【発明の詳細な説明】
制御された放射線のパターンにより人間の目を露出する方法および装置発明の背景
本発明は一般的には人間の目に焦点合わせをされた電磁放射で治療するための
種々の方法に関連し、そしてより詳細に言えば、角膜上に1またはそれ以上の調
整され焦点合わせされた電磁照射のために改良された装置に関連する。
高度に制御された電磁照射を一方の目に向ける必要性のある多くの特殊な治療
処置であるが、角膜移植処置は現在それが近視,遠視,およびまたは乱視を矯正
する能力を持っていることから多くの注目を受けている。1つの外科手術的な処
置として、放射ビームがその経路の組織を切ることにより角膜のある制限された
部分を切断するために用いられている。この特殊な応用は角膜中の放射方向の切
断を行うためにナイフを用いることなく、放射方向の角膜切開が行われる。
角膜を切断することを避ける他の方法は光ビーム電磁照射であって、その赤外
線ビームのスペクトルを目に送り込み、コーラゲン繊維を角膜内において収縮さ
せることにおいて、角膜の曲率中に恒久的な矯正的な
変化をもたらす。この後者の技術はしばしばホト−サーマル−ケラトプラスティ
と呼ばれており、これは米国特許第4,976,709号で、1990年12月
11日にドクター ブルース ジェイ.サンド.に発行されたものの主題となっ
ている。コラーゲンを収縮させる技術は高い安全度で患者に苦痛を与えることな
く人間の角膜の光学的特徴を恒久的に変化させることを約束するものであって、
それは物理的に角膜の一部を切除するものに比べて遥かにすぐれたものである。
眼科医とか、所属医師のために、効果的にホト−サーマル−ケラトプラスティ
処置を大量の患者に高い精度と効果を以て行わせるために、医師によって高い精
度を以て制御できるパターンを持つ一定量の正しい量の赤外放射を患者の目に導
くことができる装置を提供することが強く望まれている。そのような装置の基本
はヨーロッパ特許で公開され、番号第402,250号であって、1990年の
12月12日付で刊行されたパレル等の特許に示されている。そこに示されてい
る装置は制御可能な円弧,放射方向の線,またはスポットのアレイであって、赤
外線放射を患者の目の角膜を横切って提供できる。このパレル等のシステム構成
はいくつかの外科的なまたは非外科的な処置に有効なものであるとして説明され
ている。
本発明の主要な目的はパレル等によって開示された
装置の改良をすることである。
本発明のさらに他の目的はそのような装置であってコンピュータ制御可能なも
のを提供することである。
本発明の他の目的は角膜を照射すべき制御可能な放射パターンであって、その
パターンが効果的に製造され、利用され、正確であって効果的なものを提供する
ことである。
本発明のさらに他の目的はホト−サーマル−ケラトプラスティ処置を実行する
ために目の角膜に対して制御されたパターンの赤外線照射スポットを投影するた
めの改良された方法およびシステムを提供することである。発明の要約
したがって簡潔にかつ一般的に言えば、多くの個々の改良はパレル等のシステ
ムに関連して行われたものであって、それらは、前述した目的に到達するために
各々が寄与するものであり、かつ、各々が個々的にそして相関連しあって、前述
の目的を達成するために貢献する。本発明の1つの特徴は処置されるべき、患者
の角膜に対して照射させる赤外線パターンの発生に関連する先行技術として示さ
れている光学システムの再配置を含むものである。1つの小さい実質的に点光源
からの発散する赤外照射のビームが1つの光学素子で
あって、それが前記ビームを希望するパターンに変形するものに照射される。前
記パターンは前記発散するビームの光学軸に沿って前記光学要素を回転させ、ま
たは長手方向に移動させることによって制御可能である。1つのマスクが前記発
散するビームの光学要素前またはその直後にそのパターンに沿ってのビームの強
度分布を制御することに寄与するために配置されている。制御されるビームは平
行光線化され、それから患者の目のある表面に位置させるように焦点合わせさせ
る。ダイクロイックミラーがビームの平行化された部分に配置され、医師が処置
される光ビームが通る経路と同じ経路に沿って患者の目の表面を観察することを
許容する。
この配置は多くの利点を持っている。これは機械的により簡単なものであり、
光学要素が除去されて所属医師に患者の回りにより広い作業空間を提供すること
ができる。医師がダイクロイックミラーを通して観察する像はそのような装置で
しばしば見られるように劣化させられることはなく、その理由はミラーがビーム
の平行光線とされたところに配置されており、ビームが発散または収束すること
ろに配置されていないからである。この配置はまた正の凸放射パターンを形成す
る光学要素の使用を許容し、そして放射ビームが目の表面に実質的に直角に当た
るようにすることができる。
目の角膜に実質的に直角なビームの入射を可能にしたことはいかなる処置におい
ても良い結果をもたらすものであり、特にホト−サーマル−ケラトプラスティ処
置については有効である。負の凹面の光学要素がこのシステムのいろいろなとこ
ろに配置されることがあり、そしてそれによって希望する目に対して放射ビーム
をほぼ直角に入射させることができるが、それはもし仮りに可能であるとしても
、必要な精度で製造することは極めて困難である。本発明により、ホト−サーマ
ル−ケラトプラスティ処置のために特に設計された装置では、正の多面のプリズ
ム要素(ポリプリズム)を発散する照射ビームをある数の分離されたビームであ
って、それらのビームはプリズムのそれぞれの面に対応するものに分割される。
それらのビームの各々は実質的に点の大きさのスポットとして患者の目の角膜上
に方向焦点合わせされる。
赤外処置光線は可視ではないから、医師が患者の角膜上のパターンの位置を調
節するために可視光源からの光を処置光と同軸で照射することが望まれる。
本発明のさらに他の特徴によれば、赤外と可視照射の異なる光源がマルチモード
の光ファイバによって、結合されて伝送され、この装置の残っている光学系に照
射される。赤外と可視光の組み合わされたビームはそれから光ファイバから前述
したように発散する光とし
て表れる。この構成は少なくとも4つの明確な利点がある。まず第1にそれぞれ
別に設けられる赤外と可視照射の光源からの光は精密にお互いに同軸に合わされ
、これはこの方法に寄らなければ困難である。この合わせはもし仮りにそのシス
テムの中の個々の光学要素に機械的な振動等による不一致があったとしても維持
される。第2にマルチモード光ファイバは各々の光線がその中を通過するときに
掻き回され拡散されることによってそれから表れる拡散ビームは大変に均一な強
度分布を全体として持っている。光ファイバを使用することに原因する第3の利
点はそのコアの直径がいかに個々の目に焦点合わせされる個々のスポットを小さ
く制御できるかという可能性を提供することである。
第4の利点として光ファイバは患者に近接して用いられる光学システムの部分と
、それを直接使用する医師を通常は高圧を使用する光源部分から電気的に絶縁す
ることである。ここで記述する処置のためには、必ずしも必要ではないが、個々
のレーザは通常赤外と可視光を発生するものが用いられる。
本発明のさらに他の特徴によれば、制御可能な構造であって、ポリプリズム光
学系であって、それが前記マスクを通過したものを患者の目に分離された個別的
なスポットに分割するものと共同するマスクが提供される。個別的に調節できる
シャッタ機構はポリプリズ
ムの分離された表面に突き当たる拡散光の各々の部分に対して設けられる。これ
らのシャッタの各々は独立した制御可能な静止開放位置を持ち、その結果ポリプ
リズムを開放通過した各々の光分布の相対強度、そして患者の目に向けられる各
々のスポットをシャッタが開いているときに制御可能にしている。
一般的に言って、個々の光ビームを塵とかその他の光学要素等の不均一性からの
均衡をとるために用いられるのであるが、しかし、意図的に各々のビームとこれ
らのビームおよびそれらの焦点合わせされるスポットの強度を意図的に変えるた
めにも用いられる。
各々のシャッタは完全に閉じる,または開かれるように強制された位置において
、各々の手動または電気的な付勢に応答して変えられる。
本発明のさらに他の特徴によれば、スリットランプ生体顕微鏡が装置と患者の
目の間に患者の目の内部を生体顕微鏡だけが用いられたときと同様に所属医師が
観察できるように配置されることができる。
この組合せが所属医師に、本発明のダイクロイックミラーを介して、患者の目の
中の明白な像の形成を見させることができる。これによって所属医師が最初に異
なるスリットランプ生体顕微鏡によって患者を観測し、それから患者の前に処置
システムを配置するというようなことをしなくて済むようにしている。
本発明のさらに他の特徴によれば、平行レンズシステム系に充分な色収差補正
を提供することにより、それが充分な修正能力をもっているのであるから、さら
に他のレンズシステムによって平行光線化して光を患者の目に向けるシステムを
提供する必要はない。
なぜならば、治療用の赤外線放射と可視放射線は波長で充分に分離されているか
ら波長依存性の光学システムはそれらを異なったものとして取り扱う。
かくして通常以上の高度なレベルの修正がこのシステムで必要であるが、それは
高いレベルの修正がたった1つの光学要素によって提供され、その他のものは通
常の可視スペクトルであって、通常のレンズシステムによって提供される色補正
である。
本発明のさらに付加的な目的,利点および特徴等々は、好適な実施例を参照し
て引き続き成される説明によって明確にされるものであり、その説明は添付の図
面に関連して行われる。図面の簡単な説明
図1は本発明の種々の特徴を具現化した処理装置の全体のシステムを示す図;
図2は図1のシステムによって発生される放射パターンを例示した図;
図3は図1の装置の光学システムの主要な要素を示
す図;
図4Aおよび図4Bは図3の光学システムの1つの要素として用いられるポリ
プリズムの平面図および側面図;
図5は図3の光学システムにおいて用いられる調節可能なシャッタマスクの主
要な要素を示す平面図;
図6は図5に示したマスクのより詳細な説明図であって好ましい動作状態を示
しており;および
図7は好ましい図3のシステムに用いられる好ましい色消しレンズを図示して
いる。好適な実施形態の記述
図1を参照すると本発明の種々の特徴を具体化したシステムの全体がまず始め
に記述されている。光学的な処置装置11が治療を受けるべき患者の目15の角
膜に制御された放射パターンを持つ光ビーム13を差し向けるために用いられる
。所属眼科医または他の医師は、ビーム13に一致する経路に配置されている患
者の目15を観察しているもう一方の目で双眼鏡の接眼部19を覗き込んでいる
もので、シンボル17で示されている。装置11の主要な光学系はハウジング部
分21(実質的に水平部分)およびこれに交叉して配列されている部分23(実
質的に垂直部分)に設けられている。装置21への光の入力は装置の焦点近くに
配置されている光学的コネクタ27に接続されている1つのマルチモード光ファ
イバ25によって供給される。装置11は柱29を介してキャリッジ31に取り
つけられており、キャリッジは固定プラットホーム33上で前後に可動に設けら
れ、手動ハンドル35の操作に応答して移動させられる。患者の頭部を拘束する
通常のタイプのものが設けられており、それは柱37でそれはプラットホーム3
3に固着されており、そして通常の拘束手段は顎受け39であって、それに対し
て患者はその頭部の重さを託し、かつ支えるものであり、そしてさらに前額部を
規定する柱41が設けられており、それに対して患者の前額部が押しつけられる
。
かくして患者の目は静止位置に保持され、一方光学装置11は患者の目に対して
、水平方向に前後進させられる。また、患者は処置の間中、正立している状態に
維持されており、そのようにする理由は患者が横たわっていると、角膜は次第に
他の形をとるようになるからである。理想的な矯正は、患者の通常の正立位置で
成されなければならない。
この装置11で用いられる電磁放射源43はこの例においては、2つのレーザ
