改變內部應力分布以重新整形材料的系統和方法

2023-05-19 03:25:06 2

專利名稱：改變內部應力分布以重新整形材料的系統和方法
技術領域：
本發明大體涉及用於執行眼科雷射手術的系統和方法。特別是本發明涉及雷射 系統用於在角膜內部的選定面上弱化角膜組織。本發明具體地、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和方法，其中，該選定邊界面已經利用應 力分布中的異常偏差識別出來。
背景技術：
從機械的觀點來看，眼睛的角膜包括了 Bowman膜，該Bowman膜具有異常良好 的抗張強度。在解剖學上，Bowman膜是較薄的一層組織，該層組織恰位於角膜的前表 面上的上皮下方。更為具體地，Bowman膜在整個角膜擴展，並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。而是大部分角膜組織在基質內，所述 基質是位於Bowman膜緊接下方(後方)的組織。與Bowman膜相比，雖然基質具有顯 著更多的組織，但是具有顯著更小的結構強度。在眼睛中，角膜之後(後方)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，房水對角膜的後表面施加了眼內壓(IOP)。由Bowman膜和基質 一同提供了抵抗IOP的反作用力。在眼球的生理髮育過程當中，能夠由於各種原因中的任何原因，發生如下情 況角膜的前表面有時會形成有表面不規則性，如三維形貌上的凹陷或凸起。而且，這 些不規則性在生物機械力的作用下持續存在，所述生物機械力大部分在基質內產生。更 為詳細的，作為對IOP的反應的、在基質內自然得到的所述生物機械力，會形成應力分 布模式，該應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 則性。然而在出現不規則性時，後果是產生光學畸變(aberration)。眾所周知，可以通 過將角膜的前表面恢復到正常的、大致球形的形狀，而矯正(消除或減小)這些畸變。根據上述內容，本發明的一個目的是提供一種系統和方法，其中基質內現存的 生物機械力被弱化以幹擾(disrupt)它們的應力分布模式，並因此使得IOP得以重塑眼睛 的前表面。本發明的另外一個目的是提供一種系統和方法，其中參照眼睛的前表面的三 維形貌的偏差來確定和瞄準基質內應力分布模式的位置以供幹擾。本發明的還有一個目 的是提供一種系統和方法，其中較之參考基準面的三維形貌偏差識別所述偏差下方的組 織體(tissue volume)，並且在該下方體的邊界面上執行雷射誘導光學擊穿(LIOB)以幹擾 應力分布模式。本發明的又另外目的是提供一種易於使用的系統和方法，以改變透明材 料(例如角膜)的構形，所述系統和方法實施簡便，且成本效率較高。

發明內容
根據本發明，改變透明材料(例如眼睛的角膜)的構形的系統和方法需要幹擾 材料內部的應力分布模式。作為對這些幹擾的響應，材料反作用於外界施加力(例如 IOP)，以實現材料的重構。優選地，所需對於應力分布模式的幹擾源自材料(例如角膜內的基質組織)的雷射誘導光學擊穿(LIOB)。對於眼科手術而言，已知眼睛的角膜內的應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，可以使用診斷設備測量角膜三維形貌，該診 斷設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面進行對比，以識別 在三維形貌與參考基準面之間的偏差。繼而，利用該偏差來定位所述應力分布模式。 通常，偏差表現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)異常應力分布的指示。如本發明所設想，所述參考基準面代表了期望的角膜構形，該期望的角膜構形 產生期望的視力矯正。在大部分情況下，所述參考基準面大致為球面。對於眼科手術這 一特定情況而言，與參考基準面的偏差將識別在角膜的前表面上的、需要進行角膜的淺 表改變的區域。而且，對於本發明而言重要的是，可以使用偏差來識別在材料(例如基 質組織)的下方體。進一步，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。對於本發明而言，使用雷射器單元切割在該下方體的邊界(分界)面上的材 料(基質組織)。利用用於識別下方體的偏差的程度和範圍，來確定該切割的程度和範 圍。對於切割的形狀而言，根據期望的特定重構，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的特殊要求以其他方式定製。例如，在標題為「Finite ElementModeling of the Cornea"(角膜有限元建模)、轉讓給與本發明相同的受讓人的、 美國專利申請號12/016,857的發明中所披露的預測模型，可以用於本目的。如上所述， 無論如何，切割意在幹擾下方體中的材料與鄰近材料之間的邊界(分界)面上的應力分 布。更具體地，能夠僅在部分組織體邊界上進行所述切割，並且可以在一個以上的體的 邊界上進行所述切割。結果是，外部力(例如眼內壓「I0P」 )響應於已被切割的材料 的弱化，會隨後改變透明材料的構形。在本發明的可選擇實施例中，可以使用相關領域中已知的多種設備中的任意一 種設備來識別內部應力分布。然而，在各種情況下，重要的是識別將材料內的各個體彼 此分開的邊界(分界)面。然後可以根據上面所指出的，在邊界面上或者邊界面的部分 上執行LIOB。


