專利名稱：角膜激光外科手術(shù)期間的高階光學(xué)校正的制作方法
角膜激光外科手術(shù)期間的高階光學(xué)校正相關(guān)申請的交叉引用
本發(fā)明要求提交于2008年4月22日的美國臨時申請S/N. 61/125，209 (代理人案 號018158-031000US)的基于35U. S. C. § 119(e)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該臨時申請的全部內(nèi)容通 過引用納入本文。北目冃樂
本發(fā)明一般涉及校正光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)誤差。本發(fā)明尤其涉及在激光外科手術(shù)過程 中計劃并執(zhí)行用于校正眼睛的光學(xué)誤差的角膜改造順序的改良方法和系統(tǒng)，其中與高階光 學(xué)象差的校正相關(guān)聯(lián)的改造是在該過程的后期執(zhí)行的。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)尤其適用于計 劃原位角膜磨鑲術(shù)(LASIK)、光性屈光性角膜切除術(shù)(PRK)、角膜的基質(zhì)內(nèi)整形等期間的眼 睛治療。
許多已知的激光眼睛外科手術(shù)過程采用紫外線或紅外激光來從眼睛的角膜去除 基質(zhì)組織的微觀層。激光通常去除選定形狀的角膜組織，常用來校正眼睛的屈光誤差。紫外 線激光切除使角膜組織發(fā)生光解，但一般不對眼睛的相鄰和底層組織造成明顯熱損傷。被 輻照的分子以光化學(xué)的方式破碎成更小的易揮發(fā)的碎片，從而直接使分子間的鍵斷裂。
出于各種目的，激光外科手術(shù)過程可被用于改造角膜，諸如為了校正近視、遠視、 散光等。對激光能量分布的控制可通過各種系統(tǒng)和方法來提供，包括使用切除遮罩、固定和 可移動的孔徑、受控的掃描系統(tǒng)、眼睛移動跟蹤機構(gòu)等。在已知系統(tǒng)中，激光束常常包括一 系列離散的激光能量脈沖，其中受影響的組織的總體形狀和量由照射在角膜上的激光能量 脈沖的形狀、大小、位置和數(shù)量決定?？墒褂酶鞣N算法來計算用于改造角膜以校正眼睛屈光 誤差的激光脈沖的圖案。已知系統(tǒng)利用各種形式的激光和/或激光能量來實施校正，包括 紅外激光、紫外線激光、飛秒激光、波長倍增固態(tài)激光等等。替換性視力校正技術(shù)利用角膜 中的徑向切口、眼內(nèi)晶體、可移除的角膜支撐結(jié)構(gòu)等等。
已知的角膜校正治療方法在校正諸如近視、遠視、散光等標準視差上一般已是成 功了的。然而，盡管全部成功，仍希望有進一步的改善。為此，現(xiàn)在有波陣面測量系統(tǒng)可用 于準確地測量特定病人眼睛的屈光特性。一種示例性波陣面技術(shù)系統(tǒng)是VISXWaveScan 系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Hartmarm-Shack波陣面小透鏡(Ienslet)陣列，它能量化病人眼睛的整 個光學(xué)系統(tǒng)的象差，包括一階和二階球-圓柱誤差、慧差、以及與慧差、散光和球面象差有 關(guān)的三階和四階象差。
眼睛的波陣面測量可被用于創(chuàng)建象差圖或波陣面立面圖(elevation map)，其準 許評價穿過眼睛的光學(xué)路徑的象差，例如角膜象差和非角膜象差兩者。創(chuàng)建波陣面立面圖 涉及確定具有與波陣面?zhèn)鞲衅麝嚵袦y得的梯度相匹配的梯度的表面。波陣面立面圖隨后可 被用于計算外科手術(shù)激光系統(tǒng)所要施加的定制的缺陷校正處方，從而治療(例如，校正、緩 解)眼睛的復(fù)雜象差。用于從測得波陣面數(shù)據(jù)創(chuàng)建波陣面立面圖的已知方法一般涉及使用 展開級數(shù)技術(shù)的數(shù)學(xué)建模。更具體地，已采用了 Zernike多項式對波陣面立面圖表面進行 建模。Zernike多項式的系數(shù)是通過已知的擬合技術(shù)來推導(dǎo)出的?；蛘?，波陣面立面圖可通過美國專利號7，168，807和7，175，278描述的直接積分技術(shù)來從測得的波陣面數(shù)據(jù)創(chuàng)建， 這兩件專利的全部公開通過引用納入本文。
由于高階象差的復(fù)雜性，可能難以通過使用諸如玻璃或隱形眼鏡等常規(guī)手段或通 過傳統(tǒng)屈光外科手術(shù)方法來校正。然而，在至少一些實例中，有可能使用針對眼睛中存在的 象差的特定組合所特制的自定義激光眼睛外科手術(shù)來治療高階象差。
