(57)【要約】本発明は、パルス・エネルギーを眼球（Ｅ）に印加するシステム（１０）および方法を提供する。例示的な実施形態では、パルス・エネルギーのファイアリング率が、処置中のレーザ・ビームのパルスに対する眼球（Ｅ）の組織のモデリングされた、または推定された熱応答と相関して変化する。
2005527317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを角膜に向けることを含む角膜屈折手続きの計画に使用される方法であって、
前記角膜の温度変化の限界に基づく安全レーザ・ファイアリング反復率と、前記パターンに従って変化するパルス特性と前記角膜の温度上昇との関係とを決定することを備える方法。
【請求項２】
前記パターンの連続パルスの配送間において異なる時間遅延を確定する複数の異なるパルス反復率を決定することをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パルス反復率の少なくとも１つが、複数のパルスを含む、定常状態温度より著しく短い時間にわたる第１位置における有効パルス反復率を備え、前記パルス特性が前記角膜にわたって前記パルスの位置を備え、前記有効パルス反復率が、前記時間にわたる前記第１位置における前記有効パルス反復率が、前記レーザの全ファイアリング率より小さくなるように、前記時間中における角膜組織の関連する第１部分と角膜組織の第２関連部分との間のレーザの走査を反映する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記温度変化の限界が、前記組織の第１温度と最大所望温度との間に、角膜組織の許容可能な温度変化を備える請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第１温度が、前記手続きを反復する前の前記角膜の初期平衡温度を備える請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１温度が、約３０℃から約３５℃の範囲にある請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１温度が、約３３℃である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１温度が、角膜組織の測定温度または推定温度である請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記最大所望温度が、前記角膜組織の高熱温度より低くなるように選択される請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記最大所望温度が、約４７℃より低い請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記最大所望温度が、約４４℃より低い請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記最大所望温度が、角膜組織が加熱される時間に少なくとも部分的に基づいて選択される請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
前記温度変化の限界が、約１２℃より低い請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記関係が、温度変化と、前記角膜に入射するレーザ・ビーム・スポットの反復率およびサイズの少なくとも一方との相関を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記関係が、前記反復率の変化と、所与のスポット・サイズについての前記温度変化とのほぼ線形の関係を示す請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記パルス特性が、前記レーザ・ビームの前記スポット・サイズを備え、前記関係が、前記温度変化を生成するとき、スポット・サイズの減少が反復率の増大と合致することを示す請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記関係が、半径ｒおよび反復率ｒｅｐ＿ｒａｔｅを有するスポット・サイズの温度変化ΔＴが、
ΔＴ＝（０．０５３３ｒ2＋０．４０７ｒ）ｒｅｐ＿ｒａｔｅ
であることを示す請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを角膜に向けることを備える角膜屈折手続きの計画に使用されるシステムであって、
可変パルス特性を含む前記パターンを受け取るための少なくとも１つの入力を有するモジュールであって、
前記角膜の温度限界と、
前記パルス特性と前記角膜の温度上昇との関係とに基づいて、前記パターンの連続パルスの間において複数の異なる時間遅延を確定するモジュールを備えるシステム。
【請求項１９】
切除レーザ・エネルギー・パルスを眼球の角膜に向けることを備える角膜屈折手続きの計画に使用される方法であって、
第１パターンを確定するために、第１順序の前記パターンを入力することと、
ｉ）連続パルスの間において複数の異なる時間遅延を選択的に決定することと、
ii）前記第１パターンの前記パルスを再順序付けすることとの少なくとも一方によって、角膜加熱モデルに基づいて前記第１パターンから第２パターンを導出することと、
前記第２パターンを、前記パターンに従って前記切除レーザ・エネルギーで前記角膜を切除するレーザ・システムに出力することとを備える方法。
【請求項２０】
前記時間遅延が、前記パルスの少なくとも１つの初期熱安全レーザ・ファイアリング反復率を識別し、パルスの間における前記時間遅延を反復して短縮し、角膜熱応答が前記短縮された時間遅延で依然として安全であることを確認することによって決定される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
関連するパルスが無期限に反復される場合、前記少なくとも１つの初期反復率が、安全定常状態角膜組織温度をもたらす請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記パターンの各パルスが、関連するレーザ・スポット・サイズを有し、前記パルスの前記スポット・サイズが、前記パターンに従って変化し、一連の初期熱安全レーザ・ファイアリング反復率が、前記スポット・サイズに応答して識別される請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記パルスの少なくともいくつかの前記角膜熱応答が、第１位置を含むレーザ・スポットで時間ウィンドウ内の複数の以前のパルスを積分することによって確認される請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１位置が中心瞳孔位置であり、前記少なくともいくつかのパルスの前記角膜熱応答が処置領域内の複数の周辺位置においても確認される請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１位置における前記時間ウィンドウ内の前記パルスが異なる関連スポット・サイズを有し、前記異なるスポット・サイズが関連する許容可能な定常状態時間遅延を有し、前記時間ウィンドウ内の前記角膜の前記熱応答が異なるスポット・サイズの前記パルスの許容可能な時間遅延を全時間に組み合わせ、前記全時間を前記時間ウィンドウと比較することによって確認される請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記時間ウィンドウ内の前記パルスが前記角膜にわたって走査され、前記第１位置が前記走査されたパルスの前記レーザ・スポットの少なくともいくつかの外にあり、前記熱応答が前記時間ウィンドウ中に前記第１位置を含むレーザ・スポットを有するパルスの数に対応する平均パルス率を使用して確認される請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記パターンが前記角膜にわたって一連のレーザ・スポット位置を備え、第１パターンが第１順序を割り当てられ、前記導出ステップが前記第１順序から第２順序に前記パターンを再順序付けすることを備え、前記第２順序のパルスの前記パターンが前記第１順序の前記パターンより低い推定角膜温度、または前記第１順序の前記パターンより短い角膜処置時間を生成する請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１順序の入力パターンが第１処置表を確定し、前記第２順序の修正パターンが第２処置表を確定し、前記第１表のレーザ・パルスの前記レーザ・スポット位置と関連する数が前記第１処置表と前記第２処置表について同じである請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを眼球の角膜に向けることを備えるレーザ屈折手続きを計画するシステムであって、
前記パターンを記憶するメモリと、
