防止在激光屈光手术系统中引入像差的方法

专利名称：防止在激光屈光手术系统中引入像差的方法
技术领域：
一般地，本发明涉及眼科学领域，具体地，本发明涉及对用于改变角膜(并延伸至任何透镜)形状的方法的改进，其中所述方法是使用用于校正屈光不正和其它光学缺陷的激光消融(ablation)系统。
现有技术人眼的主要光学组件是角膜和晶状体，晶状体的功能是在视网膜上产生外界物体的图像。超过60％的人具有视觉屈光不正问题，屈光不正降低了视网膜上图像的质量。常规的屈光不正是近视、远视和散光，也称为低阶光学像差(low-order optical aberrations)。近视和远视是由于眼睛的长度没有被适当地调节到眼部光学系统的屈光力(power)，从而投影在视网膜上的图像焦点失调造成的。散光是由于眼部光学系统屈光力的经线变化(meridional variation)造成的并且其造成视网膜上图像的不对称的模糊(blurring)。除了常规的屈光不正之外(近视、远视和散光)，所有的眼睛都具有其它光学缺陷，称为高阶光学像差(high-order optical aberrations)。最重要的高阶光学像差之一是球面像差(屈光力随瞳孔直径的变化)，其导致图像的模糊和虹视(halo vision)。
一般地，屈光不正利用眼科透镜(opthalmic lenses)和接触透镜进行补偿。作为除这些校正方法以外的其它选择，在八十年代出现了切开式的校正手术方法，例如放射状角膜切开术。最近，它们已经被屈光性角膜切除术(PRK)和激光原位角膜磨镶术(LASIK)(它们改变角膜的形状从而改变角膜的屈光力并补偿屈光不正)代替。后面的这两种方法使用激基激光器用于成形角膜以通过消融除去组织。但是，在PRK手术中消融从角膜的表面层开始(首先是上皮然后是Bowman层)，在LASIK手术中这些层并没有被消融，因为微角膜刀制造了角膜组织的表面薄层，该表面薄层在消融之前除去并在消融之后复位，因而只有间质被消融掉。
在标准屈光方法中，消融图案是基于Munnerlyn函数(MunnerlynC，Koons S，Marshall J.Photorefractive keratectomya technique forlaser refractive surgery.J Cataract Refract Surg 1988；1446-52)，其值是在角膜每个点的消融深度。Munnerlyn函数是代表消融之前角膜表面和消融之后角膜表面的两个球形表面的差。两个球面屈光力的差就是希望校正的屈光力。Munnerlyn消融图案可用于校正近视(减少角膜的屈光力)和用于校正远视(增加角膜的屈光力)。这种消融图案也可以通过在Munnerlyn函数中引入径线屈光度相关性而用于校正散光。通常使用抛物线作为对Munnerlyn函数的近似(Jiménez J，AneraR，Jiménez del Barco L.Equation for Corneal asphericity after cornealrefractive surgery.J Refract Surg.200365-69；Lin J.Critical review onrefractive surgical lasers.Optical Engineering 1995；34668-675)。所述抛物线公式是通过截断Munnerlyn函数的泰勒展开得到的。除Munnerlyn和抛物线消融图案以外，也已提出其它消融图案，这些其它消融图案由双锥表面(Schwiegerling J，Snyder R.Customphotorefractive keratectomy ablations for the correction of sphericaland cylindrical refractive error and higher-order aberration.Journal ofthe Optical Society of America A 1998；152572-2579)或由单独的光学像差(personalised ablation patternsManns F，Ho A，Parel J，Culbertson W.Ablation profiles for wavefront-guided correction ofmyopia and primary spherical aberration.J Cataract Refract Surg2002；28766-774)定义。