DE69220249T2

DE69220249T2 - Lasermodelliervorrichtung zur astigmatismuskorrektur

Info

Publication number: DE69220249T2
Application number: DE69220249T
Authority: DE
Inventors: Peter Klopotek
Original assignee: Summit Technology Inc
Current assignee: Summit Technology Inc
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2012-08-15
Also published as: EP0654985A1; ES2104941T3; AU2511992A; JPH08500501A; WO1994004108A1; DE69220249D1; EP0654985B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Vertahren und Vorrichtungen zum Erodieren oder Abtragen von Oberflächen durch Laser. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zum astigmatischen Abtragen von Oberflächen. Von der Erfindung sind jedoch Verfahren zur chirurgischen Korrektur von myopischen oder hyperopischem Astigmatismus durch Laserkeratoplastik , Keratomileusis oder photorefraktive Keratek tomie (PRK), wie auch jedes andere Verfahren zur Behandlung eines inenschlichen oder tierischen Körpers durch Operation oder Therapie ausgeschlossen.
Es ist bekannt, Laserquellen zum Erodieren von Oberflächen von Werkstücken oder dergleichen zu verwenden. Eine derartige Vorrichtung ist im allgemeinen relativ kompliziert und erfordert hohe Geschicklichkeit im Gebrauch. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte und vereinfachte Vorrichtung und ein Verfahren zum Erodieren von Oberflächen, insbesondere asphärischen Oberflächen zu schaffen, bei denen es typischerweise erwünscht ist, die Oberfläche zu einer eher kugeligen Form mit einer symmetrischen und im allgemeinen gleichen Krümmung umzuformen.
Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem zu schaffen, das bei empfindlichen Oberflächen angewandt werden kann, insbesondere bei Gegenständen, bei denen es unerwünscht ist, darunterliegende Schichten zu beeinflussen. Dies ist besonders bei Homhautoperationen zum Korrigieren von Sehfehlern wichtig, wo obere Schichten der Hornhaut so geformt werden, dass die richtige Brechkraft erzielt wird.
Es muss extreme Sorgfalt gewahrt werden, um eine Beschädigung der Grundmembran und der äußeren Endothel-Auskleidung der Hornhaut bei derartigen Operationen zu vermeiden.
Aus medizinischem Gebiet besteht elne bekannte Technik zum Behandeln bestimmter Formen von Myopie darin, ein Segment der aus Collagen bestehenden Schicht unterhalb der Oberfläche des Auges zu entfernen, das entfernte Segment durch chirurgisches Schleifen umzuformen und das umgeformte Segment wieder in das Auge zu setzen. Das Auge heilt durch Wiederherstellung der äußeren Zellenschicht über der umgeformten Collagenschicht. Alternativ wird eine Hornhautschicht als Lappen geöffnet, es wird ein künstliches oder Spender-Linsenimplantat unter den Lappen eingefügt, und der Lappen wird erneut vernäht.
Es wurden auch verschiedene andere chirurgische Techniken zum Ändern des Profils der Homhautoberfläche vorgeschlagen. Eine zunehmend übliche Technik ist Radialkeratomie, bei der ein Satz radialer Einschnitte, die den Speichen eines Rads ähneln, im Auge ausgeführt wird, um Brechungsfehler wie Myopie (Kurzsichtigkeit) zu heilen. Wenn die Einschnitte ausheilen, ist die Krümmung des Auges abgeflacht, wodurch die Augenbrennweite vergrößert ist. Die Operation ist zum Korrigieren astigmatischer (nicht-kugelförmiger) Zustände nicht besonders geeignet und kann zu Problemen führen, wenn die chirurgischen Einschnitte ungleichmäßig oder zu tief sind. Darüber hinaus sind die Ergebnisse derartiger entspannender Einschnitte häufig schwierig vorherzusagen, insbesondere bei der Astigmatismuskorrektur.
Die Verwendung eines Laserstrahls als chirurgisches Werkzeug zum Führen von Einschnitten, ein sogenanntes Laserskalpell, ist seit einiger Zeit bekannt (siehe z. B. das für Goldman et al. erteilte US-Patent 3,769,963). Im Jahr 1980 erfolgte eine Untersuchung zur Beschädigung, wie sie am Hornhaut-Epithel dadurch hervorgerufen werden kann, wenn dieses einem jüngst entwickelten Excimerlaser ausgesetzt wird (siehe Taboada et al., "Response of the Corneal Epithelium to ArF excimer laser pulses", Health Physics 1981, Band 40, S. 677- 683). In diesem Zeitraum wurden chirurgische Operationen an der Hornhaut im allgemeinen unter Verwendung von Diamantoder Stahlmessern oder Rasierklingen ausgeführt, und ferner wurden derartige Techniken immernoch untersucht (siehe z. B. Binder et al, "Refractive Keratoplasty", Arch. Ophthalmol., Mai 1982, Vol 100 S. 802). Die Verwendung eines körperlichen Schneidwerkzeugs bei Hornhautoperationen und das Einsetzen eines Implantats unter einen Lappen werden immernoch in weitem Umfang bis heute praktiziert (siehe z. B. "Refractive Keratoplasty improves with Polysulfone Pocket Incision", Ophthalmology Times , 1. Juli 1986).