45,47を含んでいる。レーザ45は赤外線処置用の放射線を発生し、一方レ
ーザ47は可視光線51を発生する。ミラー53およびダイクロイックミラー5
5は両方のレーザ光学ビー
ムを結合し、適当な焦点合わせレンズ57を介して、光コネクタ59であって、
そこにオプティカルファイバ25が接続されているものに導かれる。かくして、
各々のレーザ45および47の出力は光ファイバ25にその他端のコネクタ27
に導かれる。レーザ45は波長が実質的に1.8から2.55ミクロンのホト−
サーマル−ケラトプラスティ処置に適するものを含んでいる。この固体のレーザ
の材料の例としてイットリューム−アルミニューム−ガーネットホストであって
、賦活剤はタリウム,ホルミュームおよびクロミューム(THC:YAG)を用
いるものをあげることができる。可視レーザ47は任意の都合の良い可視領域の
光線,例えば緑の543ナノメータ線のヘリウムネオンレーザが用いられる。
図1に示すシステムの第3番目の主要な部分は、コンピュータシステム61で
あって、光源43を制御線63を介し、それから光学装置11を制御線65を介
して制御する。主要な制御は、光源43についてそれが独立的にレーザ45の治
療の際に制御され、そして可視光47が点滅させられる。付加的な処置用のレー
ザ45は一般的に処置の間にパルスとして制御される。装置11に対する主要な
制御は、種々の光学要素,およびシャッタを物理的に位置決めすることである。
コンピュータシステム61はある入出力装置または装
置類に所属医師との情報のインターフェースを図るために接続されている。その
ような装置は通常制御用の電気プッシュボタンスイッチとか、CRTモニタとか
状態を示すランプである。
キャリッジ31に設けられている付加的な装置は、狭いスリットの目を照射す
るためのシステム69であって、標準的なものが利用できる。そのようなシステ
ムはプリズム71を柱の頂点に持っており、そこを介して出力ビーム13が装置
11からの出力光が差し向けられている。照射光源69が活性化されたときに、
スリット状の光を患者の目15に対して放射し、これによって所属医師が患者の
目の表面または内部を装置11の双眼鏡19を介して観測できる。スリットラン
プを装置11の部分として設けることによって、担当医師は患者の処置を単一の
機械によって行うことができ、それによって患者を他の装置の前に再配置するよ
うな必要性を無くしている。
図2を参照すると装置11中の出力光13の放射パターンが示されている。円
71は放射ビーム13が焦点合わせされる範囲を示しており、その表面は患者の
角膜と一致させられている。この例において、照射ビーム13は73から80の
表面における8つの点として示されており、同様な間隔を表面71の中心からの
半径rでそれは患者の角膜の中心に一致して設けられ
ている。紫外線光,および可視光線による処置は装置11を同じスポット73か
ら80に焦点合わせすることによって行われる。かくして、赤外光を治療のため
に患者の目に向ける前に所属医師は双眼鏡19を介して、患者の目15の正確な
位置であって、そこに向けて治療用の照射が行われるべきところを観察すること
ができる。
図3を参照すると、装置11の主要な光学要素とそれらの動作が説明されてい
る。発散性の放射ビーム83が光学ファイバ25の端部を介して、コネクタ27
から表れる。発散の度合いは、特殊な光ファイバの開口指数によって制御される
。単身のコアのマルチモード光ファイバがコア直径がそこを通過する放射光の波
長よりも大きいものが選ばれる。これによって、放射光ビーム中に実質的に光強
度が混ぜ合わされることを保証する。しかしながら、コアの直径は最小のスポッ
ト73から80の径によって規定され(図2)、それは装置11によって大きす
ぎないように調節される。
拡散光のビーム87の経路にマスクとシャッタ構造85(図5および図6を参照
して後に詳述される)と、ポリプリズム87(図4Aと図4Bを参照して詳述す
る)が位置させられている。この実施例において、ポリプリズム87は8つの分
離された表面をもっており、各々拡散ビーム83に由来し、後述する8つのスポ
ット
73から80のうちの1つに焦点合わせされる。
適当に設けられたモータが制御用コンピュータシステム61からの制御線65(
図1)の一部である線89の制御信号に応答してポリプリズム87を回転および
その放射ビーム83に沿う長さ方向の移動の制御がなされる。光軸回りのポリプ
リズムの回転は、スポット73から80(図2)を回転させる。シャッタ構造8
5はポリプリズム87に沿って回転させられるが、それは軸方向には移動させら
れない。ポリプリズムの光軸方向に沿う移動は半径″r″の変化をもたらす。
好ましいシャッタ構造85はポリプリズム87の分離された表面に突き当たる
光ビームの各々の断面に対して分離して設けられている。これらのシャッタの各
々は独立に開放から閉めの位置間をコンピュータシステムからの制御線65(図
1)の部分である制御線91からの信号によって制御される。シャッタ構造85
の構造について以下説明する。
発散光83がポリプリズム87を通過した後に結果として得られた8つの分離
されたビーム93は適当な光学装置であって、1つの球面レンズエレメント95
として示されているものによって平行光線化される。平行光線化されたビーム9
7は個々の8つのビームから構成されているものであるが、それはダイクロイッ
クミラー99によって反射されて集合された平行光線
101は球面レンズ103として示されているものによって収束される。レンズ
103はビームを出力ビーム13、その中に個々のスポット73から80(図2
が含まれる)の形で焦点合わせされる。
レンズ95と103の間に配置されているダイクロイックミラー99は、また
患者の目から反射された可視光線をビーム107の形として通過させる。このビ
ーム107が双眼鏡19(図1)によって所属医師が患者の目を観察するために
利用される。ミラー要素99はコンピュータ61からの制御線65(図1)の一
部である制御105からの信号により、XおよびY方向に2つのモータによって
わずかな量だけ調整される。この調節により、全体のパターンドット73から8
0のパターンが患者の目の適当な位置に合わせられる。
図3に示されている光学装置は上述した多くの特徴を提供することができる。
ダイクロイックミラー99を平行光線化された部分97と101の放射線経路に
配置することにより、その存在が所属医師が観察するために必要である光ビーム
107の可視像をひどく歪めることはない。そのような要素が発散または収斂ビ
ーム系中に配置させられることによって生ずる歪みを最小化するための手続きを
必要としない。医師は素子99を介して明確な像を得ることができ、明確な像を
見たいという選択を制限するものではない。ポリプリ
ズムを収束光13よりは拡散光83に配置して、装置11と患者の目15間によ
り充分なスペースがあり、希望する処置をするためにより望ましくしていること
に留意されたい。
ポリプリズム87の構造は図4Aおよび図4Bの拡大図中に示されている。図
4Aはポリプリズムの87の平面図であって、図3のシャッタ組立85を形成す
る方から見た図である。図4Bは図3に示されるものの拡大された側面図である
。
この特殊なポリプリズムは、8個の隣接した平坦な面111から118をもち、
各々は発散光83(図3)を分離された8個のビームであって、それぞれのスポ
ット73から80(図2)に対応するものに分離する。勿論のことではあるが、
8以外の異なる個数のそのような平面が、異なったスポットを患者の目の表面に
形成するために用いられることができる。さらにそのような表面は必ずしも平面
である必要はなく、もし特徴的なスポットの形状の制御が好ましい場合には必ず
しも平面にする必要はない。またポリプリズム87の構造は対称に設けられてお
り、そしてその結果としてスポット73から80は円状に均分に配置されている
が、これらのスペースを非対称にする必要がある場合、例えば円ではない、また
は対称ではないパターンの放射を患者の目にもたらしたいような場合においては
、非
対称的に設けることもできる。
図1のシステムの大部分の応用において、特にホトサーマルケラトプラスティ
処置において、各々の図2に示されているスポット73から80は、患者の目に
、実質的にその面に沿って垂直に光が入射することが好ましい。これは正の凸の
ポリプリズム87を設けることによって達成できる。もしこのポリプリズムが装
置11の出口である収束ビーム13の位置に設けられているならば、同じ個々の
ビーム垂直入射がポリプリズムが負または凹のレンズであった場合に達成できる
。しかしながらこれは大変な欠点となる。なぜならば多面のプリズムを内側に向
けて精密に製造することは極めて困難な加工であるからである。正の凸ポリプリ
ズム87をつくる方がより一層容易である。ポリプリズムを図3の発散光路83
中に置く場合には、それは正の凸レンズであっても依然として、望ましい患者の
目の直行入射をすることができるということで利点がある。
図5は好ましいシャッタ組立85(図3)の組立の平面図であり、一般的にそ
の動作を説明するためのものであるが、さらに詳細な機械的な構成は、部分的に
破断された図6に示されている。固い不透明なマスク121が中心的な要素であ
る。このマスクは8つの楔状の開口122から129をもっている。これらの開
口は図3に示す拡散ビーム断面の均一な強度断面に配置される。各々の開口12
2から129はポリプリズムの面111から118のいずれか1つに対応させら
れている。事実、楔状の開口122から129はポリプリズムの表面(図4A)
に対応するような形状に選ばれている。
各々の開口122から129を通過する発散ビーム83の量は個々に付勢され
るシャッタ131から138によって制御される。これらのシャッタの各々はそ
の最も内側の端部が楔状で、それが開口122から129のいずれか1つに関連
するように設けられている。これらのシャッタの各々は、その楔状の形状の先端
が完全に関連するシャッタから除かれた位置、すなわちシャッタ135が完全に
開口126から除かれた位置、1つの極端な例としてシャッタが完全にその関連
する開口を遮断して、そこを通過する光を阻止する例は、シャッタ133が開口
124を遮断しているような状態である。他のシャッタは図5に示されているよ
うにそれらの対応する開口の一部を阻止している。
かくして、ビーム83(図3)、各々のスポット73から80(図2)に収束さ
れるものの強度は別々に制御可能である。通常はスポット73から80の強度を
均一化するために用いられるのであるが、もし希望すれば他の関係、例えばそれ
らの強度が図5および6に
示した形状によって他の関係に選ばれることもできる。
まず図6を参照して、シャッタ機構85の構造のさらに詳細な説明がなされる
であろう。図5に拡大された形状で示されているマスクプレート121は、ベー
スハウジング部材141とカバー部材143で、各々対応する円形状をしている
管にはさみ込まれている。カバー部材143は円開口145をもっており、それ
がマスク121の中心部分を露出させている。同様にして、底のハウジング部材
141は円の開口147であり、リング148がその反対側からマスク121を
露出するものを含んでいる。かくして光ビームは中心のハウジング開口145と
147の楔状の開口122から129を通過できる。
シャッタ131から138の各々は同じような機構によって動作させられるの
であるが、そのような4つのシャッタの断面図としていろいろな程度のものが示
されている。各々のシャッタはブロックに支持されており、シャッタ133はブ
ロック149そしてシャッタ134はブロック151に支持されている。ブロッ
ク153はシャッタを取り除いた状態で示されており、それはハウジング部材1
41の中で放射方向に設けられたスロット155の中を進退運動ができる。ブロ
ック153の一方端の孔の中に設けられているばね157がリング148に対し
てピン159を付勢する。この
構造はブロック153を押す傾向にあり、そしてそこに設けられているシャッタ
ブレードを開口147の外方向に付勢する。調節ねじ161は、調節可能な停止
