角膜激光外科手术期间的高阶光学校正 相关申请的交叉引用
本发明要求提交于 2008 年 4 月 22 日的美国临时申请 S/N.61/125,209( 代理人案 号 018158-031000US) 的基于 35U.S.C.§119(e) 的优先权权益， 该临时申请的全部内容通 过引用纳入本文。 背景 本发明一般涉及校正光学系统的光学误差。 本发明尤其涉及在激光外科手术过程 中计划并执行用于校正眼睛的光学误差的角膜改造顺序的改良方法和系统， 其中与高阶光 学象差的校正相关联的改造是在该过程的后期执行的。 本发明的方法和系统尤其适用于计 划原位角膜磨镶术 (LASIK)、 光性屈光性角膜切除术 (PRK)、 角膜的基质内整形等期间的眼 睛治疗。
许多已知的激光眼睛外科手术过程采用紫外线或红外激光来从眼睛的角膜去除 基质组织的微观层。 激光通常去除选定形状的角膜组织， 常用来校正眼睛的屈光误差。 紫外
线激光切除使角膜组织发生光解， 但一般不对眼睛的相邻和底层组织造成明显热损伤。被 辐照的分子以光化学的方式破碎成更小的易挥发的碎片， 从而直接使分子间的键断裂。
出于各种目的， 激光外科手术过程可被用于改造角膜， 诸如为了校正近视、 远视、 散光等。 对激光能量分布的控制可通过各种系统和方法来提供， 包括使用切除遮罩、 固定和 可移动的孔径、 受控的扫描系统、 眼睛移动跟踪机构等。在已知系统中， 激光束常常包括一 系列离散的激光能量脉冲， 其中受影响的组织的总体形状和量由照射在角膜上的激光能量 脉冲的形状、 大小、 位置和数量决定。 可使用各种算法来计算用于改造角膜以校正眼睛屈光 误差的激光脉冲的图案。已知系统利用各种形式的激光和 / 或激光能量来实施校正， 包括 红外激光、 紫外线激光、 飞秒激光、 波长倍增固态激光等等。替换性视力校正技术利用角膜 中的径向切口、 眼内晶体、 可移除的角膜支撑结构等等。
已知的角膜校正治疗方法在校正诸如近视、 远视、 散光等标准视差上一般已是成 功了的。然而， 尽管全部成功， 仍希望有进一步的改善。为此， 现在有波阵面测量系统可用 于准确地测量特定病人眼睛的屈光特性。一种示例性波阵面技术系统是 VISX 系统， 该系统使用 Hartmann-Shack 波阵面小透镜 (lenslet) 阵列， 它能量化病人眼睛的整 个光学系统的象差， 包括一阶和二阶球 - 圆柱误差、 慧差、 以及与慧差、 散光和球面象差有 关的三阶和四阶象差。
眼睛的波阵面测量可被用于创建象差图或波阵面立面图 (elevation map)， 其准 许评价穿过眼睛的光学路径的象差， 例如角膜象差和非角膜象差两者。创建波阵面立面图 涉及确定具有与波阵面传感器阵列测得的梯度相匹配的梯度的表面。 波阵面立面图随后可 被用于计算外科手术激光系统所要施加的定制的缺陷校正处方， 从而治疗 ( 例如， 校正、 缓 解 ) 眼睛的复杂象差。用于从测得波阵面数据创建波阵面立面图的已知方法一般涉及使用 展开级数技术的数学建模。更具体地， 已采用了 Zernike 多项式对波阵面立面图表面进行 建模。 Zernike 多项式的系数是通过已知的拟合技术来推导出的。 或者， 波阵面立面图可通过美国专利号 7,168,807 和 7,175,278 描述的直接积分技术来从测得的波阵面数据创建， 这两件专利的全部公开通过引用纳入本文。
由于高阶象差的复杂性， 可能难以通过使用诸如玻璃或隐形眼镜等常规手段或通 过传统屈光外科手术方法来校正。 然而， 在至少一些实例中， 有可能使用针对眼睛中存在的 象差的特定组合所特制的自定义激光眼睛外科手术来治疗高阶象差。
实际上， 高阶象差的校正可能导致不完全的校正。 相应地， 希望提供在治疗高阶象 差上具有增强的效率的光学治疗手段。 简要概述 在许多实施例中， 提供了按顺序来安排角膜改造以增强一个或更多个高阶光学象 差的校正的方法和系统。在许多实施例中， 在激光眼外科手术过程的末尾或接近末尾执行 与至少一个高阶光学象差的治疗相关联的改造。 通过在过程的末尾或接近末尾执行与一个 或更多个高阶象差相关联的改造， 可增强施加一个或更多个高阶光学校正的能力。
在一方面， 提供了一种按顺序来安排眼角膜切除以向眼睛施加缺陷校正处方的方 法。该方法包括 ： 提供缺陷校正处方， 确定用以对角膜施加处方的切除轮廓， 以及确定用以 对角膜施加切除轮廓的激光能量切除的顺序。 该切除轮廓包括第一片段轮廓和第二片段轮 廓。第二片段轮廓对应于至少一个高阶光学校正。所确定的顺序包括在应用对应于第二片 段轮廓的切除之前应用对应于第一片段轮廓的切除。
在许多实施例中， 以上所讨论的按顺序来安排眼角膜切除以向眼睛施加缺陷校正 处方的方法包括一个或更多个附加步骤和 / 或变形。例如， 该方法还可包括显示第一片段 轮廓、 显示第二片段轮廓、 和 / 或显示预计最终角膜轮廓。确定激光能量切除的顺序可包括 将对应于第二片段轮廓的切除放在顺序的末尾。第二片段轮廓可使用 Zernike 多项式来 表征。该方法还可包括提供眼睛的光学象差的波阵面立面图并响应于该波阵面立面图确 定缺陷校正处方。 确定缺陷校正处方可包括确定对应于该波阵面立面图的第一多个波阵面 Zernike 系数并选择对应于该缺陷校正处方的第二多个波阵面 Zernike 系数。