角膜加熱モデルと、
前記角膜加熱モデルに基づいて、前記パターンの連続パルスの間において複数の異なる時間遅延を割り当てるモジュールと、
前記角膜の切除の前記時間遅延を伝達する出力とを備えるシステム。
【請求項３０】
切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを眼球の角膜に向けることを備えるレーザ屈折手続きを計画するシステムであって、
第１パターンを確定するために、第１順序の前記パターンを記憶するメモリと、
前記メモリに結合された角膜加熱モデルと、
前記角膜加熱モデルに基づいて前記第１パターンの前記パルスを再順序付けすることによって、前記第１パターンから第２パターンを導出するモジュールとを備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、「Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  Ｒａｔｅ  Ｆｉｒｉｎｇ  Ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」についての米国仮特許出願第６０／３８４，６２１号明細書、２００２年５月３０日出願に関係する、仮米国特許出願第６０／４３１，３５５号明細書、２００２年１２月６日出願からの優先権を主張する通常の米国特許出願である。これらの全開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、眼球によって屈折された光の光学誤差を補正することに関する。例示的な実施形態では、本発明は、角膜曲率形成（ＬＡＳＩＫ）、光屈折角膜切除（ＰＲＫ）などの最中にその場で眼球を処置するのに特によく適している、眼球の光学誤差を補正する装置、システム、方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
既知のレーザ眼球手術手続きは、眼球の角膜からストロマ組織の微視層を除去するために、紫外線レーザまたは赤外線レーザを一般に使用する。レーザは、通常、しばしば眼球の屈折誤差を補正するために、角膜組織の選択された形状を除去する。紫外線レーザの切除は、角膜組織を光分解させるが、眼球の隣接組織や下層組織に対して著しい熱損傷を与えない。照射された分子は、光化学的により小さい揮発性断片に分解され、分子間結合を直接破壊する。
【０００４】
レーザ切除の手続きは、近視、遠視、乱視などを補正するためなど、様々な目的について角膜の輪郭を変更するために、角膜の対象ストロマを除去する。角膜を横断する切除エネルギーの分布に対する制御は、切除可能マスク、固定および可動口径、被制御走査システム、眼球運動追跡機構などの使用を含めて、様々なシステムと方法によって提供することが可能である。レーザ・ビームは、レーザ光エネルギーの離散パルスのパターンで構成することが多く、除去される組織の全体的な形状と量は、角膜に入射するレーザ・エネルギー・パルスの形状、サイズ、位置、および／または数によって決定される。様々なアルゴリズムを使用して、眼球の屈折誤差を補正するように角膜を再成形するために使用されるレーザ・パルスのパターンを計算する。既知のシステムは、赤外線レーザ、紫外線レーザ、フェムト秒レーザ、波長分割固体レーザなどを含めて、補正を実施するために、様々な形態のレーザおよび／またはレーザ・エネルギーを利用する。これらのレーザ・システムのレーザは、処置中にレーザ・ビームを一連パルスまたはあるパターンのパルスとして送る。
【０００５】
可能な限り迅速に手術手続きを完了することが、一般に所望される。しかし、処置が迅速すぎる場合、角膜組織に対する熱効果が甚大になることがあり、所望されない合併症が起きる可能性がある。このために、レーザ手術システムは、すべての意図した動作モードについて十分に低い固定したレーザ・ファイアリング反復率を一般に使用する。残念ながら、これにより処置時間が延長されることがあり、これは、患者にとっては快適ではなく、手術スタッフにとっては時間の浪費である。また、処置時間の延長は、組織の水和作用を変化させることがあり、患者によって受け取られる補正の量を変化させる可能性があることも示唆されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上を考慮すると、短縮された処置時間を有し、一方、既知のシステムの制限の少なくともいくつかを回避する手術切除処置を提供することが所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、パルス・エネルギーを眼球に印加するシステムおよび方法を提供する。例示的な実施態様では、パルス・エネルギーのファイリング率が、処置中のレーザ・ビームのパルスに対する眼球の組織のモデル化された、または推定された熱応答と関連して変化する。
【０００８】
一態様では、本発明は、角膜屈折手続きの計画に使用される方法を提供する。その手続きは、切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを角膜に向けることを備える。本方法は、角膜に対する温度変化の限界、およびパルス特性と角膜の温度上昇との関係に基づいて、安全レーザ・ファイアリング反復率を決定することを備える。パルス特性は、そのパターンにより変化する。
【０００９】
多くの実施態様では、パターンの連続パルス間において異なる時間遅延を確定するために、複数の異なるパルス反復率が決定される。いくつかの実施態様では、温度変化の限界は、角膜組織の温度の許容可能安全変化を組織の第１温度と最大所望温度との間において備える。第１温度は、手続きの開始前の角膜の初期平衡温度であり、または、以前の角膜加熱などを反映させてもよい。周囲温度が開始点として使用されるとき、第１温度は、約３０〜３５℃の範囲にあり、通常約３３℃である。この第１温度は、測定することが可能であり、または、角膜組織の推定温度とすることが可能である。最大所望温度は、角膜組織の高熱温度より低くなるように通常選択され、しばしば約４７℃より低く、通常約４４℃より低い。この最大所望温度は、角膜組織が加熱されている時間に少なくとも部分的に基づいて選択される。温度変化の限界は、約１２℃より低いことが多く、安全限界を維持するように１０℃以下であることが理想的である。
【００１０】
パルス特性と温度上昇との関係は、角膜に入射するレーザ・ビーム・スポットの温度、反復率、および／または形状に相関があることが多い。関係は、所与のスポット・サイズの反復率の変化について、ほぼ線形の温度変化を示唆する。同様に、パルス特性がレーザ・ビームのスポット・サイズを備えるとき、関係は、スポット・サイズの減少が、限定された許容可能な温度変化の範囲内における許容可能な反復率の増大と符合することを示唆する可能性がある。
【００１１】
他の態様では、本発明は、角膜屈折手続きの計画に使用されるシステムを提供する。その手続きは、切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを角膜に向けることを備える。システムは、パターンを受け取るための少なくとも１つの入力を有するモジュールを備える。パターンは、そのパターンで変化するパルス特性を含む。モジュールは、角膜の温度限界、およびパルス特性と角膜の温度上昇との関係に基づいて、パターンの連続パルス間において複数の異なる時間遅延を確定する。
【００１２】
他の態様では、本発明は、屈折手続きを計画する方法を提供する。手続きは、切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを眼球の角膜に向けることを備える。システムは、第１パターンを確定するために、第１順序のパターンを入力することを備える。第２パターンが、連続パルス間において複数の異なる時間遅延を選択的に決定し、および／または第１パターンのパルスを再順序付けすることによって、角膜加熱モデルに基づいて第１パターンから導出される。第２パターンは、パターンに従って切除レーザ・エネルギーで角膜を切除するレーザ・システムに出力される。
【００１３】
時間遅延は、パルスについて少なくとも１つの初期安全レーザ・ファイアリング反復率を識別することによって、しばしば決定される。初期時間遅延は、反復して短縮することが可能であり、角膜熱応答の安全性は、短縮された時間遅延で確認することが可能である。１つまたは複数の初期反復率は、関連するパルスが無期限に反復される場合、安全定常状態角膜組織温度をもたらすように選択されることが多い。
【００１４】