此外，已经提出并实施使用多焦点算法的消融(Odrich N，Greenberg K，Legerton J，Munnerlyn C，Schimmick J.Method and systems for laser treatment of presbyopia using offsetimaging.United States Patent#6663619；VISX Incorporated，2003)。采用双锥表面以及顶点曲率半径设计的消融图案以如下方式考虑角膜的非球面性这种方式不仅允许控制屈光力的变化而且允许控制消融后的角膜非球面性(并因而控制球面像差)。角膜非球面性定义为圆锥表面x2+y2+(1+Q)z2-2zR＝0的非球面性Q，其提供对角膜表面的最佳拟合，其中R是顶点的曲率半径并且(x，y，z)是笛卡尔坐标。手术前角膜的平均非球面性是稍微负性的(Q＝-0.26)，说明角膜中心比角膜边缘的曲率大。这种非球面性产生了稍微正性的角膜球面像差，其在年轻患者中用透镜的负性球面像差补偿。没有球面像差的角膜的非球面性将是-0.52(Atchison DA，Smith G.Optics of theHuman Eye.OxfordButterworth-Heinemann，2000)。所述个人化消融图案探索了通过飞点(flying spot)激基激光器系统非对称地消除组织的可行性。基于现有的对患者视觉像差地图的测量，这在理论上使得可以以术后像差近似为零在角膜上实施这种图案。通过飞点激基激光器系统这类算法已经被用于制造用于校正患者视觉像差的定制相位片或接触透镜(Chernyak D，Campbell C.Systems for the design，manufacture，and testing of custom lenses with known amounts of high-order aberrations.JOSA A 200320；2016-2021)。对此，必须考虑角膜和所使用塑料材料折射率的差异。当前正在开始使用这样的算法，其产生用于具有远视眼(丧失聚焦能力，其影响45岁以上的整个人群)患者中的多焦点消融图案。
临床实践表明PRK和LASIK手术一般都令人满意地消除了患者的常规屈光不正。然而，实验上已经证明用于近视的标准LASIK屈光手术显著增加了球面像差(在具有22D的患者组中平均因子接近4)(Moreno-Barriuso E，Merayo-Lloves J，Marcos S.，et al.Ocularaberrations before and after myopic corneal refractive surgeryLASIK-induced changes measured with Laser Ray Tracing.Invest.Oph.Vis.Sci.200142；1396-1403)。这种增加主要产生于角膜中(Macros S，Barbero B，Llorente L，Merayo-Lloyes J.Optical response to LASIK formyopia from total and corneal aberration measurements.Invest.Oph.Vis.Sci.200142；3349-3356)并产生视觉功能在对比敏感度方面的降低(Marcos S.Aberrations and Visual Performance following standardlaser vision correction.J.Refract.Surgery 200117596-601)，其以夜晕(nocturnal halos)和其它视觉假象的形式出现，有时对患者造成极大困扰。
