚焦在视网膜上所确定的方式进行改变。在治疗结束时，保护瓣完全放回原处。LASIK技术保留了角膜原始表面实质上的完整无缺，因而，没有导致疼痛的裸露区域。此外，适度的治愈过程只会有最小限度的衰退，避免留下疤痕等问题。
对于上面所描述的现有技术中的PRK和LASIK激光治疗的仿形切削建立在数学方程式和公式的基础上，在把眼睛假想为一个理想的光学体或者是假想眼睛是遵守一定光学模式的有着非常规则的球形。现有技术中的仿形切削没有考虑每一个眼睛都是独特的而且都有许多个性化的和常规的小和大的不规则这样一个事实。由于现有技术的仿形切削是建立在固定的和规则的切削模式上，就会造成移走过多的细胞或者不足的细胞的情形。例如，在某个散光情况中它的一侧会比其沿直径正对的一侧有更大的病症。因此，在正常的现有技术的仿形切削模式作用于这种情况时(椭圆形的仿形切削)，切削模型将会把导致病症的细胞和与病症没有关系的细胞一块移走，因此会在治疗之后导致眼睛新的病症的可能。
同样的，角膜表面也不是一个非常光滑的壳体，有大的也有小的地形不规则。在现有激光系统内，用来矫正近视、远视和散光等缺陷的公式和模式没有考虑到这些表面不规则。因此，对眼睛的仿形切削的最终结果将在某种程度上偏离外科大夫预定的对眼睛的最终切削结果；并且这对于具有高度不规则表面的眼睛确实是真的，其中缺陷仅仅是转移给更低的角膜高度和从而产生新的缺陷，这在现有技术的系统中通常是不可预见的。这是一个事实在以前的PRK和LASIK治疗中，激光所切削眼睛的深度在眼睛地形学的任何凹陷区域处较预计的为深和在眼睛地形学的任何顶点或突起区域处较预计切削的深度为浅。在使用LASIK方法中，微型角膜刀用来在切削或均夷作用处理的过程中通过向下压的方式移走一定厚度的片状物，将会使在裸露的角膜叠层之下的角膜外表面的地形加倍。
由于现有技术中的系统依靠建立在标准光学模型上的刚性的模式和公式，在确定要执行的仿形切削的过程中这些系统限制了外科医生充分发挥临床专家的作用。换句话说，这些系统不允许外科医生定制一个最合适于患者矫正需要的外科临床评估的仿形切削。
现有技术中的系统也不适合于许多视力矫正，它们需要详细的、或需要独特定制切削的视力矫正病例，诸如外伤、一些先天病症和由于眼科手术过程中的意外事故而导致的病症。
下面的文献、专利和专利申请提供其他背景信息，在这里将它们引入参改文献美国专利No.4,721,370(L’Esperance)；No.4,995,716(Warnicki et.al)；No.5,133,726(Ruiz et al)；No.5,159,361(Cambier et al)；No.5,318,046(Rozakis)；No.5,533,997(Ruiz et al)；No.5,843,070(Cambier et al)和属于Luis A.Ruiz的美国专利No.5,533,997和No.5,928,129。
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本发明的目的在于一种用于眼外科手术的系统和方法，其允许医生利用他的手术经验和对病人的了解来设计一个很好地满足条件的仿形切削。因此本发明向外科医生提供一个特别多用途的工具，其向外科医生敞开一个宽范围的手术程序选择并且由此使得外科医生能够定制每个手术来进行在该情况下对病人来说最好的临床手术处理。在提供的高度定制化的系统中，本发明避免将外科医生限制在刚性的仿形切削中，在一些情况下刚性的仿形切削对于改善病人的视力来讲实质上仅仅导致额外的缺陷或失败。在本发明中，外科医生能够对激光束进行导向来制造特定的激光模型，该激光模型可以看作是最适合移去眼球的细胞来由外科医生实现最好的临床结果。
另外，本发明提供一种高度精确的系统，其考虑到执行各种各样的角膜曲率校正时根据病人的不同而变化的角膜表面的地形不规则。通过考虑到个体的特定的角膜地形，能够更好地避免一种可能性，即在手术后的状态中可能保留了有害地改变了所希望的手术效果的角膜地形学的不规则。并且，因为外科医生能够消除不同病人的地形不规则，保证了对于不同病人的更精确和规则的结果。
本发明也提供一种方法和装置，用来对在执行激光仿形切削中的激光束的操作进行校准和图形化，包括基片的使用，该基片呈现不同的视觉颜色提示来代表在执行该激光束表面时激光束将要到达的程度反馈给激光控制系统。
本发明包括一个地形学装置，能够提供角膜表面地形的数据特性。最好该地形学装置是一种立面地形图装置，其以立面图的形式为病人的外角膜轮廓的地形图提供数据特性，通过相对于X-Y平面的足够数量的高度点表示来提供眼球实际地形的精确表示。然后用于该立面图的数据特性输出给本发明的界面系统。
该界面系统包括一个地形仪(topographer，形貌仪)/界面输入系统，其接收来自地形学装置的输出数据。该地形仪/界面输入系统从由地形仪接收到的输出数据中抽取数据(例如，x，y，z数据〕，并且最好以容易由界面系统的数据处理系统处理的矩阵方式存储这些数据。
该数据处理系统确定一个合适的参考球体，其相对于实际地形的顶点和低谷是一个平均的或中间的球体(例如，一个具有相同体积的组织的球体，或球上的诸顶点的体积和非组织的体积或位于球下面的谷的体积一样〕。可以利用多种技术来形成一个合适的参考球体，例如递归仿样剖分或Bezier曲线技术。
该界面系统包括一个与数据处理系统相连接的图形化系统，使得在由数据处理系统输出的数据的基础上，该图形化系统提供多个图形化的和互动式的屏幕，使得外科医生能够计算和定制仿形切削来得到一个特定的轮廓，外科医生认为该特定的轮廓对于特定的病人来说是最好的切削轮廓。在本发明的数据处理/图形化系统的组合下，外科医生能够看到作为可能的解决方案的各种不同的切削轮廓，和能够看到每个假定的切削轮廓的仿真的术后情况。
该数据处理系统包括一个参考部分或模块和考虑由地形学装置确定的地形轮廓与由界面系统和参考装置接收的例如前面确定的合适的参考球体之间的相互关系来处理数据。用所存储的高度数据(例如对于所有实际轮廓和合适的参考球体的数据矩阵)，为所有实际地形结构和合适的参考球体提供沿着多个可能的眼球轴中的任何一个轴的二维和/或三维的图形化描述。该合适的参考球体在图形化系统的二维视窗中表示成一条直线，其最初(当选择中间的合适的参考球体作为最初的参考时)位于以二维方式显示的地形轮廓的最上面的高度之下。该合适的参考球体的二维显示可以用来作为外科医生的开始或参考点，来开始计算和观察为从地形学轮廓降到合适的参考球体移走细胞所需要的不同切削轮廓。该界面系统提供装置用来根据实际的地形轮廓改变该合适的参考球体的相对位置。上述两者之间的偏差最好通过改变在二维格子中代表合适的参考球体的直线的高度来表示，同时该实际地形轮廓的二维轮廓描述(沿同一个轴)固定在该格子上。同时，多个屏幕显示该切削轮廓和模拟的手术后眼球轮廓如何看作为在参考线位置的每个变化(例如，沿屈光度的海拔刻度的变化)。该切削轮廓和得到的眼球轮廓描述最好是都在二维格子和三维描述中用三维描述最好是彩色地形描述来作为眼球轮廓的屈光度偏差和穿过眼球角膜表面的切削轮廓。从而外科医生能够在全部完成的眼球轮廓和使用一特定参考平面时为得到该最终的轮廓所需要的切削轮廓的描述和深度的基础上确定仿真结果。
