專利名稱：精密激光外科手術(shù)用的方法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外科手術(shù)的方法及儀器，特別涉及精密激光外科手術(shù)所用的改進方法和儀器。在一個較佳實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)用于實現(xiàn)精密激光眼外科手術(shù)。在其他的實施例里，本發(fā)明能適用于包含著精密激光操作的非外科手術(shù)的診斷步驟或非醫(yī)學(xué)的過程，例如工業(yè)過程。
大約在1960年，開始引入了第一具外科手術(shù)用的顯微鏡，這絕大部分歸功于Littman博士在卡爾·蔡司廠的工作。在此之前，外科醫(yī)生要求在他們尋求進行手術(shù)的區(qū)域具有放得更大的象時，用的是一組額外附著在雙孔眼鏡下部的、包含著幾個放大透鏡的放大鏡，這尤其用于眼科學(xué)，也用于耳鼻喉科及其他領(lǐng)域。在其他諸如泌尿科及體內(nèi)外科學(xué)的學(xué)科中，也用過圓筒型的內(nèi)窺鏡。
部分地是由于JoaquinBarraquer博士的開創(chuàng)性工作，外科手術(shù)顯微鏡廣泛地在眼科學(xué)中使用起來;在眾多的其他過程之中首先是用于角膜移植手術(shù)，其后是用在白內(nèi)障外科手術(shù)上。它的放大倍數(shù)的量級、變焦能力以及工作區(qū)域的確定，給于外科醫(yī)生一種能更好地對準進行手術(shù)區(qū)域的手段。最終結(jié)果乃是減小了對病人的損傷，降低了手術(shù)的復(fù)雜程度，使外科手術(shù)過程日益精密。
建立在直接地觀測目標象的光學(xué)系統(tǒng)上的、目前已視為常規(guī)的外科顯微鏡在早期所獲得的成就，導(dǎo)致了若干眼科研究小組的建立，其中最著名的是國際眼科顯微外科手術(shù)研究小組(“IOMSG”)，它們促進了顯微外科新的概念和新的技術(shù)。自1966年他們開創(chuàng)以來，在IOMSG會議上提出的邀請論文已經(jīng)由Karger，Basel作為眼科學(xué)進展叢書出版。
外科手術(shù)顯微鏡的使用所導(dǎo)致的顯微外科的延生，由于其日益精密的外科手術(shù)過程的先進性，重新激起了眼科界的興趣。鑒于眼科醫(yī)生們要求精度及控制，他們最終轉(zhuǎn)向出現(xiàn)于1960左右的另一個發(fā)現(xiàn)，即激光。
在60年代，70年代及80年代，激光廣泛地用于眼科學(xué)，目前已成為眾多外科專用儀器中平常的工具3。激光有若干顯著的優(yōu)點，它代替了解剖刀，這已是顯然的事實。
由于激光能量是由光子組成，選擇激光發(fā)射波長使其與包埋組織的優(yōu)先吸收帶相對應(yīng)，則可以認為激光完成了“非侵害式”外科手術(shù)，用這種方法，外科醫(yī)生不必為了要在規(guī)定深度上進行手術(shù)而撕開所覆蓋的組織層。
但是，生物組織是一種廣譜能量吸收體(盡管并不是均勻地吸收)。故在實際中，“非侵害式”激光外科手術(shù)適應(yīng)于這樣一種努力，即，與預(yù)定目標上的能量吸收相比，能把沿著激光束光路上進入生物組織以及到達作為目標的組織后面的激光能量吸收減到最小。
在80年代初，Aron-Rosa博士在美國專利№.4，309，988上介紹了一種用于眼科的鎖模摻釹的釔鋁石榴石(NdYAG)激光器，聲稱證實了等離子體衰減會感生出向外擴展的沖擊波。Frankhauser博士(美國專利№.4，391，275)宣稱使用Q開關(guān)的NdYAG激光器得到了某些相似的結(jié)果?，F(xiàn)在，已確立超短脈沖激光器最合適被選擇用于要求抑制熱效應(yīng)傳播的眾多外科手術(shù)過程。
在1986年，這種方法由于激發(fā)物泵激染料激光器的開發(fā)更向前推進一步(不要和激發(fā)物激光器相混淆，后者由于具有紫外激光的高能量光子特性，其特征是一種貫穿性光燒蝕激光器，參見Trockel待公布的美國專利;Schneider和keates的美國專利№.4，648，400;Srinivasian的美國專利4，784，135以及L′Esperance的美國專利№.4，665，913)，它們能預(yù)期地建立一種等離子體效應(yīng)，與以前所表述過的結(jié)果相比顯著地降低了脈沖能量(參見Ferrer和Shlar編的“眼科學(xué)進展”第14卷，Karger出版社，1987以及Troutman等在同一卷中以及在TransofAmophthSoc(美國眼科學(xué)協(xié)會志)1986年的材料)。
本申請人在這里進行的實驗室實驗(未發(fā)表)表明，如果能用小于0.5微焦耳的脈沖產(chǎn)生出被緊緊包圍著的等離子體的話，則可使包埋腔體的直徑小于0.5微米。由此產(chǎn)生的小規(guī)模損傷的輕重程度，與使用這種激光器的外科手術(shù)儀器的引導(dǎo)系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)所能達到的精確度及允許誤差有關(guān)。目前，激光器日新月異。但人們普遍認為目前激光外科手術(shù)儀器所能達到精度及控制已不再是由激光技術(shù)的發(fā)展來規(guī)定，而是由有效地使用這些激光器所需的成象及追蹤技術(shù)所決定。
了解一下用于目標探測、目標識別以及目標追蹤的儀器的當(dāng)前實踐情況及范圍有助于評價當(dāng)前技術(shù)的受限因素。當(dāng)前用于診斷和檢查的主要儀器，例如在眼科學(xué)中，是(1)外科手術(shù)顯微鏡、(2)狹縫燈顯微鏡、(3)角膜計(Keratometer)、(4)測厚計、(5)角膜儀(corneoscope)、(6)窺器顯微鏡、(7)A&B超聲掃描儀和(8)基底照相機。還有大量用于確定內(nèi)部眼壓的附加儀器、張力計、壓力計、用于視場檢驗的視野計(目場計)和用于近似測定眼折射率的其他設(shè)備。第1、2及8項向外科醫(yī)生提供他所需要的目標象。第3、4、5、6及7項使外科醫(yī)生能測量病人眼睛的特定尺寸和條件。
上述這些儀器在前述可接受的允許誤差范圍內(nèi)證實是有效的。
本發(fā)明的目的是通過適用于高精度激光外科的方法、儀器及系統(tǒng)來適應(yīng)激光外科對允許誤差的更高要求(尤其是對眼外科，但也對其他醫(yī)學(xué)學(xué)科)，從而向外科醫(yī)生提供一本質(zhì)上是實時的“活”象，包含著關(guān)于將要用外科手術(shù)激光器工作的部位和深度的完整的維持診斷的信息。在計算機內(nèi)對給定信號的完整信息內(nèi)容作出解釋以提供出這一維持診斷的信息，最終可達的精度為幾個人類細胞尺寸或者更優(yōu)。本發(fā)明還進一步提供幾種非外科手術(shù)用工具，使得不只是單靠角膜前表面的近似曲率值(角膜計測的“K”讀數(shù))來測定眼的整個折射率。這要求眼的整個反射面的曲率讀數(shù)并考慮到象散以及眼的各光學(xué)部分之間的調(diào)節(jié)適應(yīng)。
按照本發(fā)明，提供了一種精細控制及高精度的激光顯微外科手術(shù)所用的方法、設(shè)備及系統(tǒng)，它包含著一用戶接口，該接口對醫(yī)生給出要進行手術(shù)區(qū)域的形貌以及外科手術(shù)用激光束瞄準的部位及透入深度所需的精確和大量的三維目視信息。
本系統(tǒng)也適用于非醫(yī)學(xué)操作，例如工業(yè)操作，利用聚焦的激光束以高精度在運動著的目標上完成施工。
在用戶接口上，為外科醫(yī)生面前提供了一個電視屏幕，該屏幕可劃分成四個象限其中一個象限用來顯示所用電視攝象機外科手術(shù)顯微鏡提供的實時狀態(tài)下細胞壁的象，對外科手術(shù)顯微鏡進行變焦可以把象放大，例如，放大25倍到500倍。外科手術(shù)微觀象可以表示出，例如，小至100微米量級尺度的區(qū)域。這種實時電視象是外科手術(shù)激光器當(dāng)時正指向的精確部位和深度處的組織的象，也可以是緊靠著目標后面的臨界細胞的象，這些臨界細胞應(yīng)得到監(jiān)視以保證對這些敏感的組織不造成損傷(例如，沿著激光脈沖光軸而在激光脈沖之后的角膜內(nèi)皮細胞)。即使激光器還未被投入運行，也可在醫(yī)生/用戶的控制之下用外科手術(shù)顯微鏡以不同的深度來掃描不同的部位。
電視屏幕的其他兩個象限用于顯示計算機生成的象，這些象示出了待進行手術(shù)的組織剖面。這些剖面可取自兩個分離的正交面，或者是由醫(yī)生所選擇的其他剖面。每一個計算機生成象上都有一個精確顯示外科手術(shù)激光器當(dāng)前所指向的位置的十字叉或者其它指示物。
電視屏幕的第四個象限用于計算機生成的平面視圖，它被放得很大但還未達到外科手術(shù)顯微鏡顯示的尺度。在這最后一個象限里，和/或在任一其他剖面圖象上，都可以由醫(yī)生選擇疊加上一個“樣板”，用來自動地控制激光發(fā)射的路徑，以便精確地控制在顯微外科手術(shù)期間所造成的激光損傷的尺寸和部位。因而，外科醫(yī)生可以根據(jù)以前有關(guān)顯微外科，例如，特定類型校正的眼外科方面的知識和經(jīng)驗的積累，來進行工作。
通過有效地把樣板疊加在該區(qū)域的計算機生成的象上，醫(yī)生便能執(zhí)行預(yù)先貯存的程序，自動地以預(yù)定的精密控制方式實施外科手術(shù)。然而應(yīng)該注意到，倘若缺乏相伴隨的三維目標瞄準能力和圖象穩(wěn)定手段，樣板所生成的外科手術(shù)的實用性就嚴重地限于只是非敏感組織(這里通常不必考慮太高的三維精度)，或只是相對穩(wěn)恒或不移動的目標(這對于“活”的生物系統(tǒng)來說，在高放大信數(shù)下通常也不易達到)。
本發(fā)明的儀器和系統(tǒng)的精度最好選擇在5微米之內(nèi)，乃是由使環(huán)內(nèi)包含有進行目標位置實際測量工作的閉環(huán)系統(tǒng)來確定的。(例如，由微步進馬達為基礎(chǔ)建立的組合體可以具有0.1微米的單步分辨率，由馬達編碼器可予以檢證，但滑動器的熱梯度可能會產(chǎn)生更大的變化。而且，滑動器的位置可以通過獨立的光學(xué)編碼器來檢證，但目標的隨機震動可能會破壞馬達的相對精度)。因此，外科醫(yī)生是在5微米的精度范圍內(nèi)，了解視場內(nèi)的組織形貌以及他正把儀器瞄準該組織所在的精確位置的。采用任何一種以往所用的儀器和實踐方法，采用系統(tǒng)的可預(yù)定的方式，均無法達到這一精度。本發(fā)明設(shè)法避免象過去那樣用雙筒顯微鏡觀察以獲取立體光學(xué)象，并且據(jù)此作出改進。
在本發(fā)明的一個較佳實施方案中，該儀器使外科醫(yī)生或用戶能夠任意選擇待進行手術(shù)的三維結(jié)構(gòu)的任何剖面，以及該結(jié)構(gòu)的等高線族。成象系統(tǒng)的焦點(它和聚焦的激光器脈沖的焦點精確重合，后者只是在仔細考慮要啟動時才激勵)也自動地顯示在每一顯示屏幕上。此處不需要單獨的瞄準束，因為激光束軌跡不僅與成象系統(tǒng)共用相同的光路，而且這兩光路共軸地通過同一最后聚焦透鏡。從而消除了這兩個不同光路的失配現(xiàn)象，而且也消除了檢證這兩個不同光路是否具有共有焦面和共有焦點的必要性。
一旦儀器的用戶對待進行手術(shù)的組織的結(jié)構(gòu)及等高線族具有充分多的剖面圖象，他便可以在計算機屏幕上繪出欲進行的治療步驟?？梢允褂萌舾刹煌南到y(tǒng)向計算機傳達所要求的步驟。我們可以使用市售的帶有專門光筆的接觸式屏幕，也可以使用牽引球(tractionball)或操縱桿。然后，外科醫(yī)生或者隨手繪制出他建議的手術(shù)情況，或者使用某些預(yù)先編程的幾何設(shè)計。前面曾簡要描述過的另一個系統(tǒng)，乃是把計算機所生成的、意欲進行的外科手術(shù)路徑的樣板，疊加在屏幕上所顯示的成象信息圖案之上。如前所討論的那樣，這種樣板的資料庫可以預(yù)先通過經(jīng)驗的積累加以開發(fā)，并且為外科醫(yī)生或用戶提供了修改這些樣板以滿足一定場合特定要求的性能。由于外科醫(yī)生要進行的手術(shù)通常是復(fù)雜和精細的，因此這是一個非常重要的特征。通過首先規(guī)定這些樣板，外科醫(yī)生便能夠?qū)唧w的某個病人要產(chǎn)生的特殊的三維創(chuàng)傷形狀作出反映，以便在手術(shù)開始之前提出治療方案。
