计算用于屈光准分子激光器中的激光照射文件的装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于计算用于屈光准分子激光器中的激光照射文件的方法及装置，此方法包括以下步骤：提供关于期望的消融轮廓的信息；计算期望的消融轮廓的照射密度；确定用于将所述准分子激光器的激光照射布置于栅格位置上的栅格的栅格宽度，其中，基于期望的消融轮廓的所计算的照射密度来确定所述栅格宽度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具体是使用抖动算法来计算激光发射文件(file)的装置及方法，该激光发射文件应用于屈光准分子激光器中。当对眼睛进行激光治疗，或使用激光消融产生定制的隐形眼镜或人工晶状体(IOL)(intraocular lens)时，本发明特别适于应用激光照射文件。

背景技术

US 6,090,100涉及一种用于以降低的热效应来矫正视力的准分子激光系统。其特别是涉及一种用于控制准分子激光系统来去除眼睛的组织以执行各种类型的矫正的方法和装置，矫正诸如是近视、远视以及散光矫正。在一个公开的实施例中，准分子激光系统提供相对较大的斑点大小，该大的斑点大小提供的每个照射的治疗区域具有相对较大的覆盖。当使用此大的斑点时，照射一般并不彼此“相邻”，而是相互交叠，在特定点产生所需的消融度。使用一种算法来计算交叠照射的结果。在使用分布于整个治疗区域上的大且固定的斑点大小来计算治疗模式的方法中，使用抖动算法。具体提到矩形抖动、圆抖动以及逐行导向抖动。使用任何种类的照射抖动方法时，对分布于治疗区域上的固定斑点大小产生照射阵列，以矫正至期望的消融度。对于各个阵列，使用了在单独的栅格位置之间具有恒定栅格宽度的栅格。利用已知的抖动方法，必须将期望的消融轮廓(profile)的形状转换成整数离散密度分布，期望消融轮廓通常为连续轮廓。这里，连续轮廓表示计划的消融，而整数离散密度分布表示一系列消融飞点激光脉冲。必须最小化残留结构，即，计划的与所获的轮廓之间的差异。理论上，能够找到数字上的确切解决办法，但在合理的时间上不能。因此，基于这个目的使用抖动算法。在给定的栅格处使轮廓离散化。针对栅格的每个位置，算法使用价值函数或评价函数来决定是否布置照射。对于此决定，通常只考虑栅格的少数毗邻位置。此抖动算法节省了计算时间，而不需要考虑斑点的实际大小。获知由一个激光照射所消融的照射体积就足够了。但是，在某些条件下，已知的抖动算法在部分轮廓中产生假象，例如，在低密度区域，在该区域，下一个毗邻的照射太远。也可能在高密度区域中产生假象，在该区域，几乎在每个位置都布置有照射。假设只需要少数毗邻位置，没有照射的位置也具有太大的距离。

关于抖动算法的总体背景，参照US 6,271,636 B1，其涉及数字图像处理领域。其尤其涉及使用误差扩散、抖动以及过调制方法来对连续色调图像进行数字多频声处理(multitoning)的方法。提到的问题是可能出现类似蠕虫的假象，当黑色或白色输出像素在否则应该一致的区域里看似连在一起时，形成所述蠕虫。其中，此美国专利给出了对这些已知方法的详细描述，它涉及完全不同的技术领域。在其它区别中，已知的激光打印机系统使用各自的固定的分辨率，该分辨率给定为每英寸的点的数量，即，每英寸中具有更高数量的点会导致更好的分辨率。此外，已知的激光打印机没有点交叠和接触的问题，因为当撞击一个点两次或更多次时，不会导致附加的发黑度。更确切地，为了产生图像，能够通过在具有某一灰度水平的图像的某一局部区域中应用对应数量的点来产生该局部区域。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置及方法，用于计算用于屈光准分子激光器中的激光照射文件，其中，将计划的轮廓与获得的轮廓之间的差异最小化。这个目的通过权利要求的特征实现。

用于例如近视的矫正的期望的消融轮廓在治疗区的中心部分具有最大照射密度，而沿着治疗区周围边界的照射密度最小。因此，应用于治疗区的中心部分的激光照射的数量比其它子区域中的高，其它子区域尤其是沿治疗区边界的子区域。

为了例如远视的矫正，在治疗区的中心部分存在最小照射密度。另一方面，消融轮廓在沿治疗区的周围边界需要更高数量的激光照射。

本发明通常可适用于任何消融轮廓，其中研究具有不同照射密度的子区域，以确定任何具有最大照射密度的子区域和/或任何具有最小照射密度的子区域。

本发明的总体概念是基于优化栅格的想法，特别是优化用于布置准分子激光器的激光照射的栅格的栅格宽度的想法。更具体地，首先计算用于获得预定期望的消融轮廓的照射密度。根据期望的消融轮廓的计算的照射密度，确定优化的栅格，即优化的栅格宽度。