實際上，高階象差的校正可能導(dǎo)致不完全的校正。相應(yīng)地，希望提供在治療高階象 差上具有增強的效率的光學(xué)治療手段。簡要概述
在許多實施例中，提供了按順序來安排角膜改造以增強一個或更多個高階光學(xué)象 差的校正的方法和系統(tǒng)。在許多實施例中，在激光眼外科手術(shù)過程的末尾或接近末尾執(zhí)行 與至少一個高階光學(xué)象差的治療相關(guān)聯(lián)的改造。通過在過程的末尾或接近末尾執(zhí)行與一個 或更多個高階象差相關(guān)聯(lián)的改造，可增強施加一個或更多個高階光學(xué)校正的能力。
在一方面，提供了一種按順序來安排眼角膜切除以向眼睛施加缺陷校正處方的方 法。該方法包括提供缺陷校正處方，確定用以對角膜施加處方的切除輪廓，以及確定用以 對角膜施加切除輪廓的激光能量切除的順序。該切除輪廓包括第一片段輪廓和第二片段輪 廓。第二片段輪廓對應(yīng)于至少一個高階光學(xué)校正。所確定的順序包括在應(yīng)用對應(yīng)于第二片 段輪廓的切除之前應(yīng)用對應(yīng)于第一片段輪廓的切除。
在許多實施例中，以上所討論的按順序來安排眼角膜切除以向眼睛施加缺陷校正 處方的方法包括一個或更多個附加步驟和/或變形。例如，該方法還可包括顯示第一片段 輪廓、顯示第二片段輪廓、和/或顯示預(yù)計最終角膜輪廓。確定激光能量切除的順序可包括 將對應(yīng)于第二片段輪廓的切除放在順序的末尾。第二片段輪廓可使用Zernike多項式來 表征。該方法還可包括提供眼睛的光學(xué)象差的波陣面立面圖并響應(yīng)于該波陣面立面圖確 定缺陷校正處方。確定缺陷校正處方可包括確定對應(yīng)于該波陣面立面圖的第一多個波陣面 Zernike系數(shù)并選擇對應(yīng)于該缺陷校正處方的第二多個波陣面krnike系數(shù)。
在另一方面，提供了一種用于對具有角膜的眼睛施加缺陷校正處方的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)包括配置成測量眼睛的光學(xué)象差的波陣面系統(tǒng)，與該波陣面系統(tǒng)耦合的處理器，以及與 該處理器耦合的眼修正組合件。該處理器包括含指令的有形介質(zhì)，該指令在執(zhí)行時致使處 理器處理測得的象差以生成眼睛的缺陷校正處方，確定對應(yīng)于缺陷校正處方的切除輪廓， 將切除輪廓分段成至少第一片段輪廓和第二片段輪廓，以及確定用以對角膜施加切除輪廓 的激光能量切除的順序。第二片段輪廓對應(yīng)于用于對角膜施加至少一個高階光學(xué)校正的切 除。所確定的順序包括在應(yīng)用對應(yīng)于第二片段輪廓的切除之前應(yīng)用對應(yīng)于第一片段輪廓的 切除。眼修正組合件包括用于將所確定順序的激光能量引導(dǎo)向角膜以對角膜施加切除輪廓 的切除激光器。
在許多實施例中，以上討論的用于對具有角膜的眼睛施加缺陷校正處方的系統(tǒng)包 括一個或更多個附加組件和/或附加功能性。附加組件可包括與處理器耦合的顯示器。附 加功能性可包括a)顯示第一片段輪廓和/或第二片段輪廓；b)在切除順序的末尾應(yīng)用對 應(yīng)于第二片段輪廓的切除；c)顯示預(yù)計最終角膜輪廓；和d)使用krnike多項式來表征第 二片段輪廓。
在一方面，提供了用于治療具有角膜的眼睛的光學(xué)象差的方法。該方法包括提供 定義眼睛的缺陷校正處方的第一多個波陣面^rnike系數(shù)，將第一多個系數(shù)分段成至少第 一子集和第二子集，確定對應(yīng)于第一子集的第一切除輪廓，確定對應(yīng)于第二子集的第二切 除輪廓，確定角膜的激光能量切除的順序，以及通過將所確定順序的激光能量引導(dǎo)向角膜 以施加缺陷校正處方來整形角膜。第二子集包括高階系數(shù)。所確定的順序包括在應(yīng)用對應(yīng) 于第二切除輪廓的切除之前應(yīng)用對應(yīng)于第一切除輪廓的切除。
在許多實施例中，以上討論的用于治療具有角膜的眼睛的光學(xué)象差的方法包括一 個或更多個附加步驟和/或變形。例如，該方法還可包括生成眼睛的光學(xué)象差的波陣面立 面圖；生成用于模擬該波陣面立面圖的第二多個波陣面仏！!^!^系數(shù)；以及響應(yīng)于第二多 個系數(shù)確定第一多個系數(shù)。該方法還可包括顯示第一切除輪廓或第二切除輪廓中的至少之 一。對應(yīng)于第二切除輪廓的切除可在該順序的末尾應(yīng)用。該方法還可包括顯示預(yù)計最終角 膜輪廓。