隨著具有逐漸增高的重復(fù)率的激光器的實用化，某一給定的外科手術(shù)過程所要求的、有時是錯綜復(fù)雜的工作模式的實現(xiàn)速度遠遠快于外科醫(yī)生循環(huán)地用手工瞄準、啟動激光器的能力。在以前的系統(tǒng)和手術(shù)過程中，外科醫(yī)生是瞄準目標，核對他是否對準，目標是否沒有移動，然后再啟動激光器，接著，他再移到下一個目標，并重復(fù)這一過程。在早期這種手術(shù)過程中，手術(shù)持續(xù)時間的限制因素是聚焦目標時醫(yī)生的反應(yīng)時間，以及醫(yī)生在尋找目標以及啟動激光器對目標確認作出反應(yīng)的這段時間內(nèi)病人的移動情況。反之，采用本發(fā)明的儀器和系統(tǒng)，通過使用目標搜索及追蹤系統(tǒng)，讓外科醫(yī)生能在一段時期內(nèi)自動穩(wěn)定的象上預(yù)先確定他的激光發(fā)射圖案，將病人的移動便穩(wěn)定下來了。涉及到本發(fā)明的系統(tǒng)在時間上的限制因素僅僅涉及到激光器自身的重復(fù)速率以及追蹤系統(tǒng)把象連續(xù)地穩(wěn)定在安全及效力所要求的允許誤差范圍之內(nèi)的能力。對于后者，本發(fā)明的一個跟隨目標移動的實施方案已實現(xiàn)了若干次的追蹤響應(yīng)速率(它由安全性及穩(wěn)定性考慮所決定)快于激光器的最大重覆速率(也快于顯示裝置的最大幀速率)。利用本發(fā)明已描述過的實施方案，可以實現(xiàn)更快的總的回路延遲時間，但此延遲受到追蹤探測器的極限速率以及追蹤隨動鏡的質(zhì)量這兩者的限制。業(yè)已確定，這種閉環(huán)目標識別和追蹤應(yīng)該每秒至少重覆20次，以期顯著地改進人的反應(yīng)時間，并且速率最好是大于500赫茲，以期能夠使儀器和外科醫(yī)生最有效地在選定部位發(fā)射激光，并且在合理的時間間隔內(nèi)完成外科手術(shù)過程。
利用本發(fā)明的儀器，外科醫(yī)生可以預(yù)先定出所擬訂的治療處理的圖型，可以把該圖形和實際的目標組織進行比較，可以反映出此過程可能達到的結(jié)果，可以把他擬訂的外科手術(shù)與其他外科醫(yī)生在類似場合下的所作所為作一番比較，可以把他擬訂的作用時期長短與結(jié)構(gòu)弛豫的理論模型進行比較，并且能夠保證當(dāng)他最終對所擬訂的步驟感到滿意時，按下按鈕就能使所要求的外科手術(shù)以每秒獨立地拍攝幾個目標的速率進行(但該速率低于追蹤系統(tǒng)的響應(yīng)速率)并帶有一個附加的安全系數(shù)。這種速度把手術(shù)期間可招致不幸的病人的移動所造成的危險降到最小。而在以前的系統(tǒng)中，外科醫(yī)生無法持續(xù)一致地從組織上切下包埋的圖型，這需要相當(dāng)精確而且要有連貫性，因為醫(yī)生尋求目標的技巧只依賴于他自身瞄準快速、隨機移動的目標并擊中它的能力。外科醫(yī)生那時并沒有可供使用的快速、實時的追蹤系統(tǒng)來確保三維發(fā)射過程中的可靠定位。
安全性是激光外科手術(shù)一個非常重要的考慮因素。在以前的外科手術(shù)系統(tǒng)及過程中，激光器的關(guān)閉過程的安全性依賴于人的反應(yīng)時間，例如，在發(fā)射激光會變得不安全的情況下外科醫(yī)生可用腳踏板使儀器不能工作。在眼科中，某些儀器作為安全特征有賴于壓力傳感器，在手術(shù)期間，病人的前額正常狀態(tài)下是靠在這里的。如果傳感器檢測到壓力不夠，則儀器便不再啟動。
這類先有的安全系統(tǒng)本質(zhì)上具有緩慢的反應(yīng)時間，不能對啟動期間會引起的各種問題作出足夠快的響應(yīng)。在眼外科手術(shù)中，這種情況尤其真實，對某些神經(jīng)外科手術(shù)過程更是嚴重。激光外科手術(shù)儀器要求有卓越的安全連鎖，這點在其他醫(yī)學(xué)學(xué)科不如在眼科中看得這樣清楚，其原因部分地由于若缺乏安全性就會使手術(shù)過程難以行得通以致于沒有根據(jù)去做實驗。相反，本發(fā)明的目標俘獲及追蹤系統(tǒng)使得能夠得到一種新的高度可靠的安全系統(tǒng)。如果因某種原因，在一指定的手術(shù)期間或者在它之前，追蹤系統(tǒng)失去了它的(追蹤)目標，儀器就會停止啟動，因此，在眼外科手術(shù)中，這種安全的子系統(tǒng)將適應(yīng)于在手術(shù)期間眼睛眨動或其他故障物所產(chǎn)生的問題，它們是一種經(jīng)常出現(xiàn)的具有潛在危險的問題。
眨眼睛，作為一個例證可以說明本發(fā)明的儀器和系統(tǒng)的安全特征的作用。當(dāng)眨動著的眼瞼進入成象系統(tǒng)的視場時，便顯著地改變了追蹤系統(tǒng)為對運動著的眼的運動進行穩(wěn)定所依賴的形貌信息。此時，系統(tǒng)則中斷預(yù)編程的發(fā)射程序，同時在存貯器內(nèi)維持著它前面正在工作的形貌、外科醫(yī)生所選定的樣板信息以及對給定的樣板為已確定的形貌在中斷之前最未一次所執(zhí)行過發(fā)射的位置。
只要眨動的眼瞼和其他故障物一離開視場，目標搜索系統(tǒng)就能返回識別它以前正操作著的形貌并自動地把激光焦點放在規(guī)定的發(fā)射程序序列中的下一個位置上。于是，外科醫(yī)生可以用開關(guān)重新開始發(fā)射，并且時間驗證目標的確被重新俘獲。然而，在多次使用儀器的實驗和有了信心之后，外科醫(yī)生可以決定不用手動開關(guān)來重新啟動發(fā)射程序以便讓系統(tǒng)自動返回到樣板所規(guī)定的發(fā)射指令程序，無需激勵。
本發(fā)明的追蹤子系統(tǒng)用于兩個重要的目的，一個目的是實時地(“實時”實質(zhì)上就是僅被電子學(xué)系統(tǒng)及追蹤鏡的速率造成的延遲)追蹤并跟隨著病人組織的運動，不僅包括可以用專門處理加以緩解的自主運動，而且還包括著在活標本上較難加以控制的不自由主的運動;另一個目的乃是連續(xù)地以與實時相等價的閉環(huán)速度顯示出組織的同一剖面的象。于是，提供給外科醫(yī)生/用戶的是這一組織的連續(xù)的、基本上不移動的顯示圖象，而與病人的移動無關(guān);它進而還提供追蹤失效時(也就是說，靠用來跟隨運動的追蹤算法所依賴的計算機存貯的象不再識別出該組織，并且在選定的手術(shù)時間間隔內(nèi)，視線無法重新瞄向相應(yīng)的組織時)能中止外科手術(shù)激光束作用的故障安全裝置。
如上所述，以前的常規(guī)可供眼外科手術(shù)用的儀器包括角膜儀、角膜計和厚度計，給外科醫(yī)生/用戶提供出有限的關(guān)于眼的角膜的測量信息。角膜儀提供角膜外表面的等高線簇，或角膜的上皮表面上的等高線簇，這些是從所投影的共心照明環(huán)所導(dǎo)得的。角膜計給出上皮表面層的剖面曲率，從而估計出眼睛的前表面晶狀體(角膜上皮表面)的屈光率。只考察一組測量點，給出信息是有限的。測厚計則用來確定角膜的中心軸厚度測量。
所有先有的儀器均要求化大量時間去推導(dǎo)得出精密眼外科手術(shù)所希望有的信息，而且，外科醫(yī)生/用戶可能會需要所有這些儀器以及另外一些儀器以期獲得高精度外科手術(shù)所需的充分資料。從而，用這些常規(guī)儀器進行實時手術(shù)是不可能的(此實時取決于待治療目標組織的真實運動以及人對這些運動的最快響應(yīng))。而且，對于精細的激光眼外科手術(shù)，使用這些儀器時要求眼幾乎全然“不動”，或者外科醫(yī)生/用戶不得不滿足于僅能夠達到的差的精度。使眼睛“不動”的方法規(guī)定了對精度以及有效的可靠性的限制。而且，整個儀器是由并不能組合成一順利操作的儀器的若干個設(shè)備構(gòu)成，除了在外科手術(shù)之前或之后使用外，并不能在手術(shù)期間進行使用。
本發(fā)明用于精密激光外科，特別是眼外科手術(shù)的系統(tǒng)、儀器和方法采取迥然不同的處理途徑。連續(xù)的適時更新的象，尤其是電視圖象，在外科手術(shù)進行時呈示在外科醫(yī)生/用戶之前，這些象包含了醫(yī)生要可靠且精密地進行一給定眼外科手術(shù)過程所需的、以三維形式出現(xiàn)的全部信息。眼的運動由一追蹤系統(tǒng)跟隨，其工作速率至少和電視屏幕回掃電視圖象的速率一樣快，在采用專用微處理機時其工作速率至少和閉環(huán)條件下的刷新速率一樣快(刷新速率數(shù)倍于激光器的最大重復(fù)速率)。通過跟隨著作為研究對象的眼組織的追蹤，也就是說，識別該同一組織的新位置、調(diào)節(jié)成象系統(tǒng)和外科手術(shù)激光器瞄準新的位置，其總的操作速率快于激光器的發(fā)射速率，這樣便保證了激光器在按規(guī)定圖案發(fā)射時，不會以不能接收的距離偏離開規(guī)定的位置。在本發(fā)明的較佳實施方案中，誤差距離在眼外科手術(shù)期間所有場合里均處在5微米之內(nèi)，雖然隨著以后的使用和實驗可能會發(fā)現(xiàn)，要求更為嚴格或者更為寬松的誤差容限以改善總的性能。
按照本發(fā)明，實時成象和追蹤是用一追蹤鏡達到的，該鏡可以處在壓電傳感器或電磁傳感器，或者其他快速的伺服設(shè)備的定向控制之下。這些傳感器根據(jù)微處理機所提供的有關(guān)該相同組織新位置的信息，在目標上以大于每毫秒30微米的速率，沿著兩個轉(zhuǎn)軸調(diào)整該鏡的位置。
最好把照明光、外科手術(shù)激光束以及強化的電視外科手術(shù)顯微鏡安排在同一光軸上，光軸上也置放上追蹤此組織用的轉(zhuǎn)動鏡。外科手術(shù)顯微鏡提供一個放得相當(dāng)大的激光對準的組織的象，視場可以從0.1毫米調(diào)節(jié)到100毫米。
各分開的攝象機分別占有外科手術(shù)顯微鏡、激光器以及照明體所用的光路的一部分。在此公共的光路中至少還有追蹤鏡以及末端聚焦透鏡或前端元件透鏡。輪廓攝象機(proflingcamera)由投影的Ronchi刻度在眼上和眼內(nèi)的位置來獲得數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)足以生成外科醫(yī)生所需的整個范圍的三維信息，它們顯示在電視屏幕上。輪廓攝象機還和微處理機及編程結(jié)合在一起，記錄下某些特征所處的位置并找出和重新確定眼睛移動后同樣的這些特征所在的位置。微處理機以及編程也用這些信息來確定目標位置的Z軸偏離并對Z軸定位驅(qū)動器發(fā)出指令以跟隨輪廓攝象機所探測到的這種目標運動。這些運動將通過目鏡前端元件的運動得到分析和校正。
Z軸偏離的分析以及校正透鏡的運動這兩者均慢于追蹤隨動鏡的X，Y分析和運動。但是，相同的信息、微處理機以及編程對周期性的精度校正所用的隨動鏡的快速追蹤信號的作用，更詳細些說，在追蹤探測器由于外加的阻礙或由于不能預(yù)見的附機運動速率未能識別目標或其位置時，它們起到位置的絕對參照信號的作用。此時，來自輪廓攝象機起始激發(fā)的相同信息，用來驅(qū)動追蹤隨動鏡使之適當(dāng)轉(zhuǎn)動，以便使追蹤攝象機的軸重新指向在發(fā)生移動前已存在的視場中心。進而，此追蹤攝象機可以利用本發(fā)明的三維測繪系統(tǒng)詳細地識別出涉及某一定組織特征的深度偏離末端聚焦透鏡的運動。相應(yīng)地，微處理機和編程發(fā)出指令給末端聚焦透鏡，來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的焦點，也就是追蹤攝象機、外科手術(shù)顯微鏡以及外科手術(shù)激光器的焦點以期再度正確地聚焦在所要求的組織特征位置上。
追蹤攝象機最好是只掃描一行位置的探測器組成的線性陣列。它們是一些專用探測器，不僅極其快速，而且由于它們積累的數(shù)據(jù)比輪廓攝象機所積累的要少，故能在小于100微秒內(nèi)被讀出。
在本發(fā)明的一個較佳實施例中，采用了如下所述的分離的快速追蹤及慢速追蹤環(huán)路?？焖僮粉櫗h(huán)路可用線性陣列探測器，而慢速追蹤環(huán)路可以以可達到的最大電視幀速率使用輪廓攝象機的信息。
應(yīng)該指出，不僅僅是病人方面的運動要用本發(fā)明的系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和補償。外科手術(shù)自身在其進行時也會引起組織的特征形貌的變化。追蹤系統(tǒng)跟隨著它認為是給定特征場的那些內(nèi)容。
把強化的攝象機併合進來，本發(fā)明儀器和系統(tǒng)具有高的靈敏度，只需低的光照明度，并能生成高分辨率和高反差的電視圖象。光照度保持在為人眼設(shè)定的安全水平上。利用本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，可以在合適的距離外觀察病人的組織，使病人即使在眼科手術(shù)期間也感到十分舒適，且允許外科醫(yī)生/用戶容易接近病人以保證安全，在緊急情況下或者為了外科醫(yī)生/用戶可能感到是正當(dāng)?shù)娜魏纹渌蚨∪说囊蓱]。
變焦光學(xué)系統(tǒng)也包括在本發(fā)明的系統(tǒng)中以便讓醫(yī)師可以選擇電視圖象的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)可以從例如是約為25倍到500倍。不同的變焦范圍適用于不同的外科手術(shù)過程，其間維持總的變焦比約為20倍。
常規(guī)用于眼外科手術(shù)的儀器經(jīng)常使用鏡面反射技術(shù)用來檢測視覺特征所在位置和進行測量。基本上說，用鏡面反射光技術(shù)通常只能測出復(fù)蓋住角膜表面皮層的淚表面層。反射光信號一般不足以獲得角膜內(nèi)皮的表面形貌信息，而只用于實時表征人眼晶狀體的前、后包囊的三維形狀。來自角膜內(nèi)皮的反射光具有如此低的光強，以致處在實時探測裝置的噪聲電平以下，該裝置需要以足夠的速率和確定性獲取信號信息來實現(xiàn)對內(nèi)表層形貌的實時追蹤和顯示。依靠基于角膜各單幅象的獲取而建立的廣泛的計算機分析，這些儀器并不能提供本發(fā)明擁有的外科手術(shù)過程所需的必要的閉環(huán)響應(yīng)時間值。
而且，由于眼組織的大部分不僅是透明而且呈球狀，當(dāng)用有限孔徑的光學(xué)系統(tǒng)從一設(shè)定的方向進行觀察時，在醫(yī)生關(guān)心的整個表面不可能得到鏡面反射，更不用說通?；騼?yōu)先進行實際外科手術(shù)的反射面之間的中間區(qū)域了。
