專利名稱：用于表征角膜并制造眼用透鏡的系統(tǒng)的制作方法
用于表征角膜并制造眼用透鏡的系統(tǒng)
交叉申請(qǐng)本申請(qǐng)請(qǐng)求了以下美國臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益=2009年3月4日提交的61/209，362、2009年 3月4日提交的61/209，363,2009年5月27日提交的61/181，420,2009年5月27日提交的61/181，519以及2009年5月27日提交的61/181，525。這些美國臨時(shí)申請(qǐng)均在此通過引用而構(gòu)成本文的一部分。但是，下面的描述與這些臨時(shí)申請(qǐng)的公開內(nèi)容不一致時(shí)，以下面的描述為準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
已知多種用于表征角膜的系統(tǒng)，并利用表征的信息來制作眼用透鏡。參見，例如美國專利號(hào) 6413276,6511180,6626535 和 7241311。
已知用于表征角膜的系統(tǒng)的難點(diǎn)在于人角膜的特性會(huì)受到測(cè)量時(shí)存在的水分含量的影響。因而，例如，為一名患者制作眼用透鏡時(shí)，如果表征的是患者干燥眼環(huán)境下的患者的角膜，那么當(dāng)患者眼睛含有大量水分時(shí)這個(gè)透鏡將不適合患者。
常規(guī)系統(tǒng)的另一個(gè)問題是通常沒有考慮角膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們認(rèn)為角膜的聚焦效應(yīng)是通過角膜的 前表面、角膜的后表面和角膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)的，分別發(fā)揮了大約 80%，10%，和10%的作用。沒有考慮角膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的做法，以及在一些情況下沒有考慮角膜后表面的形狀的做法，將得到無法提供令人滿意的視力的透鏡。
因此，需要提供一種改良的用于表征角膜的系統(tǒng)，目的是制得可置入人眼的眼用透鏡。更理想的是，該系統(tǒng)可以分析放置好的透鏡在視網(wǎng)膜上聚焦光的有效性。
本發(fā)明還包括一種用于測(cè)定患者視力清晰度的系統(tǒng)，以確定植入透鏡或其他供給患者的眼用修正物的有效性。依據(jù)本方法，用能在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的掃描光線照射患者眼睛，用諸如光檢測(cè)器檢測(cè)熒光產(chǎn)生的圖像的清晰度。熒光由視網(wǎng)膜的色素上皮細(xì)胞中的蛋白質(zhì)以及視網(wǎng)膜的感光體產(chǎn)生。
隨后，調(diào)整掃描光線的路徑長(zhǎng)度，以增大熒光產(chǎn)生的圖像的清晰度。掃描光線通常的波長(zhǎng)是750至大約800nm，優(yōu)選為大約780nm
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種符合所述需求的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一種用于測(cè)定眼睛角膜形狀的方法和設(shè)備，其中，角膜具有一個(gè)前表面、一個(gè)后表面以及一個(gè)位于前和后表面之間的內(nèi)部區(qū)域。本方法依賴于角膜產(chǎn)生的熒光，與采用入射光的反射系數(shù)來確定角膜形狀的現(xiàn)有技術(shù)不同。依據(jù)該方法，用具有可使被照射的角膜部分產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的紅外光照射角膜的前表面、后表面和內(nèi)部區(qū)域中的至少一個(gè)。檢測(cè)產(chǎn)生的熒光。用檢測(cè)到的熒光來制作角膜的前表面、后表面和/或內(nèi)部區(qū)域的形狀圖?！扒氨砻妗敝傅氖茄劬Τ獾谋砻??！昂蟊砻妗?向后朝向視網(wǎng)膜。
例如，在角膜的前部區(qū)域的例子中，測(cè)定內(nèi)部區(qū)域中多個(gè)位置的光路長(zhǎng)度。內(nèi)部區(qū)域產(chǎn)生的藍(lán)光的存在指出了角膜內(nèi)膠原蛋白薄層的存在。
優(yōu)選地，照射的步驟包括在與眼睛的光軸基本垂直的多個(gè)不同的平面上聚焦紅外光。這些平面可與角膜的前表面、角膜的后表面和/或角膜的內(nèi)部區(qū)域相交錯(cuò)。
本發(fā)明還包括實(shí)施該方法的設(shè)備。優(yōu)選的設(shè)備包括激光器、聚焦裝置和檢測(cè)器，激光器將具有能夠使被照射的角膜部分產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的紅外光照射角膜的選定部分；聚焦裝置如聚焦透鏡，在角膜的選定部分上聚焦光線；以及檢測(cè)器如光電二極管檢測(cè)器，檢測(cè)產(chǎn)生的突光。
