KR101443323B1 - 안구 레이저 수술을 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안구 레이저 수술을 위한 시스템(100)으로서, 눈의 조직, 특히 각막의 절개부 형성에 매칭되는 방사 파라미터들을 갖는 펄스 레이저 방사(pulsed laser radiation)의 소스(110)와, 레이저 방사를 편향시키기 위한 스캐너(160)와, 소정 절개 기하구조에 따라 상기 스캐너를 제어하도록 설정되어 있는 전자 제어 유닛(190)과, 그리고 상기 소스(110)로부터 방출되는 레이저 펄스들을 변조하기 위한 변조기 유닛(170)을 포함한다. 게다가, 상기 제어 유닛(190)은 상기 절개 기하구조에 대해 확립된 빔 편향 패턴에 따라, 상기 빔 편향 패턴의 소정 부분들에서 상기 레이저 펄스들 중 적어도 일부의 레이저 펄스가 감소된 펄스 에너지를 갖거나 또는 억제되게 하는 방식으로, 상기 변조기 유닛(170)을 제어하도록 설정된다.

Description

안구 레이저 수술을 위한 시스템{SYSTEM FOR LASER SURGICAL OPHTHALMOLOGY}

본 발명은 안구(ophthalmic) 레이저 수술을 위한 시스템에 관한 것이다.

굴절(refractive) 안구 수술에서, 눈의 굴절 특성은 시력 결함(sight defects)을 교정할 목적으로 환자의 눈에 대한 개입에 의해 변경된다. 이와 관련하여, 소위 라식 프로세스(LASIK : LASer In-situ Keratomil­eusis)가 엄청난 중요성을 가지며, 여기서 우선 평면 각막 절개(planar corneal incision)가 수행되고, 그결과 작은 커버 디스크(cover disc) 즉, 플랩(flap)이 발생한다. 상기 플랩은 아래에 놓이는 각막 조직, 기질(stroma)을 노출시키기 위해 옆으로 폴딩된다(folded). 그 다음에, 기질 조직이 개별 환자에 확정된 삭마 프로파일(ablation profile)에 따라 레이저(보통 엑시머 레이저)로 삭마된다. 이후, 상기 플랩은 백 폴딩되며(folded back); 상대적으로 빨리 상처가 치료된다.

LASIK의 코스에서의 플랩 절개를 수행할 목적으로, 이전에 사용된 기계적 마이크로 케라토미(microkeratome)는 최근에 fs 레이저 즉, 펨토세컨드(femtosecond) 범위에서의 펄스 지속시간(duration)으로 펄스 레이저 방사(pulsed laser radiation)를 발생시키는 레이저에 의해 대체되고 있다. 조직 내부(intra-tissue)의 절개를 위하여, 레이저 방사는 각막의 투과성 파장 즉, 약 대략 300㎚ 내에 놓여야 한다. 동시에, 빔 포커스의 에너지 밀도는 광학적 돌파(breakthrough), 소위 광파괴(photodisruption)를 생성하기에 충분히 커야한다. 그것의 유효 영역은 국지적으로 포커스 직경에 한정된다. 납작한(flat) 절개를 위하여, 따라서 빔 포커스는 요구된 절개 표면(surface) 또는 절개면(plane)에서 보통 오버랩하는(overlapping), 복수의 가까이 인접한 점들의 위로 특별한 스캔 패턴을 따라 연속적으로 이동해야 한다.

레이저 절개의 장점은, 마이크로 스칼펠(microscalpel)로 기계적으로 수행되는 각막 절개와 비교하여, LASIK 수술 및 절개가 각막에 도입되어야 하는 다른 치료법에서의 펨토세컨드 레이저 사용의 확산을 증가시키는 결과를 가져온다.

펨토세컨드 레이저에 의해 납작한 절개를 수행할 때, 대개의 경우에 절개는 가까이 인접한 펨토세컨드 마이크로 파괴(microdisruptions)의 엄밀히 정의된 정렬에 의해 달성된다. 이와 관련하여, 빔 포커스는 예를 들면 생성될 플랩 절개의 평면에서의 미앤더링(meandering)의 서펜타인(Serpentine) 경로(소위, 라인 스캔)를 따라 안내된다. 이것은 플랩의 소위 베드(bed)를 절단한다. 다음에, 최종 가장자리(marginal) 절개가 플랩의 요구된 경계(edge)에 따라 수행된다. 이런 방식으로 플랩의 경계가 정의된다.

개별 레이저 펄스는 요구된 지점에서 예를 들면 미러 스캐너에 의해 빔 방향에 수직이 되는 평면(보통 x-y 방향으로서 나타내는)에 정밀하게 포지셔닝된다. 미러 스캐너의 대안으로서, 예를 들면 레이저 빔의 요구된 x-y 편향을 야기하기 위해 크리스탈(crystal) 스캐너가 사용될 수 있다.

fs 레이저 방사로 만들어지는 절개의 품질은 펄스 에너지, 포커스 직경, 포커스 면, 및 인접한 포커스 위치들의 간격(스폿들)과 같은 관련된 파라미터들의 정확한 순응에 의해 영향을 받는다. 이런 파라미터들은 여러가지 타입의 절개 가이던스(guidance)에 대해 개별적으로 적절히 최적화될 수 있다. 플랩 절개의 경우에, 예를 들면 절개 가이던스의 2개 형태들, 즉 예를 들면 선형 스캔 경로들에 의해 교번 운동 방향과 평행으로 크게 배열되는 플랩 베드를 컷팅하고 후자를 커버하는 플랩 베드 절개 그리고 기질로부터 플랩의 분리에 빈번히 필요한 주변 가장자리 절개 사이에 구별이 만들어질 수 있다.

