JP2014111152A - 術後の眼の光学的性能を改善するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初期の外科的介入における制御を向上させると同時に、この外科的介入による、意図されない副次的効果を低減するための技術およびシステムを開示する。
【解決手段】レーザ眼科手術を実行する技術およびシステムを開示する。一側面においては、眼の光学的機能を改善するための方法は、眼の光学的特徴を判定することによって手術のために眼を準備するステップを有する。レーザマーキングパルスが適用され、判定された光学的特徴に関連して、眼の領域内にレーザマークが作成される。さらに、作成されたレーザマークに関連して選択された手術領域において手術処置を実行する。
【選択図】図７

Description

関連出願への相互参照
本出願は、Ｒｏｎａｌｄ Ｍ．Ｋｕｒｔｚによる米国仮出願番号第６０／９８５，１９２号、発明の名称、「Methods and Apparatus for Improved Port-Operative Ocular Optical Performance」の優先権を主張し、この文献は、引用によって、その全体が本願に援用される。

背景
本発明は、レーザ眼科手術に関する。

多くの異なるタイプの眼科手術によって、屈折異常を補正して、近視、遠視またはこれらの両方を改善することができる。このような手術の手術標的は、特に、角膜、水晶体または他の特定の眼組織である場合があるが、このような介入によって、眼の光学的な結像機能に更なる悪影響が生じることが多い。

初期の外科的介入における制御を向上させると同時に、この外科的介入による、意図されない副次的効果を低減するための技術およびシステムを開示する。

一側面では、眼の光学的機能を改善するための方法は、眼の光学的特徴を判定することによって、手術のために眼を準備するステップを有する。レーザマーキングパルスを適用して、判定された光学的特徴に対応して、眼の領域内にレーザマークを作成する。また、作成されたレーザマークに対応して選択された手術領域において手術処置を実行する。

実施例は、以下の特徴の１つ以上を任意に含むことができる。眼の光学的特徴は、光軸、視軸、照準線、瞳孔軸および中間軸（compromise axis）から選択できる。眼を準備するステップは、眼の選択された軸に沿って眼を整列させるステップを含むことができる。光学的特徴は、眼の向きを含んでいてもよい。眼を準備するステップは、インクベースのマーカ、角膜の機械的な窪み（mechanical indentation）、取付可能なマーカおよびレーザパルスのうちの少なくとも１つを用いて、眼の外部の領域に、判定された眼の光学的特徴を参照する準備マークを作成するステップを含んでいてもよい。レーザマーキングパルスを適用するステップは、判定された光学的特徴に対応して、眼の角膜または水晶体の標的にレーザパルスを適用するステップを含んでいてもよい。レーザパルスを適用するステップは、点状または円状の標的にレーザパルスを適用して、選択された軸を示すステップと、眼の中心から移動された領域にレーザパルスを適用して、眼の向きをマーキングするステップとのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。レーザマーキングパルスを適用するステップは、患者が第１の患者姿勢にあるとき、レーザパルスを適用するステップを含んでいてもよい。手術処置を実行するステップは、患者が第２の患者姿勢にあるとき、手術処置を実行するステップを含んでいてもよい。第１の患者姿勢は、患者の眼が実質的に中立または通常の位置になる直立姿勢（upright position）を含んでいてもよい。第２の患者姿勢は、眼が中立または通常の位置から逸れる背臥位を含んでいてもよい。レーザパルスを適用するステップは、レーザパルスを適用して、角膜、水晶体、水晶体嚢胞、および角膜輪部の少なくとも１つに切込みおよび穿孔の１つを形成するステップを含んでいてもよい。レーザパルスを適用するステップは、決定された光学的特徴に対応して整列されている、眼の２つの別個の標的にレーザパルスを適用するステップを含んでいてもよい。レーザパルスを適用するステップは、角膜の標的および水晶体の標的を含む２つの別個の標的にレーザパルスを適用するステップを含んでいてもよく、ここで、角膜の標的および水晶体の標的は、眼の選択された軸および眼の選択された向きの１つに対応して整列されている。手術処置を実行するステップは、手術用レーザを用いて、水晶体嚢胞に切込みを作成するステップと、水晶体嚢胞から元の水晶体の一部を除去するステップと、水晶体嚢胞に眼内レンズを挿入するステップと、眼の軸、眼の中心および眼の向きの少なくとも１つをマーキングするために作成されたレーザマークに基づいて、水晶体嚢胞内で眼内レンズを整列させるステップとを含んでいてもよい。手術処置を実行するステップは、眼内に角膜内レンズを配置するステップと、眼の軸、眼の中心および眼の向きの少なくとも１つをマーキングするために作成されたレーザマークに基づいて、眼内で角膜内レンズを整列させるステップとを含んでいてもよい。手術処置を実行するステップは、眼内レンズまたは角膜内レンズの補足的なマークをレーザマークと整列させることによって、眼内レンズまたは角膜内レンズを整列させるステップを含んでいてもよい。

他の側面では、眼の光学的機能を改善するための方法は、眼の選択された軸に沿って眼を整列させるステップを有する。また、同方法は、眼の選択された軸に対して、眼の少なくとも１つの部分の画像上に形成されたマークを参照として使用すること、および眼の選択された軸に対して、眼の少なくとも１つの部分の画像を参照として選択することの少なくとも１つを実行するステップとを有する。レーザパルスのビームを制御して、眼の選択された軸に対して、眼の上の標的にレーザパルスを方向付け、術後の眼の光学的整列を調整する。

更に他の側面では、眼科手術のためのレーザシステムは、レーザパルスのビームを生成するパルスレーザを備える。システムは、眼の選択された軸に沿って眼を整列させるメカニズムを備える。また、システムは、眼の上または中に作成された参照マークの位置および眼の選択された軸に対して選択された眼の少なくとも１つの部分の参照画像の少なくとも１つを監視するイメージングモジュールを備える。システムは、イメージングモジュールと通信して、眼の選択された軸に対して、眼の中の少なくとも１つの標的にレーザパルスを方向付ける制御モジュールを備える。

実施例は、以下の特徴の１つ以上を任意に含むことができる。眼を整列させるメカニズムは、選択された軸に対して、眼の位置を固定するように構成されていてもよい。イメージングモジュールは、参照マークの位置および解剖学的な参照位置を監視するように設計してもよい。参照マークは、眼が圧平されていない状態のときに配置してもよい。解剖学的な参照情報は、眼が圧平された状態のときに判定してもよい。

更に他の側面では、眼における複数の光学的に影響がある施術を整列させる方法は、光学的に影響がある施術の少なくとも１つを整列させる軸を選択するステップを有する。眼の外側の領域に、選択された軸の位置を表す物理的なマークを作成してもよい。物理的なマークを特定し、特定された物理的なマークを眼の画像上に表示する。また、眼の画像上の特定された物理的なマークの位置を用いて、眼のマークまたは選択された軸に対して、レーザパルスを眼の少なくとも１つの標的に方向付ける。

実施例は、以下の特徴の１つ以上を任意に含むことができる。レーザパルスによって作成されたレーザマークを用いて、後続の整列を誘導してもよい。角膜の切込みと切除を整列させてもよい。レーザマークを用いて、眼内または角膜内の移植の整列または配置を誘導してもよい。眼の上または中にレーザパルスを適用することによってマークを作成してもよい。マークは、特定することができる。また、眼に移植する光学的要素の選択および確認の少なくとも１つを実行してもよい。特定されたマークに関する情報を用いて、眼に移植される眼内レンズの位置の予測を補助してもよい。

更に他の実施例においては、眼科手術のためのレーザシステムは、レーザパルスのビームを生成するパルスレーザを備えていてもよい。システムは、レーザパルスによって、眼の少なくとも１つの標的に作成された参照マークの位置を監視するイメージングモジュールを備える。

実施例は、以下の特徴の１つ以上を任意に含むことができる。システムは、参照マークの位置に少なくとも部分的に基づいて、推奨される眼内レンズのパワーを算出するコンピュータシステムを備えていてもよい。パルスレーザ、イメージングモジュールおよびコンピュータシステムの少なくとも１つは、参照マークとともに、眼内レンズまたは角膜内レンズの上のマークを用いて、眼内レンズまたは角膜内レンズの位置、光学的パワーまたはサイズの選択の１つを改善するように設計してもよい。

眼の主な光学的要素を示す図である。 例示的な手術方法を示す図である。 例示的な手術方法を示す図である。 眼を準備するための例示的な処理を示す図である。 視軸を判定し、準備マークおよびレーザマークを付す例示的な処理を示す図である。 手術の処理の一部としての眼内レンズの挿入を示す図である。 手術の準備を説明する眼の例示的な正面図である。 手術の準備を説明する眼の例示的な正面図である。 レーザ制御のために標的のイメージングを行うイメージングモジュールを含む画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 レーザ手術システムおよびイメージングシステムの統合の度合いが異なる画像誘導レーザ手術システムの具体例を示す図である。 画像誘導レーザ手術システムを用いてレーザ手術を実行する処理の具体例を示す図である。 光干渉断層法（ＯＣＴ）イメージングモジュールからの例示的な眼の画像を示す図である。 Ａ〜Ｄは、画像誘導レーザ手術システムを較正するための較正サンプルの２つの具体例を示す図である。 システムを較正するために、画像誘導レーザ手術システム内のインタフェースに較正サンプル材料を取り付ける具体例を示す図である。 手術用レーザビームによってガラス表面に作成された参照マークの具体例を示す図である。 画像誘導レーザ手術システムの較正処理および較正後の手術の具体例を示す図である。 レーザ誘起光破壊副産物および標的組織の画像を捕捉し、レーザ整列を誘導する例示的な画像誘導レーザ手術システムの動作モードを示す図である。 レーザ誘起光破壊副産物および標的組織の画像を捕捉し、レーザ整列を誘導する例示的な画像誘導レーザ手術システムの動作モードを示す図である。 画像誘導レーザ手術システムにおけるレーザ整列動作の具体例を示す図である。 画像誘導レーザ手術システムにおけるレーザ整列動作の具体例を示す図である。 光破壊副産物の画像を用いるレーザ整列に基づく例示的なレーザ手術システムを示す図である。

図１は、眼１を示している。入射光は、角膜１１０、前眼房、瞳孔１２０を含み、虹彩１３０、水晶体１００、後眼房および硝子体によって定義される光路を介して伝播される。これらの光学的要素は、光を網膜１４０上に誘導する。

図２Ａは、眼の手術処置を実行するための例示的な処理２００を示している。ステップ２２０では、レーザ補助手術（laser assisted surgery）のために眼を準備する。ステップ２４０では、レーザパルスを用いて、眼の領域内にレーザマークを作成し、ステップ２６０では、手術処置を実行して、レーザマークに関連して選択された手術の領域内の眼の光学的特性を改善する。

図２Ｂは、眼の手術処置を実行するための他の例示的な処理２０１を示している。ステップ２２２では、眼の光学的特徴を判定することによって、レーザ補助手術のために眼を準備する。ステップ２４２では、判定された光学的特徴に対応して、レーザパルスを用いて、眼の領域内にレーザマークを作成する。ステップ２６２では、手術処置を実行して、レーザマークに対応して選択した手術領域内の眼の光学的特性を改善する。

図３は、準備のステップ２２０が、眼の光学的特徴を判定するステップ２０２を伴っていてもよいことを示している。光学的特徴は、眼の如何なる特定の特徴構造、点または識別情報であってもよい。

このような特徴の具体例は、眼の軸である。他の具体例は、以下に概説するように、患者が直立姿勢にある場合の瞳孔の最高点である。

眼の軸は、幾つかの異なる手法で表現でき、ステップ２０２では、それらの眼の軸の如何なる表現を利用してもよい。例えば、「Grand Y.L. Physiological Optics (Springer-Verlag, New York, 1980)」によれば、眼の軸は、以下のように分類できる。

光軸：角膜および水晶体の光学的中心を通過する線
視軸：固視点（point of fixation）から中心窩（Fovea）と呼ばれる網膜の中心上の画像を通過する線
照準線：対象点（object point）から瞳孔の入射孔の中心を通過する線
瞳孔軸：角膜の中心および瞳孔の入射孔の中心を垂直に通る線
これらの軸は、理論上の軸、幾何学的な軸、機能的な軸、解剖学的な軸またはこれらの何らかの組合せとして表現することができる。

これらの眼の軸は、通常、互いに近くまたは互いに整列されているが、必ずしも一致するわけではない。例えば、眼の２つの主要な屈折素子である角膜の光学的中心および水晶体の中心は、通常、眼の幾何学的な中心に対しては、自然に整列されていない。水晶体の中心は、多くの場合、角膜の中心より、若干、鼻に近い（nasal）。更に、一般に、瞳孔の中心は、角膜、水晶体および中心窩の何れか２つの中心を接続する何れの軸にも整列されていない。これらの光学的要素の中心は、５００ミクロン以上、整列がずれていることもある。ステップ２０２−１では、これらの軸の何れを特定してもよい。これに代えて、手術医は、選択された２つ以上の軸の間にある中間軸（compromise axis）を特定することもできる。

幾つかの実施の形態では、手術が実行される眼に、様々な手術用の器具（後に詳細に説明する）が取り付けられる。そして、患者は、他方の眼によって、標的を凝視するように指示される。そして、固視点の知識を用いて、手術を行う眼の視軸を特定する。ただし、この眼は、必ずしも固視点を見ていなくてもよい。これに代えて、このような整列の間に、手術する眼の固定を行い、および眼の向きを直接的に特定してもよい。

また、準備ステップ２２０は、判定された眼の特徴を表す準備マーク（preparatory mark）を作成するステップ２０４を含むことができる。具体例として、インクマーカを用いて、ステップ２０２−１において選択された眼の軸が眼の表面と交差する眼の表面上の点に準備マークを作成することが挙げられる。

他の具体例は、角膜上皮マーカ（corneal epithelial marker）を用いること、（インクを用いないで）眼の表面上の窪み（indentation）を用いること、または何らかの種類の物理的マーカ、例えば、粘着テープの小片を取り付けることを含む。また、これらのマーカを任意に組合せて用いてもよい。

幾つかの既存のデバイスは、照準器（targeter）を含む。手術医は、眼の適切に選択された点、例えば、眼の中心に照準器を指示し、または眼の円形の特徴構造、例えば、瞳孔に照準器の円を揃える。そして、照準器と一体に形成されている塗布器（applicator）によって、照準中心または円形の特徴構造によって定義されている中心にインクを塗布する。

