(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０フェムト秒〜１００ピコ秒のパルス幅の超短パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、術眼の角膜内部で０．５〜５μｍのスポットサイズに集光する集光光学系を持ち該レーザ光源からの超短パルスレーザ光を術眼に導く導光光学系と、レーザスポットの集光位置を変化させるスポット位置変化光学系と、を有し、角膜を手術する角膜手術装置において、ミラーを前記導光光学系の光路に挿脱して導光光学系の光路から分けられた光路に、超短パルスレーザ光の波長を角膜切除用の紫外レーザ光の波長に波長変換する非線形結晶が配置され、波長変換された紫外レーザ光を再び前記導光光学系の光路に導くダイクロイックミラーが配置された紫外レーザ光発生光学系と、前記紫外レーザ光を術眼上で約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍのスポットサイズに形成する集光レンズを前記集光光学系と切換え配置する切換え手段と、を備えたことを特徴とする角膜手術装置。
【請求項２】
請求項１の角膜手術装置は、さらに先端部に下面が平坦な透明プレートを持つ照射端ユニットを備え、該照射端ユニット内に前記集光光学系を配置したことを特徴とする角膜手術装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短パルスレーザにより角膜を手術する角膜手術装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
材料に対して光透過性を有する約１００フェムト秒領域（〜１０-13秒）の超短パルスレーザ光を、材料内部に集光させ、多光子吸収によりエネルギ密度の高い部分のみで内部改質及び蒸散（アブレーション）加工を行う方法が知られている。
この超短パルスレーザ光を用いれば、角膜の内部までレーザ光を透過させることができ、光を集光した部分だけ選択的に蒸散加工できる。眼科分野においては、現在のところLASIK手術（Laser in Situ Keratomileusis）におけるフラップの形成に超短パルスレーザ光が応用されている。LASIK手術は、角膜部の上皮から実質に至る厚さ１５０μｍほどの部分を層状に切開してフラップを形成した後、エキシマレーザ光により矯正量分のアブレーションし、再びそのフラップを戻すものである。超短パルスレーザ光を角膜組織内の一定の深さで焦点を結ぶように照射すると、焦点周辺で小さな穴（泡や空洞）ができる。この小さな穴を点在させてメッシュ状にすることにより、角膜の表面が皮のようにめくれるフラップが形成される。フラップを形成した後は、エキシマレーザ光により矯正量分のアブレーションし、再びそのフラップを戻す処置で屈折矯正を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、角膜手術においての超短パルスレーザ光の使用は、フラップを形成するまでであった。フラップをめくった後のアブレーションには、エキシマレーザ光を照射する専用のレーザ装置を使用する必要があり、手術が手間であった。また、それぞれ専用の装置を準備することは、経済的にも不利である。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、レーザビームによる角膜フラップ形成から屈折矯正手術までを効率良く行える角膜手術装置を提供することを技術課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（1）  １０フェムト秒〜１００ピコ秒のパルス幅の超短パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、術眼の角膜内部で０．５〜５μｍのスポットサイズに集光する集光光学系を持ち該レーザ光源からの超短パルスレーザ光を術眼に導く導光光学系と、レーザスポットの集光位置を変化させるスポット位置変化光学系と、を有し、角膜を手術する角膜手術装置において、ミラーを前記導光光学系の光路に挿脱して導光光学系の光路から分けられた光路に、超短パルスレーザ光の波長を角膜切除用の紫外レーザ光の波長に波長変換する非線形結晶が配置され、波長変換された紫外レーザ光を再び前記導光光学系の光路に導くダイクロイックミラーが配置された紫外レーザ光発生光学系と、前記紫外レーザ光を術眼上で約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍのスポットサイズに形成する集光レンズを前記集光光学系と切換え配置する切換え手段と、を備えたことを特徴とする。