Im für L'Esperance vorgeschlagenen US-Patent 4,665,913 wurde vorgeschlagen, dass eine kontrolliete, abtragende Zersetzung eines oder mehrere ausgewählter Bereiche einer Hornhaut durch Licht unter Verwendung eines Abrastervorgangs auf der Hornhaut mittels eines Strahls von einem Excimerlaser ausgeführt werden kann. Auf Grund des Abrastervorgangs ist es hinsichtlich L'Esperance erforderlich, den Laserstrahl auf einen kleinen Fleck, typischerweise einen Fleck in Form eines abgerundeten Quadrats mit einer Größe von 0,5 mm auf 0,5 mm zu bringen.
L'Esperance schlägt vor, dass myopische und hyperopische Zustände dadurch verringert werden können, dass die Krümmung der Außenfläche der Hornhaut dadurch geändert wird, dass dieselbe wiederholt mit einem Excimerlaserstrahl mit dieser standardmäßigen, kleinen Fleckgröße abgerastert wird, jedoch das Gebiet variiert wird, wie es während aufeinanderfolgend er Abrasterungen durchgerastert wird, so dass einige Flächen der Hornhaut häufiger als andere abgerastert werden. Es wird behauptet, dass die Oberfläche auf diese Weise in verschiedenen Ausmaßen erodiert werden kann, abhängig von der Anzahl von Malen, gemäß denen der Fleck die Oberfläche abrastert. Zumindest in der Theorie können derartige abrasternde Systeme dazu verwendet werden, die Form einer astigmatischen Hornhaut durch eine eher kugelige Form zu ersetzen.
In der Praxis ist jedoch eine komplizierte Vorrichtung dazu erforderlich, dafür zu sorgen, dass ein gepulster Laserstrahl eine Abrasterung mit der erforderlichen Genauigkeit ausführt, wenn die erodierte Oberfläche glatt sein soll. Demgemäß existiert bei aufeinanderfolgenden Durchläufen eines Abrastervorgangs Überlappung, was zu übermäßiger Erosion im Überlappungsgebiet führt, wohingegen dann, wenn die Durchläufe nicht zusammenfallen, zwischen diesen eine Rippe verbleibt. Die impulsförmige Art der Excimerlaserstrahlung führt auch zur Tendenz, dass dieses Problem verstärkt wird. Zusätzlich ist das Abrasterverfahren von Natur aus zeitaufwendig, und zwar selbst bei hochentwickelten Techniken und Vorrichtungen, da der Laserstrahl in jedem Moment nur einen sehr kleinen Teil der zu behandelnden Gesamtfläche erodiert. Ferner kann ein derartiges Abrastersystem zu Welligkeitseffekten auf relativ weichen Materialien, wie Hornhautgewebe, führen.
Eine andere Technik zum Umformen der Hornhaut umfasst die Verwendung einer Laser-Photoabtragungsvorrichtung, bei der die Größe der Fläche auf der Oberfläche, auf die die Impulse der Laserenergie aufgebracht werden, variiert wird, um den Umprofilierungsvorgang zu kontrollieren. Zum Beispiel wird eine Laserformungsblende oder ein Fenster axial entlang dem Strahl verstellt, um den Bereich der Hornhaut zu vergrößern oder zu verkleinern, auf den die Laserstrahlung fällt. Durch fortschreitendes Variieren der Größe des belichteten Bereichs wird auf der Oberfläche ein gewünschtes Photoabtragungsprofil erzeugt. Zu weiteren Einzelheiten dieser Technik siehe auch Marshall et al., "Photo-ablative Reprofiling of the Cornea Using an Excimer Laser: Photorefractive Keratectomy", Vol 1, Lasers in Ophthalmology, S. 21 - 48 (1986) sowie das für Marshall et al. erteilte US-Patent 4,941,093.
Obwohl diese Technik zum Variieren der Größe des belichteten Bereichs eine wesentliche Verbesserung gegenüber körperlichen Formungs(d.h. Skalpell)techniken sowie Laserfleck- Durchrasterungsweisen darstellt, ist die Korrektur astigmatischer Zustände schwierig. Eine astigmatische Oberfläche ist typischerweise durch zwei natürliche und zueinander rechtwinklige Krümmungen definiert, die die Oberfläche bilden. Eine variable Größe eines kreisförmigen Flecks erzeugt oder entfernt einen einzelnen Verlauf (z. B. wird die Krümmung relativ zu einem Punkt, dem Zentrum der optischen Achse, eingeebnet oder steiler gemacht).
Um Astigmatismus zu korrigieren, lehrt das Dokument US-A- 4,941,093 die Verwendung speziell konfigurierter optischer Element oder Schlitze zum Hervorrufen eines Abtragevorgangs in einer Achse, d.h. so, dass die Erosion selektiv in bezug auf eine Linie statt um einen Punkt herum fortschreitet. Typischerweise erfordert diese Vorgehensweise einen zweiten Schritt zum Erzeugen einer kugelförmigen Korrektur, damit die korrekte Gesamtkrümmung erzielt wird. Bei dieser Vorgehensweise sind eine genaue Auswahl und genaue überlagerung zweier Abtragungsmuster erforderlich.
Das Dokument US-A-4,941,093 offenbart ein Verfahren und ein Lasersystem zum Abtragen und Neuprofilieren einer Oberfläche auf astigmatische Weise gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 8. Das Verfahren und das Lasersystem gemäß der Erfindung sind durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile dieser Ansprüche gekennzeichnet.
