DE69532211T2

DE69532211T2 - Epithelium-entfernung

Info

Publication number: DE69532211T2
Application number: DE69532211T
Authority: DE
Inventors: Roger F Steinert
Original assignee: Individual
Current assignee: STEINERT, ROGER F., BOSTON, MASS., US
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2015-03-28
Also published as: EP0901344A1; US6019755A; EP0901344A4; DE69532211D1; JP3759608B2; WO1995026162A1; EP0901344B1; AU2196895A; US6293939B1; AU697127B2; US5505724A; JPH10502826A; ATE254880T1

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Behandlung des Auges, und insbesondere auf ein System zum gesteuerten Entfernen des Epithels von der Kornea.
Hintergrund der Erfindung
Die photorefraktive Keratektomie ist ein Vorgang, bei welchem Excimer-Laser verwendet werden, um optische Fehler des Auges zu korrigieren, beispielsweise Myopie bzw. Kurzsichtigkeit, Hyperopie bzw. Weitsichtigkeit und Astigmatismus. Ein typisches Verfahren besteht im Entfernen von Hornhautgewebe unter Verwendung eines Lasers, der bei 193 nm arbeitet, obwohl auch andere Wellenlängen verwendet werden können. Jeder Laserpuls entfernt eine kleine Menge Hornhautgewebe. Durch Steuern der Anzahl der Pulse und des Bestrahlungsmusters durch den Laser kann der Hornhaut die gewünschte neue Form gegeben werden. Zur Korrektur der Kurzsichtigkeit wird beispielsweise mehr Gewebe vom Zentrum als am Rand entfernt, so dass die Hornhaut insgesamt abgeflacht wird.
Ein Anfangsschritt bei dem Verfahren besteht darin, von der Hornhaut die Oberflächenschicht von Zellen zu entfernen, die als Epithel bekannt ist. Das Epithel ist gewöhnlich etwa fünfzig Mikron dick und bedeckt und schützt das darunter liegende Gewebe, hauptsächlich Kollagen, das die Masse der Hornhaut ausmacht. Früher hat man das Epithel durch Abschaben mit einer mechanischen Vorrichtung, beispielsweise der Schneide eines Messers oder eines anderen chirurgischen Instruments entfernt. Dies hat eine Anzahl von Nachteilen.
Beispielsweise bildet die Verwendung eines mechanischen Instruments eine Infektionsgefahr, und ein mechanisches Entfernen ist ebenfalls von Natur aus unregelmäßig und in hohem Ausmaß von dem Geschick der Person abhängig, die den Vorgang ausführt. Das Abschaben kann die darunter liegende Hornhaut verletzen, beispielsweise indem Einkerbungen oder Kratzer verursacht werden, die ihrerseits die Glätte bei dem späteren Entfernen des darunter liegenden Kollagen beeinträchtigen, und es können kleine "Inseln" von Epithel zurückbleiben, nachdem man meint, dass das ganze Epithel entfernt worden ist, oder im Falle des Abkratzens des Epithels kann auch etwas von dem darunter liegenden Kollagen entfernt werden. Um darüber hinaus zu gewährleisten, dass die gesamte zu behandelnde Fläche freigelegt worden ist, ist es üblicherweise erforderlich, das Epithel aus einem Bereich zu entfernen, der größer ist als der zu behandelnde. Dies ist unerwünscht, da u. a. ein größerer Bereich länger zum Heilen braucht und eine erhöhte Infektionsgefahr ergibt. Wenn beispielsweise der Bereich des zu behandelnden Kollagens 16 im Durchmesser 5 mm beträgt, ist es bei Verwendung von mechanischen Ablationsverfahren üblicherweise erforderlich, das darüber liegende Epithel 14 aus einer Zone von 6 oder sogar 7 mm zu entfernen. Als Ergebnis liegt dann der gesamte freigelegte Bereich zwischen etwa der eineinhalbfachen bis zweifachen Größe der Behandlungszone. Wenn das Epithel mechanisch entfernt wird, kann außerdem der zur Ablation des darunter liegenden Kollagens verwendete Laser erst nach dem Abschluss der Entfernung des Epithels in Position gebracht werden, was die potenzielle Dehydration und die Gesamtlänge des chirurgischen Eingriffs in unerwünschter Weise vergrößert.