本發(fā)明的系統(tǒng)綜合使用了鏡面及散射光技術(shù)來探測及鑒別病人組織的反射表面、表面位移、特征及形狀。它特別適用于已證實采取嚴格的鏡面技術(shù)仍難以區(qū)分開角膜前方的非晶淚層和角膜的結(jié)構(gòu)表面皮層之間差別的那種眼睛。甚至角膜的內(nèi)皮細胞的細胞壁也會散射光。因此，利用探測散射光的方法組合成象，此強化的外科手術(shù)顯微鏡便能產(chǎn)生出這些真實細胞的象。外科手術(shù)顯微鏡以及追蹤攝象機可利用正交偏振方法基本上排除鏡面反射光。也可以采用其它方法來優(yōu)先緩解對散射象的鏡面反射，但在本發(fā)明的這一實施例中并不被認為是最佳的。
使用這些光探測技術(shù)，本發(fā)明的儀器和系統(tǒng)可以反復(fù)地對外科醫(yī)生/用戶顯示出成象系統(tǒng)及外科手術(shù)激光器的精確的焦點以便可靠地控制激光外科手術(shù)，尤其是眼外科手術(shù)。有關(guān)眼睛所有相關(guān)特征的完整信息，包括諸如角膜的皮層及內(nèi)皮表面這類特征的精確位置和形狀，都顯示給外科醫(yī)生。本發(fā)明的這一實施例中探測新信息的速率不低于激光的最大重復(fù)速率以及合適的安全邊限這兩者之和(例如快十倍)，并且在所有時間內(nèi)也不會小于電視屏幕的幀速率，亦即是目前標準電視每秒速率的30倍。根據(jù)本發(fā)明可以實現(xiàn)更快的重復(fù)倍數(shù)。
因此，在本發(fā)明的一實施例中，用于眼科激光外科手術(shù)的系統(tǒng)包括一個激光源，其光束的功率能實現(xiàn)在視覺組織上所要求的外科手術(shù)類型，還帶有一個發(fā)送激光束的光路裝置，包含著用于控制激光束瞄準及聚焦深度的光束定向裝置。該系統(tǒng)還具有用三維方式探測病人眼睛上和眼內(nèi)的位置、形狀和特征，并產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)及信號的三維測繪裝置。顯示部分接收來自此三維測繪裝置的信號，并向外科醫(yī)生/用戶提供表示眼的位置、形狀和特征的實時圖象。位置分析裝置接收來自三維的信號，并識別眼的特征位置是否發(fā)生變化。相關(guān)的目標追蹤裝置尋找特征，并在其位置改變后找出它的新位置、生成新位置的指示信號。追蹤定位裝置接收此信號，并實時地改變?nèi)S測繪裝置，使其瞄向此特征的新位置，從而跟隨著該特征，并把象穩(wěn)定在顯示裝置上，并且同時調(diào)節(jié)激光束的瞄準，使其指向被定為目標的該特征的新的位置上。
因此，極大地改進激光外科手術(shù)特別是眼外科手術(shù)的精度、速度、范圍、可靠性、多樣性以及有效性乃是本發(fā)明的一個目的，它是通過在外科手術(shù)期間連續(xù)向醫(yī)生/用戶提供某些信息的儀器及系統(tǒng)來實現(xiàn)的。這些信息涉及外科手術(shù)激光束的精確位置、瞄準和深度以及以三維形式呈現(xiàn)待研究組織周圍特征。在外科手術(shù)特別是眼外科手術(shù)(眼的運動可能很快和不由自主，這是很危險的)期間追蹤病變組織的移動也是本發(fā)明的目的。本發(fā)明另一個目的是提供一個安全裝置，它先設(shè)立定位在三維空間的可重現(xiàn)的發(fā)射指令序列，然后以高的重復(fù)速率啟動此指令序列，從而避免了消耗于進行下一個目標之前反復(fù)觀測、瞄準以及每一次發(fā)射上所需的時間。本發(fā)明還有一個目的是提供適用于非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的系統(tǒng)，此時用激光束對過程中必需移動的單個目標或多個目標進行精密的加工。本發(fā)明的這些目的和其他目的、優(yōu)點以及特點，通過下列較佳實施方案的描述，并參照附圖會變得一目了然。


圖1是按照本發(fā)明的原理進行精密激光外科手術(shù)的儀器或工作臺的透視圖。圖1中，工作臺繪制成是用于眼外科手術(shù)的。
圖2是電視屏幕的放大平面圖，該電視屏幕示出了在眼外科手術(shù)前階段過程中向外科醫(yī)生/用戶提供信息的例子。
圖3是一個分解的透視圖，表示出了本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)選光學(xué)系統(tǒng)以及其他元件。
圖4是與本發(fā)明系統(tǒng)有關(guān)的方框圖。
圖5是更詳細的方框圖，表示本發(fā)明系統(tǒng)各光學(xué)元件之間的信息流、控制情況以及用戶接口元件。
圖5A是一方框圖，表示兩個分開但又配合的追蹤方法，即快追蹤環(huán)路和慢追蹤環(huán)路的交替作用。
圖6是表示操縱桿及樣板信息流程的另一個方框圖。
圖6A是一個方框圖，說明了本發(fā)明一些子系統(tǒng)之間的功能性的相互依賴關(guān)系。
圖7是透視示意圖，圖示說明了在一彎曲、翹扭或象眼睛表面那樣的一般球形表面上的Ronchi刻度的離軸投影情況，以及用攝象機對此投影Ronchi刻度進行軸上觀測的情況。
圖8是一示意圖，示出了用圖7所示的攝象機所能見到的象。所示之象對應(yīng)于被目標以及標準刻度所歧變了的Ronchi刻度投影的相干圖形。
圖9是圖7和8所示的成象中光強相對于位置的點劃曲線。
圖10是構(gòu)成本發(fā)明系統(tǒng)一部分的目鏡組件示意圖。
在附圖中，圖1表示按本發(fā)明原理制成的工作臺形式的精密激光外科手術(shù)及診斷/分析儀器。本發(fā)明的這一實施例中，工作臺10是為眼科手術(shù)設(shè)計的。其中，患者坐在椅子11上，其前額緊靠前額座12，下巴緊貼下巴座13。醫(yī)生/用戶坐在椅子14上。
雖然本發(fā)明的系統(tǒng)、設(shè)備及方法都是參照眼科手術(shù)及診斷來說明并討論的，但應(yīng)該理解，本發(fā)明的應(yīng)用范圍還包括其它科的醫(yī)療診斷、外科處理過程及非醫(yī)療作業(yè)(如使用激光的精密制造過程及基于激光的通訊過程)。
本發(fā)明的儀器和系統(tǒng)10還包括用于觀察系統(tǒng)和激光發(fā)射的控制裝置16，從而使醫(yī)生/用戶能夠觀察待進行手術(shù)的組織(指所說明的工作臺上的眼睛)的形貌及內(nèi)部特征，且能夠在三維空間精確控制激光光束的發(fā)射路徑及發(fā)射圖案。正如下面說明的那樣，醫(yī)生可以手動控制或通過預(yù)先編程的樣板來控制激光的發(fā)射，該樣板可以與待進行手術(shù)的組織的像重疊，從而可以根據(jù)過去類似的手術(shù)過程的經(jīng)驗對所希望的激光發(fā)射圖案進行自動跟蹤。
本系統(tǒng)還包括用來取某些像並把激光束對準待研究的組織的末端聚焦透鏡或叫前透鏡元件17(如下面所述，為物鏡組件的一個部件)。發(fā)光光束也可以通過末端透鏡17投射到該組織上。儀器10的中央立柱18可以包含圖1中看不到的治療用激光器、發(fā)光體及外科用顯微鏡。
本系統(tǒng)還包括適當(dāng)形式的顯示裝置，最好是圖示的CRT視頻屏幕19。
踏板20可以作為保險裝置提供給外科醫(yī)生，從而當(dāng)在踏板20上施加足夠壓力時可以使激光器觸發(fā)裝置起動，而當(dāng)解除了踏板20上的壓力時立即中斷激光發(fā)射。
在圖1中表示出的還有對著組織(即患者的眼睛)用于三維測繪系統(tǒng)的光學(xué)投影儀21或一種合適的投影儀。在本發(fā)明的實施例中，光學(xué)投影儀21把Ronchi刻度投影到眼睛上和眼睛內(nèi)，該投影到眼睛上和眼睛內(nèi)的Ronchi圖象由輪廓攝像機(圖1中未示出)進行分析，該攝像機也使用末端聚焦透鏡17，共用外科用顯微鏡、治療用激光器及發(fā)光體的一部分光學(xué)路徑。
如圖1所示，供患者和醫(yī)生坐的椅子11及14最好能用導(dǎo)軌22充分調(diào)節(jié)，以便調(diào)節(jié)離設(shè)備的距離;椅子應(yīng)有足夠的高度，椅背應(yīng)是可調(diào)節(jié)的。前額座和下巴座12、13也是可調(diào)節(jié)的。
圖2表示視頻監(jiān)視器19的屏幕24上所能顯示的內(nèi)容的例子。屏幕24上的信息是要給用戶足夠多的關(guān)于要進行激光手術(shù)的特殊組織的三維結(jié)構(gòu)及特性的信息。例如，屏幕可以分成所示的4個象限。左上象限24a可以顯示來自視頻顯微鏡的圖象。因此，如圖所示，可以在該象限顯示出具有相當(dāng)高的分辨率及對比度的單獨的細胞壁，這些細胞壁可以是角膜內(nèi)表面細胞，或角膜內(nèi)皮的壁。外科用顯微鏡最好有變焦調(diào)節(jié)裝置，以便屏幕上所顯示的放大倍數(shù)可以按醫(yī)生/用戶的希望在大約25到500倍的范圍內(nèi)變化。
如圖2所示，屏幕的右下象限24d可以顯示患者組織一個區(qū)域的放大平面圖，但最好是需要進行外科手術(shù)治療處理的全視場的放大平面圖。在眼科手術(shù)中，如果手術(shù)是在角膜上進行的話，該視場就可以包括，例如，前段處理所需的比角膜尺寸大的視場。就這種手術(shù)來說，在象限24d上顯示的平面圖或x-y平面可以有同軸重疊在角膜圖象上帶等高線簇26的等高圖。十字光標或十字交叉線27和28供外科醫(yī)生辨認外科手術(shù)治療用激光當(dāng)前所指的精確點。這些十字交叉線也可以表示切剖線，它們確定了圖2中屏幕象限24b及24c所示組織的橫截平面圖內(nèi)的軸線。因此，象限24d中的十字光標或十字交叉線27及28表示象限24b及24c中橫截平面所取的平面。右上象限24b顯示出沿線27所取的X-Z平面上的橫截面。同樣，屏幕的左下象限24c表示沿象限24d中所示的十字交叉線28的X-Z平面。
按本發(fā)明的該較佳實施例，象限24b及24c的橫截平面圖象是由計算機生成的圖像。在說明圖中，該圖象是具有內(nèi)皮表面、上皮表面及位于內(nèi)皮及上皮表面之間基質(zhì)的眼睛角膜的圖象。在本例中假定外科手術(shù)過程將在兩個橫截面象限中所示的病變組織31的凝塊或畸變體、異體上進行。如果構(gòu)成眼睛主要折射透鏡的角膜的光學(xué)特性不滿足患者及醫(yī)生的要求，可以進行手術(shù)處理以改進非健康角膜的折射能力。
如圖2所示，象限24b及24c中的橫截面圖象還包含有交叉線32、33和34、35用來精確地為醫(yī)生指出激光當(dāng)前瞄準及聚焦的位置，既使當(dāng)前可能還未發(fā)射激光。
如左邊象限24a及24c所示的那樣，可能存在有一定尺寸或位置的屏上顯示。因此，可以在視頻屏幕上生成框或窗口37及38以顯示與要進行手術(shù)的組織有關(guān)的數(shù)據(jù)。另外，屏幕上最好還應(yīng)包含諸如圖2中所示的屏幕左邊豎條39中的一些符號。這些符號包含供醫(yī)生選擇用的清單，且最好是以分支查找表格的形式。這些符號包括屏幕象限24b、24c及24d所希望用的顯示類型;對所建議的手術(shù)過程指出預(yù)編程模式的樣板選擇;及其它外科參數(shù)，如激光脈沖功率強度或激光光束重復(fù)率、角膜“透鏡”開始和結(jié)束時的屈光度、損傷形狀、樣板的修正、新樣板的生成、信息的存貯器存貯及檢索、記錄保持及對患者病歷文件的存取、關(guān)于建議的手術(shù)過程的可能結(jié)果的統(tǒng)計信息的存取、給定手術(shù)過程所希望的眼睛信息中的某一層信息的選擇等(例如圖2所示的用于角膜手術(shù)的屏幕、用于白內(nèi)障手術(shù)的一組不同屏幕或手術(shù)后階段的一組不同屏幕)。該清單最好由位于屏幕上所示的豎條39上的光標來選擇，該光標可以由鍵盤輸入來控制，或最好(為了消除在鍵盤上誤擊鍵的危險)是用諸如球形鼠標的引導(dǎo)球(例如商標為“Logimouse”的產(chǎn)品，如圖142所示)來控制。
說到要遵循的外科手術(shù)路徑的預(yù)編程樣板的使用，外科醫(yī)生有多個選擇。他可以取存在存貯器中，由他本人或其它醫(yī)生進行的別的先前手術(shù)中總結(jié)得到的先前樣板，他也可以建立新的樣板或修改舊的樣板。這可以通過把屏幕上的樣板與眼部組織相重疊來得到。例如，可以用Macpaint(蘋果計算機公司的商標之一)在屏幕上畫出樣板，或由另一種基于軟件的繪圖系統(tǒng)畫出。外科醫(yī)生利用，例如，圖2所示的三個屏幕象限形式，按三維形式作圖。因此，醫(yī)生可以首先在屏幕24d以平面圖的形式建立圖型，然后，在屏幕象限24c上以一個橫截面的形式對它加以限定，接著再在屏幕象限24b上以另一個橫截面的形式來限定。醫(yī)生可以用鼠標把光標定位在樣板路徑的一個點，輕按鼠標，控制鼠標把該點移到新的位置，然后再按鼠標來固定該點的新位置?；蛘?，醫(yī)生可以把光標定位在屏幕上一個閉環(huán)路徑的中間，輕按鼠標，隨著鼠標的移動，把整個手術(shù)路徑以相同形狀重新定位，再輕按一下就固定了新的位置。
醫(yī)生可以使用一現(xiàn)存的樣板，把它與圖2所示的圖象相重疊，然后象使用本系統(tǒng)的編輯方式所希望的那樣修改此圖形。這樣，醫(yī)生就可以精確確定要在眼部組織上產(chǎn)生的激光誘發(fā)損傷的軌跡，從而精確地得到所希望的手術(shù)治療。