（２）  （１）の角膜手術装置は、さらに先端部に下面が平坦な透明プレートを持つ照射端ユニットを備え、該照射端ユニット内に前記集光光学系を配置したことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る角膜手術装置の構成を説明する図である。
図１において、１は超短パルスレーザ光を発するレーザ光源である。代表的なレーザ光は波長約８００ｎｍのチタンサファイヤレーザである。その他としては、Ｅｒドープファイバーレーザ（中心波長１５６０ｎｍ）、Ｙｂドープファイバーレーザ（中心波長１０４０ｎｍ）、Ｎｄ系固体レーザ（中心波長１０６４ｎｍ）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（中心波長８５０ｎｍ）等の赤外光を発するものが使用できる。レーザ光のパルス幅は１０フェムト秒〜数十ピコ秒が好ましい。本形態のレーザ光源１はパルス幅１３０フェムト秒、周波数１ＫＨｚのレーザ光を出力する。周波数はこれに限るものではない。レーザ光源１は装置本体１００に収納されている。装置本体１００にはアーム１１０が接続されており、アーム１１０は水平方向及び上下に移動可能とされている。
【０００７】
レーザ光源１からは平行ビームが出射され、そのレーザ光は導光光学系により術眼の角膜に導光される。角膜手術装置は２つの導光光学系を備える。第１導光光学系は、ミラー２，３、直交する２次元方向にレーザ光を走査する２つのリニアスキャンミラー４，６、ミラー６で反射されたレーザ光をさらに２次元的に揺動するスキャンミラー８、スキャンミラー８の下方に配置さた集光光学系１０、術眼の角膜表面に当接させるプレート１５を備える。リニアスキャンミラー４，６は、駆動ユニット５，７によりそれぞれ直交する２方向に移動され、レーザ光を２次元的に並進走査する。スキャンミラー８は基本波のレーザ光及び紫外レーザ光を反射し、観察用の可視光を透過する特性を持つ。また、スキャンミラー８は駆動ユニット９により揺動され、レーザ光を２次元的にスキャンする。このスキャンミラー８は揺動方向が直交する２つのガルバノミラーで構成することができる。集光光学系１０、プレート１５は照射端ユニット１２０に取り付けられている。照射端ユニット１２０の構成は後述する。
【０００８】
第２導光光学系は、ミラー２とレーザ光源１との間の光路に挿入されるミラー４０、ミラー４２、レーザ光源１から出射された基本波を紫外光に波長変換する波長変換器４３、波長変換されたレーザ光を反射するダイクロイックミラー４４、第２の照射端ユニット１３０に取り付けられた集光レンズ４５を備え、第１導光光学系が持つミラー３、リニアスキャンミラー４，６、スキャンミラー８を共用する。
【０００９】
ミラー４０は駆動ユニット４１により、レーザ出射光路に挿脱される。波長変換器４３は、レーザ光源１からの基本波を波長８００ｎｍとしたとき、その第４高調波である波長２００ｎｍさせ、レーザー光源１からの基本波を波長１５６０ｎｍとしたとき、その第８高調波である１９５ｎｍ近傍の紫外光を発生させる。なお、このような波長変換には、ＬＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＣＬＢＯ等の非線形結晶を複数個組み合わせて使用することができる。角膜の屈折矯正に使用する紫外レーザ光の波長としては、波長２５０以下が好ましく、２００ｎｍ以下にするのがより好ましい。
【００１０】
また、照射端ユニット１２０と照射端ユニット１３０は、軸１３５を中心として回転する回転機構１３６に保持されており、レーザ照射の基準軸Ｌ１上には集光レンズ４５が切換えられる。集光レンズ４５が基準軸Ｌ１上に配置されたとき、集光レンズ４５は所定の位置に置かれた術眼角膜上でレーザビームを約０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは１．０ｍｍ程のスポットサイズで集光する。
【００１１】
なお、図における導光光学系では主要な光学要素しか図示していないが、アーム１１０内でレーザ光を反射するミラーやレーザ光の光束径を整形するビームエキスパンダレンズ等の光学系が適宜配置される。また、図１では各スキャンミラー４，６，８の移動方向を模式的に描いている。
【００１２】
図２は照射端ユニット１２０の構成を示す図である。照射端ユニット１２０の先端部には、下面が平坦の透明プレート１５が保持されている。プレート１５はレーザ光及び可視光を透過する。プレート１５の下面を角膜Ｅｃに当接させることにより、レーザ照射の位置決めと術眼の固定が行える。なお、角膜Ｅｃに当接させるプレート１５の下面を角膜表面カーブに略沿わせる形状とすれば、角膜の変形を抑えることが可能である。また、位置合わせを容易とするために、プレート１５は照射端ユニット１２０に対して水平方向に相対的に移動可能な構成としても良い。