本發(fā)明還包括一種用于測(cè)定患者視力清晰度的系統(tǒng)，以確定植入透鏡或其他供給患者的眼用修正物的效用。依據(jù)該方法，用具有能使視網(wǎng)膜上產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的掃描光線照射患者眼睛，以及用諸如光檢測(cè)器檢測(cè)熒光產(chǎn)生的圖像的清晰度。熒光由視網(wǎng)膜的色素上皮細(xì)胞中的蛋白以及視網(wǎng)膜的感光體產(chǎn)生。隨后，調(diào)整掃描光線的路徑長(zhǎng)度，以增大熒光產(chǎn)生的圖像的清晰度。入射光通常的波長(zhǎng)是750至大約800nm，優(yōu)選為大約780nm。詞語 “視力清晰度”指的是受試者辨別亮度不同的兩個(gè)圖像(白色為100%亮度，黑色為0%亮度) 的能力。受試者能察覺不同的兩個(gè)圖像的對(duì)比差別(相對(duì)亮度)越小，受試者的視力清晰度越聞。


結(jié)合下面的描述、附錄的權(quán)利要求以及附圖將能更好理解本發(fā)明的這些和其他特征、各個(gè)方面和優(yōu)點(diǎn)，其中圖I是用于人工晶狀體眼的本發(fā)明的方法的示意圖；圖2是人眼和激光視力矯正手術(shù)后的眼睛的晶狀體存在的球面像差的圖解表示；圖3是確定視網(wǎng)膜圖像清晰度的一種計(jì)算方式的示意圖；圖4是可用于確定視力清晰度的計(jì)算方法中的卷積的數(shù)學(xué)程序的直觀圖；圖5是示出作為有限元建模(FEM)結(jié)果的負(fù)載角膜中的應(yīng)力應(yīng)變分布的側(cè)橫截面圖； 圖6是顯示二次諧波成像(SHGi)和雙光子激發(fā)熒光成像(TPEFi)的物理過程的示意圖；圖7示意性地顯示了可用于本發(fā)明的雙光子顯微鏡/檢眼鏡的主要部件；圖8是膠原組織結(jié)構(gòu)的SHGi的概覽圖；圖9示出了角膜的微形態(tài)計(jì)量特征；圖10示出了在類似定制的眼內(nèi)透鏡(C-IPSM)的尺寸的視野上制作合成角膜形狀圖的示意圖；以及圖11是用于檢測(cè)由植入眼內(nèi)的透鏡獲得的圖像清晰度的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
概沭一種用于確定角膜地形圖(包括角膜的前和后表面以及內(nèi)部區(qū)域的地形圖)的系統(tǒng)，包括測(cè)定和模擬步驟，提供角膜內(nèi)折射率分布的值。可采用角膜內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系的有限元建模的統(tǒng)計(jì)分布和結(jié)果。
本發(fā)明使用的設(shè)備可以是雙光子顯微鏡，以獲得多個(gè)高空間分辨率的測(cè)量結(jié)果。 設(shè)備采用的每個(gè)單獨(dú)的光束具有唯一的光路長(zhǎng)度。可采用二次諧波成像(SHGi)和雙光子激發(fā)熒光成像(TPEFi)的方法。利用這些測(cè)量產(chǎn)生的多個(gè)象素?cái)?shù)據(jù)，可以評(píng)估角膜的折射特性的詳細(xì)的空間分布，因此可制作能精確補(bǔ)償檢測(cè)到的像差的眼內(nèi)透鏡。
該系統(tǒng)還包括用于測(cè)定眼內(nèi)透鏡有效性的方法，比如，質(zhì)量控制方法。
表征角膜首先參看圖1，其示意性地示出了用于測(cè)定植入的透鏡如定制的眼內(nèi)透鏡的折射特性的系統(tǒng)，并將其標(biāo)注為10。多個(gè)光束40傳播穿過植入定制的眼內(nèi)透鏡20內(nèi)的人工晶狀體眼，該透鏡可以高空間分辨率并局部校正每個(gè)光束的光路長(zhǎng)度。這些光線被引導(dǎo)通過所述人工晶狀體眼，在視網(wǎng)膜30上形成圖像。多個(gè)單獨(dú)的光束40的特征是每個(gè)光束具有唯一的光路長(zhǎng)度。更具體地，每個(gè)光路長(zhǎng)度表示每個(gè)光束在傳播通過眼睛期間其所經(jīng)歷的折射。 接下來，用計(jì)算機(jī)收集全部光路長(zhǎng)度，創(chuàng)建眼睛的視網(wǎng)膜上的數(shù)字化圖像。多個(gè)光束40按順序傳播通過角膜14的前表面12、角膜14的內(nèi)部區(qū)域13、角膜14的后表面16以及具有前表面層22的定制的眼內(nèi)透鏡，并在視網(wǎng)膜30上形成聚焦圖像。在同天提交的申請(qǐng)?zhí)枮?12/717，886、題為“制作和調(diào)節(jié)透鏡的系統(tǒng)和由此制得的透鏡”(案卷19780-1)的申請(qǐng)人的共同申請(qǐng)中記載了制作透鏡20的方法，該文獻(xiàn)在此通過引入構(gòu)成本文的一部分。