例如，外科医生可以相对于实际的眼球地形图象降低该合适的参考球体，该描述在二维视屏中作为相对于沿同一、预定的眼球轴选取的二维地形轮廓的参考线的降低出现。如果，例如外科医生将参考线降低到一个相应于地形轮廓的最低点的高度，该外科医生将能够确定为了进行至少沿注视时的轴移走全部地形偏离的矫正所需要的最大切削深度。然而，在特殊情况下，例如在眼球的地形中有一个局部的、非常深的低谷，可能需要太深和/或太大数量的切削如没有那么多的角膜深度以至于不能做到(在早期的手术中发生的手术矫正后的意外)。因此尽管该切削轮廓最适合去除眼球的地形轮廓上的全部不规则，设定的与眼球表面上最低的地形点相符合的参考线可能不会很好地适合该病人。这时观测员可以利用他的外科经验和对病人的了解来将该参考线升高到代表这种情况下最好的临床切削轮廓的位置处。例如，外科医生可以将参考线向上升高几个屈光度(例如，向上5屈光度)从而移去该参考球体上的大比例的眼球不规则同时避免任何过切削引起的问题。本发明使得操作者在可能存在潜在的问题时容易作出决定。例如，将一个特定的颜色分配给任何将要超出更低范围点(例如，0.170mm深)的切削深度，从而视屏将提供一个关于潜在问题的已经识别的警告。还会提供带有关于这样的轮廓是否是所需要的这一问题的单独弹出的视窗框。还可能出现这样一种情况，即为了在该基础上选择假定的最好的临床球体的高度认为最好不使用最深的低谷点作为基础，它可能是临床更需要的通过将假定的最好的临床球体在高度上向上顶起来和依靠更局部定制的意在消除任何保留在所选择的最好临床参考球体下面的残留偏差的经验方法来取走更少数量的组织伴随着显示参考线和地形轮廓内部关系的二维视屏，最好提供一个可调整的高度偏差按钮和刻度标识，它们可以由计算机鼠标控制来根据地形轮廓容易地改变参考线的高度。最好还提供一个类似的可调整的刻度以及数字指示器，其中可调整的刻度水平地安置允许操作者改变假定的最好的临床球体的直径，数字指示器用于最好的临床球体的半径、曲率和与合适的参考球体的相对位置。因此，根据外科医生按照哪种曲率对于矫正眼球是最好的、没有引起任何明显的有害的术后缺陷和在这种情况下最好移走最少数量的细胞的临床估算，外科医生还能够很容易地改变假定的最好的临床球体的形状来得到一个更扁平的曲面特征或更陡峭的最好的临床球体特征。为合适的参考球体显示半径值的视窗的个数、合适的参考球体的屈光度值和从合适的参考球体的初始位置到现在所显示的高度位置之间的深度或高度是彼此相关的，使得在一种中所作的变化导致在另一种中的变化，该变化是通过数据处理系统和在显示区域内显示的相应数值自动地作出的。由于初始的合适的参考球体和实际的地形轮廓之间的高度对于每个X-Y参考点是已知的并且由于假定的最好的临床球体的高度相对于合适的参考球体的变化对于每个点也是已知的，已经用高度偏差监测装置确定了地形轮廓和通常(但不总是)位于初始的合适的参考球体下面的假定的最好的临床球体之间在高度上的差别(和所需要的总的切削量)。由患者的独特的地形轮廓和伴随有所希望输入的外科医生的经验的通常的眼球形状决定对于该患者什么是最好的临床球体。
参考部分还包括一个眼球轴线选项提供器，允许操作者确定和选择哪个眼球轴(具体是N-T(0°)轴、上面/下面轴(90°)、45°-225°轴和135°-315°轴之间的选择)。由于它允许操作者将假定最好的临床球体切削轮廓的仿真术后效果沿各种不同的轴图形化，将该选项设计成与本发明的最好临床球体确定装置一起使用。例如，外科医生可能面对一个沿上面/下面的轴有散光轮廓的患者，这从术前眼球的用颜色区分的屈光轮廓的基础视屏的显示中看出来。认为这个就是最适合初始最好临床球体判断的轴，该操作者可以选择该上面/下面轴，在其上观察实际地形、最初确定的合适参考球体和假定的最好的临床球体位置之间的二维和三维显示的不同关系。将提供为了取走散光不规则所需要的这种切削轮廓的良好显示。然而该眼球可能还有一个不属于沿所选择的参考轴的任何一处的很深的局部缺陷。如果选择沿该下面/上面轴表示的假定的最好的临床球体轮廓，则该局部的缺陷将被忽略和保留使得由于角膜表面的这一特征还会保留一些视力下降。如果进行一个沿附加轴例如45度轴的检测并且该很深的局部低谷属于该轴，外科医生可以按照该最好的临床球体切削轮廓是否落入局部低谷的最低深度点或其是否能产生切削深度轮廓来作出临床决定，从而保证位于中间的最好临床球体高度某些在最低深度点上和在为上面/下面轴确定的高度之下。因而，例如通过在经验和所显示的最初地形的基础上确定选择哪个或哪些轴来观察仿真结果、以及确定最好的临床球体是否位于地形轮廓的最低点、或包括设定在这种情况下认为哪个合适于临床的一些改变，外科医生能够与本发明交互作用来决定适合于所涉及的特定病人的最好临床球体。
进而，该最好的临床球体切削轮廓可以单独使用，如果外科医生根据病人的情况认为这样足够了，也可以与附加的切削特征组合使用。作为一个例子，如果患者有一个散光产生的将用最好的临床球体组来除去的病症，但是该切削轮廓同时会在眼球的矫正上产生远视，在一个切削轮廓的基础上通过增加附加的切削轮廓来得到一个更近视结果的眼球可以避免这种情况，该切削轮廓要么是一个标准临床或“正常”轮廓，要么是外科医生在定制步骤中自己产生的，例如通过选择不同的系数来改变切削轮廓或通过选择已存储的轮廓(包括早先外科医生自己创建的可以使用的轮廓的文件或由界面系统原始提供的轮廓)。
图1为在本发明系统中数据从患者到激光系统的流动的方框图；图2为本发明系统的硬件部分的方框图；图3为现有技术的系统给出的滞留的表面不规则和有限的仿形切削作用的示意图；图4为本发明给出的除去表面不规则和仿形切削的不受限制的作用的示意图；图5A、5B和5C说明由本发明的优选实施例提供的几种处理模块和它们之间可能的一些循环的流程图；图6是增加了一些可能的选择和执行的循环的图5A、5B和5C的流程图的压缩图；图6A是切削控制装置的一个实施例；图7是在本发明的界面系统的一个参考模块中进行的处理步骤的流程图；图8是用于参考模块的优选的、主要的视屏，说明重点沿90°轴的不规则眼球地形，伴随有一个重叠的子视窗说明沿同一个轴的角膜轮廓的剖面图，以及已经移动到一个位置的假定的最好的临床球体定位的参考切削线，由此得到8.6mm的直径和24微米的深度以初始的合适的参考球体(由于该初始参考线已经向下移动到假定的最好的临床切削位置而没有显示出该线)为标准和这样一个假定的切削轮廓设计一个所希望的术后曲率半径为8.03mm和39.5屈光度的折光度。
