Устройство для проведения офтальмологической, в частности рефракционной, лазерной хирургической операции - RU2474405C2

Чертежи

Описание

Область техники

Изобретение относится к устройству (аппарату) для офтальмологической, в частности рефракционной, лазерной хирургии.

Уровень техники

Существует множество способов хирургии глаза, в которых на глаз направляют лазерное излучение, чтобы оказать на него желательное воздействие в результате взаимодействия этого излучения с глазом. Применительно к рефракционной лазерной хирургии задача состоит в изменении, посредством лазерного излучения, изображающих свойств оптической системы, образованной глазом. Поскольку изображающие свойства человеческого глаза определяются, в основном, роговицей, во многих случаях рефракционная лазерная хирургия глаза предусматривает воздействие на роговицу. В процессе такого воздействия путем выполнения соответствующего разреза и/или соответствующего удаления (иссечения) материала обеспечивается изменение профиля роговицы (используется также термин "профилирование роговицы").

Известным примером профилирования роговицы с целью изменения ее рефракционных свойств является метод LASIK (laser in-situ keratomileusis - лазерный интрастромальный кератомилез). В методе LASIK сначала срезают небольшой поверхностный диск (который обычно специалисты именуют лоскутом). Лоскут остается присоединенным частью своего края к примыкающей роговичной ткани, так что он легко может быть отогнут, а затем снова возвращен на свое место. На практике ранее преимущественно использовались два способа формирования лоскута. Одним из них является механический способ с применением микрокератома, а второй - лазерный способ, в котором посредством фемтосекундного лазерного излучения (т.е. импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в фемтосекундном диапазоне) производят плоский подповерхностный разрез в роговице. За исключением зоны соединения лоскута с роговицей, этот разрез выводится наружу, на поверхность роговицы. После отгибания сформированного лоскута производят удаление материала (абляцию) открытой таким способом стромы в соответствии с профилем абляции, заданным для конкретного пациента. Данный профиль определяет, какое количество ткани должно быть удалено в соответствующей точке роговицы. Профиль абляции рассчитывают таким образом, чтобы по завершении абляции роговица имела оптимальную форму для прооперированного глаза, т.е. чтобы, насколько это возможно, были скорректированы ранее существовавшие дефекты изображающих свойств глаза. Соответствующие способы расчета профиля абляции доступны для специалистов в течение длительного времени. Для абляции используют, например, эксимерный лазер, излучающий в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, примерно у 193 нм.

После того как профиль абляции для оперируемого глаза будет рассчитан, определяют, как наиболее эффективно можно произвести требуемое удаление ткани с помощью доступного лазерного (терапевтического) излучения. Используемое лазерное излучение, как правило, является импульсным. Следовательно, необходимо рассчитать, с привязкой к координатам и времени, последовательность лазерных импульсов, которая, при взаимодействии с роговицей, в частности стромой, приведет к требуемому профилированию роговицы.

Из уровня техники известны средства позиционирования пучка, пригодные для осуществления перемещения лазерного пучка по оперируемому глазу с формированием пространственно-временной последовательности лазерных импульсов. Такие средства могут, в частности, содержать блок отклонения излучения, известный также, как сканер, способный отклонять лазерный пучок в поперечных направлениях (х-у), а также фокусирующую оптику для фокусирования лазерного пучка в желательном вертикальном положении (на высоте z). Блок отклонения излучения может содержать, например, одно или более отклоняющих зеркал с гальванометрическим управлением.

Данные средства позиционирования пучка управляются посредством программно управляемого компьютера в соответствии с профилем абляции. Поскольку применение изобретения никоим образом не ограничено осуществлением метода LASIK, но может использоваться во многих других вариантах лазерной хирургии глаза, в дальнейшем описании будет использоваться понятие "профиль воздействия", в соответствии с которым производится управление средствами позиционирования пучка. Для операций, в которых предусматриваются разрезы роговицы или других компонентов глаза, профиль воздействия может соответствовать профилю разреза, который определяет, в каком месте и насколько глубоким следует производить разрез.

Человеческий глаз не является стационарным (статичным) объектом, поскольку постоянно совершает движения. Существуют различные типы движений глаза, некоторые из которых имеют варьирующие временные шкалы и варьирующие амплитуды. При этом важно, что глаз никогда не находится в покое. Это справедливо и тогда, когда взгляд стремится зафиксироваться на определенном объекте: даже в этом случае имеют место неизбежные движения фиксации.