根据本发明的优选实施例，根据期望的消融轮廓的最小照射密度和/或最大照射密度来优化栅格宽度。总体而言，对具有低照射密度的期望的消融轮廓，使用具有较宽栅格宽度的栅格。对具有高照射密度的期望的消融轮廓，使用具有窄的栅格宽度的栅格。优选地，选择的一个栅格宽度满足以下要求：已占用的栅格位置的最小数量至少为任何区域内全部可用栅格位置数量的4％，和/或已占用的栅格位置的最大数量至多为治疗区的任何子区域内的全部可用栅格位置数量的96％。优选地，占用的栅格位置仅仅接收一个激光照射。优选地，该范围为10％至90％，并且最优选地，该范围为20％至80％。

优选地，栅格宽度至少为10μm至300μm的范围内的值，并且优选地为30μm至240μm的范围内的值。

根据优选实施例，使用抖动算法用于计算将准分子激光器的照射在栅格位置上的布置。通过确定用于抖动算法的栅格的优化的栅格宽度，抖动算法适于期望的消融轮廓。

使用单个激光照射的消融容积V_照射及栅格宽度G，通过如下方程，根据各自的子区域内的消融轮廓z(x，y)来计算栅格位置P(x，y)附近子区域内的局部照射密度D(x，y)。

D(x，y)＝z(x，y)×G²/V_照射    (1)

使用以下方程，可得出针对轮廓z_max(x，y)的最大值以及期望的最大密度D_max(x，y)的栅格宽度：

使用方程1，期望的轮廓的最小值附近的局部照射密度可由方程2的栅格宽度计算出。使用两个范例来解释栅格宽度的影响。作为第一范例，选择的治疗使用约5mm的治疗区域用于-1dpt的期望的矫正。这种近视矫正在其中心处具有最大的消融。期望的深度大约为10μm。利用典型的准分子治疗激光器，大约需要120个激光照射以达到结果。为了在中心部分获得大约54％的照射密度，选择235μm的栅格常数(图1)。栅格常数为59μm时，中心部分的照射密度仅为3.3％，这是导致结果与期望的消融有偏离的原因(图2)。在消融的第二范例中，治疗区为7.5mm，矫正为-8dpt。期望的最大深度大约为160μm，并且需要大约4000个激光照射。对于此范例，59μm的栅格常数有良好结果。最大照射密度为54.5％。此两范例示出了对每个轮廓计算栅格常数的优点。给定的照射数量和屈光矫正取决于激光照射能量。这里假设为典型的激光能量。

如果最小密度阈值有伤害性，轮廓优选地分成至少两个子轮廓。

根据另一优选实施例，期望的消融轮廓分为至少两个消融子轮廓。然后对于每个消融子轮廓，计算各自的照射密度，并基于消融子轮廓的各自的计算的密度确定各自的栅格宽度。因此，对于对比太高的期望的消融轮廓，即最大照射密度与最小照射密度之间的差异太大，优选地针对各分别的消融子轮廓使用不同的栅格常数或栅格宽度在两轮或更多轮中计算激光照射文件，产生对应的激光照射文件。其后，能够将所述两个或者更多个激光照射文件组合为一个单个的激光照射文件

根据本发明，在进一步的分类步骤中处理计算的、布置的激光照射以获得激光照射的顺序。考虑应当避免任何热效应来执行分类，即两个连续的激光照射优选地布置在治疗区中彼此相距一段距离的不同栅格位置上。