パターンの各パルスは、関連するレーザ・スポット・サイズを有することがあり、パルスのスポット・サイズは、パターンに従って変化することもある。一連の初期熱安全レーザ・ファイアリング反復率は、スポット・サイズに応答して識別することが可能である。パルスの少なくともいくつかの角膜熱応答は、時間ウィンドウ内において複数の以前のパルスを積分することによって確認することが可能である。積分された以前のパルスは、第１位置を含むレーザ・スポットを有する。第１位置は、中心瞳孔位置であり、パルスの少なくともいくつかの角膜熱応答は、処置領域内の複数の周辺位置において確認される可能性もある。時間ウィンドウ内のパルスは、異なる関連するスポット・サイズを有することが可能であり、異なるスポット・サイズは、異なる関連する許容可能な定常状態時間遅延を有することが可能である。角膜の熱応答は、異なるスポット・サイズのパルスの許容可能な時間遅延を全時間に組み合わせることによって確認することが可能であり、全時間は、時間ウィンドウに比較することが可能である。いくつかの実施態様では、時間ウィンドウ内のパルスが角膜をわたって走査されるとき、第１位置は、走査されたパルスのレーザ・スポットの少なくともいくつかの外側にある可能性がある。したがって、時間ウィンドウ中に第１位置を含むレーザ・スポットを有するパルスの数に対応する平均パルス率を使用して、熱応答を確認することができる。
【００１５】
随意選択として、パターンは、角膜にわたる一連のレーザ・スポット位置を備えることが可能である。第１パターンに第１順序を割り当てることが可能であり、導出ステップは、第１順序から第２順序にパターンを再順序付けすることを備えることが可能である。第２順序のパルスのパターンは、レーザ・パルス位置、スポット・サイズ、および数が変化しない場合でも、第１順序のパターンより低い推定角膜温度および／または短い角膜処置時間を生成することが可能である。
【００１６】
他の態様では、本発明は、レーザ屈折手続きを計画するシステムを提供する。その手続きは、切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを眼球の角膜に向けることを備える。システムは、パターンを記憶するメモリと角膜加熱モデルを備える。モジュールが、角膜加熱モデルに基づいて、パターンの連続パルスの間において複数の異なる時間遅延を割り当てる。出力が、角膜の切除について時間遅延を伝達する。
【００１７】
他の態様では、本発明は、レーザ屈折手続きを計画するシステムを提供する。手続きは、切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを眼球の角膜に向けることを備える。システムは、第１パターンを確定するために、第１順序のパターンを記憶するメモリを備える。角膜加熱モデルが、メモリに結合され、モジュールが、角膜加熱モデルに基づいて第１パターンのパルスを再順序付けすることによって、第１パターンから第２パターンを導出する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、光屈折角膜切除（ＰＲＫ）、光線治療角膜切除（ＰＴＫ）、レーザ・イン・シチュ角膜曲率形成（ＬＡＳＩＫ）など、レーザ眼球手術手続きの安全性と速度を向上させるのに特に有用である。本発明のシステムおよび方法は、眼球の角膜を処置するレーザ眼球手術システムの文脈において主に記述されるが、本発明の技法は、代替眼球処置手続きおよびシステムにおいて使用されるように適合させることが可能であることを理解されたい。
【００１９】
本発明の技法は、既存のレーザ・システムと共に使用されるように容易に適合させることができる。眼球の光学誤差を訂正するより迅速な方法論を提供することによって、本発明は、処置済み眼球が、患者にとって最小限の不快さで、改善された視力を有する所望の光学補正を規則的に受け取ることが可能であるように、角膜の彫塑を容易にする。
【００２０】
ここで図１を参照すると、本発明を組み込むレーザ眼球手術システム１０が、レーザ・ビーム１４を生成するレーザ１２を含んでいる。レーザ１２は、レーザ・ビーム１４を患者Ｐの眼球に向けるレーザ配送光学機器１６に光学的に結合される。配送光学機器支持構造（明瞭化のために図示せず）が、レーザ１２を支持するフレーム１８から延びている。レーザ・システム１０を患者Ｐと位置合わせするために、入力装置２０が使用される。顕微鏡２１が、配送光学機器支持構造の上に取り付けられ、顕微鏡は、眼球Ｅの角膜を撮像するために使用される。様々な実施形態において、レーザ眼球手術システム１０は、ＶＩＳＸインコーポレーテッド（ＶＩＳＸ、Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）［カルフォルニア州サンタ・クララ在］から入手可能なＳＴＡＲ  Ｓ３  ＡＣＴＩＶＥ  ＴＲＡＫTMＥＸＣＩＭＥＲ  ＬＡＳＥＲ  ＳＹＳＴＥＭの少なくともいくつかの部分を含む。
【００２１】
入力装置２０は、この図ではジョイスティックとして概略的に示されているが、様々な入力機構を使用することが可能であることを理解されたい。適切な入力機構は、トラックボール、タッチ・スクリーン、または広範な代替ポインティング装置を含むことが可能である。他の代替入力機構は、キーパッド、イーサネット、イントラネット、インターネットなどのデータ伝送機構、モデムなどを含む。
【００２２】
レーザ１２は、一般にはエキシマ・レーザであり、理想的には、約１９３ｎｍの波長を有するレーザ光のパルスを生成するフッ化アルゴン・レーザである。レーザ光のパルスは、処置中に約１５ナノ秒の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する固定パルス持続時間を通常有する。レーザ１２は、配送光学機器１６を介して送られ、患者の眼球においてフィードバック安定フルエンスを提供するように設計されることが好ましい。本発明は、紫外線放射または赤外線放射の代替源、具体的には眼球の隣接組織および／または下層組織に著しい損傷を与えずに、角膜組織を制御して切除するように適合された源でも有用である。レーザ・システムは、フッ化アルゴン・エキシマ・レーザ（約１９３ｎｍの波長を有するレーザ・エネルギーを生成する）などのエキシマ・レーザ、フラッシュ・ランプ、ダイオード・ポンプ固体レーザなどの周波数分割固体レーザを含む固体レーザを含むことが可能であるが、これに限定されるものではない。例示的な固体レーザは、ＵＶ固体レーザ（約１９３〜２１５ｎｍ）を含み、たとえば、米国特許第５，１４４，６３０号明細書および第５，７４２，６２６号明細書、Ｂｏｒｓｕｚｔｋｙら、「Ｔｕｎａｂｌｅ  ＵＶ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ａｔ  Ｓｈｏｒｔ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（１８８〜２４０ｎｍ）  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  Ｓｕｍ  Ｆｒｅｑｈｅｎｃｙ  Ｍｉｘｉｎｇ  ｉｎ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｂｏｒａｔｅ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ、６１；５２９〜５３２ページ（１９９５）に記載されているものなどがある。レーザ・エネルギーは、一連の離散レーザ・パルスとして形成されるビームからなる。様々な代替レーザを使用することも可能である。したがって、エキシマ・レーザは、切除ビームの例示的な源であるが、他のレーザを本発明において使用することが可能である。
【００２３】
レーザ１２と配送光学機器１６は、一般に、コンピュータ２２の指示下において、レーザ・ビーム１４を患者Ｐの眼球Ｅに向ける。コンピュータ２２は、しばしば、角膜の所定の彫塑を実施し、かつ眼球の屈折特性を変更するために、角膜の一部をレーザ・エネルギーのパルスに暴露するように、レーザ・ビーム１４を選択的に調節する。多くの実施形態において、レーザ１４およびレーザ配送光学システム１６の両方とも、所望のレーザ彫塑プロセスを実施するために、プロセッサ２２のコンピュータ制御下にあり、プロセッサは、レーザ・パルスのパターンを実施する（および随意選択で修正する）。パルスのパターンは、処置表の形態で有形媒体２９の機械可読データに収容することが可能であり、処置表は、切除監視システム・フィードバック・システムから提供されるフィードバック・データに応答して、自動画像分析システムからプロセッサ２２に入力される（システム・オペレータによって手動でプロセッサに入力される）フィードバックに従って調整することが可能である。そのようなフィードバックは、以下で記述される波面測定システムをレーザ処置システム１０と統合することによって提供することが可能であり、プロセッサ２２は、フィードバックに応答して、彫塑処置を続行および／または終了することが可能であり、随意選択で、フィードバックに少なくとも部分的に基づいて、計画された彫塑を修正することも可能である。
【００２４】