Для регистрации упомянутых движений глаза известны системы, обеспечивающие слежение за этими движениями глаза или за движениями взгляда (называемые "eye-tracker"). Эти системы обычно содержат, по меньшей мере, одну камеру, которая направлена на глаз и которая регистрирует последовательности изображений зрачка, включая окружающую его радужку. При последующем оценивании (анализе) последовательностей изображения с применением соответствующих алгоритмов анализа изображения можно определить текущее положение зрачка и траекторию его движения. В контексте такого оценивания определяется, прежде всего, мгновенное положение центра зрачка. Путем подстраивания (ориентирования) профиля воздействия относительно центра зрачка, (который отслеживается по описанной технологии с применением камеры) или относительно точки, привязанной к центру зрачка, желательная пространственная последовательность лазерных импульсов может надежно подаваться в нужные точки в оперируемой области глаза, несмотря на неизбежные движения глаза.

Разработка профиля воздействия обычно производится на основе исследования глаза в его обычном состоянии. Например, в случае рефракционной хирургии роговицы обычно требуется знание, по меньшей мере, топографии и толщины роговицы. Знание тех или иных параметров глаза - например глубины передней камеры, толщины хрусталика, полной глубины глаза - может потребоваться и при проведении операции. Поэтому подобные параметры измеряют не только перед началом операции, но также во время операции, по меньшей мере, ее части, и/или по ее завершении, например, чтобы отразить процесс ее проведения и, если потребуется, осуществить управляющее воздействие в ходе операции, а также оценить ее результат.

Для бесконтактного исследования таких параметров глаза, как, например, толщина роговицы, в течение некоторого времени применяются измерительные устройства на основе когерентной оптической интерферометрии, например, использующие принцип оптической низко-когерентной рефлектометрии (optical low-coherence reflectometry, OLCR). Эти измерительные устройства, работающие с низкокогерентным широкополосным излучением, позволяют исследовать структуры глаза (или, в общем случае, биологической ткани) с разрешением порядка 1 мкм и выше. В то время как оптическая когерентная томография является процессом, позволяющим генерировать послойные изображения, OLCR особенно эффективна для измерений толщины в выбранной точке или параметров, характеризующих глубину глаза, например толщины роговицы (т.е. для пахиметрии).

Измерение толщины роговицы (или другого параметра, связанного с толщиной или глубиной компонентов глаза) осложняется вышеупомянутыми движениями глаза. Если желательно проводить повторные измерения толщины роговицы, например в ходе операции, такие измерения следует выполнять, насколько это возможно, всегда в одной точке роговицы или, по меньшей мере, в пределах определенной (допустимой) зоны роговицы, в которой можно ожидать получение надежных результатов измерений. Однако фиксирующие движения глаза могут привести к тому, что эта допустимая зона исчезает из поля зрения измерительного прибора (пахиметра), так что будет необходимо прервать измерение. Для врача это будет означать невозможность регистрации данных измерений. Поэтому он будет вынужден либо подбирать положение головы пациента, либо прекратить измерения.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении и повышении надежности измерений толщины или глубины, необходимость в которых возникает в связи с осуществлением лазерной, например терапевтической, хирургии глаза (перед началом, в процессе или по завершении операции).

Согласно изобретению с целью решения названной задачи создан аппарат для офтальмологической, в частности рефракционной, лазерной хирургии, содержащий:

- первый источник излучения для формирования терапевтического лазерного пучка,

- первые средства позиционирования пучка, испускаемого указанным источником, для пространственного и временного управления перемещением лазерного пучка по оперируемому глазу,

- камеру для регистрации изображения оперируемого глаза,

- модуль анализа и управления, обеспечивающий анализ данных об изображениях, поступающих от камеры, для распознавания движений глаза, и

- измерительное устройство на основе оптической когерентной интерферометрии для измерения параметра толщины или глубины глаза, преимущественно толщины его роговицы, причем измерительное устройство содержит второй источник излучения, обеспечивающий формирование измерительного пучка, и второе средство позиционирования пучка, обеспечивающее подачу измерительного пучка на глаз.

При этом второе средство позиционирования пучка содержит, по меньшей мере, один подвижный позиционирующий элемент для изменения положения измерительного пучка, а модуль анализа и управления выполнен с возможностью управления позиционирующим элементом, в зависимости от регистрируемых движений глаза, таким образом, что положение измерительного пучка следует за движениями глаза.