根據附圖，並結合

，可以最好地理解本發明的新穎特徵以及本發明本 身，包括本發明的結構和操作兩者，在附圖中相似的參考字符表示相似的部件，並且其 中圖1為根據本發明的系統的示意性圖示，其中示出了該系統關於眼睛的前部的 意圖操作關係；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力線；並且
圖4C為圖4A所示角膜在按照本發明的矯正手術後的截面圖。
具體實施例方式首先參見圖1，示出了整體標註為10的根據本發明的系統。如所標明及示出 的，系統10包括雷射器單元12，該雷射器單元電子連接到計算機14，且電子連接到三維 形貌測量儀16。為了本發明的目的，雷射器單元12優選是能夠產生以飛秒脈衝為特徵的 雷射束18的類型。重要的是，雷射束18需要能夠通過已知為雷射誘導光學擊穿(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可以是相關領域 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構以包括角膜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的後表 面28施加眼內壓(IOP)，眼內壓由箭頭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 朝著後表面28的向後方向，這些不同的層是上皮32、Bowman膜34、基質36、Descemet 膜38和內皮40。在這些層中，最強的組織為Bowman膜34和基質36。Bowman膜34 最強。但是基質36最易對IOP 26做出響應。在眼睛的生長發育過程中，常出現角膜20發生某種畸形的情況。這會導致患者 遭受由於角膜20引入的光學畸變導致的視力缺陷。例如，圖3展示了患有畸變(不規則 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，應理解，此畸變 (不規則性)42在角膜20的三維形貌上將其自身表現為前表面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。畸變(不規則性)42 的後果是，前表面30上圍繞凹陷(不規則性)42的圓形突出46(即截面圖中的突起46a 和46b)。根據公知技術，可通過三維形貌測量儀16容易地識別畸變(不規則性)42。現在參見圖4B，應理解，為了從尺寸上評估角膜20的前表面30的三維形貌， 在本發明中需要定義參考基準面48。具體來說，參考基準面48代表了在矯正了畸變(不 規則性)42之後的、前表面30的期望構形。在圖4B中標明及示出，為了矯正視力，參 考基準面48優選為大致球形的表面。然而由於畸變(不規則性)42，圖4B也指示了在 畸變(不規則性)42得到矯正之前，在前表面30的實際構形與參考基準面48之間會有偏 差50。如對本發明所設想的，在(例如通過使用三維形貌測量儀16)定位了畸變(不 規則性)42之後，識別處於畸變(不規則性)42下方的基質組織的體(volume) 52。在圖 4B中，示出了組織的這種下方體52被虛線包圍。進一步，仍然參見圖4B，應理解，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實際上是圓柱面56的一部 分。交叉參照圖3，應理解，圓柱面56 (以及因此邊界表面54)以視軸線44為中心，並 且可通過畸變(不規則性)42的外周大致確定。如圖4B所描述的情況，角膜20的基質36中的組織會自然地生成等應力線58， 該等應力線58是應力分布模式的特徵。正如本領域技術人員所公知的，這些應力分布模 式由基質36中所產生的生物機械力所導致。在這一情況中，這些生物機械力由IOP 26所 直接導致，是由基質36和Bowman膜34響應於IOP 26所提供的反作用力。重要的是，當角膜20形成有表現為偏差50的畸變(不規則性)42時，基質36中的等應力線58與正 常情況下的等應力線有明顯區別。通過三維形貌測量儀16或者通過用於確定基質36中 的應力分布模式的任何其他公知裝置對於這些差異的檢測，然後可以用於定位適當的邊 界面54。操作在本發明的系統10的操作中，使用設備(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。基於這種測量，觀察並定位前表面30中的不規則性(例如 畸變(不規則性)42)。然後利用計算機14將所述畸變(不規則性)42與參考基準面48 進行比較，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36中組織 的下方體52。最重要的是，根據所述偏差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。之後可以使用所述雷射器單元12，在 所述邊界面54上，或者在邊界面54的部分上，對基質組織施以所述LIOB。進一步的， 也可以瞄準組織的其他體。在任何情況下，該LIOB有效地幹擾所述邊界面54上的應力 分布模式，並導致所述邊界面54上的所述基質36中的組織的顯著弱化。換句話說，這 種組織的弱化發生於下方體52中的組織與不在該下方體52中的基質36內的組織之間。 作為響應，施加於所述角膜20的後表面28的IOP 26，導致所述角膜20的重構。具體地 說，如由本發明設想到的以及圖4C所示，這一重構導致了所述角膜20的前表面30的、 與所述參考基準面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。此處所示並公開的用於改變內部應力分布以重塑材料的特定的系統和方法完全 能夠達到目的，並提供此處前述的優點，應理解，它僅是對本發明的當前優選實施例的 說明，無意對除了權利要求中描述之外的、此處所示的構形或設計的細節進行限制。