レーザ・ビーム１４は、様々な代替機構を使用して所望の彫塑を生成するように調整することが可能である。レーザ・ビーム１４は、１つまたは複数の可変開口を使用して、選択的に限定することが可能である。可変虹彩と可変幅スリットを有する例示的な可変開口システムが、全開示が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許出願第５，７１３，８９２号明細書に記載されている。レーザ・ビームは、全開示が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第０９／２７４，９９９号明細書、１９９９年３月２２日出願に記載されているように、レーザ・スポットのサイズおよび眼球の軸からのレーザ・スポットのずれを変化させることによって調整することも可能である。眼球の表面にわたるレーザ・ビームの走査と、各位置におけるパルスの数ならびに／または停止時間の制御、角膜に入射するビームのプロファイルを変更するマスクのレーザ・ビーム１４の光路における使用、可変サイズ・ビーム（可変幅スリットおよび／または可変直径虹彩絞りによって通常制御される）が角膜にわたって走査されるハイブリッド・プロファイル走査システムなどを含めて、他の代替も可能である。当業者には理解されるように、追加の構成要素および準システムが、レーザ・システム１０に含まれてもよい。たとえば、開示が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第５，６４６，７９１号明細書に記載されているように、レーザ・ビーム内のエネルギー分布を制御するために、空間積分器および／または時間積分器を含むことが可能である。
【００２５】
プロセッサ２２は、キーボード、表示モニタなどの標準的なユーザ・インタフェース装置を含めて、従来のＰＣシステムを備える（またはそれとインタフェースする）ことが可能である。プロセッサ２２は、磁気ディスク・ドライブまたは光学ディスク・ドライブ、インターネット接続などの入力装置を通常含む。そのような入力装置は、本発明の方法のいずれかを実現する有形記憶媒体２９からコンピュータ実行可能コードをダウンロードするために使用される。有形記憶媒体２９は、フロッピ・ディスク、光ディスク、データ・テープ、揮発性メモリまたは不揮発性メモリなどの形態を取ることが可能であり、プロセッサ２２は、メモリ・ボード、およびコードを記憶および実行するための現在のコンピュータ・システムの他の標準的な構成要素を含む。有形記憶媒体２９は、随意選択で、波面センサ・データ、波面勾配、波面高度マップ、処置マップ、角膜トポグラフィ・マップ、眼球の屈折の測定、および／または切除表を実現することが可能である。随意選択として、以下で記述される方法のすべてのいくつかが実行されるプロセッサ２２の部分は、切除形状を決定するためのＷａｖｅｓｃａｎTM波面システムなどの診断システムに統合することが可能であり、レーザ・システムの別のプロセッサとインタフェースすることが可能である。いくつかのデータ転送様式のように、様々な代替分散処理構成が可能である。
【００２６】
走査レーザ・ビームのパルス１４ａ〜１４ｅのシリーズまたはパターンを使用する眼球の切除を図１Ａに概略的に示す。パルスのシリーズは、眼球Ｅの角膜Ｃの処置面積または領域１５にわたって印加される。図１Ａに示すように、パルス１４ｅと１４ｄは重なるレーザ・スポットを生成する。パルス１４ｃの両端の寸法は、パルス１４ｂの両端の寸法より小さい。パルス１４ａから１４ｅのパターンは、眼球Ｅに順次印加され、パターンは、角膜に入射するレーザ・スポットの位置およびサイズを確定する。
【００２７】
ここで図２を参照すると、レーザ・ビーム１４を眼球Ｅに向けるためのレーザ・ビーム配送システム１６が、いくつかのミラー３０と、レーザ・ビームにわたってエネルギー分散を均等にする（そうでない場合は調節する）ことが可能である１つまたは複数の時間積分器３２を含んでいる。レーザ１２は、上述したエキシマ・レーザである。可変開口３４が、レーザ・ビーム１４をプロファイルするように、直径および／またはスロット幅を変化させる。プリズム３６が、レーザ・ビーム１４を複数のビームレットに分離し、ビームレットは、レーザ・ビームの各パルスからの切除または「クレータ」の縁を滑らかにするように、眼球Ｅの上において部分的に重なってもよい。ここで図２、３を参照すると、オフセット・モジュール３８が、オフセット・レンズ４２の角度のずれを変化させ、またずれの径方向配向を変化させるモータ４０を含む。したがって、オフセット・モジュール３８は、レーザ・ビーム１４を角膜の所望の横方向領域に選択的に向けることができる。関係するレーザ・ビーム配送システムとオフセット・モジュールを使用する構造と方法が、全開示が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第６，４８８，６７６号明細書において、より完全に記載されている。
【００２８】
ここで図４を参照すると、レーザ・システム１０の制御システムが、レーザ処置表５２において指定された表面形状を彫塑するために、レーザ・システム１０を精確に制御することができるプロセッサ２２を含む。一般的にはＰＣワークステーションであるプロセッサ２２が、処置表５２を生成するために、有形媒体２９に記憶されているコンピュータ・プログラムを利用する。プロセッサ２２は、全開示が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第６，２４５，０５９号明細書に記載されている処置のライブラリ４４を含む。レーザ・システム１０内に埋め込まれたコンピュータ５８が、ＰＣワークステーションと電子的に連絡する。代替として、ＰＣワークステーションは、レーザ・システムに組み込んで、眼の手術を指示するためのＰＣワークステーションと連絡する埋込みプロセッサ・カードを含むことが可能である。
【００２９】
埋込みコンピュータ５８は、複数のセンサ５６および複数のモータ・ドライバ６０と電子的に連絡する。モータ・ドライブ６０は、処置表５２に従って配送光学機器１６の光学構成要素の多くの位置と構成を変更するために、埋込みコンピュータ５８に結合される。たとえば、第１走査軸６２と第２走査軸６４が、角膜の表面にわたってビームレットを移動させるように、オフセット・レンズの位置を制御する。虹彩モータ６６がビーム全体の直径を制御し、いくつかの場合、可変幅スロットを経て伝送される光の長さを制御する。
【００３０】
随意選択として、レーザ・システムは、いくつかまたはすべての処置について可変スロットを使用せずに、レーザ・スポット・サイズを変更するために、虹彩に依拠することが可能である。スロットが使用されるとき、同様のスロット幅のドライバ６８が、可変スロットの幅を制御する。スロット角度ドライバ７０が、軸の回りのスロットの回転を制御する。ビーム角度ドライバ７２が、上述した時間積分器によって実施されるビームの回転を制御する。眼球Ｅの上に所望のクレータを創出するように、様々な光学要素が位置決めされた後、プロセッサ２２が、レーザ・ビーム１４のパルスを生成するように、コマンドをレーザ１２に発行する。処置表５２は、処置治療を実施するように組み合わされる所望のクレータのすべてのリストを備える。
【００３１】
タイマ８０が、プロセッサ２２のアド・オン・カードの上に配置され、随意選択で、タイマ８２５３／８２５４を有するラボ−ＰＣ−１２００モデル・カードを備えることが可能である。ラボ−ＰＣ−１２００モデル・カードは、ナショナル・インストゥルメント（ＮＡＴＩＯＮＡＬ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ）［テキサス州オースチン在］から入手可能である。代替実施形態では、タイマ５０はプロセッサ２２の外部に配置される。タイマ８０は、プロセッサ２２のコンピュータ・プログラムによって制御され、時間間隔を測定するように適合される。レーザ１２は、プロセッサ２２に電子的に結合される。レーザ１２は、タイマ８０によって測定された時間間隔に応答して、プロセッサ２２から発行されるコマンドをファイアリングする。プロセッサ２２は、レーザ６２が眼球Ｅの処置の少なくとも部分中にファイアリングする率を変化させる。
【００３２】
角膜切除処置プログラムを決定する１つの方法を概略的に示すフロー・チャートを図５に示す。光学組織の規則誤差（球状ならびに／または円筒）および不規則誤差を除去するために、処置プログラム１３６を光学表面１３４から計算する。光学表面１３４を決定する方法およびシステムは、全開示が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第５，１６３，９３４号明細書および第６，２７１，９１４号明細書に記載されている。処置プログラム１３６を特定のレーザ・システムのレーザ切除パルス特性１３８と組み合わせることによって、切除パルスの位置、サイズ、形状、および／または数の処置表５２を展開することができる。そのような切除表を準備する例示的な方法およびシステムが、全開示が参照によって本明細書に組み込まれている同時係属米国特許出願第６０／１８９，６３３号明細書、２０００年３月１４日出願、「Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｓｐｏｔ  Ｌｏｃａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｙｅ  Ｓｕｒｇｅｒｙ」に記載されている。
【００３３】