部材ストッパであって、それがブロック153、すなわちシャッタが開口された
位置を定義している。ねじ161はベース部材141にねじこまれており、そし
てそれは手によってベース部材141の周方向から調整される。かくして、各々
のシャッタ131から138はマスク121の各々の開口122から129でそ
れが解放位置にあるときに各々のストップねじ、例えばねじ161によって規定
される。
シャッタ131から138の各々を、これらのねじによって規定された解放位
置から完全に閉じた状態にそれぞれ移動させるためのさらに他の機構が設けられ
ている。図6に示されているシャッタ133は閉じられた位置にあり、そしてブ
ロック149はピン163により放射方向内側方向に内部のばねの力に抗して押
されている。対応するピン165であって、それは隣接するシャッタキャリング
ブロック151を動作するのであるが、それはそのブロック151から前記ブロ
ックがその内部のばねに抗してその関連するスクリュウストップのところまで戻
るように引き込まれた状態を示している。このピンは2つの安定位置をとるよう
に駆動され、ピン163はそのうちの一方であり、その
関連するシャッタはブロック149がリング148に付勢されることによって閉
じられており、そしてピン165は2つの安定位置の他方にある。
ここにおいて、その関連するシャッタは完全に開き、関連するストップねじまで
戻っている。ピン167としてよく示されているように、隣接するシャッタメカ
ニズムと関連し、このピンは回転要素169によって偏心的に支持されており、
そしてカバープレート143の対応する開口内で移動する。
図6に示されるカバープレート143の下に存在する隣接する4つのシャッタ
ブロック機構に対応して示されているシャフト173−176に示されているも
のと同様に、回転部材169はその回転の中心にカバープレート143を貫通し
て上方に伸びる軸171をもっている。回転部材169にはお互いに180゜離
れた2つの安定状態にある。個々の解放およびシャッタの閉鎖に手動による調整
が要求される装置においては、板ばね177が2つの安定状態を形成するために
用いられる。ばね177はカバープレート143に設けられており、そして回転
部材169でばね177の反対側に平行に設けられている。図6に2つの隣接す
るシャッタ機構として示されているように、2つの安定位置はそれぞれピン16
3とピン165の位置により示される。モータ化されたバージョンの機械では、
ばね177は不要になり、その理由はモータが一般的に2つの安定ストップ位置
を回転体169の2つの回転位置で提供するからである。
シャッタが個々に開いたり閉じたりするように、この各々の回転部材が個々に
制御される。各々の動作は電気的なモータとすることが望ましく、モータ181
から184が図6において4つのシャッタ機構のために設けられている。4つの
付加的なモータ源は個々的にドライブされ、そして他の4つのシャッタ機構は種
々の破断された状態で、および分解された状態で示されている。コンピュータコ
ントロールシステムからの制御線65(図1)の一部である線91からの信号に
よりモータ駆動源は駆動される。
かくして総数12個のモータがシステムコンピュータ61により図2に示す7
3から80のスポットのいずれを患者の目に、そしてまたどのスポットが現れる
かを制御する。
任意の光学システムにおいて屈折光学材料が、異なる波長領域の光学放射に対
して異なる影響を与えるのを補正するために設けられる。焦点合わせシステムに
おいて、例えば全ての可視光の波長領域が同様に焦点合わせされるのを確保する
ために付加的な光学的要素が用いられることは一般的である。この装置の場合に
おいてはそのような補正は可視領域を越えて行われ、
その理由は、処置用のレーザ45(図1)はそのような領域の外側で可視光に近
い部分の電磁波を用いるからである。図3に示す光学系において、この処置用の
放射と可視レーザ光47が同じようにして補正されなければならない。特に、可
視光および治療用の放射は一致する点73から81(図2)を患者の目の上に形
成する必要があり、それによって所属医師はどこに処置用の光が向けられている
かを精密に知ることができるのである。可視放射がこの映像を提供する。
各々の屈折光学要素87,95および103はそのような色補正が行われるの
であるが、それは好ましくは簡単なレンズシステム95を図7に示す補正レンズ
組立95′に置き換えることによってなされる。焦点合わせレンズ103は通常
の可視光波長領域の色収差領域を備えているが、それは2つの光源45と47間
の巨大な波長差を補正することができない。
この補正は図7に示すレンズ組立によって完全に行われる。この例において、高
い拡散(n=1.8)レンズ191は2つの凹面を備えている。1つの凸レンズ
要素193と195は同様に、低い分散(n=1.4)をもつように選ばれてい
る。これらのレンズ193と195は好ましくはフッ化マグネシウム(MgF2
)材料によりつくられる。
種々の特徴が本発明の好ましい具体例について述べ
られたのであるが、これは発明の理解を容易にするためのものであって、保護は
添付の請求の範囲の全範囲においてなされるべきであると理解されたい。Description: Method and apparatus for exposing the human eye with a controlled radiation pattern. Background of the Invention The present invention relates generally to various methods for treating focused electromagnetic radiation to the human eye, and more particularly, one or more tuned and focused corneas on the cornea. Associated with an improved device for electromagnetic irradiation. Although there are many specialized therapeutic procedures that require highly controlled electromagnetic radiation to be directed to one eye, the corneal transplant procedure now has the ability to correct myopia, hyperopia, and / or astigmatism. Has received a lot of attention from. As one surgical procedure, a beam of radiation is used to cut a limited portion of the cornea by cutting tissue in its path. This particular application makes a radial corneal incision without the use of a knife to make a radial cut in the cornea. Another way to avoid cutting the cornea is light beam electromagnetic irradiation, which sends a spectrum of the infrared beam into the eye, causing the collagen fibers to contract within the cornea, resulting in a permanent corrective action during the corneal curvature. Make a big change. This latter technique is often referred to as photo-thermal-keratoplasty, which is U.S. Pat. No. 4,976,709, issued Dec. 11, 1990 by Dr. Bruce Jay. sand. It has been the subject of what was published in. Collagen contraction technology promises to safely and permanently alter the optical characteristics of the human cornea, which physically ablates a portion of the cornea. It is far superior to the ones. For ophthalmologists and their doctors, a certain amount of correct patterns that can be controlled by doctors with high accuracy in order to effectively perform photo-thermal-keratoplasty procedures on a large number of patients with high accuracy and effect. It is highly desirable to provide a device that can direct a quantity of infrared radiation to the patient's eye. The basis for such a device is published in a European patent, number 402,250, and is shown in the Parel et al. Patent published December 12, 1990. The device shown therein is an array of controllable arcs, radial lines, or spots capable of providing infrared radiation across the cornea of the patient's eye. The Parer et al. System configuration has been described as effective for some surgical or non-surgical procedures. The main object of the invention is to improve the device disclosed by Parel et al. Yet another object of the invention is to provide such an apparatus which is computer controllable. Another object of the present invention is to provide a controllable radiation pattern to irradiate the cornea, which pattern is effectively manufactured, utilized, accurate and effective. Yet another object of the present invention is to provide an improved method and system for projecting a controlled pattern of infrared radiation spots onto the cornea of the eye to perform a photo-thermal-keratoplasty