Die US 4941093 offenbart eine Laservorrichtung zum Erodieren einer Oberfläche einer Kornea mit einer Messvorrichtung zum Messen des Oberflächenprofils der abgetragenen Oberfläche und mit einem automatischen Rückkoppelungssteuersystem zum Steuern der Pulsabgabe der Laserenergie an die Oberfläche. Diese Referenz offenbart weder ein spektroskopisches System noch insbesondere ein spektroskopisches System, das die Fluoreszenz der abzutragenden Oberfläche überwacht, um das Vorhandensein oder das Fehlen von Epithel zu bestimmen.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein System für ein gesteuertes Entfernen von Epithel aus einem ausgewählten Bereich einer Kornea bereitgestellt, wobei das System eine Epithel abtragende Laservorrichtung zum Bestrahlen eines ausgewählten Bereichs des Epithels mit einer abtragenden Strahlung, wobei die Bestrahlung in der Kornea zu einer Fluoreszenz führt, und ein Steuersystem aufweist, wobei sich das System dadurch auszeichnet, dass

a) es auch ein spektroskopisches System aufweist, das so angeordnet ist, dass es die Fluoreszenz in dem ausgewählten Bereich der Kornea während des Abtragens spektroskopisch überwacht, um die Abtragung von Epithel spektroskopisch zu bestimmen, und
b) das Steuersystem auf das spektroskopische System anspricht, um die Anwendung der abtragenden Strahlung aus der Laservorrichtung auf den Bereich zu beenden, nachdem spektroskopisch festgestellt wurde, dass eine Abtragung von Epithel im Wesentlichen fehlt.

Die vorliegende Erfindung sorgt für ein genaues, nicht mechanisches Entfernen des Epithels von im Wesentlichen nur dem Behandlungsbereich der Kornea. Insbesondere bestrahlt eine Epithel abtragende Laservorrichtung den ausgewählten Bereich des Epithels mit Laserenergie, überwacht ein spektroskopisches System das Abtragen und wird spektroskopisch bestimmt, ob Epithel abgetragen ist, wobei ein Steuersystem das Entfernen des Epithels nach der spektroskopischen Bestimmung, dass ein Epithelabtrag im Wesentlichen nicht vorhanden ist, beendet.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen, bei denen die gleiche Laservorrichtung dann dazu verwendet wird, der freigelegten Kornea eine neue Form zu geben, nachdem das abdeckende Epithel entfernt worden ist, stellt das spektroskopische System eine charakteristische Fluoreszenz aus dem abzutragenden Kornea-Epithel fest, liefert der Laser Energie in Pulsen und prüft das spektroskopische System das Vorhandensein von Epithelfluoreszenz zwischen den Pulsen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems nach der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung eines modifizierten Systems, das ebenfalls die Erfindung verkörpert.
Ins Einzelne gehende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 und 2 zeigen einen Teil eines menschlichen Auges, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Wie bekannt, hat die von der Sklera 14 umgebene Kornea 12 eine äußere Epithelschicht 16 (das Epithel), die über dem Gewebe 18 (im großen Ausmaß Kollagen) liegt, das den größten Teil des Kornea-Aufbaus bildet. Das Epithel 16 ist gewöhnlich etwa 50 Mikron dick, wobei sich die Dicke jedoch von Person zu Person ändert. Beispielsweise beträgt die Dicke des Epithels eines Kontaktlinsenträgers häufig nur 60% der Dicke einer Person, die keine Kontaktlinsen trägt.
1 und 2 zeigen auch einen Excimer-Laser 20, beispielsweise einen Omnimed II, hergestellt und verkauft von Summit Technology, Inc., Waltham, Massachusetts. Der Laser 20 emittiert einen Strahl 21 von gepulster Laserenergie mit einer Wellenlänge von etwa 193 nm und wird in herkömmlicher Weise dazu verwendet, dem Kollagen 18 eine neue Form zu geben, wobei die Kornea-Linse durch selektives Abtragen von Kollagengewebe geformt wird, nachdem die schützende Epithelschicht 16 mechanisch entfernt worden ist. In dem Strahlweg ist eine Blende 22 mit variabler Öffnung vorgesehen, um den Durchmesser des Laserstrahls 21 zu steuern und, falls erforderlich, zu verändern. Bei der herkömmlichen Verwendung wird die Öffnung so eingestellt, dass der Durchmesser des Strahls, der auf die Kornea fällt, gleich dem der zu behandelnden Fläche ist. Wenn unterschiedliche Hornhautdicken aus verschiedenen Bereichen zu entfernen sind, kann eine kleinere Öffnung verwendet werden, und es wird zur jeweiligen Zeit nur ein kleiner Betrag der Gesamtbehandlungsfläche abgetragen. Auf jeden Fall trägt jeder Puls des Excimer-Lasers eine kleine Menge an Kornea-Kollagengewebe ab.
