JP4611288B2 - レーザ屈折矯正手術における高次収差を補正するためのシステムと方法 - Google Patents
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Description
屈折矯正手術は普通、患者の視力状態を治療するように選択または決定される、ターゲット光学表面形状に基づくものである。ターゲット光学表面形状は、様々なターゲット光学表面形状データまたはデータ形式のいずれかに基づく、またはそれによって示すことができる。本内容では、視力状態は屈折の場合(refractive case)と類似である。屈折の場合の例としては以下のものが挙げられる。
屈折の場合 光学区域x切除区域
1.近視(−4D) 6mm×8mm
2.遠視(+2D) 5mm×9mm
3.近視性乱視(−2DS/−1DCx34°) 6mm×8mm
4.遠視性乱視(+2DS/−1DCx65°) 5mm×9mm
5.混合乱視(+2DS/−3DCx45°) 5mm×9mm
6.治療(+2.35DS/−3.51DC×17°)6mm×8mm
ターゲット光学表面形状を考えると、ターゲット形状と一組の屈折矯正手術システム・パラメータとに基づいてモデルの光学表面形状を決定することが可能である。屈折矯正手術システム・パラメータは、システムの個別のシステム構成部品に対応する。例えば、図4に示すように、屈折矯正手術システムの一実施形態は、波面デバイスなどの構成部品、レーザ切除輪郭、さらにレーザ位置合わせと追跡システムなどのレーザ・サーボ・システムを備えることができる。これらの構成部品は、モデルの光学表面形状に誤差を持ち込む可能性がある。手術システムは、例えば、波面デバイス測定誤差、波面表面適合誤差またはアルゴリズム欠陥、レーザ・ビーム均一性と可変性誤差、位置合わせ誤差、追跡誤差を含む誤差ソースを有するであろう。したがって、モデル表面形状は、手術システム・パラメータによって導入または増幅された収差を含む可能性があり、これらの収差は特定の数式によって説明し評価することができる。
波面デバイス測定誤差は、
眼調節誤差は患者の部分的眼調節または微小眼調節があり、2乗平均平方根(RMS)誤差に変換することができる。微小変動、または眼調節ドリフトは凝視する場合に患者に存在する可能性があるが、遠くのターゲットに固定することは不可能である。多くの患者は少なくともわずかに眼調節し、微小眼調節は眼調節の弛緩のわずかな変化に相当する。患者は完全には緩めることができず、それによってこの処置中に眼調節する範囲では、この眼調節は誤差の一部になる可能性がある。眼調節のランダムな誤差が瞳孔半径Rを有する目に対してaであると仮定すると、RMS眼調節誤差は以下の通り示すことができる。
波面デバイス誤差に対して、波面復元誤差により誘導される誤差を考慮することも可能である。復元誤差ソースは、ゼルニケ多項式、測定誤差、基本機能の派生物のエイリアシングによる残りの誤差などの、いくつかの基本機能の切捨てによる補償されない誤差を含んでいる。完全な理論的解析は、Daiの「Modal wave−front reconstruction with Zernike polyminals and Karhunen−Loeve functions」、J.Opt.Soc.Am.A13.1218〜1225(1996年)によって行われており、全ての目的で全体を参照として本明細書に援用する。一実施形態では、復元誤差は以下のように示すことができる。
全波面デバイス誤差は以下のように示すことができる。
レーザ切除輪郭誤差は時々、波面表面適合誤差、またはアルゴリズム誤差と呼ばれる。波面表面適合誤差は、個別のレーザ・パルスを予測される波面表面、またはモデルの光学表面形状に適合させる際に、多次元の問題の数値解の結果であり得る。レーザ切除輪郭誤差は、
レーザ切除パルス輪郭は、様々な方法で発生させることができる。以下の例では、Y(r)関数は、切除パルス輪郭をどのように発生させるかを説明しており、式中、σはガウス輪郭の標準的偏差を示し、FWHMはガウス輪郭の半値全幅を示す。異なるタイプのパルス輪郭は、異なる量の誤差をレーザ切除輪郭誤差に寄与させる可能性がある。例えば、レーザ切除輪郭変数は、可変点走査係数、またはフライングスポット走査誤差を含む。
フライングスポット走査(FSS)パルス輪郭は以下の式によって示すことができる。
Y(r)=−0.4exp[(−8ln2/σ2)(4−r)2]
