СИСТЕМА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ РЕФРАКЦИОННОЙ ОПЕРАЦИИ
SYSTEM FOR PERFORMING OPHTHALMOLOGIC REFRACTIVE OPERATION

Область техники
Изобретение относится к системе для офтальмологической рефракционной хирургии.
Уровень техники
В офтальмологической рефракционной хирургии производят изменения оптических рефракционных свойств глаза, преимущественно его роговицы, используя лазерное излучение, чтобы скорректировать или, по меньшей мере, уменьшить дефекты зрения. Важным примером офтальмологической рефракционной хирургии является LASIK (laser in-situ keratomileusis - лазерный интрастромальный кератомилез), при котором производят резекцию (абляцию) роговичной ткани с целью изменить профиль роговицы и тем самым скорректировать дефекты зрения. Для целей резекции роговичной ткани, как правило, применяют эксимерный лазер, излучающий в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне (обычно у 193 нм). Пространственно-временное управление направляемым перемещением пучка излучения осуществляют так, что происходит резекция определенного количества ткани в выбранных точках роговицы. Такая резекция описывается так называемым профилем абляции, который определяет требуемый уровень резекции (абляции) в каждой точке роговицы.
Изобретение относится, в первую очередь, именно к методу LASIK.
Уровень техники
Как правило, профиль абляции глаза, подлежащего коррекции, рассчитывают до начала хирургического вмешательства. Основой для такого расчета служит обследование глаза в его реальном состоянии. Из уровня техники известны различные методы проведения подобного обследования глаза, например с применением приборов для измерения топографии (так называемых топографов), анализаторов волнового фронта, Шаймпфлюг-приборов, а также пахиметров.
Офтальмологическая рефракционная хирургия с использованием анализатора волнового фронта или с топографом вряд ли способна эффективно разрешать небольшие локальные структуры роговицы в пределах миллиметрового интервала и тем более неспособна осуществлять их определенную и точную привязку по координате, необходимую для высокой воспроизводимости локального воздействия. Кроме того, с помощью топографов едва ли возможно обнаруживать в пределах миллиметрового интервала так называемые центральные островки - т.е. выступающие участки на роговице, которые часто являются результатом не совсем качественных операций, проведенных на ранних этапах развития PRK (фоторефрактивной кератотомии).
В настоящее время делаются попытки отслеживать в онлайновом режиме при проведении абляции отклонения от желательного абляционного процесса, особенно отклонения, обусловленные так называемым "цикличным закручиванием" (cyclotorsion) или так называемым смещением центра зрачка.
Однако известные к настоящему моменту методы, как правило, не позволяют точно детектировать локальные иррегулярности профиля роговицы и точно наводить именно на них лазерный пучок в процессе такого детектирования, одновременно отслеживая результаты абляции.
В качестве измерительного метода для бесконтактного обследования биологических тканей в последнее время стала доступна так называемая оптическая когерентная томография (см., например, B.Wolfgang Drexler, Journal of Biomedical Optics, 9(1), 42-74, 2004). С помощью оптической когерентной томографии, особенно использующей широкополосные излучатели, становится возможным обследовать очень мелкие биологические структуры с разрешением, например, порядка 1 мкм и выше.
В ЕР 1231496 А2 описано применение оптической когерентной томографии (ОКТ) для контролируемого изменения глазной ткани с управлением применяемого лазера по мощности, длительности экспозиции и размеру пятна облучения. Различение облученной глазной ткани и необлученной глазной ткани осуществлялось с использованием ОКТ и порогового значения. Посредством ОКТ определялась, в частности, область глазной ткани, на которую было оказано успешное воздействие лазером.
В US 2007/0282313 А1 описано применение ОКТ только для целей топографического обследования в рефракционной хирургии. В этом документе не приводится каких-либо ссылок по онлайновому управлению фотоабляцией посредством ОКТ. В данном документе топографические данные, получаемые с помощью ОКТ, используются только при разработке расчетной программы абляции.
ЕР 0697611 А2 описывает систему, аналогичную представленной в рассмотренном выше документе ЕР 1231496 А2 и снабженную системой автофокусировки для офтальмологического хирургического микроскопа. В данном документе описаны топографические измерения роговицы, но не онлайновое управление резекцией ткани с помощью ОКТ.
В US 2007/0073905 А1 применение ОКТ не раскрыто, но описывается общее состояние хирургического воздействия на глаз с использованием предварительно проведенных расчетов по соответствующей модели.