在另一方面，提供了一種用于對具有角膜的眼睛施加缺陷校正處方的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)包括配置成測量眼睛的光學(xué)象差的象差計系統(tǒng)，與該象差計系統(tǒng)耦合的處理器，以及與 該處理器耦合的眼修正組合件。該處理器包括含指令的有形介質(zhì)，該指令在執(zhí)行時致使處 理器處理測得的象差以生成眼睛的缺陷校正處方，確定對應(yīng)于缺陷校正處方的輪廓，將該 輪廓分段成至少第一片段輪廓和第二片段輪廓，以及確定用以對角膜施加輪廓的激光能量 的順序。第二片段輪廓對應(yīng)于用于對角膜施加至少一個高階光學(xué)校正的激光切除。所確定 的順序包括在應(yīng)用對應(yīng)于第二片段輪廓的切除之前應(yīng)用對應(yīng)于第一片段輪廓的切除。眼修 正組合件包括用于將所確定順序的激光能量引導(dǎo)向角膜以對角膜施加該輪廓的激光器。
為更完全理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點，應(yīng)當參考以下結(jié)合附圖進行的詳細描述。本 發(fā)明的其它方面、目的以及優(yōu)點根據(jù)以下附圖以及詳細描述將會顯而易見。附圖簡述


圖1是根據(jù)許多實施例的激光眼睛外科手術(shù)系統(tǒng)的立體圖。
圖2圖釋根據(jù)許多實施例的計算機系統(tǒng)。
圖3A圖釋根據(jù)許多實施例的波陣面測量系統(tǒng)。
圖;3B圖釋根據(jù)許多實施例的另一波陣面測量系統(tǒng)。
圖4解說krnike多項式形狀和功能關(guān)系。
圖5是圖釋根據(jù)許多實施例的用于確定角膜改造的順序的方法的流程圖。
圖6圖釋初始角膜輪廓和具有復(fù)雜形狀的局部區(qū)域的最終角膜輪廓。
圖7是圖釋根據(jù)許多實施例的用于確定角膜改造的順序的另一方法的流程圖。發(fā)明詳細描述
在許多實施例中，提供了用于以選定的順序來改造角膜的系統(tǒng)、軟件、和方法，在 激光眼睛外科手術(shù)過程的末尾或接近末尾實施與高階象差相關(guān)聯(lián)的改造，這可以增加校正 一個或更多個高階光學(xué)象差的效率。通過在過程的末尾或接近末尾執(zhí)行與一個或更多個高 階象差相關(guān)聯(lián)的象差，可增強誘發(fā)一個或更多個高階光學(xué)校正的能力，這在至少一些實例 中可幫助將少不完全的校正。
在許多實施例中，所公開的系統(tǒng)和方法可增強諸如光性屈光性角膜切除術(shù)(PRK)、 光性治療性角膜切除術(shù)(PTK)、激光原位角膜磨鑲術(shù)(LASIK)、角膜的基質(zhì)內(nèi)整形(例如，經(jīng) 由基質(zhì)內(nèi)聚焦的激光，比如飛秒激光)等激光眼睛外科手術(shù)過程的準確性和效率。所公開 的系統(tǒng)和方法可通過提供施加一個或更多個高階光學(xué)校正的改良能力來產(chǎn)生增強的光學(xué) 準確性。在許多實施例中，所公開的系統(tǒng)和方法采用眼睛修正組裝件，其包括用于對角膜運 用改造以對病眼施加缺陷校正處方的激光器。在許多實施例中，缺陷校正處方包括至少一 次高階光學(xué)校正。在許多實施例中，缺陷校正處方可響應(yīng)于眼睛的測得光學(xué)象差來標識。在 許多實施例中，例如波陣面測量系統(tǒng)之類的象差計系統(tǒng)可被用于測量眼睛的光學(xué)象差。
在許多實施例中，所公開的系統(tǒng)和方法可容易地適配用于現(xiàn)行的激光器系統(tǒng)、象 差計系統(tǒng)(例如，波陣面測量系統(tǒng))、及其他光學(xué)測量設(shè)備。在許多實施例中，可通過改造角 膜使得所治療的眼睛規(guī)律地超過20/20視力閾值來對眼角膜施加缺陷校正處方。
盡管諸實施例主要是在激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)的上下文中描述的，但應(yīng)理解所公開 的系統(tǒng)和方法可適配用于替換性眼治療過程和系統(tǒng)中，諸如柔性焦距晶體、眼內(nèi)晶體、隱形 眼鏡、角膜環(huán)植入、膠原角膜組織熱重塑等等。