処置表５２の個々のパルスは、随意選択で、処置プログラムが中断される場合に、以下で記述するように、局所加熱を回避し、不規則切除を最小限に抑えるなどにように、分類されることが可能である。処置表は、小さい直径のパルスを眼球にまず印加し、大きな直径のパルスが続くように分類されることが好ましい。代替として、処置表は、大きな直径のパルスを眼球にまず印加し、より小さい直径のパルスが続くように分類することが可能であり、パルスの順序は、無作為のサイズ分布を有することさえ可能である。また以下で記述するように、処置表は、角膜組織の熱モデルを使用して、分類、またはそうでない場合は処理することが可能である。次いで、レーザ切除１４２によって、処理済み処置表５２に従って眼球を切除することができる。
【００３４】
ここで図６を参照すると、例示的なレーザ処置表１４０からのいくつかのリストが示されている。患者名１５０、患者識別番号（患者ＩＤ）１５４、および処置済み眼球１５６が、表１４０に列挙されている。反復率（ｒｅｐ率）１５２も列挙されている。図２Ｂに示したように、反復率１５２は、可変であるように選択される。−３Ｄの球、−２．２５Ｄの円筒、６０度の軸、および０ｍｍの頂点間距離を有する屈折１５８が、図６に列挙されている。図６に列挙されたパルス・カウント１６０が、処置中に印加される１０７９のパルスの総数を示す。処置表１４０の追加のフィールドは、パルス数１７０、虹彩の直径１７２、スリット幅１７４、スリットの軸１７６、Ｘ座標１７８、Ｙ座標１８０、遅延１８２である。
【００３５】
処置表１４０の各パルスについて、パルス数１７０、虹彩の直径１７２、スリット幅１７４、スリットの軸１７６、Ｘ座標１７８、Ｙ座標１８０、および遅延１８２が列挙されている。Ｘ座標１７８およびＹ座標１８０は、上述した処置中の処置中心に対する角膜上の各パルスの中心のＸ座標およびＹ座標を列挙する。虹彩の直径フィールド１７２は、上述した処置中の各パルスについて、眼球の上に投影された円形絞り開口の両端の寸法をｍｍで列挙する。スリット幅１７４とスリット軸フィールド１７６は、眼球の上に投影された可変幅スリット開口の両端の寸法をｍｍで列挙し、上述した眼球に対するスロット開口の角度を度で列挙する。遅延１８２は、処置の次のパルスまでの遅延をｍｓで列挙する。レーザのファイアリング率２０８は、遅延２０６の逆数である。図６に示すように、遅延は、各パルスについて５０ｍｓであり、これは、レーザ・システム１０の２０Ｈｚのファイアリング率を生成する。完全な処置のために、遅延は、１２５から５０ｍｓまで変化し、ビームの断面寸法は、１．５ｍｍから６．５ｍｍまで変化する。
【００３６】
眼球に印加される各パルスの直径とパルス・エネルギーに対して、次のパルスまでの遅延を図７にまとめて示す。遅延２０６が、各ビーム直径２０２について列挙されている。ｍｍで表した虹彩の直径２０２が、断面積２０４を有する眼球の表面におけるビームを提供する。１６０ｍＪ／ｃｍ2の各パルスの平均フルエンス２１０について、レーザ・ビームのパルスで眼球に印加されたエネルギー２１２は、面積２０４とフルエンス２１０との積に等しい。列挙された各直径２０２について、眼球に印加された電力は、各パルス２１２で眼球に印加されたエネルギーと、ヘルツで表したレーザのファイアリング率２０８との積である。たとえば、５ｍｍのビーム直径について、ビームの断面積は０．１９６ｃｍ2であり、各パルスで眼球に印加されたエネルギーは、３１．４ｍＪである。レーザ１２のファイアリング率２０８は、１２．９９Ｈｚであり、眼球に印加された電力２１４は、４０７．８ｍＷである。
【００３７】
図７に示すように、レーザのファイアリング率は、０．５から４ｍｍのパルスを有する処置の第１部分について一定であり、４ｍｍから６．５ｍｍのパルスを有する処置の第２部分について可変である。レーザ・ファイアリング率は、システムの信頼性を向上させ、かつシステムの加熱を防止するために、限定することが可能である。たとえば、図３Ａに示したように、レーザ・ファイアリング率は、せいぜい２０Ｈｚに限定される。
【００３８】
レーザ・システム１０のレーザ・ファイアリング率は、処置表に列挙された値から変化する可能性がある。たとえば、閉鎖ループ・システムが、上述したいくつかの可動要素の位置を測定し、いくつかの可動要素のそれぞれが位置決めされるまで、レーザ・システムのファイアリングを遅延させることが可能である。少なくとも１つの可動要素の位置決めが、ファイアリングおよび遅延より長く時間がかかる場合、レーザ・パルスは、要素が適切に位置決めされるまで遅延させられる。また、眼球追跡システムが、眼振を有する眼球など、迅速に移動する眼球、または限界を超えて一次的に移動した眼球などに応答して、処置のパルスを遅延させることが可能である。
【００３９】
眼球に印加される４００ｍＷのほぼ一定の電力を有するレーザのファイアリング率を、レーザ・ビームのいくつかのパルスを有する異なる量のエネルギーを使用する処置について、図８に示す。所望の量の光の強さを患者Ｐの眼球Ｅに配送するように、任意の電力レベル、ビーム直径の範囲、ファイアリング率の範囲を選択することができる。図８に示すように、眼球における３ｍｍのビーム直径２０２が、１６０ｍＪ／ｃｍ2の平均フルエンス２１０について、パルスあたり１１．３ｍＪのエネルギー２１２を提供する。４００ｍＷの電力２１４を眼球に提供するために、３５Ｈｚのファイアリング率が処置中に使用される。パルスあたり１．２６ｍＪのエネルギー２１２を有する１ｍｍのビーム直径２０２では、３１８Ｈｚのファイアリング率が使用される。ビーム直径の範囲は、約１から３ｍｍであり、レーザのファイアリング率は、約３５Ｈｚから３１８Ｈｚである。
【００４０】
ここで図９Ａ、９Ｂを参照すると、本発明は、全手続き時間を安全に短縮するように、角膜組織の熱モデリングを利用することによって、角膜屈折手続きを計画するシステムおよび方法を提供する。図９Ａ、９Ｂに示す方法ステップは、機械可読コードとして有形媒体に実装されることが多い。機械可読コードは、プログラム・ステップを備え、揮発性メモリまたは長期メモリ、磁気記録媒体または光学記録媒体、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエアなどに埋め込むことが可能である。プログラム・ステップは、レーザ・システムのプロセッサ、独立型プロセッサ、または上記で留意したように、ＷａｖｅｓｃａｎTM波面システムのプロセッサなどの関連する診断装置のプロセッサによって実行することが可能である。多くの実施形態において、レーザ・パルスの初期パターンが、図９Ａ、９Ｂの方法の開始前に、別々のプロセッサまたは別々のソフトウエア・モジュールによって決定される。レーザ・パルスのパターンは、通常、表の形態で入力および／または記憶され、表は、上述したように、初期順序（ならびにパルス位置、レーザ・スポット・サイズなど）をしばしば有する。図９Ａ、９Ｂの方法は、ソフトウエア、ハードウエア、および／またはソフトウエアならびにハードウエアの混合物を備えることが可能である様々な異なる処理モジュールによって実施することが可能であり、入力と出力は、随意選択で、信号導管に沿ったデータの伝送、メモリ位置の識別、有形媒体への記録などによって実施される。これらの方法は、ＰＥＮＴＩＵＭＩＩTMプロセッサまたはＰＥＮＴＩＵＭＩＩＩTMプロセッサなど、少なくともＰＥＮＴＩＵＭTMプロセッサ以上の能力を有するプロセッサを使用して実施される。
【００４１】
図９Ａに示す熱モデルに基づく処理時間圧縮方法３１０は、レーザ・パルスのパターンが入力および分類される第１部分３１２、分類されたパターンの連続パルスの間における初期時間遅延を確立する第２部分３１４、および処置の所要時間が反復プロセスにおいて体系的に短縮される第３部分３１６の３つの主要部分を一般に備える。
【００４２】
分類部分３１２は、一般に、開始３１８において眼球の屈折特性について所望の変化を達成することができるレーザ・パルスのパターンを確定する完全な表で開始される。上記で留意したように、パルスは、スポット・サイズ３２０に基づいてパルスを順序付けることによって分類することが可能である。したがって、共通のスポット・サイズを有するパルスは、第２分類ステップ３２２において、同心状のリングまたはバンド、処置の中心から径方向外向きで周囲方向に湾曲するらせんアームなどを確定するように、分類または共にグループ化することが可能である。次いで、これらの個々のグループは、たとえば、連続的に半時計回りの前進でレーザ・スポットを向けるように、グループ内においてパルスを順序付けるために、第３分類ステップ３２４において分類することが可能である。これらの初期分類ステップは、虹彩絞りまたは他の開口について必要のない大きな変化を回避することによって、機械的な動きの時間を短縮する。同様に、連続パルス間の走査機構の動きを限定することができる。
【００４３】