Noch eine andere Vorgehensweise umfasst die Verwendung eines Laserstrahls mit Intensitätsgradation oder einer Maske mit Absorptions-/Transmissionsgradation oder einer durch Licht zersetzbaren Maske, die die Transmission der abtragenden Laserstrahlung auf die Zieloberfläche variiert, um dadurch auf der Oberfläche variable Abtragetiefen hervorzurufen. Zum Beispiel beschreibt das Dokument US-A-4,856,513 mit dem Titel "Laser Reprofiling Systems And Methods" eine Methode zum selektiven Erodieren der Hornhaut unter Verwendung einer erodierbaren Maske. Die Maske absorbiert die Oberflächenlaserstrahlung mit variablen Mengen über die Hornhautoberfläche, um für die gewünschten Oberflächenprofile zu sorgen. Diese Technik erfordert jedoch die Herstellung eines komplementären Objekts, d.h. der erodierbaren Maske, die den Astigmatismus kompensiert, und es ist auch eine genaue korrelierende Ausrichtung mit den Achsen der Zieloberfläche erforderlich.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein einfacheres Verfahren und eine Vorrichtung zum astigmatischen Umprofilieren einer Oberfläche mit anfänglicher astigmatischer Form mit verschiedenen Brechkräften in zwei Richtungen, um eine neue, vorzugsweise kugelige Form zu erzielen, zu schaffen.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten und Einstellen des Astigmatismusverhältnis, wie bei einer Oberflächenform angewandt, mit erhöhter Kontrollierbarkeit zu schaffen.
Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Korrigieren von myopischem Astigmatismus durch Hornhautabtragung bei Laserkeratoplastik, Keratomileusis oder andern Abläufen vom PRK-Typ zu schaffen.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung, wie in den Ansprüchen 8 bzw. 1 definiert, sind hinsichtlich des astigmatischen Abtragens von Oberflächen offenbart, um derartige Oberflächen mit neuen Profilen und Krümmungen zu versehen. Eine Lasereinrichtung, d.h. eine schnell gepulste Laserstrahlungsquelle, wird mit einer Oberfläche ausgerichtet, um photoablative Energieimpulse entlang einem optischen Pfad in einen Zielbereich auf der Oberfläche zu liefern. Eine Lichtbegrenzungseinrichtung, wie eine einstellbare Iris oder eine Profilmaske wird innerhalb des optischen Pfads angeordnet, um die Erstreckung der auf die Zieloberfläche treffenden Laserstrahlung räumlich einzustellen. Die Lichtbegrenzungseinrichtung ist so ausgebildet, dass sie eine Ausrichtung durch Kippen in verschiedenen Ebenen relativ zum optischen Pfad ermöglicht, um die Symmetrie des Laserstrahls zu modifizieren, z. B. von Kreisform auf elliptische Form, um dadurch für astigmatisches Abtragen der Oberfläche in einem einzelnen Schritt zu sorgen.
Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist ein Lasersystem mit einer Reihe von Elementen offenbart. Zu diesen Elementen gehören eine Lichtbegrenzungseinrichtung, eine Ausrichtungseinrichtung und eine Abbildungseinrichtung. Die Lichtbegrenzungseinrichtung kann eine einstellbare Iris oder eine Profilmaske dazu verwenden, die Größe eines Laserstrahls zeitlich zu ändern. Der Begriff "einstellbare Iris" wird hier dazu verwendet, verschiedene Systeme zum Modifizieren der körperlichen Größe oder Ausrichtung eines Laserstrahls wie auch die räumliche und zeitliche Zuordnung eines solchen Laserstrahls zu umfassen, einschließlich z. 8. einstellbaren Aperturblenden, Aperturrädem, beweglichen Blen den und anderen Mechanismen, wie auch optischen Elementen in Verbindung damit, um die Strahlhomogenität beizubehalten. Der Begriff "Profilmaske", so wie hier verwendet, soll verschiedene Lichtbegrenzungsmedien umfassen, die sich auf physikalische Eigenschaften eines Maskenelements stützen, um Strahlung zu absorbieren und/oder über die Zeit selektiv durchzulassen, einschließlich z. B. Intensitätsgradientenmasken, durch Licht zersetzbare Masken, durch Licht bleichbare Masken sowie erodierbaren Masken, wie auch optische Elemente in Zusammenhang damit zum Aufrechterhalten der Strahlhomogenität. Die Abbildungseinrichtung umfasst eine oder mehrere Linsen, Spiegel oder Kombinationen davon, die dazu dienen, die Apertur (oder einen entsprechenden räumlichen Ort im Fall einer Profilmaske) auf eine Bildebene auf der umzuprofilierenden Oberfläche abzubilden. Der Begriff "asymmetrische" Abtragung, wie hier verwendet, soll verschiedene Abtragungsprofile umfassen, die die Korrektur astigmatischer Fehler in der Oberf lächengeometrie erzielen.
Die Ausrichtungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Drehung der Lichtbegrenzungseinrichtung in zwei Dimensionen bezogen auf den Strahlpfad ermöglicht (hier als Richtungen "α" und "β" bezeichnet). Bei einer veranschaulichten Ausführungsform verwendet die Ausrichtungseinrichtung einen kardanischen Mechanismus, der ein Verkippen in einer oder beiden Winkelrichtungen ermöglicht. Das Verkippen der Lichtbegrenzungseinrichtung relativ zum Laser strahlpfad bewirkt die Abbildung eines elliptischen Belichtungsmusters der Laserenergie auf der Zieloberfläche. Durch geeignete Auswahl der Ausrichtung werden die astigmatische Erosionsachse und das Erosionsverhältnis bestimmt. Einfach gesagt, ist das Astigmatismusverhältnis umso größer, je länger das elliptisöhe oder ansonsten asymmetrische Muster ist.
