專利名稱：改變內(nèi)部應(yīng)力分布以重新整形材料的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及用于執(zhí)行眼科激光手術(shù)的系統(tǒng)和方法。特別是本發(fā)明涉及激光 系統(tǒng)用于在角膜內(nèi)部的選定面上弱化角膜組織。本發(fā)明具體地、但非排他性地用作弱化 組織體之間的選定邊界面上的角膜組織的系統(tǒng)和方法，其中，該選定邊界面已經(jīng)利用應(yīng) 力分布中的異常偏差識別出來。
背景技術(shù)：
從機(jī)械的觀點(diǎn)來看，眼睛的角膜包括了 Bowman膜，該Bowman膜具有異常良好 的抗張強(qiáng)度。在解剖學(xué)上，Bowman膜是較薄的一層組織，該層組織恰位于角膜的前表 面上的上皮下方。更為具體地，Bowman膜在整個角膜擴(kuò)展，并且其外圍邊緣與鞏膜相 連接。然而，大部分角膜組織不在Bowman膜內(nèi)。而是大部分角膜組織在基質(zhì)內(nèi)，所述 基質(zhì)是位于Bowman膜緊接下方(后方)的組織。與Bowman膜相比，雖然基質(zhì)具有顯 著更多的組織，但是具有顯著更小的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在眼睛中，角膜之后(后方)為房水。房水為填充晶狀體和角膜之間的空間的 清澈流體。重要的是，房水對角膜的后表面施加了眼內(nèi)壓(IOP)。由Bowman膜和基質(zhì) 一同提供了抵抗IOP的反作用力。在眼球的生理發(fā)育過程當(dāng)中，能夠由于各種原因中的任何原因，發(fā)生如下情 況角膜的前表面有時會形成有表面不規(guī)則性，如三維形貌上的凹陷或凸起。而且，這 些不規(guī)則性在生物機(jī)械力的作用下持續(xù)存在，所述生物機(jī)械力大部分在基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生。更 為詳細(xì)的，作為對IOP的反應(yīng)的、在基質(zhì)內(nèi)自然得到的所述生物機(jī)械力，會形成應(yīng)力分 布模式，該應(yīng)力分布模式維持眼睛的前表面的三維形貌(topography)，存在或不存在不規(guī) 則性。然而在出現(xiàn)不規(guī)則性時，后果是產(chǎn)生光學(xué)畸變(aberration)。眾所周知，可以通 過將角膜的前表面恢復(fù)到正常的、大致球形的形狀，而矯正(消除或減小)這些畸變。根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明的一個目的是提供一種系統(tǒng)和方法，其中基質(zhì)內(nèi)現(xiàn)存的 生物機(jī)械力被弱化以干擾(disrupt)它們的應(yīng)力分布模式，并因此使得IOP得以重塑眼睛 的前表面。本發(fā)明的另外一個目的是提供一種系統(tǒng)和方法，其中參照眼睛的前表面的三 維形貌的偏差來確定和瞄準(zhǔn)基質(zhì)內(nèi)應(yīng)力分布模式的位置以供干擾。本發(fā)明的還有一個目 的是提供一種系統(tǒng)和方法，其中較之參考基準(zhǔn)面的三維形貌偏差識別所述偏差下方的組 織體(tissue volume)，并且在該下方體的邊界面上執(zhí)行激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(LIOB)以干擾 應(yīng)力分布模式。本發(fā)明的又另外目的是提供一種易于使用的系統(tǒng)和方法，以改變透明材 料(例如角膜)的構(gòu)形，所述系統(tǒng)和方法實(shí)施簡便，且成本效率較高。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，改變透明材料(例如眼睛的角膜)的構(gòu)形的系統(tǒng)和方法需要干擾 材料內(nèi)部的應(yīng)力分布模式。作為對這些干擾的響應(yīng)，材料反作用于外界施加力(例如 IOP)，以實(shí)現(xiàn)材料的重構(gòu)。優(yōu)選地，所需對于應(yīng)力分布模式的干擾源自材料(例如角膜內(nèi)的基質(zhì)組織)的激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(LIOB)。對于眼科手術(shù)而言，已知眼睛的角膜內(nèi)的應(yīng)力分布模式可以通過測量角膜的前 表面的三維形貌來定位。為了這一目的，可以使用診斷設(shè)備測量角膜三維形貌，該診 斷設(shè)備例如是三維形貌測量儀。可以將測得的三維形貌與參考基準(zhǔn)面進(jìn)行對比，以識別 在三維形貌與參考基準(zhǔn)面之間的偏差。繼而，利用該偏差來定位所述應(yīng)力分布模式。 通常，偏差表現(xiàn)為角膜的前表面上形成的凹陷或凸起。在任何情況下，偏差將是下方 (underlying)異常應(yīng)力分布的指示。如本發(fā)明所設(shè)想，所述參考基準(zhǔn)面代表了期望的角膜構(gòu)形，該期望的角膜構(gòu)形 產(chǎn)生期望的視力矯正。在大部分情況下，所述參考基準(zhǔn)面大致為球面。