Таким образом, изобретение реализует концепцию использования данных от следящего устройства ("eye-tracker"), регистрирующего движения глаза, для целей управления измерительным устройством, так что в процессе проведения измерений измерительный пучок всегда падает, по существу, на одну и ту же точку поверхности роговицы или, по меньшей мере, в одну и ту же зону на этой поверхности. Подобное, автоматизированное отслеживающее движение измерительного пучка, зависящее от детектированных движений глаза, делает возможным большое количество измерений в течение короткого временного интервала. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность точного документирования и/или управления ходом операции. В отличие от этого, трудоемкость отслеживания вручную, применявшегося в известных системах, приводила к неоднократному возникновению значительных перерывов между последовательными измерениями. Кроме того, решение, предлагаемое изобретением, гарантирует высокую надежность измерений, поскольку подсоединение измерительного устройства к устройству "eye-tracker" позволяет постоянно направлять с высокой точностью измерительный пучок на заданную точку или на заданную зону глаза.

Требование управления позиционирующим элементом измерительного устройства таким образом, чтобы положение измерительного пучка следовало за движениями глаза, необязательно подразумевает непрерывное, постоянное следование измерительного пучка за регистрируемыми движениями глаза. Как уже упоминалось, может быть предварительно определена такая допустимая зона роговицы, что при нахождении измерительного пучка в пределах этой зоны не возникает нежелательного ухудшения точности измерений. Однако, как только измерительный пучок покидает указанную зону, активируется его отслеживающее движение, так что пучок снова будет находиться внутри допустимой зоны. В связи с этим могут быть сформулированы дополнительные граничные условия, наличие которых предотвратит необязательные отслеживающие движения измерительного пучка. Например, одно такое граничное условие может состоять в том, что измерительный пучок должен находиться вне допустимой зоны, по меньшей мере, в течение заданного периода времени, прежде чем начнется его отслеживающее перемещение. Тем самым могут быть отфильтрованы кратковременные выбросы. Необходимо обеспечить, чтобы измерительный пучок был ориентирован в направлении заданной точки или допустимой зоны, по меньшей мере, в моменты, в которые измерительное устройство производит измерения. Поскольку отслеживающее перемещение измерительного пучка может быть выполнено сравнительно быстро, настройка положения измерительного пучка в соответствии с текущим положением глаза или зрачка может производиться лишь непосредственно перед проведением измерения. Разумеется, можно осуществлять отслеживающее перемещение пучка и тогда, когда в ближайшее время никаких измерений не предполагается.

В предпочтительном варианте подвижный позиционирующий элемент представляет собой отклоняющее зеркало, отразившись от которого измерительный пучок попадает на глаз без дополнительного отклонения от какого-либо зеркала. Если данное отклоняющее зеркало лежит на траектории другого светового пучка, направляемого на глаз из аппарата для лазерной хирургии, это зеркало следует выполнить частично прозрачным. Указанным другим световым пучком может быть, например, фиксирующий световой пучок, испускаемый источником фиксирующего излучения.

Для целей изменения положения измерительного пучка на глазе отклоняющее зеркало может быть выполнено с возможностью наклона вокруг, по меньшей мере, одной оси наклона. Альтернативно или дополнительно, оно может быть установлено с возможностью прямолинейного регулировочного перемещения, по меньшей мере, по одному направлению.

Уже упоминалось, что нет необходимости настраивать положение измерительного пучка непрерывно, с учетом каждого зарегистрированного движения глаза. Соответственно, согласно предпочтительному варианту изобретения модуль анализа и управления может быть настроен на обеспечение следования измерительного пучка за движениями глаза путем управления позиционирующим элементом только в случае, когда движения глаза удовлетворяют, по меньшей мере, одному заданному условию. Такое заданное условие в отношении отслеживания измерительным пучком может, например, состоять в том, что детектированное перемещение глаза, по меньшей мере, равно его заданному смещению относительно опорного положения. Опорное положение может быть, например, связано с положением центра зрачка. Современные следящие устройства и их программное обеспечение по анализу изображений способны рассчитывать текущее положение центра зрачка на основе регистрируемых данных об изображениях. Например, положение центра зрачка в момент начала операции может использоваться в качестве первого опорного положения, и измерительный пучок может позиционироваться относительно этого, первого опорного положения. До тех пор пока центр зрачка продолжает оставаться внутри допустимой зоны (определяемой, например, заданным радиусом) вокруг первого опорного положения, какое-либо отслеживающее перемещение измерительного пучка отсутствует. Если же центр зрачка сместится относительно опорного положения более чем на заданный радиус, может быть осуществлено отслеживающее перемещение данного пучка. Это перемещение может быть, например, осуществлено с определением, на основе текущей информации о положении центра зрачка, нового опорного положения, так что в дальнейшем измерительный пучок будет позиционироваться относительно этого, нового опорного положения. Новым опорным положением может, например, являться усредненное положение центра зрачка после его выхода из предыдущей допустимой зоны. После этого, с учетом нового опорного положения, устанавливается новая допустимая зона, которая снова может иметь форму круга, имеющего заданный радиус и охватывающего новое опорное положение. Должно быть понятно, что в любой момент можно использовать и другие последовательности действий и условия для следящего перемещения измерительного пучка в зависимости от движений глаза.

