JP4003918B2

JP4003918B2 - 角膜手術装置

Info

Publication number: JP4003918B2
Application number: JP2000327027A
Authority: JP
Inventors: 直幸近藤; 和伸小嶋; 智今泉
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP2002125996A; US6679876B2; US20020049430A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角膜表面を切除することによって眼の屈折矯正や角膜表面の病変部の除去を行うための角膜手術装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームで角膜表面（角膜実質等）を切除（アブレーション）することによって眼の屈折異常を矯正するＰＲＫ(Photorefractive Keratectomy)や角膜表面の病変部を除去するＰＴＫ(Phototherapeutic Keratectomy)において、所期する角膜領域を切除する方法としては、照射光軸に垂直なビーム断面が大円形（大スポット）のレ−ザビームを一括照射する方法（one shot方式）、ビーム断面が矩形のレ−ザビームを少なくとも１方向に走査して照射する方法（slit scan方式）、ビーム断面が小円形（小スポット）のレーザビームを二次元的に走査して照射する方法（spot scan方式）等がある。
【０００３】
また、不正乱視等の非対称形状の角膜を球面やトーリック面などの対称形状に矯正する場合には、one shot方式やslit scan方式では、特開平９−２６６９２５号等にあるように、円形や矩形の小アパーチャ等によってビーム断面が円形や矩形の小領域に制限されたレーザビームを照射して角膜の非対称成分を切除する方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した方法では、レーザビームが小アパーチャ等を通過する際に回折が起こるため、レーザビームの強度分布（エネルギ分布）が中心部分に対して周辺部分が大きい略凹状となってしまう。そして、このような強度分布を持つレーザビームの照射を重ね合わせていくと、正確な切除結果を得ることができない惧れがある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、角膜表面の部分的な切除を正確に行うことができる角膜手術装置を提供することを技術課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次のような構成を有することを特徴とする。
【０００７】
（１）角膜の切除データを入力するデータ入力手段と、レーザ光源からのレーザビームを角膜へ導光して照射するための照射光学系とを備え、レーザビームを角膜へ照射して角膜表面を切除データに基づいて所期する形状にアブレーションする角膜手術装置において、レーザ光源からのレーザビームの断面領域を小領域に制限する円形小アパーチャと，該円形小アパーチャを通過する際の回折により変化されるレーザビームの強度分布を補正して中心部分に対して周辺部分の強度を小さくし強度分布を略凸状にする光学部材と，を持つ小アパーチャ光学系と、該小アパーチャ光学系を照射光軸に対して移動する移動手段と、入力された切除データに基づいて前記移動手段を制御して前記小アパーチャ光学系によるレーザビームを重ね合わせて照射して不正乱視成分を切除する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本形態の角膜手術装置の光学系及び制御系の概略構成図である。
【００１５】
１はレーザ光源であり、本形態では１９３ｎｍの波長を持つパルス波のエキシマレーザビームを出射する光源を使用している。エキシマレーザビームの代表的な形状は、図２に示すように、照射光軸Ｌに対して垂直な断面の形状が細長い矩形となっている。また、レーザビームの強度分布（エネルギ分布）は、断面の長手方向（Ｘ軸方向）がほぼ均一な分布Ｆ（Ｗ）で、それに垂直な方向（Ｙ軸方向）はガウシアン分布Ｆ（Ｈ）となっている。なお、光源１から出射されたレーザビームは、必要があれば、エキスパンダレンズ等のビーム整形手段によって所期する矩形状に整えられる。
【００１６】
光源１から出射されたレーザビームは、平面ミラー２によって反射されて偏向され、さらに平面ミラー３によって反射されて偏向される。ミラー３はミラー移動装置４によって光軸Ｌ上を矢印Ａ方向に移動され、レーザビームをガウシアン分布方向に平行移動させる（詳しくは特開平４−２４２６４４号を参照されたい）。
【００１７】