現(xiàn)在參照圖1，示出了根據(jù)許多實施例的激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)10。激光眼外科手 術(shù)系統(tǒng)10包括產(chǎn)生激光束14的激光器12。激光器12光學(xué)地耦合至激光輸送光學(xué)器件16， 后者將激光束14引至病人P的眼睛E。輸送光學(xué)器件支撐結(jié)構(gòu)(這里為了清楚起見而未示 出)延伸自支撐激光器12的框架18。顯微鏡20安設(shè)在輸送光學(xué)器件支撐結(jié)構(gòu)上。顯微鏡 可用于成像眼角膜。
激光器12和激光輸送光學(xué)器件16 —般將在計算機系統(tǒng)22的指令下將激光束14 引導(dǎo)至病人P的眼睛E。在許多實施例中，計算機系統(tǒng)22通常會選擇性地調(diào)整激光束14以 使角膜的多個部分暴露于激光能量脈沖從而實施預(yù)訂的角膜改造以改造眼睛的屈光特性。
在許多實施例中，將角膜的預(yù)定改造順序化成使得與施加一個或更多個高階校正 相關(guān)聯(lián)的改造在與施加例如低階校正之類的其他校正相關(guān)聯(lián)的改造之后完成。通過在過程 的末尾或接近末尾執(zhí)行與施加一個或更多個高階校正(例如，被施加以治療眼睛的一個或 更多個高階光學(xué)象差的一個或更多個高階校正)相關(guān)聯(lián)的改造，可增強在經(jīng)修正的角膜中 實現(xiàn)局部復(fù)雜構(gòu)造的能力。這樣的局部復(fù)雜構(gòu)造在許多實施例中可用來施加一個或更多個 高階光學(xué)校正——例如在這一個或更多個高階光學(xué)校正被施加用以治療與角膜不相關(guān)的 高階光學(xué)象差時。
在許多實施例中，激光器12和激光輸送光學(xué)系統(tǒng)16將在計算機系統(tǒng)22的控制下 實施所希望的改造工序，其中計算機系統(tǒng)影響(并且任選地修改)激光脈沖的圖案。脈沖 圖案可以治療表的形式歸納在有形介質(zhì)四的機器可讀數(shù)據(jù)中，并且該治療表可根據(jù)響應(yīng) 于提供自監(jiān)視反饋系統(tǒng)的實時反饋數(shù)據(jù)從自動化圖像分析系統(tǒng)輸入到計算機系統(tǒng)22(或 由系統(tǒng)操作員手動地輸入到處理器中)的反饋來調(diào)整。包括計算機系統(tǒng)22的激光治療系 統(tǒng)10可響應(yīng)于該反饋繼續(xù)和/或終止治療，并且還可任選地至少部分地基于反饋來修改所 計劃的治療。
在許多實施例中，激光器12包括受激準分子激光器，例如，產(chǎn)生具有近似為193nm 的波長的激光脈沖的氬-氟激光器。在許多實施例中，激光器12配置成在患者眼睛上提供 經(jīng)由激光輸送光學(xué)器件16輸送的反饋穩(wěn)定的能流。在許多實施例中，可使用激光能量的備用源，例如舉例而言適配成可控地切除角膜組織或改造角膜而不對眼睛的相鄰和/或底層 組織造成明顯損傷的紫外線或紅外輻射備用源。盡管在本文公開的許多實施例中受激準分 子激光器是激光束的解說性來源，但在許多實施例中，可使用包括本領(lǐng)域已知的那些激光 器在內(nèi)的其他激光器來切除或以其他方式改造角膜。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的，關(guān)于激光器系統(tǒng)10還可包括其他組件和子系統(tǒng)。例 如，如其公開內(nèi)容通過引用納入本文的美國專利號5，646，791中所描述的，可包括空間和/ 或時間積分器來控制激光束內(nèi)的能量分布。還可使用激光外科手術(shù)系統(tǒng)的切除流出物排出 器和/或過濾器、及其他輔助組件。
圖2是根據(jù)許多實施例的激光外科手術(shù)系統(tǒng)10可使用的示例計算機系統(tǒng)22的簡 化框圖。計算機系統(tǒng)22通常包括至少一個處理器52，該處理器可經(jīng)由總線子系統(tǒng)M與多 個外圍設(shè)備通信。在許多實施例中，這些外圍設(shè)備包括含存儲器子系統(tǒng)58和文件存儲子 系統(tǒng)60的存儲子系統(tǒng)56 ；用戶界面輸入設(shè)備62 ；用戶界面輸出設(shè)備64 ；以及網(wǎng)絡(luò)接口子系 統(tǒng)66。網(wǎng)絡(luò)接口子系統(tǒng)66提供去往外部網(wǎng)絡(luò)68和/或諸如波陣面測量系統(tǒng)30(圖3A中 示出)之類的其他設(shè)備的接口。
