(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光破壊材料中で生成される複屈折基準を使用してラメラを分離するための装置であって、
材料内の焦点にレーザ・ビームを集束させて、光破壊（ｐｈｏｔｏｄｉｓｒｕｐｔｉｖｅ）応答を生成するための光学系であって、前記光破壊応答が、材料の光破壊中に材料内で発生した気泡の直径を示す光学系と、
前記光破壊応答を基準値と比較するためのコンピュータ手段と、
前記レーザ・ビームを材料内の別の焦点に対して走査して、材料の光破壊を行うための機構と、
前記レーザ・ビームのエネルギーを、前記光破壊応答が前記基準値よりも小さいときは第１のエネルギー・レベルから第２のエネルギー・レベルに交替し、前記光破壊応答が前記基準値よりも大きいときは第２のエネルギー・レベルから第１のエネルギー・レベルに交替するための手段と、
前記第１のエネルギー・レベルが使用されるときに、ラメラ層間の界面を示すストロマ内の複屈折基準を検出するための手段とを有する装置。
【請求項２】
眼のストロマ内のラメラを分離するための装置であって、
ストロマ内に焦点深度を見出すための手段と、
ストロマ内の複数の焦点にレーザ・ビームを順次集束させて、前記焦点深度にあるストロマ組織を光融除してラメラを分離し、ストロマ組織の光融除中にストロマ内に生じた気泡の直径を示す光融除応答を生成するための手段と、
前記光融除応答が基準値未満であるときに第１のエネルギー・レベルから第２のエネルギー・レベルに交替し、前記光融除応答が前記基準値よりも大きいときに前記第２のエネルギー・レベルから前記第１のエネルギー・レベルに交替するための手段とを有する装置。
【請求項３】
前記見出すための手段が、
眼の前面を識別するための波面センサと、
前面から約１８０ミクロンの距離のところでストロマ内の開始点を設定するための測定手段と、
前記焦点深度を確定するために前記開始点から約２ミクロン以内でストロマの複屈折変化を検出するためのエリプソメータとを有する請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、眼のレーザ外科手術手順に関する。より詳細には、本発明は、光融除（ｐｈｏｔｏａｂｌａｔｉｏｎ）技法を使用してストロマ（ｓｔｒｏｍａｌ）組織を除去することによって眼の角膜を再成形または再構成するために行われるレーザ外科手術手順に関する。本発明は、限定はしないが、光融除を行う目的でストロマ組織を露出するために動かすかまたは持ち上げることができる眼の角膜フラップ（ｆｌａｐ：組織片）を作成するための方法およびシステムとして特に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
ここ数年、いわゆるＬＡＳＩＫ手順が、非常に多くの患者の視力障害を治すために有効に用いられている。概要を述べると、ＬＡＳＩＫ手順は、屈折特性が変わるように眼の角膜を再成形または再構成するために使用される。その目的は、角膜形状を変えることにより光収差を最小限に抑え、患者の視力を改善することである。
【０００３】
当業者には周知のように、ＬＡＳＩＫ手順は、光融除によるストロマ組織の除去を含む。典型的なＬＡＳＩＫ手順では、この光融除は「エキシマ」レーザを使用して達成される。しかし、エキシマ・レーザは、組織を表面的に光融除するために使用するときに最も効果的である。したがって、組織の光融除にエキシマ・レーザを使用するときは、光融除すべきターゲット組織をいくぶん露出する必要がある。ＬＡＳＩＫ手順の場合には、ターゲット組織に機械的にアクセスするのが通例である。従来これは、ターゲット組織を露出するために動かす、または持ち上げることができる角膜フラップの作成を含んでいる。次いで「エキシマ」レーザを使用して、露出されたストロマ組織を光融除する。組織の光融除が達成された後、望みに応じて、ストロマを覆うようにフラップを再位置決めすることができる。このいわゆる「フラップアンドザップ（Ｆｌａｐ  ａｎｄ  Ｚａｐ）」手順の主な利点は、角膜前面にある上皮層に対する外傷が最小限に抑えられることである。しかし、上皮層下のストロマへの外傷が依然として大きい場合がある。