準備ステップ２２０の他の実施の形態はステップ２０２−２を含み、ステップ２０２−２では、眼の光学的特徴が第１の患者姿勢における眼の向きを表す。

例えば、殆どの眼科手術は、患者が背臥位になり、眼を上向きにして行われるが、患者が第１の患者姿勢、例えば、座位（sitting up）にあるときに行われる準備ステップを伴うことも多い。この座位で、上述した準備のステップ２０２〜２０４を実行して、この姿勢における眼の特徴構造の位置を記録することができる。そして、患者が第２の患者姿勢、例えば、背臥位で眼を上向きにした状態で、ステップ２６０等の手術のステップが実行される。

患者が、直立姿勢である第１の姿勢から、横向きの第２の姿勢に移動すると、患者の眼は、回転することが多い。幾つかのケースでは、眼は、１０〜６０°回転することがある。これは、いわゆる「眼球回転（cyclo-rotation）」または「眼球回旋（cyclo-torsion）」である。手術のステップが準備ステップからの当該回転について補正を行わなければ、最適ではない位置に手術処置が行われ、手術の効力が臨床的に低下するおそれがある。

幾つかの実施の形態では、準備ステップ２０２−２は、上述したマーキング法の何れかを用いて、眼球の向きを示す準備マークを作成するステップを含む。時計の文字盤を用いて説明すると、準備マークは、例えば、第１の患者姿勢において、３時の位置に作成することができる。そして、手術の準備のために、患者を、例えば、横向き等の第２の患者姿勢にしたとき、手術医は、準備マークを調べ、３時の位置からの準備マークの偏りから、眼球の回転の程度を推定することができる。そして、手術医は、この回転の知識に基づいて、必要な調整を行うことができる。これらの調整は、乱視と、瞳孔周囲で対称ではない非対称な高次収差との両方における屈折異常の調整を含むことができる。

単純な具体例では、角膜について屈折矯正手術を行う場合、患者は、適切な標的を凝視するように指示される。瞳孔の中心の画像の位置にインクでマークを付し、または角膜上の窪みによって、照準線を推定することができる。直立姿勢で行う場合、後の手術ステップにおいて患者が背臥位になったときの参照として機能するように、角膜周辺部（peripheral cornea）または角膜輪部（limbus）にもマークを作成し、眼の回旋状態をまたは向きを位置合わせしてもよい。これに代えて、瞳孔の中心の画像の位置を、インクまたは角膜の光反射によって示される角膜の中心に重なる角膜上の窪み（プルキニェ（Purkingee）画像）によってマーキングし、これによって、瞳孔軸を近似させてもよい。

上述した方法は、角膜輪部切開術（limbal relaxing incisions）、乱視矯正角膜切開術（astigmatic keratotomy）および放射状角膜切開手術（radial keratotomy）を含む多くの手術において用いることができるが、角膜の光学的作用、および数ミリメートル離れている水晶体／瞳孔隔膜の位置のために、表面マーキングは、潜在的に誤差が生じる可能性がある。例えば、ＰＲＫおよびレーシック（LASIK）等の角膜のレーザ屈折矯正施術のように数秒以上かかる施術の間、瞳孔は、角膜のマークおよび認識された瞳孔の画像に対して大きく回転することがあり、あらゆる外科的介入に大きな傾斜誤差が生じる可能性がある。これを克服するために、瞳孔の動きを監視する瞳孔トラッカ（pupil tracker）を用いることができる。最も正確な瞳孔トラッカは、高度な画像処理を利用して、特定の虹彩特徴の位置を監視できる。この具体例は、米国特許第７，０４４，６０２号に開示されている虹彩位置合わせ方法（iris registration method）である。

眼の手術中における光学的要素の最適な整列には、他の一組の課題がある。このような施術では、施術の実際の標的、例えば、眼の水晶体には、眼に侵入しなければ、物理的にマークを付すことができない。水晶体と表面との間の光伝搬は、角膜等の光学的要素の影響を強く受けるので、手術医が表面マークに頼る場合、これらは、紛らわしいことがある。更に、例えば、眼のソフトウェアモデルに基づいて、これらの影響に対して何らかのレベルの補償を行っても、眼自体の形状、位置および／または固視点が変化することがあるという事実までも反映させることは、かなり難易度が高い。最後に、瞳孔は、このような眼内の施術の間に広がることがあり、このため、位置合わせの目印に基づく望ましい補償の実現は、更に困難になっている。

最近まで、眼内の手術は、心合わせおよび整列について、それ程高い精度を要求しなかったため、上述した制約は、主に理論上のものであった。例えば、最近まで、老化した元の水晶体を除去し、これを光透過率がより高い人工水晶体（眼内レンズ（intraocular lens：ＩＯＬ））に置換する白内障または水晶体除去手術が主に行われてきた。最近まで、これらの眼内レンズは、単焦点（monofocal）であり、要求される精度は、既存の表面マーキング法で達成できる精度で十分であった。

しかしながら、世界中で最も多く行われている眼科手術の１つとして発達した白内障手術およびその目的は、拡張されている。現在では、白内障手術は、眼の屈折機能の改善のためにも用いられている。実際、現在では、白内障が殆どまたは全くない場合であっても、屈折または光学的補正を主な目的とする水晶体除去および置換が一般的に行われている。

現在の水晶体手術の目的は、個人の遠視および近視の両方に対する眼鏡および他の光学的な補助の必要性を低減することである。特定の水晶体交換施術は、眼に２つの作動距離（working distance）を提供する多焦点ＩＯＬ（multifocal IOL）の導入を含む。具体例としては、Ａｌｃｏｎ社が開発したＲｅＳＴＯＲＥ、ＡＭＯ Ｉｎｃ．社が開発したＲｅＺｏｏｍ等の製品がある。他のクラスのＩＯＬは、眼内の形状を移動または変更することができる。このような調整可能なＩＯＬの具体例には、Ｅｙｅｏｎｉｃｓ社によって開発されたＣｒｙｓｔａｌｅｎｓが含まれる。ＡｃｕＦｏｃｕｓ社によって開発されたＡＣＩ−７０００によって証明されているように、被写界深度を深める開口を有するＩＯＬも開発されている。さらに、乱視を補正するＩＯＬに加えて、例えば、Ｃａｌｈｏｕｎ Ｖｉｓｉｏｎ社によって開発されている光調整可能レンズ（Light Adjustable Lens）等、高次収差を補正できるＩＯＬも開発されている。さらに、網膜に疾患がある眼のための倍率を提供する、特化されたロービジョン用眼内レンズも提案されている。

単焦点ＩＯＬを用いる標準的な白内障手術に比べて、現在の水晶体手術は、複数の視力矯正を目的とする複雑な施術になっている。標準的な単焦点ＩＯＬに比べて、これらのより新しいデバイスの光学素子は、心合わせおよび傾斜における誤差により敏感である。これらのデバイスを適切に心合わせする既存の方法では、煩雑なテンプレートを使用し、これを眼に物理的に挿入する必要があり、好まれていなかった。

以上で説明した最新の白内障手術の側面は、旧来の眼科手術に比べて、これらの手術では、質的により高い精度が必要であることを示している。幾つかのケースでは、ＩＯＬを配置する際に５００ミクロン未満の心合わせ精度が要求されることがある。誤差がこの値を超えると、大きな収差が生じることがあり、例えば、ＩＯＬの多焦点の特徴等の質的な有効性が低下する。

角膜の周辺の一部、および水晶体に沿ってカットまたは切込みを作成することによってＩＯＬを水晶体内に配置する手術では、さらに他の困難な課題がある。これらの切込みは、角膜に意図されない変形を引き起こすことがある。一具体例として、向きを特定するために上述した時計の文字盤を用いて説明すると、ＩＯＬを挿入するための切込みが１２時の領域に作成された場合、角膜は、１２時−６時の方向（経線）に潰れ、３時−９時の方向に膨らむことがある。この意図されない副次的効果を用いて、特定の経線に切込みを配設することによって、既に存在している乱視の障害を補正することができる。これに代えて、周辺部の異なる経線位置に、異なる弧長の更なる切込みを作成することによって、術前の乱視を補償することもできる。これらのカットは、「角膜輪部減張切開術（limbal relaxing incision）」または「乱視矯正角膜切開術（astigmatic keratotomy）」と呼ばれることもある。

これは、単一の手術処置内で眼の２つ以上の光学的側面が改善される統合された眼の手術処置の単なる一具体例であった。このような組み合わされた施術は、治療効果を高める可能性を提供するが、これらは、予期されない組み合わされた光学的作用のために、望ましくない副次的効果が生じる可能性も有している。例えば、乱視矯正角膜切開術の実行と組み合わせて、多焦点眼内レンズを配置することにより、老眼と、球状および乱視性の屈折異常とを同時に治療することによって、患者の遠見視力および近見視力を向上させることができる。しかしながら、多焦点レンズの光学的中心が角膜の補正に関して良好に整列されなかった場合、または何れかの補正が眼の主軸の１つに関して良好に整列されなかった場合、光学的な収差が生じることがある。

同様に、遠視の屈折矯正を目的とするレーシック施術では、近見視力を向上させるために角膜内レンズ（corneal inlay）を挿入することがある。このようなレーシック施術によって、眼の光学的性能を向上させることができる。しかしながら、レーシック施術の中心が角膜内レンズに良好に整列されなかった場合、または何れかの処置が眼の軸の１つに対して良好に整列されなかった場合、光学的な収差が生じ、視覚に異常が生じる。

以上、２つの具体例について説明したが、角膜または水晶体内に完全に含まれる組み合わされた施術を含む他の多くの可能な施術の組合せが、相乗的または相殺的に干渉すると考えられる。また、このような組合せは、角膜内レンズ、例えば、Ａｄｄｉｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社が開発した製品であるＩｎｔａｃｓ、または老眼用の象眼、例えば、ＲｅＶｉｓｉｏｎ Ｏｐｔｉｃｓ社が開発した象眼、およびＡｃｕＦｏｃｕｓ社によって開発されたＡＣＩ−７０００、並びに生来的な水晶体または人工水晶体の前または後に配置される人工瞳孔を含むことができる。個々の施術のそれぞれを個別に実行する場合は、個々の施術を整列させることができるが、複数回要求される整列は、時間がかかり、組み合わされた場合に最適な性能を生じるとは限らない。

上の説明は、屈折矯正および白内障手術におけるより高度に発展した技術に焦点をあてている。ただし、白内障および水晶体除去のための最も一般的な技術についても、超音波を用いる超音波乳化吸引術（phaco-emulsification）において、より高い精度の整列が有利である場合がある。超音波乳化吸引術では、比較的小さい角膜の切込みが作成される。この切込みを介して、ゲル状の物質が眼内に注入され、眼圧および前眼房の形状が維持される。切嚢術と呼ばれる施術では、様々な機械的技術またはその均等物を用いて、前嚢に開口が形成される。次に、この開口を介して、超音波プローブを眼に挿入する。この超音波プローブは、元の水晶体を断片化するために使用され、この水晶体は、後に、角膜の切込みを介する吸引によって除去される。そして、同じ角膜の切込みを介して、眼内レンズが挿入される。

この技術は、角膜内の比較的小さい切込みを用いるので、手術によって誘発される乱視は、限定的である。ただし、段階的な手順、すなわち、施術における複数の個別の手術処置のために、超音波乳化吸引術には、基本的な制約がある。角膜の切込み、切嚢術、水晶体断片化および除去、並びに眼内レンズの導入を含むこれらの処置は、眼の軸および解剖学的構造に関して、これらの処置が適切に整列されている場合に最適な結果が得られる。

上述の処置の何れにおいても、連続する手術のステップの整列の精度が高まれば、負の効果が低減されるとともに、眼の光学的機能の所望の改善が得られる可能性が高くなる。

眼の屈折矯正の施術のための改善された整列法は、準備マーキングと手術処置との間、または個々の手術ステップの間に生じることがある眼球回旋（cyclo-torsion）および他の眼球運動を追跡すること、視差および他の光学的作用を追跡および補正すること、並びに複数の個々の介入を好適かつ効率的に調整し、術後の総合的な光学的性能を最適化することを含む。

方法２００、２０１の実施の形態は、準備マーキングステップ２０４とともにレーザマーキングステップ２４０を実行することによって、このような技術を提供する。整列、マーキングおよび手術のステップをより緊密にリンクさせることによって、眼の上のどこで屈折矯正の処置を実行するかに関わらず、２つのマーキングステップを実行してその後の手術処置２６０の正確度および精度を向上させることができる。

レーザパルスは、適切な強度、繰返し率および１パルスあたりのエネルギーで適用されると、眼の組織内に小さい気泡を生成できる。これらの気泡は、組織内にレーザマークを形成するために使用することができる。通常、眼の表面に付されるステップ２０４の準備マーキングとは異なり、レーザによって生成される気泡は、標的領域における組織内に直接生成することができる。したがって、これらの気泡は、光学的歪みまたは手術処置が開始されたときの後の眼球の形状変化によって妨害されない精度で標的領域をマーキングできる。したがって、このような直接的または深層的なレーザマーキングは、表面における準備マーキングより量的に優れていることがある。上述したように、このレーザマーキングステップ２４０による精度の改善は、幾つかの最近の眼科手術方法にとって、著しく有利である。

眼科手術方法２００、２０１の一具体例では、手術システムは、ステップ２０２−１における眼の視軸等、眼の少なくとも１つの軸を特定するメカニズムを含むことができる。また、システムは、向きマーキングステップ２０２−２において、例えば、角膜輪部、角膜、水晶体嚢胞および水晶体等の解剖学的な目印に対して、特定された軸の位置を関連付けるメカニズムを含むことができる。さらに、システムは、ステップ２０４において、眼の解剖学的構造上に準備マークを作成し、その後のレーザマーキングステップ２４０および外科的介入ステップ２６０の実行を誘導して、眼の光学的機能を改善するメカニズムを含んでいてもよい。

上述したシステムの動作では、ステップ２０２−１において、眼の軸を特定できる。例えば、固視標的（fixation target）の使用を含む多くの方法によって、視軸を特定してもよい。一実施の形態においては、このような軸の識別は、体内の眼の通常の動作の間、例えば、頭部を直立させて、眼が遠距離または近距離の固視標的を見ている間に実行される。他の実施の形態では、他の向き、例えば、読書をするときのような僅かな下向き、または他の体位、例えば、眼が上を向く背臥位等の姿勢になるように、患者に指示してもよい。これに代えて、眼の他の軸を特定してもよく、または軸と解剖学的情報との組合せを用いて、計画されている手術処置が整列される中間軸（compromise axis）を判定してもよい。