图8A显示沿角膜地形的单一轴的二维轮廓、合适的参考球体的二维轮廓、向下降低的假定的最好的临床球体的二维轮廓、和在参考/近视矫正组合的情况下额外移去的细胞的轮廓；图9为与图8相同的视屏，除了假定的最好的临床球体切削轮廓已经在用修正的切削轮廓仿真中进行外并且该仿真的术后结果显示在左侧的子视窗部分；图10为在主参考模块窗口上弹出的多个窗口，除了它们说明了用于显示假定的最好临床球体的假定位置的参考线的不同的高度选择以外，它们与图8相似；图11为在主参考模块窗口上弹出的多个窗口，显示相对于地形轮廓在同一高度水平的假定的最好的临床球体的参考线，但是沿由参考模块提供的不同选择的轴(0°，45°，90°，135°)；图12说明在本发明的系统的参考模块部分中的组合的外科手术操作的仿真，描述一个用于散光和规则近视轮廓的所需要的组合外科手术过程，因为高度不规则的中央散光矫正将导致近视，基于对于该患者不需要将角膜变扁平因而需要一个近视补偿来将角膜变陡峭回到它的最初形状，其中右侧显示用于散光矫正的仿真的参考切削结果和左侧显示两种假定的外科手术的组合；图13显示参考的切削与规则的近视模型在导致近视的90度轴的矫正的事实上的组合，并且右侧显示的是参考的切削和左侧显示的是组合治疗的结果；图14显示作用在同一个眼球上的+5屈光度的两种近视治疗之间的比较，其中视屏的右侧显示球形的轮廓和左侧显示在同一个眼球上的非球形切削的同一个手术；图15中在视屏的右侧为+10屈光度的球形切削轮廓和左侧为对同一个眼球的同样是+10屈光度但是非球形的轮廓，并且在底部显示的是对两个外科手术轮廓所做的相应的比较；图16为通过仿真的交互式散光现象用于散光的矫正，是一个参考切削的数学变换用所代表的缺点，预测的地形结果不是很规则，因为外科手术很大程度上取决于一个基础公式中许多因素的使用；图17为右侧的散光处理基础上的仿真公式和左侧的仿真参考切削之间的比较；图18A和18B显示与图9中的同一个患者的另一只眼睛(右眼)的主视屏，其中图18A位于一个假定的最好的临床球体高度水平并且图18B位于不同的高度水平；图19显示两个最终的切削轮廓来得到同一个眼球上的两个不同定位的假定的最好的临床球体，其中左侧的最好的临床球体比右侧的低大约20微米；图20显示对于不同患者的如图19中的在高度上彼此分开大约20微米的两个假定的最好的临床球体；图21是与图20相类似的视图，但是该视图已经向上旋转来得到该切削轮廓的不同角度的视图，其代表适于传递给激光系统的高度；图22A和22B为作用的激光脉冲的示意图，将其控制为仅切削由最终的切削轮廓决定的感兴趣的那些区域，和将其设计成作用随机发射的脉冲(避免局部受热)来移走角膜的细胞层(这些层通常涉及不同的周边轮廓)，当作用完成时移走例如由图21中所选择的切削轮廓所确定的细胞量；图23A、B、C和D显示本发明的基片上的激光校准结果(显示的是相纸试纸)，具有不同颜色的材料层来显示从本发明的界面系统输出的切削轮廓矩阵所产生的激光深度的不同程度；图24说明在球形切削公式的基础上部分切削的切削轮廓，其中中间凹陷部分的形状由外科医生输入的球体半径和切削轮廓的中央凹面的地带或开口的宽度所控制；图25说明在非球形切削公式的基础上部分切削的切削轮廓(对于切削轮廓的多曲率的内壁)，其中非球形切削轮廓的最终形状由外科医生输入的数值决定；图26为图25中所示的非球形切削轮廓与图24中所示的球形切削轮廓之间的比较；图27A至H显示各种各样可能的散光切削轮廓，外科医生可对多个不同的散光轮廓连同附属的、外科医生的可变的公式快速制作一个临床方案可以作为参考源使用；图28为打开的“表面处理”文件的主窗口；图29为显示地形数据的各个个体文件的重叠的子窗口；
图30是为了从多个选择处理过程中选出一个选择处理程序而弹出的窗口图31为正常视窗框；图32是在表面处理中用来输入切削数据的操作框；图33提供一个在图32所示的视窗框中输入的正常(球形)参数的直线描述；图34是具有与表面处理过程的非球形部分相关的多个可调整的区域的对话框；图35和36是分别与图33和34相近似的示意图，但是在“非球形”处理设置下的；图37是有用于输入切削数据的数据输入区域的“非球形”对话框；图38显示包括从弹出的选择部分中选取所需要的参考轴的切削数据的输入步骤；图39是相对于图38中所示的参考轴的直线轮廓；和图40是有“输入切削数据”部分的远视眼对话框；图1为在本发明的系统中数据从患者到激光系统的流动的方框图。如图1所示，患者的独特的眼球地形由合适的角膜地形仪扫描和绘成地图。所使用的地形仪最好提供足够的数据点来为下面将要说明的界面系统执行的后续数据处理提供好的数据源。在本发明的一个优选系统中，如由美国犹他州盐湖城的Orbscan Inc.公司制造的“ORBSCAN II”系统等立面地形系统，在沿X-Y轴10微米为一个单位采集的高度点的基础上提供一个数字化的地形图并且通常高度的分辨率在1-5微米内变化。该ORBSCAN II系统依靠来自裂隙灯和Placido磁盘搜索两种方法的数据。也可以使用例如仅使用Placido磁盘和裂隙灯两种技术之一的其它地形仪，尽管更高的精度组合最好是来自为本发明的界面系统的后续计算提供好的数据源的标准点。
图2为本发明的系统40的方框图，该系统包括地形学系统42、界面系统44和激光系统46。界面系统44包括一个图形化系统48，其与用来执行后面详细说明的功能的数据处理器50连接。最好该界面系统44进一步包括输入接口52和输出接口54，用来使数据在从地形仪中提取数据和为驱动激光系统46输出数据时满足格式要求(如果需要的话)。在由该界面系统执行的多种功能中，界面系统以所需要的形式如矩阵存储数据。该矩阵可以存储用于包括作为将数据转换成彩色地图的基础等多种用途，其中为不同的高度分配不同的颜色来说明图形化系统48中存储的矩阵。由外科医生接着进行系统的计算和定制直到得到所需要的切削轮廓(如后面详细说明的)，该最终的切削轮廓以合适的格式如矩阵来说明和放置并且通过输出接口的通道输出给所使用的激光系统。该输出接口提供任何所要求的转换来使得最终的切削数据格式与激光系统46的驱动参数相兼容。
激光系统46包括控制装置(例如二元X-Y扫描镜)和辅助的控制软件和硬件用来改变激光束在眼球的接触位置，与如准分子激光器等激光产生装置一起使用，尽管也可以依赖其它合适的角膜去除技术(例如，流体喷射或机械材料去除装置)。激光系统46的控制装置和激光系统的激光束定位装置设计成接收定制的、详细说明的切削轮廓和执行由界面系统输出的指令例如前面提到的X-Y-Z最终切削轮廓矩阵。最好该准分子激光器具有陶瓷头的特征能够在200HZ或更高的脉冲重复频率下操作和具有稳定的、可控制的功率输出，可以从1mm到2mm调整的可调整光束点。在一个优选实施例中，激光系统是一个二元扫描镜装置，该装置在X和Y轴上移动准分子束，并且连同具有2000到4000HZ或更高的扫描速度的眼球跟踪系统和手术前保持激光束停留在目标中心(例如，瞳孔中心)的定心装置一起工作，来保证在开始手术时激光相对于切削轮廓精确地瞄准和精确地触发。
提供一个例如Lasersight Inc.公司(美国弗罗里达州奥兰多市)的Lasersight2000或Lasersight LSX1等的激光系统，其能够提供与由本发明的界面系统输出的切削轮廓方向相一致的激光定位。虽然具有比优选的低的速度。作为前面已有的激光系统的另一个实施例也可以使用Chiron-Technolas GmbH的Chiron-Technolas Keracor 117和217激光系统。