Краткое описание чертежа

Далее изобретение будет рассмотрено со ссылками на единственный прилагаемый чертеж, на котором схематично представлен вариант аппарата для рефракционной лазерной хирургии глаза.

Осуществление изобретения

На чертеже схематично показан глаз 10, подлежащий операции посредством лазерной, например рефракционной, хирургии. Роговица и кромка глаза 10 обозначены, соответственно, как 12 и 14.

Представленный аппарат для лазерной хирургии содержит известный источник 18 фиксирующего излучения, который испускает (слабый) пучок 18' фиксирующего излучения и на который смотрит пациент для обеспечения фиксации взгляда.

Аппарат для лазерной хирургии содержит также терапевтический лазер 20, который испускает излучение 20', оказывающее лечебное воздействие на глаз. Это излучение направляется посредством линзы 22 на пару сканирующих зеркал 24, 24', а от них на глаз 10 посредством частично прозрачного отклоняющего зеркала 26. В случае метода LASIK лазер 20 может являться, например, эксимерным лазером, излучающим на длине волны, лежащей в УФ диапазоне, например у 193 нм. Должно быть понятно, что, если это требуется для других вариантов лечения, можно использовать излучение и с другими длинами волн, в том числе в инфракрасном диапазоне. Сканирующие зеркала 24, 24' имеют, например, гальванометрический привод и управляются, вместе с лазером 20, программно управляемым компьютером С в соответствии с предварительно рассчитанным профилем воздействия. В контексте изобретения компьютер С образует модуль анализа и управления.

Аппарат для лазерной хирургии снабжен также устройством слежения за движениями глаза ("eye-tracker"), содержащим камеру 30, которая, получая излучение от частично прозрачного отклоняющего зеркала 28, распространяющееся в направлении, обозначенном стрелкой 32, формирует изображения глаза (более конкретно, его зрачка и радужки). Данные об изображениях от камеры 30 анализируются в компьютере C с использованием программы анализа изображений, чтобы отслеживать движения глаза, которых пациент, как правило, не в состоянии избежать, несмотря на попытки зафиксировать взгляд на фиксирующем излучении 18'. Компьютер С учитывает детектированные движения глаза при управлении сканирующими зеркалами 24, 24', чтобы как можно точнее соотнести профиль абляции с выбранной опорной точкой, находящейся, например, на поверхности роговицы.

В дополнение, в аппарат для лазерной хирургии интегрировано измерительное устройство 34 для OLCR. Это, само по себе известное, устройство содержит источник измерительного пучка (выполненный, например, на основе поверхностно излучающего лазерного диода, SLED, источника усиленного спонтанного излучения, ASE, или лазера белого света). Измерительный пучок направляется на глаз 10 частично прозрачным отклоняющим зеркалом 42, которое направляет на измерительное устройство 34 распространяющееся по тому же пути, что и измерительный пучок, излучение, отраженное от глаза 10. Этот процесс обозначен двойной стрелкой 36.

Измерительное устройство 34 измеряет, по меньшей мере, однократно, но предпочтительно несколько раз, толщину роговицы и, если это является желательным, один или более других параметров, характеризующих толщину или глубину (например, глубину передней камеры) оперируемого глаза 10. Измерение толщины роговицы целесообразно провести, по меньшей мере, однократно перед началом лазерной операции и затем еще один раз по ее завершении. Однако предпочтительно проводить эти измерения также в процессе лазерной хирургии, причем постоянно, например через регулярные временные интервалы. Результаты измерений, проводимых измерительным устройством 34, поступают в компьютер С, который способен отображать эти результаты в цифровой и/или графической формах, например, на дисплейном модуле 50. Если это необходимо, компьютер С может быть выполнен способным хранить результаты измерений и, по завершении операции, выводить распечатку журнала измерений, содержащего результаты, полученные в ходе измерений. Однако отображение результатов измерений на дисплейном модуле 50 представляется предпочтительным, поскольку это позволяет оператору непосредственно отслеживать процесс воздействия на глаз. Если это необходимо, компьютер С или его программное управление является чувствительным к корректирующим вмешательствам со стороны оператора и способным соответственно скорректировать процесс лечебного воздействия. Такие корректирующие вмешательства могут осуществляться, например, посредством устройства ввода (не изображено), подключенного к компьютеру С.