【０００４】
角膜フラップを作成するときに常に直面する問題を理解するには、眼の角膜解剖学の一般的な知識が役立つ。より具体的には、角膜が、構造的に異なる様々な組織層を備える。眼の外部から眼の内部に向かって後方へ進むと、角膜内の様々な層は順に、上皮層、ボーマン膜、ストロマ、デスメ膜、および内皮層である。これらの様々な構造のうち、ストロマが最も広く、一般に約４００ミクロン厚である。
【０００５】
詳細には、眼のストロマは、約２００の識別可能かつ区別可能なラメラ（ｌａｍｅｌｌａ）層からなる。ストロマ内のこれらのラメラ層はそれぞれ通常、角膜自体と同様にドーム状であり、それぞれが、約６ミリメートルの直径を有する円形領域にわたって延びる。特定のラメラが内部にある層と異なり、ラメラは、わずか約０．１〜１．５ミリメートルのより短い距離にわたって延びている。したがって各層がいくつかのラメラを含む。重要なことに、各ラメラは、ラメラ内部で互いにほぼ平行な多くの原繊維を含む。しかし通常、あるラメラ中の原繊維は他のラメラ中の原繊維とは平行でない。これは、同じ層中のラメラ間、および異なる層中のラメラ間でそうなっている。最後に、個々のラメラが、層に垂直な方向でわずか約２ミクロン厚であることに留意されたい。
【０００６】
上述した一般的な構造内では、角膜フラップの作成を考慮する限り、対象のストロマに関して少なくとも３つの重要な因子がある。これらの因子の第１のものは構造に関わる因子であり、これは、ストロマ内に大きな異方性があるのでここで注目すべきものとなる。具体的には、ラメラ内部の組織の強度は、ラメラの層をまとめて保持する接着組織によって提供される強度の約５０倍である。したがって、あるラメラ層を別の層から分離する（すなわち層を引き剥がす）のに必要なエネルギーは、ラメラを切断するのに必要なエネルギーよりもはるかに小さい。第２の因子は、第１の因子にいくらか関係し、光融除に対するストロマ組織応答に関する。具体的には、光融除レーザ・ビームの所与のエネルギー・レベルに対し、より強いラメラ組織中での光融除によって生じた気泡は、ラメラ層間で生じた気泡よりも明らかに小さい。第３の因子は光学に関わる因子であり、これは、連続するラメラ層間のストロマの屈折率が変化するのでここで注目すべきものとなる。これは当該ラメラ中の原繊維の方向付けの違いによる。ＬＡＳＩＫ手順において角膜フラップを作成する目的でレーザ・ビームを使用することを考慮するとき、これらの因子が重要になる場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のことを鑑みて、本発明の目的は、眼のストロマ内のラメラを分離するためにレーザ・ビームを使用する方法であって、角膜組織の加熱を最小限に抑える方法を提供することである。本発明の別の目的は、眼のストロマ内のラメラを分離するためにレーザ・ビームを使用する方法であって、患者を固定しなければならない時間を最小限に抑えるように迅速に達成することができる方法を提供することである。本発明のさらなる目的は、ストロマ内のラメラを分離する方法であって、角膜内のストロマ組織に対する過剰な外傷を避ける方法を提供することである。本発明のさらなる目的は、ストロマ内のラメラを分離する方法であって、簡単に実施することができ、比較的コスト効果の高い方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、眼のストロマ内のラメラを分離する方法が、ラメラ層間にレーザ・ビームを集束させて、これらの層間の界面で組織を光融除することを必要とする。これは、まず、ストロマ内に開始点の位置を設定することを含む。好ましくは、この開始点は、角膜前面からストロマ内へ約１８０ミクロンの距離にある。本発明によって企図されるように、角膜前面は、波面センサを使用して識別することができる。
【０００９】