图3和图4给出了现有技术中非定制的、非精确说明的切削技术和本发明的定制的、能够详细安排的一部分之间的比较。图3中显示出一个处于激光下的眼球(例如，PRK或LASIK处理)，其中单一直径的光束根据矫正的光学公式例如近视矫正作用在眼球上，没有考虑每个个体的眼球相对于地形轮廓的独特性。同样的也可以说成是另一个现有技术的切削技术例如沿着一个光学公式路径(例如，圆路径或椭圆路径)的飞点扫描技术。图3说明由于眼球具有不光滑的地形，结果的眼球在术后状态中具有与它在术前状态中同样的地形不规则。例如，在PRK处理中，由于使用的激光设计成在穿过直径上具有通常恒定的能量级，它将沿处理的角膜表面切削走恒定的厚度，并且因此眼球在术前状况中具有顶点的部分将在术后状况中具有这些同样的顶点，并且相对于地形凹点通常同样是真的。同样的情况对于LASIK治疗来说也是真实的。因为在薄片处理中微型角膜刀向下挤压在角膜上并且从而随着压力和单一厚度的薄片层的移开，任何峰点都会重现在露出的基体表面上。图4说明与治疗后的角膜表面(基质或更外面的层)的实际地形相一致的激光的应用，通过使用作用在模型中的上千个小的微光束和切削或移去眼球的不规则地形的深度，使得产生如图4中右侧所显示的光滑绘制的角膜地形。
图5A、5B、5C和6说明在本发明的界面系统的一个优选实施例中提供的多种处理模块和它们之间的一些可能的循环的流程图。如图5A所示，在开始处，界面系统44读取由地形仪输出的数据。如图6所示最好的合适球体的公式(例如相对于眼球的实际地形的中间球体)最好作为紧跟着在来自地形仪的数据的基础上的矩阵公式的初始化步骤来执行。该最好的合适球体用来作为起始点是一个优选的参考定位，但是如后面所说明的不可避免地其对于患者不是最好的临床球体。该最好的合适球体是一个在不规则表面例如眼球的不规则地形中内插一个表面的数学方法。可以使用仿样曲面技术或Bezier技术等多种数学方法。
下面给出的是参照图28至40的界面系统的优选图形化系统的输出。
图28说明打开的表面处理文件的主窗口。附属的步骤包括从地形学机器中读取数据，如图29所示的重叠的子窗口所示该数据可以存储在单独的文件中。
该从地形学机器中读取的数据提供一个读数结构，其结果在于在眼球表面的10mm*10mm的矩形面积上得到一个100*100网点的数据矩阵。这意味着在每100微米的一个步骤中读取一个网点。该步骤允许操作者选择不同的眼睛病例记录来保证外科医生执行不同的处理或易变的仿真，为了在激光机器上做手术将产生控制数据文件。然后可以执行来自多个选择处理部分中的一个选择处理步骤。图30说明一个选择处理步骤。
该选择处理对应于表面处理菜单条中的Simulation选项并且允许使用者选择三个不同的选项INTERACTIVE切削，REFERENCE切削和PRESBYOPIA。
INTERACTIVE切削还有三个选项Normal，Aspherical和Astigmatic。这些选项将外科医生指引到三个基本处理。
Normal是一种允许操作者用称之为正常的球形参数来进行或模拟切削的程序。这种程序矫正近视和远视。
图31显示的是Normal视窗框。在表面处理中，还提供如图32中的处理框所表示的切削数据的输入。图33提供一个在图32中的视窗框中输入的正常(球形)参数的直线绘图。
该最后的处理框是一个属性对话框，含有几个要填充的参数来确定切削的轮廓和深度。
Correction是第一个区域。该区域接受负数和正数，其中负数定义近视模型，并且正数定义远视模型。该区域的单位是Diopters(屈光度)。
Zone Diameter是下一个区域并且定义切削范围和函数例如边界。
Radius of Curvature是最后一个区域并且允许根据特定的眼球曲率选择具有同一个Diopter值的不同曲率轮廓。
Aspherical是一个选项，允许与参数直接相互作用来进行近视和远视矫正但是用非球形轮廓。
图34说明具有下述区域的对话框Correction以Diopter来表示，它包括一个用于近视的负数和用于远视的正数。
Factor是适宜的参数，允许为了到达希望的轮廓而改变方程式形式。
Zone Diameter是下一个区域并且定义切削范围和函数例如边界。
Radius of Curvature是最后一个区域并且允许根据特定的眼球曲率选择具有同一个Diopter值的不同曲率轮廓。
Interior Diameter是一个只在远视眼治疗中使用的参数并且指示不应该接触到的内层。
图35和36显示与图33和34相似的视窗，但是是在“Aspherical”处理状态下。
Exterior Diameter以与前面的区域同样的方式只在远视眼治疗中使用并且允许根据曲面轮廓截去外面的效果。
Astigmatic是最后的选项并且与含有绘图按钮的对话框相关，提供图形的不同曲面轮廓表示之间关系说明。
图37说明带有下面所说的用于切削数据输入的数据输入区域的Astigmatic对话框。
Correction以Diopter来表示，定义要移去的细胞的精确数量。
Zone定义切削范围和函数例如边界。
Radius of Curvature是最后一个区域并且允许根据特定的眼球曲率选择具有同一个Diopter值的不同曲率轮廓。
另外图37说明对应于系数的区域，取决于所选择的按钮和操作例如轮廓修正。
REFERENCE是一个选项，基本上允许沿不同的轴观察角膜轮廓。这些主要的轴是0，45，90，135度。一旦选择了最陡峭或最扁平的轴，外科医生可以进行不同的处理来达到根据他的经验是最好的操作。
图38说明输入切削数据的步骤，包括从弹出的选项中选出所希望的参考轴，同时图39显示对应于图38中选择的参考轴的外形轮廓。
通过Apply选项可以在指定的轴中放大角膜轮廓，和显示一个交互式图形，其允许操作者在角膜轮廓上滑动一直线和模拟一个刀片，能够假想地移走哪些图中所示的细胞。
进而，该模式提供其它交互参数来改变切削环、过渡环的直径和显示该特定轮廓的平均曲率和半径。
PRESBYOPIA是最后的选项，有一个具有四个参数的对话框，允许操作者细微地改变切削轮廓。
图40说明具有输入切削数据部分的远视对话框。
Diopters基本上表示切削深度。
Factor是适宜的参数，允许为了得到希望的轮廓而改变方程式形式。
Interior Diameter是指示不能接触的内层的参数。
Exterior Diameter允许根据曲面轮廓截去外面的效果。
如图3、5A-C、6和7中具体显示的，外科医生具有选择本发明的参考模块的权利。涉及最好的临床球体的确定和使用的参考模块特别好地适合于涉及散光或近视矫正的高度不规则眼球特征，但也很好地适用于更典型的散光和近视眼矫正和如所示的来提供一个更可预言的结果，来与例如散光矫正基础上的公式相比较。
激光切削控制装置的典型的方框图如图6A所示。可以理解图中用方框表示的各种装置最好用软件来完善，并且因此这些装置可以与用来完善该装置的软件编程的单片机制成一体。然而，本领域中的普通技术人员还会理解图中用方框表示的每个装置能够另外配备有有线电路。