Es hat sich gezeigt, dass die Laserabtragung des Kornea-Kollagengewebes die Emission einer Fluoreszenz verursacht. Siehe Tuft et al., "Qualification of the Fluorescence Spectra Produced by ArF Laser Ablation of the Cornea and Sclera", Investigative Opthalmology and Visual Science , Band 31, Nr. 4 (ergänzt) 1990, 477. Gewöhnlich folgt die durch jeden abtragenden Laserpuls verursachte Fluoreszenz und besteht über einen Zeitraum, der beträchtlich kürzer ist als die Breite des Laserpulses selbst. Tuft et al. fanden heraus, dass sich die aus einem gepulsten ArF-Laser ergebende Fluoreszenz eine Dauer in der Größenordnung von 1 bis 3 ns hat, also etwa eine Größenordnung kleiner als die Laserpulsbreite ist.
Es hat sich gezeigt, dass der Laserstrahl aus einem Excimer-Laser auch dazu verwendet werden kann, die Epithelschicht abzutragen oder zu entfernen, die über dem Kollagenaufbau der Kornea liegt. Dies hat sich jedoch aus einer Anzahl von Gründen als schwierig erwiesen. Es ist schwer, die Dicke des Epithels genau zu messen, und, wie bereits erwähnt, die Dicke des Epithels ändert sich von Person zu Person. Zudem sind die Zeltstrukturen des Epithels des darunter liegenden Kollagens ausreichend unterschiedlich, so dass die beiden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgetragen werden. Obwohl der Laser das Epithel sowie das Kollagengewebe abträgt, ist es deshalb nicht praktisch, den Laser einfach für den Beginn der Abtragung an der äußeren Oberfläche des Epithels 16 zu benutzen und ihn dann nach unten in das darunter liegende Kollagengewebe 18 arbeiten zu lassen. Statt dessen ist es wichtig, wenn das abdeckende Epithel vollständig entfernt worden ist, erst dann mit dem Entfernen des darunter liegenden Kollagens zu beginnen. Wenn der Punkt, an dem Kollagengewebe beginnt, nicht genau bekannt ist, ist es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, eine kontrollierte Kollagenentfernung auszuführen, wie es für die genaue Kornea-Neuformung erforderlich ist.
Man hat ferner auch gefunden, dass das Kollagen und das darüber liegenden Epithel aufgrund ihrer unterschiedlichen Zellstrukturen beträchtlich unterschiedliche spektroskopische Eigenschaften haben und dass diese spektroskopischen Unterschiede verwendet werden können, eine genaue Messung des Entfernens des Epithels bereitzustellen.
Die durch die Abtragung des Epithels 16 durch den Excimer-Laser verursachte Fluoreszenz unterscheidet sich beispielsweise von der, die durch die Abtragung des darunter liegenden Kollagens 18 erzeugt wird. Die Fluoreszenz aus dem Kollagengewebe ist eine Mischung von Wellenlängen mit Spitzen bei etwa 300 nm im Ultraviolettbereich. Das Abtragen des Epithels erzeugt auch einen Bereich der Fluoreszenz, wobei der Peak jedoch in dem kaum sichtbaren blauen Bereich liegt, beispielsweise im Bereich von etwa 400 nm. Beide Wellenlängen können unter Verwendung einer herkömmlichen Dioden-Detektoranordnung gemessen werden, wie sie beispielsweise bei Tuft verwendet wird. Die Art der durch den Laser abgetragenen Zellen (beispielsweise Epithelzellen oder Kollagenzellen) kann durch Überwachen des Vorhandenseins oder Fehlens einer Fluoreszenzspitze auf der entsprechenden Wellenlänge bestimmt werden, beispielsweise kaum sichtbares Blau (etwa 400 nm) oder Ultraviolett (etwa 300 nm). Da Fluoreszenz aus dem abgetragenen Epithel für das menschliche Auge sichtbar ist und verschwindet, wenn das Entfernen des Epithels abgeschlossen worden ist, ist es möglich, die Epithelabtragung visuell zu überwachen.