Es existieren einige Vorteile, die sich durch die Merkmale und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben. Insbesondere sorgt die Erfindung für ein elliptisches Strahlungsmuster auf einer Zieloberfläche, was gleichzeitige astigmatische Ablenkung mit verschiedenen Brechkräften in zwei Richtungen ermöglicht. Die Ausrichtungseinrichtung ermöglicht eine einfache polare Ausrichtung und Auswahl des astigmatischen Abtragungsmusters. Anwendungen, wie Keratoplastik mit einem Excimerlaser, können aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch vollen Nutzen ziehen, dass geeignete axiale Ausrichtung der astigmatischen Korrektur, wie für eine myopische Hornhaut angewandt, gewährleistet ist. Ferner können verschiedene Astigmatismusverhältnisse erzielt werden. Dann kann normalen Keratoplastikabläufen dadurch gefolgt werden, dass die Lichtbegrenzungseinrichtung so eingestellt wird, dass die gewünschte optische Korrektur der Hornhaut erzielt wird.
Die Erfindung wird als nächstes in Verbindung mit bestimmten veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben; jedoch sollte deutlich sein, dass verschiedene Hinzufügungen, Weglassungen und Modifizierungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit angeborenen oder anderen am Wirt wirkenden (z. B. Grauer-Star- oder durchdringender Keratoplastik) Astigmatismusformen verwendet werden. Auf ähnliche Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit bekannten Techniken verwendet werden, bei denen ein Segment der Hornhaut entfernt wird, umgeformt wird und dann wieder in die Hornhaut implantiert wird, wie auch bei Spender-Linsenimplantaten. In derartigen Fällen können das herausgeschnittene Segment oder die Spenderimplantate gemäß der Erfindung so umprofiliert werden, dass sich astigmatische Korrekturen ergeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in Verbindung mit verschiedenen Hilfskomponenten verwendet werden, die den Ablauf überwachen und/oder kontrollieren, einschließlich z. B. verschiedenen Regelungssystemen zum Modifizieren der Ausrichtungseinrichtung am Laser.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung kann unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erlangt werden.
Fig. 1 ist eine schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum astigmatischen Abtragen einer Zieloberfläche gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht der optischen Elemente des Systems von Fig. 1, das so konfiguriert ist, dass es auf der Oberfläche einer Hornhaut eine herkömmliche, zeitlich variable, kreisförmige Belichtungsfläche erzeugt;
Fig. 3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer anderen Konfiguration der optischen Elemente des Systems von Fig. 1, bei dem die Apertur in einer Richtung relativ zum Strahlpfad gekippt ist, um auf der Oberfläche einer Hornhaut eine zeitlich variable, elliptische Belichtungsfläche zu erzeugen;
Fig. 4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer weiteren Konfiguration der optischen Elemente des Systems von Fig. 1, bei dem die Apertur mit einem anderen Ausmaß in einer anderen Richtung relativ zum Strahlpfad gekippt ist, um auf der Oberfläche einer Hornhaut eine zeitlich variable, elliptische Belichtungsfläche mit anderer Form und Ausrichtung zu erzeugen;
Fig. 5A veranschaulicht schematisch die Verwendung einer kugelförmigen Abtragungsmaske auf einer einfach-myopischen Hornhaut als Alternative zu einer einstellbaren Apertur;
Fig. 5B veranschaulicht die Form der Hornhaut, folgend auf den in Fig. 5A veranschaulichten Vorgang;
Fig. 6A veranschaulicht schematisch die Verwendung einer gekipptem, kugelförmigen Abtragungsmaske auf einer astigmatischen, myopischen Hornhaut; und
Fig. 6B veranschaulicht die Form der Hornhaut, folgend auf den in Fig. 6A veranschaulichten Vorgang.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes System 10 zum Ausgeben eines elliptischen Strahls abtragender Laserenergie auf eine Zielfläche. In Fig. 1 umfasst das System 10 einen Laser 12, eine Lichtbegrenzungsanordnung 14 und eine Abbildungsanordnung 16 in optischer Ausrichtung, um einen Strahl abtragender Laserenergie auf eine Bildebene 24 auf einer Oberfläche, wie der Hornhaut 26 eines Auges, zu übertragen. Spiegel 18, 20 und 22 ermöglichen es, dass das System mit gefalteter Konfiguration arbeitet. Der Laser 12 kann für die Abgabe kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung zur Lichtbegrenzungsanordnung 14 sorgen.
Wie es in Fig. 2 detaillierter dargestellt ist, kann die Lichtbegrenzungsanordnung 14 eine einstellbare Iris 13 und einen kardanischen Mechanismus 15 umfassen, der die Drehung in den beiden Winkelrichtungen α und β ermöglicht. Die optischen Anordnungen 14 und 16 sind mit dem Laser 12 koaxial aus geriöhtet, um für optimalen und abberationsfreien Durchsatz zur Zieloberfläche 24 zu sorgen. (Die in den Fig. 2 -4 dargestellte Anordnung optischer Elemente kann durch zusätzliche Strahlformungs- oder Strahlkontrollelemente, wie sie dem Fachmann bekannt sind, wie durch Strahlabschneidmechanismen, Lichthomogenisatoren und/oder Strahlaufweiter erweitert sein. Zu Zwecken einer vereinfachten Veranschaulichung sind diese Elemente aus der Zeichnung weggelassen.)