附图说明

将通过参照附图的范例对本发明进行进一步描述，其中：

图1A为示出用于使用第一栅格宽度的第一测试的激光斑点的位置的图示；

图1B为作为沿图1A的水平轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；

图1C为作为沿图1A的竖直轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；

图2A为示出用于使用第二栅格宽度的第二测试的激光斑点的位置的图示；

图2B为作为沿图2A的水平轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；

图2C为作为沿图2A的竖直轴的横截面示出计划的轮廓和获得的轮廓的图示；

图3示出使用抖动算法来计算激光脉冲模式的流程图；以及

图4示出子栅格的示例，该子栅格的加权因子可用于对毗邻的误差值进行加权。

具体实施方式

图1A、1B和1C示出了激光照射文件的模拟计算，该激光照射文件用于屈光准分子激光器中，用于以约-1屈光度来矫正近视，其使用用于屈光治疗的典型的准分子激光器，在直径为5.5mm的治疗区内且使用具有约1mm的直径的激光斑点。在该模拟的第一测试中，栅格宽度为235μm。因此，两个毗邻栅格点间的距离为235μm。在此范例中，栅格点排列成行和列。总共使用120个激光照射来获得小的消融。取决于单个照射的消融体积，得到的治疗预期具有所述约-1屈光度的屈光。图1A示出120个激光照射中每一个的各自的中心位置，中心位置与每个都标有“+”号的栅格位置中的一个相关。在图1A右上角，示意性地示出栅格具有235μm的栅格宽  度。每个所示的激光照射中心位置布置在此栅格的栅格点处。图1B的示意图作为虚线示出了期望的消融轮廓，即，关于各自的X位置的以μm计的消融深度。在治疗区的中心部分中，消融深度大约为10μm，并且小于两侧。在-3和+3的x位置处，消融深度为零。另外，作为沿通过图1A中的点0-0的水平轴取得的横截面用实线示出了模拟得到的消融轮廓。类似地，图1C用虚线示出了期望的消融轮廓，其为沿通过图1A中的点0-0的竖直轴的横截面取得的。图1C还用实线示出了得到的消融轮廓，其为沿通过图1A中的点0-0的竖直轴的横截面取得的。图1中，治疗区内的平均照射密度大约为27.7％，在此范例中，治疗区具有5.5mm的直径(图1A)。激光照射的各中心位置布置在X方向±2.2mm及Y方向±2.2mm的范围内。治疗区的中心部分的最大照射密度大约为53.9％。

除59μm的不同栅格宽度外，图2A、2B和2C示出了与图1A、1B和1C类似的第二测试的结果。因此，第二测试的栅格宽度大约是第一测试的栅格宽度的1/4。这产生的影响是每单位面积上第二测试的栅格点数量是每单位面积上第一测试的栅格点数量的16倍。

图2中，治疗区内的平均照射密度大约为1.7％，在此范例中，治疗区直径为5.5mm。治疗区中心部分的最大照射密度大约为3.3％。因此，当将大约为27.7％的第一测试的平均照射密度与大约为1.7％的第二测试平均照射密度进行比较时，得到的因子为16。类似地，当将大约为53.9％的第一测试的最大照射密度与大约为3.3％的第二测试的最大照射密度进行比较时，因子为16。这清楚地示出能够通过选择合适的栅格宽度来调整照射密度。换言之，通过与要布置于治疗区的中心部分中的照射的数量相关地选择合适的可用栅格点的数量，能够获得预定的照射密度。

第二测试的低照射密度在消融的较低部分引起类似镰刀状蠕虫的假象(图2A)。如所示，在沿曲线以较近距离布置的栅格位置处提供有数个激光照射。在离此曲线较大距离处布置的栅格位置处提供另外的激光照射。因此，不以相同方式提供激光照射，导致与期望的消融轮廓的偏离(见图2C)。

第一测试图和第二测试图的比较示出，得到的第一测试的消融轮廓更佳，即，得到的消融轮廓的曲线更符合期望的消融轮廓的曲线(见图1B和1C)。具体地，图2B和2C示出了得到的消融轮廓与期望的消融轮廓偏离，即，相对于治疗区中心存在移动，并且两个曲线图在如图2B中所示的上升与下降边缘和如图2C中所示的上升边缘中包括附加的最大值和最小值。

根据本发明，特别地，确定栅格宽度，使得在治疗区内，计算的照射密度低的子区域中的最小数量的栅格位置接收一个激光照射。优选地，计算的照射密度低的子区域中的栅格位置的最小数量为总数量的至少4％。换言之，在治疗区的特定子区域中，25个栅格位置中的至少一个栅格位置应该接收一个激光照射。优选地，计算的密度低的子区域中至少10％的栅格位置接收激光照射。换言之，在特定子区域中，10个栅格位置中有一个栅格位置接收到一个激光照射。更优选地，在计算的照射密度低的所述子区域中至少20％的栅格位置接收一个激光照射。换言之，在所述子区域中，5个栅格位置中有一个接收到激光照射。

通过使用相同的栅格，即，使用相同栅格宽度，计算的照射密度高的区域中的栅格位置的最大数量不超过96％。换言之，在计算的密度高的子区域中，25个栅格位置中有一个栅格位置不接收激光照射。优选地，不超过90％的栅格位置接收激光照射，即，10个栅格位置中有一个栅格位置不接收激光照射。更优选地，在计算的密度高的子区域中，不超过80％的栅格位置接收激光照射，即，5个栅格位置中有一个不接收激光照射。

确定上述范围，以避免得到的消融轮廓与期望的消融轮廓的任何偏离。更具体地，例如，如果一方面在治疗区的区域中的每个栅格位置都布置激光照射，则可能出现所谓的假象。另一方面，如果在太少的栅格位置提供激光照射，则就出现所谓的蠕虫。通过适当地选择栅格的栅格宽度能够避免这种假象和蠕虫。