레이저 빔이 이동되는 스캔 경로의 코스는 때때로 스캔 경로에 따른 각 지점에서 무열(냉)(athermal(cold)) 광파괴의 요구된 발생을 위해 최적일 수 없다. 상기 경로의 코스에 의존하여, 레이저 스폿의 국소 집중이 발생할 수 있다. 예를 들면, 플랩의 베드가 컷팅되어야 하는 라인 스캔을 측정하는 경우에, 개별 라인 세그먼트들의 역만곡부들(reversing bends)의 영역에서 길이의 단위당 또는 표면적의 단위당 스폿들의 축적은 직선 경로 세그먼트들의 영역에 있는 스폿들의 수와 비교하여 발생할 수 있다. 이런 축적 또는 집중은 스캔 방향이 반전되는 전환 지점들에서, 특히 미러 스캐너가 사용될 때, 스캐너의 관성(inertia) 때문이다. 다음에 인접한 포커스 지점들은 아마 더이상 서로로부터 명료하게 분리되지 않지만 에너지의 과잉 국소 방사의 결과로서 각막 조직에 대한 열손상이 더이상 배제할 수 없게 서로 그렇게 가깝게 안착된다. 그럼에도 불구하고, 플랩의 잔여 영역, 다시 말해서 실제 베드(actual bed)에 대해, 선택된 빔 파라미터들로의 절개 결과는 최적일 수 있다.

결국 본 발명의 목적은 쇼트 펄스 레이저 방사에 의해 안구 조직에 절개를 형성할 때 안구 조직에 대한 원치않는 열손상의 위험이 감소될 수 있는 장치에 관하여 해결책을 형성하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 안구 수술을 위한 시스템으로서, 눈의 조직, 특히 각막의 절개 수행에 적합한 방사 파라미터들을 갖는 펄스 레이저 방사(pulsed laser radiation)의 소스와, 레이저 방사를 편향시키기 위한 스캐너와, 소정 절개 기하구조에 따라 상기 스캐너를 제어하도록 설정되어 있는 전자 제어 유닛과, 그리고 상기 소스로부터 방출되는 레이저 펄스들을 변조하기 위한 변조기 유닛을 포함한다. 본 발명에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 절개 기하구조에 대해 확립된 빔 편향 패턴에 따라, 상기 빔 편향 패턴의 소정 부분들에서 레이저 펄스들 중 적어도 일부의 레이저 펄스가 감소된 펄스 에너지를 갖거나 또는 억제되게 하는 방식으로, 상기 변조기 유닛을 제어하도록 더 설정된다. 따라서, 본 발명은 레이저 빔의 스캔 경로에 따라, 상기 경로의 코스에 기인하는, 그렇지않으면 일정한 방사 파라미터들로, 증가된 지역-특정(area-specific) 에너지 입력이 발생할 수 있는 영역들이 있다는 인식(perception)을 그 시작점으로서 취한다. 본 발명은 상기 스캔 경로의 소정 영역들에서 적당한 에너지 변조 또는 선택된 레이저 펄스들의 블랭킹에 의해 상기 지역-특정 에너지 입력을 목적을 갖고 저하시킴으로써 이로부터 초래하는 열손상의 위험의 영향을 없앤다. 에너지 변조 또는 블랭킹은 문제의 경로 영역에 있는 각 펄스에 또는 일부의 펄스들에만 적용될 수 있다. 예를 들면, 문제의 경로 여역에서 매 제2의, 매 제3의 또는 일반적으로 매 n번째 펄스만을 블랭킹할 수 있다. 블랭킹은 문제의 레이저 펄스가 완전히 블록킹되거나 또는 적당히 편향되어 흡수되는 것을 의미하며, 그결과 실질적으로 눈의 조직에 도달하는 것이 없다. 그러나, 블랭킹(마스킹) 대신에, 선택된 펄스들의 에너지 감쇠가 또한 취해질 수 있으며, 그결과 문제의 펄스가 눈의 조직에 도달하더라도 이들은 스캔 경로의 나머지 부분들에 위치하는 펄스들의 에너지와 비교하여, 목적을 갖고 저하된 펄스 에너지로 이것을 행한다. 그런 에너지 감소는 경로 영역에 관련된 모든 펄스들에 대해 동등하게 적용될 수 있으며, 예를 들면 모든 관련된 레이저 펄스들은 실질적으로 동일한 에너지 레벨로 저하되거나 또는 관련된 레이저 펄스들은 다른 정도로 적어도 부분적으로 변조될 수 있다

선택된 펄스들이 블랭킹되거나 에너지-변조되는지의 여부와 관계없이, 소스/ 및/또는 스폿 사이즈(포커스 직경)로부터 방출되는 레이저 펄스들의 반복률(repetition-rate)과 같은 방사 파라미터들은 우선적으로 변경되지 않고 유지된다.

제어 유닛에 의한 변조기 유닛의 제어는 위치-의존 방식으로, 예를 들면 빔 포커스가 현재 배치되는 스캔 경로에 따른 또는 빔-편향 패턴에 따른 위치 또는 영역에 의존하여 유리하게 수행된다.

대안적으로 또는 부가적으로, 상기 제어는 언급된 속도의 변화로 - 즉, 가속 - 또는 레이저 방사의 펄스 에너지로 눈의 조직에 관한 레이저 방사의 속도와 관련하여 취해질 수 있다.