【００１３】
集光光学系１０は、複数のレンズを組み合わせてＮＡ（開口数）を高くすることにより、微小な光スポットを得るようにする。本実施形態では、集光光学系１０を、球面と平面からなる第１集光レンズ１０ａ、両面非球面の第２集光レンズ１０ｂにより構成している。集光光学系１０はレンズホルダ１１に取り付けられている。レンズホルダ１１は、レーザ照射の基準光軸Ｌ１方向に微小移動可能に、照射端ユニット１２０に保持されている。集光光学系１０の微小移動はピエゾ素子等で構成されるレンズ移動ユニット１３により行われる。
【００１４】
また、プレート１５とレンズ１０ａとの間には、屈折率調節液１６を介在させている。屈折率調節液１６は、レンズ１０ａ及びプレート１５を構成する材質と略同じ屈折率の液体とすることにより、さらにレーザ光の集光点でのＮＡを高くしやすくし、同時に反射ロスを低減し、集光位置の調節を容易にする。集光光学系１０により、プレート１５下に位置する角膜Ｅｃの内部にレーザ光が集光される。集光点でのスポットサイズは０．５〜５μｍであり、好ましくは１μｍほどである。ＮＡ＝０．５のとき、スポットサイズを１μｍほどにすることができる。
【００１５】
図１において、スキャンミラー８の上には観察光学系を構成する双眼の顕微鏡２０が配置されている。顕微鏡２０は、集光光学系１０を基準軸Ｌ１上に配置したときに使用するレンズ２１ａと、集光レンズ４５を基準軸Ｌ１上に配置したときに使用するレンズ２１ｂを備え、観察状態を同じにするためにそれぞれ切換えて使用される。
【００１６】
３０は制御ユニットであり、レーザ光源１、スキャンミラー駆動ユニット５，７，９、レンズ移動ユニット１３、駆動ユニット４１を制御する。制御ユニット３０には、キーボードやマウス等の入力手段３２とモニタ３３を持つコンピュータ３１が接続されている。コンピュータ３１は、角膜フラップのサイズデータを入力することによりフラップ作成データを算出し、また、屈折矯正データ及び切除領域データを入力することによりアブレーションデータを算出する。
【００１７】
次に、このような構成を持つ角膜手術装置の動作を説明する。まず、手術の第１段階として角膜フラップを作成する。そのために、コンピュータ３１にフラップ作成データを入力する。フラップ作成データは、フラップの直径とヒンジを残す角度データ、及びフラップの厚さデータを入力することにより算出される。例えば、フラップの厚さは１５０〜１８０μｍであり、フラップ直径は８．０〜１０．０ｍｍに設定される。ヒンジは４ｍｍ程の長さを残すように設定される。
【００１８】
フラップ作成の手術時には、顕微鏡下の基準軸Ｌ１に集光光学系１０とプレート１５を持つ照射端ユニット１２０を配置する。そして、術者はプレート１５を角膜Ｅｃに当接させ、顕微鏡２０により術眼を観察しながら、顕微鏡２０に配置された図示なきレチクルと術眼の瞳孔中心を所定の関係に合わせる。このとき、吸引手段を持つサクションリングにより術眼を固定すると良い。プレート１５はサクションリングの開口から突出する角膜に当接させる。
【００１９】
また、コンピュータ３１に入力する手術モードを角膜フラップ作成モードに設定する。このモードの設定時には、制御ユニット３０はミラー４０をレーザ光路から退避させる。レーザ照射の照射信号がフットスイッチ３５から入力されると、制御ユニット３０はコンピュータ３１により算出されたフラップ作成データに基づき、リニアスキャンミラー４，６と回転スキャンミラー８の移動、及び集光光学系１０の移動を制御する（リニアスキャンミラー４，６と回転スキャンミラー８の移動は、レーザ光が集光光学系１０の主点を概略通るように同期して行う）。
【００２０】
フラップ作成について説明する。プレート１５の下面を角膜に当接させることにより、角膜組織はプレート１５の下面より一定の距離に置かれることになる。レンズ移動ユニット１３により集光光学系１０を基準軸Ｌ１方向に移動し、集光光学系１０による集光スポットの深さ位置がフラップ厚さとなるようにする。この一定の深さのまま、リニアスキャンミラー４，６と回転スキャンミラー８により、集光スポットの位置を２次元的に変化させる。
【００２１】
超短パルスレーザをごく狭い領域に集中して照射すると、超短パルスレーザでは熱が拡散するよりも速く照射部分を溶かす（蒸散する）ため、その焦点周辺で小さな穴ができる。集光スポットの位置を２次元的に変化させるることにより、小さな穴をメッシュ状に形成する。これにより角膜フラップが形成される。集光スポット位置の変化は、螺旋走査やラスタ走査で行うことができる。
【００２２】