Отклоняющее зеркало 42, с помощью которого измерительный пучок выводится на общую траекторию пучка фиксирующего излучения 18' и пучка 20' терапевтического лазера, установлено с возможностью перемещения относительно остальных отклоняющих зеркал 26, 28. В представленном варианте это перемещение соответствует качанию (наклону), как это показано двойной стрелкой 52. При этом отклоняющее зеркало 42 способно качаться, по меньшей мере, вокруг одной оси качания (наклона), по существу, параллельной плоскости х-у аппарата для лазерной хирургии. Данная плоскость х-у параллельна направлению падения пучка 20' терапевтического лазера (направлению z). Наклоняя отклоняющее зеркало 42 вокруг оси качания, расположенной указанным образом, можно отклонять часть измерительного пучка, падающую на глаз 10, и, следовательно, изменять место падения этого лазерного пучка. В предпочтительном варианте отклоняющее зеркало 42 способно качаться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей наклона, каждая из которых расположена, по существу, параллельно плоскости х-у, так что положение места падения измерительного пучка на глаз 10 можно изменять по двум измерениям. Для настройки положения отклоняющего зеркала 42 могут быть применены, например, гальванометрические приводные средства, в том числе известные из уровня техники привода сканирующих зеркал (например аналогичные используемым с зеркалами 24, 24'). Разумеется, не следует исключать и другие варианты привода, в том числе электродвижущие или пьезоэлектрические. Рассмотренные средства позиционирования отклоняющего зеркала 42 управляются компьютером С (это иллюстрируется наличием управляющей связи 54).

В качестве альтернативы возможности качания отклоняющего зеркала 42, оно может быть выполнено настраиваемым по положению в плоскости х-у без изменения своей ориентации в данной плоскости. В этом случае также обеспечивается возможность смещения положения измерительного пучка относительно глаза.

Компьютер С управляет отклоняющим зеркалом 42 в зависимости от положения глаза, точнее от положения центра зрачка, определенного по данным об изображениях, поступающих от камеры 30. Этим методом можно отслеживать положение измерительного пучка с учетом регистрируемых движений глаза. Тем самым гарантируется, что измерение толщины всегда происходит в той зоне роговицы, где можно получить надежные данные о ее толщине. В качестве конкретного количественного примера, принимая, что расстояние между глазом 10 и отклоняющим зеркалом 42 составляет 445 мм, а смещение наблюдаемой точки роговицы от измерительного пучка составило 1,0 мм, можно указать, что следует наклонить отклоняющее зеркало 42 на 0,065° и тем самым обеспечить наклон измерительного пучка на 0,13° для того, чтобы измерительный пучок продолжал падать, по существу, на ту же самую точку на роговице.

Реферат

Изобретение относится к медицине и медицинской технике, а именно к устройству для проведения рефракционной лазерной операции. Устройство содержит первый источник излучения для формирования терапевтического лазерного пучка, первые средства позиционирования пучка, испускаемого указанным источником, для пространственного и временного управления перемещением лазерного пучка по оперируемому глазу, камеру для регистрации изображения оперируемого глаза, модуль анализа и управления, обеспечивающий анализ данных об изображениях, поступающих от камеры, для распознавания движений глаза, и измерительное устройство на основе оптической когерентной интерферометрии для измерения параметра толщины или глубины глаза, преимущественно толщины его роговицы. Измерительное устройство содержит второй источник излучения, обеспечивающий формирование измерительного пучка, и второе средство позиционирования пучка, обеспечивающее подачу измерительного пучка на глаз. Второе средство позиционирования пучка содержит, по меньшей мере, один подвижный позиционирующий элемент для изменения положения измерительного пучка. Модуль анализа и управления выполнен с возможностью управления позиционирующим элементом в зависимости от регистрируемых движений глаза, таким образом, что положение измерительного пучка следует за движениями глаза. При этом управление осуществляется только в случае, когда движения глаза удовлетворяют условию, состоящему в том, что перемещение глаза, по меньшей мере, равно его заданному смещению относительно опорного положения. Использование изобретения позволит повысить надежность и точность полу�

Формула