在多個(gè)光束40的上部，示出了三個(gè)相鄰光束42，44，和46，代表了分區(qū)方法中的一個(gè)局部區(qū)域。通常來說，在高空間分辨率的光線追蹤計(jì)算中，要根據(jù)它們?cè)谌搜壑械墓鈱W(xué)路徑長(zhǎng)度來評(píng)估數(shù)以千萬的光線。出于計(jì)算的目的，選定一個(gè)接近人工晶狀體眼的天然瞳孔的基準(zhǔn)面18，由此標(biāo)準(zhǔn)化單個(gè)光束的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。更具體地，單個(gè)光線從瞳孔平面18至定制的眼內(nèi)透鏡20的前面表22的傳播可表示為exp(ix(2 η / λ )xn(x, y)xz (χ, y)),其中 exp類似于指數(shù)函數(shù)，i表示虛數(shù)單元數(shù)目，π等于大約3. 14，λ表示光線的波長(zhǎng)，n(x，y) 表示局部折射率，z(x, y)表示坐標(biāo)為χ和y的橫向位置距離瞳孔平面18的實(shí)際距離。可以用實(shí)際長(zhǎng)度z(x，y)的值來表達(dá)定制的眼內(nèi)透鏡(C-IPSM)20在透鏡植入期間出現(xiàn)的與軸向或橫向位置或傾斜相關(guān)的定位的任意錯(cuò)誤，也可用光學(xué)技術(shù)通過體內(nèi)微調(diào)表層22來對(duì)此類錯(cuò)誤進(jìn)行補(bǔ)償，該種光學(xué)技術(shù)例如是在上述同天提交的申請(qǐng)?zhí)枮?2/717，886、題為“制作和調(diào)節(jié)透鏡的系統(tǒng)和由此制得的透鏡”(案卷19780-1)的申請(qǐng)人的共同申請(qǐng)中所述的， 該文獻(xiàn)在此通過引入作為本文的一部分。
圖2顯示了在正常眼睛(如晶狀體)和激光原位角膜磨鑲術(shù)后的眼睛(如經(jīng)整形的角膜)中存在的人眼的一種特殊的光學(xué)像差，如球面像差，顯示了激光原位角膜磨鑲術(shù)后的眼睛60中的球面像差的感應(yīng)。在圖2的上部分中，舉例顯示了正常眼睛50的情況。眼球 52包含角膜56、透鏡54和視網(wǎng)膜58。通常，對(duì)于6mm的瞳孔直徑，引入對(duì)應(yīng)O. 5 μ m的大約一個(gè)波長(zhǎng)λ的球面像差59，其主要與晶狀體的球面形狀相關(guān)。在圖2的下部分，在經(jīng)歷了近視矯正手術(shù)后的眼睛60的情況中，圖示了大量的球面像差的引入。眼球62具有角膜 66、透鏡64和視網(wǎng)膜68。通常會(huì)遇到對(duì)應(yīng)5μπι的大約10個(gè)波長(zhǎng)λ (10 λ )的球面像差， 其主要與中央扁平的角膜的邊緣相關(guān)。
圖3是確定植入的透鏡的必需的折射效果的計(jì)算途徑70的示意圖。多種光束72 轉(zhuǎn)換成一個(gè)瞳孔函數(shù)74，可被想象為路徑長(zhǎng)度76的空間分布，并可以用數(shù)學(xué)式78表達(dá): P(x, y)=P(x, y)exp(ikW(x, y)),其中 P(x, y)是振幅，exp (ikW(x, y))是合成瞳孔函數(shù)的相位。相位取決于波矢量k=2 Jir/λ，λ是單個(gè)光束的波長(zhǎng)，W(x，y)是其路徑長(zhǎng)度，i表示虛數(shù)單元數(shù)目。點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(PSF)SO可自瞳孔函數(shù)74導(dǎo)出，數(shù)學(xué)上可表達(dá)為傅里葉變換 82:PSF(x, y) = |FT(P(x, y)) |2，還可圖解地表示為偽三維函數(shù)84，顯示接近衍射受限的情況，示出人工晶狀體眼僅具有較小的光學(xué)像差。斯特列爾比i 86可從計(jì)算式70中根據(jù)88 i=(max(PSF(x, y))/max(PSFdiff (x, y))導(dǎo)出，其中PSF(x, y)表示有像差的光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，PSFdiff (x，y)類似于理想化的衍射受限的光學(xué)系統(tǒng)。點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(PSF)SO和斯特列爾比i 86可用于直觀化眼睛的光學(xué)性能和視網(wǎng)膜圖像的清晰度。
圖4是可用于評(píng)測(cè)視網(wǎng)膜圖像清晰度的卷積計(jì)算的數(shù)學(xué)過程的直觀圖。成像過程90可直觀化為稱為卷積94的數(shù)學(xué)運(yùn)算過程，其中通過卷繞每個(gè)圖像點(diǎn)與光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)PSF96，可模糊化物體92的理想化圖像，得到圖像100。在具有6mm瞳孔直徑的人眼的情況中，PSF96顯示為偽三維圖98。因而，視網(wǎng)膜圖像100的清晰度可由點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù) PSF96確認(rèn)。