图6A所示的装置包括地形数据搜索装置，其接收来自地形仪的角膜表面立面地图。该搜索到的角膜地形数据可以通过角膜表面显示装置显示。最好是，该表面显示成彩色编码的表面立面地图。一个最好的合适球体计算装置产生一个地形数据搜索装置所需要的数据的球形配合。该球形配合沿由用户选取的轴进行或者在预成形的缺陷轴的基础上形成。在搜索到的地形数据和所选取的最好的合适球体的基础上，产生一个参考切削轮廓和交互地改变该轮廓来得到一个外科手术可以接受的参考切削轮廓。用户也可以选择和个性化其它切削轮廓来使该用于个人角膜的轮廓最优化。该装置具有用来以交互方式产生这些轮廓的装置。该优选实施例中包括一个交互式球形切削轮廓装置、交互式非球形切削轮廓装置和交互式散光切削轮廓装置。
切削轮廓选择、比较和显示装置允许用户选择进行切削处理所要显示和考虑的一种切削轮廓。还可以显示一个、两个或更多的切削轮廓使得用户可以对轮廓有个直观的对比。预测的角膜形状显示装置准备和显示如果选择的切削轮廓作用给患者的角膜时会出现的预测的角膜表面立面地图。该预测由角膜地形数据减去切削轮廓计算出来和能够包括以角膜的物理属性和角膜的治疗属性的生理模型为基础的矫正。如果预测的角膜形状是满意的，该切削轮廓写入到激光控制数据装置来允许执行角膜切削。在一些情况中，最好是把一个参考切削轮廓与其它切削轮廓的参考切削轮廓相合并。上述情况的一个例子会在用一个参考切削执行散光矫正时出现并且导致一个近视角膜。在这种情况中，远视切削轮廓能够与参考切削轮廓合并来得到一个合并后的切削轮廓，它能够以不产生近视的方式来矫正散光。该合并后的切削轮廓的执行结果可以通过与由预测的角膜形状装置提供的角膜表面立面地图之间的比较来预测。如前所述，如果预测的角膜形状是满意的，确定该切削轮廓然后写入给激光控制数据装置来允许执行角膜切削。
图8说明用于参考模块的优选的、主要的视屏，说明重点沿90°轴的不规则眼球的地形，有一个说明沿同一个轴的角膜轮廓的剖面图的重叠的子视窗，以及假定的最好的临床球体定位的参考切削线已经移动到一个位置，由此参照初始的合适的参考球体得到8.6mm的直径和24微米的深度。该最好的临床切削参考线显示为基本上在该地形轮廓沿90度轴的最低点。同样重叠的子窗口出现在图11的左下角，其中图11进一步提供其它重叠的子窗口，用于显示同样的假定最好的临床球体外形但是沿一个低于本发明的参考模块的可以利用的轴。另一方面图10显示假定最好的临床球体的多个不同外形。在图10中位于左上角的重叠的窗口显示一个假定的最好的合适临床球体参考线，其已经相对于图10左下角的窗口中给出的最初确定的最好的合适参考球体向上升高了。在每个重叠的子窗口中出现的“deep”标志表示升起的假定最好的临床球体参考线和最初的最好的合适球体参考线之间的高度差别。因而在左下脚的子窗口中“deep”显示为0，表示假定的最好的临床球体与最初的最好的合适球体位于同一水平。左上角的子窗口中deep的值为正数76，表示假定的最好的临床球体参考线位于最初的参考线之上。与深度值一起，图10中的每个弹出的子窗口显示假定的最好的临床球体的半径和曲率(以屈光度为单位)。通过使用每个子窗口中轮廓网格的右侧的滑动刻度很容易地改变参考线的高度。另外，水平方向滑动的刻度允许外科医生控制该假定的最好的临床球体切削轮廓的直径。
图8A说明沿角膜地形的单一轴的二维轮廓100(例如，表示一个露出的角膜基质地形)、合适的参考球体102的二维绘图和升起后的假定最好的临床球体的二维绘图。另外，图8A的106显示的是在组合情况下可能需要额外移走的细胞，其中一个增加的补偿远视用的环形切削被看作是为了任何潜在的矫正变化补偿所需要的，在参考模块中选用的最好的临床球体切削的仿真中显示的。在眼球表面的主地形视窗的底部，显示有“Diff”。该值等于在X-Y平面上的任何一点处的高度差，具体等于实际地形减去合适的参考球体的差值加上该合适的参考球体减去所选择的最好的临床球体的高度差值(即，Diff＝(地形-合适的参考球体)+(合适的参考球体-最好的临床手术球体))。可以通过移动光标到所需要的位置并点击来沿中间主地形地图上的地形位置上的任何位置选择该值。设定点的直径(以2乘以从瞳孔出来的光标的半径为基础)和屈光度值也在主地形地图的下面显示。图18A显示将光标移动到主地图的特定位置的一个例子。
图8A还显示前面所提到的“deep”值110，表示合适的参考球体外形和最好的临床球体外形之间相对于沿同一个轴的特定点的差值。图8A还显示一种组合情况，涉及与在界面系统的参考部分选择的最好的临床球体切削相组合的增加的切削(例如，远视眼均分轮廓)。后面将给出有关组合切削轮廓的更详细的讨论。输出给激光系统的最终切削轮廓坐标或数据在远视切削环确定的增加的方程式的已知参数的基础上确定(例如，另一个矩阵是以选择的二维远视切削剖面的360度旋转为基础的)。由于该地形矩阵(或其它在可工作的介质中固定标志的手段)、合适的参考球体矩阵、最好的临床球体矩阵、和旋转的远视轮廓的高度矩阵是已知的，通过使用这些已确定的参数可以确定整个切削轮廓(代表要移去的细胞)矩阵(用115表示的一个高度值)。例如，切削量由已知的地形矩阵和最好的临床球体矩阵之间的距离112加上增加的深度113，或者已知的地形和合适的参考球体之间的高度差116加上合适的参考球体和最好的临床球体之间的高度差110加上距离113的组合来确定。还可以显示和/或利用各种其它值例如增加的远视切削环和合适的参考球体之间的距离114。
根据认为什么对于图10中所示的每个子视窗中显示的同一个90度轴轮廓的各种假定的最好的临床球体高度是最好的，外科医生作出初始的决定。如果作出的决定是认为更低的高度或-24深度的深度值最适合该条件，然后外科医生可以继续考虑如何沿0、45和135度的其他轴选项执行初始选择的最好的临床球体。如上所述，图11显示沿四个轴选项中的每个选取的最初认为是最好的临床球体。在该方式中，外科医生可以考虑当它相对于眼球的实际地形的定位是在不同的轴定位下分析时该最初认为是最好的临床球体是否仍被认为是最好的。在确定了负面的缺陷没有影响最初认为的最好的临床球体后，然后外科医生可以激活“apply”功能键来看最好的临床球体上的全部细胞已移走的模拟的术后眼球是什么样，提供一个设计成生产一个所希望的8.03mm的术后曲面半径和39.5屈光度的折射率的切削轮廓。
图9显示根据上面描述的作用的最好的临床球体轮廓确定该apply功能激活的结果。图9以更大的地形视图显示该实际的眼球地形矩阵，其中视图的左侧显示沿两个轴(此处是0和90度)的角膜轮廓和上面的两个图是模拟的结果眼球轮廓，和待完善的切削地形和切削轮廓来移走细胞，这些细胞是为移走在更大的地形显示中表示的眼球的表面和所选取的最好的临床参考球体之间的全部细胞所需要的。模拟输出通常显示为接近绿色或非彩色“0”的调和颜色。