開始点の位置を設定した後、開始点にある組織を光融除して気泡を発生させる。次いで、この気泡のサイズを測定し、基準と比べて、気泡がラメラ内部に生じたか、それともラメラ層間に生じたかを判定する。気泡がラメラ内部に生じている場合、生じた気泡サイズによって光融除がラメラ層間で行われていることが示されるまで、ストロマ内のさまざまな点で引き続き気泡を発生させることができる。次いで、エリプソメータを使用して、これらラメラ層間でのストロマの複屈折状態を検出する。具体的には、この複屈折状態は、当該ラメラ中の原繊維の方向付けの変化によってもたらされ、ストロマ内のラメラ層間の界面を示す。さらに、ラメラの層から層へ、約０．５度の位相の変化として現れる複屈折変化がある。ラメラの厚さが約２ミクロンであることを想起されたい。これら全てに重要なことは、複屈折変化の検出が、１つのラメラ層から別の層への変化を示すことである。したがって、これを使用して、ストロマ内に焦点深度を確定し、維持することができる。
【００１０】
ストロマ内のラメラ層間の界面に沿った組織の光融除は、ストロマ内で確定焦点深度にある焦点にレーザ・ビームを集束させることから始まる。はじめに、レーザ・ビームを、ストロマ組織の光融除に関するしきい値をわずかに超える（すなわち直径１０ミクロンのスポット・サイズに関して約１．５マイクロジュールを超える）エネルギー・レベルで動作するように確定する。例えば、レーザ・ビームに使用することができる初期エネルギー・レベルは、直径１０ミクロンのスポットに関して約５マイクロジュールとすることができる。どのような場合であれ、レーザ・ビームが活性化されたときは常に、使用される特定のエネルギー・レベルによってもたらされる組織からの光融除応答がある。重要なことに、この光融除応答は、レーザ・ビームのエネルギー・レベル、および光融除される組織の性質に応じて異なる。
【００１１】
本発明で意図されているように、光融除応答は、光融除中にストロマ組織内で生じた気泡の直径として測定される。次いで、この光融除応答を上述の基準値と比較して、初期エネルギー・レベルがさらなる動作に十分かどうか判定する。本発明を実施する目的では、この基準値は、光融除の結果約１５ミクロンの直径を有すると思われるストロマ内の仮想気泡に対応するように選択される。光融除応答と基準値の差に応じて、レーザ・ビームのエネルギー・レベルが一定に保たれる、または変更される。本発明では、エネルギー・レベルの変化は、比較的低いエネルギー・レベル（例えば、直径１０ミクロンのスポット・サイズ当たり約５マイクロジュール）と比較的高いエネルギー・レベル（例えば、直径１０ミクロンのスポット・サイズ当たり約１５マイクロジュール）との間で行われる。
【００１２】
光融除応答が基準値よりも大きい状態は、組織の光融除が、ラメラ内部ではなくラメラ層間の界面に位置されたより弱い組織で生じていることを示す。したがって、比較的低いエネルギー・レベルでのレーザ・ビーム初期エネルギー・レベルを維持し、ラメラ層間の焦点深度位置に焦点を移動させることによってさらなる光融除が達成される。これを行っているとき、エリプソメータを定期的に使用して、ラメラ間の同じ界面で光融除が行われていることを保証する。これは、この状態が持続する限り続ける。一方、光融除応答が基準値よりも小さくなるとき、これは、焦点がラメラ層間にもはや位置していないことを示す。したがって、エネルギー・レベルをより高いエネルギー・レベルに増大する必要がある。また、光融除応答が基準値よりもかなり大きくなるまで焦点を移動させる必要がある。この時点で、すなわち光融除応答が基準値よりもかなり大きくなると、これは、焦点が再びラメラ層間にあることを示す。次いで、レーザ・ビームのエネルギー・レベルが、以前の低い値に戻される。また、望みであれば、焦点深度をエリプソメータによって検証し、必要に応じて調節することができる。
【００１３】
本発明の動作時、レーザ・ビームのエネルギー・レベルは、ラメラ間の界面をたどる上述した形で変化し、角膜組織からフラップを作成するように誘導される。具体的には、レーザ・ビームの焦点は、第１のエッジおよび第２のエッジによって一般に画定することができる境界内部に移動される。より具体的には、フラップを作成するためには、第１のエッジが、第１の点と第２の点の間でほぼ直線であるべきである。このとき、第２のエッジは第１の点と第２の点の間で曲線である場合があり、その曲線は、眼の光軸の周りでの曲率半径が約４．５ミリメートルである。さらに、この曲線は、ほぼ眼の光軸上に中心を取られ、約２７０度の弧にわたって延びているべきである。