角膜球面像差的增加与角膜非球面性的增加相关。一些分析和理论研究已经在寻找导致标准消融图案固有的球面像差增加的可能原因(Jiménez J，Anera R，Jiménez del Barco L.Equation for Cornealasphericity after corneal refractive surgery.J Refract Surg.200365-69；Gatinel D.Hoang-Xuan T，Azar D.Determination of corneal asphericityafter myopia surgery with the excimer lasera mathematical model.Invest.Ophthalmol.Vis.Sci.2001；421736-1742)。在真实的患者中，术后角膜局部记载(topography)，通过从术前角膜局部记载计算减去理论Munnerlyn消融图案得到，并没有显示出角膜非球面性的增加。同类的计算研究显示通过减去抛物线消融图案角膜非球面性增加，但是远小于实际数据角膜非球面性的增加。因此，在算法的理论定义中没有发现导致在实验上观察到患者角膜非球面性增加的原因。
多位作者已经提出角膜非球面性的增加可能是由于消融效率的变化导致的，而消融效率变化是因为角膜上激光入射角的变化引起的(Mrochen M，Seiler T.Influence of corneal curvature on calculation ofablations patterns used in photorefractive laser surgery.J Refract Surg.2001；17S584-S587；Jiménez J，Anera R，Jiménez del Barco L，Hita E.Effect On laser-ablation algorithms of reflection losses and nonnormalincidence on the anterior cornea.Appl.Phys.Lett.2002；81(8)1521-1523)。激光的入射角从角膜顶点到边缘不断增加，因此由于反射能(菲涅耳定律)和照射面积增加这两个事实，每单位角膜表面的能量降低。纯理论计算已经提供了通用因子K，其依赖于入射角，因此依赖于角膜位置。该因子表示消融效率并且其值在0-1，当效率达到最高时为1(期望数量的组织被消融)。例如，如果在角膜的某个点K因子是0.9，那么在那个点的消融效率就是90％，因此，只有90％期望的组织被消融。在术后角膜局部记载的计算模拟中加入该理论因子导致角膜非球面性的增加，但是其并没有解释临床值，临床值平均是更高的×1.47的因子(Cano D，Barbero B，Marcos S.Computerapplication Of laser ablation patterns On real corneas and comparisonwith surgical outcomes.Journal of the Optical Society of America A.(即将出版)2004)。
或者，已经提出LASIK屈光手术的角膜非球面性的增加是由于生物力学角膜因子造成的，专利申请US 2003/0208190 A1提到在屈光处理中引入生物力学角膜数据。
如下文描述的那样，本发明是基于在塑料材料人造角膜上进行的测量，其中所述人造角膜用屈光手术激光消融。这些消融的塑料角膜也显示在真角膜中描述的非球面性作用，因此可以推断所述生物力学或生物作用的大小比目前已经归因于它们的要小。
本发明涉及一种评价激光效率变化对塑料(plastic)球面表面(形状与角膜类似)影响的方法，从而可以将其用于任何用于处理角膜的激光消融图案中。与通用理论因子的情况不同，该方法可以允许标定任何激光，其特定特征涉及类型、形状、分布、均匀性和脉冲的叠加。该方法进一步可用于通过标准图案(基于Munnerlyn理论方程或近似方程)进行的屈光手术，所述屈光手术用于校正近视、远视和散光，以及用于更加精密的理论消融图案(patterns)，包括个性化消融图案(定制为患者的像差)或多焦点消融图案(用于处理远视眼)。该因子的使用将防止引入(induction)基本上所有的球面像差。同样，类似的方式(protocol)，其具有与在不同类型材料或角膜之间的消融速率的差异相关的比例因子(scale factors)差异，可以用于眼睛中的和仪器中的通过激光消融进行的接触透镜或通常用于校正或引入(induction)屈光不正和其它高阶光学像差的透镜的制造中。所提出的方法可以用于像差的计量中，例如用于制造像差计或表面局部记载测量仪(topographs)的像差标准物或刻度，或用于初始图案到第二图案的精确转移。
