NO174026B - Optisk system og kirurgisk apparat basert paa et slikt system - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et optisk system mellom en kilde som sender ut en lysstråle og et mål.

Oppfinnelsen er bl.a. særlig anvendbar i forbindelse med et kirurgisk apparat eller instrument for å utføre endringer av formen på et øyes cornea (hornhinne).

Blant de ulike kjente teknikker som anvendes ved kirurgisk behandling av visse lidelser såsom myofi og hyper-metropi hvor behandlingen går ut på å forandre corneas krumning, inngår fjerning av cornea-substans med såkalt fotodekomposisjon ved hjelp av en ultrafiolett lysstråle fra en kilde i form av en laser, særlig en såkalt eksimerlaser, dvs. en laser med dimerisk eksitering. Dette er den nyeste teknikk man må ta i betraktning.

Et optisk system som særlig omfatter fokuserende optikk anordnes da mellom laserkilden og en pasients øye, og systemet sørger for å dirigere lysstrålen til den del av cornea som skal behandles eller fjernes, ved at det dannes en lysflekk som dekker et parti av den aktuelle del av cornea, og lyseffekten kan forflyttes slik at den etter hvert dekker hele delen.

Imidlertid er ikke den lysstråle som laseren genererer alltid stigmatisk som følge av laserens karakteristiske egenskaper, dvs. lysstrålen kan ikke alltid samles til ett punkt i fokalplanet i det optiske system, men ofte fremkommer en avlang lysflekk og ikke en sirkulær eller tilnærmet punktformet. Således vil det ikke kunne oppnås en lysflekk som har rotasjonssymmetri. dvs. som forblir sirkulær eller tilnærmet sirkulær på objektet (målet) såsom et øyes cornea, når dette objekt forskyves i forhold til optikken innenfor dettes avbildningsrom, idet denne relative forskyvning er nødvendig for at den genererte lysflekk skal kunne dekke hele den aktuelle del av objektet, såsom den del av cornea som skal behandles.

Foreliggende oppfinnelse har som oppgave å unngå denne ulempe ved å presentere et optisk system som i et bestemt avbildningsrom kan opprettholde en lysstråles tilnærmede rotasj onssymmetri.

Denne oppgave er løst ved at det er skaffet til veie et optisk system for plassering mellom en lyskilde hvis lysstråle har tilnærmet sirkulært tverrsnitt, og et objekt eller mål, omfattende en første fokuseringsoptikk for å konvergere lysstrålen mot et fokalplan i hvilket lysstrålen på grunn av ukorrigert astigmatisk brytning i den første optikk får et usymmetrisk, særlig et avlangt fokaltverrsnitt.

Oppfinnelsens optiske system er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken i krav 1.

Således vil dette optiske system f.eks. kunne anvendes i et kirurgisk apparat eller instrument for å utføre operative inngrep i et øyes cornea, ved at det benyttes en stråle av ultrafiolett lys som ved fokusering til en lysflekk i et nøye bestemt fokalplan i øyet kan bevirke fotodekomposisjon av corneasubstansen. Under hele operasjonsforløpet og under relativ forskyvning mellom øyet og det optiske system innenfor dettes avbildningsrom opprettholdes en sirkulær lysflekk eller i det minste en fokusert lysflekk som tilnærmet er sirkulær og hvis ovalitet holdes"innenfor aksepterbare grenser.

Enkelte ultrafiolette lysstråler sender ut en lysstråle hvis tverrsnitt i det minste tilnærmet er rektangulært, og i slike tilfeller er det mellom lyskilden og den første fokuseringsoptikk anordnet en ytterligere blender for å avblende strålen fra lyskilden slik at lysstrålen bak blenderen, sett i stråleret-ningen får tilnærmet sirkulært tverrsnitt.

Særlig kan det være sørget for at den ytterligere blender er anordnet tilnærmet i objektfokalplanet for den første fokuseringsoptikk.