Die einstellbare Iris 13 bildet einen Mechanismus zum zeitlichen Variieren der Strahlbreite. Wenn die Lichtbegrenzungseinrichtung in der Nullstellung (wie in Fig. 2 dargestellt) ausgerichtet ist und die Iris langsam geöffnet wird, wird eine Reihe kreisförmiger Belichtungsmuster auf die Oberfläche übertragen, was für kumulative Belichtung mit der größten Dauer für diejenigen Bereiche der Oberfläche sorgt, die auf der optischen Achse oder nahe bei dieser liegen. Demgebenüber empfangen diejenigen Bereiche, die weiter weg von der optischen Achse liegen, weniger abtragende Strahlung. Der Nettoeffekt ist ein Abflachen der Krümmung. Die in Fig. 2 dargestellte Nullstellung ist für Abläufe bevorzugt, bei denen eine kugelförmige Oberfläche mit einem kleineren als dem gewünschten Krümmungsradius vorliegt (wie z. B. bei einem myopischen, aber nicht-astigmatischen Auge).
Es sollte deutlich sein, dass anstelle der einstellbaren Iris 13 auch andere Lichtbegrenzungseinrichtungen dazu verwendet werden können, die dem Ziel zugeführte Flussdichte zeitlich zu variieren. Zum Beispiel können Intensitätsgradationsmasken, durch Licht erodierbare Masken oder durch Licht bleichbare Masken verwendet werden. Außerdem können Masken mit verschiedenen geometrischen Designs gedreht oder auf andere Weise gehandhabt werden, um ein zeitlich variables Belichtungsmuster zu liefern.
Wenn die Lichtbegrenzungsanordnung verkippt wird, wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, werden elliptische Strahlmuster an das Auge übertragen. Die einstellbare Iris 13 modifiziert die Größe des elliptischen Musters, während die Ausrichtung der Apertur bezogen auf den Strahlpfad die Ausrichtung der Hauptachse der Ellipse bestimmt. Auf diese einfache Weise kann ein astigmatisches Abtragungsmuster, das die Oberfläche modifiziert, erzeugt und so angepasst werden, dass die spezielle Ausrichtung und der Astigmatismusgrad, wie durch die Zieloberfläche gegeben, kompensiert werden.
Insbesondere veranschaulicht das in den Fig. 1 - 4 dargestellte System eine Vorgehensweise zum Ausführen von Keratomyleusis durch einen Excimerlaser. Die Lasereinrichtung 12 ist eine schnell gepulste UV-Laserquelle, und die Zieloberfläche 24 ist eine menschliche Hornhaut, die optisch mit der Lasereinrichtung 12 ausgerichtet ist. Die Lasereinrichtung kann z. B. ein Excimerlaser sein, und ein bevorzuger Laser ist ein Argonfluoridlaser mit einer charakteristischen Emissionswellenlänge von ungefähr 193 Nanometern. Alternativ können andere gepulste UV-Laser mit sowohl kürzeren Wellenlängen bis herunter zu ungefähr 157 nm (z. B. ein Fluoridlaser) als auch längeren Wellenlängen bis hoch zu ungefähr 300 nm bei speziellen Anwendungen von Nutzen sein.
Zum Beispiel beträgt im Fall des Abtragens entweder der Bowman-Membran oder des Grundgewebeteils der Hornhaut durch Energie mit einer Wellenlänge von 193 nm (Wellenlänge, wie sie von einem ArF-Excimerlaser erhalten wird), der Schwellenwert üngefähr 50 mJ pro cm² pro Impuls, und der Sättigungswert beträgt ungefähr 250 mJ pro cm² pro Impuls. Geeignete Energiedichten an der Oberfläche der Hornhaut betragen 50 mJ pro cm² bis 1 J pro cm² pro Impuls für eine Wellenlänge von 193 nm.
Der Schwellenwert kann sich mit der Wellenlänge sehr schnell verändern, und bei 157 nm, was die von einem F&sub2;-Laser erhaltene Wellenlänge ist, beträgt der Schwellenwert ungefähr 5 mJ pro cm² pro Impuls. Bei dieser Wellenlänge sind geeignete Energiedichten an der Oberfläche der Hornhaut 5 mJ pro cm² bis 1 J pro cm² pro Impuls.
Am bevorzugtesten wird das Lasersystem dazu verwendet, an der zu erodierenden Oberfläche eine Energiedichte zu erzeugen, die geringfügig kleiner als der Sättigungswert ist. So ist es bevorzugt, wenn die Hornhaut mit einer Wellenlänge von 193 nm erodiert wird (bei welchen Bedingungen der Sättigungswert 250 mJ pro cm² pro Impuls beträgt), der Hornhaut Impulse mit einer Energiedichte von 90 bis 220 mJ pro cm² pro Impuls zuzuführen. Typischerweise erodiert ein Einzelim puls eine Tiefe im Bereich von 0,1 bis 1 µm aus dem Collagen der Hornhaut.
Die Impulswiederholrate für den Laser kann so gewählt werden, dass den Erfordernissen jeder speziellen Anwendung genügt ist. Normalerweise beträgt die Rate zwischen 1 bis 500 Impulsen pro Sekunde, vorzugsweise zwischen 1 und 100 Impulsen pro Sekunde. Wenn es erwünscht ist, die Strahlgröße zu variieren, können die Laserimpulse unterbrochen werden. Alternativ kann die Strahlgröße variiert werden, während die Impulse andauern. Wenn eine Messvorrichtung dazu verwendet wird, den Erosionsfortschritt zu überwachen und das Lasersystem automatisch zu steuern, kann die Strahlgröße kontinuierlich mit kontrollierter Rate ohne Unterbrechung der Impulse variiert werden.