最終分類ステップ３２６は、表を複数のパスに分離することを含み、各パスのパルスの総数は、随意選択で、ある対象数（２００パルスなど、通常は５０と５００パルスとの間にある）より小さく維持される。パスの数は、パスにおいて可能なパルスの最大数によってパルスの総数を除算することによって識別することが可能である。したがって、パスのそれぞれがそれに割り当てられた第１パルスを有するまで、処置の第１パルスを第１パスに割り当て、処置の第２パルスを第２パスに割り当てるなどによって、別々のパスのまたは準処置の識別数に表を分離することが可能である。その後、処置表の次のパルスが第１パスに割り当てられ、それに続くパルスが第２パスに割り当てられる、などである。これにより、処置ステップ３１８から３２４により得られる表よりも、連続パルスの間において、アクチェータの多くの動きを有する再順序付けされた処置表が得られる。しかし、パルスの間のアクチェータの全ての動きは、依然として比較的限定される（たとえば、４パス処置表では、アクチェータの動きは、ステップ３２４から得られる処置表より４倍大きいことが可能であるが、通常、各パスの数個の連続パルス内において、角膜を往復するパルス位置の走査、または開口の反復される主な閉鎖と開放を必要としない）。このように処置をパスに分類または分離することは、時間の経過に伴い、角膜上の特定の位置に配送される熱エネルギーを拡散させるという利点を有する。
【００４４】
初期パルス遅延３１４の設定は、上記で一般的に記述したように、連続パルスの間におけるレーザの時間遅延またはファイアリング率を確立する。初期パルス遅延（２つの連続パルスをファイアリングする間のパルス期間または時間）は、初期遅延が処置表にわたって変化するように、個々のパルスの特性に基づいて確立することが可能である。初期パルス遅延は、関連するレーザ・スポットのサイズにしばしば依存する。いくつかの実施形態では、初期パルス遅延は、処置表にわたって一様である可能性があり、または、たとえば他の以前のレーザ・スポットに対するレーザ・スポットの位置、以前のレーザ・スポットと主体レーザ・スポットとの重なりなどに応答して変化する可能性がある。
【００４５】
例示的な初期パルス遅延は、安全定常状態レーザ・ファイアリング遅延を備える。下層角膜組織は、反復パルスにさらされるとき、温度上昇を経験する可能性があり、温度上昇の量は、レーザ・パルスの特性に従って変化する。温度上昇は、ファイアリング率の増大（またはパルスの間の遅延の減少）と共に増大する可能性があり、最終的には定常状態温度に到達する。したがって、所与の許容可能な最大角膜組織温度および所与のレーザのパルスのサイズ、エネルギー、位置について、最大定常状態パルス反復率を確定することが可能である。
【００４６】
パルスが無期限に反復される場合でも、表の初期パルス率を最大安全定常状態パルス率に設定することによって、最大安全組織温度を超えて、角膜組織温度を上昇させることは一般にできなくなる。しかし、これは、あらゆる加熱を分散させるように、角膜にわたってレーザ・スポットを走査することを利用することができず、また、処置表が特定の位置において課す可能性があるパルス特性の変化を無視する。これらの要因の結果、角膜組織の加熱が、安全最大より依然としてかなり下回る、および／または処置時間が、定常状態パルス率が適用されるときに必要であるより長い、となる可能性がある。この理由のために、方法３１０は、個々のパルス遅延を体系的に短縮し、かつ熱モデル３３２を使用して、角膜組織の熱応答が依然として許容可能であることを実証するために、反復ループ３３０を含む。
【００４７】
熱モデル３３２を図９Ｂにより詳細に示す。熱モデルは、一般に、入力として、関連する遅延を有するパルスの分類表３３４、ならびに異なるパルス特性についての最大定常状態レーザ・ファイアリング率または遅延時間３３６を取り入れる。これらの安全定常状態ファイアリング率は、図１３に示すように、ルックアップ表または式の形態とすることが可能である。熱モデルへの追加の入力は、入力３３８によって示すように、角膜組織の熱応答がモデリングされる眼球上の点Ｐ１、Ｐ２、．．．を含む。熱モデル入力は、分析される特有のパルス数、パルスが積分される時間または時間ウィンドウΔＴをも含む。
【００４８】
図９Ｂ、１０、１１Ｂと図１Ａを参照するとわかるように、角膜上の任意の所与の点Ｐについて、特定のレーザ・パルスがその点を含むレーザ・スポットを生成する、または生成しない可能性がある。レーザ・スポットからの角膜熱応答は、角膜上で局所化されるので、処置領域内の中心位置Ｐ１と一連の周辺位置Ｐ２からＰ５が、角膜組織の局所熱応答が安全限界を超えないことを確認するために、別々にモデリングされる。レーザ・スポットの走査の分散熱効果を利用するために、特定のパルスのレーザ・スポットによって実際に含まれる点のみが、その点において熱効果を有すると見なされる。点Ｐ１、Ｐ２、．．．の位置は、熱効果が処置領域の中心付近において最大であるという一般的な傾向を反映することがあり、パルスの間の間隔は、離散熱モデリング位置間にあるレーザ・スポットを回避するようにすることが可能である。あらゆる事象において、熱モデルは、一般に、各点Ｐ１、Ｐ２、．．．を通るループであり、離散点ループ３３４（図１１Ｂでは「Ｘ」によって記されている）の点を含むレーザ・スポットを有するパルスのみを考慮する。
【００４９】
熱モデル３３２は、時間についてΔＴだけ後方に積分するループ３３６を使用して、特定のパルス番号ｎについて遅延を減少させる（または、ファイアリング率を増大させる）ことが安全であるか否かを決定することによって、光屈折手続きの全時間を短縮することが一般的である。この後方積分は、３つの数学規則に従う。第１に、眼球上の特定の位置における熱応答により、その位置が安全定常状態ファイアリング率以下においてパルスにさらされる場合、温度上昇は、最大安全温度限界より低くなる。第２に、異なるパルス特性を有するレーザ・パルスは、個々のパルスの定常状態時間遅延が全時間ウィンドウΔＴより依然として小さい場合、所与の時間ウィンドウ内において組み合わせることができる。たとえば、異なる直径を有するパルスは、異なる定常状態ファイアリング率を有する。それにもかかわらず、これらの異なるパルスの直径は、それらのパルスに関連する時間遅延が全時間より短い場合、時間ウィンドウ内において組み合わせることができる。具体的には、図１３から定常状態時間遅延または期間を適用すると、所与の秒において、５ｍｍの４つのパルス、３．５ｍｍの３つのパルス、および１．５ｍｍの７つのパルスで、角膜上の特定の位置を安全に切除することができるが、その理由は、（４・０．１２５）＋（３・０．０８３）＋（７・０．０３３）＝０．９８であるからであり、これは、１秒より短い。
【００５０】
第３熱モデリング規則は、安全定常状態率が時間ウィンドウΔＴにわたるパルスの平均率であるということである。たとえば、再び図１３の表を参照すると、ΔＴが４秒に等しい場合、４ｍｍパルスの定常状態率が１０Ｈｚ（遅延時間０．１秒）である場合でも、角膜の特定の位置を２０Ｈｚにおいて４ｍｍパルスに完全に２秒さらし、パルスのない２秒が続くことができる。これは、２・２０Ｈｚ＝４０パルス、および４０・０．１＝４、この式はΔＴ以下、であるからである。これらの３つの規則は、角膜が定常状態温度に到達するのにかかる時間より、ΔＴが著しく短い限り、一般に成り立つ。
【００５１】
再び図９Ｂのループ３３６を参照すると、熱モデルは一度に１つのパルスに注目する。そのレーザ・パルスによって打たれる各点Ｐについて、ループは、ΔＴ秒だけ時間について後方積分する。点がΔＴ以上の合計された理論的な時間限界を有さない場合、パルスＰの時間は短縮される。
【００５２】
パルス時間は、図９Ａからわかるように、ステップ３４０において短縮される。短縮の量は、レーザの最大に可能なファイアリング率に基づく可能性がある許容される最大の端数である。この技法は、連続過剰緩和（ＳＯＲ）と一般に呼ぶことができる。図１１Ａに示す第１表３４２を参照すると、パルス遅延の設定は、図１３に示すような定常状態期間３４６を利用する。これらの初期時間は、レーザの制限を反映する（たとえば、レーザが２０Ｈｚを超える率でファイアリングすることができない場合、レーザは、連続パルスの間において最小時間遅延を設定する可能性がある）。初期時間は、必要なアクチェータの動き時間を反映することもある。これらおよび他の要因は、図１１Ｃに示す時間が短縮された、または第２の処置表３４４の最終時間遅延を限定する可能性もある。処置表が分類されて、初期パルス遅延が割り当てられた後、プログラムは、基準点のそれぞれにおいて表を分析して、図１１Ｂに示すように、どの点が各パルス３４８のレーザ・スポットによって打たれるかを決定することができる。次いで、方法３１０のパルス・パッキング・ループ３３０は、表が最小時間に向かうように、表を反復することが可能である。反復連続過剰緩和は有益であるが、その理由は、パルス持続時間の各変化が、すべてのその後のパルスに影響を与えるからである。表の反復処理により、処置時間についての追加の改善が提供されなくなるまで、最適化を展開することが可能になる。この「パルス・パッキング」を図１２に概略的に示す。
【００５３】