Fortrinnsvis er den andre fokuseringsoptikk plassert bak blenderen og i en avstand fra denne som i det minste tilnærmet er den dobbelte av optikkens brennvidde.

Ifølge et annet karakteristisk trekk ved oppfinnelsen er det anordnet en andre blender med en spalteformet åpning i et normalplan på lysstrålens stråleakse. Spaltebredden går fra null i åpningens ene ende og til den største dimensjon av strålens avlange fokaltverrsnitt i den andre ende. Videre omfatter systemet første innstillingsorganer for relativ innstilling av den andre blender i forhold til den resterende del av systemet, og innstillingen skjer fortrinnsvis i et normalplan på stråleaksen.

Fortrinnsvis varierer bredden av den spalteformede åpning jevnt over dens lengde.

De første innstillingsorganer er gjerne koplet til den

andre blender.

Ifølge nok et karakteristisk trekk ved oppfinnelsen har den første blender sirkulær åpning, og diameteren er i det minste tilnærmet lik den minste bredde av strålen ut fra lyskilden.

Den første og den andre fokuseringsoptikk omfatter linsesystemer eller en enkelt linse og slik at optikkene får samme brennvidde.

Den nå følgende detaljbeskrivelse støtter seg til de ledsagende illustrasjoner av et utførelseseksempel, idet fig. 1 viser en skjematisk oversikt av et kirurgisk instrument hvor oppfinnelsens optiske system inngår, fig. 2 viser i skjematisk perspektiv selve det optiske system, og fig. 3A - 3C viser forskjellige avblendinger av lysstrålen i samsvar med et objekts (et øyes) avstand.

I det Viste utførelseseksempel benyttes oppfinnelsens optiske system 1 i et kirurgisk instrument 2 eller apparat innrettet for operativt inngrep i et øyes cornea (hornhinne).

Det optiske system 1 er bestemt for å innskytes mellom en lyskilde 3 for ultrafiolett lys og et objekt 4 som i det foreliggende tilfelle altså er et øye.

Ved denne anvendelse av det kirurgiske instrument 2 sender lyskilden som altså er en UV-kilde ut en homogen lysstråle 5 med lys med bølgelengde rundt 0,2 um, og UV-kilden kan være en laser av den tidligere omtalte eksimertype hvor den dimeriske eksitering finner sted i en blanding av gassene argon og fluor.

Med særlig henvisning til fig. 2 fremgår at det optiske system 1 omfatter, i rekkefølge langs lysstrålens 5 strålegang (dvs. fra venstre til høyre på figuren): - optiske elementer i form av en første blender 6 med en sirkulær blenderåpning 7 hvis diameter i det minste tilnærmet er lik den minste bredde av strålen 5 ut fra lyskilden 3 (i det viste eksempel er strålen fra kilden rektangulær og blenderåpnin-gens 7 diameter er da lik høyden av det rektangulære tverrsnitt, idet dette har en bredde som er større enn høyden), - en første fokuseringsoptikk i form av en første linse 8 for å fokusere lysstrålen 5 som takket være den første blender 6 som f.eks. kan være plassert i linsens 8 objektfokalplan, har sirkulært tverrsnitt, men hvor lysstrålen i linsens 8 fokalplan 9 på motsatt side av objektfokalplanet fremviser et avlangt fokaltverrsnitt 10, på figuren antydet som en linje, som følge av de karakteristiske egenskaper for en slik lysstråle, - optiske elementer i form av en andre blender 11 hvis blenderåpning 12 er spalteformet med V-form og har utstrekning i et normalplan på lysstrålens 5 stråleakse X-X', og hvis spaltebredde går fra null og til den største dimensjon av strålens avlange fokaltverrsnitt 10 i denne andre blenders 11 hovedplan hvilket tilnærmet sammenfaller med den første linses 8 fokalplan 9, hvorved den spalteformede åpning 12 blender av eller maskerer en del av lysstrålen 5 ved dennes fokaltverrsnitt. Denne del kan varieres ved forskyvning av den andre blender 11 i tverretningen i forhold til lysstrålens 5 stråleakse X-X' ved hjelp av første innstillingsorganer 13, og - fokuseringsoptikk i form av en andre linse 14 som på ny fokuserer lys<*>5trålen 5 mot objektet 4, idet denne linse 14 regnet langs strålegangen er plassert bak den andre blender 11 og i en avstand fra denne som i det minste tilnærmet er den dobbelte av den andre linses 14 brennvidde ved parallelt innfall. Fortrinnsvis kan den første 8 og den andre linse 14 ha samme brennvidde. På denne måte blir den del av lysstrålen som avblendes i den V-formede spalteåpning 12 i den andre blender 11 innstillbar med innstillingsorganene 13, og disse kan innstilles i samvirke med andre innstillingsorganer 15 for avstanden mellom det optiske system 1 og øyet 4 slik at dette som optisk objekt blir liggende innenfor systemets avbildningsrom og slik at det på øyets cornea faller inn en fokusert strålebunt av lysstrålen 5, hvilken strålebunt har hovedsakelig sirkulært tverrsnitt. Dette vil belyses nærmere i det følgende.