眼の選択された軸または中間軸の判定に続いて、ステップ２０４において、特定された軸と眼の解剖学的特徴との間の関係を記録する準備マークを作成できる。この記録は、眼の表面に準備マークを作成することによって行うことができる。或いは、判定された軸の位置は、超音波、光または他の手段によって生成され、イメージングデバイス内で眼の適切な位置決めの間（例えば、固定の間）に捕捉された眼の３次元画像内に記録してもよい。

次のステップ２４０においては、例えば、角膜輪部、角膜、水晶体嚢胞、および／または水晶体等の眼の内部標的領域内にレーザ気泡を生成して、レーザマークを作成する。レーザマークの作成は、特に、準備マークによって補助してもよい。作成されたレーザマークは、後の手術処置２６０のための標的領域の位置を高い精度で示すことができる。幾つかの実施の形態では、２つ以上の標的領域をレーザによってマーキングする。例えば、ＩＯＬの挿入のための第１の標的をレーザによってマークでき、および第１の切込みによって、非意図的に発生した乱視を矯正する角膜輪部減張切開術のために、第２の標的をレーザによってマークできる。

異なる実施の形態では、レーザマーキングは、異なる範囲のものであってもよい。幾つかの実施の形態では、レーザを用いて、高密度のマーキング気泡を生成することができる。十分高い密度の気泡は、組織を穿孔し、手術医は、手術ステップ２６０において、この穿孔された組織を、引裂、切断、吸引または他の介入によって分離することができる。適切に配置された穿孔によって、外科的介入の整列、並びに除去または分離される組織の寸法、形状および位置を含む他の側面が手術の目的にとって適切であることを確実にすることができる。手術ステップ２６０では、レーザまたは機械的デバイスおよび他のデバイスを含む他のあらゆる種類の手術器具を用いることができる。

他の実施の形態では、レーザマークは、後の手術処置のための、例えば、眼内レンズ（ＩＯＬ）または角膜内レンズの配置を誘導するための補助として機能できる。このようなケースでは、レーザマークは、溝（score）、部分的または完全な深さの切開または孔、またはＩＯＬまたは角膜内レンズの外科的配置を誘導できる他の物理的な効果を含むことができる。また、レーザマーキングは、例えば、ＩＯＬまたは角膜内レンズの固定、安定化または方向付けを支援する追加的機能を担うことができる。さらに、レーザマークは、例えば、レーザマークに沿った角膜輪部減張切開術を拡張して、術後に残る乱視を矯正することにより、光学的性能を向上させるために実行される術後処置を誘導することができる。

最終的に、レーザパルス自体は、２つの目的に役立つことができる。すなわち、マーキングステップ２４０のためのマーカであるとともに、ステップ２６０において、特定の構造、例えば、水晶体嚢胞または水晶体の何れかの部分の断片化、切断または気化等、所望の手術の効果自体を誘導する。深層のマーキングおよび手術自体の両方のためにレーザを用いることによって、眼の軸に対する手術の処理および標的領域の整列、形状、寸法、位置および他の特徴の精度を確実に高めることができる。

レーザの適用は、水晶体嚢胞の穿孔（trephination）を含むことができ、これは、非対称的であっても対称的であってもよく、これによって、水晶体組織へのアクセスと、視軸または他の軸に対するＩＯＬの最適な向きとの両方が実現する。この具体例では、幾つかの技術、例えば、Ｍａｓｋｅｔｔによる米国特許出願公開番号２００４／０１０６９２９号に開示されている技術とは異なり、更なる手動の処置を必要とすることなく、統合された施術内で切嚢術の心合わせおよび方向付けが達成され、結果として、ＩＯＬの心合わせおよび方向付けが達成される。

他の具体例では、ステップ２４０において、角膜／角膜輪部内にレーザパルスを適用して、部分的または完全な深さの角膜穿孔を作成する。組織を適切な領域に分離することによって、ステップ２６０における様々な介入において使用するための、適切に整列され、寸法決めされ、位置決めされた角膜の切込みを作成でき、これらには、水晶体の除去および置換のための自己封止する挿入用の切込みの作成、既往のまたは手術によって誘発された乱視を治療するための角膜横断切開術（transverse corneal incision）または角膜輪部減張切開術（limbal relaxing incision）による切込みの作成、または後のレーシックまたは角膜内レンズ施術のための角膜フラップまたは角膜ベッドの作成が含まれる。

また、水晶体、水晶体嚢胞、角膜および角膜輪部におけるレーザ施術の組合せを含む更なる具体例も可能である。一具体例では、まず、角膜上にマークまたは位置基準を作成し、次に、例えば、切嚢術施術の位置またはＩＯＬの配置を調整する等、後の眼内の処置にこれらを使用することができる。

他の実施例として、まず、水晶体嚢胞上にマークまたは位置基準を作成し、後の角膜の手術処置２６０の向きをこれらの眼内のマークによって誘導して、手術処置２６０を実行することもできる。このような角膜の施術は、追加的な角膜の処置を必要としない施術、例えば、非正常視または老眼を矯正する角膜実質層内の施術（intrastromal procedure）等を含むことができる。

本発明の方法および装置の上述したおよび他の実施例は、眼の機能的および解剖学的特徴構造に対する眼内のレーザ眼科手術処置の精度を高め、ある場合には、精度を最適にし、この結果、眼の光学的機能を最適化する。この改善は、１つのデバイスを用いる統合された方法で達成でき、したがって、施術の全体を単純化できる。代替的な実施の形態として、この方法を個別のステップで実行してもよい。

ステップ２０２−１における最適な軸判定およびイメージングでは、例えば、固視の間または眼がイメージングされているとき、特定の位置における眼の安定化または固定が必要になることがある。さらに、眼におけるレーザパルスの配置では、眼の固定または圧平が必要になることがある。この結果、判定された眼の軸および眼の解剖学的な部分の相対的位置は、眼が固定および／または圧平されていないときの中立のまたは自然な位置から移動することがある。このような場合、中立の状態、並びに固定後および／または圧平後の状態における眼の軸の位置と、眼の解剖学的な部分の位置との間の関係を比較し、位置合わせすることによって、ステップ２６０における外科的介入は、眼が中立な状態に戻ったときに、外科的に変化した特徴構造が正しい向きを有するように実行できる。

幾つかの実施の形態では、第１の患者姿勢で眼の画像を生成し、準備マークも登録する。そして、第２の患者姿勢において、マークを再び記録し、眼の回旋、または眼の形状および向きにおける他の変化を判定する。そして、ソフトウェアが、これらのデータを用いて、患者が第１の患者姿勢に戻ったときに、外科的に変化する光学的要素が望ましい形状となるように、第２の患者姿勢における外科的介入のための最適な位置を算出する。

図４は、ステップ２０２−１の一実施の形態において、固視の標的３１０を網膜の中心上の画像３２０に整列させることによって、視軸３３０を判定できることを示している。

ステップ２０４では、視軸が角膜と交差する箇所で、角膜の外側に準備マーク３４０（縮尺は実寸に対応していない）を作成することができる。

ステップ２４０では、水晶体および角膜にレーザパルスを適用して、視軸に対して、および互いに整列されたレーザマーク穿孔（角膜のマーク３５０−１および嚢胞のマーク３５０−２）を作成することができる。レーザマーク／穿孔３５０は、気泡のグループまたはラインであってもよい。レーザパルスは、ステップ２０４の準備マーク３４０を利用することによって、方向付けることができる。

ステップ２６０では、手術医は、角膜の穿孔３５０−１を眼への挿入用の切込みのためのガイドとして用いることができ、この結果、切込みの形状、位置、サイズおよび向きの、精密な、レーザによって誘導された制御が実現され、切込みの構造および機能が最適化される。拡大された挿入図は、例えば、角膜の挿入用の切込み３６０を多段状（multilevel）に設計して、自己封止する切込みを実現できることを示している。これに代えて、挿入用の切込みは、角膜乱視に影響するように位置決めすることもできる。

図５は、手術医が、嚢胞マーク３５０−２の補助によって、適切に寸法決めされ、位置決めされ、方向付けされた切嚢術を行うことができることを示している。嚢胞マーク３５０−２は、後に、ＩＯＬ４２０を、高い精度で、視軸３３０に対しておよび角膜マーク／穿孔３５０−１に対して整列させて、嚢胞４１０内に配置することを誘導するために使用することができる。

図６Ａ〜図６Ｂは、挿入図の矢印によって示すように、類似の実施の形態における、正面からのマーキングおよび切込みを示している。図６Ａは、図５のレーザマーク３５０と同様のレーザマーク５１０を、例えば、角膜１１０、水晶体１００または嚢胞４１０と同心円状に配置できることを示している。手術ステップ２６０では、例えば、角膜１１０および嚢胞４１０の１２時の位置に、例えば、ＩＯＬ挿入用切込み５２０を作成することができる。ＩＯＬ挿入用切込み５２０の位置決めは、以前に配置されているレーザマーク３５０（図示せず）によって誘導できる。上述したように、幾つかの実施の形態では、まず、レーザを動作させてレーザマークを作成し、次に、手術用レーザパルスを生成することができる。幾つかの統合された実施の形態では、同じレーザを用いて、まず、エネルギー密度が低いパルスでレーザマークを作成し、次にエネルギー密度が高いパルスで手術用の切込みを形成することができる。

図６Ｂは、手術ステップ２６０の間、ＩＯＬ挿入用切込み５２０を介して、眼内レンズ５４０を水晶体嚢胞４１０に挿入できることを示している。レーザマーキングステップ２４０の間に配置されたレーザマーク５１０を用いて、ＩＯＬ５４０を眼の視軸に整列させ、高い精度で心合わせすることができる。

図６Ａに戻って説明すると、手術医は、角膜輪部減張切開術による切込みを作成することによって、望まれていない乱視の発生または既往の乱視を補償することを望むことがある。この実施の形態では、例えば、３時および９時の位置に更なるレーザマーク（図示せず）を配置することができる。そして、手術ステップの間、これらのレーザマークを用いて、角膜輪部減張切開術による切込み５３０−１、５３０−２を、適切に整列させおよび高い精度で配置することができる。角膜輪部減張切開術による切込みは、更なる検討事項に応じて、直線状であっても、曲線状であっても、円弧状であってもよい。

図６Ｂは、この実施の形態において、レーザマーク５１０を用いて、再び整列および心合わせされた、ＩＯＬ５４０の挿入を示している。

上述した手術方法２００、２０１に関連するレーザ眼科手術システムについては、図７〜図２６を用いて、後に詳細に説明する。手術システムの動作では、固定モジュールによって、光学モジュールに対して眼を整列させることができる。眼の画像は、イメージングモジュールによって捕捉することができる。ステップ２２０では、手術システム制御モジュールによって軸または中間軸を判定できる。ステップ２４０では、判定された軸に対して、眼の少なくとも１つの部分または眼の画像上にレーザマークを作成することができる。マークは、眼の上の実際の物理的なマークであってもよく、画像または眼の上の仮想のマークであってもよい。

前者の場合、レーザマークは、手術システム制御モジュールによって眼に方向付けられる１つ以上のレーザパルスによって形成できる。これに代えて、またはこのようなマーキングと連携させて、判定された軸に対して、眼の向きを物理的に固定してもよい。このような固定は、角膜輪部吸気リング（limbal suction ring）または固定歯（fixation teeth）の使用を含む幾つかの手段によって達成できる。他の変形例においては、レーザシステムの使用によって、眼の選択された軸を完全に判定しマーキングできる。角膜または眼の外側の他の部分の上の物理的なマークは、手術システムの１つ以上の画像診断法によって特定でき、レーザ療法を誘導するために使用される画像上に表示できる。

ステップ２６０では、手術医は、レーザマークの位置による誘導によって、眼の軸を適切に識別することができる。手術医は、手術処置の目標設定のために、追加的情報に基づいて、レーザマークを採用し、変更し、または無視することができる。一旦、手術医が最終的な目標位置を判定すると、眼内の標的にレーザパルスを方向付け、例えば、切込みまたは穿孔をカットまたは作成することができる。選択された軸に対して、眼がマーキングされまたは向きが定められると、このような切込みまたは穿孔も、選択された軸に対して整列される。

切込みまたは穿孔自体が（単独でまたは更なる手術処置、例えば、レーザ穿孔に沿った手動の引裂とともに）光学的作用を有する場合、切込みによって生じる光学的作用も、選択された軸に整列される。２つ以上の光学的表面または光学的要素において、例えば、水晶体および角膜内で処置が行われる場合、各処置は、選択された軸に整列させることができ、この結果、互いに整列させることができる。レーザマーキング、切込みまたは穿孔の後に、レーザパルスによって実現される直接的な効果に加えて、更なる光学的要素、例えば、角膜または水晶体移植等を選択された軸または中間軸に整列させることができる。

幾つかの実施の形態では、手術処置２６０は、眼が、通常または中立の向きまたは物理状態とは異なる状態にあるときに実行される。例えば、殆どの作業における患者の通常の姿勢は、直立姿勢であるが、殆どの手術処置では、背臥位が要求され、または望まれる。さらに、角膜は、通常、圧平されていないが、幾つかのレーザ施術は、角膜を圧平した状態で、優先的に実行される。患者および眼が、これらの他の向きまたは状態に配置された場合、マークは、所望の軸または回転方向に対して移動することがある。したがって、術後の光学的性能を最適化するために、１つの状態で作成されたマークを、実際の手術処置の間の眼の状態に関連付けることも必要である。

一実施の形態においては、手術医は、患者が直立姿勢にあり、角膜が圧平されていないときに、角膜上の１つ以上の位置にマークを付しまたは示すことができる。次に、患者が背臥位になり、角膜が圧平されたとき、手術医または手術システムのイメージングシステムによって、これらのマークの位置を特定できる。何れの場合も、治療画像上にマークの位置を表示して、手術用レーザパルスの配置の方向付けを補助することができ、手術用レーザパルスは、それら自体が眼の光学的性能に影響するものであってもよく、眼の光学的性能に影響する手術のステップを誘導するものであってもよい。

他の実施の形態においては、配置される手術用レーザパルス、またはこれらの手術用パルスによって作成される切込みもしくはマークを術中にイメージングし、眼内に配置される光学的移植の選択の誘導を補助する。例えば、水晶体嚢胞のマークまたはカットをイメージングして、適切な眼内レンズを選択するための主要な入力情報である前眼房の深さを特定することができる。

さらに他の実施の形態では、患者は、準備のステップ２２０の間、直立姿勢になってもよい。手術医は、ステップ２０２−１において、眼内の軸を特定して、ステップ２０４において、特定された軸が角膜と交差する箇所に、インクによって準備マークを作成し、および角膜輪部領域、すなわち、角膜の周辺上の３時の位置に、眼の向きをマーキングするための準備マークを作成する。