이런 방식으로, 레이저-빔 포커스에 관련한 정보에 의존하여, 방출되는 펄스 에너지를 적당히 눈의 조직에 채용하는 것이 가능하다. 언급된 바와 같이, 이것은 위치(location)-의존 또는 포지션(position)-의존 방식으로 행해질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 예를 들면 레이저 빔 포커스의 속도 프로파일과 같은 빔-편향 패턴에 할당되는 모션의 패턴에 의존하여, 또는 스캐너 유닛 또는 다른 시스템 컴포넌트들에 의해 이용가능할 수 있는 정보에 의존하여 적당한 변조가 부가될 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 빔 편향 패턴은 나란히 직선으로 연장하는 복수의 라인 경로들 및 인접한 라인 경로들의 쌍에 각각 말단으로 접속하는 복수의 역만곡부들(reversing bends)을 갖는 서펜타인(Serpentine) 패턴을 포함한다. 이와 관련하여, 제어 유닛은 적어도 일부의 레이저 펄스들의 에너지 감소 및/또는 블랭킹을 위해 상기 역만곡부들 중 적어도 일부의 역만곡부의 영역에서 상기 변조기 유닛을 제어하도록 설정되어 있다.

실질적으로 평행하게 나란히 연장하는 복수의 일직선의 라인 경로들로 구성되는 타입의 빔-편향 패턴의 경우에, 약 180°만큼의 모션의 방향 반전은 절개 기하구조의 가장자리 영역들에서 발생한다. 여기서 역만곡부들로서 지정되는, 빔 편향 패턴의 이런 지점들에서, 스캔 속도의 지연은 스캐너에서 고유한 관성에 의해 발생한다. 실질적으로 일정한 레이저 소스의 반복률이 주어지면, 예를 들면 실질적으로 일정한 레이저 방사의 펄스 속도가 주어지면, 스캔 속도의 감소의 경우에, 표면적의 단위당 눈의 조직내로 증가된 에너지 입력이 발생한다. 제어 유닛에 의해 야기되는 개별 펄스들 또는 전체 펄스 트레인들의 블랭킹 및/또는 역만곡부들의 영역에서 개별 펄스들의 에너지의 감소는 아마 증가된 에너지 입력으로 초래하는 해로운 열적 부하의 영향을 없앤다.

납작한 절개는 미앤더링 라인 스캔 뿐만 아니라 소위 나선 스캔으로 생성될 수 있다. 이런 경우에, 포커스는 나선 경로를 따라 이동된다. 회전 빔 편향의 일정한 펄스 반복률 및 일정한 각속도가 주어지면, 연속적인 포커스 위치들 간의 경로 간격은 나선 경로의 방사상으로 내부 브랜치를 향해 감소된다. 이것은 표면적당 증가된 에너지 입력에 대응한다. 증가된 에너지 입력에 의해 발생할 수 있는 어떤 가능한 열손상을 방지할 목적으로, 다른 바람직한 실시예는 빔 편향 패턴이 나선형 패턴을 포함하도록 제공되며, 제어 유닛은 나선형 패턴의 내부 브랜치에 방사상으로 향하는 적어도 일부의 레이저 펄스들의 에너지 감소 및/또는 블랭킹을 위해 변조기 유닛을 제어하도록 설정되어 있다.

종합적으로, 미앤더링 선형 절개 가이던스는 나선 스캔과 비교하여 상당히 더 자유롭게 선택가능한 절개 기하구조의 장점을 제공한다. 예를 들면 수차의 경우에 표시된 바와 같은 타원형 플랩 절개의 준비는 나선 모양 절개 가이던스로 증가된 제어 노력으로만 마이크로 파괴의 대략 균일한 표면 밀도로 실현될 수 있다.

일실시예는 변조기 유닛이 가변 회절 능력을 갖는 광학 격자 소자를 포함하는 것을 제공한다. 상기 회절은 레이저 빔을 완전히 블랭킹할 수 있는 - 예를 들면 선택적으로 제공되는 빔 덤프내로 그것을 완전히 편향시킴으로써 - 또는 빔 경로의 에서 빔의 일부분만을 회절시킬 수 있는 격자 컴포넌트에 의해 야기되며, 이런 식으로 빔에 의해 눈의 조직에 또는 눈의 조직내로 야기되는 에너지를 감소시킨다.

변조기 유닛은 바람직하게 음향광학 또는 전기광학 변조기를 포함한다. 그런 타입의 변조기로, 동일 위치에서의 수개의 레이저 방사 펄스들의 원치않는 국소 중첩을 방지하기 위해, 레이저 방사는 예를 들면 매우 빨리 정의된 짧은 시간 간격으로 중단될 수 있다. 대안적으로, 레이저 방사의 중단 또는 개별 또는 수개의 레이저 펄스들의 블랭킹 대신에, 레이저 방사 파워 또는 펄스 파워의 고의적인 개조가 취해질 수 있다. 다시 말해서, 2개의 포지션들을 갖는 스위치에 대응하는, (이상적인) 키잉(keying)/블랭킹 대신에, 변조기에 의한 회절 능력의 변경에 의해, 회절 능력과 관련하는 복수의 제어 포지션들, 따라서 궁극적으로 눈의 조직으로 방출되는 에너지가 흡수될 수 있다. 이와 관련하여, 여러가지 실용적인 결합, 예를 들면 회전 능력과 빔 포커스 사이에 빔 포커스의 순간 속도 또는 빔 포커스 속도의 변화 즉, 가속이 제공될 수 있다.

제어 유닛은, 빔 편향 패턴의 적어도 하나의 소정 섹션에서 변조기 유닛이 상기 섹션에 위치한 수개의 레이저 펄스들의 각각을 블랭킹하거나 또는 빔 편향 패턴의 다른 섹션들에서의 펄스 에너지와 비교하여 수개의 레이저 펄스들의 각각의 펄스 에너지를 감소시키는 방식으로, 상기 변조기 유닛을 제어하도록 설정되어 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 제어 유닛은, 빔 편향 패턴의 적어도 하나의 소정 섹션에서 변조기 유닛이 적어도 하나의 제1 레이저 펄스를 교대로 연속하여 블랭킹하거나 또는 적어도 하나의 제1 레이저 펄스의 펄스 에너지를 감소시키고 빔 편향 패턴의 다른 셕션들에서의 펄스 에너지와 비교하여 적어도 하나의 제2 레이저 펄스의 펄스 에너지를 변경되지 않게 유지하는 방식으로, 변조기 유닛을 제어하도록 설정되어 있다.