圖1所示的控制裝置16包括大家熟悉的電位器形式的操縱桿43。醫(yī)生可以使用操縱桿43象圖2的象限24d中所示那樣上、下、左、右移動目標位置，即圖2中的十字光標27和28的交點。這是關(guān)于患部組織的平面圖，在眼科手術(shù)中就是眼睛的平面圖。因此，如果用操縱桿把十字光標或截面線28移到象限24d(所示的X-Y平面)的左邊，就同樣將把十字光標33移到上部為X-Z平面的象限24b的左邊。同時，由于該線的移動也改變了取Y-Z平面橫截面所用的點，故而，線28的移動也將改變屏幕象限24c中橫截面圖象。同樣，如果象屏幕上所示的那樣，把象限24d的橫向十字光標27向下移動，就將產(chǎn)生移動象限24c中縱向十字光標的效果，并且還將產(chǎn)生在右上象限24b中(X-Z平面)顯示不同橫截面形狀的并發(fā)效應(yīng)。
應(yīng)該強調(diào)的是，在圖2的3個象限24b、24c及24d中所示的計算機生成的圖形只是把相關(guān)信息呈現(xiàn)給醫(yī)生的方法的舉例。實際上，在屏幕左面的菜單39中最好提供可供醫(yī)生選擇的其它類型的圖象。
操縱桿控制裝置43還包含有激光發(fā)射序列指令控制裝置43a。激光發(fā)射保險聯(lián)鎖踏板(未作圖示)需要兩個分開的協(xié)調(diào)動作來起動激光發(fā)射指令序列。
供醫(yī)務(wù)工作用戶所用的圖1所示的控制裝置16還包含有提供瞄準鏡面實際位置的數(shù)字顯示裝置，從而提供了系統(tǒng)正確運轉(zhuǎn)的備用校驗裝置及不用該儀器的幾種自動定位特性時手控用的單獨的位置定量指示器。其它的控制及指示器特征包括內(nèi)部安全中斷的啟動或截止裝置，當(dāng)追蹤系統(tǒng)及目標探測系統(tǒng)運轉(zhuǎn)及對準目標時顯示的發(fā)光二極管顯示器、當(dāng)系統(tǒng)部件在系統(tǒng)定義范圍內(nèi)成功完成校驗時發(fā)光的LED(發(fā)光二極管)、指示電源接通的LED，以及幫助探測系統(tǒng)故障位置的視頻顯示器。附加的安全LEDs確認踏板中的激光發(fā)射保險聯(lián)鎖上是否有足夠壓力，產(chǎn)生樣板圖形的微處理機是否處在對發(fā)射指令序列的控制狀態(tài)。
圖3表示本發(fā)明儀器所用的較佳光學(xué)系統(tǒng)的部件分解立體圖。外科手術(shù)用激光器50與軸向光源51、分解顯示的外科用顯微鏡及攝象機53a及53b有共同的光路。攝象機53a和53b具有從患部組織讀取信息供計算機生成圖2所示橫截面圖的功能，并能在患者移動而使特征位置移到一個新的位置后，通過送到計算機的信號和執(zhí)行程序，找出并確認該給定特征的位置，從而跟蹤患部組織。這兩個攝象機有時被合起來稱作追蹤/輪廓攝象機53。攝像機53b最好包含有一個能夠以高速取像的視頻攝像頭，這樣就可用于描繪輪廓、形貌映像、低速追蹤及圖象識別。攝像機53a最好包含有兩個線性的(正交則更好，但這不是必要的)陣列探測器用于高速跟蹤。
“共同的光路”指的是，當(dāng)追蹤/輪廓攝像機53與在圖3右部所示的其余光學(xué)元件相對時，攝像機53與其它設(shè)備使用共同的光學(xué)元件，即追蹤隨動鏡54及末端聚焦透鏡或前端透鏡元件17。追蹤/輪廓攝像機53打算用來覆蓋諸如圖3所示的眼睛58(或眼睛的一部份)等患者患部組織的某一視場。透鏡59把圖象聚焦到攝像機53的表面。不準備讓攝像機的圖象相對待觀察的患部組織作水平移動，而只是通過追蹤隨動鏡面54來跟蹤患部組織?？梢杂蓧弘?或類似物品)傳動裝置控制的追蹤隨動鏡面54隨著患者組織的移動沿X及Y軸瞄準移動，以使攝像機53的觀察中心軸總是返回到患部組織上的相同點。同樣，聚焦透鏡17延Z軸方向調(diào)節(jié)聚焦以響應(yīng)待處理的組織特征在深度上的移動，以便該系統(tǒng)總是聚焦在患部組織所需深度的點上。
圖3右部的光學(xué)元件，即外科用顯微鏡52、治療用激光器50和光源51都共用追蹤隨動鏡54反射的光路，該光路同軸(就外科用顯微鏡組件及治療用激光器組件的情況而言)通過前端透鏡元件17。但這些元件沿其工作的軸線不必與攝像機53的觀察軸線同軸。這是因為存在著位于攝像機53光路外部但處在其它元件(即外科用顯微鏡52、激光器50及光源51)的光路內(nèi)部的方向定位鏡61的緣故。定位鏡61在醫(yī)生/用戶的控制下是易于操縱的。鏡61可相對于X及Y軸調(diào)節(jié)，因此，使醫(yī)生能在攝像機53的視場內(nèi)選擇發(fā)射激光的不同位置。因此，當(dāng)醫(yī)生把激光器直接瞄準攝像機53視場的中央時，圖3右部的3個元件52、50和51的軸線62將只與追蹤攝像機53的觀察軸相重合。在其它情況下，他們將共用通過元件54及17的同一光路，但它們將不對應(yīng)相同的軸線。
參照圖1、圖2及圖3，定位鏡61的功能會得到更好的理解。當(dāng)醫(yī)生移動操縱桿43時，將產(chǎn)生移動圖2中計算機生成的屏幕象限中所示的十字光標及變換象限24b和24c所示的橫截面圖象的效果。同時，移動操縱桿還能改變方向定位鏡61的朝向，從而產(chǎn)生以下效果(a)使屏幕象限24a中的外科用顯微鏡圖像上下左右移動;(b)把沿軸線62與外科用顯微鏡完全同軸的來自激光器50的治療用激光束的實際目標移到與屏幕象限24b、24c及24d中所示的計算機生成的瞄準點相重合的真實瞄準點上;(c)同樣改變對給外科用顯微鏡52提供成象用光的光源51的瞄準點。
治療用激光器50可以是頻率倍增的固態(tài)激光器(Nd∶YAG，Nd∶YLF，鉺或其它)。固態(tài)激光器可以是閃光燈或二極管激勵的激光器，也可是由氬、氬激勵染料、激態(tài)基態(tài)復(fù)合物、激態(tài)基態(tài)復(fù)合物激勵染料、氮、氮激勵染料激勵的激光器或任何其它當(dāng)前可用的或在研制的激光器或它們的組合。本發(fā)明可使用其光學(xué)表面具有所必需的不同涂料的任何激光器。一種石英及氟化鎂聚焦元件可用作元件17以適應(yīng)紫外激光器。本發(fā)明不是專用的激光器，但有希望成為更有效地使用任何治療用激光器的外科手術(shù)用儀器。激光器50最好產(chǎn)生一種對每個脈沖能級、脈沖最大功率及重復(fù)率均可控制的脈沖束。
光束擴大透鏡68、69最好位于激光器50的光路上且可進行調(diào)節(jié)以便擴大從激光腔射出的激光脈沖的直徑，并對準它，以便從透鏡68射出來一個平行但擴大了光束。擴大并校準后的光束入射到末端透鏡17，該擴大了的光束大體上充滿了整個透鏡。因此，由透鏡17對大直徑的光束進行聚焦，從而只有眼睛內(nèi)的聚焦點處衍射限制的脈沖激光束能有效地產(chǎn)生所希望的治療用殺傷。
正如圖3的部件分解圖所示的那樣，光源光束首先由鏡面72反射，然后離開分光鏡面73的反射表面，大體與沿光束軸線74的激光束的路徑同軸。然后，兩組光束由鏡面76反射并由偏振光束分離器77中的反射面反射。這與偏振器66一起有效地防止了來自光學(xué)系統(tǒng)的激光脈沖的內(nèi)部反射，以免損壞或擊破敏感的視頻顯微鏡攝像頭。如圖所示，此后，光源光束及激光束就與視頻顯微鏡52的觀察軸一起共用軸線62。
如前所述，外科用顯微鏡52具有在例如25到500倍的范圍內(nèi)在屏幕上可調(diào)放大的變焦儀器。這使得醫(yī)生能夠觀察非常窄的區(qū)域，如數(shù)十微米寬，或以較小的放大倍數(shù)觀察寬得多的區(qū)域。這可使醫(yī)生能夠保證自己對一個特殊的所希望區(qū)域進行瞄準或聚焦。借助球形鼠標42(見圖1)來控制選擇，通過使用圖2所示的分支查找表39，可以有效地進行變焦。
外科用顯微鏡52最好包含倍增型視頻攝像機，例如硅倍增目標(SIT)顯像攝像機。另外，它也可以是普通視頻攝像機與微通道板狀倍增器的組合。其任一種攝像機的靈敏度最好是普通視頻攝像機的1000倍左右，從而使系統(tǒng)可以在很大的工作距離，以所希望的高的放大倍數(shù)觀察弱的散射光和照明差的目標。
圖1和圖3所示的末端聚焦透鏡17是由儀器自動控制的，也可由醫(yī)生通過操縱桿來控制。正如上面所述的那樣，當(dāng)計算機及程序通過跟蹤及輪廓攝像機53的輸入探測到目標組織已經(jīng)移動，且新的位置已經(jīng)確定時，患部組織可能處在離透鏡17不同的深度及在視場上的不同的水平位置上。這就需要改變透鏡17的聚焦，而這是在計算機的控制下自動完成的。跟蹤及輪廓攝像機53具有能給它提供較寬視場深度的光學(xué)元件，從而使各種特性即使在不同深度，都可以在調(diào)整聚焦之前得到確認。因此，當(dāng)仍處在可接受的聚焦點時，這些特性可以得到跟蹤，而末端透鏡17可以相應(yīng)調(diào)節(jié)以使系統(tǒng)聚焦處在新位置的中央。如下面進一步說明的那樣，這最好通過輪廓攝像機53b，在其幀頻率下來完成，而不是用頻率更快的跟蹤攝像機53a。
醫(yī)生常常希望在改變手術(shù)用激光器50深度的同時，改變外科用顯微鏡52的聚焦深度(圖2中的左上象限24a作此視頻顯示)。這是通過向某一方向轉(zhuǎn)動操縱桿43，靠透鏡17來使系統(tǒng)聚焦得更深或更淺。這當(dāng)然對跟蹤探測器及輪廓攝像機53的聚焦點也有影響。它將改變輪廓攝像機的聚焦中心并將向下移動屏幕象限24b及24c的水平十字光標，但由于輪廓攝像機53b的視場深度足夠?qū)挘瑥亩阅艿玫綀D像。醫(yī)生對末端透1鏡17聚焦的調(diào)節(jié)是添加在由跟蹤系統(tǒng)進行的自動調(diào)節(jié)上部的，故凈的聚焦變更由該系統(tǒng)進行。
在本發(fā)明的實施例中，跟蹤探測器由以正交方向的兩個高速線性陣列探測器及一個陣列處理器組成，以便把最新的位置信息以大致高于激光重變率或圖像攝像機的幀頻的頻率饋給跟蹤鏡。跟蹤探測器及處理器的響應(yīng)時間大致低于1毫秒。
末端聚焦透鏡17形成本發(fā)明系統(tǒng)的分開的顯微鏡物鏡組件的一部份。透鏡17包括物鏡組件的前端元件，而物鏡的后部元件包括跟蹤探測器及輪廓攝像機53的部件之一或外科用顯微鏡52、激光器50或光源51的部件之一。這簡要地示于圖10，其中物鏡組件的后部元件由70表示。該物鏡的該后部元件的圖像平面可以表示為任一個上述元件的平面，如外科用顯微鏡的中間聚焦平面、輪廓攝像機的表平面、跟蹤探測器陣列的表平面，或光源中的聚光器等。因此，物鏡的前端元件為各種光學(xué)組件所共有。校準過的激光束通過物鏡元件之間的光束分離裝置射入，因此，物鏡的前端元件同樣也為激光束組件所共有的。
如圖10所示，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的一個重要特征在于隨動跟蹤鏡54實際位于物鏡組件內(nèi)部。(末端元件設(shè)計成具有足夠的視場以適應(yīng)由跟蹤鏡外起的少量偏移)這使得系統(tǒng)能夠以有效且相當(dāng)簡單的組件獲得對眼部特性(或其它組織特征)的快速跟蹤，而不用追隨有時快速移動的特征來移動整個物鏡。
為了跟蹤以大于每秒20毫米的速度隨機移動的目標，需要具有對圖像軸線高速重新定向的能力。對快速跟蹤來說，必須避免大塊移動。在本發(fā)明中，移動塊可以限制在非常薄的鏡54(例如一種波長平頂(flathess)的幾毫米厚或更好的鏡片。非常薄、重量輕的鏡面可以通過沿X及Y軸快速改變鏡面54的瞄準方向，得到對快速移動物體的非?？焖俚母櫺Ч?。這可以使用雖然不是在眼科界而是在光學(xué)系統(tǒng)工業(yè)已知的一種鏡面控制裝置-壓電或類似方式驅(qū)動的隨動鏡來實現(xiàn)。
圖10簡要說明了把薄而且輕的鏡面裝在高速隨動傳動裝置上以形成隨動鏡面組件54的情況。并顯示出引到隨動接口傳動裝置54a的電線。
因此如果在物鏡組件中裝上所需的本發(fā)明的隨動鏡面組件，那么鏡面54能改變那些通過物鏡組件的末端聚焦透鏡17(即前端元件)的圖像的方向。透鏡17有足夠大的工作視場，以適應(yīng)透鏡中的圖像離軸變化。
當(dāng)醫(yī)生準備好要發(fā)射激光時，通過按壓圖1所示的發(fā)射控制按鈕43a即可完成。如果醫(yī)生已決定用一個預(yù)先選擇的樣板，這時，按壓按鈕就能會有效地啟動該樣板去執(zhí)行所希望的手術(shù)。再擊一下按鈕43a將刪除或中斷手術(shù)的流程。在上述各種情況中要進行激光發(fā)射就必須松開作為附加的保險控制部件的踏板聯(lián)鎖。
圖4是顯示本發(fā)明的精密激光外科手術(shù)系統(tǒng)主要部件的功能塊圖。醫(yī)生用戶80表示，而患者/目標由81表示。醫(yī)生與患者間的相互配合用虛線指出。
通過本發(fā)明的儀器系統(tǒng)，這種相互作用大多數(shù)是非直接的。虛線82表示醫(yī)生非直接地對患者進行手術(shù)處理，而患者通過儀器-視頻顯示器19不直接地把信息及數(shù)據(jù)反饋給醫(yī)生。
在本發(fā)明的這個實施例中，由于儀器設(shè)計得小型湊且又希望在末端聚焦元件17與患者58之間有大的工作距離，故而提供給用戶/醫(yī)生可以選擇對患者/目標直接觀察和觸覺控制。