圖5是示出作為有限元建模(FEM)結(jié)果的負(fù)載角膜中的應(yīng)力和應(yīng)變分布的側(cè)橫截面圖。用有限元建模(FEM)算法102模擬負(fù)載角膜上的應(yīng)力104和應(yīng)變106的分布，可以測(cè)定角膜內(nèi)部基質(zhì)組織的局部密度，可自這個(gè)密度導(dǎo)出折射率的空間分布n(x，y)，得到角膜內(nèi)多種光束的光學(xué)路徑長(zhǎng)度的可變性的測(cè)量結(jié)果。首先，有限元建模(FEM)提供了與局部組織密度成比例的體積單元中的剛度參數(shù)的分布。例如在A. Pandolf 等人的Biomechan. Model Mechanobiology 5237-246，2006中描述了 FEM建模在角膜生物力學(xué)中的應(yīng)用。同樣在后表面上施加2千帕(kPA) (15mmHg)的眼內(nèi)壓力。僅前彈性層108完整固定在邊緣上。在圖5的左邊部分上，示出了沿著徑向方向的柯西應(yīng)力分布；絕對(duì)值的范圍是-2. 5kPa 至+2. 5kPa。在圖5的右邊部分上，顯示了最大主應(yīng)變分布；基質(zhì)組織的相對(duì)壓縮或膨脹介于-O. 07至+0. 07之間。
用熒光發(fā)射法表征角膜圖6是顯示二次諧波成像(SHGi)和雙光子激發(fā)熒光成像(TPEFi)的物理過程的示意圖。在圖6的上部左側(cè)，示出了二次諧波成像(SHGi) 140的原理。連貫地添加頻率為05的雙光子146和148，產(chǎn)生瞬時(shí)從能級(jí)144再輻射至142的具有頻率2 ωρ的光子150。在圖6 的上部右側(cè)，直觀化了雙光子激發(fā)熒光成像(TPEFi)過程。頻率我餓05的雙光子156和 158將分子從基態(tài)能級(jí)152激發(fā)至激發(fā)能級(jí)154。由于分子在大約I毫微秒內(nèi)被去激勵(lì)至能級(jí)162，因此在大約I微微秒內(nèi)經(jīng)熱輻射至能級(jí)160后，熒光光子ωΡ再次輻射。在圖6 的下部分中，例示出了 SHGi (二次諧波發(fā)生)和TPEFi (雙光子激發(fā)熒光)的成像過程的波長(zhǎng)依賴性。通常，由于頻率為ωρ的照射飛秒激光束的波長(zhǎng)從166經(jīng)168降至170，頻率為信號(hào)174，176和178的強(qiáng)度以及頻率為TPEFi信號(hào)182、184和186的強(qiáng)度增大。在雙光子角膜顯微鏡/檢眼鏡中，如圖7所述的，使用波長(zhǎng)為780nm的照射飛秒激光，以優(yōu)化角膜內(nèi)部膠原纖維和細(xì)胞突的成像的對(duì)照。
圖7示意性示出用于表征角膜設(shè)計(jì)而定制的眼內(nèi)透鏡的優(yōu)選的設(shè)備702。設(shè)備702 包括激光器704，優(yōu)選雙光子激光器；控制單元706和掃描單元708。雙光子激發(fā)顯微鏡是一種熒光成像技術(shù)，能夠成像存活組織至I毫米的深度。雙光子激發(fā)顯微鏡是多光子熒光顯微鏡的一種特殊的型號(hào)。雙光子激發(fā)由于其較深的組織深入性、有效的光檢測(cè)和較小的射線損害而優(yōu)于共焦顯微鏡檢查法。雙光子激發(fā)的概念基礎(chǔ)是低能的雙光子可以在一個(gè)量子級(jí)別中激發(fā)的熒光團(tuán)，導(dǎo)致熒光光子通常以比兩個(gè)激發(fā)光子中的任一個(gè)更高的能量發(fā)射出。雙光子的近同時(shí)吸收的概率非常低。因此，通常需要高通量的激發(fā)光子，常常是飛秒激光。
適宜的激光器可來自美國加州桑尼維爾CalmarLaser公司。該激光器發(fā)出的每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間是大約50至大約100飛秒，能級(jí)至少是大約O. 2nJ。優(yōu)選地，激光器704在每秒內(nèi)產(chǎn)生大約5千萬個(gè)波長(zhǎng)為780nm的脈沖，脈沖長(zhǎng)度是大約50fs，每個(gè)脈沖的脈沖能量是大約10nJ，激光器是500mW激光器。發(fā)出的激光束720由轉(zhuǎn)向鏡722引導(dǎo)穿過中性濾光片724以選擇脈沖能量。激光器發(fā)出的激光束720的直徑通常是大約2_。隨后，激光束720穿過分色鏡728，然后到達(dá)掃描單元708，掃描單元708將脈沖在空間上分布成多種形式的光束。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)730控制掃描單元708，掃描眼中的角膜732。
激光器發(fā)出的光束720的直徑是大約是2至2. 5mm。離開掃描儀708的光束720隨后由聚焦裝置聚焦成適合掃描角膜732的尺寸，通常是直徑為大約I至2 μ m的光束。聚焦裝置可以是任意系列的可用來減小激光束至理想尺寸的透鏡和光學(xué)設(shè)備，如棱鏡。聚焦裝置可以是伸縮透鏡對(duì)742和744以及顯微鏡物鏡746，其中第二轉(zhuǎn)向鏡748引導(dǎo)光束從透鏡對(duì)到達(dá)顯微鏡物鏡。聚焦顯微鏡物鏡可以是40x/0. 8的工作距離為3. 3mm的物鏡。掃描和控制單元優(yōu)選為位于德國海德堡的Heidelberg Engineering公司的Heidelberg Spectralis HRA掃描單元。