權利要求
1.一種在透明材料經受外部力時改變所述透明材料的構形的方法，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面做比較，以識別所述三維形貌與所述參考基準面之間 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，以幹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力分布；並且允許所述外部力響應於所述的切割步驟來改變所述透明材料的構形。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述透明材料是眼睛的角膜。
3.根據權利要求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.根據權利要求2所述的方法，其中所述外部力是由眼睛中的眼內壓所導致的。
5.根據權利要求2所述的方法，其中所述參考基準面是大致球面。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述切割步驟使用飛秒雷射器來導致材料的雷射 誘導光學擊穿(LIOB)效應而實現。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述LIOB是在大致圓柱面上實現的。
8.根據權利要求6所述的方法，其中所述LIOB是在大致平面上實現的。
9.根據權利要求6所述的方法，其中所述材料中LIOB的程度基於所述偏差的特徵。
10.一種在透明材料經受外部力時改變所述透明材料的構形的方法，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力分布；把每個應力分布與參考基準面做比較，以識別兩者之間的偏差；基於所述的比較步驟，選定一面；切割在所選定的面上的材料，以幹擾應力分布；並且允許所述外部力響應於所述切割步驟來改變所述透明材料的構形。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述透明材料是眼睛的角膜。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述切割步驟是使用飛秒雷射器來導致材料的 雷射誘導光學擊穿(LIOB)而實現的，並且所述材料中LIOB的程度基於所述偏差的尺寸 特徵。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述LIOB是在大致圓柱面上實現的。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述LIOB是在大致平面上實現的。
15.根據權利要求10所述的方法，其中所述參考基準面是為了構造具有預定形狀的材 料所計算的基本應力分布。
16.一種在透明材料經受外部力時改變所述透明材料的構形的設備，所述設備包括 用於識別在材料中的各多個不同的面上的多個應力分布的診斷裝置；用於選擇面並將所選擇的面上的應力分布與參考基準面進行比較以識別兩者之間的 偏差的計算機裝置；以及雷射器裝置，用於切割在所選擇的面上的材料以幹擾應力分布，和通過允許所述材 料對所述外部力做出反應以改變所述透明材料的構形。
17.根據權利要求16所述的設備，其中所述診斷裝置為三維形貌測量儀，用於測量材 料的表面的三維形貌。
18.根據權利要求17所述的設備，其中所述參考基準面是為了構造具有預定形狀的材 料所計算的基本應力分布。
19.根據權利要求17所述的設備，其中所述雷射器裝置是飛秒雷射器，用於導致材料 的雷射誘導光學擊穿(LIOB)。
20.根據權利要求19所述的設備，其中所述材料中LIOB的程度基於所述偏差的特徵。
全文摘要
一種改變透明材料(例如眼睛的角膜(20))的構形的系統(10)和方法需要識別材料內部的局部應力分布模式。然後利用這些模式來定義材料內的體之間的邊界(分界)面。在操作過程中，雷射器單元沿著選定的邊界面(54)執行雷射誘導光學擊穿(LIOB)，以幹擾材料的被邊界面彼此分開的各個體之間的應力分布模式。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 優先權日2008年4月16日
發明者弗裡德·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