イメージローテータ５は、イメージローテータ駆動装置６によって光軸Ｌを中心にして回転駆動され、ミラー３によって反射されたレーザビームを光軸Ｌ回りに回転させる（詳しくは特開平６−１１４０８３号を参照されたい）。
【００１８】
円形アパーチャ板７は、角膜の切除領域を限定するために、円形アパーチャ板駆動装置８によって円形の開口領域（開口径）が変化される。また、スリットアパーチャ板９も、角膜の切除領域を限定するために、スリットアパーチャ板駆動装置１０によって矩形のスリット開口領域（開口幅）が変化され、スリット開口の方向も光軸Ｌ回りに回転されて変化される。円形アパーチャ板７やスリットアパーチャ板９は、投影レンズ１５によって患者眼Ｅの角膜Ｅｃ上に投影され、制限した領域が角膜Ｅｃ上に結像して切除領域を限定する。
【００１９】
分割アパーチャ板１１は、シャッタ装置１３との組合せにより、レーザビームの長手方向（Ｘ軸方向）を選択的に分割する。分割アパーチャ板１１を光源１側から見ると、図３（ａ）に示すように、略同じ大きさ及び形状の円形小アパーチャ１１０が複数（本形態では６個）並んでいる。これら小アパーチャ１１０をシャッタ装置１３の各シャッタ板１３０によって選択的に開閉することにより、細長い矩形のレーザビームの長手方向を選択的に分割して照射することができる。
【００２０】
各小アパーチャ１１０の角膜Ｅｃ側には、図３（ｂ）に示すように、小アパーチャ１１０を通過する際に起こる回折によるレーザビームの強度分布を補正するためのウインドウ部材１１１が取り付けられている。ウインドウ部材１１１は、小アパーチャ１１０側（レーザ光源１側）が平面で角膜Ｅｃ側が非球面の透明な光学部材であり（図４参照）、本形態では材質に合成溶融石英が使用されている。なお、図３（ｂ）は図３（ａ）のＳ方向から見た断面図である。
【００２１】
図５は、ウインドウ部材１１１が無い場合と有る場合でのレーザビームの強度分布の違いを説明する図である。ウインドウ部材１１１が無い場合は、小アパーチャ１１０を通過する際の回折により、中心部分に対して周辺部分の強度が大きくなり、強度分布が略凹状になる。一方、ウインドウ部材１１１が有る場合は、回折による強度分布を補正することにより、中心部分に対して周辺部分の強度を小さくし、強度分布を略凸状にすることができる（強度分布が略均一になるように角膜側の非球面を調整してもよい）。
【００２２】
なお、分割アパーチャ板１１は分割アパーチャ板移動装置１２により、シャッタ装置１３はシャッタ駆動・移動装置１４により、それぞれレーザビームの長手方向（Ｘ軸方向）及びそれに垂直な方向（Ｙ軸方向）に移動可能となっている。また、シャッタ駆動・移動装置１４は、シャッタ装置１３の各シャッタ板１３０の開閉のための駆動制御も行う。なお、シャッタ板１３０の開閉は、図のような回転による開閉の他、スライドさせて行うようにしてもよい。
【００２３】
１６は１９３ｎｍのエキシマレーザビームを反射して可視光及び赤外光を透過する特性を持つダイクロイックミラーである。レンズ１５を経たレーザビームは、ダイクロイックミラー１６によって反射されて偏向され、角膜Ｅｃへ導光される。１７は双眼の顕微鏡を持つ観察光学系であり、ダイクロイックミラー１６の上方に位置する（観察光学系１７については、本発明と関係がないので説明は省略する）。１８ａは赤外光を反射して可視光を透過する特性を持つダイクロイックミラー、１８ｂは平面ミラー、１９は患者眼Ｅの位置を検出する眼位置検出光学系である（眼位置検出光学系１９については、詳しくは特開平９−１４９９１４号等を参照されたい）。
【００２４】
２０は装置全体を制御する制御装置であり、光源１、移動装置４、駆動装置６、駆動装置８、駆動装置１０、移動装置１２、駆動・移動装置１４等を制御する。２１は角膜の切除データ等を入力するためのデータ入力装置である。
【００２５】
次に、以上のような構成を持つ装置における屈折矯正手術の際の動作について説明する。
【００２６】
まず、屈折矯正手術用の切除データ（切除量データ）の算出方法について、図６及び図７に基づき、近視矯正の場合を例にとって説明する。切除データは、角膜形状測定による角膜曲率半径と等価正視角膜屈折力を変換した角膜曲率半径とから算出される（これらの求め方については、詳しくは特開平１１−３４２１５２号を参照されたい）。
【００２７】
角膜形状測定による角膜曲率半径からは、術前の角膜形状データが三次元形状として求められる。また、等価正視角膜屈折力を変換して得られる角膜曲率半径からは矯正目標の（術後の）角膜形状データが求められる。そこで、この両者の差から全体の切除データを算出する。すなわち、図６（ａ）に示すように、切除領域を示すオプチカルゾーン７０の範囲における差の最大量Δｈ１分だけ、術前の角膜形状データ７５に対して矯正目標の角膜形状データ７１を下方へシフトする（角膜形状データ７１'）。この移動後の高さ分布データが全体の切除データ７２となり、図６（ｂ）に示すように高さ分布の三次元形状データ７２'として得ることができる。なお、このときの切除データはスムージング処理を施しておくことが好ましい。