次に、ステップ２４０において、患者を手術室に入れ、背臥位の姿勢をとらせる。手術医は、手術処置の間、患者の眼の動きを抑制するために、治療する眼に固定リングを配置する。また、手術医は、圧平のために、眼にコンタクトレンズを配置してもよい。眼の表面をより平坦にすることによって、手術医は、高い精度で、最適な領域に手術用レーザパルスを目標設定しやすくなる。

次に、コンピュータコントローラシステムによって、角膜および水晶体を含む眼の画像を撮像することができる。例えば、画像は、患者が背臥位になったとき、３時の位置にあった準備マークが約４時の方向に回転し、すなわち、約３０°回転したことを示す。

次に、患者が通常の直立姿勢に戻った際、治療された領域が意図された位置に回転して戻るように、コントローラシステムのソフトウェアが、最終的な外科的介入をどこに目標設定するべきかを算出する。例えば、コントローラシステムは、準備マークおよび直前に撮像された画像に基づいて、保存されているパターンのデータベースから適切な切込みのパターンを選択してもよく、または患者専用のパターンを作成してもよい。そして、コントローラは、眼が通常の向きに回転して戻ると、切込みが所望の位置になるように、患者が背臥位にある間、手術処置が、眼のどこに目標設定する必要があるかを特定する。

そして、手術医は、レーザパルスを適用して、角膜および水晶体上に、例えば、ＩＯＬの挿入を補助するためのレーザマークを作成する。

手術医は、コントローラの指示をそのまま採用してもよく、これをある程度修正してもよく、或いは、例えば、個々の判断に基づいて、これを大幅に変更してもよい。

幾つかの実施の形態では、レーザマークは、後の手術ステップ２６０を、視軸および眼の自然な回転状態に対して、整列および方向付けるためだけに使用される。手術ステップ２６０は、場合によっては、より高い繰返し率を有する、より強力なレーザパルスの適用、または超音波乳化吸引術のあらゆる変形例を含むレーザを用いない何らかの手術処置を含むことができる。

他の実施の形態では、レーザマークは、手術ステップ２６０において、より顕著な役割を果たすことができる。レーザマークを用いて、適切に整列および回転された標的位置において、角膜および水晶体組織を穿孔することができる。これらの実施例では、後の手術ステップ２６０は、手術医が、レーザマークを介して、穿孔に沿って不要な組織を除去するステップを含むことができる。

このような除去のステップに続いて、さらに様々な手術のステップを行ってもよい。例えば、限定的な除去のステップは、手術処置の最終的な目的ではなくてもよく、すなわち、このような限定的な除去は、角膜または水晶体における後の階層的なカットの形成の一部であってもよい。

次に、本出願に開示する処理を実行する様々な特徴を有するレーザ手術システムに関する技術的詳細について説明する。

具体例として、図７は、光イメージングおよび圧平に基づくレーザ手術システムを示している。このシステムは、レーザパルスからなる手術用レーザビーム１０１２を生成するパルスレーザ１０１０と、手術用レーザビーム１０１２を受光し、集光し、集光された手術用レーザビーム１０２２を、例えば眼である標的組織１００１に方向付け、標的組織１００１内に光破壊を引き起こす光学モジュール１０２０とを含む。標的組織１００１に接触するように圧平プレートを設け、標的組織１００１へのレーザパルスおよび標的組織１００１からの光を透過させるインタフェースを形成してもよい。なお、ここでは、標的組織画像１０５０を搬送する光１０５０または標的組織１００１からのイメージング情報を捕捉して、標的組織１００１の画像を生成する光イメージングデバイス１０３０を設けている。イメージングデバイス１０３０からのイメージング信号１０３２は、システム制御モジュール１０４０に供給される。システム制御モジュール１０４０は、イメージングデバイス１０３０からの捕捉された画像を処理し、捕捉された画像からの情報に基づいて、光学モジュール１０２０を制御して、標的組織１０１における手術用レーザビーム１０２２の位置および集光を調整するように動作する。光学モジュール１２０は、１つ以上のレンズを含むことができ、更に、１つ以上の反射板を含んでいてもよい。光学モジュール１０２０は、システム制御モジュール１０４０からのビーム制御信号１０４４に応じて、集光およびビーム方向を調整する制御アクチュエータを含んでいてもよい。また、制御モジュール１０４０は、レーザ制御信号１０４２によって、パルスレーザ１０１０も制御できる。

光イメージングデバイス１０３０は、標的組織１００１を精査する（probe）ための、手術用レーザビーム１０２２とは別の光イメージングビームを生成してもよく、光イメージングデバイス１０３０は、この光イメージングビームの戻り光を捕捉して、標的組織１００１の画像を得る。このような光イメージングデバイス１０３０の一具体例は、一方が圧平プレートを介して標的組織１００１に方向付けられるプローブビームであり、他方が参照光路内の参照ビームである２つのイメージングビームを用いて、これらを互いに光学的に干渉させて、標的組織１００１の画像を得る光干渉断層法（optical coherence tomography：ＯＣＴ）イメージングモジュールである。他の実施例では、光イメージングデバイス１０３０は、専用の光イメージングビームを標的組織１００１に供給することなく、標的組織１００１から散乱または反射された光を用いて、画像を捕捉する。例えば、イメージングデバイス１０３０は、例えば、ＣＣＤまたはＣＭＳセンサ等の感知素子のセンサアレイであってもよい。例えば、手術用レーザビーム１０２２によって生成された光破壊副産物の画像は、手術用レーザビーム１０２２の集光および位置決めを制御するために、光イメージングデバイス１０３０によって捕捉することができる。光イメージングデバイス１０３０が、光破壊副産物の画像を用いて、手術用レーザビーム整列を誘導するように設計されている場合、光イメージングデバイス１０３０は、光破壊副産物、例えば、レーザによって誘起された気泡または空洞等の画像を捕捉する。また、イメージングデバイス１０３０は、超音波画像（acoustic image）に基づいて画像を捕捉する超音波イメージングデバイスであってもよい。

システム制御モジュール１０４０は、標的組織１００１内の標的組織位置からの光破壊副産物の位置オフセット情報を含むイメージングデバイス１０３０からの画像データを処理する。画像から得られた情報に基づいて、ビーム制御信号１０４４が生成され、レーザビーム１０２２を調整する光学モジュール１０２０が制御される。システム制御モジュール１０４０は、レーザ整列のために様々なデータ処理を実行するデジタル処理ユニットに含ませることができる。

上述した技術およびシステムを用いて、高繰返し率レーザパルスを、切断または体積分解の用途に必要とされる連続的なパルス配置に必要な精度で、表面下の標的に供給することができる。これは、標的の表面上の参照源の使用の有無にかかわらず行うことができ、および圧平の後のまたはレーザパルスの配置の間の標的の動きを考慮に入れることができる。

このシステムの圧平プレートは、レーザパルスを組織に供給するための、正確且つ高速な位置決め要求を補助および制御するために設けられている。このような圧平プレートは、組織に接触する予め定義された接触面を有する透明材料、例えば、ガラスから作製することができ、圧平プレートの接触面は、よく定義された、組織との光インタフェースを形成する。このよく定義されたインタフェースは、組織へのレーザ光線の透過および集光を補助し、眼内の角膜の前面にある空気／組織インタフェースにおいて最も重大な、光学収差または変動（例えば、特定の眼の光学的特性または表面の乾燥によって生じる変化に起因する。）を制御または減少させることができる。様々な用途、並びに眼および他の組織内の標的のために多くのコンタクトレンズが設計されており、これらには、使い捨てのものと再使用可能なものとが含まれる。標的組織の表面上のコンタクトガラスまたは圧平プレートは、参照プレート（reference plate）として用いられ、これに対して、レーザパルスは、レーザ供給システム内の集光要素の調整によって集光される。このような手法は、組織表面の光学品質の制御を含む、コンタクトガラスまたは圧平プレートによって提供される上述したような更なる利点を生来的に有する。したがって、レーザパルスの光学的歪みを小さく抑えながら、圧平参照プレートに対する標的組織内の所望の位置（相互作用点）にレーザパルスを速やかに正確に配置することができる。

図７の光イメージングデバイス１０３０は、圧平プレートを介して標的組織１００１の画像を捕捉する。制御モジュール１０４０は、捕捉された画像を処理し、捕捉された画像から位置情報を抽出し、抽出された位置情報を位置参照またはガイドとして用いて、手術用レーザビーム１０２２の位置および集光を制御する。上述したように、圧平プレートの位置は、様々な要因のために変化する傾向があるので、この画像誘導レーザ手術は、位置参照としての圧平プレートに依存することなく行うことができる。すなわち、圧平プレートは、手術用レーザビームが標的組織に入り、および標的組織の画像を捕捉するための望ましい光インタフェースを提供するが、手術用レーザビームの位置および集光を整列および制御してレーザパルスを正確に供給するための位置基準として圧平プレートを使用することは、難しい場合がある。イメージングデバイス１０３０および制御モジュール１０４０に基づく手術用レーザビームの位置および集光の画像誘導制御によって、位置参照を提供するために圧平プレートを使用することなく、標的組織１００１の画像、例えば、眼の内側の構造の画像を位置参照として使用することができる。

ある手術的処置において、内部組織構造の局所化に不均衡に影響する圧平の物理的な効果に加えて、目標設定システムは、パルス継続時間が短いレーザを使用するときに生じる可能性がある光破壊の非線型特性を予測または考慮することが望ましいことがある。光破壊は、ビーム整列およびビーム目標設定を複雑にすることがある。例えば、光破壊の間にレーザパルスと相互作用する際の組織物質における非線形の光学的効果の１つとして、レーザパルスが受ける組織物質の屈折率が一定ではなくなり、光の強度によって変化するようになる。レーザパルスの光強度は、パルスレーザビームの伝播方向に沿う方向およびこの伝播方向を横切る方向に亘ってパルスレーザビーム内で空間的に変化するので、組織物質の屈折率も空間的に変化する。この非線形の屈折率の１つの結果は、組織内でパルスレーザビームの実際の集光を変化させ、および集光の位置をシフトさせる組織物質の自己収束（self-focusing）または自己発散（self-defocusing）である。したがって、標的組織内の各標的組織位置へのパルスレーザビームの正確な整列では、レーザビームに対する組織物質の非線形の光学的効果を考慮する必要がある場合がある。異なる物理的特徴、例えば硬度等のためにまたは特定の領域に伝播するレーザパルス光の吸収または拡散等の光学的な要件のために、各パルス内のエネルギーを調整して、標的内の異なる領域に同じ物理的な効果を提供してもよい。このような場合、エネルギー値が異なるパルス間の非線形集光効果の差も、手術用パルスのレーザ整列およびレーザ目標設定に影響することがある。これに関して、イメージングデバイス１０３０によって標的組織から取得された直接画像を用いて、標的組織内の非線形の光学的効果の組み合わされた効果を反映する手術用レーザビーム１０２２の実際の位置を監視し、ビーム位置およびビーム集光の制御のための位置参照を提供することができる。

ここに開示する技術、装置およびシステムを圧平プレートと組み合わせて使用することによって、表面形状および水和の制御を提供し、光学的歪みを低減し、圧平された表面を介して、内部構造に光破壊の精密な局所化を提供することができる。ここに開示するビーム位置および集光の画像誘導制御は、圧平プレート以外の眼を固定する手段を用いる手術システムおよび施術に適用でき、これらには、吸気リングの使用が含まれ、これによって、手術標的の歪みまたは動きが生じることがある。

以下では、まず、イメージング機能を、システムのレーザ制御部分に様々な度合いで統合した、自動化された画像誘導レーザ手術のための技術、装置およびシステムの具体例を説明する。光学式または他の様式のイメージングモジュール、例えば、ＯＣＴイメージングモジュールを用いて、プローブ光または他の種類のビームを方向付け、標的組織、例えば、眼内の構造の画像を捕捉することができる。レーザパルス、例えば、フェムト秒レーザパルスまたはピコ秒レーザパルスからなる手術用レーザビームは、捕捉された画像の位置情報によって誘導でき、手術中に、手術用レーザビームの集光および位置決めを制御することができる。手術用レーザビームおよびプローブ光ビームの両方は、捕捉された画像に基づいて手術用レーザビームを制御でき、手術を精密且つ正確に行うことが確実となるように、手術中に、標的組織に順次的に方向付けてもよく、同時に方向付けてもよい。

このような画像誘導レーザ手術では、ビーム制御は、手術用パルスの供給の直前または略々同時の圧平または標的組織の固定の後の標的組織の画像に基づいているので、手術中の手術用レーザビームの正確で精密な集光と位置決めを提供することができる。なお、標的組織、例えば、眼について手術前に測定された何らかのパラメータは、様々な要因、例えば、標的組織の準備（例えば、眼を圧平レンズに固定すること）手術的措置による標的組織の変質等のために、手術中に変化することがある。したがって、このような要因および／または手術前に測定された標的組織のパラメータは、手術中には、標的組織の物理的状態を反映しなくなる。本発明の画像誘導レーザ手術は、手術前および手術中の手術用レーザビームの集光および位置決めについてのこのような変化に関する技術的問題を緩和できる。

この画像誘導レーザ手術は、標的組織内の正確な手術のために効果的に用いることができる。例えば、眼内でレーザ手術を実行する場合、レーザ光線は、眼内に集光され、目標設定された組織の光学的な破壊が行われ、このような光学的相互作用は、眼の内部構造を変化させることがある。例えば、水晶体は、事前の測定と手術との間だけではなく、手術中にも、遠近調節によって位置、形状、厚さおよび直径が変化する。機械的手段によって手術器具を眼に取り付けることによって、眼の形状がよく定義されていない状態に変化することもあり、この変化した状態が、例えば、患者の動き等の様々な要因のために、手術中に更に変化することもある。取付手段は、吸気リングによって眼を固定すること、および平坦なまたは曲面のレンズによって眼を圧平することを含む。これらの変化は、数ミリメートルに達することもある。眼内で精密なレーザ顕微手術を実行する場合、例えば、角膜または角膜縁の前面等の眼の表面を機械的に参照および固定することは、うまく機能しない。

この画像誘導レーザ手術では、準備後または略々同時のイメージングを用いて、手術前および手術中に変化が生じる環境内で、眼の内部の特徴と手術器具との間で３次元的な位置基準を確立することができる。眼の圧平および／または固定の前または実際の手術の最中にイメージングによって提供される位置基準情報は、眼における変化の効果を反映し、したがって、手術用レーザビームの集光および位置決めを正確に誘導することができる。本発明の画像誘導レーザ手術に基づくシステムは、構造を単純に構成でき、コスト効率にも優れている。例えば、手術用レーザビームの誘導に関連する光部品の一部は、標的組織をイメージングするためにプローブ光ビームを誘導する光部品と共有でき、デバイス構造並びにイメージング光ビームおよび手術用光ビームの光学的整列および較正が簡素化される。