본 발명은 첨부된 도면들을 기초로 하기에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 안구 레이저 수술을 위한 본 발명에 따른 개략적인 예시적인 실시예이고,
도 2는 플랩 절개를 위한 제1의 예시적인 스캔 패턴이고,
도 3은 플랩 절개를 위한 제2의 예시적인 스캔 패턴이며, 그리고
도 4는 플랩 절개를 위한 제3의 예시적인 스캔 패턴을 나타낸다.

100에 의해 일반적으로 나타낸, 개략적인 블록 표현의 도 1에 도시된 시스템은 환자의 눈에 조직내(intra-tissue) 절개의 생성에 적당한 레이저 시스템이다. LASIK 플랩을 생성하기 위한 각막내(intracorneal) 플랩 절개가 가능한 것이고, 레이저 시스템(100)이 적당한 절개의 바람직한 예이다. 그러나, 레이저 시스템(100)으로 눈의 조직 절개의 다른 형태를 생성하기 위해 실행되지 않는다.

레이저 시스템(100)은 자유 실행 방식으로 펨토세컨드 범위내의 지속과 한정된 반복률의 레이저 펄스들을 방출하는 레이저 발진기(110)를 포함한다. 레이저 발진기(110)는 예를 들면 고체상태 레이저 발진기, 특히 섬유 레이저 발진기일 수 있다. 레이저 발진기(110)에 의해 방출된 펄스들은 펄스들의 파워를 증가시키는 프리앰프 장치(120)를 통과한다. 동시에, 프리앰프(120)는 펄스들의 시간적 스트레칭(temporal stretching)을 야기한다. 그런 방식으로 미리 처리된 레이저 펄스들은 다음에 소위 펄스 피커(picker)(130)에 의해 이들의 반복률로 감소된다. 레이저 발진기(110)는 예를 들면 10㎒ 속도 이상의 펄스들을 제공한다. 이 속도는 예를 들면 펄스 피커(130)의 보조로 200㎑로 감소된다. 그런 방식으로 이들의 반복률로 감소되어진 펄스들은 파워 증폭기(140)에 입력되며, 여기서 파워 증폭기는 상기 응용에 필요한 여전히 일시적으로 확장된 펄스들의 펄스 에너지를 발생시킨다. 이런 방식으로 증폭되어진 펄스들이 최종 펄스 압축기(150)에 공급되기 이전에, 이들은 보통 1 피코세컨드(picosecond)의 펄스 길이를 가지며, 이 펄스는 최종 펄스 압축기(150)에 의해 발진기(110)의 그리고 증폭기 미디어의 대역폭에 의해 만들어지는 예를 들면 500fs 이하의 쇼트 fs 펄스 폭으로 다시 압축된다. 최종 펄스 압축기(150)의 경우에, 예를 들면 격자 압축기의 쟁점이 될 수 있다.

컴포넌트들(110, 120, 130, 140 및 150)은 본 발명의 경우에 레이저 소스로서 서로 취해진 것으로 간주될 수 있다.

이런 방식으로 발생된 연속의 fs 레이저 펄스들은 순차적으로 예를 들면 음향광학 변조기 또는 전기광학 변조기의 형태를 취하는 펄스 변조기(170)를 통과한다. 일반적으로 펄스 변조기(170)는 레이저 펄스들의 에너지의 급속 블랭킹 또는 변조할 수 있는 임의의 광학적 활성 소자를 포함할 수 있다. 음향광학 변조기는 대략 10 ㎲ 내지 100㎲의 오프-시간으로 예를 들면 10㎲미만, 예를 들면 2㎲까지의 스위칭 시간들을 제공한다.

도 1의 펄스 변조기(170)에 할당된 것은 빔 덤프(beam dump)(180)이며, 빔 덤프는 처리될 타겟에 도달하지 않는 블랭킹될 어떤 가능한 펄스들을 흡수하는 역할을 한다. 블랭킹될 펄스들은 빔 덤프(180)에서 펄스 변조기(170)에 의해 편향될 수 있고, 그결과 이들은 더이상 타겟에 지향되는 레이저 빔의 추가 빔 경로에 포함되지 않는다.

변조기(170)의 다운스트림에서 레이저 빔은 여기서 공통 블록으로서 개략적으로 나타내고 소정 스캔 패턴 또는 빔 편향 패턴에 따라 빔 방향에 수직인 평면(x-y 평면)으로 레이저 빔을 편향시켜서, 빔 방향(z-방향)의 요구된 목적지로 빔을 포커싱하는 스캐닝 및 포커싱 장치(160)에 도달한다. 눈 치료의 경우에, 목적지는 안구 조직에, 특히 각막 조직에 놓여진다. 연속적인 레이저 펄스를 위해 빔 편향 패턴은 x-y 평면에서 각 펄스의 위치를 한정한다. 다시 말해서, 궁극적으로 요구된 절개를 달성하기 위하여, 레이저 빔이 이동되어야 하는 하나의 경로(또는 수개의 경로들)를 확립한다.

스캐닝 및 포커싱 장치(160)는 예를 들면 빔 스캐닝을 위해 상호 수직한 축들을 중심으로 선회할 수 있는, 검류계로 측정하여 동작되는 편향 미러들 및 빔 포커싱의 목적을 위한 f-쎄타 대물렌즈를 갖는 x-y 미러 스캐너를 포함할 수 있다.