式中、σ=D/2およびDは点寸法であり、FWHMはD/√8=0.3536Dである。Y(r)は切除深さを示し、rは瞳孔中心からの距離をmmで示す。したがって、0.75mmFWHM点では、D=2mmである。この輪郭は図9Aに示されている。
可変点走査(VSS)輪郭レーザでは、シルクハット形状を使用することができる。この輪郭は、15の異なる直径で、図9Bに示されている。上記の−4視度入力実施形態では、VISX可変点走査輪郭に対して、以下の結果が得られた。339パルス、PV=0.78μm、RMS=0.11μmは、輪郭適合誤差である。全ての寸法が、光路差(OPD)内にある。
適合誤差は、すなわち
点寸法可変性誤差はまた、レーザ切除輪郭誤差に寄与する可能性がる。図12Aは、RMS分布グラフを示し、様々な点寸法での異なる屈折の場合(屈折力)に対する適合RMS誤差を示している。図12BはPV分布グラフを示す。x軸の単位は、ミリでの点寸法直径を示す。これらの図に示された例に基づいて、フライングスポット走査(FSS)に対する最適な点寸法(すなわち、最低誤差)は、約1.0mmから約1.6mmの範囲であってよく、より詳細には約1.5mm、または約0.5mmFWHMであってもよい。FWHMはしばしば、点寸法の約3分の1である。このように、最適点寸法を各屈折の場合に対して決定することができ、モデルの光学表面形状における収差の最大抑制を与えることができる。このように、点寸法を制御することによって誤差量を制御することが可能である。
図6を参照すると、参照番号240がある。グリッド幾何形状は、シミュレートされたアニーリング・アルゴリズムに対する解像度空間を決める。いくつかの実施形態では、波面デバイス変数は、100μmのグリッド寸法係数を含む。
図11Aに示すように、切除を行うのに使用される切除パルスの数を決定するのに、適合誤差に関連する適合性能を使用することも可能である。この例では、フライングスポット走査輪郭は、例えば各屈折の場合に対して約10,000パルスを有することができ、可変点走査輪郭は約1,000より小さくてもよい。したがって、この例では、VSSが20Hzのレーザ・パルス繰返し率で動作する場合、切除には約50秒かかる。同じ時間の長さでFSS切除を行うため、システムは200Hzのレーザ・パルス繰返し率で動作すべきである。
図4、5に示すように、レーザ位置合わせと追跡システムは、位置合わせ・ソース誤差
位置合わせ誤差、位置誤差、回転位置合わせ誤差は、モデリングまたは決定することができる。位置合わせ誤差は普通、位置誤差と回転位置合わせ誤差の合計である。普通は、波面が誤差測定器またはフォロプタ(phoropter)で取られる時の瞳孔中心は、治療処置が行われる時の瞳孔中心と異なる。瞳孔中心位置誤差のこのような変化は高次収差を含む。同様に、回転位置合わせ誤差は、高次収差の増加の一因となる。さらに、瞳孔寸法変化と回転または位置合わせ誤差は、収差の一因ともなる。これらの収差は、ランダムに分布された誤差としてモデリングすることができる。
目は垂直、水平、円回転で移動するので、切除の全過程中に瞳孔の中心を追跡し続けることが望ましい。したがって、追跡構成部品は、垂直、水平、眼球回旋追跡を把握することができる。目の動作速度、各動作の持続時間、追跡速度、追跡精度、システム待ち時間などのパラメータを考慮する。
パラメータ 説明
数 治療の数
グリッド寸法 波面のグリッド寸法
速度 目動作(mm/秒)
持続時間 目動作時間(秒)
レーザ・パルス繰返し率 10HzVSS
100HzFSS
追跡率 追跡速度(Hz)
追跡誤差 精度(mm)
システム待ち時間 どれだけ早くシステムが応答するか
上に記したように、レーザ切除輪郭変数は、パルス寸法係数、点寸法可変性係数、ビーム均一性係数、レーザ・パルス繰返し率係数からなる群から選択することができる。
レーザ・ビーム均一性ソース誤差は、以下のように示される。
別のレーザ切除輪郭変数は、レーザ・パルス繰返し率係数である。いくつかのVSSの実施形態では、レーザ・パルス繰返し率係数は10Hzから約20Hzの範囲である。いくつかのFSS実施形態では、レーザ・パルス繰返し率は、約100Hzから約200Hzの範囲である。
角膜切開刀ソース誤差は以下のように示すことができる。