對于眼科手術(shù)這 一特定情況而言，與參考基準(zhǔn)面的偏差將識別在角膜的前表面上的、需要進(jìn)行角膜的淺 表改變的區(qū)域。而且，對于本發(fā)明而言重要的是，可以使用偏差來識別在材料(例如基 質(zhì)組織)的下方體。進(jìn)一步，材料的這種下方體將定義邊界(分界)面，該邊界(分界) 面將所述下方體與材料的相鄰體分開。對于本發(fā)明而言，使用激光器單元切割在該下方體的邊界(分界)面上的材 料(基質(zhì)組織)。利用用于識別下方體的偏差的程度和范圍，來確定該切割的程度和范 圍。對于切割的形狀而言，根據(jù)期望的特定重構(gòu)，該切割可能是平面切割或圓柱面切 割。所述切割也可能針對手術(shù)的特殊要求以其他方式定制。例如，在標(biāo)題為“Finite ElementModeling of the Cornea"(角膜有限元建模)、轉(zhuǎn)讓給與本發(fā)明相同的受讓人的、 美國專利申請?zhí)?2/016,857的發(fā)明中所披露的預(yù)測模型，可以用于本目的。如上所述， 無論如何，切割意在干擾下方體中的材料與鄰近材料之間的邊界(分界)面上的應(yīng)力分 布。更具體地，能夠僅在部分組織體邊界上進(jìn)行所述切割，并且可以在一個以上的體的 邊界上進(jìn)行所述切割。結(jié)果是，外部力(例如眼內(nèi)壓“I0P” )響應(yīng)于已被切割的材料 的弱化，會隨后改變透明材料的構(gòu)形。在本發(fā)明的可選擇實(shí)施例中，可以使用相關(guān)領(lǐng)域中已知的多種設(shè)備中的任意一 種設(shè)備來識別內(nèi)部應(yīng)力分布。然而，在各種情況下，重要的是識別將材料內(nèi)的各個體彼 此分開的邊界(分界)面。然后可以根據(jù)上面所指出的，在邊界面上或者邊界面的部分 上執(zhí)行LIOB。


根據(jù)附圖，并結(jié)合

，可以最好地理解本發(fā)明的新穎特征以及本發(fā)明本 身，包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和操作兩者，在附圖中相似的參考字符表示相似的部件，并且其 中圖1為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的示意性圖示，其中示出了該系統(tǒng)關(guān)于眼睛的前部的 意圖操作關(guān)系；圖2為眼睛的角膜的截面圖；圖3為眼睛的角膜的俯視圖，示出了大體上以眼睛的視軸線為中央的對稱畸 變；圖4A為沿圖3中4-4線見到的角膜的截面圖；圖4B為圖4A所示的角膜的視圖，圖上疊置了例示性等應(yīng)力線；并且
圖4C為圖4A所示角膜在按照本發(fā)明的矯正手術(shù)后的截面圖。
具體實(shí)施例方式首先參見圖1，示出了整體標(biāo)注為10的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。如所標(biāo)明及示出 的，系統(tǒng)10包括激光器單元12，該激光器單元電子連接到計算機(jī)14，且電子連接到三維 形貌測量儀16。為了本發(fā)明的目的，激光器單元12優(yōu)選是能夠產(chǎn)生以飛秒脈沖為特征的 激光束18的類型。重要的是，激光束18需要能夠通過已知為激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(LIOB) 的處理過程改變透明材料，如眼睛的角膜20。而且，三維形貌測量儀16可以是相關(guān)領(lǐng)域 中任何一種公知的、能夠檢測角膜20的畸變的角膜三維形貌儀。仍參見圖1，示出眼睛的前部的解剖結(jié)構(gòu)以包括角膜20以及晶狀體22。房水24 為填充晶狀體22和角膜20之間空間的澄清流體。重要的是，房水24對角膜20的后表 面28施加眼內(nèi)壓(IOP)，眼內(nèi)壓由箭頭26代表。如在圖2中最佳見到的角膜20包括許多不同的層。沿著從角膜20的前表面30 朝著后表面28的向后方向，這些不同的層是上皮32、Bowman膜34、基質(zhì)36、Descemet 膜38和內(nèi)皮40。在這些層中，最強(qiáng)的組織為Bowman膜34和基質(zhì)36。Bowman膜34 最強(qiáng)。但是基質(zhì)36最易對IOP 26做出響應(yīng)。在眼睛的生長發(fā)育過程中，常出現(xiàn)角膜20發(fā)生某種畸形的情況。這會導(dǎo)致患者 遭受由于角膜20引入的光學(xué)畸變導(dǎo)致的視力缺陷。例如，圖3展示了患有畸變(不規(guī)則 性)42的角膜20，所述畸變在視軸線44上對稱地定向。交叉參見圖4A，應(yīng)理解，此畸變 (不規(guī)則性)42在角膜20的三維形貌上將其自身表現(xiàn)為前表面30的大致平坦部分。該大 致平坦部分與前表面30的三維形貌的較為正常的球形形成了對比?；?不規(guī)則性)42 的后果是，前表面30上圍繞凹陷(不規(guī)則性)42的圓形突出46(即截面圖中的突起46a 和46b)。根據(jù)公知技術(shù)，可通過三維形貌測量儀16容易地識別畸變(不規(guī)則性)42。現(xiàn)在參見圖4B，應(yīng)理解，為了從尺寸上評估角膜20的前表面30的三維形貌， 在本發(fā)明中需要定義參考基準(zhǔn)面48。