掃描單元中的光學(xué)器件中具有一塊直徑為大約150至450 μ m的無需移動(dòng)角膜732 或光學(xué)裝置即可掃描到的區(qū)域。為了掃描角膜的其他區(qū)域，必須在X，y平面上移動(dòng)角膜。 同時(shí)，為了掃描角膜的不同深度，必須在z方向上移動(dòng)激光掃描儀的焦點(diǎn)平面。
控制單元706可以是任意計(jì)算機(jī)，包括存儲(chǔ)器、處理器、顯示器和輸入裝置，如鼠標(biāo)和/或鍵盤。控制單元已編好程序，使來自掃描單元708的激光束具有需要的模式。
角膜732前表面上的細(xì)胞在780nm的激光束的激發(fā)下將發(fā)出熒光，產(chǎn)生大約530nm 波長(zhǎng)的綠光。發(fā)出的光沿著入射激光的路徑前進(jìn)，即，入射光穿過顯微鏡物鏡746，被轉(zhuǎn)向鏡748反射通過透鏡744和742，穿過掃描單元708進(jìn)入分色鏡728，分色鏡將熒光反射至路徑780，通常與穿過分色鏡728的入射光的路徑成直角。在路徑780中，發(fā)出的光穿過濾光器782，濾除具有不需要的頻率的光，隨后通過聚焦透鏡784到達(dá)光檢測(cè)器786。光檢測(cè)器可以是雪崩光電二極管。光檢測(cè)器得到的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)控制單元730的存儲(chǔ)器或其他存儲(chǔ)器中。
因而，用具有能產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的紅外光照射角膜的前表面，檢測(cè)產(chǎn)生的熒光。對(duì)前表面來說，入射紅外光聚焦在基本與眼睛光軸相垂直的多個(gè)不同的平面上，其中這些平面與角膜的前表面相交錯(cuò)。
可用相同的步驟來表征后表面，在基本與眼睛光軸相垂直的多個(gè)不同的平面上聚焦紅外光，其中這些平面與角膜的前表面相交錯(cuò)。在64個(gè)分離的平面上進(jìn)行掃描，其中用間隔大約為3微米的光束進(jìn)行掃描。
掃描角膜內(nèi)部的區(qū)別在于內(nèi)部區(qū)域中的膠原蛋白薄層產(chǎn)生的是藍(lán)光而非綠光。藍(lán)光的波長(zhǎng)大約為390nm。當(dāng)掃描角膜內(nèi)部時(shí)，必須使用另一個(gè)濾光器732來確認(rèn)藍(lán)光均穿過濾光器到達(dá)光檢測(cè)器786。
圖8是膠原組織結(jié)構(gòu)的SHG成像的概覽圖。在圖8的上部左側(cè)直觀化了膠原三螺旋188，示出了膠原纖維的典型結(jié)構(gòu)。膠原纖維是位于角膜基質(zhì)內(nèi)部的合成的三維層狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)體。在圖8的下部左側(cè)中，示出了二次諧波發(fā)生(SHG)激光/膠原纖維相互作用的過程。頻率為ω的光子194使較遠(yuǎn)纖維偏振至中間能級(jí)196，然而，相同頻率ω的第二光子198也產(chǎn)生了瞬間的電子能級(jí)192。電子激發(fā)立即被再輻射成雙倍能量的光子200，頻率為2ω。由于膠原纖維的單向形狀，使得這個(gè)過程能獲得較高的產(chǎn)率。近來已經(jīng)報(bào)道了角膜組織的二次諧波成像(SHGi) (Μ. Han, G. GieseJP J. F. Bille, “角膜和鞏膜中的膠原纖維的二次諧波成像”，Opt. ExpreSS13，5791-5795 (2005))。用圖7的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)開自膠原纖維的非線性光學(xué)偏振226的方程式224測(cè)定SHGi信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度228與二階偏振項(xiàng) [χ (2))]2直接成正例，與飛秒激光脈沖的脈沖長(zhǎng)度^成反比。這樣，如圖7所述的，由于膠原纖維的強(qiáng)單向性以及雙光子角膜顯微鏡/檢眼鏡內(nèi)使用的飛秒激光的超短脈沖長(zhǎng)度，高對(duì)比度的SHGi圖像直觀地顯示了角膜基質(zhì)的三維層狀結(jié)構(gòu)。