在另一方面， 提供了一种用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统。该系 统包括配置成测量眼睛的光学象差的波阵面系统， 与该波阵面系统耦合的处理器， 以及与 该处理器耦合的眼修正组合件。该处理器包括含指令的有形介质， 该指令在执行时致使处 理器 ： 处理测得的象差以生成眼睛的缺陷校正处方， 确定对应于缺陷校正处方的切除轮廓， 将切除轮廓分段成至少第一片段轮廓和第二片段轮廓， 以及确定用以对角膜施加切除轮廓 的激光能量切除的顺序。 第二片段轮廓对应于用于对角膜施加至少一个高阶光学校正的切 除。 所确定的顺序包括在应用对应于第二片段轮廓的切除之前应用对应于第一片段轮廓的 切除。 眼修正组合件包括用于将所确定顺序的激光能量引导向角膜以对角膜施加切除轮廓 的切除激光器。
在许多实施例中， 以上讨论的用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统包 括一个或更多个附加组件和 / 或附加功能性。附加组件可包括与处理器耦合的显示器。附 加功能性可包括 ： a) 显示第一片段轮廓和 / 或第二片段轮廓 ； b) 在切除顺序的末尾应用对 应于第二片段轮廓的切除 ； c) 显示预计最终角膜轮廓 ； 和 d) 使用 Zernike 多项式来表征第 二片段轮廓。
在一方面， 提供了用于治疗具有角膜的眼睛的光学象差的方法。 该方法包括 ： 提供 定义眼睛的缺陷校正处方的第一多个波阵面 Zernike 系数， 将第一多个系数分段成至少第 一子集和第二子集， 确定对应于第一子集的第一切除轮廓， 确定对应于第二子集的第二切 除轮廓， 确定角膜的激光能量切除的顺序， 以及通过将所确定顺序的激光能量引导向角膜 以施加缺陷校正处方来整形角膜。第二子集包括高阶系数。所确定的顺序包括在应用对应 于第二切除轮廓的切除之前应用对应于第一切除轮廓的切除。
在许多实施例中， 以上讨论的用于治疗具有角膜的眼睛的光学象差的方法包括一 个或更多个附加步骤和 / 或变形。例如， 该方法还可包括生成眼睛的光学象差的波阵面立 面图 ； 生成用于模拟该波阵面立面图的第二多个波阵面 Zernike 系数 ； 以及响应于第二多 个系数确定第一多个系数。 该方法还可包括显示第一切除轮廓或第二切除轮廓中的至少之 一。对应于第二切除轮廓的切除可在该顺序的末尾应用。该方法还可包括显示预计最终角 膜轮廓。
在另一方面， 提供了一种用于对具有角膜的眼睛施加缺陷校正处方的系统。该系 统包括配置成测量眼睛的光学象差的象差计系统， 与该象差计系统耦合的处理器， 以及与 该处理器耦合的眼修正组合件。该处理器包括含指令的有形介质， 该指令在执行时致使处 理器 ： 处理测得的象差以生成眼睛的缺陷校正处方， 确定对应于缺陷校正处方的轮廓， 将该 轮廓分段成至少第一片段轮廓和第二片段轮廓， 以及确定用以对角膜施加轮廓的激光能量 的顺序。第二片段轮廓对应于用于对角膜施加至少一个高阶光学校正的激光切除。所确定 的顺序包括在应用对应于第二片段轮廓的切除之前应用对应于第一片段轮廓的切除。 眼修 正组合件包括用于将所确定顺序的激光能量引导向角膜以对角膜施加该轮廓的激光器。
为更完全理解本发明的本质和优点， 应当参考以下结合附图进行的详细描述。本 发明的其它方面、 目的以及优点根据以下附图以及详细描述将会显而易见。附图简述
图 1 是根据许多实施例的激光眼睛外科手术系统的立体图。
图 2 图释根据许多实施例的计算机系统。
图 3A 图释根据许多实施例的波阵面测量系统。
图 3B 图释根据许多实施例的另一波阵面测量系统。
图 4 解说 Zernike 多项式形状和功能关系。
图 5 是图释根据许多实施例的用于确定角膜改造的顺序的方法的流程图。
图 6 图释初始角膜轮廓和具有复杂形状的局部区域的最终角膜轮廓。
图 7 是图释根据许多实施例的用于确定角膜改造的顺序的另一方法的流程图。 发明详细描述
在许多实施例中， 提供了用于以选定的顺序来改造角膜的系统、 软件、 和方法， 在 激光眼睛外科手术过程的末尾或接近末尾实施与高阶象差相关联的改造， 这可以增加校正 一个或更多个高阶光学象差的效率。 通过在过程的末尾或接近末尾执行与一个或更多个高 阶象差相关联的象差， 可增强诱发一个或更多个高阶光学校正的能力， 这在至少一些实例 中可帮助将少不完全的校正。在许多实施例中， 所公开的系统和方法可增强诸如光性屈光性角膜切除术 (PRK)、 光性治疗性角膜切除术 (PTK)、 激光原位角膜磨镶术 (LASIK)、 角膜的基质内整形 ( 例如， 经 由基质内聚焦的激光， 比如飞秒激光 ) 等激光眼睛外科手术过程的准确性和效率。所公开 的系统和方法可通过提供施加一个或更多个高阶光学校正的改良能力来产生增强的光学 准确性。 在许多实施例中， 所公开的系统和方法采用眼睛修正组装件， 其包括用于对角膜运 用改造以对病眼施加缺陷校正处方的激光器。在许多实施例中， 缺陷校正处方包括至少一 次高阶光学校正。 在许多实施例中， 缺陷校正处方可响应于眼睛的测得光学象差来标识。 在 许多实施例中， 例如波阵面测量系统之类的象差计系统可被用于测量眼睛的光学象差。
