СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РЕФРАКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR APPLICATION IN REFRACTIVE SURGERY

Область техники
Изобретение относится к устройству для рефракционной (рефрактивной) хирургии, к управляющей программе для такого устройства и к способу создания такой управляющей программы.
Уровень техники
Под рефракционной хирургией специалисты понимают изменение изображающих свойств оптической системы глаза под действием лазерного излучения. Более конкретно, лазерное излучение изменяет рефракционные свойства одной или более частей глаза. Поскольку именно роговица, в основном, определяет изображающие свойства глаза, рефракционная хирургия применяется преимущественно для профилирования роговицы.
Важным примером изменения профиля роговицы с целью изменения рефракционных свойств глаза является LASIK (laser in-situ keratomileusis - лазерный интрастромальный кератомилез). Именно к нему, в первую очередь, относится изобретение. Однако оно также применимо к PRK (фоторефрактивной кератотомии) и к EPI-LASIK (поверхностному лазерному кератомилезу). Изобретение применимо и в случае использования фемтосекундных лазеров.
Согласно уровню техники при реализации метода LASIK определяют так называемый профиль абляции, который рассчитывают на основе результатов измерений глаза и, если это необходимо, других влияющих переменных, определяя, сколько ткани (стромы) следует удалить в той или иной зоне роговицы, чтобы, в результате такого удаления, роговица приобрела контур, оптимальный для данного глаза, т.е. обеспечивающий, по возможности, полную коррекцию имевшихся оптических дефектов изображающих свойств глаза. Из уровня техники известны различные способы расчета требуемого профиля абляции.
После того как профиль абляции для глаза, подвергаемого лечебному воздействию, будет определен, производят расчет, как наилучшим способом удалить (аблировать) из роговицы рассчитанный профиль посредством лазерного излучения. С этой целью расчетным путем определяют пространственные и временные параметры последовательности индивидуальных лазерных импульсов, которые, при взаимодействии со стромой, обеспечат получение эффектов, необходимых для изменения профиля роговицы.
Профиль абляции является трехмерным; он соответствует объему роговицы, который нужно удалить.
Средства компьютерного управления лазерным излучением, обеспечивающие удаление заданного профиля абляции, хорошо известны из уровня техники.
При осуществлении рефракционной хирургии компьютер управляет, в соответствии с управляющей программой, лазерным излучением, например пространственными и временными параметрами перемещающихся по глазу индивидуальных лазерных импульсов ("пятен") в составе последовательности.
В случае управления лазерным излучением применительно к глазу, важным опорным параметром является так называемый центр абляции. Центр абляции - это опорная точка в пространстве, к которой привязана указанная пространственная последовательность лазерных импульсов. В известных решениях в качестве центра абляции выбирается средняя точка (центр) зрачка. Зрачок - это отверстие, окруженное радужной оболочкой, которое действует как диафрагма для света, попадающего в глаз, и имеет относительно четкий контур. Поэтому он удобен для регистрации посредством камеры и анализа с помощью программ обработки изображения. Подобные средства регистрации и программы обработки сами по себе хорошо известны из уровня техники и до определенной степени могут использоваться при осуществлении изобретения.
В процессе рефракционной хирургии глаз, подвергаемый лечебному воздействию, не имеет постоянных размеров; скорее, его свойства, а также ориентация во время операции могут изменяться. В известных решениях изменения ориентации глаза отслеживаются посредством специального устройства, называемого "eye-tracker". Данное устройство отслеживает движения глаза путем вышеупомянутой регистрации свойств зрачка с помощью камеры с последующей обработкой изображения. Движениям глаза сопутствуют движения зрачка, что и позволяет следить за движениями глаза данным способом, с приведением управления лазерным пучком в соответствие с движениями глаза. Благодаря этому заранее рассчитанный профиль абляции может быть удален с высокой точностью, несмотря на то, что во время операции глаз совершает движения, которые, как правило, не могут быть предотвращены надежным образом.
Как было упомянуто, известные решения, как правило, используют в качестве центра абляции центр зрачка. Изобретение направлено на усовершенствование известных решений на основе следующих соображений.
В процессе рефракционной хирургии зрачок, как правило, не имеет постоянных размеров и формы. При этом зрачок не имеет также идеально круглой формы: обычно его размер в одном направлении больше, чем в другом. Размеры зрачка зависят, как известно, от количества падающего на него света, и глаз адаптирует поперечное сечение зрачка в зависимости от этого количества. Однако изменение размеров зрачка влечет изменение положения его центра. Другими словами, если зрачок расширяется, это расширение не является концентрическим и, как правило, в этом случае происходит смещение центра зрачка (для некруглого зрачка под его центром можно понимать, например, центроид поверхности зрачка). Ситуация осложняется также тем, что, как правило, изменение площади зрачка сопровождается вращением (поворотом) зрачка некруглой формы (которое в физиологии именуется "cyclotorsion").