ここで図１３を参照すると、表３５０は、異なるスポット直径を有するレーザ・パルスの定常状態レーザ・ファイアリング率と、関連する定常状態期間を示す。レーザ構造能力が考慮されている、定常状態率の修正された形態率である実際の率も与えられている。最大許容可能定常状態率の式３６０も図１３に示されており、この式では、例示的なレーザ・システムの定常状態率Ｍａｘ＿ｒｅｐ＿ｒａｔｅは、レーザ・スポットの半径ｒから計算することが可能である。そのような定常状態率の表または式は、経験的に決定する、および／または角膜組織の応答の熱力学的分析により導出することが可能である。この式は、初期平衡温度から約１０℃の最大安全温度まで、角膜組織の許容可能な温度変化を反映する。ＦＬＩＲ熱カメラなど、様々な熱測定技法を使用して、患者の角膜表面温度を測定することが可能である。最大安全組織温度を角膜組織の高熱研究から導出することが可能であり、この研究は、組織が約４６度以上に維持されるとき、残存する断片が劇的に減少することを示す。レーザ屈折手続きは、所要時間が限定される傾向があるので（しばしば１０分未満であり、通常５分未満であり、多くの場合１分半未満である）、角膜組織を約４３℃より低く維持することにより、妥当な安全限界が提供される。これにより、許容可能な温度上昇は、約１２℃未満となり、１０℃であることが理想的である。
【００５４】
処置前の通常の眼球の角膜温度はかなり一定であり、眼球は、２分開いていた後でも、温度変化をほとんど示さない。眼球にわたる軽度の気流が、角膜を数度冷却する可能性があり、涙層の蒸発による冷却は、目薬、気流などと比較して、比較的小さい要因である。
【００５５】
ここで図１３Ａから１３Ｄを参照すると、ＦＬＩＲプリズムＤＳ熱カメラを使用して行われた温度研究が、３７℃の水のバスにおいて熱平衡にある豚の眼球にわたる温度の水平断面を示す（図１３Ａ）。図１３Ｂは、異なる反復率において摘出された豚の眼球を切除する静止２ｍｍスポットの中心部分における角膜の温度上昇を示す。このデータは、異なる反復率ｒｅｐ＿ｒａｔｅにおいて温度上昇を決定するために、以下の式を使用することが可能であることを示す。
ΔＴ’＝０．４６３８（ｒｅｐ＿ｒａｔｅ）
したがって、１０℃の温度上昇より小さくあるために、最大定常状態反復率は、１０÷０．４６３８で約２１Ｈｚとなる。異なるスポット直径における走査レーザ切除手続き中の温度の追加の測定を図１３Ｃ、１３Ｄに示す。
【００５６】
２ｍｍスポット・サイズの定常状態温度上昇についての上式を使用し、および温度の変化率が入射電力に比例すると想定して、６ｍｍのスポットについて、以下のように決定することができる。
【００５７】
【数１】
2005527317.tif 000003
同様の計算および測定から、通常のレーザ処置について、スポットの直径と、１０Ｈｚおよび２０Ｈｚの反復率における角膜の熱応答との関係は、表１によって与えられる。
【００５８】
【表１】
2005527317.tif 000004
この入射電力モデルにより、スポット半径ｒの関数としての温度上昇ΔＴ’の式を以下のように識別することも可能になる。
ΔＴ’＝（０．０５３３ｒ2＋０．４０７４ｒ）ｒｅｐ＿ｒａｔｅ
【００５９】
静止ビームの最大安全定常状態ファイアリング率（１０℃の最大温度上昇を想定する）を、以下の式から決定することが可能である。
【００６０】
【数２】
2005527317.tif 000005
上式で、定数スポット・サイズは、表２から取られる。
【００６１】
【表２】
2005527317.tif 000006
【００６２】
図１４Ａおよび１４Ｂは、−１０ジオプタ球状切除の温度上昇を示すグラフである。この場合、反復率は、一定の１０Ｈｚに維持され（図１４Ａ）、表が複数のパスに分割された可変反復率（ＶＲＲ）切除が実施され、個々のパルスの間の可変反復率が、本発明の原理に従って割り当てられた。個々のパルス（サイズおよび位置を含む）は変化しなかったが、角膜組織の熱応答は、全手続き時間が著しく短縮された場合でも、可変反復率が使用されるとき、はるかにより良好である。図１４Ｃおよび１４Ｄは、−４ジオプタ球状補正と、−４ジオプタ円筒補正を含む手続きについて、熱応答の利点を同様に示す。
【００６３】
図１５Ａから１５Ｃは、可変反復率の方法が使用されるときの全切除手続き処置時間の短縮を示すグラフである。時間を圧縮せずに定常状態反復率が使用されるとき、時間の短縮は、ほとんどまたはまったくない可能性があるが、組織の熱応答は有益であるはずである。残りの時間は、５秒と１０秒のΔＴ時間ウィンドウを、近視の処置（図１５Ａ）、無収差で混合された乱視と近視の処置（図１５Ｂ）、遠視の処置（図１５Ｃ）などの様々な異なるに処置に対する２００、１５０、１００のパスあたりの最大許容可能パルスとととも示す。
【００６４】
上記は、本発明の特定の実施形態の完全で適切な記述を提供するが、本発明のいくつかの変更および適合を容易に実施することが可能である。たとえば、いくつかのビーム直径を有する処置が記述されているが、処置中の可変レーザ・ファイアリング率が、２つのサイズのみのレーザ・ビームまたは１つのサイズのみのレーザ・ビームを使用する処置について所望される可能性がある。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明を組み込むレーザ切除システムの透視図である。
【図１Ａ】眼球の角膜の処置領域にわたって印加される、直径が変化する一連の走査レーザ・ビーム・パルスを使用する眼球の切除を示す図である。
【図２】レーザ・ビームを角膜組織の上に選択的に向けるレーザ・ビーム配送システムの概略図である。
【図３】レーザ・ビームを角膜組織の上に選択的に向けるレーザ・ビーム配送システムの概略図である。
【図４】図１の切除システムの制御アーキテクチャを示す機能ブロック図である。
【図５】角膜切除処置プログラムを決定する方法を概略的に示すフロー・チャートである。
【図６】本発明の実施形態によるレーザ処置表である。
【図７】処置の第１部分について可変レーザ・ファイアリング率を使用し、処置の第２部分について固定ファイアリング率を使用する、本発明の実施形態による処置直径およびレーザ・ファイアリング率を示す図である。
【図８】本発明の実施形態による、眼球に印加されるビームの電力をほぼ一定のレベルに維持するように構成される可変処置直径およびレーザ・ファイアリング率を示す図である。
【図９Ａ】角膜組織の熱モデルに基づいて処置表を導出する方法ステップを示すフロー・チャートである。
【図９Ｂ】レーザ屈折手術パルス・パターンに対する角膜組織の熱応答をモデリングする方法ステップを示すフロー・チャートである。
【図１０】角膜の処置領域内における中央熱モデリング位置および周辺熱モデリング位置を示す図である。
【図１１】処置表に記憶されているパルスのパターンと、処置時間を短縮するためにそれらのパターンをどのように処理することができるかとを示す図である。
【図１２】連続レーザ・パルスの間において選択された時間遅延を短縮し、かつ全処置時間を短縮する、処置パターンの反復処理を示すグラフである。
【図１３】異なるレーザ・スポット直径についての安全定常状態レーザ・ファイアリング率、ならびにこれらの定常状態率を計算する式を示す表である。
【図１３Ａ−Ｄ】図１３の安全定常状態率を決定するために使用されるデータを示すグラフである。
【図１４】図９Ａの方法でパターンを処理する前の、レーザ・パルス・パターンに対する角膜組織の熱応答を示すグラフである。
【図１５Ａ】本発明の方法およびシステムによって提供される短縮された処置時間を示すグラフである。
【図１５Ｂ】本発明の方法およびシステムによって提供される短縮された処置時間を示すグラフである。
【図１５Ｃ】本発明の方法およびシステムによって提供される短縮された処置時間を示すグラフである。
【図１】
2005527317.tif 000007
2005527317.tif 000008
【図２】
2005527317.tif 000009
【図３】
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【図４】
2005527317.tif 000011
【図５】
2005527317.tif 000012
【図６】
2005527317.tif 000013
【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
2005527317.tif 000019
【図１２】
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【図１３】
2005527317.tif 000021
【図１３Ａ−Ｄ】
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【図１４】
2005527317.tif 000023
【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月9日(2004.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを角膜に向けることを備える角膜屈折手続きの計画に使用されるシステムであって、