在許多實施例中，用戶界面輸入設(shè)備62可包括各種已知輸入設(shè)備中的任何設(shè)備 (例如，鍵盤；諸如鼠標、軌跡球、觸摸墊、或圖形板之類的定點設(shè)備；掃描儀，一個或更多個 腳踏板，操縱桿，結(jié)合到顯示器中的觸摸屏，諸如語音識別系統(tǒng)、話筒之類的音頻輸入設(shè)備， 以及其他類型的輸入設(shè)備)。在許多實施例中，用戶輸入設(shè)備62可被用來從有形存儲介質(zhì) 29下載體現(xiàn)本文公開的任何方法的計算機可執(zhí)行代碼。一般而言，術(shù)語“輸入設(shè)備”的使用 旨在包括用以向計算機系統(tǒng)22輸入信息的各種傳統(tǒng)和專屬的設(shè)備和方法。
在許多實施例中，用戶界面輸入設(shè)備64可包括顯示器子系統(tǒng)、打印機、傳真機、或 者諸如音頻輸出設(shè)備之類的非視覺顯示器。顯示器子系統(tǒng)可以是陰極射線管(CRT)、諸如液 晶顯示器(LCD)等平板設(shè)備、投影設(shè)備等。顯示器子系統(tǒng)還可諸如經(jīng)由音頻輸出設(shè)備提供 非視覺顯示。一般而言，術(shù)語“輸出設(shè)備”的使用旨在包括用以從計算機系統(tǒng)22向用戶輸 出信息的各種傳統(tǒng)和專屬的設(shè)備和方法。
在許多實施例中，存儲子系統(tǒng)56存儲提供諸實施例的功能性的基本編程和數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)。例如，在許多實施例中，實現(xiàn)如本文描述的方法的功能性的數(shù)據(jù)庫和模塊可被存儲在 存儲子系統(tǒng)56中。在許多實施例中，這些軟件模塊是由處理器52來執(zhí)行的。在分布式環(huán) 境中，軟件模塊可存儲在多個計算機系統(tǒng)上并且可由這多個計算機系統(tǒng)的處理器執(zhí)行。在 許多實施例中，存儲子系統(tǒng)56包括存儲器子系統(tǒng)58和文件存儲系統(tǒng)60。
在許多實施例中，存儲器子系統(tǒng)58包括數(shù)個存儲器，例如，用于存儲程序執(zhí)行 期間的指令和數(shù)據(jù)的主隨機存取存儲器(RAM)70和在其中存儲固定指令的只讀存儲器 (R0M)72。在許多實施例中，文件存儲子系統(tǒng)60提供對存儲程序和數(shù)據(jù)文件的永久性(非 易失性)存儲，并且可包括可任選地包含波陣面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)、波陣面梯度、波陣面立面圖、 治療圖、和/或激光治療表的有形存儲介質(zhì)四(圖1中示出)。文件存儲子系統(tǒng)60可包括 硬盤驅(qū)動、連同相關(guān)聯(lián)的可移除介質(zhì)的軟盤驅(qū)動、緊湊型數(shù)字只讀存儲器(CD-ROM)、光驅(qū)、 DVD、⑶-R、⑶-RW、固態(tài)可移動存儲器、和/或其他可移動的媒體筒或盤。這些驅(qū)動中的一個 或更多個可位于與計算機系統(tǒng)22耦合的另一計算機上的遠程位置處。在許多實施例中實 現(xiàn)這些功能性的模塊可由文件存儲子系統(tǒng)60存儲。
總線子系統(tǒng)討提供用于使計算機系統(tǒng)22的各種組件及子系統(tǒng)彼此自如通信的機 制。計算機系統(tǒng)22的各種子系統(tǒng)和組件無需處于相同的物理位置，而是可以分布在分布式 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個位置處。盡管總線子系統(tǒng)M被圖示為單根總線，但是總線子系統(tǒng)的替換實施 例可利用多根總線。
計算機系統(tǒng)22自身可以是各種類型的，包括個人計算機、便攜式計算機、工作站、 計算機終端、網(wǎng)絡(luò)計算機、波陣面測量系統(tǒng)或激光外科手術(shù)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)、主機、或任 何其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于計算機和網(wǎng)絡(luò)的永遠變化的本質(zhì)，對圖2中描繪的計算機系統(tǒng) 22的描述僅旨在作為用于解說本發(fā)明實施例的具體示例。比圖2中描繪的計算機系統(tǒng)具有 更多或更少組件的計算機系統(tǒng)22的許多其他配置也是可能的。