具體來說，參考基準(zhǔn)面48代表了在矯正了畸變(不 規(guī)則性)42之后的、前表面30的期望構(gòu)形。在圖4B中標(biāo)明及示出，為了矯正視力，參 考基準(zhǔn)面48優(yōu)選為大致球形的表面。然而由于畸變(不規(guī)則性)42，圖4B也指示了在 畸變(不規(guī)則性)42得到矯正之前，在前表面30的實(shí)際構(gòu)形與參考基準(zhǔn)面48之間會有偏 差50。如對本發(fā)明所設(shè)想的，在(例如通過使用三維形貌測量儀16)定位了畸變(不 規(guī)則性)42之后，識別處于畸變(不規(guī)則性)42下方的基質(zhì)組織的體(volume) 52。在圖 4B中，示出了組織的這種下方體52被虛線包圍。進(jìn)一步，仍然參見圖4B，應(yīng)理解，該 下方體52能夠被識別為具有外周邊界面54，該外周邊界面54實(shí)際上是圓柱面56的一部 分。交叉參照圖3，應(yīng)理解，圓柱面56 (以及因此邊界表面54)以視軸線44為中心，并 且可通過畸變(不規(guī)則性)42的外周大致確定。如圖4B所描述的情況，角膜20的基質(zhì)36中的組織會自然地生成等應(yīng)力線58， 該等應(yīng)力線58是應(yīng)力分布模式的特征。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，這些應(yīng)力分布模 式由基質(zhì)36中所產(chǎn)生的生物機(jī)械力所導(dǎo)致。在這一情況中，這些生物機(jī)械力由IOP 26所 直接導(dǎo)致，是由基質(zhì)36和Bowman膜34響應(yīng)于IOP 26所提供的反作用力。重要的是，當(dāng)角膜20形成有表現(xiàn)為偏差50的畸變(不規(guī)則性)42時，基質(zhì)36中的等應(yīng)力線58與正 常情況下的等應(yīng)力線有明顯區(qū)別。通過三維形貌測量儀16或者通過用于確定基質(zhì)36中 的應(yīng)力分布模式的任何其他公知裝置對于這些差異的檢測，然后可以用于定位適當(dāng)?shù)倪?界面54。操作在本發(fā)明的系統(tǒng)10的操作中，使用設(shè)備(例如三維形貌測量儀16)來測量角膜 20的前表面30的三維形貌?；谶@種測量，觀察并定位前表面30中的不規(guī)則性(例如 畸變(不規(guī)則性)42)。然后利用計算機(jī)14將所述畸變(不規(guī)則性)42與參考基準(zhǔn)面48 進(jìn)行比較，識別從該比較所得到的偏差50。繼而利用所述偏差50來識別基質(zhì)36中組織 的下方體52。最重要的是，根據(jù)所述偏差50的尺寸和位置(注意，附圖中所示的偏差50 僅為示例性的)，也可以識別邊界(分界)面54。之后可以使用所述激光器單元12，在 所述邊界面54上，或者在邊界面54的部分上，對基質(zhì)組織施以所述LIOB。進(jìn)一步的， 也可以瞄準(zhǔn)組織的其他體。在任何情況下，該LIOB有效地干擾所述邊界面54上的應(yīng)力 分布模式，并導(dǎo)致所述邊界面54上的所述基質(zhì)36中的組織的顯著弱化。換句話說，這 種組織的弱化發(fā)生于下方體52中的組織與不在該下方體52中的基質(zhì)36內(nèi)的組織之間。 作為響應(yīng)，施加于所述角膜20的后表面28的IOP 26，導(dǎo)致所述角膜20的重構(gòu)。具體地 說，如由本發(fā)明設(shè)想到的以及圖4C所示，這一重構(gòu)導(dǎo)致了所述角膜20的前表面30的、 與所述參考基準(zhǔn)面48—致(即，大致為球形形狀)的形狀。如所企圖的，這提供所要求 的視力矯正。此處所示并公開的用于改變內(nèi)部應(yīng)力分布以重塑材料的特定的系統(tǒng)和方法完全 能夠達(dá)到目的，并提供此處前述的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)理解，它僅是對本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的 說明，無意對除了權(quán)利要求中描述之外的、此處所示的構(gòu)形或設(shè)計的細(xì)節(jié)進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種在透明材料經(jīng)受外部力時改變所述透明材料的構(gòu)形的方法，所述方法包括下 列步驟測量材料的表面的三維形貌；把所述三維形貌與參考基準(zhǔn)面做比較，以識別所述三維形貌與所述參考基準(zhǔn)面之間 的偏差；識別在所述偏差下方的材料的體，其中這種下方體定義邊界面； 切割在所述下方體的邊界面的選定部分的材料，以干擾在所述下方體中的材料和與 