【００２８】
なお、本形態のように等価正視角膜屈折力を使用しない場合は、角膜形状測定から求まる術前の角膜形状データから矯正屈折力（自覚測定等から得られる屈折力値に基づいて決定される）データから求まる術後に予定する角膜形状データを除くことにより、切除データを求めることができる。
【００２９】
全体の切除データ７２が得られたら、球面成分の切除データを算出する。例えば、全体の切除データ７２の三次元形状データ７２'に対し、その外側に接する球面形状７６の最小曲率半径Ｒ１を求める（図６（ｂ）参照）。この最小曲率半径Ｒ１を持つ球面形状７６が三次元形状データ７２'内に収まるように、Δｈ２分だけ下方へ移動する（球面形状７６'）。この移動後の高さ分布データが球面切除データ７７として決定される。図７（ａ）は全体の切除データ７２（三次元形状データ７２'）から球面切除データ７７を差し引いた残余切除データ７３を示したものである。次に、これから柱面成分の切除データを算出する。
【００３０】
柱面成分の切除データの算出に当たり、その軸角度方向Ａを決定する。これは、全体の切除データ７２の形状から各座標位置での角膜曲率半径の分布データを作成し、これから一番フラットな曲率の方向を求めることにより決定できる。図７（ａ）では軸角度方向Ａを０°方向として描いている。
【００３１】
次に、図７（ａ）に示す残余切除データ７３の形状に対し、軸角度方向Ａを基準にして内側に接する円柱形状７８の最大曲率半径Ｒ２を求める。この最大曲率半径Ｒ２を持つ円柱形状７８の高さ分布データが柱面切除データ７９として決定される。図７（ｂ）は、先の残余切除データ７３から柱面切除データ７９を差し引いた残りのものを示し、これが不正乱視成分（非対称成分）の切除データ７４として決定される。
【００３２】
以上、近視矯正の場合を例にとって説明したが、遠視矯正での球面成分、柱面成分の各切除データは、中央部に対して周辺部の切除量が多くなるような形状として、同様な考えで求めることができる。
【００３３】
また、以上は対称成分と非対称成分との切除データ算出方法の一つの例であり、この他種々の方法でこれらを算出することができる。例えば、上記のように乱視軸角度方向Ａが得られたら、全切除形状データを高さ方向に、例えば、２μｍ単位で分解した断層形状を求め、軸角度方向Ａを考慮した内接円を各断層面に対し順次求めることで、球面，非球面成分を求めることができ、その切除データを求めることができる。全切除データから回転対称成分である球面，非球面成分や線対称成分である柱面成分の切除データを除いたものが、非対称成分の切除データとして算出できる。
【００３４】
なお、オプチカルゾーン７０の全領域について最大切除量が角膜切除の許容量を超えるときは、許容量内に収まるようにオプチカルゾーン７０の領域を狭くして、切除量を補正する。
【００３５】
このように算出された球面成分（非球面）、柱面成分、不正乱視成分の各切除データは、入力装置２１の入力により、制御装置２０内のメモリに記憶される。また、上記データに対する患者眼Ｅの瞳孔中心位置も入力される。制御装置２０は、入力された切除データに基づいて角膜Ｅｃの各座標上のレーザ照射パルス数、照射パワーを決定し、これに従ってレーザ照射を制御することによって屈折矯正手術を行う。
【００３６】
入力装置２１によって切除データ及び瞳孔中心位置が入力されると、次に、手術の基準位置となる眼の原点位置を決めるため、患者眼Ｅの瞳孔中心を求める。瞳孔中心の求め方は、眼位置検出光学系１９に備えられた図示なきＣＣＤカメラで撮影された前眼部像に基づき、瞳孔の略中心位置を通る水平線が瞳孔のエッジと交わる２点の中点を通り垂直方向に伸ばした線と、瞳孔の略中心位置を通る垂直線が瞳孔のエッジと交わる２点の中点を通り水平方向に伸ばした線と、の交点でもよいし、その他の方法、例えば、瞳孔の重心から求める方法でもよい。また、単純に、術者が手術顕微鏡で瞳孔を観察し、瞳孔の中心を決定してもよい。切除データに対する瞳孔中心位置と眼位置検出光学系１９によって得られた瞳孔中心位置とを一致させて、球面（非球面）成分、柱面成分、不正乱視成分の各切除データに基づき、制御装置２０は次のように各駆動装置、移動装置を制御して角膜Ｅｃの切除を行う。
【００３７】
球面（非球面）成分の切除データに基づく球面（非球面）の近視矯正の場合、円形アパーチャ板７によってレーザビームを制限し、ミラー３を順次移動してレーザビームをガウシアン分布方向に移動する。そして、レーザビームが１面を移動し終わる（１スキャンする）毎に、レーザパルスとイメージローテータ５の回転のタイミングをずらしてレーザビームの移動方向を変更し（例えば、１２０度間隔の３方向）、円形アパーチャ板７によって制限された領域を略均一に切除する。これを円形アパーチャ板７の開口領域の大きさを順次変える毎に行うことにより、角膜の中央部を深く、周辺部を浅くした球面（非球面）成分の切除を行うことができる。