在許多實施例中，例如波陣面測量系統(tǒng)之類的象差計系統(tǒng)被用于測量眼睛中存在 的光學(xué)象差。波陣面測量系統(tǒng)通過測量光的波陣面經(jīng)過眼睛的各種屈光性或聚焦性組件諸 如角膜和晶狀體的路線來工作。在一種辦法中，將一窄光束引導(dǎo)至眼睛的視網(wǎng)膜上，并且從 眼睛形成其反射。在完美眼睛的情形中，形成的反射包括均勻平行的光束。然而，在非完美 眼睛的情形中，形成的反射由于遍及眼睛的各種光學(xué)象差而包括非平行光束。一些波陣面 測量系統(tǒng)使用鏡頭及相關(guān)聯(lián)傳感器的陣列來提供對測量或梯度的收集，每個梯度指示該形 成的反射的特定區(qū)域偏離理想平行路徑的大小。測得的梯度隨后可被用于確定具有與測得 的梯度相同的梯度的波陣面立面圖。波陣面立面圖是眼中光學(xué)象差的圖形表示，并且就經(jīng) 由切除角膜的前面來進行角膜改造而言，與必須被去除以校正光學(xué)象差的切除輪廓緊密相 關(guān)。
現(xiàn)在參照圖3A，以簡化形式圖釋了波陣面測量系統(tǒng)30的一個實施例。在非常一 般性的意義上，該波陣面測量系統(tǒng)30被配置成感測離開患者眼睛的光的局部斜率?；?Hartmann-Shack原理的設(shè)備一般包括用以在孔徑上均勻地采樣光的小透鏡陣列，該孔徑典 型的是眼睛的出射光瞳。此后，分析出射光的局部斜率以重構(gòu)波陣面表面或波陣面圖。
更具體地，波陣面測量系統(tǒng)30包括諸如激光器之類的圖像源32，其投射源圖像通 過眼睛E的光學(xué)組織34從而在視網(wǎng)膜R的表面上形成圖像44。來自視網(wǎng)膜R的圖像透過 眼睛的光學(xué)系統(tǒng)(例如，光學(xué)系統(tǒng)34)并由系統(tǒng)光學(xué)器件37成像到波陣面?zhèn)鞲衅?6上。 波陣面?zhèn)鞲衅?6將信號傳達給計算機系統(tǒng)22'以測量光學(xué)組織34中的光學(xué)誤差，并且在 許多實施例中是確定缺陷校正處方。計算機22'可包括與圖1和2中解說的計算機系統(tǒng) 22相同或相似的硬件。計算機系統(tǒng)22'可與指揮激光外科手術(shù)系統(tǒng)10的計算機系統(tǒng)22 通信，或者波陣面測量系統(tǒng)30的計算機系統(tǒng)22、22'的一些或所有組件可以是組合或分開 的。若有需要，來自波陣面?zhèn)鞲衅?6的數(shù)據(jù)可經(jīng)由有形介質(zhì)四、經(jīng)由I/O端口、經(jīng)由諸如內(nèi) 聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接66被傳送給激光器計算機系統(tǒng)22。
波陣面?zhèn)鞲衅?6—般包括小透鏡陣列38和圖像傳感器40。當來自視網(wǎng)膜R的圖 像透過光學(xué)組織34并成像到波陣面?zhèn)鞲衅?6上時，小透鏡陣列38將透過的圖像分開成小 束陣列42，并(結(jié)合系統(tǒng)的其他光學(xué)組件)將分開的小束42成像在傳感器40的表面上。 傳感器40典型地包括電荷耦合器件(“CCD”)，并且感測這些個體的小束的特性，此特性可 被用于確定光學(xué)組織34的相關(guān)聯(lián)區(qū)域的特性。具體地，在圖像44包括點或小光斑的情況 下，由小束所成像的透射光斑的位置可直接指示透過光學(xué)組織的相關(guān)聯(lián)區(qū)域的光的局部梯 度。
眼睛E —般定義前向ANT和后向P0S。如圖3A中所指示的，圖像源32 —般在后方 向上通過光學(xué)組織34將圖像投射到視網(wǎng)膜R上。光學(xué)組織34在朝向波陣面?zhèn)鞲衅?6的 前方向上透射來自視網(wǎng)膜的圖像44。透過光學(xué)組織34的圖像44可因眼睛的光學(xué)系統(tǒng)中的 任何缺點而畸變。任選地，圖像源投射光學(xué)器件46可被配置或適配成減小圖像44的任何畸變。
在一些實施例中，圖像源光學(xué)器件46可通過補償光學(xué)組織34的球面和/或圓柱 誤差來減少低階光學(xué)誤差。還可通過諸如變形鏡(下文描述)之類的自適應(yīng)光學(xué)元件的使 用來補償光學(xué)組織的高階光學(xué)誤差。使用被選擇成定義點或小斑作為視網(wǎng)膜R上的圖像44 的圖像源32可便于對波陣面?zhèn)鞲衅?6提供的數(shù)據(jù)進行分析。圖像44的畸變可通過使源 圖像透過光學(xué)組織34的一小于瞳孔50的中心區(qū)域48來限制，因為光學(xué)組織的中心區(qū)域比 外圍部分更不容易有光學(xué)誤差。不論特定的圖像源結(jié)構(gòu)如何，在視網(wǎng)膜R上具有良好定義 并且準確形成的圖像44 一般都將是有益處的。