펄스 변조기(170) 그리고 스캐닝 및 포커싱 장치(160)는 프로그램 제어되는 제어 유닛(190)과 결합된다. 후자는 어떤 상세로 나타내지 않은 프로그램 메모리에 제어 프로그램을 포함하며, 제어 프로그램은 제어 유닛(190)에 의한 실행이 펄스 변조기(170)의 제어와 스캐닝 및 포커싱 장치(160)의 제어를 초래하며, 요구된 타겟 평면으로 포키싱되는 레이저 빔이 요구된 빔 편향 패턴에 대응하는 방식으로 타겟 평면에 걸쳐 이동되며, 제어 프로그램에서 정의되는 빔 편향 패턴의 소정 부분들에서, 적어도 일부의 레이저 펄스들이 펄스 변조기(170)에 의해 에너지에서 약화되거나 또는 완전히 블랭킹된다.

도시되는 예시적인 경우에, 스캐닝 및 포커싱 장치(160)에 의해 출력되는 레이저 빔은 사람 눈(302)의 각막(300)으로 지향되고, 각막내(평면 또는 비평면) 절개면(304)에서 그것의 포커스로 가이드된다. 이 절개면(304)은 눈(302)의 제공된 양식화된 부분적인 표현에서 라인으로서 나타낸다. 절개 가이던스 및 또한 절개 가이던스와 관련한 변조기(170)의 동작 모드의 상세한 설명은 도 2의 하기의 설명으로부터 얻어진다.

도 2는 제1 플랩 절개 스키마(schema)(305)에 따른 플랩 절개가 수행되어야 하는 사람 각막(300)의 상세를 도시한다. 플랩 절개 스키마(305)는 단지 개략적으로 나타내고, 특히 특정 환경하에서 사이즈 비율은 실제 비율에 대응되지 않는다. 부가적으로, 플랩 절개 스키마(305)는 전체의 명료하게 이해할 수 있게 표현을 유지하기 위하여 단지 부분적으로 표시된다.

플랩 절개를 수행할 목적으로, 레이저 펄스는 원에 의해 예시되는 각막(300)의 지점들(310, 315)에 포커싱되며, 그결과 마이크로 파괴가 발생한다. 시스템(100)에 의해 발생된 레이저 방사는 고속 스캐너에 의해 각막(300)의 표면 위로 가이드된다. 일반적으로, 각막은 최초의 근사로 구형으로서 지시될 수 있는 표면 만곡을 나타낸다. 플랩 절개의 수행을 위하여, 예를 들면 부착물에 대한 압착 또는 흡인에 의해 취급될 각막의 표면을 평평하게 하는 것이 전통적이다. 펨토세컨드 레이저 방사의 포커싱은 눈의 시각의 축과 실질적으로 수직으로 연장하는 평면(304) 내에서 초래되고(도 1 참조), 그결과 실질적으로 균일한 플랩 두께가 발생한다. 레이저 빔은 정의된 경로 곡선들을 따라 상기 평면내로 가이드된다.

절개 스키마(305)의 제1 부분에서 평탄한 플랩 베드 절개가 생성된다. 이것을 위해, 레이저 빔은 모션(335)의 제1 방향으로 실질적으로 일직선의 스캔 경로(320)를 따라 가이드되며, 요구된 플랩 절개 반경을 초과할 때, 모션의 방향을 모션(345)의 제2 방향으로 변경하고, 실질적으로 제1 스캔 라인(320)에 평행한 일직선의 라인을 따라 그리고 제1 스캔 라인(320)으로부터 정의된 간격(325)으로 다시 가이드되며, 그결과 플랩 절개의 전체 표면은 모션(335, 345)의 교번 방향들로 격자의 형태로 또는 미앤더링 형태로 스캐닝된다.

라인들(320)에 따른 펄스 속도와 스캔 속도가 일정하게 유지되기 때문에, 개별 스캔 라인들(320)내에서 포커스 위치들(315)은 간격(327)으로 사실상 등거리 방식으로 서로 정렬된다. 개별 스캔 라인들(320)은 전체에서 2차원 절개가 발생하는 식으로 스캔 라인 내의 개별 포커스 위치들(315)의 간격(327)과 함께 서로 간격(325)으로 제공된다. 플랩 절개 패턴의 역만곡부들(330) 내의 가장자리들에서 레이저 빔의 모션의 방향은 예를 들면 대략 180° 만금 변화한다. 이런 역만곡부들(330)에서 레이저 빔과 각막 표면 사이의 지연된 상대 속도는 스캐너의 관성의 이유에 의해 초래되며, 그결과 많은 포커스 위치들(315)이 국소적으로 서로 가깝게 또는 일치하게 안착된다. 이것은 스캔 루트 섹션들(320)에 따른 포커스 위치 간격(327)과 비교되는 역만곡부들(330)내의 포커스 위치 간격(322)이 명백히 작음을 보여준다. 이런 영역들(330)은 필연적으로 잠재적인 열손상을 받게 된다.

플랩 절개를 완료할 목적으로, 라인들(320)에 의해 나타낸 표면 절개 후, 예를 들면 실질적으로 원형의 경로(340)를 따른 가장자리 절개가 수행된다. 가장자리 절개를 위해, 서로 다른 포커스 밀도가 요구되거나 또는 예를 들면 플랩 베드의 포커스 밀도와 비교하여 유리할 수 있다. 상대적으로, 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서 가장자리 절개 경로 곡선(340)에 따른 포커스 위치들(310)의 간격(324)은 실질적으로 선형의 경로 곡선들(320)에 따른 포커스 위치들의 간격(327)보다 작다. 가장자리 절개(340)는 절단된 각막 영역을 분리하여 그것을 위쪽으로 폴딩하는 코스에서의 (플랩) 힌지로서 역할을 수행하는 지점(350)에서 중단된다. 위쪽으로의 폴딩 코스에서, 라인(340)에 따른 잠재적으로 열적으로 손상된 영역들(330)은 절단되고, 다음에 플랩의 외부에 안착된다.