Geeignete Bestrahlungsintensitäten variieren abhängig von der Wellenlänge des Lasers und der Art des beleuchteten Objekts. Für jede vorgegebene Wellenlänge der einem beliebigen Material zugeführten Laserenergie existiert typischerweise ein Schwellenwert für die Energiedichte, unter dem keine wesentliche Erosion auftritt. Oberhalb der Schwellendichte existiert ein Bereich von Energiedichten, in dem zunehmende Energiedichten zunehmende Erosionstiefen ergeben, bis ein Sättigungswert erreicht wird. Bei Erhöhungen der Energiedichte über den Sättigungswert hinaus tritt keine deutliche Zunahme der Erosion auf.
Der Schwellenwert und der Sättigungswert variieren von einer Wellenlänge zur anderen von Laserenergie sowie von einem Material zu anderem an der zu erodierenden Oberfläche, und zwar auf eine nicht einfach vorhersagbare Weise. Jedoch können die Werte für jeden speziellen Laser und jedes spezielle Material leicht experimentell herausgefunden werden.
Gemäß den Fig. 3 und 4 kann die Astigmatismusachse bei einem Patienten durch Ausrichtung der Lichtbegrenzungsiris 14 an das elliptische Strahlprofil angepasst werden. Die Aperturen der einstellbaren Iris kontrollieren eines Dimension der Ellipse auf der Zieloberfläche 24A oder 24B der Hornhaut. Ein Verdrehen der Apertur relativ zum Strahlpfad (d.h. ein Verkippen der Lichtbegrenzungseinrichtung 14 über die kardanische Anordnung 15) um einen Winkel α (wie in Fig. 3 dargestellt) oder einen Winkel β (wie in Fig. 4 dargestellt) oder um einen zusammengesetzten Winkel kontrolliert die andere Dimension (unter Ausrichtung auf der Oberfläche) der Ellipse.
Obwohl die Erfindung der Veranschaulichung halber hinsichtlich einer einfachen Drehung der Lichtbegrenzungseinrichtung 14 um die Achse x (Winkel α) oder die Achse y (Winkel β) oder beide beschrieben wurde, sollte es deutlich sein, dass auch andere Koordinatensysteme dazu verwendet werden können, den Prozess des astigmatischen Korrektur zu beschreiben. Zum Beispiel kann ein Kugelkoordinatensystem dazu verwendet werden, die Astigmatismusachse des Auges (oder eine komplementäre Astigmatismuskorrekturachse) zu beschreiben. Bei einem derartigen System kann ein Winkel (z. B. "e") die Ausrichtung der Achse der astigmatischen Korrektur am Auge (d.h. in der xy-Ebene) beschreiben, und ein anderer Winkel (z. B. "Φ") kann die Proportion betreffend die Haupt- zur Nebenachse bestimmen. Die Umsetzung von Winkeln von einen Koordinatensystem in ein anderes wird durch wohlbekannte geometrische Gleichungen bestimmt.
Es ist auch bevorzugt, dass das System 10 einen Ausgangsstrahl mit im wesentlichen konstanter Energie pro Einheitsfläche unabhängig von seiner variablen Größe erzeugt. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zu grundsätzlichen, mit Lasern arbeitenden Keratomyleusis-Systemen und -verfahren, wie auch hinsichtlich Techniken zum Gewährleisten einer im wesentlichen konstanten Energiedichte, siehe die US-Patente 4,941,093 und 4,856,516.
Die Änderungsrate der Größe der elliptischen Belichtungsfläche hängt vom ausgewählten Krümmungsradius bei der Oberflächenerosion ab. Für eine Dimension kann die Brechkraft einer Oberfläche durch Dioptrien (1/Metereinheit) beschrieben werden, wobei es sich um die typische Terminologie für Korrekturen des Sehvermögens handelt. Eine Dioptrie ist wie folgt definiert:
Dioptrie= (n' - n) / R,
wobei n und n' die wellenlängen-abhängigen Brechungsindizes vor bzw. innerhalb der Zieloberfläche 24 sind. R ist der Radius der Oberfläche. Bei Laserkeratoplastik oder Keratomyleusisabläufen ist der Index n des Eintrittsmediums derjenige von Luft mit einem Wert von ungefähr 1. Der Index n' einer mittleren menschlichen Hornhaut beträgt ungefähr 1,376 für sichtbares Licht. Wenn ein Patient eine Korrektur von- 3,0 Dioptrien benötigt, beträgt der Radius der Oberflächenerosion ungefähr 125,33 mm. Aufeinanderfolgende Einstrahlungen auf die Hornhaut werden daher so bemessen, dass die Homhautoberfläche auf diesen Radius erodiert wird.
Wenn ein Patient myopischen Astigmatismus aufweist, was allgemeiner als astigmatische Kurzsichtigkeit bezeichnet wird, können beide Achsen der Hornhaut gleichzeitig erodiert werden, um eine Erosion für zwei Brechkräfte auszuführen. Wenn z. B. in einer Achse eine Korrektur von -3,0 Dioptrien erforderlich ist, während in der dazu rechtwinkligen Achse auf der Hornhaut eine Korrektur von -3,9 Dioptrien erforderlich ist, beträgt die entsprechende Bestrahlungsgröße des elliptischen Excimerlaserstrahls ungefähr 4,6 mm bzw. 4,0 mm. Die Dicke der Hornhaut, wie während der Abtragung entfernt, variiert abhängig von der Größe der unprofilierten optischen Zone. Der Vorgang kann stark auf die Erosion der Bowman- Schicht der Hornhaut beschränkt werden, falls dies erwünscht ist, wenn zum Umprofilieren eine kleine optische Zone gewählt wird. Alternativ kann eine größere optische Zone gewünscht sein und in einem derartigen Fall tritt typischerweise ein Eindringen in den Grundgewebebereich der Hornhaut auf. Im allgemeinen ist es wünschenswert, in jedem Fall eine Abtragung von mehr als 100 - 200 µm der Hornhaut zu vermeiden.