Deshalb wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Photodiode (in 1 mit 40 bezeichnet), die für den charakteristischen Peak entweder der Kollagen- oder der Epithelabtragsfluoreszenz empfindlich ist, zur Bestimmung verwendet, welche der beiden Arten von Zellen abgetragen wird. Vorzugsweise ist die Photodiode 40 empfindlich für vom Epithel verursachte Fluoreszenz (beispielsweise für eine Fluoreszenz im Wellenlängenbereich von etwa 400 nm), und das Vorhandensein oder das Fehlen einer solchen Fluoreszenzspitze wird als Steuersignal verwendet. Die Fluoreszenz, die eine solche Spitze hat, ist so lange vorhanden, wie der Laser Epithel entfernt. Wenn das Epithel einmal entfernt worden ist, fällt diese Spitze drastisch ab. Ein Steuersystem 50, das sowohl mit dem Laser 20 als auch mit der Photodiode 40 verbunden ist, spricht auf die Photodiode 40 an und veranlasst entweder die Unterbrechung der Laserwirkung des Lasers (wie bei der dargestellten Ausfüh rungsform) oder bringt das Steuersystem automatisch dazu, mit der Kornea-Formung zu beginnen.
Vorzugsweise werden die gleiche Laserquelle und der gleiche Laserstrahl sowohl für das Entfernen des Epithels als auch für die darauf folgende Formung des darunter liegenden Hornhautgewebes verwendet. Dadurch wird offensichtlich die bisher beträchtliche Schwierigkeit der Gewährleistung, dass der Laser bezüglich der freigelegten Fläche richtig in Deckung angeordnet ist, im Wesentlichen vermieden. Zu vermerken ist auch, dass die Breite des für das Entfernen des Epithels verwendeten Strahls die gleiche ist wie der maximale Laserstrahldurchmesser für den Einsatz zur darauf folgenden Hornhautformierung, d. h. der Laser wird zuerst zum Entfernen des Epithels aus dem gesamten Behandlungsbereich und dann für die Kollagenabtragung verwendet, die für die Formierung erforderlich ist. Wenn ein Laserstrahl mit kleinerem Durchmesser für die Formierung verwendet wird, beispielsweise unterschiedliche Dicken von unterschiedlichen Teilbereichen des gesamten Behandlungsbereichs entfernt werden müssen, sieht man, dass das an den vollständigen Behandlungsbereich angrenzende Epithel als eine Schutzmaske dient.
Man sieht, dass der Laserstrahl 21 bei der Ausgestaltung von 1 im Wesentlichen senkrecht zum gesamten Teil des behandelten Auges ist. Der Durchmesser des behandelten Teils, beispielsweise etwa 5 mm, ist ausreichend klein, dass der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zu allen zu behandelnden Teilen des Auges ist. Wenn eine größere Fläche, beispielsweise mit einem Durchmesser von 8 bis 9 mm, zu behandeln ist, kann die Krümmung des Auges Bedeutung erlangen. In diesen Fällen trifft die Strahlung, obwohl sie von dem Laser 18 als parallele Strahlen emittiert wird, auf das Auge mit unterschiedlichen Winkeln und kann ein Abtragen von Epithel mit unterschiedlichen Raten in unterschiedlichen Bereichen verursachen. Deshalb können zusätzliche Einrichtungen vorgesehen werden, die gewährleisten, dass die Abtragung des Epithels über dem ausgewählten Bereich im Wesentlichen dieselbe ist.
2 zeigt eine Linse 70, die zwischen dem Laser und dem Auge angeordnet ist. Obwohl der Laserstrahl 21 aus dem Laser 20 als parallele Strahlen emittiert wird, sind die optischen Eigenschaften der Linse 70 so beschaffen, dass die Strahlen des Laserstrahls nach dem Durchgang durch die Linse etwas konvergent sind, so dass über dem Behandlungsbereich jeder Strahl auf das Auge mit einem im Wesentlichen senkrechten Winkel einfällt.
Alternativ kann eine Abtragsmaske mit sich ändernder Dicke zwischen der Laserquelle und der Augenoberfläche vorgesehen werden. Die verschiedenen Teile der Maske blockieren den Laserstrahl, bis der spezielle Maskenteil abgetragen worden ist, was es ermöglicht, den Zeitraum zu variieren, während dem der Laser auf unterschiedliche Bereiche des Epithels einfällt, und so eine gleichförmige Dicke der Epithelabtragung über dem gesamten Behandlungsbereich zu gewährleisten.
Unabhängig von den Umständen bestimmt das System, wann das ganze Epithel entfernt worden ist und der Übergang in das darunter liegende Kollagen begonnen hat, indem ein spektroskopischer Unterschied zwischen dem Epithel- und Kollagengewebe gefühlt wird.