Oppfinnelsen omfatter videre et kirurgisk apparat innrettet for operativt inngrep i eller modifikasjon av i det minste et parti av et øyes 4 cornea, idet det operative inngrep kan gå ut på å skjære ut en lentikulær (linseformet) skive hvis tykkelse varierer radialt. Den ultrafiolette lysstråle som benyttes har da lys av bølgelengde rundt 0,2 um for å bevirke fotodekomposisjon av corneasubstansen, og det optiske system 1 som inngår i dette kirurgiske apparat 2 eller instrument sørger for å dirigere lysstrålen 5 mot den del av øyets 4 cornea som skal fjernes eller modifiseres, på en slik måte at det dannes en lysflekk som dekker et parti av corneadelen og som kan forflyttes

over hele denne.

I tillegg til den ultrafiolette lysflekk 3 og det optiske system 1 omfatter det kirurgiske apparat 2: - en elektronisk datamaskin 16 innrettet for å styre apparatets enkelte elementer for korrekt virkemåte, og særlig styring av det optiske system 1, fortrinnsvis også de første innstillingsorganer 13 for den andre blender 11 slik at denne kan forskyves på tvers av lysstrålens 5 stråleakse X-X', og de andre innstillingsorganer 15 for forskyvning av systemet 1, eventuelt en del av dette såsom den andre linse 14, i forhold til øyet, - en fotodetektor 17 i samvirke med et halvgjennomskin-nelig speil 18 og innrettet for å overføre data som vedrører lysenergien i strålen 5 til datamaskinen 16, - en innrettbar laser 19, f.eks. en helium-neonlaser, slik innstillbaf~at lysstrålen 5 danner en strålebunt som faller på øyets 4 cornea, - en styreenhet 20 for styring av lyskilden 3, selv styrt av datamaskinen 16, og - et automatisk keratometer (ikke vist) som i sanntid måler øyets corneakrumning og overfører måleresultatene til datamaskinen 16, og en spaltelampe (ikke vist) som tillater en kirurg å observere øyets cornea under forløpet av operasjonen.

Datamaskinen 16 er programmert for å styre det optiske system 1 i avhengighet av den ønskede tykkelsesvariasjon av den corneaskive som skal fjernes fra øyet, og datamaskinen utfører fortløpende de enkelte trinn i programmet mens det blir tatt hensyn til de data som overføres fra keratometeret og fotodetek-toren 17.