В WO 2006/087180 А2 описывается процесс абляции, но без применения ОКТ. DE 10323422 А1 также не упоминает применение ОКТ, описывается только детектирование диапазона оптического давления в ткани.
Раскрытие изобретения
Задача, поставленная перед изобретением, состоит в создании системы типа упомянутой выше, в разделе "Область техники", которая способствует улучшению результатов хирургии.
Для решения этой задачи изобретение предлагает систему для офтальмологической рефракционной хирургии, содержащую:
- первый лазер для проведения резекции роговичной ткани,
- средства пространственно-временного управления направляемым перемещением пучка излучения первого лазера по глазу,
- устройство для оптической когерентной томографии, содержащее второй лазер для осуществления оптической когерентной томографии глаза,
- средства пространственно-временного управления направляемым перемещением пучка излучения второго лазера по глазу и
- компьютер, выполненный с возможностью
управления, в процессе резекции роговичной ткани в соответствии с разработанной программой, первым лазером и средствами пространственно-временного управления направляемым перемещением пучка излучения первого лазера по глазу для обеспечения требуемого изменения профиля роговицы,
управления устройством для оптической когерентной томографии, будучи запрограммированным на проведение измерений роговицы до начала, при проведении и по завершении резекции роговичной ткани, и
управления, при задаваемых условиях, выполнением программы проведения резекции роговичной ткани в зависимости от результатов измерений, осуществляемых средствами оптической когерентной томографии.
Таким образом, изобретение предусматривает интегрирование, в виде модуля, устройства для оптической когерентной томографии (ОКТ-устройства) в систему для офтальмологической рефракционной хирургии таким образом, чтобы результаты измерений, обеспечиваемые данным устройством, оказывали влияние, практически в онлайновом режиме, на процесс хирургического вмешательства. Более конкретно, высокоскоростная ОКТ высокого разрешения позволяет детектировать и отображать структуры роговицы с разрешением в микрометровом диапазоне с очень высокой скоростью благодаря осуществлению сканирования с частотой от нескольких мегагерц до нескольких гигагерц, вплоть до 10 ГГц и даже до 100 ГГц, т.е. при длительностях измерений, существенно меньших 1 с.Это делает возможным не только обследовать исходную структуру до начала резекции роговичной ткани и окончательную структуру роговицы после резекции, но и полностью отслеживать ход операции и управлять ею в зависимости от результатов ОКТ-измерений, получаемых в процессе проведения операции.
Согласно изобретению резекция ткани, с поддержкой со стороны ОКТ, производится в конкретном варианте посредством УФ лазера (как правило, эксимерного). В ходе операции определенные участки роговицы выбираются в качестве целевых, после чего производится резекция роговичной ткани посредством последовательных импульсов излучения под управлением в реальном времени (в онлайновом режиме) до тех пор, пока не будет установлено (практически в реальном времени) достижение желательного результата ОКТ-измерений.
Благодаря интегрированию ОКТ-модуля в систему для рефракционной хирургии становится также возможным обнаруживать иррегулярности роговицы, в частности так называемые центральные островки, и учитывать их в процессе операции. Размеры центральных островков (иррегулярных выступов на поверхности роговицы) составляют несколько миллиметров и менее; поэтому они были едва различимы или неразличимы, т.е. не могли регистрироваться традиционными методами в ходе рефракционной хирургии. Поскольку подобные иррегулярности были необнаружимы или почти необнаружимы как до, так и во время операции, это не позволяло обеспечить точную адресацию при управлении лазером. Это же относится и к чрезвычайно мелким иррегулярностям в форме рубцов, которые иногда возникают на поверхности роговицы.
Данные иррегулярности становятся распознаваемыми с помощью широкополосной оптической когерентной томографии; соответственно, профиль абляции может быть сформирован таким образом, чтобы, например, в зоне центральных островков (т.е. выступающих участков на роговице) направленно производилась усиленная локальная резекция роговичной ткани по сравнению с другими областями роговицы. В результате обеспечивается гладкая поверхность по всей роговице. Что касается рубцов, резекция в областях их расположения существенно ослабляется, что также приводит к получению гладкой поверхности роговицы. Если бы, при использовании традиционных средств, подобные иррегулярности не были бы распознаны по результатам измерений и не были учтены в профиле абляции, они были бы, по существу, сохранены в ходе абляции, так что иррегулярности присутствовали бы на облученной роговице или внутри нее.