【００１４】
本発明の構造および動作に関する本発明の新規の特徴、ならびに本発明自体が、添付図面を添付の説明と合わせて見れば最も良く理解されよう。図中、同じ参照符号は同じ部分を表す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
始めに図１を参照すると、本発明の方法の実施に使用する装置が、制御ループ形式で概略的に示され、全体的に１０で示されている。図示されるように、装置１０は、好ましくは連続的な超短パルス列を発生することができるレーザ源１２を含み、各パルスが約１ピコ秒のパルス持続時間を有する。具体的には、各パルスが、ストロマ組織の光融除に必要なしきい値を超える（すなわち直径１０ミクロンのスポット・サイズ当たり約１．５マイクロジュールを超える）エネルギー・レベルを有する必要がある。装置１０はまた、ストロマ組織内部の複屈折特性を求めることができるエリプソメータ１４を含む。本発明を実施する目的では、「Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ」という名称の発明に対してＢｉｌｌｅに発行された米国特許第５８２２０３５号に開示され、特許請求されたタイプのエリプソメータである。さらに、図１は、装置１０が、シャックハルトマン（Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ）センサなど波面をモデル化することができる波面センサ１６を含むことを示している。さらに、装置１０は、レーザ・ビームを所定の焦点へ操向し、集束させることができる誘導光学系１８を含む。電源ユニット２０も提供される。これらの構成要素は、組み合わさり互いに協働して、眼２６の角膜２４にある焦点に所定のエネルギー・レベルで向けられたレーザ・ビーム２２を発生する。焦点の位置およびそのエネルギー・レベルを含めたこの動作に対する制御は、ビームが角膜２４から反射されたときに、エリプソメータ１４および波面センサ１６を使用して反射光２８を監視することによって可能になる。
【００１６】
次に図２を参照すると、装置１０の動作時、本発明の方法の実施は、開始点を確定すること（作用ブロック３０）から始まることがわかる。図３で、この開始点３２が角膜２４のストロマ３４内に確定されることがわかる。具体的には、開始点３２は、角膜２４の前面３８から、前面３８にほぼ垂直な方向に測定して距離３６の位置に確定される。装置１０で意図されているように、波面センサ１６を使用して前面３８の正確な位置を求めることができ、このとき距離３６を、前面３８から約１８０ミクロン前後になるように任意に選択することができる。
【００１７】
開始点３２をストロマ３４内に確定した後、本発明の方法における次のステップは、開始点３２にある組織を光融除して応答（すなわちストロマ組織中の気泡）を生成することであることが、図２における作用ブロック４０に示されている。照会ブロック４１によって示されるように、次いで、この応答を基準（例えば１５μｍ）と比較する。応答が基準よりも小さい場合、開始点３２から距離４２にわたって焦点を移動させることが作用ブロック４３に示されている（図４）。この距離４２は、好ましくは前方向（図４において矢印４４で示される）に取られ、おそらく２ミクロン未満である。しかし、この距離４２が後方向（図４において矢印４６で示される）に取られる場合もあることを理解されたい。いずれにせよ、開始点３２からのこの移動が達成されたとき、応答が基準よりも大きくなったことが図２における照会ブロック４１で示されると、角膜２４からの反射光２８をエリプソメータ１４によって監視して複屈折基準を求めることができる（作用ブロック４８）。この複屈折基準は、ストロマ３４内の組織の方向付けの変化によって求めることができる場合があり、これはおそらく、図４を参照することで最も良く理解されよう。
【００１８】