在许多实施例中， 所公开的系统和方法可容易地适配用于现行的激光器系统、 象 差计系统 ( 例如， 波阵面测量系统 )、 及其他光学测量设备。 在许多实施例中， 可通过改造角 膜使得所治疗的眼睛规律地超过 20/20 视力阈值来对眼角膜施加缺陷校正处方。
尽管诸实施例主要是在激光眼外科手术系统的上下文中描述的， 但应理解所公开 的系统和方法可适配用于替换性眼治疗过程和系统中， 诸如柔性焦距晶体、 眼内晶体、 隐形 眼镜、 角膜环植入、 胶原角膜组织热重塑等等。
现在参照图 1， 示出了根据许多实施例的激光眼外科手术系统 10。激光眼外科手 术系统 10 包括产生激光束 14 的激光器 12。 激光器 12 光学地耦合至激光输送光学器件 16， 后者将激光束 14 引至病人 P 的眼睛 E。输送光学器件支撑结构 ( 这里为了清楚起见而未示 出 ) 延伸自支撑激光器 12 的框架 18。显微镜 20 安设在输送光学器件支撑结构上。显微镜 可用于成像眼角膜。 激光器 12 和激光输送光学器件 16 一般将在计算机系统 22 的指令下将激光束 14 引导至病人 P 的眼睛 E。在许多实施例中， 计算机系统 22 通常会选择性地调整激光束 14 以 使角膜的多个部分暴露于激光能量脉冲从而实施预订的角膜改造以改造眼睛的屈光特性。
在许多实施例中， 将角膜的预定改造顺序化成使得与施加一个或更多个高阶校正 相关联的改造在与施加例如低阶校正之类的其他校正相关联的改造之后完成。 通过在过程 的末尾或接近末尾执行与施加一个或更多个高阶校正 ( 例如， 被施加以治疗眼睛的一个或 更多个高阶光学象差的一个或更多个高阶校正 ) 相关联的改造， 可增强在经修正的角膜中 实现局部复杂构造的能力。 这样的局部复杂构造在许多实施例中可用来施加一个或更多个 高阶光学校正——例如在这一个或更多个高阶光学校正被施加用以治疗与角膜不相关的 高阶光学象差时。
在许多实施例中， 激光器 12 和激光输送光学系统 16 将在计算机系统 22 的控制下 实施所希望的改造工序， 其中计算机系统影响 ( 并且任选地修改 ) 激光脉冲的图案。脉冲 图案可以治疗表的形式归纳在有形介质 29 的机器可读数据中， 并且该治疗表可根据响应 于提供自监视反馈系统的实时反馈数据从自动化图像分析系统输入到计算机系统 22( 或 由系统操作员手动地输入到处理器中 ) 的反馈来调整。包括计算机系统 22 的激光治疗系 统 10 可响应于该反馈继续和 / 或终止治疗， 并且还可任选地至少部分地基于反馈来修改所 计划的治疗。
在许多实施例中， 激光器 12 包括受激准分子激光器， 例如， 产生具有近似为 193nm 的波长的激光脉冲的氩 - 氟激光器。在许多实施例中， 激光器 12 配置成在患者眼睛上提供 经由激光输送光学器件 16 输送的反馈稳定的能流。在许多实施例中， 可使用激光能量的备
用源， 例如举例而言适配成可控地切除角膜组织或改造角膜而不对眼睛的相邻和 / 或底层 组织造成明显损伤的紫外线或红外辐射备用源。 尽管在本文公开的许多实施例中受激准分 子激光器是激光束的解说性来源， 但在许多实施例中， 可使用包括本领域已知的那些激光 器在内的其他激光器来切除或以其他方式改造角膜。
如本领域技术人员应理解的， 关于激光器系统 10 还可包括其他组件和子系统。例 如， 如其公开内容通过引用纳入本文的美国专利号 5,646,791 中所描述的， 可包括空间和 / 或时间积分器来控制激光束内的能量分布。 还可使用激光外科手术系统的切除流出物排出 器和 / 或过滤器、 及其他辅助组件。
图 2 是根据许多实施例的激光外科手术系统 10 可使用的示例计算机系统 22 的简 化框图。计算机系统 22 通常包括至少一个处理器 52， 该处理器可经由总线子系统 54 与多 个外围设备通信。在许多实施例中， 这些外围设备包括 ： 含存储器子系统 58 和文件存储子 系统 60 的存储子系统 56 ； 用户界面输入设备 62 ； 用户界面输出设备 64 ； 以及网络接口子系 统 66。网络接口子系统 66 提供去往外部网络 68 和 / 或诸如波阵面测量系统 30( 图 3A 中 示出 ) 之类的其他设备的接口。