在解剖學(xué)上，圖9示出了眼睛的角膜14，從其前表面12至其后表面16包括上皮 230，前彈性層244、基質(zhì)246，后彈性層248，和內(nèi)皮250。上皮230由多個(gè)細(xì)胞層組成，如并入基細(xì)胞層242中的細(xì)胞層232、234、236、238和240。雙光子角膜顯微鏡的雙光子激發(fā)自發(fā)熒光模式(TPEF)可清晰成像基細(xì)胞層242以及前表面12，可以得到上皮230的厚度的空間分辨的測(cè)量結(jié)果。還可用雙光子角膜顯微鏡的雙光子激發(fā)自發(fā)熒光模式成像內(nèi)皮，得到角膜14的厚度的空間分辨的測(cè)量結(jié)果?；|(zhì)246由接近200個(gè)膠原蛋白薄層組成，如252、 254、256、258、260、262和264，具有合成的三維結(jié)構(gòu)，可利用雙光子角膜顯微鏡的二次諧波成像(SHGi)模式評(píng)估?；谶@些測(cè)量結(jié)果，如圖5所例舉的，在膠原結(jié)構(gòu)剛度的有限元建模(FEM)的支持下，可以重構(gòu)角膜內(nèi)部的折射率的三維分布。因而，可以高空間分辨率測(cè)定光線追蹤計(jì)算中多個(gè)光束在角膜內(nèi)部的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。因而，可以繪制角膜的前表面、后表面和/或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地形圖。
在圖10中，示出了由多個(gè)單體成像區(qū)域形成的合成角膜形狀圖270。通常，中央成像區(qū)域280延伸超出大約2mm的直徑，包括接近2000x2000個(gè)成像像素，總計(jì)4百萬成像點(diǎn)或像素，得到接近I μ m的分辨率(如使用尼康50x/0. 45顯微鏡物鏡)。合成的角膜形狀圖270包含雙光子顯微鏡圖像的三維堆疊，由雙光子激發(fā)熒光成像(TPEFi)或二次諧波成像(SHGi)-成像模型組成。為了匹配直徑接近6_的定制的眼內(nèi)透鏡的尺寸，采用了 6個(gè)外圍的成像區(qū)域 290、292、294、296、298 和 300。利用交疊區(qū) 310、312、314、316、318 和 320 中的運(yùn)行時(shí)間的灰度值象素的交叉相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)單體區(qū)域的定位。因而，合成角膜地形圖具有接近2千8百萬個(gè)數(shù)據(jù)，提供了穿過角膜的一個(gè)橫向薄片的空間分辨的合成圖像。通常，用穿過角膜的一百個(gè)橫向薄片來重構(gòu)當(dāng)多個(gè)光束通過人工晶狀體眼的角膜時(shí)所述光束的光路長(zhǎng)度。
設(shè)計(jì)和制作誘鏡根據(jù)圖7的設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)透鏡的方法在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，包括了 Roffman 提出的美國專利5，050，981中所記載的方法，對(duì)于這些方法該文獻(xiàn)在此通過引入作為本發(fā)明的一部分。在申請(qǐng)人前述的共同申請(qǐng)的美國專利12/717,886 (案卷19780-1)中也描述了制作或調(diào)整透鏡的方法。
視力清晰度的測(cè)定參看圖11，其示意性地說明了一種用于測(cè)定患者的視力清晰度的系統(tǒng)，在圖11的例子中，還具有植入的眼內(nèi)透鏡1102。用于此的系統(tǒng)基本與圖7示出的設(shè)備相同，使用了相同的激光器704和掃描儀708。任選地，出于模擬與圖像清晰度和焦距深度相關(guān)的折射校正效應(yīng)的目的還可使用自適應(yīng)光學(xué)模塊(A0模塊)1104。出于預(yù)補(bǔ)償激光器704產(chǎn)生的單個(gè)光束的目的，AO模塊708由相位板補(bǔ)償器和活動(dòng)鏡組成。在申請(qǐng)人的美國專利7，611，244中描述了可用于本發(fā)明的用來補(bǔ)償光束中的不對(duì)稱像差的自適應(yīng)裝置。在申請(qǐng)人的美國專利 6，155，684中描述了用自適應(yīng)光學(xué)反饋控制預(yù)補(bǔ)償人的折射特性的方法和設(shè)備。在申請(qǐng)人的美國專利號(hào)6，220，707中描述了活動(dòng)反射鏡的使用。單個(gè)光束1112穿過角膜1114，隨后是眼內(nèi)透鏡1102，聚焦在視網(wǎng)膜上，形成視網(wǎng)膜圖像1120。由于進(jìn)入的光的波長(zhǎng)是大約750 至大約800nm，優(yōu)選地為大約780nm，色素上皮細(xì)胞中的熒光蛋白和感光體將發(fā)出頻率為大約530nm至大約550nm的熒光。圖11用線1122示出了發(fā)出的光。發(fā)出的熒光的強(qiáng)度表明了角膜1114和眼內(nèi)透鏡1102聚焦進(jìn)入的光束的情況，并找出其中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中更高的強(qiáng)度示出更好的聚焦。為了測(cè)定是否獲得改善了的聚焦，為了增大熒光產(chǎn)生的圖像的清晰度，可以諸如通過調(diào)整自適應(yīng)光學(xué)模塊1104中的相位板或活動(dòng)反射鏡改變進(jìn)入的掃描光的路徑長(zhǎng)度。