Таким образом, при использовании, согласно уровню техники, центра зрачка в качестве центра абляции, возникают источники систематической погрешности.
Прежде всего, центр зрачка может не лежать точно на оптической оси глаза. В оптической системе "глаз" задаются различные оси, из которых в контексте изобретения особенное значение имеют оптическая ось и зрительная линия (зрительная ось). Согласно принятому определению оптическая ось соединяет центры кривизны преломляющих поверхностей частей глаза, т.е. она, как правило, перпендикулярна всем преломляющим поверхностям. Под зрительной линией обычно понимают линию, соединяющую точку, в которую направлен глаз, и центральную ямку сетчатки. Как правило, эта линия проходит через так называемую нодальную точку, расположенную на задней поверхности хрусталика, через которую проходит также оптическая ось.
Таким образом, оптическая ось, как правило, не проходит через центральную ямку сетчатки. Угол между оптической осью и зрительной линией обычно находится в пределах 5°.
Изобретение исходит из знания того, что улучшение результатов рефракционной хирургии может быть достигнуто тем, что ни центр зрачка, ни точка на оптической оси глаза не используются в качестве опорной точки при абляции (т.е. центра абляции). При выборе в качестве центра абляции центра зрачка одно только упомянутое выше смещение центра зрачка в зависимости от его размера постоянно приводит к систематической погрешности, так что лишь случайно, при наличии особенно удачных свойств глаза, подлежащего лечебному воздействию, центрирование абляции на центр зрачка может дать хорошие результаты абляции.
Даже если смещение центра зрачка при изменении его размеров (являющееся как таковое известным физиологическим фактом) учитывается при определении центра абляции, такой учет необязательно будет приводить к улучшению качества абляции, поскольку в результат будет вноситься систематическая погрешность, связанная с таким выбором.
Приведенные соображения применимы и к случаю, когда, с целью расчета профиля абляции и создания программы, управляющей лазерным излучением, глаз измеряют с применением анализа волнового фронта, например по методу Хартмана-Шака (Hartmann-Shack) или Чернинга (Tscherning), или данных топографии глаза. Необходимость высокоточного определения профиля абляции существует и применительно к "стандартным" вариантам абляции.
В WO 03/011177 А2 предлагается центрировать абляцию на зрительной линии по отношению к центру зрачка.
В US 2004/019346 А1 описан способ абляции роговицы, в котором управление лазерным излучением производится по значениям углов между поверхностью роговицы и лазерным пучком. Соответствующий локальный угол падения используется для определения необходимой локальной абляции ткани. Определенная подобным образом карта (профиль) абляции не использует вершину поверхности роговицы для целей настройки профиля абляции относительно вершины и тем более не использует зависимость положения вершины от свойств зрачка.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на решение, применительно к рефракционной хирургии, проблемы центра абляции, который должен определяться относительно простыми средствами и использование которого позволит достичь улучшенных результатов рефракционной хирургии.
С этой целью изобретение обеспечивает создание устройства и способа рефракционной хирургии, обладающих признаками, включенными соответственно в пп.1 и 5 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты раскрыты в зависимых пунктах формулы.
Изобретение базируется на осознании того, что улучшенные результаты абляции могут быть достигнуты, если в процессе операции использовать в качестве центра абляции вершину роговицы, лежащую на передней поверхности роговицы.
Вершина соответствует наивысшей точке роговицы.
В большинстве случаев рассмотренные ранее точки на поверхности роговицы трудно определить в ходе операции, по меньшей мере, с применением доступных, известных средств.
В связи с этим изобретение предлагает вариант эмпирического определения для глаза, подвергаемого лечебному воздействию, функциональной зависимости пространственного положения указанной точки (которая служит центром абляции) на поверхности роговицы от формы и состояния зрачка. Как было показано выше, при осуществлении рефракционных процедур в любом случае, как правило, производят измерения зрачка посредством камеры, причем с достаточной частотой. В результате движения глаза могут отслеживаться устройством eye-tracker, направляющим лазерный пучок. Согласно изобретению предлагается измерять в такой конфигурации зрачок с помощью камеры и использовать сами по себе хорошо известные программы обработки изображения, а также измерять зависимость положения, например, указанной вершины как функции данных о зрачке глаза, подлежащего воздействию, с хранением результатов этих измерений в компьютере, управляющим процессом рефракционной хирургии. Это позволит компьютеру, управляющему лазерным пучком, соотносить лазерный пучок (и, следовательно, профиль абляции) с вершиной роговицы как с опорной точкой (центром абляции). Для этого требуется только измерять, во время рефракционной процедуры, зрачок или радужную оболочку, что в любом случае осуществляется для других целей.