以下に説明する画像誘導レーザ手術システムは、イメージングデバイスの具体例としてＯＣＴイメージングを使用し、また、手術中に手術用レーザを制御するための画像を捕捉するために、他の非ＯＣＴイメージングデバイスを用いてもよい。以下の具体例に示すように、イメージングサブシステムおよび手術サブシステムの統合は、様々な度合いで実現できる。ハードウェアを統合しない最も簡単な形式では、イメージングサブシステムおよびレーザ手術サブシステムは、分離され、インタフェースを介して互いに通信を行うことができる。このような設計によって、２つのサブシステムの設計が柔軟になる。例えば、患者インタフェース等の幾つかのハードウェアコンポーネントによって、２つのサブシステムを統合することにより、手術領域をハードウェアコンポーネントにより良好に位置合わせでき、機能性が拡張され、より正確な較正が実現し、ワークフローを改善できる。２つのサブシステム間の統合の度合いを高めるにつれて、システムは、よりコスト効率が高まり、小型化され、システム較正が簡素化され、時間に伴ってより安定する。図８〜図１６は、様々な度合いで統合された画像誘導レーザシステムの具体例を示している。

本発明の画像誘導レーザ手術システムの１つの実施例は、例えば、手術下の標的組織に外科的な変化を引き起こす手術用レーザパルスからなる手術用レーザビームを生成する手術用レーザと、患者インタフェースを標的組織に接触するように係合させ、標的組織を所定の位置に保持する患者インタフェースマウントと、手術用レーザと患者インタフェースとの間に位置し、患者インタフェースを介して手術用レーザビームを標的組織に方向付けるように構成されたレーザビーム供給モジュールとを含む。このレーザビーム供給モジュールは、所定の手術パターンに沿って、標的組織内で手術用レーザビームを走査するように動作できる。このシステムは、更に、手術用レーザの動作を制御し、およびレーザビーム供給モジュールを制御して、所定の手術パターンを生成するレーザ制御モジュールと、患者インタフェースに対して位置決めされ、患者インタフェースおよび患者インタフェースに固定された標的組織に関して既知の空間的関係を有するＯＣＴモジュールとを含む。ＯＣＴモジュールは、手術用レーザビームが標的組織に方向付けられ、手術が実行されている間、光プローブビームを標的組織に方向付け、標的組織から、光プローブビームの戻りプローブ光（returned probe light）を受光し、標的組織のＯＣＴ画像を捕捉するように構成されており、これにより、光プローブビームおよび手術用レーザビームは、標的組織内に同時に存在する。ＯＣＴモジュールは、レーザ制御モジュールと通信し、捕捉されたＯＣＴ画像の情報をレーザ制御モジュールに送信する。

更に、この特定のシステムのレーザ制御モジュールは、捕捉されたＯＣＴ画像の情報に応じて、レーザビーム供給モジュールを操作して、手術用レーザビームを集光および走査し、捕捉されたＯＣＴ画像内の位置決め情報に基づいて、標的組織における手術用レーザビームの集光および走査を調整する。

幾つかの実施例では、標的と手術器具とを位置合わせするためには、標的組織の完全な画像を取得する必要はなく、標的組織の一部、例えば、生来的なまたは人工的な目印である手術領域からの幾つかの点を取得するだけで十分な場合もある。例えば、剛体は、３次元空間内で６の自由度を有し、剛体を定義するためには、独立した６個の点だけで十分である。手術領域の正確な寸法が未知である場合は、位置参照を提供するために更なる点が必要である。これに関して、幾つかの点を用いることによって、通常、個人差がある人間の眼の水晶体の前面および後面の位置および曲率、並びに厚さおよび直径を判定することができる。これらのデータに基づき、所定のパラメータを有する楕円体の２つの片半分から構成される体積体によって、水晶体を近似させ、実用的な目的のために可視化することができる。他の実施例では、捕捉された画像からの情報を他のソースからの情報、例えば、コントローラへの入力として用いられる水晶体の厚さの手術前測定の測定値に結合してもよい。

図８は、分離されたレーザ手術システム２１００およびイメージングシステム２２００を備える画像誘導レーザ手術システムの一具体例を示している。レーザ手術システム２１００は、手術用レーザパルスからなる手術用レーザビーム２１６０を生成する手術用レーザを有するレーザエンジン２１３０を含む。レーザビーム供給モジュール２１４０は、患者インタフェース２１５０を介して、レーザエンジン２１３０から標的組織１００１に手術用レーザビーム２１６０を方向付け、所定の手術パターンに沿って、標的組織１００１内で手術用レーザビーム２１６０を走査するように動作できる。レーザ制御モジュール２１２０は、通信チャネル２１２１を介して、レーザエンジン２１３０内の手術用レーザの動作を制御し、およびコントロールは、通信チャネル２１２２を介して、レーザビーム供給モジュール２１４０を制御して、所定の手術パターンを生成する。更に、患者インタフェース２１５０を標的組織１００１に接触するように係合させ、標的組織１００１を所定の位置に保持する患者インタフェースマウントを設けている。患者インタフェース２１５０は、眼の前面の形状に従って係合し、所定の位置に眼を保持する、平坦なまたは曲面の表面を有するコンタクトレンズまたは圧平レンズを含むように実現することができる。

図８のイメージングシステム２２００は、手術システム２１００の患者インタフェース２１５０に対して位置決めされたＯＣＴモジュールであってもよく、これは、患者インタフェース２１５０および患者インタフェース２１５０に固定されている標的組織１００１に対して既知の空間的関係を有するように位置決めされている。このＯＣＴモジュール２２００は、標的組織１００１とインタラクトするＯＣＴモジュール２２００自体の患者インタフェース２２４０を有するように構成してもよい。イメージングシステム２２００は、イメージング制御モジュール２２２０およびイメージングサブシステム２２３０を含む。サブシステム２２３０は、標的１００１をイメージングするためのイメージングビーム２２５０を生成する光源と、光プローブビームまたはイメージングビーム２２５０を標的組織１００１に方向付け、標的組織１００１から、光イメージングビーム２２５０の戻りプローブ光２２６０を受光し、標的組織１００１のＯＣＴ画像を捕捉するイメージングビーム供給モジュールとを含む。光イメージングビーム２２５０および手術用ビーム２１６０は、標的組織１００１に同時に方向付けることができ、これによって、イメージングおよび手術を順次的または同時に行うことができる。

図８に示すように、レーザ手術システム２１００とイメージングシステム２２００の両方に通信インタフェース２１１０、２２１０を設け、レーザ制御モジュール２１２０によるレーザ制御とイメージングシステム２２００によるイメージングとの間で通信を可能にしており、これによって、ＯＣＴモジュール２２００は、捕捉されたＯＣＴ画像の情報をレーザ制御モジュール２１２０に送信することができる。このシステムのレーザ制御モジュール２１２０は、捕捉されたＯＣＴ画像の情報に応じて、手術用レーザビーム２１６０を集光および走査させるようレーザビーム供給モジュール２１４０を動作させ、および捕捉されたＯＣＴ画像内の位置決め情報に基づいて、標的組織１００１における手術用レーザビーム２１６０の集光および走査を動的に調整する。レーザ手術システム２１００とイメージングシステム２２００との間の統合は、主に、通信インタフェース２１１０、２２１０の間の通信を介してソフトウェアレベルで実現される。

また、この具体例および他の具体例において、様々なサブシステムまたはデバイスを統合することもできる。例えば、ある診断器具、例えば、波面収差計（wavefront aberrometer）、角膜トポグラフィー測定デバイス（corneal topography measuring device）等をシステム内に含ませてもよく、またはこれらのデバイスからの手術前情報を利用して、手術時のイメージング（intra-operative imaging）を補強してもよい。

図９は、更なる統合特徴を有する画像誘導レーザ手術システムの具体例を示している。このイメージングおよび手術システムは、図８に示す２つの別々の患者インタフェースとは異なり、標的組織１００１（例えば、眼）を固定する共通の患者インタフェース３３００を共有する。手術用ビーム３２１０およびイメージングビーム３２２０は、患者インタフェース３３３０において結合され、共通の患者インタフェース３３００によって、標的１００１に方向付けられる。更に、イメージングサブシステム２２３０および手術部分（レーザエンジン２１３０およびビーム供給システム２１４０）の両方を制御するための共通の制御モジュール３１００が設けられている。イメージング部分と手術部分の間の統合の度合いを高めることによって、２つのサブシステムの正確な較正、並びに患者および手術体積体（surgical volume）の位置の安定性が実現する。手術サブシステムおよびイメージングサブシステムの両方は、共通のハウジング３４００に収容されている。２つのシステムが共通のハウジング内に統合されない場合、共通の患者インタフェース３３００は、イメージングサブシステムおよび手術サブシステムの何れかの一部であってもよい。

図１０は、レーザ手術システムおよびイメージングシステムが、共通のビーム供給モジュール４１００および共通の患者インタフェース４２００の両方を共有する画像誘導レーザ手術システムの具体例を示している。この統合によって、システム構造およびシステム制御機能が更に簡素化される。

一実施例においては、上述および他の具体例におけるイメージングシステムは、光コンピュータ断層撮影（optical computed tomography：ＯＣＴ）システムであってもよく、レーザ手術システムは、フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザを用いる眼科手術システムであってもよい。ＯＣＴでは、低コヒーレンスの広帯域光源、例えば、スーパールミネッセントダイオードからの光が、別々の参照ビームおよび信号ビームに分割される。信号ビームは、手術標的に供給されるイメージングビームであり、イメージングビームの戻り光は、回収され、参照ビームにコヒーレントに再結合され、干渉計が形成される。光学トレインの光軸または光の伝播方向に垂直に信号ビームを走査すると、ｘ−ｙ方向に空間分解能が提供され、一方、深さ分解能は、干渉計の参照アームの光路長と、戻り信号ビームの信号アームの光路長との間の差分の抽出に由来する。異なるＯＣＴ実施例のｘ−ｙスキャナは、本質的には同じであるが、光路長の比較およびｚ−スキャン情報の取得は、異なる手法で行われることがある。例えば、時間領域ＯＣＴとも呼ばれる一実施例においては、参照アームは、その光路長を継続的に変化させ、一方、フォトディテクタは、再結合されたビームの強度から干渉変調を検出する。異なる実施例では、参照アームは、実質的に固定されており、干渉を調べるために結合光のスペクトルが解析される。結合ビームのスペクトルをフーリエ変換することによって、サンプルの内部からの拡散に関する空間情報が得られる。この方法は、スペクトル領域またはフーリエＯＣＴ法として知られている。周波数掃引ＯＣＴ（frequency swept OCT）（S. R. Chinn, et.al.Opt.Lett.22 (1997)）として知られている異なる実施例では、スペクトル範囲に亘って周波数が高速に掃引される狭帯域光源が使用される。参照アームと信号アームとの間の干渉は、高速検出器および動的信号解析器によって検出される。これらの具体例では、この目的のために開発された外部共振器調整ダイオードレーザまたは周波数が調整された（Frequency tuned of）周波数領域モード同期（frequency domain mode-locked：ＦＤＭＬ）レーザ（R. Huber et.al.Opt.Express, 13, 2005）（S. H. Yun, IEEE J. of Sel.Q. El.3(4) p. 1087-1096, 1997）を光源として使用することができる。ＯＣＴシステムの光源として使用されるフェムト秒レーザは、十分な帯域幅を有することができ、および信号対雑音比を向上させる更なる利点を提供する。

本明細書に開示するシステムにおけるＯＣＴイメージングデバイスは、様々なイメージング機能を実行するために使用することができる。例えば、ＯＣＴを用いて、システムの光学的構成または圧平プレートの存在から生じる複素共役を抑制し、標的組織内の選択された部分のＯＣＴ画像を捕捉して、標的組織内における手術用レーザビームの集光および走査を制御するための３次元的な位置決め情報を提供し、若しくは、標的組織の表面上または圧平プレート上の選択された部分のＯＣＴ画像を捕捉して、直立から仰向け等、標的の位置の変化によって生じる向きの変化を制御するための位置合わせを提供することができる。ＯＣＴは、標的の１つの向きにおけるマークまたはマーカの配置に基づく位置合わせ処理によって較正でき、ＯＣＴモジュールは、標的が他の向きにあるとき、これらのマークまたはマーカを検出できる。他の実施例では、ＯＣＴイメージングシステムを用いて、眼の内部構造に関する情報を光学的に収集するために偏光されたプローブ光ビームを生成する。レーザビームおよびプローブ光ビームは、異なる偏光方向に偏光してもよい。ＯＣＴは、上述した光断層法のために用いられるプローブ光を制御して、プローブ光が眼に向かって伝播する際、プローブ光を１つの偏光方向に偏光し、プローブ光が眼から戻る方向に伝播する際、プローブ光を他の異なる偏光方向に偏光する偏光制御メカニズムを含むことができる。偏光制御メカニズムは、例えば、波長板またはファラデー回転子を含んでいてもよい。

図１０のシステムは、スペクトルＯＣＴ構成として示されており、手術システムとイメージングシステムとの間で、ビーム供給モジュールの集光光学素子部分を共有するように構成できる。この光学素子のための主な要求は、動作波長、画質、解像度、歪み等に関連する。レーザ手術システムは、例えば、約２〜３マイクロメータ等、回析が制限された焦点サイズを達成するように設計された高開口数システムを含むフェムト秒レーザシステムであってもよい。様々な眼科手術用のフェムト秒レーザが、様々な波長、例えば、約１．０５マイクロメータの波長で動作できる。イメージングデバイスの動作波長は、レーザ波長に近い波長に選択でき、これにより、光学素子は、両方の波長について、色収差を補償（chromatically compensated）できる。このようなシステムは、第３の光チャネル、例えば、標的組織の画像を捕捉するための更なるイメージングデバイスを提供する手術用顕微鏡等の視覚的観察チャネル（visual observation channel）を含むことができる。この第３の光チャネルのための光路が、手術用レーザビームおよびＯＣＴイメージングデバイスの光と光学素子を共有する場合、共有された光学素子は、第３の光チャネルのための可視スペクトル帯域と、手術用レーザビームおよびＯＣＴイメージングビームのためのスペクトル帯域とにおける色収差を補償するように構成できる。