图12说明另一个例子，外科医生能够使用本发明来使所采用的切削轮廓符合最适合患者个人的需要，在该种情况下涉及组合的参考和标准切削轮廓，其组合是由该界面系统作出的例如形成一个单独的切削轮廓在导引该激光系统中使用(例如，该系统决定在一个单一激光器中形成的最好的单一切削轮廓，该激光器是在辅有所作用的最好临床球体和所需要的辅有切削深度的即使是更低的高度值和认为正常方程式矫正所需要的特征的矩阵值的基础上驱动的)。图12中特定的组合仿真显示一个用于散光的外科手术过程，和因为在参考切削到达了该病人不需要的程度的过程中由于角膜的扁平化该高度不规则的中间散光矫正会导致远视而需要的规则的远视眼轮廓。也就是说，在该情况中参考切削固有地产生一个近视矫正，其导致一定程度的有害远视，并且该有害的远视可以通过远视矫正(环形切除带)的切削来使角膜陡峭回到原始形状。图12中的右侧显示模拟的参考切削结果和左侧显示提议的两个手术的组合。以同样的方式外科医生可以将参考切削与近视和远视组合，外科医生在本发明中用公式可以对散光作同样的操作。
图13显示参考切削和规则近视模式的组合，该模式基于在90度轴上，在矫正导致近视的事实的基础上。换句话说，在移走属于所选取的最好的临床球体上的细胞的过程中作为角膜一部分上的切削处理的一部分部分远视矫正环固有地形成。因而，提供一个近视矫正模型用于补偿。图14的右侧显示该参考切削并且左侧显示组合治疗的结果。通过近视矫正模式移走的中间部分可以通过中央显示来看到，该中央显示由沿0度轴选取的切削轮廓在标题“角膜轮廓”下的左上视图中说明，同时实现移走的中央细胞部分的相应的切削轮廓最好由沿同一轴的切削轮廓显示，该轴出现在左下角的视图中。
如图5A的流程图所示，外科医生能够确定所涉及的眼球矫正，不主张单独使用该参考模块或者使用其与涉及正常、非球形、散光的交互式模块的子模块之一的组合，但是相反主张单独使用交互式子模块。例如，在术前角膜地形基本上规则的情况下，使用一个以球形或非球形公式为基础的切削轮廓能够矫正远视眼和近视眼的光学缺陷。在散光角膜的情况下，通过为矫正散光特别创建和优化的特定库函数的一部分能够产生一个切削轮廓。这些是被外科医生认为不属于不规则角膜地形条件的类别的情况，其中产生一个用来矫正地形不规则的参考切削轮廓和与球形、非球形或散光轮廓合并来矫正远视、近视和散光等通常的角膜缺陷。参考和散光模式矫正的组合并非不可能然而如后面进一步说明的由于参考模块足以应付大多数散光矫正的要求。如上所述，这样的组合合并的结果是一个用来控制切削激光器的单一切削轮廓。接下来，这种合并轮廓的使用结果在于得到一个移走最少量的基质细胞的成功的角膜矫正。图24显示的是球形远视切削轮廓的三维剖视图。图25显示的是非球形远视切削轮廓的三维剖视图。球形切削轮廓上的非球形切削轮廓的表面越光滑得到的角膜治疗效果越好和提高了矫正的长时间的稳定性。
图26显示用于远视眼矫正的球形切削轮廓和非球形切削轮廓之间的比较。轮廓1显示典型的球形切削轮廓其中该轮廓的中央凹陷部分的形状由给定的球体半径和凹陷部分的开口的宽度控制。半径和宽度参数可以相互独立地由医生选择来给特定的角膜定制切削轮廓。轮廓2显示一个非球形切削轮廓，其中形状由用于远视眼或近视眼的相应的函数决定并且过渡区域的形状由对选来为特定角膜定制切削轮廓的区域尺寸的参数、曲率半径、内直径和外直径的恰当选择所控制。该非球形函数本身是一个建立在双平方分量和反正切函数基础上的公式。
当角膜是散光的但整个角膜地形是规则的时候，能从函数库中选择特定的函数。散光矫正的函数库中含有的函数的一个例子如图27所示。图27中每个库的表面上是代表由相应的函数确定的切削轮廓的数学表达式。通过外科医生调整系数a、b、c、d、f、h等可以使散光矫正函数适合于特定的角膜。注意在屏幕标题“simulated ablation”的下面还有散光参考切削库的更早的描写和说明，并伴有用来在外科医生输入的值的控制下改变特定参数的工具。
如图27A-H所示，每个等式有一个共同的基础“(ax2-bx4-cy4+d)”加上不同的等式末端，其中一些有相同的分量和在+或-之间变化。如图27H所示，双丘地形是一种可能的结果。
通过从角膜的地形学地图减去切削轮廓可以得到预测的切削处理结果并且可以显示预测的角膜表面结果。图14和15显示球形切削和非球形切削比较的屏幕图形。图形化的角膜地形学地图显示在每个图的中间。右下图是所选择的球形切削轮廓。右上图是根据球形切削轮廓紧随着角膜基质的激光切削的预测的角膜地形。左下图显示非球形切削轮廓。上述非球形切削轮廓(左上角)是根据非球形切削轮廓紧随着角膜基质的激光切削的预测的角膜地形。
图14显示两个+5屈光度的近视眼治疗之间的对比。在一些例子中切削轮廓的非球形特征在提供更光滑的过渡上是有益的，但是由于在每个中移走的细胞轮廓不同，对于外科医生来说为将每个眼球仿真的结果图像化是有帮助的。图14中的对比视屏为外科医生提供这样一个对比工具来便于根据特定的患者需要作出临床判断。图15提供该非球形切削轮廓之间的对比模式的优点的另一个例子，其中显示一个非球形通道避免被认为是过切削的圆环(右下角)，其对于非球形通道的同样的+10屈光度计算是不会发生的。
图16的中间是图形化的角膜地形学地图和左下角是用于散光矫正的切削轮廓。左上角的图形是根据散光函数切削轮廓紧随着角膜基质的激光切削的预测的角膜地形。图16还显示能够比较病人以前的术后状态和增加的治疗的模拟，将根据新的切削轮廓向患者前面治疗过的眼球提供额外的治疗或者是被认为最适合比较的前面完成的模拟。图16的结果还显示，由于在子交互式散光模块下的数学方法中的多个相关系数的控制，数学确定的切削治疗的预测的地形结果比参考方案更不可预知。
图17显示在参考方案与特定切削模型之间对比的一个例子和根据散光子模块的交互式方案的使用。窗口的左侧显示参考方案并且右侧显示本方案的方法，它对外科医生判断哪个方法更适合于该情况也是有帮助的(清楚地该参考通道产生一个对特定的患者来说更好的结果)。
图18A和18B为图9中的同一个患者的另一只眼睛(右眼)的主视窗口，其中图18A位于与假定最好的临床球体相同高度水平上和图18B位于不同的高度水平。图19显示两个交替的最终切削轮廓来在同一个眼睛上实现两个不同定位的假定最好的临床球体，其中左边最好的临床球体的定位比右边的低20微米。图20显示，对于不同的病人，与图19中所看到的两个假定最好的临床球体设定在相差约20微米的高度的视图相近似。这些描述可以在一个图形化的屏幕上提供来允许医生进一步观察情况。可能包括旋转轮廓的视图的能力来得到在图21中打算对图20中的切削轮廓进行切削的细胞量的一个不同的观察角度。伴随有最终确定的切削轮廓的矩阵经过输出借口由界面系统传送给激光系统来控制激光束的活动来产生眼球中所希望的切削。
图22A和22B显示优选的激光脉冲作用的方式的示意图，包括控制优选的激光定位控制装置，该装置最好是X-Y基础的扫描控制系统，其较好地适合于沿上面所提到相对于X-Y平面的Z轴的优选的立面绘图。该切削轮廓数据包(例如，一个有最终切削轮廓决定的文件)提供所需要的信息用于控制激光束的运动来只切削由最终切削轮廓确定的感兴趣的这些区域。在该优选实施例中，首先引导激光在对应于切削轮廓的一个或多个基础区域的角膜上的一个或多个区域上作用一系列随机脉冲。通过在对应于落入在切削轮廓的一个高度限幅内细胞区域上作用激光模型依次重复该处理。该切削技术简要地如图22A所示，其中，在开始处，一系列脉冲沿用L1表示的单个X-Y细胞平面作用(为避免局部受热，以随机的方式穿过X-Y轴平面)，并且其形状由如图20中所似的切削轮廓代表的相应的一个或多个边缘控制。在由基础平面表示的第一个区域完成后，激光器沿下一个切削轮廓级别在该级别的X-Y限幅的一个或多个边缘内重复脉冲的随机作用(下一个脉冲单元捆由图22A中落在级别L2内的象砖一样的方块表示)。一直重复直到在切削轮廓图中不再遗留有任何超出高度限幅的细胞(L1、L2、L3.....Ln)。