可変パルス特性を含む前記パターンを受け取るための少なくとも１つの入力を有するモジュールであって、
前記角膜の温度限界と、
前記パルス特性と前記角膜の温度上昇との関係とに基づいて、前記パターンの連続パルスの間において複数の異なる時間遅延を確定するモジュールを備えるシステム。
【請求項２】
前記モジュールが、前記角膜の温度変化の限界に基づいて安全レーザ・ファイアリング反復率を決定するように構成される請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記モジュールが、前記パターンの連続パルスの配送間において異なる時間遅延を確定する複数の異なるパルス反復率を決定するように構成される請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記パルス反復率の少なくとも１つが、第１位置において、複数のパルスを含む、定常状態温度時間より著しく短い時間にわたる有効パルス反復率を備え、前記パルス特性が前記角膜にわたって前記パルスの位置を備え、前記時間にわたる前記第１位置における前記前記有効パルス反復率が、角膜組織の関連する第１部分と角膜組織の関連する第２部分との間におけるレーザの走査を反映して、有効パルス反復率が前記レーザの全ファイアリング率より小さくなるように、前記モジュールが構成される請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記温度変化の限界が前記組織の第１温度と最大所望温度との間に、角膜組織の許容可能な温度変化を備える請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１温度が前記手続きを反復する前の前記角膜の初期平衡温度を備える請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１温度が約３０℃から約３５℃の範囲にある請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１温度が約３３℃である請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１温度が角膜組織の測定温度または推定温度である請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記最大所望温度が前記角膜組織の高熱温度より低くなるように選択される請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
前記最大所望温度が約４７℃より低い請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】
前記最大所望温度が約４４℃より低い請求項５に記載のシステム。
【請求項１３】
前記最大所望温度が角膜組織が加熱される時間に少なくとも部分的に基づいて選択される請求項５に記載のシステム。
【請求項１４】
前記温度変化の限界が約１２℃より低い請求項２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記関係が、温度変化と、前記角膜に入射するレーザ・ビーム・スポットの反復率とサイズの少なくとも一方との相関を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記関係が、前記反復率の変化と、所与のスポット・サイズについての前記温度変化とのほぼ線形の関係を示す請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記パルス特性が前記レーザ・ビームの前記スポット・サイズを備え、前記関係が前記温度変化を生成するとき、スポット・サイズの減少が反復率の増大と合致することを示す請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記関係が半径ｒと反復率ｒｅｐ＿ｒａｔｅを有するスポット・サイズの温度変化ΔＴが、
ΔＴ＝（０．０５３３ｒ2＋０．４０７ｒ）ｒｅｐ＿ｒａｔｅ
であることを示す請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを眼球の角膜に向けることを備えるレーザ屈折手続きを計画するシステムであって、
第１パターンを確定するために、第１順序の前記パターンを記憶するメモリと、
前記メモリに結合された角膜加熱モデルと、
前記角膜加熱モデルに基づいて前記第１パターンの前記パルスを再順序付けすることによって、前記第１パターンから第２パターンを導出するモジュールとを備えるシステム。
【請求項２０】
前記モジュールが、連続パルスの間において複数の異なる時間遅延を決定することによって、前記角膜加熱モデルを使用して前記第１パターンから前記第２パターンを導出し、前記パターンに従って前記切除レーザ・エネルギーで前記角膜を切除するレーザ・システムに前記第２パターンを出力するように構成される請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記モジュールが、前記パルスの少なくとも１つの初期熱安全レーザ・ファイアリング反復率を識別し、パルスの間の前記時間遅延を反復して短縮し、角膜熱応答が前記短縮された時間遅延で依然として安全であることを確認することによって、複数の時間遅延を決定するように構成される請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
関連するパルスが無期限に反復される場合、前記少なくとも１つの初期反復率が、安全定常状態角膜組織温度をもたらす請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記パターンの各パルスが、関連するレーザ・スポット・サイズを有し、前記パルスの前記スポット・サイズが、前記パターンに従って変化し、一連の初期熱安全レーザ・ファイアリング反復率が、前記スポット・サイズに応答して識別される請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記モジュールが、第１位置を含むレーザ・スポットで時間ウィンドウ内の複数の以前のパルスを積分することによって、前記パルスの少なくともいくつかの角膜熱応答を確認するように構成される請求項２０に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１位置が中心瞳孔位置であり、前記少なくともいくつかのパルスの前記角膜熱応答が、処置領域内の複数の周辺位置においても確認される請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１位置における前記時間ウィンドウ内の前記パルスが異なる関連スポット・サイズを有し、前記異なるスポット・サイズが関連する許容可能な定常状態時間遅延を有し、前記時間ウィンドウ内の前記角膜の前記熱応答が異なるスポット・サイズの前記パルスの許容可能な時間遅延を全時間に組み合わせ、前記全時間を前記時間ウィンドウと比較することによって確認される請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記時間ウィンドウ内の前記パルスが前記角膜にわたって走査され、前記第１位置が前記走査されたパルスの前記レーザ・スポットの少なくともいくつかの外にあり、前記熱応答が前記時間ウィンドウ中に前記第１位置を含むレーザ・スポットを有するパルスの数に対応する平均パルス率を使用して確認される請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記パターンが前記角膜にわたって一連のレーザ・スポット位置を備え、前記第２順序のパルスの前記パターンが前記第１順序の前記パターンより低い推定角膜温度、または前記第１順序の前記パターンより短い角膜処置時間を生成するように、前記モジュールが前記第１順序から前記第２順序に前記パターンを再順序付けすることによって、前記第２順序を導出するように構成される請求項１９に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１順序のパターンが第１処置表を確定し、前記第２順序の修正パターンが第２処置表を確定し、前記第１表のレーザ・パルスの前記レーザ・スポット位置と関連する数が前記第１処置表と前記第２処置表について同じである請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
切除レーザ・エネルギー・パルスのパターンを眼球の角膜に向けることを備えるレーザ屈折手続きを計画するシステムであって、
前記パターンを記憶するメモリと、
角膜加熱モデルと、
前記角膜加熱モデルに基づいて、前記パターンの連続パルスの間において複数の異なる時間遅延を割り当てるモジュールと、
前記角膜の切除の前記時間遅延を伝達する出力とを備えるシステム。
【国際調査報告】
2005527317.tif 000027