任選地，可提供視力刺激1124，如斯內(nèi)倫視力表，獲得患者在視力清晰度方面的客觀的反饋。
利用該方法，可以測(cè)定植入透鏡，如人工晶體(I0L)、角膜透鏡或接觸透鏡，以及原位置透鏡的變型(角膜、IOL和天然晶狀體透鏡)的效力。
雖然優(yōu)選的實(shí)施方式已經(jīng)在細(xì)節(jié)上描述了本發(fā)明，但也可能存在其它的實(shí)施方式。例如，雖然是對(duì)應(yīng)眼內(nèi)透鏡的用途來描述本發(fā)明，但可以理解獲得的用于表征角膜的數(shù)據(jù)也可用于制作接觸透鏡和其它植入眼睛的透鏡。因此，本發(fā)明的權(quán)利要求所保護(hù)的范圍不應(yīng)受到這里所包含的對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的描述的限制。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)定眼睛角膜形狀的方法，所述角膜具有前表面、后表面和位于所述前表面和后表面之間的內(nèi)部區(qū)域，本方法包括以下步驟a)用具有能使被照射的角膜部分產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的紅外光照射所述前表面、后表面和內(nèi)部區(qū)域中的至少一個(gè)；以及b)檢測(cè)產(chǎn)生的熒光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中步驟a)包括照射所述前表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中照射步驟a)包括照射所述后表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中照射步驟a)包括照射所述內(nèi)部區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括一個(gè)測(cè)定所述內(nèi)部區(qū)域中多個(gè)位置的光路長(zhǎng)度的額外步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中測(cè)定患者角膜內(nèi)部的多個(gè)地點(diǎn)的光路長(zhǎng)度包括檢測(cè)任何產(chǎn)生的藍(lán)光，其中藍(lán)光的存在表明了角膜中膠原蛋白薄層的存在。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述藍(lán)光的波長(zhǎng)大約為390納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中照射步驟a)包括照射所述前表面、后表面和內(nèi)部區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述眼睛具有光軸，照射步驟a)還包括在與眼睛光軸基本垂直的多個(gè)不同平面上聚焦紅外光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述平面與所述角膜的前表面相交。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括一個(gè)制作所述角膜的前表面的至少一部分的地形圖的額外步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述平面與所述角膜的后表面相交。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括一個(gè)制作所述角膜的后表面的至少一部分的形狀圖的額外步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中照射步驟a)包括照射所述內(nèi)部區(qū)域以及與所述內(nèi)部區(qū)域相交的平面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括一個(gè)制作所述角膜的內(nèi)部區(qū)域的至少一部分的地形圖的額外步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述紅外光的波長(zhǎng)大約為780nm。
17.—種為患者制作人工晶狀體的方法，包括根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法測(cè)定患者角膜的形狀并根據(jù)測(cè)得的角膜形狀確定患者需要的屈光度校正的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括其它的步驟a)選擇尺寸適宜用作人工晶狀體的透鏡坯料；以及b)使用激光器調(diào)整所述透鏡坯料的點(diǎn)折射率以獲得確定的屈光度校正。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括一個(gè)根據(jù)確定的角膜形狀確定患者需要的非球面校正的額外步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括其它的步驟a)選擇尺寸適宜用作人工晶狀體的透鏡坯料；以及b)使用激光器調(diào)整所述透鏡坯料的點(diǎn)折射率以獲得確定的屈光度和球面校正。