procedure. Is. Summary of the Invention Thus, briefly and generally, many individual improvements were made in the context of systems such as parrels, each of which contributes to reach the objectives mentioned above. , And each individually and in a mutually related way, contribute to the achievement of the aforementioned objectives. One feature of the invention involves the repositioning of the optical system shown in the prior art as it relates to the generation of an infrared pattern that illuminates the patient's cornea to be treated. A beam of divergent infrared radiation from a small, substantially point source is projected onto an optical element that transforms the beam into a desired pattern. The pattern can be controlled by rotating or longitudinally moving the optical element along the optical axis of the diverging beam. A mask is arranged to contribute to controlling the intensity distribution of the beam along its pattern before or immediately after the diverging beam's optical elements. The beam to be controlled is collimated and then focused for placement on the surface of the patient's eye. A dichroic mirror is placed in the collimated portion of the beam, allowing the physician to view the surface of the patient's eye along the same path as the light beam being treated. This arrangement has many advantages. This is mechanically simpler and the optics can be removed to provide the attending physician with more working space around the patient. The image the doctor sees through the dichroic mirror is not degraded as is often the case with such devices because the mirror is positioned where the beams were collimated, causing the beam to diverge or converge. This is because it is not placed around the door. This arrangement also allows the use of optical elements that form a positive convex radiation pattern, and allows the radiation beam to strike the surface of the eye at substantially right angles. Allowing a substantially orthogonal beam incidence on the cornea of the eye gives good results in any procedure, especially for photo-thermal-keratoplasty procedures. Negative concave optical elements may be placed in various places in the system, and this allows the radiation beam to be incident at approximately right angles to the desired eye, but that is possible. However, it is extremely difficult to manufacture with the required accuracy. According to the invention, in a device specially designed for photo-thermal-keratoplasty treatment, an irradiation beam diverging a positive polyhedral prism element (polyprism) is provided in a number of separated beams, Beam is split into those corresponding to each face of the prism. Each of the beams is directionally focused onto the cornea of the patient's eye as a spot-sized spot. Since infrared treatment rays are not visible, it is desirable for the physician to illuminate the light from a visible light source coaxially with the treatment light to adjust the position of the pattern on the patient's cornea. According to yet another feature of the invention, different light sources for infrared and visible illumination are coupled and transmitted by a multimode optical fiber to illuminate the remaining optics of the device. The combined infrared and visible light beam then emerges from the optical fiber as diverging light as described above. This configuration has at least four distinct advantages. First of all, the light from the separately provided infrared and visible light sources are precisely coaxially aligned with each other, which is difficult without this method. This alignment is maintained even if there is a discrepancy due to mechanical vibration or the like to the individual optical elements in the system. Second, the multimode optical fiber has a very uniform intensity distribution throughout as a result of each light beam being agitated and diffused as it passes through it. A third advantage resulting from the use of optical fibers is to offer the possibility of how the diameter of the core can be controlled to be small for the individual spots focused on the individual eyes. A fourth advantage is that the optical fiber electrically isolates the part of the optical system that is used in close proximity to the patient and the physician who directly uses it from the part of the light source that normally uses high voltage. Although not necessary for the procedures described herein, individual lasers are typically used that generate infrared and visible light. In accordance with yet another aspect of the invention, a controllable structure that is poly-prism optics that divides what has passed through the mask into individual spots separated by the patient's eye. Masks are provided in collaboration with the ones. An individually adjustable shutter mechanism is provided for each portion of the diffused light that strikes the separated surface of the polyprism. Each of these shutters has an independently controllable rest open position, so that the relative intensity of each light distribution that has passed through the polyprism open, and when the shutter is open, each spot directed to the patient's eye. Controllable. Generally speaking, individual light beams are used to balance out inhomogeneities such as dust and other optical elements, but intentionally