図４には、眼２６の角膜２４内のストロマ３４の一部が複数のラメラ５０を含んで示されており、複数のラメラのうちラメラ５０ａ、５０ｂ、および５０ｃのみが例示されている。寸法について見ると、ストロマ３４内の各ラメラ５０は、深さ５２が約２ミクロンであり、幅５４が約０．１〜１．５ミリメートルである。したがって、ラメラ５０はそれぞれ、非常に薄いディスク形状である。解剖学的には、ラメラ５０は、約９ミリメートルの距離５６にわたって角膜２４全体に延びる層として積み重なっている。図４に示されるように、個々のラメラ５０がある程度重なり合い、いくぶんランダムに配列されている。それにもかかわらず、ラメラ５０は、一般に互いにほぼ平行であり、角膜２４全体にわたって延びる多くの界面層を形成する。図４に示される界面層５８は、角膜２４内の多くの界面層の一例にすぎない。
【００１９】
本発明を実施する目的では、界面層５８が２つの側面で重要となる。第１に、ラメラ５０内のストロマ組織の複屈折特性が界面層５８で変化する。上述の開示から、この複屈折特性の変化が、ラメラ５０内の原繊維（図示せず）の方向付けの変化によるものであることを想起されたい。第２に、界面層５８に沿ったストロマ組織が、ラメラ５０内部のストロマ組織よりも弱くなる。したがって、界面層５８に沿ったストロマ組織は、より低いエネルギー・レベルで効果的に光融除することができる。
【００２０】
ストロマ組織が光融除されるときは常に、ストロマ３４中に気泡が形成されることになる。所与のタイプの組織について、形成される気泡のサイズはレーザ・ビーム２２のエネルギー・レベルに応じている。この場合、エネルギー・レベルが高ければそれだけ気泡が大きくなる。さらに、所与のエネルギー・レベルについて、形成される気泡のサイズは組織のタイプに応じている。この場合、同じエネルギー・レベルであれば、より強い組織がより小さな気泡を発生し、より弱い組織がより大きな気泡を発生する。これを念頭において、同じレーザ・ビーム２２・エネルギー・レベルを使用して形成される図４に示される（縮尺は合っていない）気泡６０および６２を考察する。より大きな気泡６０は通常、ラメラ５０ａと５０ｂの間の界面層５８にあるより弱い組織中に示される。一方、より小さい気泡６２は、ラメラ５０ｂ内部のより強い組織中に示される。幸いにも、本発明で使用されるように、バルブ６０および６２の当該サイズが、比較的良く知られている波面技法を使用して波面センサ１６によって測定することができる光融除応答として働く。それに従って、気泡６０または気泡６２の光融除応答を基準値と比較することができ、レーザ・ビーム２２のエネルギー・レベルを望みに応じて変えることができる。
【００２１】
ここで図２に戻り、図４を参照した上述の考察を鑑みると、照会ブロック４１と作用ブロック４８とを組み合わせた機能は、界面層５８を見出すことであることが理解されよう。これは、エリプソメータ１４が複屈折変化を検出したときはいつでも達成されることになる。この複屈折変化は、プラスまたはマイナス０．５度程度である。重要なことに、界面層５８を見出すことにより、距離３６と４２の合計であるレーザ・ビーム２２に関する焦点深度が調整される。次いで、装置１０が、ストロマ組織の光融除を開始する（作用ブロック６４）。
【００２２】
図２における作用ブロック６４は、装置１０が、少なくとも当初は比較的低いエネルギー・レベル、例えば１０ミクロン・スポット・サイズ当たり約５マイクロジュールでストロマ組織を光融除することを示す。上述したように、光融除が、意図された界面層５８においてこのエネルギー・レベルで開始された場合、比較的大きな気泡６０が生じる。どのような場合であれ、照会ブロック６６によって示されるように、生じた気泡（光融除応答）を基準値と比較して、光融除をこのエネルギー・レベルで継続すべきかどうか判定する（照会ブロック６６）。本発明では、基準値が、ストロマ組織中の仮想気泡（図示せず）に対応し、この気泡は直径が約１５ミクロンである。ストロマ３４中で生じた気泡が基準値よりも大きい光融除応答を有する場合、それは、界面層５８内のより弱い組織が光融除されていることを示す。この場合、照会ブロック６７を選択的に使用して、複屈折基準が変化したかどうか判定することができる。そのような変化は０．５度程度であり、別の界面５８’が光変更されていることを示す。そのような場合、複屈折基準をリセットして所望の界面５８に対して再確定することができることを作用ブロック６８が示す。いずれにせよ、誘導光学系１８が界面層５８全体にわたってレーザ・ビーム２２をスキャンし続けることを図２における作用ブロック７０が示している。これが行われているとき、光融除応答が波面センサ１６によって継続的に監視されていることを図２におけるブロック６４、６６、６７、および６８の相互作用が示している。