Diefig. 5A - 5B sowie 6A - 6B veranschaulichen die Wirkungen astigmatischer Abtragung an einem myopischen, astigmatischen Auge unter Verwendung einer alternativen Lichtbegren zungseinrichtung, nämlich einer Profilmaske 36. Fig. 5A veranschaulicht schematisch die Verwendung einer kugelförmigen Abtragungsmaske auf einer einfach myopischen Hornhaut als Alternative zu einer einstellbaren Apertur. Bei dieser Vorgehensweise, wie sie detaillierter im US-Patent 4,856,513 beschrieben ist, das hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird, sperrt die Profilmaske 30 selektiv mehr Strahlung am Rand des Laserstrahls, und sie lässt in diejenigen Bereiche des myopischen Auges 32 mehr Strahlung durch, die auf der optischen Achse oder nahe bei diese liegen. Das in Fig. SB dargestellte Nettoergebnis ist eine abgetlachte Krümmung 34 auf der Oberfläche des Auges. Auf diese Weise trägt die Profilmaske bei 32 die Homhautoberfläche selektiv ab und sorgt für die korrekte Krümmung für normale Sehkraft.
Die Verwendung einer ähnlichen kugelförmigen Abtragungsmaske 36 an einem myopischen, astigmatischen Auge 38 ist in Fig. 6A dargestellt. Durch Verkippen der Maske relativ zur optischen Achse wird erneut ein elliptisches Belichtungsmuster auf ähnliche Weise zu dem erzeugt, das oben für die einstellbare Iris in Verbindung mit den Fig. 1 - 4 beschrieben wurde. Wiederum ist das Nettoergebnis eine korrigierte Krummung, die nicht mehr astigmatisch oder myopisch ist, wie in Fig. 6B dargestellt.
Das Ausmaß der astigmatischen Korrektur variiert, selbstverständlich, mit der Kippung der Apertur oder der Maske entsprechend geometrischen und optischen Prinzipien. Im wesentlichen verkompliziert der Verkippungsgrad die Abtragungseffekte (und daher den Korrekturfaktor), da der Strahl einen kleineren Durchmesser des Auges beeinflusst. Wenn z. B. das einstellbare Element um 60º in der Richtung Φ verkippt wird, beträgt die Stärke der abtragenden Effekte entlang der Haupt(Verkippungs)achse ungefähr das Doppelte (z. B. wird eine Änderung von 2 Dioptrien entlang der Nebenachse von einer Änderung von 4 Dioptrien entlang der Verkippungsachse begleitet).
Im allgemeinen Fall, wenn die Oberfläche eines Auges astigmatisch ist und über zwei rechtwinklig aufeinanderstehende Achsen verfügt&sub1; kann das Ausmaß des Astigmatismus durch zwei Werte, D&sub1; und D&sub2;, gekennzeichnet werden, die die kleinere und die größere Dioptrienkorrektur repräsentieren, wie sie entlang diesen zwei Achsen jeweils erforderlich sind. Un die Korrektur durch einen abtragenden Vorgang vorzunehmen, kann die folgende Gleichung verwendet werden:
(DIA&sub1;)² D&sub1; = (DIA&sub2;)² D&sub2; (1),
wobei DIA&sub1; und DIA&sub2; die Durchmesser des abtragenden Ellipsoids auf den zwei elliptischen Achsen sind. Um einen Ablauf gemäß der Erfindung auszuführen, kann die Verkippung der Iris im Kugelkoordinatensystem (d.h. bei einem Winkel Φ ausgehend von der Z-Achse) durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
Φ = arccos D&sub1;/D2 (2).
Wenn anstelle einer Apertur eine Maske verwendet wird, ist typischerweise eine Modifizierung der Gleichung (2) zum Berücksichtigen der umfassenden Abnahme der Erosionsrate auf Grund der Abnahme der Dichte von Photonen, die auf das Maskenmaterial treffen, erwünscht. Diese Korrekturfaktoren können vom Fachmann empirisch bestimmt werden, und sie können auf Grundlage der Zusammensetzung und der Art der verwendetenmaske variieren.
Es ist auch zu beachten, dass Verzerrungen auf Grund von "Schärfentiefe"-Effekten minimiert werden sollten. Für Apertursysteme kann dies durch die Verwendung einer kleinen numenschen Apertur etwas stromabwärts bezüglich der Lichtbegrenzungseinrichtung erzielt werden (z. B. durch die Linse 16, wie in den Fig. 1 - 4 dargestellt, oder durch ein ähnliches Mehrelemente-Linsensystem) . Der "Schärfentiefe"-Effekt kann auch dadurch minimiert werden, dass sichergestellt wird, dass das durch die Lichtbegrenzungseinrichtung laufende Lichtbündel im wesentlichen aus parallelen Lichtstrahlen besteht. Eine erhöhte Schärfentiefe kann auch dadurch erzielt werden, dass in der Nähe einer Lichtbegrenzungsapertur eine Feldlinse angebracht wird. Die Vorgehensweise mit parallelem Licht ist besonders bei Ausführungsbeispielen mit erodierbarer Maske und dergleichen von Nutzen.
Die Erfindung wurde in Verbindung mit veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Jedoch sollte deutlich sein, dass verschiedene andere, alternative Ausführungsbeispiele aufgebaut werden können, bei denen die hier offenbarten Prinzipien realisiert sind, insbesondere unter Verwendung von Lichtbegrenzungseinrichtungen zum Brechen der Symmetrie des Laserstrahls, um dadurch an der der Abtragung unterliegenden Oberfläche eine zeitlich variable, astigmatische Energieverteilung zu erzeugen.
Es wird das folgende beansprucht:

Claims

1. Verfahren zum astigmatischen Abtraqen einer Oberfläche mittels Laserenergie, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Einstellen einer Oberfläche (24) auf eine Lasereinrichtung (12), welche so betreibbar ist, daß sie ein Laserenergie-Strahlbündel entlang einem Pfad zu der Oberfläche (24) liefert;

Erzeugen eines Strahlbündels einer Strahlung mittels der Lasereinrichtung (12) bei einem Energiepegel derart, daß das Strahlbündel der Strahlung an der Oberfläche (24) absorbiert werden kann, um eine Photoabtragung zu bewirken;

Anordnen einer Lichtbegrenzungseinrichtung (14) in dem Strahlbündelpfad, um selektiv einen Teil der Laser- Strahlung zu übertragen und um räumlich den Belichtungsbereich auf der Oberfläche über der zeit zu variieren; und gekennzeichnet durch:

ein Kippen der Lichtbegrenzungseinrichtung (14) in einem Winkel relativ zu dem Strahlbundelpfad, um ein asymmetrisches Abtragungsprofil zu definieren, unter dem Vorbehalt eines Verzichts auf Verfahren zur Behandlung eines menschlichen oder tierischen Korpers im Rahmen einer chirurgischen Behandlung oder Therapie.

Verfahren nach Anspruch 11 wobei der Schritt des Ausrichtens der Lichtbegrenzungseinrichtung (14) ferner das Erzeugen einer zeitlich variierenden astigmatischen Verteilung von Energie auf dem Belichtungsbereich (24) mit umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Kippen der Lichtbegrenzungseinrichtung (14), um eine spezielle Ausrichtung für das geformte Strahlbündel zu wählen, mit umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Kippens der Lichtbegrenzungseinrichtung (14) ferner das Erzeugen einer zeitlich variierenden, elliptischen Verteilung von Energie auf dem Bereich (24) mit umfaßt, in welchem die Richtung der Kippung rechtwinklige Achsen auf der Oberfläche (24) für eine astiginatische Abtragung definiert

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Anpassens der Kippung der Lichtbegrenzungseinrichtung (14), um ein astigmatisches Verhältnis auf der Oberfläche (24) für die astigmatische Abtragung zu wählen, mit umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 11 wobei der Schritt des Anordnens einer Lichtbegrenzungseinrichtung (14) in dem Strahlbündelpfad ferner das Anordnen einer einstellbaren Iris (13) oder einer Profilmaske in dem Strahlbündelpfad tnit umfaßt, und wahlweise der Schritt des Anordnens einer Profilmaske in dem Strahlbündelpfad ferner das Anordnen einer erodierbaren Maske in dem Strahlbündelpfad mit umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Aktivieren der Lasereinrichtung (12), um eine abtragende Strahlung zu erzeugen, und das Aktivieren der Lichtbegrenzungseinrichtung (14), um selektiv die Oberfläche durch Verändern der Größe, Form oder Lage der Belichtungsfläche (24) über der Zeit abzutragen, mit umfaßt, und beispielsweise der Schritt des Aktivierens der Lasereinrichtung (12) ferner das Aktivieren einer gepulsten Excimer-Lasereinrichtung mit umfaßt.

8. Lasersystem zum astigmatischen Neuprofilieren einer Oberflache, wobei das Lasersystem aufweist:

eine Lasereinrichtung (12) zum Erzeugen von Laserlichtimpulsen entlang einem Strahlbündelpfad be einem Energiepegel derart, daß die Impulse an einer Oberfläche (24) absorbiert werden können, um eine Photoabtragung zu bewirken;

eine Lichtbegrenzungseinrichtung (14), die in dem Strahlbündelpfad angeordnet ist, um Belektiv das Laserlicht zu übertragen und um raumlich den Belichtungsbereich (24) auf der Oberfläche über der Zeit zu variieren, gekennzeichnet durch:

eine Ausrichtungseinrichtung (15) zum Kippen der Lichtbegrenzungseinrichtung (14) in einem Winkel relativ zu dem Strahlbündelpfad, um ein asymmetrisches Abtragungsprofil zu definieren.

9. Lasersystem nach Anspruch 8, wobei die Lasereinrichtung (12) einen Excimer-Laser, beispielsweise einen Argon- Fluorid-Laser aufweist.

10. Lasersystem nach Anspruch 8, wobei die Lichtbegrenzungseinrichtung (14) eine einstellbare Iris (13) oder eine Profilmaske zum Variieren des Durchmessers des Laserstrahl aufweist, wobei die Maske wahlweise erodierbar ist.

11. Lasersystem nach Anspruch 8, wobei die Ausrichtungseinrichtung (15) das Kippen der Lichtbegrenzungseinrichtung (14) in verschiedenen Winkeln relativ zu dem Strahlbündelpfad erlaubt, um eine spezielle Ausrichtung für den elliptisch geformten Strahl zu wahlen.

12. Lasersystem nach Anspruch 8, wobei das System ferner eine Abbildungseinrichtung für die Abbildung der Lichtbegrenzungseinrichtung (14) auf eine Abbildungsebene bei der Oberfläche aufweist.

13. Lasersystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Ausrich tungseinrichtung eine kardanische Aufhängung (15) aufweist.