フラップ切断後、角膜の中心平坦化と周面厚み付けがあり、それによって正の球面収差を誘導することができる。いくつかの実施形態では、角膜切開刀変数は、約0.1ミクロンと約0.3ミクロンの間の正の誘導球面収差を含む。いくつかの実施形態では、角膜切開刀変数は、約0.1ミクロンと約0.3ミクロンの間の量の角膜切開刀ヒンジの方向のコマを含む。
しかし、フラップのヒンジにより、誘導された球面収差は円形的に対称ではないことがある。したがって、少量のコマを誘導することもできる。
正の球面収差と、方向付けた(ヒンジ方向に向かって)コマを誘導するランダムな過程としてフラップ効果を以下のようにモデリングすることが可能である。
最後に、治療効果は円滑な過程であり、最終波面に適用されるガウス・カーネルとしてモデリングすることができる。普通、これはランダムなノイズに対する誤差減少過程であり、均一な誤差のない形状に対する誤差生成過程ではない。治療の円滑効果は局部RMS誤差を減少させることができるが、全体のRMS誤差は減少させることができない。治療効果はH(.)と示すことができる。治療効果は低域通過フィルタとして考えることができる。治療効果は、一次バターワース低域通過フィルタとして考えることができる。標準的なガウス・フィルタにするようにモデルを単純化させることが望ましい。そうするには2つの理由がある。第1に、一次バターワース・フィルタは、標準的なガウス・フィルタに近づけることができる。第2に、ガウス・フィルタはしばしば、より一般的に使用され、バターワース・フィルタより導入するのが簡単である。本明細書に参照として援用する、David Huang他、「Mathematical model of corneal surface smoothing after laser refractive surgery」、Am.J.Ophthalmol.135(3):267〜278(2003年)を参照のこと。
ターゲット光学表面形状(例えば、屈折の場合)と一組の屈折矯正手術システム・パラメータを考慮すると、モデルの光学表面形状を決定または予測することが可能である。基本的に、これは手術システムによって「適用されるような」ターゲット光学表面形状であり、治療後の光学表面形状を示すこともできる。一実施形態では、本発明は屈折矯正手術により生じる誘導収差を抑制するシステムを提供し、システムは、ターゲット光学表面形状を受け入れる入力と、ターゲット光学表面形状と一組の屈折矯正手術システム・パラメータに基づいてモデルの光学表面形状を測定するモジュールと、モデルの光学表面形状における収差を抑制するように一組の屈折矯正手術システム・パラメータを調節するモジュールとを備える。
ターゲット光学表面形状とモデルの光学表面形状の比較は、精度変数、加熱変数、治療時間変数からなる群から選択した測定基準に基づく。精度変数は2乗平均平方根誤差係数に基づく。加熱変数は温度係数に基づく。治療時間変数は切除時間係数に基づく。
収差を抑制するための一組の屈折矯正手術システム・パラメータの調節は、精度変数、加熱変数、治療時間変数からなる群から選択した測定基準に基づく。精度変数は2乗平均平方根誤差係数に基づく。加熱変数は温度係数に基づく。治療時間変数は切除時間係数に基づく。
本発明は、屈折矯正システムの構成部品をモデリングする方法を提供する。誤差を誘導する、または収差の一因となる、または増幅する可能性がある上に論じたシステム・パラメータのいずれかをシミュレーションすることもできる。システム・パラメータ誤差ソースは、モデルの光学表面形状の収差の一因となる、またはこれを増幅させる可能性があるので、位置合わせ精度、切除アルゴリズム内の適合精度、追跡速度、追跡の精度とシステム待ち時間、レーザ・ビーム均一性と変化性などのシステム・パラメータ、あらゆる他のシステム構成部品の調節は、これらの収差に対して効果を有することができる。
シミュレータは、様々なターゲット光学表面形状、または屈折の場合をシミュレータに提供することができる入力屈折モジュール210を備えることができる。このようなターゲット光学表面形状は、近視、遠視、近視性乱視、遠視性乱視、混合乱視などの低次屈折の場合を含み、また1.0ミクロンより大きい高次全RMS誤差を有する実際の目から治療の場合などの高次屈折の場合を含む。しばしば、屈折の場合は波面測定デバイスから決定される。
シミュレータは、レーザ・ビーム輪郭モジュール230を備えることができる。例えばレーザ・ビーム輪郭230の適合誤差をシミュレーションする際は、100ミクロンのグリッド寸法を使用することができる。レーザ切除をシミュレーションすることができるバリデータ、各レーザ・パルスの特性をシミュレーションすることができるパルス指示を、VSSとFSSなどの異なる場合の基本データを形成するのに使用することができる。