本发明提出制造由塑料制成的角膜模型(或通用透镜(genericlens))，通过标准PTK、LASIK或PRK轮廓法(profiles)对它们进行激光消融，通过从消融前的局部记载减去消融后的高度局部记载(elevation topography)得到消融轮廓(ablation profiles)(在表面抛光和校正对准误差之前)，得到所述塑料材料中消融速率与角膜组织中(或另一种不同材料中)消融速率的比例因子，和作为理论消融轮廓(或在平表面上测量)和在角膜模型(或通用透镜)中测量的消融轮廓的商(quotient)得到校正因子。最优消融图案将作为理论消融图案、几何形状的校正因子和消融速率的比例因子的乘积(product)得到。
发明概述本发明带来角膜屈光手术技术的改进，因为本发明方法的使用防止引入在使用LASIK或PRK屈光手术进行手术的患者中观察到的球面像差(并延伸至其它像差)。防止所述球面像差的增加与通过常规方法得到的结果相比将带来手术后光学质量的改进，并因而带来患者视觉质量的改进。相同的方法可以扩展用于采用激基激光器的透镜定制成形的消融图案的优化。
因而，本发明的目标是提供一种得到用于成形角膜(或其它透镜)的激光的效率变化(由于角膜(或透镜)几何形状导致)的校正因子的方法。在文献中提出的通用理论因子并不能解释在患者中得到的临床数据。而且，在以前的工作中，生物力学作用的影响被高估。所述校正因子对每一个激光单元都将是特异的，这样，本发明的方法将允许每个生产商得到与他的每一个系统对应的因子。该因子将会考虑单元之间的可能差异，例如激光功率、对准(alignments)、渐晕、形状或点的均匀性。如果需要，从激光的不同工作模式将能够得到不同的校正因子，或者可以对所述方法进行调整从而其可以周期性地由系统的使用者或操作者使用。以这种方式得到的校正因子将可以用于任何成形角膜(或通用透镜)的理论消融图案中。
本发明的另一个目标是塑料材料角膜的物理模型和表征激光消融前后表面的方法。
本发明进一步的目标是提供这样一种方法，该方法可靠地从消融前后的局部记载数据得到消融轮廓，消除与角膜局部记载测量中的表面定位误差、角膜周边的角膜局部记载系统误差或参考表面的拟合误差相关的假象(artifacts)。
本发明的另一个目标是将在塑料材料上得到的信息外推到角膜(或外推到另一种材料的透镜)。
本发明进一步的目标是基于从角膜物理模型得到的校正因子和比例因子，对优化激光处理角膜(或其它透镜)消融图案的方法进行定义。
发明详述本发明是作为对处理角膜(或广义地，任何其它透镜)的激光的标定方式和作为对消融算法的拟合提出的，由下述阶段组成1.制造具有角膜形状的塑料(例如PMMA)物理模型。所述模型必须由对通过激基激光器进行的消融有响应的材料构成，其中所述激基激光器的数量级与角质组织消融所用激光的类似，并且被抛光从而其具有反射表面。表面的形状将通过角膜局部记载测量仪(topograph)进行测量。
2.对于标准消融深度和处理区域通过PTK(光性处理性角膜切除术)消融阶段1中描述的表面。理论上，这种方法通过在每个角膜位置使用相同能量除去恒定厚度的组织，但是激光效率随角膜位置的变化将产生对组织的非均匀消融。得到的表面的形状将通过角膜局部记载测量仪测量。为了消除由消融方法造成的可能存在的不规则性，将对所述表面进行轻微抛光，但不会影响表面的总体形状。表面的形状将通过角膜局部记载测量仪测量。
3.作为阶段2的替代性方案，通过用于不同屈光不正(ametropia)例如近视的校正的常规LASIK或PRK消融阶段1中描述的表面。这种过程将对不同的处理区域实施。理论上，这种过程形成由理论消融图案(例如，Munnerlyn图案或抛物线Munnerlyn图案)限定的表面，然而激光效率随角膜位置的变化将产生相对于理论轮廓的偏差。得到的表面的形状将通过角膜局部记载测量仪测量。为了消除由消融方法造成的可能存在的不规则性，将对所述表面进行轻微抛光，但不会影响表面的总体形状。表面的形状将通过角膜局部记载测量仪测量。