在一些實施例中，測得的波陣面數(shù)據(jù)可以兩個分開的陣列的形式被存儲在計 算機可讀介質(zhì)四或波陣面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)30的存儲器中，這兩個分開的陣列包含從對 Hartmann-Shack傳感器圖像的圖像斑分析獲得的χ和y波陣面梯度值，加上如通過瞳孔相 機51 (圖3A)圖像測得的距離Hartmarm-Shack小鏡頭陣列的標稱中心的χ和y瞳孔中心 偏移量。這樣的信息包含關(guān)于眼睛的波陣面誤差的所有可用信息，并且足以重構(gòu)波陣面或 其任何部分。在這樣的實施例中，無需不止一次地再處理Hartmarm-a^ck，并且需要用來存 儲梯度陣列的數(shù)據(jù)空間不大。例如，為了容納具有8mm直徑的瞳孔的圖像，20X20大小的陣 列(即，400個元素)常常是足夠的。如能領(lǐng)會的，在其他實施例中，波陣面數(shù)據(jù)可以單個陣 列或多個陣列的形式存儲在波陣面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的存儲器中。
盡管許多實施例的方法將一般參照圖像44的感測來描述，但是應(yīng)理解可采取一 系列波陣面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)讀取。例如，波陣面數(shù)據(jù)讀取的時間序列可幫助提供對眼組織象差 更為準確的整體確定。由于眼組織的形狀可能隨時間變化，所以多個在時間上分開的波陣 面?zhèn)鞲衅鳒y量能避免依賴光學(xué)特性的單個快照作為屈光校正過程的基礎(chǔ)。還有其他替換例 可用，包括取得在眼睛處于不同的構(gòu)造、位置、和/或其他取向的情況下眼睛的波陣面?zhèn)鞲?器數(shù)據(jù)。例如，患者將常常通過聚焦在固定目標上來幫助維持眼睛與波陣面測量系統(tǒng)30的 對準，如其全部公開內(nèi)容通過引用納入本文的美國專利號6，004，313中描述。通過如該參 考文獻中描述地改變該固定目標的位置，當眼睛調(diào)節(jié)或適應(yīng)以在變化的距離和/或角度上 成像視場時可確定眼睛的光學(xué)特性。
眼睛的光軸的位置可通過參考從瞳孔相機51提供的數(shù)據(jù)來核實。在許多實施例 中，瞳孔相機51對瞳孔50成像從而確定瞳孔的位置以用于波陣面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)相對于光學(xué) 組織的對齊。
圖;3B中解說了波陣面測量系統(tǒng)的替換性實施例。圖:3B的系統(tǒng)的主要組件類似于 圖3A的那些主要組件。另外，圖:3B包括變形鏡形式的自適應(yīng)光學(xué)元件53。源圖像在往視 網(wǎng)膜R的傳輸期間從變形鏡53被反射，并且該變形鏡還沿用于在視網(wǎng)膜R與成像傳感器40 之間形成透射圖像的光學(xué)路徑。變形鏡53可通過計算機系統(tǒng)22’受控地變形以限制在視 網(wǎng)膜上形成的圖像或者由形成于視網(wǎng)膜上的圖像構(gòu)成的后續(xù)圖像的畸變，并且可增強結(jié)果 得到的波陣面數(shù)據(jù)的準確性。圖3B中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和使用在其全部公開內(nèi)容通過引用納入10本文的美國專利號6，095，651中更加全面地描述。
在許多實施例中，波陣面測量系統(tǒng)中用于測量眼睛的組件包括可從加利福尼亞的 圣克拉拉的VISX公司購得的VISX WaveScan 的元件。在許多實施例中，波陣面測量系統(tǒng) 包括具有如上所述的變形鏡的WaveScan 。波陣面測量系統(tǒng)的替換實施例在其全部公開 內(nèi)容通過引用納入本文的美國專利號6，271，915中描述。
盡管波陣面立面圖可以任何數(shù)目的方式從光學(xué)梯度數(shù)據(jù)創(chuàng)建，但借助將梯度數(shù) 據(jù)擬合至一個或更多個^rnike多項式的組合來創(chuàng)建波陣面立面圖是一種常用辦法。 Zernike多項式代表用于建模波陣面立面圖的數(shù)學(xué)級數(shù)展開的特別有益形式。圖4解說 Zernike多項式子集的形狀，并提供了 Zernike函數(shù)關(guān)系，即是給定階數(shù)和頻率下歸一化半 徑和角度的函數(shù)。在許多實施例中，使用包括0到6階或0到10階的項的krnike多項式 集合。關(guān)于每個^rnike多項式的系數(shù)％例如可以使用標準最小二乘擬合技術(shù)來確定。 實際中，可限制krnike多項式系數(shù)的數(shù)目(例如，限于約觀個系數(shù))。