each beam and these beams and their It is also used to intentionally change the intensity of the focused spot. Each shutter is responsive to each manual or electrical bias in a position forced to fully close or open. According to yet another aspect of the invention, a slit lamp biomicroscope is positioned between the device and the patient's eye for viewing by the attending physician as if only the biomicroscope was used inside the patient's eye. You can This combination allows the attending physician to see the formation of a clear image in the patient's eye via the dichroic mirror of the present invention. This saves the attending physician from having to first view the patient with a different slit lamp biomicroscope and then place the treatment system in front of the patient. According to yet another feature of the present invention, by providing sufficient chromatic aberration correction to the parallel lens system system, it has sufficient correction capability so that it is further collimated by another lens system to produce light. There is no need to provide a system that is aimed at the patient. Because therapeutic infrared radiation and visible radiation are well separated in wavelength, wavelength-dependent optical systems treat them differently. Thus, a higher than normal level of correction is required in this system, but the higher level of correction is provided by only one optical element, the other is in the normal visible spectrum and by the normal lens system. The color correction provided. Further additional objects, advantages and features etc. of the present invention will be made clear by the description made subsequently with reference to the preferred embodiments, which description will be made with reference to the accompanying drawings. Brief description of the drawings 1 is a diagram showing an overall system of a processing device embodying various features of the present invention; FIG. 2 is a diagram illustrating a radiation pattern generated by the system of FIG. 1; FIG. 3 is an optical diagram of the device of FIG. 4A and 4B are plan and side views of a polyprism used as one element of the optical system of FIG. 3; FIG. 5 is an adjustable system used in the optical system of FIG. FIG. 6 is a plan view showing the main elements of the shutter mask; FIG. 6 is a more detailed illustration of the mask shown in FIG. 5 showing the preferred operating conditions; and FIG. 7 is the preferred embodiment used in the system of FIG. The achromatic lens is shown. Description of the preferred embodiment Referring to FIG. 1, an overall system embodying the various features of the present invention will first be described. An optical treatment device 11 is used to direct a light beam 13 with a controlled radiation pattern onto the cornea of the eye 15 of the patient to be treated. The attending ophthalmologist or other doctor is looking into the eyepiece 19 of the binoculars with the other eye observing the eye 15 of the patient, which is placed in the path corresponding to the beam 13, and the symbol 17 Indicated by. The main optics of the device 11 are provided in a housing part 21 (substantially horizontal part) and a part 23 (substantially vertical part) arranged so as to intersect with it. The light input to the device 21 is provided by a single multimode optical fiber 25 connected to an optical connector 27 located near the focal point of the device. The device 11 is attached to a carriage 31 via a post 29, which is movably mounted back and forth on a fixed platform 33 and is moved in response to an operation of a manual handle 35. A conventional type for restraining the patient's head is provided, which is a post 37 fixed to the platform 33, and the usual restraining means is a chin rest 39, to which the patient A column 41 is provided which bears and supports the weight of the head and which further defines the forehead against which the patient's forehead is pressed. The patient's eye is thus held in a rest position, while the optical device 11 is moved back and forth horizontally with respect to the patient's eye. Also, the patient remains in an upright position throughout the procedure, because the cornea gradually takes on another shape as the patient lies down. The ideal correction should be made in the patient's normal upright position. The electromagnetic radiation source 43 used in this device 11 comprises two lasers 45, 47 in this example. Laser 45 produces radiation for infrared treatment, while laser 47 produces visible light 51. The mirror 53 and the dichroic mirror 55 combine both laser optical beams and are directed via a suitable focusing lens 57 to an optical connector 59 to which the optical fiber 25 is connected. Thus, the output of each laser 45 and 47 is directed to the optical fiber 25 at the connector 27 at the other end. Laser 45 includes one suitable for photo-thermal-keratoplasty treatment having a wavelength of substantially 1.8 to 2.55 microns. As an example of the material of this solid-state laser, there is an yttrium-aluminum-garnet host which uses thallium, formum and chromem (THC: YAG) as the activator. The visible laser 47 is any convenient visible light beam, such as a green 543 nanometer line helium neon laser. The third major part of the system shown in FIG. 