通常而言，调整栅格宽度有以下影响。一方面，如果以例如2的因子使栅格宽度更宽，则栅格点的数量将减少至1/4。另一方面，如果以例如2的因子将栅格宽度变得更窄，则栅格点的数量将以4的因子增加。

通过使用抖动算法，输入参数是激光照射的照射体积和期望的消融轮廓。不需要考虑光束直径，因为抖动算法与光束直径相独立地起作用。抖动算法提供激光照射文件作为输出。更具体地，抖动算法用于将准分子激光器的激光照射布置在栅格位置上。优选地，针对每个栅格位置，使用价值函数来决定是否布置激光照射。于此，优选地，关于在给定的栅格位置的毗邻区域内的一个(或多个)栅格位置处布置有一个还是多个激光照射来进行决定。优选地，使用如US 6,090,100中所公开的抖动算法。

下面将参照图3描述一种优选的抖动算法，图3示出了表示误差扩散的范例的流程图。该抖动算法基于误差扩散的概念。在误差扩散的步骤之前，基于例如患者眼睛的期望的矫正或者隐形眼镜或IOL的修改来计算出期望的消融轮廓。该轮廓储存在具有特定栅格宽度的栅格内。例如，这种栅格具有256×256的值，覆盖面积为15²mm²。误差扩散可以开始于那个栅格内的一个边缘处并沿着它逐行进行。

第一步骤S1中，使用方程(2)来确定消融轮廓和栅格宽度，并且起作用的抖动位置设定为栅格的边缘之一中的点。所述起作用的抖动位置表示正被处理的栅格内的实际位置。

在下一步骤S2中，获得对起作用的抖动位置的期望的消融值。在步骤S3中，以比例因子f倍乘该期望的消融值。比例因子f考虑了激光脉冲的不同大小和安置步骤，即，栅格宽度。更具体地，如下计算比例因子以获得此位置的期望的照射密度(见方程1)：

对于具有256×256的值、覆盖面积为15²mm²的上述栅格，栅格宽度是15mm/256＝58μm。因此，激光束能够发送的最小正方形的面积为(58μm)²。因此，为了考虑激光脉冲的交叠，降低了计算的脉冲数量。

在下一步骤S4中，对于起作用的抖动位置，将加权的毗邻误差增加至缩放的期望的消融值上。这些加权的毗邻误差优选地为以经被处理的邻近栅格点的误差的加权和。随后将描述范例。

在另一步骤S5中，决定所获得的值是否大于预定阈值。因此，将各栅格点的值和邻近栅格点的加权误差的和与该阈值进行比较。如果该值不大于阈值，则运行步骤S9。如果值大于阈值，则在步骤S6中对此栅格位置设定激光脉冲。从所述密度值中减去一个激光脉冲。

另外一方面，如果在步骤S7中新值不大于阈值，则将新值作为此特定栅格位置的误差存储。在处理毗邻位置时，将使用它，用于关于另外的抖动位置的计算。

在下一步骤S8中，决定线是否完整；如果不完整，在步骤S9中选择相同线上的下一个点作为起作用的位置，并重复前述处理。如果线是完整的，则在步骤S10中必须决定是否存在新线；如果存在新线，则在步骤S11中选择新线中的第一点作为起作用的位置，并重复该处理。否则，如果不存在新线，则以步骤S12结束处理。前述栅格点误差表示特定栅格点处的消融误差。对于每个处理的栅格点，此误差是期望的消融值加上加权毗邻误差的和减去激光脉冲消融深度(如果已为该位置设有激光脉冲)。

图4示出用于毗邻栅格点的误差的加权的范例。更具体地，图4示出了7×7栅格点的子栅格，其中起作用的抖动位置示于中间。在此情况下，确定加权函数为8/距离，距离为以栅格点为单位测量的距离。然后通过除以70.736来标准化误差的和，70.736是使用的全部加权因子的和。根据图4，明显地，白色位置指示尚未处理的栅格点。因此，在决定是否必须在给定的栅格位置处设定激光脉冲之前，必须将在处理邻近栅格点时产生的误差增加至该栅格点的理论消融值上。毗邻栅格点的误差不是简单的相加，而是加权的，归因于它们至起作用的栅格点的距离。图4示出了各加权因子。应当注意的是，这仅仅是一种可能的周边误差求和方法，这种方法效果良好。

测试已显示产生良好结果的阈值是接近0的正值。优选地，使用对应于1/2048的阈值。

应该注意，上述抖动算法仅仅是使用本发明的一个范例。

其后可通过使用单独的分类算法来确定激光照射顺序。可以执行分类来避免热效应。因此，任何两个随后的激光照射应当优选地布置于彼此相距一段距离的两个栅格位置上。优选地，每四个照射中有一个激光照射布置于与第一个照射相同的区域中。

本发明的前述公开和描述是其示例性和解释性的，并且可不脱离本发明的范围而对构造和操作方法进行改变。