4.作为消融后轮廓和消融前轮廓相减的差测量转移到角膜的真正消融轮廓。将会考虑不共心减法算法和消融前后局部记载的不对准，由于人造角膜不具有眼睛中存在的参比视线和天然瞳孔，所以这甚至比在真正的眼睛中更加重要。所述减法(subtraction)将会沿着实施激光消融的轴线进行，而不是沿着局部记载的z轴。两个局部记载之间的垂直定位(活塞(piston))将以与消融前局部记载对比的消融后局部记载的未消融区为基础进行调整。为此，将预先对使用的局部记载仪的角膜周边的误差进行测量。得到的消融轮廓将根据实施的处理是否为PTK或屈光(LASIK或PRK)而被称为PPTK或RREF。
5.得到在角膜中标称消融深度(由用于处理角膜的激基激光器制造商提供)和所述物理模型制造材料中的消融深度之间的转换比例因子。对于各种校正方法，所述比例因子，E，将是与在顶点测量的最大消融深度数据(对于物理模型)进行比较的角膜中标称消融深度数据回归的线性斜率。对每一个光学区域都将计算该比例因子E。这种标定可以外推到不同于角膜物理模型制造材料的其它材料，得到比例因子E’。相对于所提出的物理模型，对于以其它材料(不是角膜)形成透镜，消融深度数据的转换因子将是E/E’。
6.得到几何形状校正因子K，其表示在角膜的每个点的消融效率。该因子K由PSPHERE/PTHEORY计算，其中PSPHERE是在球面表面上测量的消融图案，PTHEORY是理论消融因子。在PTK的情况下，理论图案通常是恒定的。考虑到PSPHERE和PTHEORY都是角膜位置的函数，因此K也是角膜位置的函数。应理解的是，制造商知道理论消融位置。如果不知道那个图案，那么其可以通过如下方法得到激光消融(具有相同图案)与角膜物理模型相同材料的平坦表面，通过接触轮廓仪(profilometry)测量轮廓。
7.通过使用本文描述的比例因子和校正因子优化任何理论消融图案PTHEORY(例如Munnerlyn，双锥的，或为患者术前像差定制的)PFINAL＝PTHEORY×K×E。对于以不同于角膜的其它材料形成透镜，用E/E’代替E。所述图案PFINAL将不产生与不考虑校正因子使用理论图案PTHROEY相关的球面像差增加问题。
附图详述

图1.在PMMA制得的模型进行-6和-12屈光度标称消融后的3-D消融轮廓；x表示角膜中的水平位置，y表示角膜中的垂直位置和z表示角膜中的消融深度。
图2.与角膜种消融深度标称值相对比的在PMMA(X)中测量的消融深度。数据的线性拟合(系数r＝0.995)提供模型和角膜之间的比例因子2.49。
图3作为以屈光度表示的近视校正的函数的术后角膜非球面性Q，真实患者(菱形)、PMMA制成的物理模型(圆形)和结合使用校正因子与激光器中编程的标准消融轮廓之后的模拟(实线)。
图4.具有术前-5屈光度近视的患者的高阶像差图案A)在LASIK手术之前。B)使用不包含校正因子K的个性化术前像差校正消融图案在LASIK手术之后的模拟。C)如B中那样进行模拟，但是使用根据所述方法得到的校正因子。
本发明实施方案的实施例作为本发明实施方案的实际例子(其不应被理解为是限制性的)，下面描述的是一种可能的实施方法，用于1)半径为8mm的角膜的物理PMMA模型，由挤出PMMA制成并使用车床和精密光学工具抛光。
2)用于校正近视的激光消融作用，使用来自Bausch & Lomb的飞点激光器Technolas 217 Z。
3)来自Humphrey-Zeiss(Atlas型号)的计算机化角膜局部记载仪。
4)通过Matlab数学程序使用计算机分析数据。
在这种情况中，消融由PMMA制成的三个角膜模型，标称校正为-3、-6和-12屈光度，光学区域6mm。
在消融前后测量表面的局部记载并作为处理前后表面的高度差计算消融轮廓。图1显示使用阶段4中描述的方法之后，分别从校正-6和-12屈光度得到的消融轮廓。
在使用5中描述的方法之后可得到角膜中消融深度和PMMA中消融深度之间的比例因子。图2显示在角膜模型中测量的消融深度和角膜中的消融深度之间的回归线。得到比例因子E＝2.5。
图1中所示消融轮廓的倒数乘以同一校正中激光器中编程的标称轮廓得到校正因子K。所述标称图案(nominal patterns)不是公知常识。激光器中编程的图案通过对于相同校正和光学区域消融PMMA的平坦表面得到。与精确的Munnerlyn图案相比，该轮廓更接Munnerlyn算法的抛物线近似。对不同的校正重复这个方法，得到相似的K因子。