【００３８】
柱面成分の切除量データに基づく乱視矯正の場合は、円形アパーチャ板７の開口領域の大きさはオプチカルゾーンに合わせて固定し、スリットアパーチャ板９の開口幅を変えていく。また、スリットアパーチャ板９はそのスリット開口幅が強主経線方向に変化するように駆動装置１０によってスリット開口の方向を調整しておく。レーザビームの照射は、前述の近視矯正の場合と同様に、ミラー３を順次移動してレーザビームをガウシアン分布方向に移動する。そして、レーザビームを１スキャンする毎にレーザビームの移動方向を変更し、スリットアパーチャ板９によって制限された領域を略均一にアブレーションする。そして、スリットアパーチャ板９の開口幅を順次変えながらこれを繰り返すことにより、柱面成分の切除を行うことができる。
【００３９】
なお、対称成分（球面（非球面）成分、柱面成分）を切除する場合は、分割アパーチャ板１１やシャッタ装置１３は光路外に出脱されている。
【００４０】
非対称成分（不正乱視成分）の切除は、移動装置１２及び駆動・移動装置１４によって分割アパーチャ板１１及びシャッタ装置１３をそれぞれ光路中に配置して次のように行う。ミラー３を順次移動すると、角膜Ｅｃ上に照射されるレーザビームはその矩形の長手方向と垂直な方向（ガウシアン分布方向）に移動される。このときシャッタ装置１３の各シャッタ板１３０を選択的に開閉すると、シャッタ板１３０が開いている小アパーチャ１１０を通過するレーザビームのみが角膜Ｅｃ上に照射されるようになる。そして、不正乱視成分の切除データに基づき、ミラー３の移動によるレーザビームの各移動位置で分割アパーチャ板１１（及びシャッタ装置１３）の位置及び各シャッタ板１３０の開閉を制御する。また、各位置での切除量は照射時間や走査数によって制御する。これにより、不正乱視成分の切除を行うことができる。
【００４１】
図８は不正乱視成分の切除方法を説明する図である。小領域に制限されたレーザビームの照射を重ね合せて不正乱視成分を切除しているが、エネルギ分布が略凸状に補正されたレーザビームを使用しているため、重畳部分が深く切除されることを防ぐこともできる。
【００４２】
以上のように、対称成分（球面（非球面）成分、柱面成分）の切除と非対称成分（不正乱視成分）の切除を別々に行うことにより、トータルの手術時間を短縮して効率良く手術を行うことができるようになる。
【００４３】
また、上記の説明では、球面（非球面）成分、柱面成分、非対称成分の順序で切除を行ったが、順序はこれに限らず任意に変えることができる。
【００４４】
なお、以上の実施形態では、slit scan方式の角膜手術装置を例にとって説明したが、one shot方式の角膜手術装置であっても本発明を適用することができる。
【００４５】
また、データ入力装置は、特開平１１−３４２１５２号にあるような角膜切除量決定装置とすることもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、角膜表面の部分的な切除を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である角膜手術装置の光学系及び制御系の概略構成図である。
【図２】エキシマレーザビームの代表的な形状を示す図である。
【図３】分割アパーチャ板及びシャッタ装置の概略構成図である。
【図４】ウインドウ部材の形状を説明する図である。
【図５】ウインドウ部材が無い場合と有る場合でのレーザビームの強度分布の違いを説明する図である。
【図６】角膜の切除データの算出方法を説明する図である。
【図７】角膜の切除データの算出方法を説明する図である。
【図８】不正乱視成分の切除方法を説明する図である。
【符号の説明】
１レーザ光源
３平面ミラー
５イメージローテータ
７円形アパーチャ板
９スリットアパーチャ板
１１分割アパーチャ板
１３シャッタ装置
２０制御装置
２１データ入力装置
１１０円形小アパーチャ
１１１ウインドウ部材
１３０シャッタ板

Claims

角膜の切除データを入力するデータ入力手段と、レーザ光源からのレーザビームを角膜へ導光して照射するための照射光学系とを備え、レーザビームを角膜へ照射して角膜表面を切除データに基づいて所期する形状にアブレーションする角膜手術装置において、レーザ光源からのレーザビームの断面領域を小領域に制限する円形小アパーチャと，該円形小アパーチャを通過する際の回折により変化されるレーザビームの強度分布を補正して中心部分に対して周辺部分の強度を小さくし強度分布を略凸状にする光学部材と，を持つ小アパーチャ光学系と、該小アパーチャ光学系を照射光軸に対して移動する移動手段と、入力された切除データに基づいて前記移動手段を制御して前記小アパーチャ光学系によるレーザビームを重ね合わせて照射して不正乱視成分を切除する制御手段と、を備えることを特徴とする角膜手術装置。