83表示系統(tǒng)的用戶接口。醫(yī)生/用戶把指令及命令輸入到用戶接口83，而用戶接口主要通過視頻屏幕19把信息反饋給用戶。這種聯(lián)系由聯(lián)線84表示。用戶接口83包括視頻屏幕、作選擇的鼠標42、操縱桿43、發(fā)射控制按鈕43a及圖1所示的醫(yī)生/用戶面前的各種按鈕及數(shù)安顯示設(shè)備作為其大部分部件。除了先前討論的安全特性指示器，在靠近操縱桿處還放置了一個引導(dǎo)球(即圖1所示的鼠標42，但示在圖4顯示)以便使醫(yī)生/用戶可以控制并選擇各種可供選擇的軟件。引導(dǎo)球的旋轉(zhuǎn)(也可是象Logimouse的商用鼠標)控制視頻屏幕上的位置。與球相鄰接的按鈕有特殊的性能，它使用戶能把所希望的治療疊加到視頻產(chǎn)生的角膜圖像上。在本發(fā)明中，象MacPaint和MacDraw的計算機圖形軟件包形成了一個為醫(yī)生/用戶提供對定義手術(shù)樣板的存取的基本部份。其它按鈕允許醫(yī)生/用戶用開關(guān)選擇預(yù)先定義的樣板以及，修改或生成樣板。
借助于用戶接口，醫(yī)生可以選擇手術(shù)類型或手術(shù)中要用的樣板，觀察患部組織的不同部份，瞄準激光(包括激光發(fā)射深度)，發(fā)射激光或執(zhí)行預(yù)先編程的發(fā)射指令序列。它也允許醫(yī)生/用戶在任意時刻中斷處理。圖4表示定位組件、目標跟蹤組件及發(fā)射控制的各功能塊86、87及88，圖中用用戶接口指向這些功能塊86，87和88的箭頭束表示所有這些功能塊都處在醫(yī)生/用戶的控制之下。因此，方框88指示出通過按動圖1所示的按鈕43a激活內(nèi)部發(fā)射控制，這樣做可以依次激活激光器電源，即治療用激光器50。激光器電源50與塊89所示的產(chǎn)生所希望形狀的脈沖激光束的激光脈沖調(diào)節(jié)器相聯(lián)。光束通過激光診斷組件91，該組件用于監(jiān)控連續(xù)的激光脈沖性能以保證按說明進行工作。然后，光束被指示出通過定位組件86(圖4并示示出所有光學(xué)部件)。定位組件86包括如上所述的通過操縱桿在醫(yī)生控制之下的激光束方向定位鏡61。虛線92表示激光光束對目標(即患者)的作用。
如圖4所示，定位組件86還包括自動控制的跟蹤隨動鏡54(見圖3)，及前端物鏡元件17。在圖4中示出定位組件86從目標跟蹤組件87接受控制指令，這種控制相當(dāng)于隨動鏡面54在患者目標組織移動時調(diào)節(jié)該鏡面的控制。
患者/目標81往成象系統(tǒng)93和位置分析跟蹤系統(tǒng)94發(fā)送倍息。正如所示的那樣，成象系統(tǒng)93包括呈現(xiàn)在圖2左上象限舉例的視頻圖像的外科用顯微鏡52。箭頭95表示把視頻倍息傳送到視頻顯示器，形成用戶接口的一部份。用戶接口及成像系統(tǒng)93之間的控制箭頭96表示醫(yī)生可以控制上面討論的外科用顯微鏡的放大倍數(shù)。
位置分析跟蹤系統(tǒng)94包括跟蹤/輪廓攝像機53(攝像機/探測器53a和53b)及在較佳實施例中的圖1所示的Ronchi刻度光投影儀21。如上所述，子系統(tǒng)94接受來自患者/目標81的圖像以例探測、追蹤患者患部組織的移動。位置分析跟蹤系統(tǒng)94與用戶接口83之間的信息箭頭97表示用子系統(tǒng)94來穩(wěn)定視頻圖像，把信息饋給輪廓圖像顯示器。子系統(tǒng)94包括微處理機和程序，它們能夠分析由輪廓/跟蹤攝像機/探測器53取得的圖像，并在特征點移動時根據(jù)攝像機/探測器數(shù)據(jù)進行檢查以及重新給這些特征點定位，并計算鏡面位置的新座標。它包括慢速跟蹤輪廓攝像機53b和快速跟蹤探測器53a及快慢速邏輯循環(huán)。這些功能中的一些將參照圖5A到圖9作進一步敘述。
在權(quán)利要求中使用了術(shù)語“位置分析裝置”、“目標跟蹤裝置”及“跟蹤定位裝置”。這些術(shù)語一般來說相當(dāng)于圖4中的塊94、87及86，但也不完全這樣。正如下面進一步說明的那樣，這些述語中存在某種重疊。
圖4示出從定位組件84連接到位置分析跟蹤系統(tǒng)94的倍息或控制箭頭98。這表示從鏡面組件到他們的實際位置間的反饋。它還包括對鏡面物理移動的確認，即確認指令對鏡面在物理位移另方面的結(jié)果(即在哪兒顯示的)。如果未出現(xiàn)移動，系統(tǒng)循環(huán)就會回到目標跟蹤組件87，并由跟蹤組件87發(fā)出信號104去禁止激光發(fā)射。
位置分析跟蹤系統(tǒng)94用控制箭頭101示出把信息或信命令發(fā)送到目標跟蹤組件87。這表明當(dāng)分析圖像并確定特征已經(jīng)移動后，子系統(tǒng)94發(fā)出信息或指令到目標跟蹤組件(也包含在計算機程序中)。信息或指令可以包括鏡面位置54的新座標。目標跟蹤組件87把新座標翻譯成控制鏡面驅(qū)動裝置，即隨動鏡面54的指令(指向定位組件86的箭頭102)。指令包括座標轉(zhuǎn)換信息及使隨動鏡面轉(zhuǎn)動一個將能重新位于相同特征點中央的新角度的指令。目標跟蹤組件87還發(fā)送與聚焦有關(guān)的命令，從而調(diào)節(jié)上述末端聚焦透鏡17的聚焦，而透鏡17應(yīng)該考慮為定位組件86的一部份(最好在下面所述的慢速跟蹤循環(huán)內(nèi))。
當(dāng)然，從外科顯微鏡接受通過透鏡17光路的光和映象的聚焦可由醫(yī)生/用戶調(diào)節(jié)等方面來說，末端聚焦透鏡也應(yīng)是成像系統(tǒng)93的一部份。
關(guān)于上述較佳安全特性的重要控制箭頭103在圖4中示出。如果在分配的時間(可以是1/30秒或在另一例子中可以更快，例如1毫秒)內(nèi)不能跟蹤移動的特征點到新的位置，目標跟蹤組件87將給內(nèi)部發(fā)射控制裝置88發(fā)指令，以終止激光的發(fā)射。
圖4所示在用戶接口及定位組件之間的雙向箭頭106表示醫(yī)生通過操縱桿83對如前所述的方向定位鏡面61的控制;及從定位組件到用戶接口的反饋。
如果用圖2所述的圖像格式，則這種反饋將包括指示位置的十字光標的實際移動及當(dāng)橫截面的切平面由醫(yī)生移動時在橫截面形狀方面的變化。這條線還附帶有指示指令已被執(zhí)行的內(nèi)部編碼器。
應(yīng)該理解，除用于實際外科手術(shù)外，本發(fā)明的系統(tǒng)可用作外科醫(yī)生診斷和分析工具。本系統(tǒng)為醫(yī)生提供了先有的儀器得不到的高度穩(wěn)定的患者組織的圖像。借助于實時跟蹤及穩(wěn)定，醫(yī)生可以得到患部組織的實時顯示。因此，本發(fā)明給醫(yī)生一種在分析及診斷患者狀態(tài)方面非常重要的工具，并且應(yīng)該理解，本發(fā)明可以包括一種無手術(shù)用激光束的系統(tǒng)。借助于在顯示屏幕上顯示計算機生成圖像及患者/目標的直接視頻顯微圖像，本發(fā)明系統(tǒng)提供給醫(yī)生一種替代醫(yī)生直接查找目標組織的觀察眼睛狀態(tài)的裝置。
圖5是更詳細地說明關(guān)于本發(fā)明系統(tǒng)部件的一些單獨控制及信息反饋功能的方塊圖。
圖5示出了在塊110的微處理機或中央處理裝置，以及與微處理機相連的程序111。如顯示的那樣，用戶接口與微處理機110可以有一些聯(lián)系。并在一些不包括微處理機的控制。例如，如果醫(yī)生希望選擇供手術(shù)用的樣板，或為了選擇不同種類的顯示或為了利用不同的在屏幕上的手術(shù)流程而只改變視頻屏幕上顯示(圖2)的話，那么這些聯(lián)系可以與控制屏幕上計算機生成圖像及控制系統(tǒng)中其它功能的處理器相聯(lián)。
如圖所示，在本發(fā)明的一個實施例中，微處理機110還控制跟蹤鏡或隨動鏡54。微處理機與軟件程序111一起控制鏡面，以響應(yīng)來自跟蹤/輪廓攝像機53(攝像機53a和53b)的輸入。
因此，一旦跟蹤攝像機53a把指示目標組織已經(jīng)移動的信號輸入到微處理機(通過虛線108)，微處理機就對圖4塊94及87中所示的位置分析和低速目標跟蹤(鏡面指令)進行處理并把信號輸出到跟蹤鏡54(圖5中虛線109)，以響應(yīng)跟蹤的結(jié)果。
然而，在本發(fā)明的最佳實施例中，攝像機53中的快速跟蹤控測器53a將直接與直接控制隨動鏡面54的隨動接口及傳動裝置54a相連。單元54a可以是專用微處理機或其它能執(zhí)行圖像識別、座標轉(zhuǎn)換分析及生成給鏡面驅(qū)動裝置適當(dāng)調(diào)節(jié)鏡面54的指令所需的邏輯序列的邏輯單元。圖5中，隨動接口驅(qū)動裝置包括塊87的功能及圖4中塊94的邏輯功能的一部份。
借助于更靈敏的隨動鏡設(shè)計，本發(fā)明的較佳實施例允許比通過微處理機110更快的閉環(huán)跟蹤響應(yīng)時間。
跟蹤鏡面從而轉(zhuǎn)向合適的新位置。這一點是在鏡面完成了其指令的動作后，在微處理機中由圖像本身的位置來確認的。然而如上所述，如果微處理機及程序查出在下一對目標范圍(或在預(yù)定數(shù)量的上述后續(xù)掃描范圍內(nèi)，它取決于按給定手述過程的要求決定的所希望的跟蹤率)的掃描中未能確定特征點，微處理機將立即中斷激光發(fā)射(如控制線112所示);而且與控制激光路徑的位置鏡面61的移動相對應(yīng)，它還將中斷樣板程序的執(zhí)行。這如圖5中的控制線113所示。樣板程序通常還將包含對末端透鏡元件17的聚焦的調(diào)節(jié)，這一點由圖5中的控制線114顯示。中斷最好通過慢速跟蹤循環(huán)(下面討論)只延遲到特征的恢復(fù)，其條件是特征確實能被恢復(fù)。
從隨動跟蹤鏡54到激光瞄準塊間的控制虛線115表示激光瞄準是與跟蹤一起被操縱的(見圖4)。但是，由于激光及外科用顯微鏡的觀察線是同軸的，所以待觀察的患部組織的視場與激光總是被作為一個整體來跟蹤的。
微處理機把信號發(fā)送到視頻屏幕沿控制線116)這些信號的內(nèi)容特別與計算機生成的形貌圖象相關(guān)，其例子如圖2中屏幕象限24b、24c及24c所示。微處理機還控制圖2中所示的分支查找表39的顯示及屏幕上的其它顯示(但不是視頻顯微鏡圖像本身)。如果視頻屏幕及微處理機構(gòu)成上述“接觸(touch)屏幕”系統(tǒng)，則控制線116也與這個特性有關(guān)，并且在圖5中以虛線的形式顯示出，從視屏顯示19到微處理機的另一條控制線117，以表示接觸屏幕功能。
從用戶接口到微處理機的控制線118表示用輸入控制而不是修改屏幕所作的醫(yī)務(wù)用戶的選擇?？刂凭€118還表示當(dāng)用戶控制視場及激光目標時對微處理機的另一個有效的用戶輸?shù)摹＿@種由醫(yī)生作的慎重控制將沿著控制線118和113，通過微處理機間接控制定位鏡面。其到微處理機的信號也將被微處理機用來對計算機生成的圖像作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，這樣做能精確地反映出由醫(yī)生選擇的目標的變化，并使用來自輪廓測定攝像機53b的信息。
圖5顯示一個關(guān)于醫(yī)生對通過末端聚焦透鏡17進行激光聚焦的深度實施控制的類似的控制場會。當(dāng)醫(yī)生完成一個由圖5中控制線122所示的對透鏡17的聚焦的改變，與這種變化同時發(fā)生的信號將沿著控制線123送到微處理機。
圖5表示塊124所示的醫(yī)務(wù)用戶對調(diào)節(jié)外科用顯微鏡放大倍數(shù)的變焦特性具有直接控制。
如前所示，有兩個組成跟蹤組件較佳實施例的單獨的部件。這些包括一個相當(dāng)慢的系統(tǒng)或以接近視頻幀頻(通常30Hz)的速率運行的跟蹤循環(huán)，和1個快速系統(tǒng)或以比可得到的視頻速度高的速度運行的跟蹤循環(huán)。慢還系統(tǒng)使用來自輪廓攝像機53b的圖像且基本上是一幀一幀地分析圖像中的實出特性的移動。如處理機110所計算的位置移動被用來給隨動鏡面54重新定位。該系統(tǒng)相當(dāng)慢，但卻具有即使在暫時跟蹤失敗后也能夠找出絕對位置的優(yōu)點。例如，如果手述在進行，且諸如許多眼部處理中存在的眨眼睛等問題干涉了圖像的跟蹤，從而處理被打斷或暫停時，該慢速系統(tǒng)將自動把發(fā)射指令序列中的最后位置存入存貯器，從而一旦重新要求得到目標，就可以自動決定在發(fā)射指令序列中的下一點的確切位置，隨動鏡也相應(yīng)地作重新定位?？焖傧到y(tǒng)在放大倍數(shù)高的焦點平面使用一對正交的線性探測器陣列。如圖5所示，一種專用處理機或較簡單的隨動接口驅(qū)動裝置54a以連續(xù)的陣列讀出并分析如特殊富里埃方式的信號的相移。線性陣列探測器及專用處理機或隨動傳動裝置是極快的(例如對完成陣列讀出來說大于10KHz);因此，快速系統(tǒng)速度上僅受隨動鏡面及傳動裝置54響應(yīng)時間的限制。然而，由于其數(shù)據(jù)采集及分析均受限制，所以快速系統(tǒng)沒有被設(shè)計成當(dāng)發(fā)生瞬時跟蹤失敗時它可以恢復(fù)絕對位置。
在本發(fā)明的實施例中，隨動鏡面54可以用，例如，對慢速跟蹤系統(tǒng)來說是馬達驅(qū)動載片，而對快速系統(tǒng)是壓電驅(qū)動鏡面。
圖5A是表示本發(fā)明包含的跟蹤系統(tǒng)功能方塊圖。如上所述，最佳跟蹤系統(tǒng)包括慢速跟蹤循環(huán)及快速跟蹤循環(huán)。跟蹤隨動鏡54及圖像構(gòu)成快速跟蹤循環(huán)及慢速跟蹤扦環(huán)二者的一部份。慢速跟蹤循環(huán)最好包括給包含鏡面?zhèn)鲃友b置的跟蹤鏡54送信號的微處理機控制或CPU110，且在本發(fā)明的實施例中主要是由最大可得視頻攝像機幀頻速率限制。如圖所示，跟蹤鏡面54控制要映像的目標平面的范圍。圖像被饋送到快速跟蹤探測器，上面它被作為跟蹤攝像機53a討論。該攝像機或探測器把有關(guān)位置分析的信息發(fā)到能夠把命令信號發(fā)到鏡面54的專用邏輯分析儀或隨動接口54a，以調(diào)節(jié)鏡內(nèi)位置使之能瞄準由處理機54a及快速跟蹤探測器或攝像機53a決定的新的特征位置。按照本發(fā)明，該快速跟蹤最好約每1毫秒或以更快的響應(yīng)時間出現(xiàn)，當(dāng)與跟蹤鏡面一起裝載時，應(yīng)僅受鏡面裝配傳動裝置的響應(yīng)時間的限制。