Благодаря интегрированию, согласно изобретению, ОКТ-устройства в систему для офтальмологической рефракционной хирургии становится возможным точно определять структуру роговицы, т.е. структуру ее поперечного сечения, толщину, переднюю и заднюю поверхности, и отслеживать мгновенные состояния этой структуры в ходе операции. Поэтому согласно одному из вариантов изобретения непосредственно в ходе абляции (т.е. в процессе рефракционной операции), по существу, в реальном времени (в онлайновом режиме) производят расчет текущих изображающих свойств роговицы, чтобы определить на этой основе достигнутое состояние абляции и завершить абляцию точно в тот момент, когда изображающие свойства глаза, рассчитанные в онлайновом режиме, соответствуют желательным, расчетным показателям. Как следствие, параллельные измерения топографии или даже измерения волнового фронта перестают быть абсолютно необходимыми.
В предпочтительной конфигурации системы для офтальмологической рефракционной хирургии согласно изобретению компьютер запрограммирован на обеспечение воспроизведения на дисплейном устройстве результатов измерений, проведенных посредством оптической когерентной томографии до и/или во время резекции роговичной ткани. Благодаря этому врач-хирург может отслеживать в онлайновом режиме (т.е. практически в реальном времени) прогресс абляции, представляемый в графической форме. Например, врач может наблюдать на экране дисплея исходную форму роговицы (до начала вмешательства), представленную в виде линии (в случае двумерного отображения) или в виде поверхности (в случае трехмерного отображения). При этом ниже данного изображения в ходе операции последовательно воспроизводится текущая структура роговицы, отображаемая, например, линией или поверхностью контрастирующего цвета. В качестве возможного дополнения, для врача может выводиться также изображение поверхности роговицы с внутренней стороны глаза, которая также может наблюдаться с помощью когерентной томографии. Это поможет, в частности, избежать получения слишком малой остаточной толщины роговицы. С помощью ОКТ могут также обследоваться и отображаться на дисплейном устройстве и другие представляющие интерес части глаза, такие как хрусталик и/или зрачок, которые также могут быть распознаны и отображены.
Если описанный процесс используется в процессе LASIK и если так называемый надрез лоскута выполняется, например, фемтосекундным лазером, процесс образования надреза также может отслеживаться посредством ОКТ и отображаться на дисплейном устройстве. При этом в ходе последующей абляции роговичной ткани описанные выше линии или поверхности, отображаемые на дисплейном устройстве, могут рассчитываться таким образом, чтобы имелась возможность рассчитать и отобразить также ситуацию, возникающую после возврата лоскута в начальное положение и после завершения процесса заживления.
Другая предпочтительная конфигурация согласно изобретению предусматривает наличие устройства ввода, с помощью которого пользователь может обеспечить осуществление, по командам компьютера, дополнительной резекции роговичной ткани посредством первого (УФ) лазера в пределах выбранного участка на отображении результатов измерений посредством ОКТ, или, напротив, ослабление резекции роговичной ткани в пределах выбранного участка.
Согласно изобретению для ОКТ используются предельно высокоскоростные устройства на основе фемтосекундных источников излучения, предпочтительно с частотой следования импульсов порядка 10 ГГц, более предпочтительно порядка 100 ГГц или более. Такими источниками, в частности, могут быть лазеры типа VECSEL (Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser - поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором) или VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser - поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором).
Подобные полупроводниковые лазерные диоды могут иметь токовую или оптическую накачку и обеспечивать очень высокую выходную мощность и эффективность, несмотря на малые размеры (составляющие несколько сантиметров). Для осуществления изобретения могут быть использованы и фемтосекундные волоконные лазеры. Изобретение ориентировано также на использование такого источника (второго лазера) в режиме генерации фемтосекундных суперконтинуумов с шириной полосы от более 100 нм до 1000 нм и с частотой следования импульсов более 100 ГГц, что позволит получить предельно высокую скорость измерений и, соответственно, воспроизведение, например на экране дисплея, изображений структур роговицы с предельно малой временной задержкой по отношению к истинному мгновенному состоянию роговицы, реально полученному в процессе абляции. Таким образом, реальное состояние роговицы будет графически отображаться практически в реальном времени (без временной задержки), причем его компьютерная обработка также может осуществляться практически без временной задержки.