在许多实施例中， 用户界面输入设备 62 可包括各种已知输入设备中的任何设备 ( 例如， 键盘 ； 诸如鼠标、 轨迹球、 触摸垫、 或图形板之类的定点设备 ； 扫描仪， 一个或更多个 脚踏板， 操纵杆， 结合到显示器中的触摸屏， 诸如语音识别系统、 话筒之类的音频输入设备， 以及其他类型的输入设备 )。在许多实施例中， 用户输入设备 62 可被用来从有形存储介质 29 下载体现本文公开的任何方法的计算机可执行代码。一般而言， 术语 “输入设备” 的使用 旨在包括用以向计算机系统 22 输入信息的各种传统和专属的设备和方法。 在许多实施例中， 用户界面输入设备 64 可包括显示器子系统、 打印机、 传真机、 或 者诸如音频输出设备之类的非视觉显示器。 显示器子系统可以是阴极射线管 (CRT)、 诸如液 晶显示器 (LCD) 等平板设备、 投影设备等。显示器子系统还可诸如经由音频输出设备提供 非视觉显示。一般而言， 术语 “输出设备” 的使用旨在包括用以从计算机系统 22 向用户输 出信息的各种传统和专属的设备和方法。
在许多实施例中， 存储子系统 56 存储提供诸实施例的功能性的基本编程和数据 结构。 例如， 在许多实施例中， 实现如本文描述的方法的功能性的数据库和模块可被存储在 存储子系统 56 中。在许多实施例中， 这些软件模块是由处理器 52 来执行的。在分布式环 境中， 软件模块可存储在多个计算机系统上并且可由这多个计算机系统的处理器执行。在 许多实施例中， 存储子系统 56 包括存储器子系统 58 和文件存储系统 60。
在许多实施例中， 存储器子系统 58 包括数个存储器， 例如， 用于存储程序执行 期间的指令和数据的主随机存取存储器 (RAM)70 和在其中存储固定指令的只读存储器 (ROM)72。在许多实施例中， 文件存储子系统 60 提供对存储程序和数据文件的永久性 ( 非 易失性 ) 存储， 并且可包括可任选地包含波阵面传感器数据、 波阵面梯度、 波阵面立面图、 治疗图、 和 / 或激光治疗表的有形存储介质 29( 图 1 中示出 )。文件存储子系统 60 可包括 硬盘驱动、 连同相关联的可移除介质的软盘驱动、 紧凑型数字只读存储器 (CD-ROM)、 光驱、 DVD、 CD-R、 CD-RW、 固态可移动存储器、 和 / 或其他可移动的媒体筒或盘。这些驱动中的一个 或更多个可位于与计算机系统 22 耦合的另一计算机上的远程位置处。在许多实施例中实 现这些功能性的模块可由文件存储子系统 60 存储。
总线子系统 54 提供用于使计算机系统 22 的各种组件及子系统彼此自如通信的机 制。计算机系统 22 的各种子系统和组件无需处于相同的物理位置， 而是可以分布在分布式 网络内的各个位置处。尽管总线子系统 54 被图示为单根总线， 但是总线子系统的替换实施 例可利用多根总线。
计算机系统 22 自身可以是各种类型的， 包括个人计算机、 便携式计算机、 工作站、 计算机终端、 网络计算机、 波阵面测量系统或激光外科手术系统中的控制系统、 主机、 或任 何其他数据处理系统。由于计算机和网络的永远变化的本质， 对图 2 中描绘的计算机系统 22 的描述仅旨在作为用于解说本发明实施例的具体示例。 比图 2 中描绘的计算机系统具有 更多或更少组件的计算机系统 22 的许多其他配置也是可能的。
在许多实施例中， 例如波阵面测量系统之类的象差计系统被用于测量眼睛中存在 的光学象差。 波阵面测量系统通过测量光的波阵面经过眼睛的各种屈光性或聚焦性组件诸 如角膜和晶状体的路线来工作。 在一种办法中， 将一窄光束引导至眼睛的视网膜上， 并且从 眼睛形成其反射。在完美眼睛的情形中， 形成的反射包括均匀平行的光束。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种光学象差而包括非平行光束。一些波阵面 测量系统使用镜头及相关联传感器的阵列来提供对测量或梯度的收集， 每个梯度指示该形 成的反射的特定区域偏离理想平行路径的大小。 测得的梯度随后可被用于确定具有与测得 的梯度相同的梯度的波阵面立面图。波阵面立面图是眼中光学象差的图形表示， 并且就经 由切除角膜的前面来进行角膜改造而言， 与必须被去除以校正光学象差的切除轮廓紧密相 关。
现在参照图 3A， 以简化形式图释了波阵面测量系统 30 的一个实施例。在非常一 般性的意义上， 该波阵面测量系统 30 被配置成感测离开患者眼睛的光的局部斜率。基于 Hartmann-Shack 原理的设备一般包括用以在孔径上均匀地采样光的小透镜阵列， 该孔径典 型的是眼睛的出射光瞳。此后， 分析出射光的局部斜率以重构波阵面表面或波阵面图。
更具体地， 波阵面测量系统 30 包括诸如激光器之类的图像源 32， 其投射源图像通 过眼睛 E 的光学组织 34 从而在视网膜 R 的表面上形成图像 44。来自视网膜 R 的图像透过 眼睛的光学系统 ( 例如， 光学系统 34) 并由系统光学器件 37 成像到波阵面传感器 36 上。 波阵面传感器 36 将信号传达给计算机系统 22′以测量光学组织 34 中的光学误差， 并且在 许多实施例中是确定缺陷校正处方。计算机 22′可包括与图 1 和 2 中解说的计算机系统 22 相同或相似的硬件。计算机系统 22′可与指挥激光外科手术系统 10 的计算机系统 22 通信， 或者波阵面测量系统 30 的计算机系统 22、 22′的一些或所有组件可以是组合或分开 的。 若有需要， 来自波阵面传感器 36 的数据可经由有形介质 29、 经由 I/O 端口、 经由诸如内 联网或因特网等网络连接 66 被传送给激光器计算机系统 22。