역만곡부들(330)에서의 전술한 열손상을 감소시키기 위하여 본 발명에 따른 제1 가능성은 포커스 위치들이 (초기에 가상의) 가장자리 절개 라인(340)의 범위 밖에 있다면 음향광학 변조기(170)의 적당한 구동에 의한 각막에 대한 레이저 방사의 방출 중단에 있다.

이런 상황은 역만곡부(334)에서 나타난다. 각각 각막(300)에 쏠릴 수 있거나 또는 트리거될 수 있는 영역(334)에서 이런 포커스 위치들(315) 및 관련 마이크로 파괴는 채워지지 않은 원들로서 표현된다. 이런 예시적인 실시예에서, 변조기(170)를 통과하는 레이저 빔 경로는 플랩의 경계 외부의 영역에서 블록킹되며, 그결과 펄스들이 각막(300)을 때리지 않는다. 레이저 펄스들의 이런 블랭킹은 예를 들면 스캐너 유닛(160)에 의해 이용가능할 수 있는 위치 신호, 속도 신호 또는 가속 신호에 의존하는 식으로 초래될 수 있다. 그러나, 적당한 경우에, 신호들의 발생 및/또는 준비는 또한 스캐너와 독립적인 다른 모듈들 또는 컴포넌트들에 의해 초래된다. 더욱이, 블랭킹은 적당한 경우에 또한 레이저 빔 가이던스의 단지 시간의 제어 또는 프로그래밍에 의해 또는 다른 적당한 신호들을 고려함으로써 초래될 수 있다. 이런 측정에 의해, 도 2에서 이해될 수 있는 바와 같이, 가장자리 영역(334)은 레이저 빔에 의해 유도되는 마이크로 파괴로부터 완전히 자유롭게 유지되며, 이런 영역에서의 열손상은 제외된다.

대안적으로 사용될 수 있는, 또는 적당한 경우에 상기 제공된 가능성과 조합하여, 열손상을 방지하기 위한 하나의 방법은 각막에서의 절개의 가이던스 코스에서의 개별 펨토세컨드 펄스들의 에너지의 변조에 있다. 이것은 도 2에서 반전 영역(332)으로 표현된다. 대신에, 영역(334)에서와 같이, 요구된 범위내의 실질적으로 대략 통계 평균으로 개별 포커스 위치들의 국소 밀도를 유지하여, 영역(332)에서 상기 에너지는 마이크로 파괴에 의해 포커스 위치들(317)의 형태로 개별 레이저 펄스들에 의해 각막에 방출되게 감소된다. 표현의 목적으로, 레이저 방사의 포커스 위치들을 나타내는 원들은 유사한 반경의 원들(317)로서 나타낸다. 낮은 에너지의 방출을 얻을 목적으로, 음향광학 변조기(170)는 온 상태에서 절대적인 오프 상태로 전환되지 않는다. 오히려, 원리에서, 펨토세컨드 펄스들의 트레인의 각 펄스에 대해, 개별 펄스 에너지는 사이즈와 연속성에 있어서 실제 응용에 채용될 수 있게 설정되어질 수 있다. 이런 이유로, 전환 시간은 약 1 ㎒까지의 반복률로 개별 임펄스들을 변조할 수 있게 실현된다. 이런 경우에, 플랩 절개 영역의 외부에 놓이는 펄스들에 대해, 변함없이 낮은 펄스 에너지가 설정되거나 또는 조절된다. 그러나, 또한 펄스 에너지 전진(progression)은 가정할 수 있는 또는 실제 속도 전진 또는 가속 전진에 채용된다고 상상할 수 있다. 더욱이, 플랩 베드 외부가 아닌 가장자리 절개 내에 역만곡부(332)를 배치하는 것을 상상할 수 있으며, 이런 식으로 실제 가장자리 절개 영역 이상의 스캐닝을 생략함으로써 전체 플랩 절개의 시간적 단축을 얻는 것을 상상할 수 있다. 도 2에 나타낸 플랩 절개 스키마(305)와 관련하여, 임의의 플랩이 실현되어야 하는 형상이 되는 것이 가능하며, 이는 특히 예를 들면 난시와 같은 각막 기하구조의 고위 수차(higher-order aberrations)의 경우에 유리할 수 있다.

플랩 절개의 생성의 다른 대안적 형태가 도 3에 도시된다. 플랩 절개 영역의 선형의 미앤더링 스캐닝 대신에, 도 3에 도시된 플랩 절개 스키마(400)의 경우에, 나선 스캔 가이던스가 제공된다. 절개 스키마의 표현은 다시 단지 개략적이고, 예를 들면 사이즈 비율과 간격 비율은 도 2에서와 같이 실제 사이즈가 아니고, 나타낸 스키마의 실상과 다를 수 있다. 더욱이, 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 절개 가이던스는 불완전하다. 특히, 나선 절개의 주변 영역에서 아직 추가의 펄스들은 실제 절개 가이던스의 코스에 위치되어야 한다.

본 예시적인 실시예에서, 절개 가이던스는 각막(300)의 중심 영역(405)으로부터 주변 영역들(430)을 향해 전개하는, 현재의 경우에, 도 3에서 화살표(407)에 의해 표시된 모션의 방향을 따라 시계방향으로 나선 경로(420)를 따라 수행된다.