使用激光器中的算法程序得到的角膜非球面性与使用相同的算法、用K校正因子进行优化得到的角膜非球面性进行对比，其中所述K校正因子是通过形成本发明的目标的角膜物理模型得到的。图3作为被校正的屈光不正的函数，示出了真实患者的术后角膜非球面性，使用激光消融后PMMA物理模型的非球面性(使用比例因子E之后)，在消融方法中引入校正因子(形成本发明的目标)后角膜非球面性的模拟。
最后，模拟如下结果使用设计用来校正患者真实眼睛像差的理论消融轮廓(在图4A中，其中为了观察高阶像差，已经将散焦项除去)，不使用形成本发明目标的校正因子，和根据阶段7中描述的方法，使用在该实施例中得到的校正因子。当不考虑所述因子时，术后像差图案显示球面像差的增加，其掩盖了术前像差的任何校正(图4B)，而引入校正因子显示出降低的像差图案(图4C)。
权利要求
1.一种用于确定理论消融轮廓的几何形状校正因子K和得到优化消融轮廓的方法，其使用激光用于处理角膜的低阶和高阶屈光不正或用于制造另一种材料的透镜，其防止角膜或透镜的球面像差的引入，特征在于i.制造在其上实施激光消融的人造角膜(或通用透镜)模型ii.消融前后，以局部记载方式测量并具体分析表面的数据iii.得到所述因子，对于角膜或要制造的透镜中的每一个坐标所述消融轮廓必须乘以该因子以得到最佳处理，校正由于待处理的角膜或透镜的几何形状导致的相对于所述理论轮廓的偏差。
2.根据权利要求1的人造角膜模型的制造方法，部分i中，其特征在于制造半径与角膜的半径类似的塑料材料球面表面或者具有可比半径的其它透镜，以及特征在于根据称为PTK-光性处理性角膜切除术-的方法消融所述表面，所述消融用于对不同的消融深度除去恒定厚度的组织。
3.根据权利要求1的人造角膜模型的制造方法，部分i中，其特征在于制造半径与角膜的半径类似的塑料材料球面表面或者具有可比半径的其它透镜，以及特征还在于根据常规LASIK或PRK方法，对于不同的屈光不正校正和不同的光学区域，消融所述表面。
4.根据权利要求1的在球面表面上得到消融轮廓的方法，部分ii中，对于权利要求2和/或3中表征的表面，其特征在于i.在消融前通过角膜局部记载仪系统在每个点对表面高度进行测量，ii.在消融后在实施轻微抛光后通过角膜局部记载仪系统测量表面的高度，所述轻微抛光不改变表面的形状但是除去了由于消融导致的任何可能存在的不规则性，iii.沿着实施消融的精确轴(exact axis)，并且预先校正在局部记载测量和激光消融之间的对准和定中心(centring)误差并考虑局部记载测量仪在角膜周边的误差，通过计算机从消融前的表面减去经过消融的表面的高度。
5.根据权利要求1的用于得到在所述塑料材料上产生的消融深度与在角膜组织中或其它材料中预期的消融深度进行比较的比例因子的方法，部分iii中，对于权利要求2和/或3中表征的表面，其特征在于在顶点测量权利要求2和/或3表征的消融后表面和消融前表面的表面差的消融深度。
6.根据权利要求1的用于角膜处理得到优化轮廓或通过激光消融在通用透镜上形成图案的方法，其特征在于任何两维理论消融轮廓与权利要求4中表征的权利要求2表面的消融后表面和消融前表面的表面差的倒数的乘积，以及特征还在于权利要求5中表征的比例因子。
7.根据权利要求1的用于角膜的激光处理得到最优轮廓(或通过在通用透镜上激光消融图案成形)的方法，其特征在于任何两维理论消融轮廓与权利要求4中表征的权利要求3的表面的消融后表面和消融前表面的表面差的倒数的乘积，特征在于用来处理3中表征的表面的理论消融因子，以及特征在于权利要求5中表征的比例因子。
全文摘要
本发明涉及防止在激光屈光手术系统中引入像差的方法。标准激光屈光手术系统成功地校正低阶屈光不正(近视、远视和散光)，但是却引起球面像差，并且延伸来说引起其它高阶像差，这导致视觉质量的恶化。所述球面像差的增加是由于角膜的形状导致的并不是理论消融轮廓固有的，因此原则上来说，这个问题对所有的激光系统都是普遍的。本发明涉及一种可用于任何系统和消融轮廓以得到轮廓校正因子的系统方法。所述校正因子，其对于每个系统都是特异的，可以用于防止引起球面像差，并和用标准系统进行的手术相比以这种方式改进手术后患者的光学和视觉质量。此外，本发明的方法可以用于使用激光系统的具有可控高阶像差的透镜的制造。
文档编号A61B18/20GK101065053SQ200580027192
公开日2007年10月31日 申请日期2005年6月9日 优先权日2004年6月11日
发明者S·马科斯塞勒斯蒂诺, C·多朗索罗迪阿茨, D·卡诺雷奥尔 申请人:康斯乔最高科学研究公司