波阵面传感器 36 一般包括小透镜阵列 38 和图像传感器 40。当来自视网膜 R 的图 像透过光学组织 34 并成像到波阵面传感器 36 上时， 小透镜阵列 38 将透过的图像分开成小 束阵列 42， 并 ( 结合系统的其他光学组件 ) 将分开的小束 42 成像在传感器 40 的表面上。 传感器 40 典型地包括电荷耦合器件 (“CCD” )， 并且感测这些个体的小束的特性， 此特性可 被用于确定光学组织 34 的相关联区域的特性。具体地， 在图像 44 包括点或小光斑的情况 下， 由小束所成像的透射光斑的位置可直接指示透过光学组织的相关联区域的光的局部梯 度。眼睛 E 一般定义前向 ANT 和后向 POS。如图 3A 中所指示的， 图像源 32 一般在后方 向上通过光学组织 34 将图像投射到视网膜 R 上。光学组织 34 在朝向波阵面传感器 36 的 前方向上透射来自视网膜的图像 44。 透过光学组织 34 的图像 44 可因眼睛的光学系统中的 任何缺点而畸变。任选地， 图像源投射光学器件 46 可被配置或适配成减小图像 44 的任何 畸变。
在一些实施例中， 图像源光学器件 46 可通过补偿光学组织 34 的球面和 / 或圆柱 误差来减少低阶光学误差。还可通过诸如变形镜 ( 下文描述 ) 之类的自适应光学元件的使 用来补偿光学组织的高阶光学误差。 使用被选择成定义点或小斑作为视网膜 R 上的图像 44 的图像源 32 可便于对波阵面传感器 36 提供的数据进行分析。图像 44 的畸变可通过使源 图像透过光学组织 34 的一小于瞳孔 50 的中心区域 48 来限制， 因为光学组织的中心区域比 外围部分更不容易有光学误差。不论特定的图像源结构如何， 在视网膜 R 上具有良好定义 并且准确形成的图像 44 一般都将是有益处的。
在一些实施例中， 测得的波阵面数据可以两个分开的阵列的形式被存储在计 算 机 可 读 介 质 29 或 波 阵 面 传 感 器 系 统 30 的 存 储 器 中， 这两个分开的阵列包含从对 Hartmann-Shack 传感器图像的图像斑分析获得的 x 和 y 波阵面梯度值， 加上如通过瞳孔相 机 51( 图 3A) 图像测得的距离 Hartmann-Shack 小镜头阵列的标称中心的 x 和 y 瞳孔中心 偏移量。这样的信息包含关于眼睛的波阵面误差的所有可用信息， 并且足以重构波阵面或 其任何部分。 在这样的实施例中， 无需不止一次地再处理 Hartmann-Shack， 并且需要用来存 储梯度阵列的数据空间不大。 例如， 为了容纳具有 8mm 直径的瞳孔的图像， 20×20 大小的阵 列 ( 即， 400 个元素 ) 常常是足够的。 如能领会的， 在其他实施例中， 波阵面数据可以单个阵 列或多个阵列的形式存储在波阵面传感器系统的存储器中。 尽管许多实施例的方法将一般参照图像 44 的感测来描述， 但是应理解可采取一 系列波阵面传感器数据读取。例如， 波阵面数据读取的时间序列可帮助提供对眼组织象差 更为准确的整体确定。由于眼组织的形状可能随时间变化， 所以多个在时间上分开的波阵 面传感器测量能避免依赖光学特性的单个快照作为屈光校正过程的基础。 还有其他替换例 可用， 包括取得在眼睛处于不同的构造、 位置、 和 / 或其他取向的情况下眼睛的波阵面传感 器数据。例如， 患者将常常通过聚焦在固定目标上来帮助维持眼睛与波阵面测量系统 30 的 对准， 如其全部公开内容通过引用纳入本文的美国专利号 6,004,313 中描述。通过如该参 考文献中描述地改变该固定目标的位置， 当眼睛调节或适应以在变化的距离和 / 或角度上 成像视场时可确定眼睛的光学特性。
眼睛的光轴的位置可通过参考从瞳孔相机 51 提供的数据来核实。在许多实施例 中， 瞳孔相机 51 对瞳孔 50 成像从而确定瞳孔的位置以用于波阵面传感器数据相对于光学 组织的对齐。
图 3B 中解说了波阵面测量系统的替换性实施例。图 3B 的系统的主要组件类似于 图 3A 的那些主要组件。另外， 图 3B 包括变形镜形式的自适应光学元件 53。源图像在往视 网膜 R 的传输期间从变形镜 53 被反射， 并且该变形镜还沿用于在视网膜 R 与成像传感器 40 之间形成透射图像的光学路径。变形镜 53 可通过计算机系统 22’ 受控地变形以限制在视 网膜上形成的图像或者由形成于视网膜上的图像构成的后续图像的畸变， 并且可增强结果 得到的波阵面数据的准确性。图 3B 中系统的结构和使用在其全部公开内容通过引用纳入
本文的美国专利号 6,095,651 中更加全面地描述。