如圖5a所示，微處理控制器或CPU110還給跟蹤隨動鏡面及傳動裝置54送信號。慢速跟蹤循環(huán)包括如附圖所示的圖像、接受圖像的輪廓攝像機53b。輪廓攝像機53b給CPU110送圖像信息，它有可能在快速跟蹤循環(huán)卻失出這些特性的情況下找出某個特征點。CPU110有能力查找到輪廓測定攝像機53b的所有視場上的特征點及生成的橫截面構(gòu)形圖的特征，并有能力相應(yīng)地給跟蹤隨動鏡面及傳動裝置54發(fā)命令。慢速跟蹤循環(huán)進一步連續(xù)跟蹤由與輪廓攝像機53b獲得的三維信息相一致的X-Y平面上的深度及位置。輪廓攝象機53b是慢跟蹤循環(huán)檢測器。因此，慢速跟蹤循環(huán)除用作快速跟蹤扦環(huán)的后備機構(gòu)外，還可用作主要的控制系統(tǒng)，以最大視頻幀頻速率，調(diào)節(jié)末端聚焦透鏡17的前端部件的位置。
如圖5A所示，當(dāng)特征點跟蹤失敗時，專用微處理機或隨動裝置54a從快速跟蹤循環(huán)向CPU110發(fā)出中斷。由于二個控制信號(來自CPU110及來自專用微處理機54a)總是饋給跟蹤隨動鏡面及傳動裝置54，所以當(dāng)快速跟蹤循環(huán)信號中斷時，就由來自CPU110的指令接管。正常情況是，只要收到信號，裝置54將按來自微處理機54a的快速跟蹤信號運行，而忽略不管來自CPU110的其它跟蹤信號。
當(dāng)從幀到幀間(或在幾個幀的一段時間內(nèi))的陣列信號中未發(fā)現(xiàn)圖像的跟蹤特征或者如果幀到幀間特征逐漸移動或越漂越遠的話，跟蹤被認為是失敗了。后一事件表明，既使特征由邏輯循環(huán)所跟蹤，指令也不能在目標鏡面處執(zhí)行。與邏輯循環(huán)無關(guān)的跟蹤失敗的便子有隨動傳動裝置影響信號失效，所需要的鏡面運動超出了隨動驅(qū)動傳動裝的限制位移，驅(qū)動裝置或?qū)О骞收稀?br> 圖9是一個方法的說明，用此方法，本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)可以在最佳實施例中起作用。在這光強度對位置的圖中，指示由快速跟蹤探測器的正交線性掃描陣列之一探測的光強度的二條曲線對應(yīng)二個不同時間的掃描。曲線A表示在初始時刻A，可能已對給定細胞組織的小特征點，如眼睛的特征點進行觀察的光強度圖。曲線B表示一條大致與曲線A相似但向右移了的曲線。在本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)的實施例中，程序或快速跟蹤隨動裝置54a可以發(fā)現(xiàn)曲線A的特性曲線已移動或至少已移出了初始位置。系統(tǒng)然后查找相似的曲線特征，由于正交的緣故，移動通常是不同的。如果發(fā)現(xiàn)掃描功能曲線B與先前的掃描功能曲線足以相似，則它必須表示相同的特征，因此，它可以通過專用隨動處理器發(fā)給跟蹤鏡面適當(dāng)?shù)拿睿砸频叫碌奈恢?。新的位置是通過基于確定位移的校正信號對鏡面的輸入校正。由于特征點還將相對探測器作正交移動，而且將由來自略微不同的觀察點的攝像機觀察，所以特征在如圖9所示的強度曲線上不相同。然而，編程可以包括那些能使系統(tǒng)把移動的圖形認定是特征的參數(shù)，并且假定在選擇的范圍內(nèi)存在足夠的相似性。
圖6是表示操縱桿及樣板信息的另一個功能塊圖。操作桿43示于圖的底部。它沿線130發(fā)送信號給中央處理裝置，即微處理機110。圖中所示，CPU110還與其他一些部件相聯(lián)。例如，它往I/O設(shè)備送信息供保存記錄。傳送可以包括，例如，要打印或存貯的患者病歷記錄的傳送。在圖6中所示控制樣板，即選擇預(yù)先記錄的樣板或為手術(shù)生成新樣板的球形鼠標或叫Logimouse42。選擇的樣板信息將依次送入CPU，CPU110發(fā)送控制信號給專用I/O板132。該板被用來驅(qū)動與方向定位鏡面61相聯(lián)的電機及通過末端聚焦透鏡驅(qū)動來Z軸調(diào)節(jié)。在專用I/O板與轉(zhuǎn)動鏡面61和末端透鏡17之間的固體控制線表示使用自動樣板過程。在另一方面，如虛線所示的那樣，可以借助所示可選手工代用裝置，用手動來完成手術(shù)。
商業(yè)專用I/O板132，在當(dāng)前描述的實施例中，可以控制16個模擬通道及3個數(shù)字通道。它控制與激光狀態(tài)相關(guān)的診斷信息，位置狀態(tài)，跟蹤鏡面狀態(tài)，以及在完成其他診斷時所需要的信息，如眼內(nèi)溫度，眼內(nèi)壓力讀數(shù)，及表面波傳播測量從而在努力找出有實用價值的結(jié)構(gòu)關(guān)系式時能夠計算楊氏系數(shù)及其它彈性常數(shù)。與眼睛有關(guān)的這些條件的傳感器雖然在圖中未畫出，但可歸入本發(fā)明的系統(tǒng)內(nèi)。
圖6A是表示本發(fā)明主要系統(tǒng)運行的另一方塊圖。圖6A顯示出系統(tǒng)中信息及控制信號的循環(huán)，特別是預(yù)先編程的手術(shù)樣板被用來控制手術(shù)過程中的激光位置及發(fā)射。在圖6A中顯示出眼睛58向標有診斷位置測量，跟蹤及構(gòu)形的框中送信息(通過跟蹤/輪廓攝像機53，示作圖示)。這指示出通過攝像機微處理機及程序110及111(圖5)從眼睛獲得這種信息。該塊包括傳感器/攝像機53a及53b和分析循環(huán)，還包括計算機110及專用微處理機54a。它包括邏輯循環(huán)跟蹤。獲得的關(guān)于眼組織形貌及攝像頭在眼睛上的位置的信息被送到穩(wěn)定眼睛移動的跟蹤與穩(wěn)定塊，當(dāng)它移動后重新對特征點定位并重新把定位在相同特征點的中央。在圖6A中，跟蹤及穩(wěn)定塊表示跟蹤鏡54和定位鏡(在樣板程序控制下)及這些鏡面所用的鏡面?zhèn)鲃友b置。
圖6表示診斷位置測定及跟蹤塊把信息送到各為樣板控制的手術(shù)用激光器的功能塊。這個信息包括確認樣板是否仍正確地被定義，即確認眼睛的目標組織在分配的預(yù)選時間內(nèi)已得到跟蹤，從而眼睛的圖像保持了穩(wěn)定。如果這個確認沒有送出(或可以送出相反的信號以通知跟蹤的失敗)，則如上所述，將立始中斷樣板控制的激光發(fā)射。
從樣板控制的激光器到眼睛通過跟蹤隨動鏡面和定位鏡面的箭頭僅表示通過兩個鏡面對眼睛進行激光手術(shù)，當(dāng)跟蹤系統(tǒng)失去了圖像的穩(wěn)定，則中斷并停止激止發(fā)射指令序列。
在圖6A中從診斷位置測量功能塊到樣板控制的激光器的箭頭還表示，當(dāng)醫(yī)生需要時，把信息從位置測量組件饋送到樣板控制系統(tǒng)，以支持醫(yī)生建立預(yù)期手術(shù)所希望的樣板。該信息還幫助醫(yī)生對樣板定位。圖6A中樣板控制的手術(shù)用激光器功能塊應(yīng)考慮是包括用戶接口，與建立、修改、存貯及執(zhí)行手術(shù)樣板程序有關(guān)的計算機和存貯器存貯裝置。
圖6A協(xié)助說明本發(fā)明的三個描述部件-診斷定位測量和邏輯循環(huán)跟蹤，跟蹤鏡面和樣板控制的激光發(fā)射的相互關(guān)系。圖6A指出所有這些重要部件必須實時運轉(zhuǎn)。沒有人可以長時間延遲運行，否則該系統(tǒng)將變得無效或不安全。診斷位置測量/跟蹤子系統(tǒng)一般是即時運行。跟蹤系統(tǒng)恢復(fù)圖像位置的速率必須快于激光的重復(fù)速率。就許多本發(fā)明的預(yù)計的治療療用，快速跟蹤系統(tǒng)最好能夠以或高于1KHz的速率運行。由于只要出現(xiàn)任何長時間的延遲，發(fā)射激光都是不安全的-可能射錯目標點，故而必須在非常短的時間范圍恢復(fù)圖像，以使樣板控制的手術(shù)能夠進行。
樣板控制的激光發(fā)射也必須按預(yù)選的目標序列精確出現(xiàn)。圖6A所示的反饋循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是跟蹤系統(tǒng)(包括診斷、跟蹤及鏡面移動)。正如上面所述的那樣，如果跟蹤子系統(tǒng)不能移動隨動控制的轉(zhuǎn)動鏡而把目標維持在可接受的容錯范圍內(nèi)，那么將禁止樣板控制的激光發(fā)射，直到重新獲得圖像或醫(yī)生重新恢復(fù)了程序為止。同樣，如果障礙(如眼部處理時眨眼睛或心血管處理時的瞬時碎片)干擾映像/跟蹤光路(它也與激光光路相并)，則將中斷樣板控制的激光發(fā)射直到重新獲得圖像及樣板發(fā)射序列中的恰當(dāng)位置得到恢復(fù)。
圖7和圖8簡要表示與本發(fā)明的觀察系統(tǒng)可以一起使用的三維成像系統(tǒng)的例子。在圖3，圖5及圖7顯示有Ronchi投影儀21，如圖所示，它是用光源126把光束投影通過郎西刻度127，Ronchi刻度可以包括多條并行間隔相等的線。光束撞擊目標組織，如眼睛58，把刻度放在眼睛的幾個不平的表面上。Ronchi投影光束對系統(tǒng)的末端聚焦透鏡的軸線來說是離軸的，圖7簡單顯示了軸線上的跟蹤/輪廓攝像機53。
輪廓攝像機53b通過參照Ronchi刻度128，從眼睛的不平的表面取得Ronchi投影圖像，例如，圖8所示的圖像。由投影的與引用的刻度之間的干擾產(chǎn)生的邊緣呈現(xiàn)為曲線129，正如投影在眼睛成份的曲線表示上一樣。在本發(fā)明的實施例中，重要特征是引用Ronchi刻度駐留在計算機存貯器中，而在待測圖像上的干擾是電子級的。對這些曲線的精確定位可用來分析確定Ronchi投影照射的所有成份的精確形狀及位置。這種分析對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是熟知的，而且本身并不形成本發(fā)明的重要特性，除了用計算機生成參考刻度外，可用于計算機產(chǎn)生的對投影的Ronchi刻度的干擾。
眼睛中的大多數(shù)表面不僅是透明的而且是球形的，來自固定源的鏡面反射只能從一個非常小的區(qū)域面反射入觀察透鏡。因此在不對眼睛周圍的所有固體角充填的情況下，要想同時觀察所有的表面，最好是探測反射的散射部份。由于眼睛的透明表面有一個非常小的散射成份，故可用倍增型攝像機去探測，而不求助于危險的照射級(即在圖3中所示的光源51)。
圖7進一步說明Ronchi投影器的最佳結(jié)構(gòu)。光源發(fā)送光束通過UV及IR濾色鏡，聚光鏡133及偏光鏡134。經(jīng)過濾光偏振后的光束通過郎西刻度127及聚焦透鏡136，送到眼睛58或其它待處理的患部組織。光源126可以是二極管激光器或白熾光源。
從Ronchi刻度投影到目標及回到探測器(如圖7所示)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，當(dāng)在帶計算機駐留參考刻度的計算機中受干擾時，將產(chǎn)生干涉邊緣，這種邊緣然后由微處理機及程序分析以提供所希望的沿某條橫截面切線的精確的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的另一實施例中，可以使用普通的或修改過的不受版權(quán)限制的用分布式光源的反射技術(shù)，以產(chǎn)生某種圖象及輪廓數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的系統(tǒng)在描述時沒有參考詳細的結(jié)構(gòu)、電子學(xué)及程序設(shè)計方法。除非專門指出，這些都不形成本發(fā)明的專有部份且可以由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員完成。
上述實施例旨在說明本發(fā)明的原理，而不是限制其范圍。其它的實施例及這些實施例的變形例對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且可以被完成而不脫離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種使用聚焦的激光光束，便于進行精密控制外科手術(shù)的系統(tǒng)，包含著向外科醫(yī)生/用戶提供信息并能夠由外科醫(yī)生/用戶進行外科手術(shù)過程控制的用戶接口裝置包括向外科醫(yī)生/用戶提供涉及到該系統(tǒng)作為目標進行尋找的病人組織的位置、病變組織特征的三維形貌以及等高線族這些精確信息的視頻顯示裝置，以及根據(jù)外科醫(yī)生/用戶的需要，對該組織進行掃描以改變視頻顯示上的信息以及由外科醫(yī)生/用戶對外科手術(shù)激光束發(fā)射控制的控制裝置；與視頻顯示裝置相連的成象系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生、讀出和解釋數(shù)據(jù)以獲得有關(guān)待進行手術(shù)的組織所有重要特征的三維位置信息的三維測給裝置，以及解釋數(shù)據(jù)并以對外科醫(yī)生/用戶有用的格式把數(shù)據(jù)提交給視頻顯示裝置的微處理機裝置；產(chǎn)生能在病人組織上實現(xiàn)所希望的激光外科手術(shù)的激光光束的激光光源；接收激光光束并使其重新定向、適當(dāng)聚焦在待進行手術(shù)組織的所要求目標上的光路裝置；與光路裝置相交并共軸、沿該光路裝置的光路獲取所述目標的外科手術(shù)顯微圖象并且把視頻圖象信息饋送至視頻顯示裝置的外科手術(shù)顯微鏡裝置；以及位于光路裝置內(nèi)并與微處理機裝置相連的追蹤裝置，用于實時地追蹤病變組織的移動并相應(yīng)地移動光路裝置使得三維測繪裝置及外科手術(shù)顯微鏡裝置所產(chǎn)生的信息和圖象以及激光束的瞄準點和位置均能實時地跟隨該組織的位置變化。