図１１は、図９の設計の特定の具体例を示しており、ここでは、手術用レーザビームを走査するためのスキャナ５１００および手術用レーザビームを調整（コリメートおよび集光）するためのビーム調整器５２００は、ＯＣＴのためにイメージングビームを制御するためのＯＣＴイメージングモジュール５３００内の光学素子から独立している。手術システムおよびイメージングシステムは、対物レンズ５６００モジュールおよび患者インタフェース３３００を共有している。対物レンズ５６００は、手術用レーザビームおよびイメージングビームの両方を患者インタフェース３３００に方向付けおよび集光し、その集光は、制御モジュール３１００によって制御されている。手術ビームおよびイメージングビームを方向付けるために、２つのビームスプリッタ５４１０、５４２０が設けられている。また、ビームスプリッタ５４２０は、戻りのイメージングビームをＯＣＴイメージングモジュール５３００に戻すように方向付けるためにも使用される。また、２つのビームスプリッタ５４１０、５４２０は、標的１００１から視覚的観察光学ユニット５５００に光を方向付け、標的１００１のダイレクトビューまたは画像を提供する。ユニット５５００は、外科医が標的１００１を見るためのレンズイメージングシステムであってもよく、標的１００１の画像または映像を捕捉するカメラであってもよい。例えば、ダイクロイックビームスプリッタおよび偏光ビームスプリッタ、光学格子、ホログラムビームスプリッタ（holographic beam splitter）、またはこれらの組合せ等の様々なビームスプリッタを用いることができる。

幾つかの実施例では、光ビームの光路の複数の表面からのグレアを低減するために、手術用波長およびＯＣＴ波長の両方について、光部品を反射防止コーティングによって適切にコーティングしてもよい。このようなコーティングを行わず、反射がある場合、ＯＣＴイメージングユニット内の背景光を増加させることによって、システムのスループットが低下し、および信号対雑音比が低下する。ＯＣＴにおけるグレアを低減させる１つの手法は、標的組織の近くに配置されたファラデーアイソレータの波長板によって、サンプルからの戻り光の偏光方向を回転させ、ＯＣＴ検出器の正面の偏光子が、サンプルから戻る光を優先的に検出し、光部品から散乱された光を抑制するように向けることである。

レーザ手術システムでは、手術用レーザおよびＯＣＴシステムのそれぞれが、標的組織内の同じ手術領域をカバーするようにビームスキャナを有することができる。したがって、手術用レーザビームのためのビーム走査およびイメージングビームのためのビーム走査は、共通の走査デバイスを共有するように統合できる。

図１２は、このようなシステムの具体例を詳細に示している。この実施例では、ｘ−ｙスキャナ６４１０およびｚスキャナ６４２０は、両方のサブシステムによって共有されている。手術動作およびイメージング動作の両方のシステム動作を制御するために、共通のコントローラ６１００が設けられている。ＯＣＴサブシステムは、イメージング光を生成するＯＣＴ光源６２００を含み、イメージング光は、ビームスプリッタ６２１０によって、イメージングビームおよび参照ビームに分離される。イメージングビームは、ビームスプリッタ６３１０において手術用ビームに結合され、標的１００１に到達する共通の光路に沿って伝播する。スキャナ６４１０、６４２０およびビーム調整ユニット６４３０は、ビームスプリッタ６３１０からのダウンストリーム側に配設されている。ビームスプリッタ６４４０は、イメージングビームおよび手術用ビームを対物レンズ５６００および患者インタフェース３３００に方向付けるために使用される。

ＯＣＴサブシステムでは、参照ビームが、ビームスプリッタ６２１０を介して、光遅延デバイス６２２０に供給され、反射ミラー６２３０によって反射される。標的１００１から戻るイメージングビームは、ビームスプリッタ６３１０に戻るように方向付けられ、ビームスプリッタ６３１０は、戻りのイメージングビームの少なくとも一部をビームスプリッタ６２１０に反射し、ここで、反射した参照ビームおよび戻りのイメージングビームが重なり、互いに干渉する。分光検出器６２４０は、干渉を検出し、標的１００１のＯＣＴ画像を生成するために使用される。ＯＣＴ画像情報は、手術用レーザエンジン２１３０、スキャナ６４１０、６４２０および対物レンズ５６００を制御して手術用レーザビームを制御するために、制御システム６１００に送信される。一実施例では、光遅延デバイス６２２０は、標的組織１００１内の様々な深さを検出するように、光遅延を変化させることができる。

ＯＣＴシステムが時間領域システムである場合、２つのサブシステムは、２つの異なるｚスキャナを使用する。これは、２つのスキャナの動作が異なるためである。この具体例では、手術システムのｚスキャナは、手術用ビーム光路内のビームの光路長を変化させることなく、ビーム調整ユニットにおいて、手術用ビームの拡がり角を変更することによって動作する。一方、時間領域ＯＣＴは、可変遅延によって、または参照ビーム反射ミラーの位置を移動させることによって、ビーム光路を物理的に変更することにより、ｚ−方向の走査を行う。較正の後に、２つのｚスキャナは、レーザ制御モジュールによって同期させることができる。２つの動きの間の関係は、制御モジュールが処理できる一次式または多項式に従属するように簡素化でき、またはこれに代えて、較正点によってルックアップテーブルを定義して、適切なスケーリングを提供してもよい。スペクトル／フーリエ領域および周波数掃引光源ＯＣＴデバイスは、ｚスキャナを有しておらず、参照アームの長さは固定である。コストを削減できることに加えて、２つのシステムの相互の較正は、比較的簡単である。集光光学素子および２つのシステムのスキャナは、共有されているので、集光光学素子の画像歪みまたは２つのシステムのスキャナの差分から生じる差分を補償する必要はない。

手術システムの実用的な実施例では、集光対物レンズ５６００は、ベースに摺動可能または移動可能に取り付けられ、対物レンズの重量は、患者の眼に加わる力を制限するようにバランスがとられる。患者インタフェース３３００は、患者インタフェースマウントに取り付けられた圧平レンズを含んでいてもよい。患者インタフェースマウントは、集光対物レンズを保持する取付ユニットに取り付けられている。この取付ユニットは、患者に避けられない動きがあった場合に、患者インタフェースとシステムとの間の安定した接続を確実にし、および眼への負担がより軽くなるように患者インタフェースを眼に連結するように設計されている。集光対物レンズについては、様々な実施例を用いることができ、その一具体例が、Ｈｓｕｅｈに付与されている米国特許第５，３３６，２１５号に開示されている。可調整集光対物レンズを設けることによって、ＯＣＴサブシステムのための光干渉計の一部として、光プローブ光の光路長を変更することができる。対物レンズ５６００および患者インタフェース３３００の動きによって、ＯＣＴの参照ビームとイメージング信号ビームとの間の光路長の差分が制御不能に変化し、これによって、ＯＣＴによって検出されるＯＣＴ深さ情報が劣化することがある。これは時間領域ＯＣＴシステムのみではなく、スペクトル／フーリエ領域および周波数掃引ＯＣＴシステムにおいても生じることがある。

図１３および図１４は、可調整集光対物レンズに関連する技術的課題を解決する例示的な画像誘導レーザ手術システムを示している。

図１３のシステムは、可動集光対物レンズ７１００に連結された位置感知デバイス７１１０を備え、位置感知デバイス７１１０は、摺動可能マウント上の対物レンズ７１００の位置を測定し、測定した位置をＯＣＴシステムの制御モジュール７２００に伝える。制御システム６１００は、対物レンズ７１００の位置を制御し、移動させて、ＯＣＴ動作のためにイメージング信号ビームが伝播する光路長を調整することができ、対物レンズ７１００の位置は、位置エンコーダ７１１０によって測定および監視され、ＯＣＴ制御モジュール７２００に直接供給される。ＯＣＴシステムの制御モジュール７２００は、ＯＣＴデータの処理において３次元画像を構築する際、患者インタフェース３３００に対する集光対物レンズ７１００の動きによって生じた、ＯＣＴ内の干渉計の参照アームと信号アームとの間の差分を補償するアルゴリズムを適用する。ＯＣＴ制御モジュール７２００によって算出されたレンズ７１００の位置の変化の適切な量は、制御モジュール６１００に伝えられ、制御モジュールは、レンズ７１００を制御して、その位置を変更する。

図１４は、ＯＣＴシステムの干渉計の参照アーム内の反射ミラー６２３０またはＯＣＴシステムの光路長遅延アセンブリ内の少なくとも１つの一部が、可動集光対物レンズ７１００に固定的に取り付けられており、対物レンズ７１００が移動すると、信号アームおよび参照アームの光路長が同じ量だけ変化する他の例示的なシステムを示している。この場合、スライド上で対物レンズ７１００が動いた場合、ＯＣＴシステムの光路長差分が自動的に補償され、更に演算によって補償を行う必要はない。

画像誘導レーザ手術システムの上述の具体例では、レーザ手術システムおよびＯＣＴシステムは、異なる光源を使用している。レーザ手術システムとＯＣＴシステムとを更に完全に統合した具体例では、手術用レーザビームのための光源としての手術用フェムト秒レーザが、ＯＣＴシステムのための光源としても使用される。

図１５は、光モジュール９１００内のフェムト秒パルスレーザが、手術のための手術用レーザビームおよびＯＣＴイメージングのためのプローブ光ビームの両方を生成するために使用される具体例を示している。ビームスプリッタ９３００は、レーザビームを、手術用レーザビームおよびＯＣＴのための信号ビームの両方としての第１のビームと、ＯＣＴのための参照ビームとしての第２のビームとに分割する。第１のビームは、第１のビームの伝播方向に垂直なｘ方向およびｙ方向にビームを走査するｘ−ｙスキャナ６４１０と、ビームの拡がり角を変更して、標的組織１００１における第１のビームの集光を調整する第２のスキャナ（ｚスキャナ）６４２０とを介して方向付けられる。この第１のビームは、標的組織１００１において手術を実行し、この第１のビームの一部は、患者インタフェースに後方散乱し、対物レンズによって、ＯＣＴシステムの光干渉計の信号アームのための信号ビームとして回収される。この戻り光は、参照アーム内の反射ミラー６２３０によって反射され、時間領域ＯＣＴのための可調整光遅延要素６２２０によって遅延された第２のビームに結合され、標的組織１００１の異なる深さをイメージングする際に、信号ビームと参照ビームとの間の光路差が制御される。制御システム９２００は、システム動作を制御する。

角膜に対する実際の手術例によって、良好な手術結果を得るためには、数百フェムト秒のパルス幅で十分である場合があり、一方、十分な深さ分解能のＯＣＴのためには、より短いパルス、例えば、数十フェムト秒以下のパルスによって生成されるより広いスペクトル帯域幅が必要であることがわかった。この文脈においては、ＯＣＴデバイスの設計が手術用フェムト秒レーザからのパルスの継続時間を決定する。

図１６は、単一のパルスレーザ９１００を用いて、手術用ビームおよびイメージングビームを生成する他の画像誘導システムを示している。フェムト秒パルスレーザの出力光路内には、例えば、白色光生成またはスペクトル広帯域化等の光学非線形プロセスを用いて、通常、手術で用いられる数百フェムト秒の比較的長いパルスのレーザ光源からのパルスのスペクトル帯域幅を広げる非線形スペクトル広帯域化媒体９４００が配設されている。媒体９４００は、例えば、光ファイバ材料であってもよい。２つのシステムの光強度要求は、異なり、ビーム強度を調整するメカニズムは、２つのシステムにおけるこのような要求を満たすように実現できる。例えば、ビームステアリングミラー、ビームシャッタまたは減衰器を２つのシステムの光路に配設して、ＯＣＴ画像を取得する際、または手術を実行する際、患者および敏感な器具を過度の光強度から保護するために、ビームの存在および強度を適切に制御することができる。

実際の動作では、図８／図１６の上述の具体例を用いて、画像誘導レーザ手術を実行することができる。図１７は、画像誘導レーザ手術システムを用いてレーザ手術を実行する方法の一具体例を示している。この方法では、システム内の患者インタフェースを用いて、手術下の標的組織に係合させ、標的組織を所定の位置に保持し、システム内のレーザからのレーザパルスからなる手術用レーザビームおよびシステム内のＯＣＴモジュールからの光プローブビームを、患者インタフェースを介して標的組織に同時に方向付ける。そして、手術用レーザビームを制御して標的組織においてレーザ手術を実行し、ＯＣＴモジュールを動作させて、標的組織から戻る光プローブビームの光から標的組織内のＯＣＴ画像を取得する。取得されたＯＣＴ画像内の位置情報は、手術前または手術中に、標的組織における手術用レーザビームの集光および走査を調整するために、手術用レーザビームの集光および走査に適用される。

図１８は、眼のＯＣＴ画像の具体例を示している。患者インタフェース内の圧平レンズの接触面は、圧平の際に眼に加わる圧力に起因する角膜における歪みまたは折り曲がりを最小化する曲率を有するように構成できる。患者インタフェースにおいて、眼の圧平が成功すると、ＯＣＴ画像を取得することができる。図１８に示すように、水晶体と角膜の曲率、および水晶体および角膜との間の距離は、ＯＣＴ画像において特定可能である。上皮−角膜界面等の、より微細な特徴も検出可能である。これらの特定可能な特徴は、眼に対するレーザ座標の内部参照として使用してもよい。角膜および水晶体の座標は、例えば、エッジまたはブロブ検出等の実績のあるコンピュータビジョンアルゴリズムを用いてデジタル化できる。一旦、水晶体の座標が確立されると、これらを用いて、手術のために、手術用レーザビームの集光および位置決めを制御することができる。

これに代えて、較正サンプル材料を用いて、既知の位置座標の位置に参照マークの３次元アレイを形成してもよい。較正サンプル材料のＯＣＴ画像を取得して、参照マークの既知の位置座標と、取得されたＯＣＴ画像内の参照マークのＯＣＴ画像との間でマッピング関係を確立することができる。このマッピング関係は、デジタル較正データとして保存され、手術中に取得された標的組織のＯＣＴ画像に基づいて、標的組織の手術中に、手術用レーザビームの集光および走査を制御する際に適用される。なお、ＯＣＴイメージングシステムは、例示的なものであり、この較正は、他のイメージング技術を介して取得された画像にも適用できる。

ここに開示する画像誘導レーザ手術システムでは、手術用レーザは、高開口数集光の下で、眼の内部（すなわち、角膜および水晶体の内部）に強光子場／多光子イオン化を引き起こすために十分な比較的高いピークパワーを生成できる。これらの条件下では、手術用レーザからの１つのパルスは、焦点体積内（focal volume）にプラズマを生成する。プラズマの冷却の結果、よく定義されたダメージゾーンまたは「気泡」が生じ、これは、参照点として用いることができる。以下では、手術用レーザによって生成されたダメージゾーンを用いて、ＯＣＴベースのイメージングシステムに対して手術用レーザを較正する較正処理について説明する。