シミュレータは、グリッド幾何形状モジュール240を備えることができる。上に論じるように、少なくとも1001×1001のグリッド寸法、すなわち10μmの解像度をシミュレーションに使用することは有用である。しかし、プログラムはグリッド寸法とグリッド幾何形状に対するどんな構成でも設計することができる。
シミュレータは、シミュレーションされたアニーリング・アルゴリズム・モジュール220を備えることができる。例の波面はその後、アルゴリズム・モジュール220が切除解像度を決定するのに使用される。アルゴリズム・モジュール220はここで、図4のアルゴリズム・ボックスと同じである。レーザ・ビーム輪郭230は、シミュレーションされたアニーリング・アルゴリズムを駆動するようにレーザ移送ビーム輪郭を構成する基本データを提供することができ、グリッド幾何形状240はシミュレーションされたアニーリング・アルゴリズムに対する解像度空間を決定することができる。
シミュレータは、治療テーブル・モジュール250を備えることができる。VSSとFSSの両方のシミュレーションされたアニーリング・アルゴリズムで、治療テーブル250を計算することが可能である。同じ治療テーブル250を、理想の切除260と実際の切除270の両方を決定するように、あらゆるパルス輪郭(例えば、VSSまたはFSS)の特定の基本データの変化を調節するのに使用することができる。したがって、VSSを実際の切除と理想の切除に関連させることができ、同様にFSSを実際の切除と理想の切除に関連させることができる。それぞれの場合で(例えば、VSS、理想の切除)、6つの入力形状(例えば、近視、遠視、近視性乱視、遠視性乱視、混合乱視、高次治療の場合)がある。適合誤差をテーブルを作成する前に含めることができる。普通、治療テーブルは明らかな誤差を含むようには考えられない。しかし、シミュレーションされたアニーリング・アルゴリズムは特定の誤差を引き起こす可能性がある。
シミュレータは、理想の切除モジュール260を備えることができる。普通、理想の切除には誤差がない。デバイス誤差なしで適用した場合、全体の誘導2乗平均平方根(RMS)誤差はゼロであるべきである。理想の形状は、例えば、形状を基にした伝搬を使用することができる治療効果を評価または計算する際に、有用である。屈折の場合では、Munnerlyn形状または等式を、理想の形状を構築するのに使用することができる。治療の応用例では、波面形状またはゼルニケ等式を使用することができる。
シミュレータは、実際の切除モジュール270を備えることができる。屈折矯正手術システムの構成部品の欠陥により、誤差が実際の切除に組み込まれる可能性がある。構成部品の全てではないが、ほとんどは、高次収差を誘導することができ、いくつかの誤差はランダムであるように見える。治療テーブルからのデータがシミュレータによって処理されると、ソース誤差は実際の切除モジュール270にまとめられる。このことは、レーザ組織相互作用に反映することができ、角膜上のバイオメカニクスを処理することができる。また、低域通過フィルタとしてモデリングすることができる、治療効果を含むこともできる。これに関連して、LASIKフラップが切断されると、角膜切開刀効果を含めることができる。位置合わせ誤差、追跡誤差を考慮することができる。レーザ移送システム自体は、別の誤差を誘導する可能性がある。治療効果を考慮することもできる。
シミュレータは比較モジュール280を備えることができる。2つの表面を、2点間基準で比較することができる。誤差に関する結果は、全体のRMS誤差である。この過程は、異なる誤差のランダム性をシミュレーションするように、ランダムなサンプル290で繰り返すことができる。
シミュレータはランダムなサンプル・モジュール290を備えることができる。モジュール290によって生成されたランダムなサンプルは、それぞれ異なる誤差を含む。いくつかの実施形態では、モジュール290は100のランダムなサンプルを生成することができ、それぞれ理想の切除モジュール260と比較するように、実際の切除モジュール270を通して反復して循環される。
シミュレーション
StDev X=0.087mm Y=0.099mm
Mean X=−0.027mm Y=−0.029mm
実際の目