1 is a computer system 61, which controls the light source 43 via a control line 63 and then the optical device 11 via a control line 65. The main control is that for the light source 43 it is controlled independently during the treatment of the laser 45 and the visible light 47 is flashed. The additional treatment laser 45 is typically controlled as a pulse during the treatment. The primary control for the device 11 is to physically position the various optical elements and shutters. The computer system 61 is connected to an input / output device or devices to interface information with a doctor. Such devices are usually electric push button switches for control, CRT monitors or status lights. An additional device provided on the carriage 31 is a system 69 for illuminating the eyes of the narrow slit, standard ones being available. Such a system has a prism 71 at the apex of the pillar, through which the output beam 13 is directed to the output light from the device 11. When the illumination light source 69 is activated, it emits a slit of light to the patient's eye 15, which allows the attending physician to observe the surface or the interior of the patient's eye through the binoculars 19 of the device 11. By providing the slit lamp as part of the device 11, the attending physician can treat the patient with a single machine, thereby eliminating the need to reposition the patient in front of other devices. . Referring to FIG. 2, the emission pattern of the output light 13 in the device 11 is shown. The circle 71 shows the range in which the radiation beam 13 is focused, the surface of which is aligned with the patient's cornea. In this example, the irradiation beam 13 is shown as eight points on the surface 73 to 80, with a similar spacing provided at a radius r from the center of the surface 71, which coincides with the center of the patient's cornea. . Treatment with ultraviolet light and visible light is performed by focusing the device 11 on the same spots 73-80. Thus, prior to directing the infrared light to the patient's eye for treatment, the attending physician should, via the binoculars 19, be at the precise location of the patient's eye 15 toward which therapeutic radiation should be delivered. You can observe it. Referring to FIG. 3, the major optical elements of device 11 and their operation are described. A divergent beam of radiation 83 emerges from the connector 27 via the end of the optical fiber 25. The degree of divergence is controlled by the aperture index of a special optical fiber. A single core multimode optical fiber is chosen whose core diameter is larger than the wavelength of the emitted light passing through it. This ensures that the light intensity is substantially mixed into the emitted light beam. However, the diameter of the core is defined by the diameter of the smallest spots 73 to 80 (FIG. 2), which is adjusted by the device 11 not to be too large. A mask and shutter structure 85 (described in detail below with reference to FIGS. 5 and 6) and a polyprism 87 (described in detail with reference to FIGS. 4A and 4B) are located in the path of the diffused light beam 87. Has been made. In this embodiment, the poly prism 87 has eight separate surfaces, each originating from the diverging beam 83, and focused on one of the eight spots 73 to 80 described below. A suitably provided motor rotates poly prism 87 in response to a control signal on line 89 which is part of control line 65 (FIG. 1) from control computer system 61 and its longitudinal direction along radiation beam 83. Is controlled. Rotation of the Polyprism about the optical axis rotates spots 73-80 (FIG. 2). The shutter structure 85 is rotated along the poly prism 87, but it is not moved axially. Movement of the polyprism along the optical axis causes a change in radius "r". The preferred shutter structure 85 is provided separately for each cross section of the light beam impinging on the separated surface of the poly prism 87. Each of these shutters is independently controlled between its open and closed positions by a signal from control line 91 which is part of control line 65 (FIG. 1) from the computer system. The structure of the shutter structure 85 will be described below. After the diverging light 83 has passed through the poly prism 87, the resulting eight separated beams 93 are collimated by suitable optics, shown as one spherical lens element 95. . The collimated beam 97 is made up of eight individual beams, which are reflected by the dichroic mirror 99 and collected and collimated 101 are converged by what is shown as a spherical lens 103. To be done. The lens 103 focuses the beam in the form of an output beam 13, into which individual spots 73 to 80 (including FIG. 2). A dichroic mirror 99 located between lenses 95 and 103 also passes visible light reflected from the patient's eye in the form of beam 107. This beam 107 is used by the attending physician to observe the patient's eyes with binoculars 19 (FIG. 1). Mirror element 99 is adjusted by a small amount by the two motors in the X and Y directions by a signal from control 105 which is part of control line 65 (FIG. 1) from computer 61. This adjustment causes the overall pattern dot 73 to 80 pattern to be aligned with the proper position on the patient's eye. The