ヒンジを残した角膜フラップが形成されたら、屈折矯正手術に移る。照射端ユニット１２０を術眼から外し、角膜フラップをめくって実質を露出させる。装置における照射基準軸Ｌ１上の照射端ユニット１２０は、照射端ユニット１３０に切換える。また、手術モードを屈折矯正手術モードにする。このモードが設定されると、制御ユニット３０はミラー４０をレーザ光路に挿入し、第２導光光学系によりレーザ光が導光されるようにする。
【００２３】
屈折矯正手術に際しては、術者はコンピュータ３１に屈折矯正データを入力しておく。例えば、術前に測定した術眼の角膜形状データを入力し、また、矯正屈折力（ディオプタ）とレーザ照射領域のデータを入力することにより、術後に予定する角膜形状が算出され、これから切除量データが求まる。この切除量データは、波面収差の測定結果から求まる切除量分布データをを入力するようにしても良い。
【００２４】
屈折矯正手術について説明する。顕微鏡２０のレンズをレンズ２１ｂに切換え、集光レンズ４５を通して術眼が観察できるようにし、術眼の瞳孔中心と作動距離のアライメントを行う。瞳孔中心のアライメントは、前述と同様に術眼の瞳孔中が顕微鏡２０で観察されるレチクルの中心に来るようにする。また、作動距離のアライメントは、虹彩に投影された指標が所定の関係になるようにする構成が採用できる。
【００２５】
位置合わせをした後、フットスイッチ３５を押してレーザ照射の指令を行う。レーザ光源１から出射されたレーザ光は、ミラー４０で反射されて波長変換器４３に導かれる。この波長変換器４３により、赤外の基本波レーザ光が紫外レーザ光に波長変換される。その後、レーザ光はダイクロイックミラー４４、ミラー３、リニアスキャンミラー４，６、スキャンミラー８、集光レンズ４５を経て、角膜に導光される。集光レンズ４５により１ｍｍ程のスポットサイズにされたレーザ光は、リニアスキャンミラー４，６、スキャンミラー８によりその照射位置が走査される。また、切除深度はレーザ光の照射時間により制御される。これらは、制御ユニット３０が切除量データに基づいて制御する。
【００２６】
ここで、紫外光による角膜の切除（アブレーション）について簡単に説明する。光子（photon）の持つエネルギはプランクの定数に光の振動数を掛けたものとして表され、光の振動数は光速を波長で割ったものとである。したがって、波長が短ければ短いほど、光子１個当たりのエネルギは大きくなる。波長２００ｎｍより短い波長の紫外光は、その光子の高エネルギにより角膜組織を構成する分子間結合を直接解離することができる。また、角膜組織に紫外光はよく吸収される（波長３００μmから波長が短くになる従って吸収係数が大きくなる関係があり、波長１９３ｎｍのエキシマレーザ光ではよく吸収される）。これらの要因により、角膜組織を構成する分子間結合が解離され、その組織は分子破片となり噴出する。これにより、周辺組織にはほとんど熱的な影響を与えることなく、照射部の組織を除去できる。
【００２７】
なお、第２導光光学系には、紫外レーザ光のスポット内のエネルギ分布が中心部で高く、周辺部で低くなるように補正する光学系を配置しておくと良い。この場合、レーザスポットを重ね合わせて照射するように、その位置を変化させることにより、角膜切除形状をコントロールし易くなる。
【００２８】
また、第２導光光学系の紫外光による角膜の屈折矯正は、小径のレーザスポットを走査する代わりに、開口径可変の円形アパーチャ及びスリットアパーチャの制御によっても行う構成でも良い。また、第２導光光学系においては、レーザ光源１からのレーザ光を波長変換して使用する代わりに、エキシマレーザのように紫外レーザ光を発生するレーザ光源からのレーザ光を導光するものであっても良い。この場合においても、顕微鏡２０の観察光学系の一部を共通使用できる他、アーム１１０に配置されたミラー８等の第１導光光学系の部材を共通に使用できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、角膜フラップ形成から屈折矯正手術までを効率良く行うことができる。また、それぞれ専用化されたレーザ装置を用意しなくて良いので、経済的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る角膜手術装置の構成を説明する図である。
【図２】第１導光光学系の集光光学系を持つ照射端ユニットの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１  レーザ光源
４，６  リニアスキャンミラー
８  スキャンミラー
１０  集光光学系
２０  顕微鏡
３０  制御ユニット
３１  コンピュータ
４３  波長変換器
４５  集光レンズ
１３６  回転機構
【図１】
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【図２】
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