Подходящие для данной цели свойства зрачка, подлежащие измерению и характеризующие функциональную связь между выбранным центром абляции на роговице и количественными параметрами, которые могут измеряться в процессе операции, соответствуют, прежде всего, некоторым размерам зрачка и его профилю, задаваемому этими размерами. Дальнейшее улучшение возможно при условии, что функциональная зависимость между центром абляции и измеряемыми количественными значениями учитывает свойства радужной оболочки. Как было упомянуто, радужная оболочка обычно разворачивается при изменении размера зрачка, и этот разворот может быть идентифицирован по вращению определенных структур радужной оболочки. Подобная идентификация возможна в результате обработки изображений, зарегистрированных с помощью камеры.
Указанная функциональная зависимость между положением, например, вершины и свойствами зрачка и/или радужной оболочки может храниться в компьютере, например, как "таблица в памяти" (memory table).
Определение функциональной зависимости положения вершины (или иного центра абляции, выбранного согласно изобретению) от результатов измерения зрачка, например от его размеров и формы, может быть реализовано, например, следующим образом. Перед проведением хирургической операции определяют положение вершины роговицы для оперируемого глаза с помощью подходящих средств, например топометра (topometer). Это положение вершины может быть затем зафиксировано с помощью меток на роговице, которые предпочтительно не совпадают с самой вершиной. Например, так называемые метки кератометра могут проецироваться в непосредственной близости к вершине и задавать ее пространственное положение. При этом компьютер, производящий обработку изображения, способен идентифицировать положение вершины по данным меткам. После этого (опять-таки до начала хирургической операции) определяют функциональную зависимость между свойствами зрачка/радужной оболочки и положением вершины.
Изобретение предпочтительно использует программу, записанную, например, в запоминающей среде и управляющую вышеописанным устройством для рефракционной хирургии.
Данная программа
- включает в себя зависимость положения вершины роговицы глаза, по меньшей мере, от одного свойства зрачка,
- обеспечивает, во время процедуры рефракционной хирургии, регистрацию мгновенного значения свойства зрачка посредством камеры и определяет по этому значению, с использованием указанной функции, положение вершины роговицы и
- привязывает профиль абляции к определенному указанным образом положению вершины.
Описанные усовершенствования устройства, прежде всего, относящиеся к выбору центра абляции и свойств зрачка, подлежащих измерению, могут быть применены, в частности, к созданию указанной управляющей программы.
Изобретение относится также к способу рефракционной хирургии глаза, осуществляемому с использованием вышеописанного устройства по изобретению. Данный способ включает следующие этапы:
определяют и запоминают зависимость положения вершины (А) или точки на поверхности роговицы указанного глаза, расположенной на фиксированном расстоянии от указанной вершины, от свойства зрачка, которое может изменяться во время указанной процедуры,
после чего направляют на поверхность или внутрь глаза лазерное излучение в виде заранее определенной пространственно-временной последовательности импульсов, настраиваемой, с использованием указанной зависимости, в соответствие с положением глаза, определяемым регистрацией мгновенного значения свойства зрачка.
Упомянутая точка глаза предпочтительно представляет собой центр абляции, т.е. вершину роговицы или точку, расположенную на фиксированном расстоянии от указанной вершины. При осуществлении способа согласно изобретению могут быть использованы любые из упомянутых параметров, относящихся к свойствам зрачка.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны, в качестве примеров, варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 схематично, в сечении изображен глаз с указанием осей и точек, представляющих особый интерес в контексте изобретения.
На фиг.2 представлена схема устройства для рефракционной хирургии.
Осуществление изобретения
Саггитальное сечение глаза 10, показанное на фиг.1, схематично иллюстрирует роговицу 12, хрусталик 14, переднюю камеру 16, радужную оболочку 18, кромка 18а которой ограничивает зрачок 20, центральную ямку 22 сетчатки, желтое пятно 24 сетчатки, оптическую ось 26 и зрительную линию 28.
Оптическая ось 26 пересекает переднюю поверхность 12а роговицы 12 в точке О. Зрительная линия 28 пересекает переднюю поверхность 12а роговицы в точке V.
В нормальном состоянии, как это показано на фиг.1, вершина А роговицы 12 не находится ни в точке О, ни в точке V, так что точка V зрительной линии расположена между вершиной А и точкой О пересечения оптической оси с поверхностью роговицы. При этом, как правило, точка V расположена ближе к точке А, чем к точке О. Изобретение использует эти анатомические характеристики.