optical device shown in FIG. 3 can provide many of the features described above. By placing the dichroic mirror 99 in the radiation path of the collimated portions 97 and 101, its presence does not severely distort the visible image of the light beam 107 that is necessary for the attending physician to observe. No procedure is required to minimize the distortion caused by such elements being placed in a diverging or converging beam system. The physician can obtain a clear image via the element 99 and does not limit the choice to see a clear image. It should be noted that the polyprisms are placed in the diffused light 83 rather than in the convergent light 13 so that there is more space between the device 11 and the patient's eye 15 which is more desirable for the desired treatment. The structure of poly prism 87 is shown in the enlarged views of FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A is a plan view of poly-prism 87 as viewed from the side forming shutter assembly 85 of FIG. FIG. 4B is an enlarged side view of what is shown in FIG. This special poly prism has eight adjacent flat surfaces 111 to 118, each of which is eight beams separated divergent light 83 (Fig. 3), each spot 73 to 80 (Fig. Separate into those corresponding to 2). Of course, different numbers of such planes other than 8 can be used to form different spots on the surface of the patient's eye. Moreover, such a surface need not be planar, and need not be, if control of the shape of the characteristic spot is desired. The structure of the polyprism 87 is also symmetrical, and as a result the spots 73 to 80 are evenly arranged in a circle, but if these spaces need to be asymmetric, for example a circle It can also be provided asymmetrically in cases where it is desired to bring a non-symmetrical or non-symmetrical pattern of radiation to the patient's eye. In most applications of the system of FIG. 1, particularly in the photothermal keratoplasty procedure, the spots 73 to 80 shown in each FIG. 2 are perpendicular to the patient's eye, substantially along its plane. It is preferable that light is incident. This can be achieved by providing a positive convex poly prism 87. If this polyprism is provided at the exit of the device 11 at the position of the converging beam 13, the same individual beam normal incidence can be achieved if the polyprism is a negative or concave lens. However, this is a serious drawback. This is because it is extremely difficult to precisely manufacture a multifaceted prism inward. It is much easier to make the positive convex poly prism 87. Placing the polyprism in the diverging optical path 83 of FIG. 3 has the advantage that it is a positive convex lens but still allows for the desired normal patient eye incidence. 5 is a plan view of the assembly of the preferred shutter assembly 85 (FIG. 3), generally to illustrate its operation, but a more detailed mechanical construction is shown in a partially broken view. 6 is shown. The hard opaque mask 121 is the central element. This mask has eight wedge-shaped openings 122 to 129. These openings are arranged in a uniform intensity section of the diverging beam section shown in FIG. Each opening 122-129 is associated with one of the faces 111-118 of the polyprism. In fact, the wedge-shaped openings 122 to 129 are chosen to correspond to the surface of the polyprism (FIG. 4A). The amount of divergent beam 83 passing through each aperture 122-129 is controlled by individually energized shutters 131-138. Each of these shutters is wedge-shaped at its innermost end and is provided so that it is associated with any one of the openings 122-129. Each of these shutters is in a position where its wedge-shaped tip is completely removed from its associated shutter, i.e., where shutter 135 is completely removed from aperture 126, and in one extreme case the shutter is completely removed. An example of blocking the associated aperture and blocking light passing therethrough is when the shutter 133 blocks the aperture 124. Other shutters block some of their corresponding apertures as shown in FIG. Thus, the intensity of beam 83 (FIG. 3), which is focused into each spot 73 to 80 (FIG. 2), can be controlled separately. It is normally used to equalize the intensity of spots 73 to 80, but if desired, other relationships may be chosen, such as those intensities depending on the shapes shown in FIGS. 5 and 6. it can. First, a more detailed description of the structure of the shutter mechanism 85 will be given with reference to FIG. The mask plate 121, which is shown in an enlarged form in FIG. 5, is a base housing member 141 and a cover member 143 which are sandwiched by corresponding circular tubes. The cover member 143 has a circular opening 145, which exposes the central portion of the mask 121. Similarly, the bottom housing member 141 is a circular opening 147 including a ring 148 exposing the mask 121 from its opposite side. Thus, the light beam can pass through the wedge-shaped openings 122 to 129 of the central housing openings 145 and 147. Each of the shutters 131 to 138 is operated by a similar mechanism, but cross sectional views of four such shutters are shown to varying degrees. Each shutter is supported by a block, the shutter 133 is supported by a block 149, and the shutter 134 is