Предпочтительные конфигурации системы согласно изобретению для офтальмологической рефракционной хирургии раскрыты в зависимых пунктах прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны, в качестве примеров, предпочтительные варианты изобретения:
на фиг.1 схематично представлена система для офтальмологической рефракционной хирургии;
на фиг.2 также схематично, иллюстрируется дисплейное устройство для отображения данных, полученных методом оптической когерентной томографии.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан глаз 10, на котором должна быть произведена офтальмологическая рефракционная операция. Схематично изображены роговица 12 глаза, пупиллярный край 14 и иррегулярность 16 роговицы, представленная в виде так называемого центрального островка, т.е. выступающего участка роговицы с размерами в миллиметровом или микрометровом диапазоне.
Как и в известных системах, имеется фиксирующий лазер 18, испускающий (слабый) лазерный пучок 18', на который наводит взгляд пациент с целью фиксации глаза.
Как известно, в подобных системах (например на основе LASIK-аппарата) используется УФ лазер 20, например эксимерный лазер, который испускает пучок 20' излучения с длиной волны 193 нм, посылаемый линзой 22 на сканирующие зеркала 24, 24' и направляемый на глаз 10 отклоняющим зеркалом 26. Компьютер С управляет лазером 20 и сканирующими зеркалами 24, 24' известным образом, т.е. в соответствии с заранее рассчитанным профилем абляции. Описанная система обеспечивает, например, известный режим проведения LASIK.
Данная система содержит, кроме того, так называемый "айтрекер" (eye-tracker). Айтрекер снабжен камерой 30, которая, используя излучение, отводимое отклоняющим зеркалом 28 в направлении, показанном стрелкой 32, формирует изображения глаза 10. Эти изображения затем подвергаются известному процессу обработки с целью отслеживать движения глаза (которых пациент часто не может избежать, несмотря на наличие фиксирующего лазера 18), а также осуществлять управление сканирующими зеркалами 24, 24' для лазерного пучка 20' с обеспечением соответствия их движения движениям глаза для того, чтобы профиль абляции формировался посредством резекции с максимально возможной точностью по положению.
Цифровые изображения, регистрируемые камерой 30, обрабатываются компьютером С, который на основе результатов обработки управляет сканирующими зеркалами 24, 24' и, через них, аблирующим пучком 20'.
В систему для проведения LASIK интегрировано устройство 34 для оптической когерентной томографии, которое, как это известно, содержит соответствующий (второй) лазер. Данное устройство 34 испускает и принимает излучение, как это изображено двунаправленной стрелкой 36. Сканирование излучения осуществляется сканирующими зеркалами 38, 40. Взаимодействие компьютера С с индивидуальными компонентами проиллюстрировано на фиг.1 линиями и стрелками. Можно видеть, что компьютер С управляет, в частности, ОКТ-устройством 34 и сканирующими зеркалами 38, 40 в составе этого устройства.
Устройство 34 для оптической когерентной томографии, в зависимости от используемого источника излучения, работает с частотами сканирования в диапазоне от нескольких мегагерц до гигагерц, так что обеспечиваются длительности измерений всей поверхности, подлежащей обследованию (т.е. примерно соответствующей аблируемой области роговицы), существенно меньшие 1 с.
Источник излучения в устройстве 34 для оптической когерентной томографии (например лазер) имеет максимально возможную ширину полосы излучения, явно превышающую 100 нм, и очень высокую частоту следования импульсов (от 10 МГц до более 100 ГГц). Это позволяет достичь высокого трехмерного разрешения, до 10 мкм и выше. При таких условиях интересующий участок поверхности роговицы - например, поверхность, непосредственно изменяемую в процессе абляции, - можно обследовать менее чем за 1 с, после чего отобразить ее на дисплейном устройстве D, подключенном к компьютеру С.Широкополосное излучение с полосой Δλ>>100 нм имеет центральную длину волны Л в спектральном интервале от 800 нм до 1300 нм. Таким образом, с использованием представленного варианта могут исследоваться топография и толщина роговицы, размеры передней камеры глаза и локальное положение примыкающих структур, таких как зрачок и хрусталик. При этом геометрические изображения этих структур передаются компьютером С для воспроизведения, альтернативно или в желательной комбинации, на дисплейном устройстве D.
Разрешение по глубине (обычно именуемой z-координатой) в данном случае находится в микрометровом диапазоне и может быть, например, лучше, чем 3 мкм, тогда как в поперечных направлениях (обычно именуемых xy-координатами) достигается разрешение, существенно лучшее 10 мкм. Это позволяет четко распознавать субструктуры роговицы, такие как эпителий или мембрана Боумана, а также положение микрокератомного надреза (в случае применения LASIK).