【００２３】
光融除がラメラ５０内部で行われているときに生じるときなど（例えば気泡６２）、光融除応答が基準値未満に落ちるときは常に、レーザ・ビーム２２のエネルギー・レベルがより高いエネルギー・レベルまで増大されることを作用ブロック７２が示す。ここでもまた、光融除応答を波面センサ１６によって監視している。より高いエネルギー・レベルを使用することにより、レーザ・ビーム２２が次に界面層５８上に集束させられるときには、光融除応答はおそらく、基準値よりもはるかに大きくなっている。いずれにせよ、光融除応答が基準値よりもかなり大きくなるまで、レーザ・ビーム２２が引き続き移動して、組織を光融除することを照会ブロック７４および作用ブロック７５が示している。これが行われているとき、操作者の望みに応じて、レーザ・ビーム２２が引き続き比較的低いエネルギー・レベルで動作することができることも本発明の方法は示している（作用ブロック６４）。いずれの場合にも、手順が終了するまでストロマ組織の光融除が継続して行われることをブロック６６、６７、６８、および７０が示している。具体的には、手順は、所定の寸法を有する界面層５８が作成されたときに終了する。
【００２４】
本発明の目的は、さらなる外科手術光融除を行う目的でフラップ下のストロマ組織を露出するために、眼から簡単に持上げることができる角膜組織のフラップを作成することである。したがって、本発明は、ラメラ５０間の界面層５８に沿ったより弱い組織の光融除を対象とし、そのため、使用するレーザ・エネルギーがより小さい。この光融除の程度は、図５を参照すると最も良く理解されよう。図５では、点７８と点８０の間にほぼ直線状のエッジ７６が示されている。また、点７８と点８０をつないでほぼ曲線状のエッジ８２が示されている。より具体的には、曲線エッジ８２は通常、眼２６の光軸８４上に中心を合わされており、エッジ８２を画定する曲率半径８６を有する。図示されるように、曲線エッジ８２は約２７０度にわたって延びている。効果的には、所望の角膜フラップが、直線エッジ７６と曲線エッジ８２との間に作成される。したがって、角膜２４の前面３８と曲線エッジ８２との間の組織を光融除することにより、角膜組織のフラップを界面層５８から持ち上げて、フラップ下のストロマ組織を露出し、さらなる光融除を行うことができる。
【００２５】
本明細書に図示し、詳細に開示した特定のラメラ分離方法は、本明細書で前述した目的を得て、利点を提供することが十分にできるが、これは本発明の現在好ましい実施形態の単なる例示にすぎず、頭書の特許請求の範囲に記述した以外の本明細書に図示した構成または設計の詳細に限定することを意図してはいない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するのに有用な装置の動作構成要素を示す、閉ループ・フィードバック制御形式での概略図である。
【図２】本発明の方法により達成すべき順次ステップの論理流れ図である。
【図３】眼の角膜断面図である。
【図４】眼の角膜中のラメラの層の断面図である。
【図５】眼の角膜平面図である。
【符号の説明】
１２  レーザ源
１４  エリプソメータ
１６  波面センサ
１８  誘導光学系
２０  パワー・ユニット
２２  レーザ・ビーム
２４  角膜
２６  眼
２８  反射光
３２  開始点
３４  ストロマ
５０  ラメラ
５８  界面
【図１】
0004094836.tif 000002
【図２】
0004094836.tif 000003
【図３】
0004094836.tif 000004
【図４】
0004094836.tif 000005
【図５】
0004094836.tif 000006