2.按照權(quán)利要求1的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，成象系統(tǒng)包含著一離軸光投影儀，用以把Ronchi刻度投影到待進行手術(shù)的組織上去。
3.按權(quán)利要求2的激光手術(shù)系統(tǒng)，包含與成象系統(tǒng)和微處理機裝置相連的在視頻顯示裝置上向外科醫(yī)生/用戶提供圖象的成象裝置，所述微處理機裝置用于接收投影到組織上的Ronchi刻度的象，并分析接收到的象的數(shù)據(jù)、計算有關(guān)該組織的等高線族和形貌的信息。
4.按權(quán)利要求3的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，微處理機裝置包括把存貯著的Ronchi格柵圖象與目標的反射面上觀察到的Ronchi格柵的圖象進行電學(xué)相干干涉的裝置。
5.按權(quán)利要求1的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，光路裝置包括用于激光光束聚焦的末端聚焦透鏡、三維測繪裝置以及外科手術(shù)顯微鏡裝置末端聚焦透鏡與病人之間保持一合適和舒適的距離，該距離不小于50毫米。
6.按權(quán)利要求5的激光手術(shù)系統(tǒng)，包括一物鏡組合體，其末端聚焦透鏡包括一前部元件，此外，其中的追蹤裝置包含由微處理機裝置自動控制的轉(zhuǎn)動鏡，該轉(zhuǎn)動鏡位于目鏡組合體之內(nèi)并可以相對于末端聚焦透鏡移動。
7.按權(quán)利要求1的激光手術(shù)系統(tǒng)，還包括把程序樣板疊加在成象系統(tǒng)生成的象之上的裝置，以自動地實現(xiàn)激光外科手術(shù)的預(yù)選模式。
8.按權(quán)利要求1的激光手術(shù)系統(tǒng)，包括與三維測繪裝置和追蹤設(shè)施相連、相交并沿所述光路裝置取向的追蹤和輪廓攝象裝置，用以沿該光路裝置獲取病人組織的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)送到成象系統(tǒng)的微處理機裝置，產(chǎn)生出顯示在視頻顯示裝置上的形貌信息。
9.按權(quán)利要求8的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，追蹤裝置包括能影響追蹤和輪廓攝象裝置的視角、外科手術(shù)顯微鏡裝置與激光束瞄準點的轉(zhuǎn)動鏡，該轉(zhuǎn)動鏡以壓電方式或電磁方式驅(qū)動并處在成象系統(tǒng)的微處理機裝置所生成信號的控制之下，用于在病人組織移動后跟隨著已識別出的該組織的各特征。
10.按權(quán)利要求1的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，成象系統(tǒng)包含探測來自該組織各特征的散射光的散射光探測裝置，該裝置帶有為之基本上全部濾掉鏡面反射光的裝置。
11.按權(quán)利要求1的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，外科手術(shù)顯微鏡裝置包含在低光照條件下以高放大倍數(shù)成象并維持對人臨床手術(shù)安全照明水平的強化電視攝象裝置。
12.按權(quán)利要求1的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，追蹤裝置包含以1毫秒或更小的閉環(huán)追蹤響應(yīng)時間來追蹤該組織移動的快速追蹤裝置。
13.按權(quán)利要求12的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，追蹤裝置還包含后援慢速追蹤裝置，該裝置根據(jù)所確定的組織三維形貌來分析該組織的位置、并使用微處理機裝置尋找和發(fā)現(xiàn)未被快速追蹤裝置找到的該組織的某一特征，以及移動光路裝置把它重新定位在病變組織特征上。
14.按權(quán)利要求13的激光手術(shù)系統(tǒng)，其中，后援慢速追蹤裝置包含一視頻攝象機，并以相同于該視頻攝象機幀速的閉環(huán)追蹤響應(yīng)時間進行操作。
15.一種用于高精度眼科激光手術(shù)的儀器和系統(tǒng)，它包括產(chǎn)生功率足以在眼組織上進行所需類型的外科手術(shù)的激光束的激光光源指向病人眼睛的位置、用于獲取表征眼睛上和眼睛內(nèi)各特征的位置和外形的數(shù)據(jù)的三維測繪裝置;按對眼睛各特征以及對激光束在這些特征內(nèi)的瞄準點和深度進行精確定位的方式，接收來自三維測繪裝置的數(shù)據(jù)的微處理機裝置，該裝置把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可表示在屏幕上並對醫(yī)生/用戶適用的格式;在準備手術(shù)時和手術(shù)過程中，實時地商醫(yī)生/用戶顯示由微處理機產(chǎn)生的圖象的顯示裝置，這些象表示眼的形貌以及激光束的瞄準點和深度;以及使醫(yī)生/用戶能控制激光的瞄準點、深度和發(fā)射定時，以實現(xiàn)所需手術(shù)的激光發(fā)射控制裝置。
16.按權(quán)利要求15的儀器和系統(tǒng)，還包括手術(shù)期間實時地跟隨眼的移動和用三維測繪裝置及激光器跟隨眼的各特征的移動的追蹤裝置，該裝置與微處理機相連，用于在各特征移動后識別它們並把三維測繪裝置和激光器重新指向這些特征的新位置。
17.按權(quán)利要求16的儀器和系統(tǒng)，其中，追蹤裝置能跟隨這些特征鑒別出它們的新位置，並在小于視頻顯示裝置幀速率的時間間隔內(nèi)向外科醫(yī)生/用戶提供這些特征的象。
18.按權(quán)利要求16的儀器和系統(tǒng)，其中，追蹤裝置包含按壓電方式或電磁方式沿著三維測繪裝置和激光光束這兩者的光路驅(qū)動的轉(zhuǎn)動鏡，以便響應(yīng)已實別出的眼睛各特征位置的移動來改變該三維測繪裝置和激光光束的瞄準點。
19.按權(quán)利要求16的儀器和系統(tǒng)，其中，追蹤裝置包含快速追蹤裝置和后援慢速追蹤裝置，該后援慢速追蹤裝置能跟隨著這些特征、鑒別出它們的新位置并且在至少是快于視頻幀速率的時間間隔內(nèi)向外科醫(yī)生/用戶提供它們的象，而快速追蹤裝置能以遠快于閉環(huán)響應(yīng)時間的快速率追蹤組織的運動并且該后援慢速追蹤裝置根據(jù)所確定的該組織三維形貌分析組織的位置，使用微處理機裝置尋找和發(fā)現(xiàn)該組織未被快速追蹤裝置找到的某一特征，以及移動到病變組織特征的新位置上使快速追蹤裝置能開始快速地追蹤。
20.按權(quán)利要求15的儀器和系統(tǒng)，其中，顯示裝置包含有一個電視屏幕。
21.按權(quán)利要求15的儀器和系統(tǒng)，還包括與激光束共光路的外科手術(shù)顯微鏡裝置，用以獲得激光束所指向的眼睛上微小區(qū)域的高倍放大象，并且在顯示裝置上產(chǎn)生出該微小區(qū)域的視頻圖象，使之
22.按權(quán)利要求21的儀器和系統(tǒng)，還包括與外科手術(shù)顯微鏡裝置相連的光學(xué)變焦裝置，以便用與病人有著可觀且舒適距離的光學(xué)元件來生成眼睛內(nèi)微小區(qū)域的象，其可調(diào)的放大倍數(shù)范圍不少于十倍的漸增放大倍數(shù)。
23.按權(quán)利要求21的儀器和系統(tǒng)，其中，外科手術(shù)顯微鏡裝置包括能在低光照條件下以高倍成象并維持在對人臨床手術(shù)安全的照明水平的強化電視攝象裝置。
24.按權(quán)利要求22的儀器和系統(tǒng)，其中，光路包含有位于此儀器之外的一末端聚焦透鏡，此透鏡距病人眼睛至少有100毫米。
25.按權(quán)利要求21的儀器和系統(tǒng)，其中，顯示裝置含有一電視屏幕，屏幕被劃分開來分別顯示來自外科手術(shù)顯微鏡的象以及從三維測繪裝置所獲得的、并由上述微處理機裝置所產(chǎn)生的形貌信息。
26.按權(quán)利要求21的儀器和系統(tǒng)，還包括與激光束共光路的眼照明裝置、外科手術(shù)顯微鏡以及三維測繪裝置。
27.按權(quán)利要求15的儀器和系統(tǒng)，其中，三維測繪裝置、微處理機裝置和顯示裝置向外科醫(yī)生/用尸提供圖象，這些圖象以計算機生成的視圖的形式顯示出激光瞄準點的當(dāng)前精確位置和深度，所述計算機生成的視圖一般包括眼睛的平面圖和選擇出的剖面圖。
28.按權(quán)利要求15的儀器和系統(tǒng)，包含著一個帶有聚焦透鏡和深度控制裝置的光路，其聚焦透鏡能夠控制激光光束聚焦在眼組織和激光光束能起作用的深度上，該深度均在5微米之內(nèi)，外科醫(yī)生可用深度控制裝置改變該透鏡的焦點來控制激光光束的作用深度。
29.按權(quán)利要求28的儀器和系統(tǒng)，包括系統(tǒng)程序裝置，使外科醫(yī)生/用戶能預(yù)先對眼睛組織的損傷模式沿三維空間的三個軸向編程，并激勵激光器自動地跟隨預(yù)選的預(yù)編程手術(shù)路徑。
30.一種使用聚焦的激光束的高精度手術(shù)儀器，它包括產(chǎn)生功率足以在病人組織上進行所需類型外科手術(shù)的激光束的激光光源控制激光束的瞄準方向和焦點的激光束定向和聚焦裝置與上述激光束定向和聚焦裝置相連，使外科醫(yī)生/用戶能控制激光的瞄準點、深度與發(fā)射定時的手術(shù)控制裝置，用以實現(xiàn)所要求的外科手術(shù)指向病人的組織，獲取表征病人組織各特征的位置和外形數(shù)據(jù)的三維測繪裝置在對該組織各特征以及對這些特征內(nèi)激光束焦點的瞄準點和深度進行精確定位時，接收來自手術(shù)控制裝置以及三維測繪裝置的數(shù)據(jù)、并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可表示在屏幕上的、對外科醫(yī)生/用戶適用格式的微處理機裝置，以及在準備手術(shù)以及進行手術(shù)時，實時地向外科醫(yī)生/用戶顯示表征組織的形貌以及激光束焦點的瞄準點和深度的微處理機生成圖象的顯示裝置。
31.按權(quán)利要求30的儀器，還包括了與手術(shù)控制裝置相連的顯示控制裝置，用于使外科醫(yī)生能在顯示裝置上根據(jù)其將激光束定向和聚焦的位置顯示出所述微處理機生成圖象的各個不同的剖面。
32.按權(quán)利要求30的儀器，其中，三維測繪裝置包含了能探測來自該組織各特征上的散射光，以獲得產(chǎn)生所述顯示出的圖象的數(shù)據(jù)。
33.按權(quán)利要求30的儀器，它還包括與三維測繪裝置相連并由之接收信號的位置分析裝置，用以識別眼內(nèi)各特征位置出現(xiàn)的變化;與該位置分析裝置相連的目標追蹤裝置，用以尋找某一特征并在其位置變化后找出它的新位置，并產(chǎn)生指示該新的位置的信號;接收來自該目標追蹤裝置的上述信號、并把三維測繪裝置的瞄準點改變到某一特征的新位置，從而跟隨此特征并將這些圖象穩(wěn)定在顯示裝置上的追蹤定位裝置，該裝置能同步地和相應(yīng)地調(diào)節(jié)激光束聚焦的瞄準點和深度使之指向已成為目標的此特征的新位置。
34.按權(quán)利要求33的儀器，其中，激光光源產(chǎn)生一脈沖激光光束，它的位置分析裝置、目標追蹤裝置和追蹤定位裝置能夠以快于激光光源的脈沖速率的速率對某一特征進行追蹤。
35.一種用于眼科激光外科手術(shù)的系統(tǒng)，它包含產(chǎn)生功率足在眼組織上進行所需類型外科手術(shù)的激光光束的激光光源;發(fā)射激光束的光路裝置，包括控制激光束聚焦的瞄準點和深度的光束定向裝置;以三維方式探測病人眼睛上和眼睛內(nèi)各特征、位置及外形，并產(chǎn)生表征這些特征、位置和外形的數(shù)據(jù)及信號的三維測繪裝置;接收來自該三維測繪裝置的信號的顯示裝置，用以實時地向外科醫(yī)生/用戶示出上述眼睛內(nèi)的位置、外形和特征的象;與該三維測繪裝置相連并從中獲得信號的位置分析裝置，用以識別出眼睛各特征的位置所出現(xiàn)的變化;與該位置分析裝置相連的目標追蹤裝置，用于尋找出某一特征并在某一位置變化后找出它的新位置，產(chǎn)生指示此新位置的信號;以及接收來自該目標追蹤裝置的上述信號、并實時地把三維測繪裝置的瞄準點改變到某一特征的新位置從而跟隨此特征并將這些圖象穩(wěn)定在顯示裝置上的追蹤定位裝置，該裝置能同步地和相應(yīng)地調(diào)節(jié)指向已成為目標的此特征的新位置的激光束的瞄準點。