图5A-C还包括一个远视模块，这是一个外科医生可以选择的选项来代替其它参考和交互式的模块选项(尽管如在前面所说的组合方式中的参考/远视公式的组合方式也是可能的)。在该模块下外科医生能够治疗远视，通过作用一个与前面所提到的和与美国专利No5,533,997和5,928,129含有的全部设定的参数相一致的远视矫正切削轮廓。远视矫正也可以作为一个紧随着更早进行的折射切削操作例如散光矫正的单独的切削操作进行。
图23A-D说明由本发明的界面装置确定的切削轮廓控制的多个切削校准操作和要接近的或完成的切削。图23A-D的图形化窗口(图像部分)中显示的基片材料显示一个基片，其包括一个能够显示激光跟随着接收到的切削轮廓将要移走的细胞的深度的材料。在一个优选实施例中，已经曝光和随后变黑的相纸置于激光轮廓之下并且揭开或不揭开不同颜色薄层的相纸取决于激光曝光的程度，使得这些经受重复脉冲作用的面积显示出与没有经受这些作用的面积相比不同的颜色。因而基片为将要形成眼球的切削模型提供好的图形(与现有技术中的作用在黑的单一色的相纸上的只显示出切削轮廓的基础层的轮廓相对比)。该基片也可以形成为使得所显示的颜色层通常与在地形学地图上出现的颜色相一致从而使用相似的图像代码。图23A-D的每个视窗的左下角还可以提供有预测的或确定的全部切削周期时间(例如，对于图23A是15秒)和一个更大的和集中的时间说明，用来给出激光器已经驱动到达图中所示的切削颜色模型的实际时间(例如，图23A中为14秒)。
在执行一个患者眼球的切削中，驱动激光器来从眼球上移走由切削轮廓数据包指示的一定数量的细胞。该数据包可以直接传递给相连接的激光系统或界面系统可以以循环的方式使用。例如地形学数据文件可以在计算机磁盘等合适的媒介上转换并且磁盘送到一个放置有界面系统的远离位置，和/或该数据包能够通过其它方式例如发送e-mail来传递。在界面系统定位处的外科医生可以处理得到的地形学数据和在界面系统的帮助下判断什么是最好的临床方案。然后该切削轮廓数据包可以传送到实际进行外科手术的设备上。在这种方式中具有更多经验和专长的外科医生能提供切削轮廓包。由本发明作出的其它可能的优点在于它允许一个外科医生为了用该界面系统准备一个仿形切削向拥有本发明的界面系统的另一个外科医生传送数据来得到一些建议或改进。此外，由于本发明的通用特性，地形仪/界面系统的组合可以独立于激光系统，和定位在远离的位置的激光系统或地形仪可以定位在远离界面系统和/或激光系统的位置处。
本发明很好地适合于在LASIK处理中使用，其具体涉及一个处理包括麻醉患者和切削角膜的至少一部分来露出角膜基质。然后使用该激光系统切削角膜基质的一部分，该激光系统执行由界面系统确定的临床切削轮廓指示的切削。
权利要求
1.一种界面系统，用来提供眼球再成形数据，包括用来接收眼球轮廓数据的装置；用来提供临床参考切削轮廓数据的装置；和根据操作者的交互式输入，用来调整所说临床参考切削轮廓数据和所说眼球轮廓数据之间的相对差别的装置，从而改变用所说临床的和眼球轮廓数据之间的相对差别表示的眼球体积数据。
2.如权利要求1所述的界面系统，进一步包括用来向交互式操作者提供信息的装置，所述信息是关于因所说临床参考切削轮廓数据和所说眼球轮廓数据之间的相对差别中的调整而产生的眼球体积数据变化。
3.如权利要求2所述的界面系统，其中所说用来提供临床参考切削轮廓数据的装置包括用来最初提供所说眼球轮廓数据的合适的参考球体的装置，并且所说的调整装置包括用来根据最初的合适的参考球体的位置调整合适的参考球体样品的装置，并且该最初的合适的参考球体代表调整前的临床参考切削轮廓和经过调整的合适的参考球体样品表示一个调整过的临床示范轮廓。
4.如权利要求3所述的界面系统，其中所说的用来提供合适的参考球体的装置包括在由所说用来接收所说眼球轮廓数据的装置接收到的所说眼球轮廓数据。从所说的眼球轮廓之后，数据产生一个合适的参考球体。
5.如权利要求4所述的界面系统，其中所说眼球轮廓数据是来自眼球的露出表面的地形学数据和所说合适的参考球体是考虑到眼球的露出表面中的谷中的顶点形成的最好的合适的参考轮廓为基础的。
6.如权利要求5所述的界面系统，其中用来形成所说的最好的合适的参考球体的所说装置确定一个平均或中间的球体，涉及仿样剖分和Bezier曲面技术中的一个或全部。
7.如权利要求3所述的界面系统，进一步包括用来根据所说眼球轮廓数据提供眼球外形轮廓的装置，和其中用来向交互式操作者提供信息的所说装置包括图形化装置，并且所说图形化装置包括用来描绘眼球外形轮廓、所说合适的参考轮廓和相对于所说临床示范的轮廓和所说眼球外形轮廓在位置上的相对调整的装置。
8.如权利要求7所述的界面系统，其中所说图形化系统在开始参考定位时描绘合适的参考轮廓并且在操作所说调整装置时该临床示范轮廓相对于所说的眼球外形轮廓描述运动地显示出来。
9.如权利要求8所述的界面系统，其中所说图形化系统在同一图形化屏幕内提供该眼球外形轮廓和临床表示轮廓的相对定位视图，其中所说临床示范轮廓相对于固定的眼球外形轮廓可以上下移动，并且所说的图形化系统进一步包括装置，用来根据所说眼球外形轮廓和所说临床表示轮廓之间的一定数量的眼球细胞层来图像化地描述切削模型。
10.如权利要求9所述的界面系统，其中所说图形化系统在同一图形化屏幕内提供眼球外形轮廓、合适的参考球体和临床示范轮廓的相互之间定位的视图。
11.如权利要求9所述的界面系统，其中所说合适的参考轮廓是最好的合适球体的直线描述和所说临床示范是最好的临床合适球体的直线描述。
12.如权利要求4所述的界面系统，进一步包括用于所说临床代表轮廓的轮廓计算的装置。
13.如权利要求11所述的界面系统，其中所说临床代表轮廓包括球体的一个轮廓部分和所说用于轮廓计算的装置包括改变所说轮廓部分的曲率的装置。
14.如权利要求7所述的界面系统，进一步包括将眼球外形轮廓数据和临床示范轮廓数据转换成地形彩色数据的装置，和所说进行图形化的装置包括装置，用来表示当位于临床代表轮廓上的眼球材料移去时在眼球轮廓上得到的结果的仿真的术后彩色地形说明。
15.如权利要求14所述的界面系统，其中所说图象化系统包括装置，用来表示由所说代表轮廓和眼球外形轮廓之间的一定数量的眼球材料表示的切削轮廓。
16.如权利要求14所述的界面系统，其中所说图形化系统进一步包括装置，用来同时表示所说的仿真术后彩色地形图和眼球外形数据的彩色地形图。
17.如权利要求7所述的界面系统，其中所说图形化装置包括装置，用来同时表示说明相对于眼球外形轮廓的多个不同定位的临床示范轮廓的多个图形化图象。