개별 포커스 위치들(415)은 연속 펄스 속도로 나선 경로(420)를 따라 배치된다. 나선 경로(420)에 따라 스캐너에 의해 발생된 속도 프로파일은 선형 방사 성분 뿐만 아니라 회전 속도 성분으로 구성된다. 일정한 회전 성분(예를 들면, 일정한 걱속도) 및 일정한 방사상의 성분의 경우에, 중심 영역(405)에서 일정한 펄스 속도가 주어지면 확실히 높은 포커스 위치 밀도는 주변 영역들(430)에서보다 경로 곡선(420)을 따라 우세하며, 이는 주변 영역(430)에서의 경로 속도가 일정한 회전 속도에 의해 더 높기 때문이다. 이것은 주변 영역(430)의 포커스 위치 간격(434)과 비교하여 중심 영역(405)의 포커스 위치 간격(432)이 작다고 짐작하고 있다.

플랩 절개 스키마(400)가 상기 장점 - 중심(405)으로부터 주변 영역들(430)로 설명되었된 모션(407) 방향의 경우에, 납작한 플랩 베드 절개가 플랩 경계 절개로 연속적으로 변형될 수 있는 - 을 가지더라도, 한편 각막(300)의 중심 영역에서의 열손상 위험이 있고, 이는 거기서 특별한 단점이 될 수 있다. 또한, 예를 들면 플랩의 주변 경계 영역(430)으로부터 중심 영역(405)내로 향하는 모션의 반대 방향의 나선 경로의 전개의 경우에, 동일한 위험이 있으며, 이는 여기서 과도한 사용이 주변 영역(430)에 대해 너무 낮게 되고 그리고 임시로 고정된 펄스 주파수가 주어지면 각막(300)의 중심 영역(405)에서는 아마 너무 높게 되려는 경향을 가지는 혼합된 펄스 파워로 만들어져야 하기 때문이다.

표면적의 단위당 더 많은 균일한 에너지 입력을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 포커스 위치들(415)에서 각막(300)의 눈의 조직에 방출되는 에너지는 에너지 입력이 각막의 중심 영역(405)에서 주변 영역(430)에서보다 낮은 방식으로 변조된다. 이것은 도 3에서 중심 영역(405)에서 주변 영역(430)으로 증가하는 포커스 위치들(415)을 나타내는 원들의 반경에 의해 지시된다. 따라서, 포커스 위치 밀도가 내부(405)에서 외부(430)로 감소되더라도, 증가하는 펄스 파워에 의해 트리거링되는 마이크로 파괴에 의해 야기되는 포커스 위치당 에너지 입력은 높아지고, 따라서 요구된 범위에서 실질적으로 일정하게 유지되는 표면적의 단위당 에너지 입력을 제공하도록 감소하는 포커스 위치 밀도를 보상한다. 변조기(170)에 의한 이런 보상은 이전에 확립된 수학적 함수에 다라 제어 유닛에 의해 임시로 제어될 수 있지만, 제어 루프는 또한 예를 들면 스캔 디바이스(160)의 방사상 위치에 의존하는 방식으로 펄스 파워를 조정하게 설정될 수 있다.

나선 경로 곡선(420)을 따라 펄스 파워를 제어 또는 조정하는 대안으로서, 나선 경로 스캔 스키마의 경우에 어떤 경로 곡선에 따른 일정한 펄스 밀도는 레이저 펄스들의 블랭킹에 의해 조절될 수 있다. 이것은 도 4에 개략적으로 나타낸다. 반복을 피하기 위한 목적으로, 도 4의 설명에서 도 2와 도 3에 도시된, 이미 설명된 실시예들과 본질적인 차이들만이 고려될 것이다. 도 4에서, 도 3에 도시된 실시예의 스키마와 비교할 수 있는 플랩 절개 스키마(500)가 도시된다. 경로 곡선(520)에 따른 나선 빔 편향 패턴에 의해, 이런 스키마는 레이저 펄스들(515)을 인가함으로써 플랩 베드 절개를 생성한다. 실질적으로 일정한 나선 스캔의 경로 곡선(520)에서 레이저 펄스들(515)의 포커스 간격을 유지하기 위해, 개별 레이저 펄스들(525)의 블랭킹에 의해(레이저 소스의 펄스 반복 주파수의 변화 대신에 또는 레이저 펄스 에너지의 변화 대신에), 눈의 조직을 때리는 레이저 방사의 펄스 속도는 하기의 수학식:

에 따라 연속적으로 변화된다. 여기서, f _i = 내부 나선 영역의 펄스 속도; f ₀ = 외부 나선 영역의 펄스 속도; s _f = 경로 곡선의 스폿 간격; d _i = 중심 영역의 경로 곡선의 직경; d _o = 외부 영역의 경로 곡선의 직경.

따라서, 각막(300)의 전체 플랩 절개 영역에 걸쳐 대략 균일한 포커스 위치 밀도는 중심 영역(505)에서 4개의 펄스들 중 3개를 블랭킹함으로써 그리고 주변 영역(530)에서 모든 제2 펄스를 블랭킹함으로써 얻어진다. 여기에 나타낸 수치값과 사이즈 비율들은 특정 환경하에서 실제 진실성이 없고 단지 개략적 표현을 위해 소용된다. 구체적인 실시예에서, 실제 펄스 대 블랭킹 비율은 간략화된 방식으로 표현되어지는 값들과 상당히 다를 수 있다.