其鄰近的材料之間的選定的邊界面上的應(yīng)力分布；并且允許所述外部力響應(yīng)于所述的切割步驟來改變所述透明材料的構(gòu)形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述透明材料是眼睛的角膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述材料的所述表面是所述角膜的前表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述外部力是由眼睛中的眼內(nèi)壓所導(dǎo)致的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述參考基準(zhǔn)面是大致球面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述切割步驟使用飛秒激光器來導(dǎo)致材料的激光 誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(LIOB)效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述LIOB是在大致圓柱面上實(shí)現(xiàn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述LIOB是在大致平面上實(shí)現(xiàn)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述材料中LIOB的程度基于所述偏差的特征。
10.一種在透明材料經(jīng)受外部力時改變所述透明材料的構(gòu)形的方法，所述方法包括下 列步驟識別在材料中各多個不同面上的多個應(yīng)力分布；把每個應(yīng)力分布與參考基準(zhǔn)面做比較，以識別兩者之間的偏差；基于所述的比較步驟，選定一面；切割在所選定的面上的材料，以干擾應(yīng)力分布；并且允許所述外部力響應(yīng)于所述切割步驟來改變所述透明材料的構(gòu)形。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述透明材料是眼睛的角膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述切割步驟是使用飛秒激光器來導(dǎo)致材料的 激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(LIOB)而實(shí)現(xiàn)的，并且所述材料中LIOB的程度基于所述偏差的尺寸 特征。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述LIOB是在大致圓柱面上實(shí)現(xiàn)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述LIOB是在大致平面上實(shí)現(xiàn)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述參考基準(zhǔn)面是為了構(gòu)造具有預(yù)定形狀的材 料所計算的基本應(yīng)力分布。
16.一種在透明材料經(jīng)受外部力時改變所述透明材料的構(gòu)形的設(shè)備，所述設(shè)備包括 用于識別在材料中的各多個不同的面上的多個應(yīng)力分布的診斷裝置；用于選擇面并將所選擇的面上的應(yīng)力分布與參考基準(zhǔn)面進(jìn)行比較以識別兩者之間的 偏差的計算機(jī)裝置；以及激光器裝置，用于切割在所選擇的面上的材料以干擾應(yīng)力分布，和通過允許所述材 料對所述外部力做出反應(yīng)以改變所述透明材料的構(gòu)形。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述診斷裝置為三維形貌測量儀，用于測量材 料的表面的三維形貌。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述參考基準(zhǔn)面是為了構(gòu)造具有預(yù)定形狀的材 料所計算的基本應(yīng)力分布。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述激光器裝置是飛秒激光器，用于導(dǎo)致材料 的激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(LIOB)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述材料中LIOB的程度基于所述偏差的特征。
全文摘要
一種改變透明材料(例如眼睛的角膜(20))的構(gòu)形的系統(tǒng)(10)和方法需要識別材料內(nèi)部的局部應(yīng)力分布模式。然后利用這些模式來定義材料內(nèi)的體之間的邊界(分界)面。在操作過程中，激光器單元沿著選定的邊界面(54)執(zhí)行激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(LIOB)，以干擾材料的被邊界面彼此分開的各個體之間的應(yīng)力分布模式。該LIOB允許外界施加的力(26)由此改變所述材料(20)的構(gòu)形。
文檔編號A61F9/01GK102014818SQ200980115883
公開日2011年4月13日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者弗里德·羅埃塞爾, 約瑟夫·F·比勒 申請人:泰克諾拉斯完美視覺有限公司