На фиг.2 схематично представлены структуры, полученные посредством ОКТ и выведенные на дисплейное устройство D, управляемое компьютером С.Показаны поверхность К1 роговицы перед началом абляции с первой иррегулярностью J в виде центрального островка (т.е. выступа). Его размеры лежат в миллиметровом-микрометровом диапазоне (на фиг.2 они сильно преувеличены по сравнению с размерами роговицы). Две боковые стороны выступа имеют градиенты (т.е. наклоны к примыкающей поверхности К1 роговицы 12) G1, G2. В представленном примере поверхность К1 роговицы 12 имеет и рубцы N, размеры которых также лежат в миллиметровом-микрометровом диапазоне.
На фиг.2 показана также заданная поверхность К2 роговицы, которую требуется получить на основе расчетной резекции в соответствии с профилем абляции, т.е. соответствующая желательному результату операции. На фиг.2, кроме того, схематично показана внутренняя поверхность КЗ роговицы.
Используя устройство 34 для оптической когерентной томографии и компьютер С, обрабатывающий результаты измерений, получаемые данным устройством, можно сгенерировать кривую К1, представленную на фиг.2, и отобразить ее на дисплейном устройстве D. При этом компьютер С запрограммирован таким образом, что он распознает иррегулярности с размерами в микрометровом диапазоне и, в соответствии с выбором пользователя, при отображении выделяет их, например цветом или жирными линиями. Компьютер может "узнавать" иррегулярности в процессе обработки изображений известными методами (например, основываясь на градиентах G1, G2, сопоставляемых с заданными пороговыми значениями) и обеспечивать соответствующие отображения. В процессе обработки изображений, например путем сопоставления интервалов между смежными точками измерений, можно выявить градиенты G1, G2, которые превышают заданное пороговое значение, т.е. указывают, что в соответствующей точке возможно присутствие иррегулярности. Согласно предпочтительной конфигурации пользователю может предлагаться опция выбрать и отобразить увеличенное отображение текущего состояния роговицы в этой, критической области. Такое отображение может постоянно обновляться в онлайновом режиме в процессе осуществления абляции (т.е. ступенчатой, послойной резекции роговичной ткани). В результате врач может отслеживать на дисплейном устройстве D ход операции, т.е. развитие во времени процесса последовательной, послойной резекции роговичной ткани, на основе измерений методом когерентной томографии. Если по наблюдаемым иррегулярностям врач может выявить определенные проблемные области, требующие более интенсивной или, наоборот, менее интенсивной абляции, чем выбранная в соответствии с профилем абляции, он может непосредственно вмешаться в процесс абляции в соответствии с используемой конфигурацией. Например, если врач обнаруживает на воспроизведенном изображении иррегулярность, соответствующую выступу J (центральному островку), он может установить маркеры М1, М2, между которыми требуется усилить резекцию роговичной ткани по сравнению с окружающими областями роговицы. Маркеры М1, М2, соответствующие границе выделенного участка, могут быть введены врачом посредством устройства ввода Е. Специалистам будет понятно, что эти маркеры должны задаваться в трехмерном пространстве, включая глубину (т.е. направление вниз на плоскости чертежа, причем в этом направлении иррегулярность имеет примерно такой же размер, что и в плоскости чертежа). После этого посредством устройства ввода Е врач может указать, насколько значительной должна быть дополнительная резекция ткани в пределах иррегулярности.
Описанные действия применимы также и к участку рубцов N, в которых часто следует ослабить абляцию. Таким образом, при наличии любых иррегулярностей может быть получена относительно гладкая поверхность роговицы, обозначенная на фиг.2, как К2.
Перечень обозначений
10 глаз
12 роговица
14 пупиллярный край
16 рубец или центральный островок
18 фиксирующий лазер
18' пучок фиксирующего лазера
20 УФ лазер
20' пучок излучения УФ лазера
22 линза
24 сканирующее зеркало
24' сканирующее зеркало
26 отклоняющее зеркало
28 отклоняющее зеркало
30 камера
32 стрелка
34 ОКТ-устройство
36 двусторонняя стрелка
38 сканирующее зеркало
40 сканирующее зеркало
С компьютер
D дисплейное устройство
Е устройство ввода
J центральный островок
N рубец(рубцы)
М1, М2 маркеры
G1, G2 градиенты
K1, K2, K3 поверхности