在许多实施例中， 波阵面测量系统中用于测量眼睛的组件包括可从加利福尼亚的 圣克拉拉的 VISX 公司购得的 VISX 的元件。在许多实施例中， 波阵面测量系统 包括具有如上所述的变形镜的 波阵面测量系统的替换实施例在其全部公开 内容通过引用纳入本文的美国专利号 6,271,915 中描述。
尽管波阵面立面图可以任何数目的方式从光学梯度数据创建， 但借助将梯度数 据拟合至一个或更多个 Zernike 多项式的组合来创建波阵面立面图是一种常用办法。 Zernike 多项式代表用于建模波阵面立面图的数学级数展开的特别有益形式。图 4 解说 Zernike 多项式子集的形状， 并提供了 Zernike 函数关系， 即是给定阶数和频率下归一化半 径和角度的函数。在许多实施例中， 使用包括 0 到 6 阶或 0 到 10 阶的项的 Zernike 多项式 集合。关于每个 Zernike 多项式 Zn 的系数 an 例如可以使用标准最小二乘拟合技术来确定。 实际中， 可限制 Zernike 多项式系数的数目 ( 例如， 限于约 28 个系数 )。
在已确定 Zernike 系数阵列的情况下， 可创建波阵面立面图。将 Zernike 多项式 用其系数进行定标并将经定标的 Zernike 多项式相加允许计算出波阵面立面图， 并且在一 些情形中可非常准确地重构波阵面立面图。 借助 Zernike 多项式进行波阵面立面图重构的另一益处涉及某些 Zernike 多项式 形状与公知光学象差之间的对应性， 诸如在对应散焦的 Zernike 多项式 (n ＝ 2， f ＝ 0) 与 近视或远视之间， 以及对应散光的 Zernike 多项式形状 (n ＝ 2， f ＝ ±2)。散焦和散光的 低阶象差占了典型眼睛中存在的光学误差的绝大部分。
然而， 对应于高阶 Zernike 多项式的高阶象差在相当的程度上确实存在， 并且与 诸如夜视困难、 炫目、 晕轮、 模糊、 星状放射图案、 复视等视觉误差相关联。 相应地， 借助改善 的高阶象差校正可得到改善的视力校正。
现在转到图 5， 解说了根据许多实施例的用于确定角膜的激光改造的方法 80。如 能领会的， 所解说的方法不应被限于所解说的步骤次序或具体步骤， 并且可对该方法作出 各种变形， 诸如具有更多或更少的步骤。所解说的方法可由包括处理器及耦合至该处理器 的存储器的系统来实施。 该存储器可被配置成存储具有用于实施该方法的步骤的指令和算 法的多个模块。
可使用包括波阵面传感器 ( 例如， Hartmann-Shack 传感器 ) 的波阵面测量系统来 获得眼睛的光学组织的一个或更多个传感器位移图 ( 例如， Hartmann-Shack 位移图 )。传 感器位移图 82 可通过使图像透过眼睛的光学组织并感测出射的波阵面表面来获得。如上 所述， 来自波阵面传感器的数据可通过将小的光斑或光点照射至视网膜上、 视网膜产生反 射光且该反射光离开眼睛并被波阵面传感器捕捉到来生成。 来自波阵面传感器的数据可被 用于产生光学梯度阵列或梯度图 84。 光学梯度数据随后可被用于通过数学地重构具有与该 光学梯度数据相一致的等高线的表面， 诸如通过将该表面建模为如上所述的 Zernike 多项 式的组合 (86、 88)， 来创建光学表面或波阵面立面图 90。
在步骤 92， 标识或提供缺陷校正处方。在许多实施例中， 可使用一个或更多个波 阵面立面图 90 来标识缺陷校正处方， 该处方至少部分地校正由这一个或更多个波阵面立 面图 90 所反映的眼睛光学象差。在许多实施例中， 可通过选择两个或更多个离散的校正 来治疗对应的两个或更多个离散的光学象差来标识缺陷校正处方。这两个或更多个离散
的校正可包括一个或更多个高阶校正以用于治疗对应的一个或更多个高阶象差。在许多 实施例中， 这两个或更多个离散的校正可响应于对应一个或更多个波阵面立面图的波阵面 Zernike 系数来选择。
在许多实施例中， 可以替换方式来标识缺陷校正处方。例如， 先前标识的缺陷 校正处方可被简单地提供作为起始点。缺陷校正处方还可以使用在转让给高级医学 光 学 公 司 (Advanced Medical Optics， Inc) 的 诸 多 专 利、 专 利 公 开、 及专利申请中描 述 的 方 法 来 标 识， 例 如 包 括 美 国 专 利 号 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 国 专 利 公 开 号 2004/0054356A1、 US 2005/0261752A1、 2008/0291395A1、 2009/0000628A1、 和 2009/0036981A1， 它们的全部公开内容通过引用纳入本文。
一旦已标识了缺陷校正处方， 从该缺陷校正处方选择一个或更多个高阶校正 ( 步 骤 94)。这一个或更多个高阶校正可被选择成使得用以施加这一个或更多个高阶校正的对 应改造可在激光视力校正过程的最后阶段期间实施。如将在下文更详细地描述的， 将高阶 象差的校正保留到过程末尾可改善在最终角膜中实现期望的局部复杂构造的能力。