18.如权利要求7所述的界面系统，其中在所说调整装置将所说临床示范轮廓进一步朝远离眼球中心和所说合适参考轮廓之上移动下，所说图形化装置在所说合适参考轮廓位置上面的一个位置描绘所说临床示范轮廓，和在所说调整装置将所说临床示范轮廓进一步朝接近眼球中心和所说合适参考轮廓之下移动下，所说图形化装置在所说合适参考球体轮廓位置下面的一个位置描绘所说临床示范轮廓。
19.如权利要求2所述的界面系统，其中所说眼球外形数据是以由X、Y和Z共同设定代表的眼球外形数据组的方式出现，并且所说用来提供临床参考切削轮廓的装置包括用于表示由X、Y和Z共同设定的临床代表轮廓数据组的装置，和所说调整装置包括装置，用来改变所说临床代表轮廓在一个操作者基于相对于所说眼球外形数据组的调整输入的数据组。
20.如权利要求19所述的界面系统，其中所说眼球外形数据包括地形数据和所说用来提供临床参考切削轮廓的装置包括装置，该装置用于以一个初始基础参考轮廓表示在所说眼球外形数据中地形变化的中间参考轮廓，和所说调整装置包括伴随所说基础参考轮廓的数据的Z轴计算。
21.如权利要求1所述的界面系统，进一步包括装置，用来对比所说眼球外形数据组和所说代表临床轮廓数据组的相对数据设定位置相对于穿过眼球外形轮廓和所说代表临床轮廓延伸的一个垂直平面的剖面。
22.如权利要求21所述的界面系统，进一步包括轴调整装置，其含有用来改变代表性的垂直平面的位置来提供数据，该数据是关于所说眼球外形轮廓和所说代表临床轮廓之间在垂直间距中的相对差别。
23.如权利要求22所述的界面系统，进一步包括装置，用来相对于另一个沿所说垂直剖面的平面的多个位置直观地描述所说轮廓。
24.如权利要求23所述的界面系统，进一步包括装置，用来描述所说示范临床轮廓相对于每个所说垂直剖面的平面位置的调整。
25.如权利要求1所述的界面系统，进一步包括装置，用来确定紧随所说临床代表性的轮廓数据组的调整的切削数据组，根据所说眼球外形数据组和所说调整的代表性的临床数据组的值之间的差别。
26.如权利要求25所述的界面系统，进一步包括装置，用来根据所说切削数据组直观地说明切削外形。
27.如权利要求25所述的界面系统，进一步包括装置，用来向眼球再成形装置输出所说切削数据组。
28.如权利要求1所述的界面系统，进一步包括装置，用来根据预先确定的轮廓输入进一步的矫正数据组，和装置，用来将所说代表性的临床数据组和所说进一步的矫正数据组混合。
29.一种切削数据产生系统，包括一个地形学系统，含有用于提供眼球表面地形数据的装置；一个界面系统，具有用来接收来自所说地形学系统的地形学数据的装置，所说界面系统包括用来提供基础参考轮廓数据组的装置，和所说界面系统包括根据操作者的交互式输入，用来改变所说基础参考轮廓数据组和所说眼球表面地形学数据组之间的相对数据值的装置，和所说界面系统进一步包括装置用来比较变化的相对数据值来决定一个切削模型数据组，和所说界面系统进一步包括装置用来输出所说切削模型数据组。
30.一种系统，用于再成形眼球，包括一个地形学系统，含有用于提供眼球表面地形数据的装置；一个激光系统，具有眼球切削装置；一个界面系统，具有用来接收来自所说地形学系统的地形学数据的装置，所说界面系统包括用来提供基础参考轮廓数据组的装置，和所说界面系统包括用来改变所说基础参考轮廓数据组和所说眼球表面地形学数据组之间的相对数据值差的装置，和所说界面系统进一步包括装置用来比较变化的相对数据值差来决定一个切削模型数据组，和所说界面系统进一步包括装置用来输出所说切削模型数据组给激光系统使得所说激光的所说眼球切削装置带出眼睛中与输出切削模型数据组相对应的切削模型图型。
31.如权利要求30所述的系统，其中所说用来改变相对数据的装置包括装置，用来通过操作者的交互式输入改变所说基础参考数据组。
32.如权利要求31所述的系统，进一步包括装置，用来为操作者图形化地表示信息来改变数据值的差值。
33.一种试纸，用来提供眼球的切削模型的直观记录，包括一个基片，用所说基片支持图形化材料，该图形化材料相对于作用在所说图形化材料上的激光能量的不同级别显示出不同颜色的表示，从而提供将要作用在眼球上的切削模型的直观记录。
34.一种界面系统，用来开发眼球再成形数据，包括装置，用来接收眼球地形轮廓数据；装置，用来向界面系统的操作者表示所说眼球地形轮廓数据；装置，用来相对于所说眼球地形轮廓数据设定参考数据；装置，用来向操作者表示和所说眼球地形轮廓数据组相组合的参考数据组；装置，用来确定代表落入所说参考数据组和所说眼球地形轮廓数据组之间的眼球材料的相对体积的眼球体积数据；装置，用来通过操作者的计算改变眼球体积数据，该计算导致在所说眼球地形轮廓数据组和所说参考数据组之间的数据差别阀中的变化。
35.如权利要求34所述的界面系统，其中所说用来代表所说眼球地形学外形数据的装置包括在第一个眼球轴平面中以轮廓方式描绘眼球地形轮廓数据组的图形化装置，和代表也由所说图形化装置沿第一个眼球轴平面以轮廓方式显示参考数据组的所说装置，和所说图形化装置进一步包括显示在所说用于改变的装置的操作下在所说轮廓之间的相对位置的调整的装置。
36.一种操作界面系统的方法，开发接下来在眼球再成形系统中使用的数据，包括向所说界面系统的眼球地形轮廓数据输入部提供眼球地形轮廓数据；分析由所说眼球地形轮廓数据输入部接收到的眼球地形轮廓数据和在由所说眼球地形轮廓数据代表的非球形形状的基础上建立一个参考数据组；确定地形数据和参考数据组之间的相对差值和建立一个差别数据组；在差别数据组的基础上建立一个切削数据。
37.如权利要求36所述的方法，进一步包括进一步提供来自矫正的眼球形状数据源的矫正的眼球形状数据来和所说差别数据组组合使用；和根据进一步的矫正的眼球形状数据建立切削数据组。
38.如权利要求36所述的方法，进一步包括为接下来在驱动激光控制系统中使用向当地的或远处的存储媒介输出切削数据组。
39.如权利要求36所述的方法，其中所说参考数据是在相对于所说眼球地形轮廓数据的最好的合适参考球体的基础上确定的。
40.如权利要求36所述的方法，进一步包括在调整眼球地形轮廓数据组和参考数据组之间的相对差值的基础上建立一个调整数据组。
41.如权利要求36所述的方法，其中提供矫正的眼球形状数据包括提供一个或多个远视、老花眼、散光和近视矫正数据包。
42.如权利要求41所述的方法，进一步包括通过在所说调整数据基础组和所说矫正数据基础组中编入一个单一的数据组包建立一个矫正切削数据组，和所说矫正数据组设计成用来抵消不想要的眼球形状缺陷，如果单独作用所说调整数据组会产生上述不想要的缺陷。
全文摘要
一种系统和一种方法,用来矫正角膜的不规则,通过眼角膜的再成形来得到预期的矫正后的角膜曲率。本发明的优选实施例包括一种用来详细绘制角膜的不规则和表面偏差的地形学设备;和一种界面系统,用来接收和处理地形学数据,并为激光系统或类似系统提供方向来完成在诸如角膜叠层的基片上的预定的仿形切削,并且还可提供多种真实的和模拟的手术前后的视觉感受。
文档编号A61F9/007GK1268340SQ0010839
公开日2000年10月4日 申请日期2000年3月10日 优先权日1999年3月10日
发明者路易斯·安东尼奥·鲁伊兹 申请人:路易斯·安东尼奥·鲁伊兹