종합적으로, 선형 격자형 플랩 절개 프로세스의 경우에 반전 지점들 또는 나선 스캔 프로세스의 경우에서의 fs 레이저 펄스들의 너무 밀집한 연속(succession)의 영역에서의 수개의 fs 레이저 펄스의 국소 축적 또는 심지어 중첩 - 음성적인 결과와 관련되는 - 은 레이저 방사의 펄스 파워의 프로그램-상관된 블랭킹에 의해 또는 고의적인 변조에 의해 필연적으로 방지될 수 있다. 모든 경우에, 레이저 소스는 펄스 에너지, 펄스 지속기간뿐만 아니라 분기(divergence) 및 빔-파라미터 프로덕트(BPP : Beam Parameter Product)와 같은 고정된 그리고 최적화된 빔 파라미터들로 방해받지 않고 계속 동작하며, 그 결과로서 절개 품질이 균일하게 최적화된다.

본 발명은 또한 안과학에서 다른 fs 레이저 응용에 이용될 수 있다. 예를 들면, 유사한 절개 개요가 예를 들면 수정체 추출 또는 유사한 경우와 같은 표층 및 전층 각막 이식술(lamellar and penetrating keratoplasty)에 대해 이용될 수 있다.

Claims (8)

1. 안구 레이저 수술을 위한 장치로서,
   - 각막의 절개의 광파괴 생성(Photodisruptive generation)에 매칭되는 방사 파라미터들을 갖는 펄스 레이저 방사(pulsed laser radiation)의 소스와,
   - 레이저 방사를 편향시키기 위한 스캐너와,
   - 각막 플랩(corneal flap)의 생성을 위해 설계된 소정 절개 기하구조에 따라 상기 스캐너를 제어하도록 설정되어 있는 전자 제어 유닛과, 그리고
   - 상기 소스로부터 방출되는 레이저 펄스들을 변조하기 위한 변조기 유닛을 포함하며,
   상기 절개 기하구조는 상기 플랩의 베드를 정의하는 베드 절개(bed incision)와 상기 플랩의 가장자리를 정의하는 가장자리 절개(marginal incision)를 포함하며, 나란히 직선으로 연장하는 복수의 라인 경로들 및 인접한 라인 경로들의 쌍을 각각 말단으로 연결하는 복수의 역만곡부들(reversing bends)을 갖는 서펜타인(Serpentine) 빔 편향 패턴이 상기 베드 절개를 위해 형성되며, 상기 역만곡부는 상기 플랩의 가장자리 외부에 있고,
   상기 제어 유닛은 상기 플랩의 가장자리 외부에 있는 상기 서펜타인(Serpentine) 빔 편향 패턴의 부분들에서 상기 레이저 펄스들 중 일부의 레이저 펄스가 억제되게 하는 방식으로, 상기 변조기 유닛을 제어하도록 더 설정되는 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.
2. 안구 레이저 수술을 위한 장치로서,
   - 각막의 절개 형성에 매칭되는 방사 파라미터들을 갖는 펄스 레이저 방사(pulsed laser radiation)의 소스와,
   - 레이저 방사를 편향시키기 위한 스캐너와,
   - 소정 절개 기하구조에 따라 상기 스캐너를 제어하도록 설정되어 있는 전자 제어 유닛과, 그리고
   - 상기 소스로부터 방출되는 레이저 펄스들을 변조하기 위한 변조기 유닛을 포함하며,
   상기 제어 유닛은 상기 절개 기하구조에 대해 확립된 빔 편향 패턴에 따라 상기 변조기 유닛을 제어하도록 더 설정되고, 상기 빔 편향 패턴은 나선형 패턴을 포함하며, 상기 제어 유닛은, 표면적의 단위당 에너지 입력을 실질적으로 일정하게 하기 위해 상기 나선형 패턴의 내부 브랜치(branch)에 방사상으로 향하는 적어도 일부의 레이저 펄스들의 에너지가 감소하도록 상기 변조기 유닛을 제어하는 동작과 실질적으로 일정한 포커스 위치 밀도를 얻기 위해 상기 나선형 패턴의 내부 브랜치에 방사상으로 향하는 적어도 일부의 레이저 펄스들을 블랭킹(blanking)하도록 상기 변조기 유닛을 제어하는 동작 중 적어도 하나를 수행하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.
3. 청구항 1항 또는 2항에 있어서,
   상기 변조기 유닛은 음향광학 또는 전기광학 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 음향광학 변조기는 2㎲ 내지 10㎲ 사이의 스위칭 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.
5. 청구항 1항 또는 2항에 있어서,
   상기 변조기 유닛은 가변 회절 능력을 갖는 광학 격자 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.
6. 청구항 1항 또는 2항에 있어서,
   상기 변조기 유닛에 빔 덤프(dump)가 할당되며, 상기 빔 덤프는 상기 변조기 유닛에 의해 편향되는 레이저 펄스들을 흡수하는 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.
7. 청구항 2항에 있어서,
   상기 제어 유닛은, 상기 나선형 패턴의 중심 영역에서 4개의 펄스들 중 3개의 펄스들을 블랭킹하고 상기 나선형 패턴의 주변 영역에서 매 제2번째 펄스를 블랭킹하도록 상기 변조기 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.
8. 청구항 2항에 있어서,
   상기 제어 유닛은, 하기의 수학식에 따라 눈의 조직을 때리는 레이저 방사의 펄스 속도를 연속적으로 변화시키기 위해 상기 레이저 펄스들의 일부를 블랭킹하도록 상기 변조기 유닛을 제어하며:
   

   

   
   여기서, f_i = 내부 나선 영역의 펄스 속도; f₀ = 외부 나선 영역의 펄스 속도; s_f = 경로 곡선의 스폿 간격; d_i = 중심 영역의 경로 곡선의 직경; d_o = 외부 영역의 경로 곡선의 직경인 것을 특징으로 하는 안구 레이저 수술을 위한 장치.

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