Takket være oppfinnelsens optiske system 1 oppnås i systemets avbildningsrom (dvs. det avgrensende rom hvor øyet 4 fysisk befinner seg under operasjonen) en lysstråle 5 hvis tverrsnitt går over fra å være et rent sirkulært tverrsnitt 30 i et plan 21 som ligger konjugert i forhold til den første blender 6 og til et tverrsnitt 31 som tilsvarer tverrsnittsformen for strålen 5 i fokalplanet 9 for den første linse 8, slik at tverrsnittet av lysstrålen 5 gradvis blir mer elliptisk, men hvis form kan innstilles ifølge oppfinnelsen ved hjelp av den andre blender 11 hvis V-formede spalteåpning 12 i større eller mindre grad avblender en del av strålen som der har et avlangt tverrsnitt 10, hvorved den fokuserte stråle ved objektet, dvs. øyets 4 cornea, får en ovalitet som holdes innen foreskrevne grenser.

Hvis med andre ord øyet 4 befinner seg i det plan som ligger konjugert i forhold til hovedplanet for den første blender 6 i det optiske system 6, er lysstrålens 5 tverrsnitt sirkulært, og på den andre blender 11 føres da i tverretningen i forhold til stråleaksen X-X' slik at et maksimum av lysstrålens 5 avlange tverrsnitt 10 slipper gjennom spalteåpningen 12 (fig. 3A). I dette tilfelle vil altså en lysflekk 25A vist til høyre på fig. 3A, falle inn på øyet 4.

Når avstanden mellom den andre linse 14 og øyet 4 økes vil tverrsnittet av lysstrålen på øyets cornea få tendens til (uten den andre blender) å bli mer og mer avlangt, og for fortsatt å opprettholde en tilnærmet sirkulær lysflekk på objektet, forskyves blenderen 11 i tverretningen slik at en mindre del av lysstrålen 5 slipper gjennom åpningen 12. På denne måte kompenseres for tendensen til ovalitet. Når altså øyet fjernes noe fra planet 21 opprettholdes ved forskyvningen av den andre blender 11 lysflekkens 25B sirkelform (vist på fig. 3B). Tilsvarende viser fig. 2C en noe mindre lysflekk 25C med fortsatt sirkulær form, fremkommet ved at øyet 4 er trukket ytterligere tilbake i forhold til planet 21, og en ytterligere sideveis forskyvning av den andre blender 11. Videre holdes i oppfinnelsens apparat den innfallende lysenergi på objektet tilnærmet konstant, regnet pr. flateenhet på objektet, hvilket sikrer at fotodekomposisjonen foregår med samme intensitet under hele operasj onsfasen.

På denne måte sikrer oppfinnelsens optiske system i hvert tilfelle en regulering som tillater en maksimal optisk virkning som følge av at rotasjonssymmetrien for lysflekken på objektet holdes intakt. Totaltiden for et kirurgisk øyeinngrep er således redusert og betingelsene for en vellykket fotodekomposisjon av corneasubstansen kan holdes innenfor snevrere grenser enn det som har vært teknisk mulig tidligere.

Claims (9)

1. Optisk system (1) for plassering mellom en lyskilde (3) hvis lysstråle (5) har tilnærmet sirkulært tverrsnitt, og et objekt (4) eller mål, omfattende en første fokuseringsoptikk (8) for å konvergere lysstrålen (5) mot et fokalplan (9) i hvilket lysstrålen på grunn av ukorrigert astigmatisk brytning i den første optikk (8) får et usymmetrisk, særlig et avlangt fokaltverrsnitt (10), KARAKTERISERT VED videre å omfatte, regnet i lysstrålens (5) retning: en første blender (11) i form av en plate med en spalteformet åpning (12) hvis spaltebredde varierer fra null i åpningens ene ende og til en bredde i åpningens andre ende tilsvarende lengden av fokaltverrsnittet (10), idet den plateformede førsrt:e blender (11) er plassert slik at dens hovedplan faller sammen med fokalplanet ( 9 ) normalt på lysstrålens ( 5 ) stråleakse (X-X') og slik at åpningens (12) lengderetning i hovedplanet kommer til å stå tilnærmet normalt på lengderetningen av det avlange fokaltverrsnitt (10), første innstillingsorganer (13) for relativ forskyvning av den første blender (11) i dennes hovedplan og i den spalteformede åpnings (12) lengderetning, slik at en varierende del av den fokuserte lysstråle (5) i f okalplanet (9) slipper gjennom den første blender (11), og en andre fokuseringsoptikk (14) for videre fokusering av den del av lysstrålen (5) som har passert den første blender (11), på en slik måte at strålen ved objektet (4) får tilnærmet sirkulært tverrsnitt (30) under vilkårlig posisjon av objektet (4) og det optiske system (1) innenfor objektets aktuelle forskyvningsområde hhv. systemets avbildningsrom.