supported by a block 151. Block 153 is shown with the shutter removed, which allows it to move back and forth in a slot 155 provided radially in housing member 141. A spring 157 provided in a hole at one end of block 153 biases pin 159 against ring 148. This structure tends to push the block 153 and biases the shutter blades provided therein outwardly of the opening 147. Adjusting screw 161 is an adjustable stop member stopper that defines the position in which block 153, the shutter, is open. The screw 161 is screwed into the base member 141, and it is manually adjusted from the circumferential direction of the base member 141. Thus, each shutter 131-138 is defined by a respective stop screw, eg screw 161, at each opening 122-129 of the mask 121 when it is in the open position. Yet another mechanism is provided for moving each of the shutters 131-138 from the release position defined by these screws to their respective fully closed positions. The shutter 133 shown in FIG. 6 is in the closed position and the block 149 is pushed radially inward by the pin 163 against the force of the internal spring. A corresponding pin 165, which operates an adjacent shutter carrying block 151, which is retracted from that block 151 back to its associated screw stop against said internal spring. Is shown in a broken state. This pin is driven into two stable positions, pin 163 is one of which, its associated shutter is closed by biasing block 149 against ring 148, and pin 165 is two. In one of two stable positions. Here, the associated shutter is fully open and back to the associated stop screw. Associated with an adjacent shutter mechanism, which is best shown as pin 167, this pin is eccentrically supported by rotating element 169 and moves within a corresponding opening in cover plate 143. Similar to what is shown on shafts 173-176 shown corresponding to the four adjacent shutter block mechanisms below cover plate 143 shown in FIG. 6, rotating member 169 is its center of rotation. Has a shaft 171 extending upward through the cover plate 143. The rotating member 169 is in two stable states, 180 ° apart from each other. Leaf springs 177 are used to create the two stable states in devices where manual adjustment is required for individual release and shutter closure. The spring 177 is provided on the cover plate 143, and is provided on the opposite side of the spring 177 in parallel with the rotating member 169. The two stable positions are indicated by the positions of pins 163 and 165, respectively, as shown in FIG. 6 as two adjacent shutter mechanisms. In the motorized version of the machine, the spring 177 is no longer necessary because the motor typically provides two stable stop positions at the two rotational positions of the rotor 169. Each of these rotating members is individually controlled so that the shutters open and close individually. Each operation is preferably an electric motor, and motors 181-184 are provided for the four shutter mechanisms in FIG. The four additional motor sources are individually driven, and the other four shutter mechanisms are shown in various broken and disassembled states. The motor drive source is driven by a signal from line 91 which is part of control line 65 (FIG. 1) from the computer control system. Thus, a total of twelve motors control by system computer 61 which of the 73-80 spots shown in FIG. Refractive optical materials are provided in any optical system to compensate for their different effects on optical radiation in different wavelength regions. It is common in focusing systems to use additional optical elements, for example to ensure that all visible wavelength regions are similarly focused. In the case of this device, such a correction is made beyond the visible region, because the treatment laser 45 (FIG. 1) uses electromagnetic waves in the region outside such region, which is close to visible light. Is. In the optical system shown in FIG. 3, this procedural radiation and the visible laser light 47 must be corrected in the same way. In particular, the visible light and the therapeutic radiation must form coincident points 73 to 81 (FIG. 2) on the patient's eye so that the attending physician can precisely determine where the therapeutic light is directed. You can know. Visible radiation provides this image. Each refractive optical element 87, 95 and 103 is provided with such color correction, preferably by replacing the simple lens system 95 with a correction lens assembly 95 'shown in FIG. The focusing lens 103 has a normal chromatic aberration region in the visible light wavelength region, but it cannot correct a huge wavelength difference between the two light sources 45 and 47. This correction is completely performed by the lens assembly shown in FIG. In this example, the high diffuse (n = 1.8) lens 191 comprises two concave surfaces. The one convex lens element 193 and 195 is likewise chosen to have a low dispersion (n = 1.4). These lenses 193 and 195 are preferably magnesium fluoride (MgF). 2 ) Made of material. Although various features have been described with respect to preferred embodiments of the invention, they are for the purpose of facilitating understanding of the invention and protection should be provided within the full scope of the appended claims. Please understand.