在已確定krnike系數(shù)陣列的情況下，可創(chuàng)建波陣面立面圖。將krnike多項式 用其系數(shù)進行定標并將經(jīng)定標的^rnike多項式相加允許計算出波陣面立面圖，并且在一 些情形中可非常準確地重構(gòu)波陣面立面圖。
借助krnike多項式進行波陣面立面圖重構(gòu)的另一益處涉及某些krnike多項式 形狀與公知光學(xué)象差之間的對應(yīng)性，諸如在對應(yīng)散焦的Zernike多項式(n = 2，f = 0)與 近視或遠視之間，以及對應(yīng)散光的Zernike多項式形狀(n = 2，f = 士幻。散焦和散光的 低階象差占了典型眼睛中存在的光學(xué)誤差的絕大部分。
然而，對應(yīng)于高階krnike多項式的高階象差在相當?shù)某潭壬洗_實存在，并且與 諸如夜視困難、炫目、暈輪、模糊、星狀放射圖案、復(fù)視等視覺誤差相關(guān)聯(lián)。相應(yīng)地，借助改善 的高階象差校正可得到改善的視力校正。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5，解說了根據(jù)許多實施例的用于確定角膜的激光改造的方法80。如 能領(lǐng)會的，所解說的方法不應(yīng)被限于所解說的步驟次序或具體步驟，并且可對該方法作出 各種變形，諸如具有更多或更少的步驟。所解說的方法可由包括處理器及耦合至該處理器 的存儲器的系統(tǒng)來實施。該存儲器可被配置成存儲具有用于實施該方法的步驟的指令和算 法的多個模塊。
可使用包括波陣面?zhèn)鞲衅?例如，Hartmarm-Shack傳感器)的波陣面測量系統(tǒng)來 獲得眼睛的光學(xué)組織的一個或更多個傳感器位移圖(例如，Hartmarm-Shack位移圖)。傳 感器位移圖82可通過使圖像透過眼睛的光學(xué)組織并感測出射的波陣面表面來獲得。如上 所述，來自波陣面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)可通過將小的光斑或光點照射至視網(wǎng)膜上、視網(wǎng)膜產(chǎn)生反 射光且該反射光離開眼睛并被波陣面?zhèn)鞲衅鞑蹲降絹砩伞碜圆嚸鎮(zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)可被 用于產(chǎn)生光學(xué)梯度陣列或梯度圖84。光學(xué)梯度數(shù)據(jù)隨后可被用于通過數(shù)學(xué)地重構(gòu)具有與該 光學(xué)梯度數(shù)據(jù)相一致的等高線的表面，諸如通過將該表面建模為如上所述的Zernike多項 式的組合(86、88)，來創(chuàng)建光學(xué)表面或波陣面立面圖90。
在步驟92，標識或提供缺陷校正處方。在許多實施例中，可使用一個或更多個波 陣面立面圖90來標識缺陷校正處方，該處方至少部分地校正由這一個或更多個波陣面立 面圖90所反映的眼睛光學(xué)象差。在許多實施例中，可通過選擇兩個或更多個離散的校正 來治療對應(yīng)的兩個或更多個離散的光學(xué)象差來標識缺陷校正處方。這兩個或更多個離散的校正可包括一個或更多個高階校正以用于治療對應(yīng)的一個或更多個高階象差。在許多 實施例中，這兩個或更多個離散的校正可響應(yīng)于對應(yīng)一個或更多個波陣面立面圖的波陣面 Zernike系數(shù)來選擇。
在許多實施例中，可以替換方式來標識缺陷校正處方。例如，先前標識的缺陷 校正處方可被簡單地提供作為起始點。缺陷校正處方還可以使用在轉(zhuǎn)讓給高級醫(yī)學(xué) 光學(xué)公司(Advanced Medical Optics, Inc)的諸多專利、專利公開、及專利申請中描 述的方法來標識，例如包括美國專利號6，280，435、6，663，619、7，261，412、7，293，873、 7，320，517、7，387，387、7，413，566、7，434，936、7，475，986、7，478，907 ；以及美國專利
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