На фиг.2 представлена схема устройства для рефракционной хирургии, содержащего источник 34, генерирующий (испускающий) лазерный пучок 32, который с помощью формирующих и направляющих средств 36 направляется на глаз 10, подлежащий лечебному воздействию. Камера 38, например инфракрасная (ИК), используется, в частности, для регистрации свойств зрачка и радужной оболочки глаза, причем видеосигнал от камеры поступает в компьютер 40.
Компьютер 40 осуществляет управление всеми названными компонентами, в том числе источником 34, испускающим лазерный пучок, и средствами 36, формирующими и направляющими данный пучок. Названные компоненты хорошо известны из уровня техники и не требуют более подробного описания.
Как было пояснено выше, сначала известным образом определяют профиль абляции для глаза, подлежащего лечебному воздействию. Для этого производят измерения глаза, например, методом анализа волнового фронта. Найденный таким способом профиль абляции хранят в компьютере 40. В компьютере 40 имеется также управляющая программа, в частности, для управления средствами 36, формирующими и направляющими данный пучок в соответствии с профилем абляции. Такое построение хорошо известно из уровня техники.
Затем определяют положение вершины роговицы глаза, подлежащего лечебному воздействию, т.е. измеряют пространственные координаты точки, соответствующие данной вершине. Для этого могут быть использованы, например, метки кератометра, т.е. одна или более меток, которые, чтобы задать положение вершины А, проецируются на поверхность 12а роговицы, в непосредственной близости от нее. Данное измерение может быть проведено, например, посредством обычного топометра. После этого координаты вершины можно принять постоянными для глаза, так что вершина может служить опорной точкой, в частности центром абляции для осуществляемой после этого абляции. При этом данная опорная точка остается инвариантной даже в случаях изменения размеров зрачка или изменения его формы, а также вращения зрачка.
На этапе, следующем за определением пространственных координат вершины А, для глаза, подлежащего лечебному воздействию, определяют функциональную зависимость положения вершины от индивидуальных движений зрачка, т.е. от изменения его размеров и от его вращения.
В рамках этого этапа сначала определяют зависимость положения центра от размера (например ширины) зрачка. Как уже упоминалось, в общем случае расширение зрачка не является концентричным: как правило, в результате расширения зрачка его центр будет смещаться. Для определения зависимости положения центра зрачка от его размеров последовательно обеспечивают дискретное расширение зрачка и определяют координаты центра зрачка для каждого значения его ширины, используя вершину в качестве опорной точки. Изменение ширины зрачка производят в этом случае, изменяя количество падающего на глаз видимого света, что приводит к естественному расширению зрачка (фармакологическое расширение зрачка часто отличается от его естественных движений). При этом для определения положений центра зрачка относительно вершины в качестве опорной точки для различных значений его ширины используется ИК камера.
Зависимость угла вращения зрачка от его ширины находится аналогичным образом. В этом случае, в дополнение к идентификации центра зрачка, ИК камера идентифицирует также вариации положения паттерна радужной оболочки, которые дают информацию о вращении зрачка.
Описанным образом определяют функцию, характеризующую положение вершины в зависимости от мгновенных значений свойств зрачка, прежде всего, от его ширины и состояния вращения. Эта эмпирически установленная зависимость для исследованного глаза хранится в компьютере 40 для последующего использования в процессе рефракционной хирургии, преимущественно методом LASIK, с целью расчета мгновенного положения центра абляции. Как упоминалось, в данном примере таким центром является вершина А роговицы.
Применительно к рефракционной хирургии данную задачу решают посредством регистрации свойств зрачка 20 и радужной оболочки 18 глаза посредством ИК камеры 38 с частотой, достаточно высокой, чтобы улавливать движения зрачка и изменения его размеров со скоростью, обеспечивающей адаптацию процесса абляции к этим изменениям. Программы обработки изображения, хранящиеся в компьютере 40, используют упомянутые заранее определенные зависимости, связанные с мгновенными значениями размеров зрачка и его положения, для вычисления координат вершины А, и компьютер 40 использует мгновенные значения этих координат в качестве координат центра абляции, т.е. основы для управления средствами 36, направляющими лазерный пучок, точнее индивидуальные лазерные импульсы, в соответствии с профилем абляции, для которого мгновенные координаты вершины А служат центром. Описанная процедура повторяется с указанной высокой частотой на протяжении всей рефракционной хирургической процедуры, так что мгновенный центр абляции всегда соответствует реальному состоянию глаза. Параллельно с описанными действиями во время указанной процедуры с помощью камеры 38 и компьютера 40 производят обычное "слежение за глазом".
Улучшение результатов рефракционной хирургии, т.е. обеспечение улучшенной коррекции зрения благодаря центрированию абляции относительно вершины А, уже подтверждено практической проверкой.