StDev X=0.093mm Y=0.134mm
本発明はまた、システム・パラメータ調節のシミュレーションを行う。一組の屈折矯正手術システムを精度変数、加熱変数、治療時間変数からなる群から選択した測定基準に基づいて調節することが望ましい。いくつかの実施形態では、モデルの光学表面形状は治療された角膜などの手術後光学表面形状に対応する。一組のパラメータを調節することによって、手術後光学表面形状の収差を抑制することができる。シミュレータは、収差を抑制するようにパラメータ調節を評価するのを助けることができる。
Claims (15)
- 屈折矯正手術により生じる誘導収差を抑制するシステムであって、
ターゲット光学表面形状を受け入れる入力と、
前記ターゲット光学表面形状と一組の屈折矯正手術システム・パラメータに基づいてモデルの光学表面形状を決定するモジュールと、
前記モデルの光学表面形状における収差を抑制するように前記一組の屈折矯正手術システム・パラメータを調節するモジュールとを備え、
前記一組の屈折矯正手術システム・パラメータは、波面デバイス変数とレーザ切除輪郭変数とを含むことを特徴とするシステム。 - 前記一組の屈折矯正手術システム・パラメータは、レーザ位置合わせと追跡システム変数、微小角膜切開刀変数、治療効果変数からなる群から選択した少なくとも1つの要素を含むことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記屈折矯正手術システム・パラメータを調節するモジュールは、精度変数、加熱変数、治療時間変数からなる群から選択した測定基準を含むことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記精度変数は2乗平均平方根誤差係数に基づくことを特徴とする請求項3に記載のシステム。
- 前記加熱変数は温度係数に基づくことを特徴とする請求項3に記載のシステム。
- 前記治療時間変数は切除時間係数に基づくことを特徴とする請求項3に記載のシステム。
- 前記収差は高次収差を含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のシステム。
- 前記ターゲット光学表面形状は低次収差に対応するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のシステム。
- 前記波面デバイス変数は、点識別係数、眼調節係数、復元係数からなる群から選択した要素を含むことを特徴とする請求項2乃至8のいずれかに記載のシステム。
- 前記復元係数は、補償されない残余誤差部、測定誤差部、残りの誤差部からなる群から選択した要素を含むことを特徴とする請求項9に記載のシステム。
- 前記レーザ切除輪郭変数は、パルス寸法係数、点寸法可変性係数、ビーム均一性係数、レーザ・パルス繰返し率係数からなる群から選択した要素を含むことを特徴とする請求項2乃至10のいずれかに記載のシステム。
- 前記微小角膜切開刀変数は、中心平坦化と周面厚み付け効果係数、ヒンジ効果係数からなる群から選択した要素を含むことを特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記レーザ位置合わせと追跡システム変数は、位置合わせ係数、直線追跡係数、回し運動追跡係数からなる群から選択した要素を含むことを特徴とする請求項2に記載のシステム。
- 前記波面デバイス変数は、高次収差に対応するように構成されていることを特徴とする請求項2乃至10のいずれかに記載のシステム。
- プログラムプロセッサ手段に対し実行可能なコードを格納するコンピュータ記憶媒体であって、前記コードは前記プログラムプロセッサに、
ターゲット光学表面形状を受け入れる入力と、
前記ターゲット光学表面形状と、波面デバイス変数とレーザ切除輪郭変数とを含む一組の屈折矯正手術システム・パラメータとに基づいてモデルの光学表面形状を決定するモジュールと、
前記一組の屈折矯正手術システム・パラメータによって誘導される収差を測定するために前記ターゲット光学表面形状と前記モデルの光学表面形状を比較するモジュールと、
前記モデルの光学表面形状における誘導収差を抑制するように前記一組の屈折矯正手術システム・パラメータを調節するモジュールと
を提供させることを特徴とする記憶媒体。
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