在步骤 96， 选定的一个或更多个高阶校正可被用于构建和评估对应于经分段的缺 陷校正处方的片段波阵面立面图。 片段波阵面立面图与定义眼睛的测得光学象差的波阵面 立面图相类似， 不同之处在于片段波阵面立面图定义被选择用于在改造过程的一片段期间 对眼睛施加的光学校正。 选定的高阶校正 ( 步骤 94 中选定 ) 可被用于构建片段波阵面立面 图之一。可将选定的高阶校正从缺陷校正处方中扣除， 并且剩余的缺陷校正被用于定义对 应于在选定的高阶校正之前施加的候选校正的一个或更多个片段波阵面立面图。由于， 如 上讨论地， 波阵面立面图与相应的改造轮廓 ( 至少相对于经由角膜表面切除的改造 ) 紧密 相关， 所以可以评估这些波阵面立面图以获得对相应改造轮廓的洞察。 例如， 可以评估这些 立面图以评价缺陷校正处方的选定分段是否将导致在改造顺序中较迟地施加具有局部复 杂构造的改造轮廓片段的相应改造轮廓片段。此外， 可实现对这些片段波阵面立面图的检 查以提供对相关的片段治疗图 ( 在步骤 98 中构建和评估 ) 的预览， 该片段治疗图包含对改 造过程的相应片段期间的目标角膜改造的定义。此时， 治疗专家可决定向治疗顺序中的不 同点重新分配特定校正， 或者甚至例如通过在两个或更多个片段之间分配特定的 Zernike 系数的方式在片段间拆分校正。
创建片段波阵面立面图 ( 步骤 96) 的另一部分可涉及检查该一序列的片段波阵面 立面图中的每一个都将导致可接受的改造片段。 例如， 在许多实施例中， 改造包括实施对角 膜的正面的切除。可检查该该片段波阵面立面图序列中的每个片段波阵面立面图以确保 相应切除形状不超过留待继该片段之后完成的切除的形状。例如， 与第一片段立面图相关 联的切除形状不能局部超过要去除的总切除形状。同样， 第二片段的切除形状不能局部超 过在去除了与该第一片段立面图相关联的切除形状之后要去除的剩余切除形状。其中片 段切除形状局部超过剩余切除形状的实例要求对分段进行恰适的调整， 诸如通过将该片段 的局部超过部分重指派给稍后段， 或者通过调整象差的分配以消除该片段的任何局部超过 部分。由于切除形状与相关联的片段波阵面立面图紧密相关， 此检查可借助缺陷校正处方 ( 来自步骤 92) 与片段波阵面立面图之间的恰适比较来实现。在通过其他方法施加改造的 情况下也可实现对片段的类似检查。在创建片段波阵面立面图之后， 可构建片段治疗图。 例如， 在许多包括角膜表面切 除的实施例中， 片段波阵面立面图与其相应的校正切除形状之间的转换可视作主要是线性 的， 其中切除形状通过将波阵面高程乘以 1/(n-1) 来获得， 其中 n 是为 1.377 的角膜屈光系 数。此时， 治疗专家可决定向治疗顺序中的不同点重新分配特定校正， 或者甚至在片段间 拆分校正， 如以上所讨论地能通过在两个或更多个片段之间分配特定的 Zernike 系数来实 现。
在至少一些实例中， 例如在涉及角膜正面切除的实例中， 在激光眼外科手术之后 剩余的角膜轮廓的期望的形状可能不是均匀平滑的， 而可能包含对应于高阶象差的治疗的 具有局部复杂形状的区域， 该高阶象差实际是在眼系统中的别处诸如在晶体中引起的。图 6 中描绘了这样的具有局部复杂形状的区域 110， 图中解说了层叠于初始角膜轮廓 114 之上 的最终角膜轮廓 112。初始角膜轮廓 114 与最终角膜轮廓 112 之间的差异代表在切除过程 期间去除的物质的深度。所绘出的最终角膜轮廓包括具有局部复杂形状的区域， 其功能是 校正可能在眼中的别处诸如在晶体中引起的高阶象差。 特别是在总切除深度相对于该局部 复杂形状的尺寸明显的情况下——在此情况下可能增加由于切除而发生的平滑的量， 通过 将与局部复杂形状相关联的切除保留直至过程的末尾可增强实现期望的局部复杂形状的 能力。
对于作为校正目标的任何特定的象差集合， 进一步构建并评估预计最终角膜 ( 图 5 中的步骤 100) 可能是有帮助的。 例如， 在涉及角膜正面切除的许多实施例中， 通过将所有 的片段治疗图相组合并从角膜的起始形状扣除相应切除轮廓， 可以获得预计的最终角膜轮 廓。 评估最终角膜轮廓可提供关于一个或更多个高阶校正中的哪些校正与最终角膜轮廓上 的局部复杂形状相一致， 由此将这样的高阶校正候选包括到切除过程的较后的片段中。另 外， 对预计最终角膜轮廓的评估可导致在整个过程中包含或排除特定校正或者甚至是特定 校正的部分， 从而经由缺陷校正处方对照结果得到的预计最终角膜形状提供平衡校正哪些 象差的能力。
一旦在选定的治疗片段中获得令人满意的象差分配状况， 该程序就进行相应片段 激光治疗表的制定 ( 步骤 106)。 片段激光治疗表可包括关于激光束脉冲的参数， 例如， 对于 一系列脉冲中的每个激光束脉冲， 该激光束相对于眼睛的位置 ( 例如， 在基质内聚焦激光 的情形中为水平、 垂直和深度上的位置 )。在许多涉及角膜正面切除的实施例中， 光束的直 径可在治疗期间变化， 例如从约 0.65mm 到 6.5mm。片段激光治疗表可包括数百到五千或更 多的脉冲， 且激光束脉冲的数目可随被去除和 / 或改造的物质的量以及片段激光治疗表所 采用的激光束直径而变化。 片段激光治疗表可任选地通过对个体脉冲分类以避免局部化加 热、 最小化在治疗程序被中断的情况下的不规则切除等等来优化。此后可根据片段激光治 疗表来改造眼睛 ( 例如， 经由角膜的正面切除、 经由角膜的基质内整形等等 )。