36.按權(quán)利要求35的系統(tǒng)，還包括預(yù)編程的手術(shù)執(zhí)行裝置，用于按照預(yù)先選擇的三維手術(shù)路徑，在自動控制針對激光瞄準點和焦點的深度的光束定向裝置的同時，自動地控制激光發(fā)射的定時，從而能自動地全面地對眼睛執(zhí)行預(yù)先選定的手術(shù)過程此外，還包含著與目標追蹤裝置和手術(shù)執(zhí)行裝置相連的追蹤反饋裝置，用于把信號發(fā)送到預(yù)編程手術(shù)執(zhí)行裝置上以確認已經(jīng)找到某特征的新位置，并在手術(shù)執(zhí)行裝置于預(yù)定時間間隔內(nèi)未接收到該確認信號時，中止發(fā)射激光。
37.按權(quán)利要求35的系統(tǒng)，還包括與光束定向裝置相連的醫(yī)生控制裝置，以便使醫(yī)生用戶能夠控制激光束聚焦的瞄準點和深度。
38.按權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中，顯示裝置是視頻顯示器，該系統(tǒng)還包括與光路裝置相交并共軸放置的外科手術(shù)顯微鏡裝置，用于拍攝眼睛組織內(nèi)目標區(qū)域的視頻顯微圖象、并實時地把該視頻圖象信息送到電視顯示裝置上把此視頻顯微圖象顯示出來，在激光外科手術(shù)中協(xié)助外科醫(yī)生。
39.一種用于眼科診斷和分析并支持眼科外科手術(shù)的系統(tǒng)，它包含，以三維方式探測病人眼睛上和眼睛內(nèi)各位置、外形及特征，并產(chǎn)生表征這些位置、外形和特征的三維測繪裝置;以實時方式從三維測繪裝置接收信號，以向用戶提供代表眼睛的上述位置、外形和特征的象的顯示裝置;與此三維測繪裝置相連并從中獲取信號的位置分析裝置，以識別出眼睛特征的位置出現(xiàn)的變化;與位置分析裝置相連的目標追蹤裝置，用于尋找出某一特征并在其位置變化后找出它的新位置，并生成指示這個新位置的信號;以及接收來自該目標追蹤裝置的上述信號，并實時地把三維測繪裝置的瞄準點變到某一特征的新位置的追蹤定位裝置，從而能跟隨此特征并把這些象穩(wěn)定在顯示裝置上。
40.按權(quán)利要求39的系統(tǒng)，其中，顯示裝置為一視頻顯示器，該系統(tǒng)還包括指向病人眼睛的外科手術(shù)顯微鏡裝置，用于拍攝眼睛組織內(nèi)目標區(qū)域的視頻顯微圖象，并實時地把該視頻圖象信息送到視頻顯示裝置上把此視頻顯示圖象顯示出來，幫助用戶進行診斷和分析。
41.按權(quán)利要求39的系統(tǒng)，還包括使用戶能按其選定的方式在顯示裝置上顯示出病人組織的各個不同剖面的顯示控制裝置。
42.按權(quán)利要求39的系統(tǒng)，其中，追蹤定位裝置包括一個處在自動控制之下的轉(zhuǎn)動鏡，此系統(tǒng)還包括與測繪裝置相連的物鏡組件，該物鏡組件具有一末端聚焦透鏡(或前部透鏡元件)，此轉(zhuǎn)動鏡位于物鏡組件之內(nèi)并能相對于末端聚焦透鏡進行移動。
43.一種使用能對外科醫(yī)生顯示出病諸如病人眼睛組織各特征的位置和形貌、直至手術(shù)用激光束的瞄準點和焦點深度這些詳細信息的成象系統(tǒng)來進行眼科激光手術(shù)的方法，包括下列步驟用激光光源產(chǎn)生功率足以在眼組織上進行預(yù)定類型外科手術(shù)的激光束;沿光路發(fā)送此激光束;用與此激光光路相連的激光定向裝置控制激光束聚焦的瞄準點和深度;用三維測繪裝置以三維方式檢測病人眼睛上和眼睛內(nèi)的各位置、外形和特征，并且產(chǎn)生代表這些位置、外形和特征的數(shù)據(jù)和信號;在接收來自三維測繪裝置的信號的顯示裝置上，實時向醫(yī)生用戶顯示出代表上述眼睛的各位置、外形和特征的象;利用與三維測繪裝置相連且由之接收信號的位置分析設(shè)裝置，以識別出眼內(nèi)各特征的位置出現(xiàn)的變化;利用與位置分析裝置相連的目標追蹤裝置，尋找某一特征，在其位置變化后找出它的新位置并產(chǎn)生出指示這新位置的信號，以及利用追蹤定位裝置，接收來自目標追蹤裝置的上述信號，自動地實時把三維測繪裝置的瞄準點改變到某特性的新位置上，從而能跟隨此特性并將其圖象穩(wěn)定在顯示裝置上，并且同步地和相應(yīng)地自動調(diào)節(jié)激光束聚焦的瞄準點和深度，使之指向已成為目標的此特性的新位置。
44.按權(quán)利要求43的方法，還包括用一個與激光束共用光路的外科手術(shù)顯微鏡來監(jiān)視病人的組織，并把外科手術(shù)顯微鏡來的信號發(fā)送到顯示上給出眼組織高倍放大象的實時電視顯示;此外用一個末端聚焦透鏡，使得所顯示的視頻顯微圖象在與激光光束所指向的相同位置和焦深上包含著一個顯微區(qū)域。
45.按權(quán)利要求44的方法，其中，外科手術(shù)顯微鏡包含了在低光照條件下以高倍成象并維持對人臨床手術(shù)安全照明水平的強化電視攝象裝置。
46.按權(quán)利要求43的方法，還包括按照預(yù)編程的手術(shù)三維路徑徑，通過選擇基于軟件的手術(shù)路徑，并啟動程序順序地在預(yù)選的建立起手術(shù)路徑的點上自動執(zhí)行激光的瞄準、聚焦和發(fā)射，自動地完成激光眼科手術(shù)。
47.按權(quán)利要求46的方法，進一步包括只要目標追蹤裝置在預(yù)先選擇的時間間隔內(nèi)無法重新定出某移動過的特征的位置時，便自動地中止激光沿預(yù)編程路徑上的移動和發(fā)射，從而，當(dāng)經(jīng)受手術(shù)的眼睛其特征距預(yù)定的激光束焦點的距離變得不安全時，立刻中止執(zhí)行預(yù)編程的外科手術(shù)。
48.按權(quán)利要求43的方法，還包括醫(yī)生用戶手動地選擇顯示裝置上的各種不同顯示格式，觀察眼組織各個不同剖面的步驟。
49.按權(quán)利要求46的方法，其中，該系統(tǒng)包括用于編寫預(yù)編程手術(shù)路徑樣板的醫(yī)生控制裝置，外科醫(yī)生在按預(yù)編程路徑開始自動執(zhí)行外科手術(shù)之前把預(yù)編程的手術(shù)樣板寫入所述醫(yī)生控制裝置。
50.一種進行激光外科手術(shù)的方法，包括下列步驟提供一個系統(tǒng)，用來對病人組織作三維成象，按選定格式把象顯示在醫(yī)生面前的顯示屏幕上，按照對激光進行定向的醫(yī)生所選擇的三維手術(shù)路徑、把激光束發(fā)送到病人組織上處并發(fā)射激光，以及實時地追蹤病人的組織以期圖象穩(wěn)定出現(xiàn)在顯示屏上，并且，不管該組織實際運動狀況如何，均使該病變目標組織在顯示屏上基本不動;使病人靠近此系統(tǒng);在外科醫(yī)生控制下，通過在顯示屏幕上選擇所需的象來觀察在不同部位沿不同剖面方向的病人組織;在外科醫(yī)生控制下，選擇在病變組織上進行手術(shù)的三維手術(shù)路徑，構(gòu)成一系列用于使執(zhí)行手術(shù)的激光束焦點瞄準目標和發(fā)射激光束的位置，由外科醫(yī)生把選定的精確手術(shù)路徑輸入到此系統(tǒng)的計算機和存貯器中去;在外科醫(yī)生控制下，沿著醫(yī)生選擇的編程手術(shù)路徑，開始進行激光發(fā)射，以及只要系統(tǒng)的追蹤設(shè)備在預(yù)定的時間間隔內(nèi)無法對某移動組織的特征進行重新定位，則自動地中止沿此編程手術(shù)路徑所進行的外科手術(shù)。
51.按權(quán)利要求50的方法，其中，該系統(tǒng)還包括在本質(zhì)上與三維成象系統(tǒng)相同的觀察區(qū)域上對病人眼組織進行觀察的外科手術(shù)顯微鏡，以及把待處理的目標組織的視頻顯微圖象顯示在顯示屏上的裝置，此方法還包括用戶對屏幕上顯示的病變眼組織的視頻顯微圖象連同其他的象進行測量觀察的步驟。
52.一種用于眼科診斷的、對病人眼組織進行觀察的方法，包括下列步驟提供一個系統(tǒng)，用于觀察以三維顯示的病人的組織，對病變組織作三維測繪并生成此病變組織平面象和剖面象，把這些象顯示在顯示屏幕上，當(dāng)該組織位置變化時追蹤此病變組織的各特征，旨在實時地跟隨此病變組織的某一給定范圍并把此組織的三維圖象穩(wěn)定在顯示屏幕上，從而當(dāng)用戶在觀察顯示屏幕時這些象實質(zhì)上是不動的;使病人靠近此系統(tǒng)，并使病變組織靠近三維測繪系統(tǒng)，以及觀察以三維形式顯示的病人組織，包括平面圖和各剖面圖，各剖面可由用戶確定且位置可變，因此，用戶可以以高穩(wěn)定格式在屏幕上觀察病人組織各個區(qū)域，并進行診斷，同時能夠可靠在測量此組織不同的區(qū)域用于診斷。
53.按權(quán)利要求52的方法，其中，該系統(tǒng)還包括在本質(zhì)上與三維成象系統(tǒng)相同的觀察區(qū)域上對病人眼組織進行觀察的外科手術(shù)顯微鏡，以及把病變的目標組織的視頻顯微圖象顯示在顯示屏上的裝置，此方法還包括用戶對屏幕上顯示的病變眼組織的視頻顯微圖象連同其他的象進行測量觀察的步驟。
54.一種在采用聚焦激光束進行作業(yè)的期間，易于對經(jīng)受運動的對象或?qū)ο蟮囊徊糠诌M行精密的受控操作的系統(tǒng)，包括把信息提供給用尸并能夠讓用尸控制此過程的用戶接口裝置，它包含向用尸精確地提供諸如有關(guān)被此系統(tǒng)視為目標的對象上面或其內(nèi)部的位置、待處理對象各特征的三維形貌和等高線族的信息的電視顯示裝置，以及由用戶控制、按用戶所需掃描此對象的內(nèi)部及橫截面以改變電視顯示的信息并由用尸控制激光束發(fā)射的裝置;與電視顯示裝置相連的成象系統(tǒng)，它包括三維測繪裝置，用來產(chǎn)生、讀出和解釋信息以便獲取待處理的對象上幾乎所有重要特征的三維位置，并且還包含著解釋這些數(shù)據(jù)、以對用戶有用的格式實時地把數(shù)據(jù)送到電視顯示裝置上去的微處理機裝置;產(chǎn)生能在待處理對象上或其內(nèi)部實現(xiàn)所需作業(yè)的激光束的激光光源;接收激光束并把它重新定向，合適地把它聚焦在待處理對象的所定目標上的光路裝置;與光路裝置相交且共軸、沿該光路裝置獲取該目標的視頻顯微圖象、并且把視頻圖象的信息饋送到電視顯示裝置的手術(shù)顯微鏡裝置，以及位于光路裝置內(nèi)并與微處理機相連的、實時地追蹤待處理對象的移動并相應(yīng)地移動光路裝置的追蹤裝置，使得三維測繪裝置及手術(shù)顯微鏡裝置所產(chǎn)生的信息和象、以及激光束的瞄準點和位置均能實時地跟隨該對象的位置而改變。
55.一種利用一連串激光發(fā)射，對某對象上面或其內(nèi)部進行精密作業(yè)的系統(tǒng)，包括產(chǎn)生能在該對象上面或內(nèi)部實行所類型作業(yè)的激光束的激光光源;發(fā)送激光束的光路裝置，它包含控制激光束聚焦的瞄準點和深度的光束定向裝置;以三維方式檢測該對象上面和/或內(nèi)部的各位置、外形及特征，且產(chǎn)生代表這些位置、外形及特征的信號的三維測繪裝置;接收來自三維測繪裝置的信號、用于向用戶實時顯示出代表上述位置、外形及特征的象的顯示裝置;與該三維測繪裝置相連并由此獲得信號的位置分析裝置，用以識別出該對象各特征的位置所出現(xiàn)的變化;與該位置分析裝置相連的目標追蹤裝置，用以尋找出某一特征，并找出其位置變化后的新的位置，產(chǎn)生指示此新位置的信號，以及接收來自該目標追蹤裝置的上述信號，并實時地把三維測繪裝置的瞄準點改變到某一特征的新位置上的追蹤定位裝置，從而能跟隨此特征并把它的象穩(wěn)定在顯示裝置上，并且同步地和相應(yīng)地調(diào)節(jié)激光束的瞄準點，指向已成為目標的此特征的新位置。
56.按權(quán)利要求55的系統(tǒng)，還包括預(yù)編程的激光觸發(fā)執(zhí)行裝置，用于按照預(yù)先選擇的三維手術(shù)路徑，在自動地控制著對激光瞄準點和焦點的深度，光束定向裝置的同時，自動地控制激光發(fā)射的定時，從而能自動地全面地對該對象執(zhí)行預(yù)先選定的作業(yè)過程;以及與目標追蹤裝置和激光觸發(fā)執(zhí)行裝置相連的追蹤反饋裝置，用于把信號發(fā)送到預(yù)編程激光觸發(fā)執(zhí)行裝置上，確認已經(jīng)找到某特征的新位置，如果在預(yù)定時間間隔內(nèi)沒有被激光觸發(fā)執(zhí)行裝置接收到此確認信號，便中斷激光發(fā)射。
57.按權(quán)利要求55的系統(tǒng)，還包括與光束定向裝置相連的用尸控制裝置，用于使用尸能控制激光束聚焦的瞄準點和深度。
全文摘要
一種精密激光手術(shù)用系統(tǒng)，包括一有變焦能力的倍增手術(shù)用電視顯微鏡,用于在醫(yī)生面前的電視屏幕上顯示出顯微圖象；Ronchi投影儀及具有樣板庫的計算機、用于精確定位和測繪待進行手術(shù)的組織，并指示任意時刻激光束的聚焦位置；追蹤系統(tǒng)，用于實時追蹤組織的移動，其速度最好為激光重覆速率與足夠的安全容限之和，并大于屏幕回描的幀速。
文檔編號A61B18/20GK1045028SQ9010058
公開日1990年9月5日 申請日期1990年2月6日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月6日
發(fā)明者H·阿爾弗雷德·斯克拉爾, 阿蘭·M·弗蘭克, 奧爾加·M·費爾里爾, 查爾斯·F·邁克米蘭, 斯特沃特·A·布朗, 弗雷德·里內(nèi)克爾, 保爾·哈里斯, 斯蒂芬·施弗爾 申請人:鳳凰激光系統(tǒng)有限公司