2. System ifølge krav 1 og hvor lysstrålen (5) fra lyskilden (3) har tilnærmet rektangulært tverrsnitt, KARAKTERISERT VED en andre blender (6) plassert foran den første fokuseringsoptikk (8), regnet i forhold til lysstrålens retning, og innrettet for avblending av lysstrålen slik at denne får tilnærmet sirkulært tverrsnitt ved innfall på den første fokuseringsoptikk (8).

3. System ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at den andre blender (6) er plassert tilnærmet i den første fokuseringsoptikks (8) fokalplan.

4. System ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at: den andre fokuseringsoptikk (14) er plassert i lysstrålen (5) bak den første blender (11) og i en avstand fra denne tilnærmet lik to ganger den andre fokuseringsoptikks (14) brennvidde.

5. System ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at åpningens (12) spaltebredde varierer jevnt fra åpningens ene ende til dens andre.

6. System ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at de første innstillingsorganer (13) er koplet til den første blender (11).

7. System ifølge ett av kravene 2-6, KARAKTERISERT VED at den andre blender (6) har en sirkulær blenderåpning (7) hvis diameter i det minste tilnærmet er lik den minste bredde av strålen (5) der denne forlater lyskilden (3).

8. System ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VEB-at den første og den andre fokuseringsoptikk (8 hhv. 14) er i form av konvergerende linser med samme brennvidde .

9. Kirurgisk apparat innrettet for operativt inngrep i et parti av et øyes (4) cornea ved å skjære ut en lentikulær skive hvis tykkelse varierer radialt, omfattende en lyskilde (3) som sender ut en lysstråle (5) med lys av bølgelengde rundt 0,2 um for å bevirke fotodekomposisjon av corneasubstansen, KARAKTERISERT VED et optisk system (1) som omfatter, regnet i lysstrålens (5) retning: en første blender (11) i form av en plate med en spalteformet åpning (12) hvis spaltebredde varierer fra null i åpningens ene ende og til en bredde i åpningens andre ende tilsvarende lengden av fokaltverrsnittet (10), idet den plateformede første blender (11) er plassert slik at dens hovedplan faller sammen med fokalplanet (9 ) normalt på lysstrålens ( 5) stråleakse (X-X') og slik at åpningens (12) lengderetning i hovedplanet kommer til å stå tilnærmet normalt på lengderetningen av det avlange fokaltverrsnitt (10), første innstillingsorganer (13) for relativ forskyvning av den første blender (11) i dennes hovedplan og i den spaltef ormede åpnings (12) lengderetning, slik at en varierende del av den fokuserte lysstråle (5) i fokalplanet (9) slipper gjennom blenderen (11), og en andre fokuseringsoptikk (14) for videre fokusering av den del av lysstrålen (5) som har passert den første blender (11), på en slik måte at strålen ved objektet (4) får tilnærmet sirkulært tverrsnitt (30) under vilkårlig posisjon av objektet (4) og det optiske system (1) innenfor objektets aktuelle forskyvningsområde hhv. systemets avbildningsrom, for å dirigere lysstrålen (5) mot det parti av øyet (4) hvor cornea skal opereres, slik at det dannes en sirkulær lysflekk som kan forflyttes over hele øyepartiets cornea.