在许多实施例中， 片段激光治疗表可使用各种替换机制来调整激光束以产生期望 的改造。激光束可使用一个或更多个可变孔径来限制。在其全部公开内容通过引用纳入本 文的美国专利 5,713,892 中描述了具有可变光圈和可变宽度裂隙的示例性可变孔径系统。 如在其全部公开内容通过引用纳入本文的美国专利 5,683,379、 6,203,539 和 6,347,549 中 描述的， 还可通过改变激光斑的大小以及与眼睛的轴线的偏移量来调整激光束。
其他替换方案也是可能的， 包括 ： 例如美国专利 4,665,913( 其全部公开内容通过引用纳入本文 ) 所描述的在眼睛表面上扫描激光束并控制每个位置上的脉冲数目和 / 或停 留时间 ； 如提交于 1995 年 6 月 6 日的美国专利申请 S/N.08/468,898( 其全部公开内容通过 引用纳入本文 ) 中描述的在激光束的光路中使用遮罩以改变入射在角膜上的波束的轮廓 ； 混合轮廓 - 扫描系统， 其中在角膜上扫描可变大小的光束 ( 典型地由可变宽度裂隙和 / 或 可变直径的虹彩光圈来控制 ) ； 角膜的基质内飞秒整形等。
在其全部公开内容通过引用纳入本文的题为 “Generating Scanning Spot Locations for Laser Eye Surgery( 生成用于激光眼外科手术的扫描斑位置 )” 的美国专 利号 6,673,062 中描述了一种用于制备用于角膜正面切除的片段激光治疗表的示例方法 和系统。
现在转到图 7， 解说了根据许多实施例的用于确定角膜的激光改造的方法 120。如 所解说的， 从梯度图 124 创建波阵面立面图 128 可替换地如美国专利号 7,168,807 描述地 借助于使用傅立叶变换 126 的积分来实现， 该美国专利的全部内容通过引用纳入本文。如 在以上参考专利中描述的， 与借助拟合 Zernike 多项式进行重建相比， 借助于使用傅立叶 变换 126 的积分来构建波阵面立面图 128 可提供速度和 / 或增加的准确性的优势。
为了在激光治疗过程序列的后续分段期间的潜在可能使用， 可通过诸如最小二乘 拟合过程等已知方法来确定 Zernike 多项式系数 ( 步骤 130)。或者， 在借助使用傅立叶变 换 126 的积分确定了波阵面立面图 128 的情况下， 使用其全部公开内容通过引用那如本文 的题为 “Calculating Zernike Coefficientsfrom Fourier Coefficients( 从傅里叶系数 计算 Zernike 多项式系数 )” 的美国专利号 7,331,674 描述的方法， 可直接从傅立叶系数计 算 Zernike 多项式系数。Zernike 多项式的确定可提供一种便利途径以表征促成特定波阵 面立面图的组成象差。
图 7 的步骤 134 使用了不同于图 5 中的对应步骤的办法来进行校正分离。在图 5 的过程中， 波阵面立面图 90 是通过组合离散的 Zernike 系数来创建的。尽管缺陷校正处方 92， 132 并不限于对应离散 Zernike 系数的组合的象差校正， 但在许多实施例中可以对应于 这样的组合。因此， 可在一个或更多个高阶校正对应于一个或更多个离散的 Zernike 系数 的实例中使用图 5 的分离过程。相反， 图 7 的分离过程针对在其中用于在改造过程的最后 片段期间施加的一个或更多个高阶校正不必对应于一个或更多个离散的 Zernike 系数的 情况下的缺陷校正处方的分离。例如， 在缺陷校正处方是响应于经由傅立叶变换构建的波 阵面立面图来标识的情况下， 该缺陷校正处方可包含与离散 Zernike 系数的组合不严格匹 配的高阶校正。图 7 的分离过程可通过从最后片段中排除低阶校正， 而非如图 5 的过程中 所规约地选择高阶校正包含在最后片段中， 来解决这样的情况。
可通过从缺陷校正处方构成选定的低阶校正来从缺陷校正处方构建最后片段波 阵面立面图。此办法的优势是在最后片段中包括任何将存在于不是离散的 Zernike 系数的 精确组合的缺陷校正处方与作为离散的 Zernike 系数的精确组合的相应缺陷校正处方之 间的差分校正。尽管以上确定的 Zernike 系数的使用提供了一种将缺陷校正处方分开成低 阶和高阶校正的方法， 还可使用替换性办法。除了上述差异外， 图 7 中解说的剩余过程与参 照图 5 描述的过程相一致。
应该理解， 本文描述的示例和实施例是用于解说的目的， 并且按照这些示例和实 施例的各种变形和变化对于本领域技术人员而言将是被暗示了的， 且包括在本申请的精神实质和范围以及所附权利要求的范围内。诸多不同的组合是可能的， 且这样的组合被认为 是本发明的部分。