ＯＣＴは、手術用レーザに対して較正され、標的組織において、ＯＣＴによって取得された標的組織のＯＣＴ画像内の画像に関連する位置に対して、手術用レーザを所定の位置で制御できるように、相対的な位置関係が確立された後、手術が実行できるようになる。この較正を実行するための１つの手法では、レーザによってダメージを与えることができ、およびＯＣＴによってイメージングできる予め較正された標的または「ファントム（phantom）」を使用する。ファントムは、材料が手術用レーザによって生成された光ダメージを永久的に記録できるように、例えば、ガラスまたは硬化プラスチック（例えば、ＰＭＭＡ）等の様々な材料から形成することができる。また、ファントムは、手術標的と同様の光学的特性または他の特性（例えば、含水率）を有するように選択できる。

ファントムは、例えば、少なくとも１０ｍｍの直径（または供給システムの走査の直径）と、眼の上皮から水晶体への距離に亘る、または手術システムの走査深度と同じ長さである少なくとも１０ｍｍの高さとを有する筒状材料であってもよい。ファントムの上面は、患者インタフェースに隙間なく一致するような曲面であってもよく、またはファントム材料は、完全な圧平を許容するように圧縮可能であってもよい。ファントムは、レーザ位置（ｘおよびｙ）および集光（ｚ）の両方、並びにＯＣＴ画像を、ファントムに対して参照できるように３次元グリッドを有していてもよい。

図１９のＡ〜Ｄは、ファントムの２つの例示的な構成を示している。図１９のＡは、薄いディスクにセグメント化されたファントムを示している。図１９のＢは、ファントム全体に亘ってレーザ位置を判定するための参照（すなわち、ｘ座標およびｙ座標）としての参照マークのグリッドを有するようにパターン化された単一のディスクを示している。ｚ−座標（深さ）は、スタックから個々のディスクを取り出し、共焦点顕微鏡下でこれをイメージングすることによって判定できる。図１９のＣは、２つの片半分に分離することができるファントムを示している。図１９のＡのセグメント化されたファントムと同様に、このファントムは、ｘ座標およびｙ座標においてレーザ位置を判定するために参照される参照マークのグリッドを含むように構造化されている。深さ情報は、ファントムを２つの片半分に分離し、ダメージゾーン間の距離を測定することによって抽出することができる。これらの情報を組み合わせて、画像誘導手術のためのパラメータを提供できる。

図２０は、画像誘導レーザ手術システムの手術システム部分を示している。このシステムは、例えば、検流計またはボイスコイル等のアクチュエータによって駆動されるステアリングミラーと、対物レンズと、使い捨ての患者インタフェースとを含む。手術用レーザビームは、ステアリングミラーから対物レンズを介して反射される。対物レンズは、患者インタフェースの直後にビームを集光する。ｘ座標およびｙ座標における走査は、対物レンズに対してビームの角度を変更することによって実行される。ｚ−平面での走査は、ステアリングミラーのアップストリーム側のレンズのシステムを用いて、入射ビームの拡がり角を変更することによって達成される。

この具体例では、使い捨ての患者インタフェースの円錐部分は、空気によって区切られていても、中実であってもよく、患者に接触する部分は、曲面を有するコンタクトレンズを含む。曲面を有するコンタクトレンズは、溶融シリカまたは電離放射線による放射の際に色中心が形成されることを防ぐ他の材料から作製できる。曲率半径は、眼と互換性がある上限、例えば、約１０ｍｍに設定する。

較正処理の第１のステップは、患者インタフェースをファントムに連結することである。ファントムの曲率は、患者インタフェースの曲率に一致する。連結の後、処理の次のステップは、ファントムの内部に光ダメージを作成して、参照マークを生成することを伴う。

図２１は、フェムト秒レーザによってガラス内に作成された実際のダメージゾーンの具体例を示している。ダメージゾーン間の間隔は、平均的に８μｍである（パルスエネルギーは、半値全幅で５８０ｆｓの継続時間で２．２μＪである）。図２１に示す光ダメージから、フェムト秒レーザによって作成されたダメージゾーンは、よく定義されており、離散的であることがわかる。ここに示す具体例では、ダメージゾーンは、約２．５μｍの直径を有する。図２０に示すものと同様の光ダメージゾーンは、様々な深さでファントム内に作成され、参照マークの３次元アレイが形成される。これらのダメージゾーンは、適切なディスクを抽出し、共焦点顕微鏡下でこれをイメージングする（図１９のＡ）ことによってまたはファントムを２つの片半分に分割して、マイクロメータを用いて深さを測定する（図１９のＣ）ことによって、較正されたファントムに対して参照される。ｘ座標およびｙ座標は、予め較正されたグリッドから確立することができる。

手術用レーザによってファントムにダメージを作成をした後に、ファントムに対してＯＣＴが実行される。ＯＣＴイメージングシステムは、ＯＣＴ座標系とファントムとの間の関係を確立するファントムの３Ｄレンダリングを提供する。ダメージゾーンは、イメージングシステムによって検出可能である。ＯＣＴおよびレーザは、ファントムの内部基準を用いて、相互較正してもよい。ＯＣＴおよびレーザが互いに参照された後、ファントムを取り除くことができる。

手術前に、較正を検証してもよい。この検証ステップは、第２のファントムの内部の様々な位置に光ダメージを作成することを伴う。ＯＣＴによって、円形パターンを形成する複数のダメージゾーンをイメージングできるように、光ダメージは、十分に鮮明である必要がある。パターンが作成された後、第２のファントムは、ＯＣＴによってイメージングされる。手術前にＯＣＴ画像をレーザ座標と比較することによって、システム較正の最終的なチェックが行われる。

一旦、レーザに座標が提供されると、眼内でレーザ手術を実行できる。これは、レーザを用いた水晶体の光乳化（photo-emulsification）およびこの他の眼のレーザ治療を含む。手術は、いつでも停止することができ、前眼部（図１７）を再イメージングして、手術の進行を監視することができ、更に、眼内レンズ（intraocular lens：ＩＯＬ）を挿入した後に、（光によってまたは圧平なしで）ＩＯＬをイメージングすることによって、眼内のＩＯＬの位置に関する情報が得られる。医師は、この情報を利用して、ＩＯＬの位置の精度を高めることができる。

図２２は、較正処理および較正後の手術の具体例を示している。この具体例に示す画像誘導レーザ手術システムを用いてレーザ手術を実行する方法は、手術下の標的組織に係合（engage）し、標的組織を所定の位置に保持するシステム内の患者インタフェースを用いて、手術を実行する前の較正処理の間、較正サンプル材料を保持するステップと、システム内のレーザからのレーザパルスからなる手術用レーザビームを、患者インタフェースを介して、較正サンプル材料に方向付け、選択された３次元参照位置において、参照マークを焼付けるステップと、システム内の光干渉断層法（ＯＣＴ）モジュールからの光プローブビームを、患者インタフェースを介して較正サンプル材料に方向付け、焼付けられた参照マークのＯＣＴ画像を捕捉するステップと、ＯＣＴモジュールと焼付けられた参照マークの位置座標間の関係を確立するステップとを有することが可能である。関係を確立した後、システム内の患者インタフェースを手術下の標的組織に係合（engage）させ、標的組織を所定の位置に保持する。レーザパルスからなる手術用レーザビームおよび光プローブビームは、患者インタフェースを介して標的組織に方向付けられる。手術用レーザビームは、標的組織内でレーザ手術を実行するように制御される。ＯＣＴモジュールは、標的組織から戻る光プローブビームの光から標的組織内のＯＣＴ画像を取得し、取得されたＯＣＴ画像内の位置情報および確立された関係を手術用レーザビームの集光および走査に適用して、手術中に、標的組織における手術用レーザビームの集光および走査を調整するように動作する。このような較正は、レーザ手術の直前に行うことができるが、これらの較正は、手術の前に様々な間隔をあけて行い、この間隔の間に、較正のドリフトまたは変化がないことを確かめる較正検証（calibration validation）を行ってもよい。

以下の具体例は、手術用レーザビームの整列のためにレーザ誘起光破壊副産物の画像を用いる画像誘導レーザ手術技術およびシステムを説明する。

図２３Ａおよび図２３Ｂは、この技術の他の実施例を示しており、ここでは、標的組織内の実際の光破壊副産物を用いて、更なるレーザ配置を誘導している。例えば、フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザであるパルスレーザ１７１０は、レーザパルスを含むレーザビーム１７１２を生成し、標的組織１００１に光破壊を引き起こす。標的組織１００１は、患者の体の一部１７００であってもよく、例えば、一方の眼の水晶体の一部であってもよい。レーザビーム１７１２は、ある手術の効果を達成するために、レーザ１７１０のための光学モジュールによって、標的組織１００１の標的組織位置に集光および方向付けされる。標的表面は、レーザ波長および標的組織からの画像波長を透過する圧平プレート１７３０によって光学的にレーザ光学モジュールに連結されている。圧平プレート１７３０は、圧平レンズであってもよい。イメージングデバイス１７２０は、圧平プレートが適用される前または後（若しくはその両方）に、標的組織１００１から反射または散乱した光または音波を回収し、標的組織１００１の画像を捕捉する。そして、レーザシステム制御モジュールが捕捉された画像データを処理し、所望の標的組織位置を判定する。レーザシステム制御モジュールは、標準の光学モデルに基づいて、光学要素またはレーザ要素を移動または調整して、光破壊副産物１７０２の中心が標的組織位置に重なることを確実にする。これは、手術の過程の間に光破壊副産物１７０２と標的組織１００１の画像を継続的に監視し、各標的組織位置においてレーザビームが適切に配設されていることを確実にする動的な整列処理であってもよい。

一具体例では、レーザシステムは、２つのモードで動作させることができる。まず、診断モードでは、レーザビーム１７１２は、整列レーザパルスを用いて、初期的に整列され、整列のための光破壊副産物１７０２を生成し、次に、手術モードでは、実際の手術を実行するための手術用レーザパルスが生成される。両方のモードにおいて、ビーム整列を制御するために光破壊副産物１７０２および標的組織１００１の画像が監視される。図１７Ａは、レーザビーム１７１２内の整列レーザパルスを、手術用レーザパルスのエネルギーレベルとは異なるエネルギーレベルに設定できる診断モードを示している。例えば、イメージングデバイス１７２０によって光破壊副産物１７０２を捕捉するために組織内に顕著な光破壊を引き起こすために十分であれば、整列レーザパルスは、手術用レーザパルスよりエネルギーが小さくてもよい。所望の手術の効果を提供するためには、この粗い目標設定の分解能が十分ではないことがある。捕捉された画像に基づいて、レーザビーム１７１２を適切に整列することができる。この初期の整列の後、レーザ１７１０を制御して、より高いエネルギーレベルで手術用レーザパルスを生成して、手術を実行することができる。手術用レーザパルスは、整列レーザパルスとは異なるエネルギーレベルを有するので、光破壊における組織物質の非線形効果によって、レーザビーム１７１２が診断モードの間のビーム位置とは異なる位置に集光されることがある。したがって、診断モードの間に行われた整列は、粗い整列であり、手術用レーザパルスが実際の手術を実行する手術モードの間に、各手術用レーザパルスをより精密に位置決めする更なる整列を実行してもよい。図２３Ａに示すように、イメージングデバイス１７２０は、手術モードの間に標的組織１００１から画像を捕捉し、レーザ制御モジュールは、レーザビーム１７１２を調整して、レーザビーム１７１２の集光位置１７１４を標的組織１００１内の所望の標的組織位置に配置する。この処理は、各標的組織位置毎に実行される。

図２４は、まず、標的組織において、概略的にレーザビームの照準を合わせ、次に、光破壊副産物の画像を捕捉し、これを用いて、レーザビームを整列するレーザ整列の１つの実施例を示している。標的組織としての体の一部の標的組織の画像およびその体の一部の参照用の画像は、標的組織においてパルスレーザビームの照準を合わせるために監視される。光破壊副産物および標的組織の画像は、パルスレーザビームを調整して、光破壊副産物の位置を標的組織に重ね合わせるために使用される。

図２５は、レーザ手術における標的組織内の光破壊副産物のイメージングに基づくレーザ整列方法の１つの実施例を示している。この方法では、パルスレーザビームは、標的組織内の標的組織位置に照準を合わされ、初期の整列レーザパルスのシーケンスが標的組織位置に供給される。標的組織位置および初期の整列レーザパルスによって生じた光破壊副産物の画像は、監視され、標的組織位置に対する光破壊副産物の位置が取得される。初期の整列レーザパルスとは異なる手術用パルスエネルギーレベルを有する手術用レーザパルスによって生じた光破壊副産物の位置は、手術用レーザパルスのパルスレーザビームが標的組織位置に配置された際に判定される。パルスレーザビームは、手術用パルスエネルギーレベルで手術用レーザパルスを供給するように制御される。パルスレーザビームの位置は、手術用パルスエネルギーレベルにおいて、光破壊副産物の位置を、判定された位置に配置するように調整される。標的組織および光破壊副産物の画像を監視しながら、手術用パルスエネルギーレベルのパルスレーザビームの位置は、標的組織内の新たな標的組織位置にパルスレーザビームを動かす際、光破壊副産物の位置を、各判定された位置に配置するように調整される。

図２６は、光破壊副産物の画像を用いるレーザ整列に基づく例示的なレーザ手術システムを示している。光学モジュール２０１０は、レーザビームを標的組織１７００に集光し、方向付ける。光学モジュール２０１０は、１個以上のレンズを含んでいてもよく、更に１個以上の反射鏡を含んでいてもよい。光学モジュール２０１０内には、ビーム制御信号に応じて集光およびビーム方向を調整する制御アクチュエータが含まれている。システム制御モジュール２０２０は、レーザ制御信号を介してパルスレーザ１０１０を制御し、およびビーム制御信号を介して光学モジュール２０１０を制御する。システム制御モジュール２０２０は、標的組織１７００内の標的組織位置からの光破壊副産物１７０２の位置オフセット情報を含む、イメージングデバイス２０３０からの画像データを処理する。画像から得られた情報に基づいて、レーザビームを調整する光学モジュール２０１０を制御するビーム制御信号が生成される。システム制御モジュール２０２０には、レーザ整列のための様々なデータ処理を実行するデジタル処理ユニットが含まれている。