21.根據(jù)權(quán)利要求17或19所述的方法，包括一個(gè)根據(jù)確定的角膜形狀確定患者需要的環(huán)面校正的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括其它的步驟a)選擇尺寸適宜用作的透鏡坯料；以及b)使用激光器調(diào)整透鏡坯料的點(diǎn)折射率以獲得確定的屈光度和環(huán)面校正。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括其它的步驟a)選擇尺寸示意用作人工晶狀體的透鏡坯料；以及b)用激光器調(diào)整透鏡坯料的點(diǎn)折射率以獲得確定的屈光度、球面和和環(huán)面校正。
24.一種用于確定眼睛角膜形狀的設(shè)備，所述角膜具有前表面、后表面和位于所述前表面和后表面之間的內(nèi)部區(qū)域，該設(shè)備包括a)用于照射角膜的選定區(qū)域的激光器，所述選定區(qū)域包括所述前表面、后表面和內(nèi)部區(qū)域中的至少一個(gè)，并使用具有能使被照射的角膜部分產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行照射；b)用于在角膜的選定區(qū)域中聚焦光線的聚焦裝置；以及c)產(chǎn)生的熒光的光檢測(cè)器。
25.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述選定的區(qū)域包括所述內(nèi)部區(qū)域。
26.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述眼睛具有光軸，所述聚焦裝置在與眼睛光軸基本垂直的多個(gè)不同的平面上聚焦所述紅外光。
27.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述眼睛具有光軸，所述聚焦裝置在與眼睛光軸基本垂直的多個(gè)不同的平面上聚焦紅外光。
28.一種測(cè)定患者視力清晰度的方法，包括以下步驟a)用具有能使視網(wǎng)膜的色素上皮細(xì)胞中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的掃描光線照射患者眼睛，所述掃描光線包括多個(gè)光束；b)檢測(cè)蛋白質(zhì)熒光所產(chǎn)生的圖像的清晰度；以及c)調(diào)整所述掃描光線的至少一部分光束的路徑長(zhǎng)度，以增大所述熒光產(chǎn)生的圖像的清晰度。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述掃描光線的波長(zhǎng)為大約750至大約800nm。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述掃描光線的波長(zhǎng)大約為780nm。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述患者具有人工晶狀體。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中照射步驟a)包括照射視網(wǎng)膜的光檢測(cè)器，以從中產(chǎn)生突光。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中調(diào)整步驟c)包括用相位板補(bǔ)償器調(diào)整所述路徑長(zhǎng)度。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中調(diào)整步驟c)包括用活動(dòng)反射鏡補(bǔ)償器調(diào)整所述路徑長(zhǎng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測(cè)定眼睛角膜形狀的系統(tǒng)，用具有能使被照射的角膜部分產(chǎn)生熒光的波長(zhǎng)的紅外光照射眼睛的前表面、后表面和內(nèi)部區(qū)域中的至少一個(gè)。隨后檢測(cè)產(chǎn)生的熒光。其照射步驟包括在與眼睛光軸基本垂直的多個(gè)不同的平面上聚焦紅外光。根據(jù)檢測(cè)到的光線可以制作角膜的至少一部分前表面、至少一部分后表面和/或一部分內(nèi)部區(qū)域的地形圖。通過使視網(wǎng)膜的色素上皮細(xì)胞中的蛋白產(chǎn)生自發(fā)熒光可確定視力的清晰度。
文檔編號(hào)A61B3/107GK102939044SQ201080018948
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者J·F·比勒 申請(qǐng)人:安倫科技股份有限公司