イメージングデバイス２０３０は、光干渉断層法（ＯＣＴ）デバイスを含む様々な形式で実現することができる。また、超音波イメージングデバイスを用いてもよい。レーザ焦点の位置は、イメージングデバイスの分解能で、焦点が標的に概略的に配置されるように動かされる。標的へのレーザ焦点の参照における誤差および可能性がある非線形光学効果、例えば、自己収束によって、レーザ焦点の位置および後の光破壊イベントを正確に予測することが困難になる。物質内でのレーザの集光を予測するモデルシステムまたはソフトウェアプログラムの使用を含む様々な較正法を用いて、イメージングされた組織内でのレーザの粗い目標設定を行うことができる。標的のイメージングは、光破壊の前および後の両方で行うことができる。標的に対する光破壊副産物の位置を用いて、レーザの焦点を移動させ、標的においてまたは標的に対して、レーザ集光および光破壊プロセスをより良好に局所化させる。このように、実際の光破壊イベントは、後の手術用パルスの配置のために精密な目標設定を提供するために使用される。

診断モードの間の光破壊のための目標設定は、システムの手術モードにおける後の手術処理のために必要なエネルギーレベルと比べて、より低い、より高い、または同じエネルギーレベルで実行できる。光学パルスエネルギーレベルは、光破壊イベントの正確な位置に影響を与えることがあるので、診断モードにおいて異なるエネルギーで実行される光破壊イベントの局所化を、手術のエネルギーにおいて予測される局所化と関連付ける較正を行ってもよい。一旦、この初期の局所化および整列を実行した後、この位置決めに対して複数のレーザパルス（または単一のパルス）のボリュームまたはパターンを供給することができる。更なるレーザパルスを供給する間に、更なるサンプリング画像を生成して、レーザの適切な局所化を確実にしてもよい（サンプリング画像は、より低い、より高いまたは同じエネルギーパルスを用いて取得してもよい）。一具体例では、超音波デバイスを用いて、キャビテーション気泡または衝撃波、若しくは他の光破壊副産物を検出する。そして、この局所化は、超音波または他の様式によって取得された標的の画像に関連付けることができる。他の実施の形態においては、イメージングデバイスは、単なる生体顕微鏡であってもよく、光干渉断層法等、オペレータによる光破壊イベントの他の光学的可視化であってもよい。初期の観察では、レーザ焦点は、所望の標的位置に動かされ、この後、この最初の位置に対して、パルスのパターンまたはボリュームが供給される。

特定の具体例として、精密な表面下光破壊のためのレーザシステムは、１秒あたり百〜十億パルスの繰返し率で光破壊を生成することができるレーザパルスを生成するための手段と、標的の画像およびその画像へのレーザ集光の較正を用いて、手術の効果を生成することなく、表面下の標的にレーザパルスを粗く集光する手段と、表面下を検出または可視化して、標的、標的の周りの隣接する空間または物質、および標的の近傍に粗く局所化された少なくとも１つの光破壊イベントの副産物の画像または可視情報を提供する手段と、光破壊の副産物の位置を表面下の標的の位置に少なくとも一回関連付け、レーザパルスの焦点を移動させ、光破壊の副産物を表面下の標的にまたは標的に対する相対的位置に位置決めする手段と、少なくとも１つの更なるレーザパルスの後続するトレインを、光破壊の副産物の表面化の標的の位置への上述した精密な関連付けによって示される位置に対するパターンで供給する手段と、後のパルスのトレインの配置の間、光破壊イベントの監視を継続し、イメージングされている同じまたは改訂された標的に対して、後続するレーザパルスの位置を微調整する手段とを含むことができる。

上述した技術およびシステムを用いて、高繰返し率レーザパルスを、切断または体積分解の用途に必要とされる連続的なパルス配置に必要な精度で、表面下の標的に供給することができる。これは、標的の表面上の参照源の使用の有無にかかわらず行うことができ、および圧平の後のまたはレーザパルスの配置の間の標的の動きを考慮に入れることができる。

幾つかの実施の形態を詳細に説明したが、様々な変更が可能である。本明細書に開示する機能的な動作を含むここに説明した主題は、例えば、本明細書に開示する構造的な手段およびその構造的な均等物等である電子回路、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアまたはこれらの組合せによって実現することができ、これらには、説明した動作を１つ以上のデータ処理装置に実行させるプログラム（例えば、メモリデバイス、ストレージ装置、マシンによって読取可能なストレージ基板、他の物理的なマシンによって読取可能な媒体またはこれらの１つ以上の組合せであってもよいコンピュータが読取可能な媒体内に符号化されたプログラム）も含まれる。

用語「データ処理装置」は、データを処理するための全ての装置、デバイスおよびマシンを包含し、具体例としては、プログラミング可能なプロセッサ、コンピュータ、複数のプロセッサまたはコンピュータを含む。装置は、ハードウェアに加えて、該当するコンピュータプログラムの実行環境を生成するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステムまたはこれらの１つ以上の組合せを構成するコードを含むことができる。

プログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプトまたはコードとも呼ばれる。）は、コンパイラ言語またはインタープリタ言語を含む如何なる形式のプログラミング言語で書いてもよく、例えば、スタンドアロンプログラムとして、もしくはモジュール、コンポーネント、サブルーチンまたは演算環境での使用に適する他のユニットとして、如何なる形式で展開してもよい。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応していなくてもよい。プログラムは、他のプログラムまたはデータを含むファイル（例えば、マークアップ言語文書内に保存された１つ以上のスクリプト）の一部に保存してもよく、当該プログラムに専用の単一のファイルに保存してもよく、連携する複数のファイル（例えば、モジュール、サブプログラムまたはコードの一部を保存する１つ以上のファイル）に保存してもよい。プログラムは、１つのコンピュータ上で実行されるように展開してもよく、１つの場所に設けられたまたは複数の場所に亘って分散され、通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータ上で実行されるように展開してもよい。

本明細書は、多くの詳細を含んでいるが、これらは、特許請求の範囲または特許請求可能な範囲を制限するものではなく、本発明の特定の実施の形態の特定の特徴の記述として解釈される。本明細書￥において、別個の実施の形態の文脈で開示した幾つかの特徴を組み合わせて、単一の実施の形態として実施してもよい。逆に、単一の実施の形態の文脈で開示した様々な特徴は、複数の実施の形態として別個に実施してもよく、適切な如何なる部分的組合せとして実施してもよい。さらに、以上では、幾つかの特徴を、ある組合せで機能するものと説明しているが、初期的には、そのように特許請求している場合であっても、特許請求された組合せからの１つ以上の特徴は、幾つかの場合、組合せから除外でき、特許請求された組合せは、部分的組合せまたは部分的な組合せの変形に変更してもよい。

同様に、図面では、動作を特定の順序で示しているが、このような動作は、所望の結果を達成するために、図示した特定の順序または順次的な順序で行う必要はなく、また、図示した全ての動作を行う必要もない。ある特定の状況では、マルチタスクおよび並列処理が有利であることもある。さらに、上述した実施の形態における様々なシステムコンポーネントの分離は、全ての実施の形態でこのような分離が必要であることを意味しているわけではない。

他の実施の形態も以下の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (28)

1. 眼の光学的機能を改善するための方法であって、
   眼の光学的特徴を判定することによって、手術のために前記眼を準備するステップと、
   レーザマーキングパルスを適用して、前記判定された光学的特徴に対応して、前記眼の領域内にレーザマークを作成するステップと、
   前記作成されたレーザマークに関連して選択された手術領域において手術処置を実行するステップと、
   を有する方法。
2. 前記眼の光学的特徴を、光軸、視軸、照準線、瞳孔軸および中間軸から選択するステップを有し、
   前記眼を準備するステップは、前記眼の選択された軸に沿って眼を整列させるステップを含む、
   請求項１記載の方法。
3. 前記光学的特徴は、眼の向きを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記眼を準備するステップは、
   インクベースのマーカ、角膜の機械的な窪み、取付可能なマーカおよびレーザパルスのうちの少なくとも１つを用いて、眼の外部の領域に、前記判定された眼の光学的特徴を参照する準備マークを作成するステップを含む、
   請求項１記載の方法。
5. 前記レーザマーキングパルスを適用するステップは、
   前記判定された光学的特徴に対応して、前記眼の角膜または水晶体の標的にレーザパルスを適用するステップを含む、
   請求項１記載の方法。
6. 前記レーザパルスを適用するステップは、
   点状または円状の標的にレーザパルスを適用して、選択された軸を示すステップと、
   眼の中心から移動された領域にレーザパルスを適用して、眼の向きをマーキングするステップと、
   のうちの少なくとも１つを含む請求項５記載の方法。
7. 前記レーザマーキングパルスを適用するステップは、患者が第１の患者姿勢にあるとき、前記レーザパルスを適用するステップを含み、
   前記手術処置を実行するステップは、前記患者が第２の患者姿勢にあるとき、前記手術処置を実行するステップを含む、
   請求項１記載の方法。
8. 前記第１の患者姿勢は、前記患者の眼が実質的に中立または通常の位置になる直立姿勢であり、
   前記第２の患者姿勢は、前記眼が中立または通常の位置から逸れる背臥位である、
   請求項７記載の方法。
9. 前記レーザパルスを適用するステップは、
   レーザパルスを適用して、角膜、水晶体、水晶体嚢胞、および角膜輪部の少なくとも１つに切込みおよび穿孔の１つを形成するステップを含む、
   請求項１記載の方法。
10. 前記レーザパルスを適用するステップは、
    前記判定された光学的特徴に対応して整列されている、前記眼の２つの別個の標的に前記レーザパルスを適用するステップを含む、
    請求項１記載の方法。
11. 前記レーザパルスを適用するステップは、
    角膜の標的および水晶体の標的を含む２つの別個の標的に前記レーザパルスを適用するステップを含み、前記角膜の標的および前記水晶体の標的は、前記眼の選択された軸および前記眼の選択された向きのうちの１つに対応して整列されている、
    請求項１０記載の方法。
12. 前記手術処置を実行するステップは、
    手術用レーザを用いて、前記水晶体嚢胞に切込みを作成するステップと、
    前記水晶体嚢胞から元の水晶体の一部を除去するステップと、
    前記水晶体嚢胞に眼内レンズを挿入するステップと、
    前記眼の軸、前記眼の中心および前記眼の向きのうち少なくとも１つをマーキングするために作成されたレーザマークに基づいて、前記水晶体嚢胞内で前記眼内レンズを整列させるステップと、
    を含む請求項１記載の方法。
13. 前記手術処置を実行するステップは、
    前記眼内に角膜内レンズを配置するステップと、
    前記眼の軸、前記眼の中心および前記眼の向きの少なくとも１つをマーキングするために作成されたレーザマークに基づいて、前記眼内で前記角膜内レンズを整列させるステップと、
    を含む請求項１記載の方法。
14. 前記手術処置を実行するステップは、
    眼内レンズまたは角膜内レンズの補足的マークをレーザマークと整列させることによって、前記眼内レンズまたは前記角膜内レンズを整列させるステップを含む、
    請求項１記載の方法。
15. 眼の光学的機能を改善するための方法であって、
    前記眼の選択された軸に沿って前記眼を整列させるステップと、
    前記眼の選択された軸に対して、前記眼の少なくとも１つの部分の画像上に形成されたマークを参照として使用するステップ、および前記眼の選択された軸に対して、前記眼の少なくとも１つの部分の画像を参照として選択するステップのうち少なくとも１つを実行するステップと、
    レーザパルスのビームを制御して、前記眼の選択された軸に対して、前記眼の上の標的にレーザパルスを方向付け、術後の前記眼の光学的整列を調整するステップと、
    を有する方法。
16. 眼科手術のためのレーザシステムであって、
    レーザパルスのビームを生成するパルスレーザと、
    眼の選択された軸に沿って眼を整列させるメカニズムと、
    前記眼の上または中に作成された参照マークの位置、および前記眼の選択された軸に対して選択された前記眼の少なくとも１つの部分の参照画像のうち少なくとも１つを監視するイメージングモジュールと、
    前記イメージングモジュールと通信して、前記眼の選択された軸に対して、前記眼の中の少なくとも１つの標的にレーザパルスを方向付ける制御モジュールと、
    を備えるレーザシステム。
17. 前記眼を整列させるメカニズムは、前記選択された軸に対して、前記眼の位置を固定するように構成されている、
    請求項１６記載のレーザシステム。
18. 前記イメージングモジュールは、前記参照マークの位置および解剖学的な参照情報の位置を監視するように構成されている、
    請求項１６記載のレーザシステム。
19. 前記参照マークは、前記眼が圧平されていない状態のときに配置され、
    前記解剖学的な参照情報は、前記眼が圧平された状態のときに判定される、
    請求項１８記載のレーザシステム。
20. 眼における複数の光学的に影響がある施術を整列させる方法であって、
    前記光学的に影響がある施術の少なくとも１つを整列させる軸を選択するステップと、
    前記眼の外側の領域に、前記選択された軸の位置を表す物理的なマークを作成するステップと、
    前記物理的なマークを特定し、前記特定された物理的なマークを眼の画像上に表示するステップと、
    前記眼の画像上の前記特定された物理的なマークの位置を用いて、前記眼の前記マークまたは前記選択された軸に対して、前記レーザパルスを前記眼の少なくとも１つの標的に方向付けるステップと、
    を有する方法。
21. レーザパルスによって作成されたレーザマークを用いて、後の整列を誘導するステップをさらに有する、
    請求項２０記載の方法。
22. 角膜の切込みと切除を整列させるステップを有する、請求項２１記載の方法。
23. 前記レーザマークを用いて、眼内または角膜内の移植の整列または配置を誘導するステップを有する、
    請求項２１記載の方法。
24. 眼科手術の方法であって、
    レーザパルスを適用することによって、眼の上または中にマークを作成するステップと、
    前記マークを特定するステップと、
    前記眼に移植する光学的要素の選択および確認のうち少なくとも１つを実行するステップと、
    を有する方法。
25. 前記特定されたマークに関する情報を用いて、前記眼に移植される眼内レンズの位置の予測を補助するステップをさらに有する、
    請求項２４記載の方法。
26. 眼科手術のためのレーザシステムであって、
    レーザパルスのビームを生成するパルスレーザと、
    前記レーザパルスによって、前記眼の少なくとも１つの標的に作成された参照マークの位置を監視するイメージングモジュールと、
    を備えるレーザシステム。
27. 前記参照マークの位置に少なくとも部分的に基づいて、推奨される眼内レンズのパワーを算出するコンピュータシステムを備える、
    請求項２６記載のレーザシステム。
28. 前記パルスレーザ、前記イメージングモジュールおよび前記コンピュータシステムのうち少なくとも１つは、前記参照マークとともに、眼内レンズまたは角膜内レンズの上のマークを用いて、前記眼内レンズまたは角膜内レンズの位置、光学的パワーまたはサイズの選択の１つを改善するように構成されている、
    請求項２７記載のレーザシステム。

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