Weitere Ausgestaltungen
Bei weiteren Ausgestaltungen können andere spektrale Eigenschaften des Epithels verwendet werden, um ein Steuersignal zu erhalten, das für die Tatsache steht, dass das über dem Behandlungsbereich liegende Epithel, jedoch nur wenig oder gar nicht von dem darunter liegenden Gewebe, entfernt worden ist. Beispielsweise kann entweder die Reflexions- oder Transmissionsspektroskopie verwendet werden. 2 zeigt eine Lichtquelle 80, deren Licht auf den Behandlungsbereich einfällt, und einen Sensor 90 (anstatt einer Photodiode in 1), der auf reflektiertes Licht aus der Quelle anspricht. Da bekanntlich die Eigenschaften des reflektierten Lichts von der Zellstruktur der Oberfläche abhängen, auf die Licht aus der Quelle fällt (und von der es reflektiert wird), gibt der Sensor 90 ein Steuersignal, das dafür steht, dass das reflektierte Licht von einer Kollagengewebeoberfläche (oder alternativ nicht vom Epithelgewebe) stammt und dass im Wesentlichen das gesamte Epithel entfernt worden ist.
Unabhängig von der verwendeten speziellen spektroskopischen Methode wird der Übergang zwischen dem Entfernen von Epithel und Kollagen beträchtlich genauer, als es bisher möglich war, angezeigt, während die Größe und Dicke von allen Rückstands-"Inseln" von Epithelmaterial wesentlich reduziert sind.

Claims

System für ein gesteuertes Entfernen von Epithel (16) aus einem ausgewählten Bereich einer Kornea (12), wobei das System – eine Epithel abtragende Laservorrichtung (20) zum Bestrahlen eines ausgewählten Bereichs des Epithels (16) mit einer abtragenden Strahlung (21), wobei die Bestrahlung in der Kornea zu einer Fluoreszenz führt, und – ein Steuersystem (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) das System auch ein spektroskopisches System (90) aufweist, das so angeordnet ist, dass es die Fluoreszenz in dem ausgewählten Bereich der Kornea während des Abtragens spektroskopisch überwacht, um die Abtragung von Epithel (16) spektroskopisch zu bestimmen, und b) das Steuersystem (50) auf das spektroskopische System (90) anspricht, um die Anwendung der abtragenden Strahlung (21) aus der Laservorrichtung (20) auf den Bereich zu beenden, nachdem spektroskopisch festgestellt wurde, dass eine Abtragung von Epithel (16) im Wesentlichen nicht vorhanden ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem das spektroskopische System (90) einen Detektor zum Festsetzen von Fluoreszenz von der Stelle aus während des Einfalls der Laserabtragenergie (21) auf das Epithel (16) aufweist.
System nach Anspruch 2, bei welchem das spektroskopische System (90) einen Detektor hat, der so angeordnet ist, dass er eine charakteristische blaue Fluoreszenz von dem abzutragenden Kornealepithel (16) aus feststellt.
System nach Anspruch 3, bei welchem die abtragende Strahlung (21) eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 193 nm aufweist.
System nach Anspruch 1, bei welchem die abtragende Laservorrichtung (20) eine Vorrichtung zum Abtragen von Kollagen für eine Umformierung der Kornea (12) nach Abschluss des Entfernens des Epithels (16) aufweist.
System nach Anspruch 5, bei welchem die Laservorrichtung (20) eine gesteuerte Blendenöffnung (22) aufweist, um über die Bestrahlungsdauer ein Strahlungsmuster zu formen, das das Kollagen (18) abträgt, um eine vorher ausgewählte Refraktionskorrektur zu bewirken.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Laservorrichtung (20) ein Excimer-Laser ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem der Epithel abtragende Laser (20) so angeordnet ist, dass er wenigstens den größten Teil seiner Energie in Impulsen abgibt und das spektroskopische System (90) so angeordnet ist, dass es zwischen den Impulsen das Vorhandensein von Epithel (16) prüft.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Vorrichtung (20) so angeordnet ist, dass sie die Strahlung (21) als parallele Strahlen emittiert, und Einrichtungen aufweist, die dazu führen, dass die Strahlen, die über dem Krümmungsbereich in dem ausgewählten Bereich verteilt sind, im Wesentlichen die gleiche Abtragsrate der Epithel-(16)-Dicke haben.
System nach Anspruch 9, bei welchem die Einrichtungen so ausgelegt sind, dass sie dazu führen, dass die Strahlen im Wesentlichen einen senkrechten Einfallswinkel über dem ausgewählten Bereich des Epithels (16) haben.
System nach Anspruch 10, bei welchem die Einrichtung ein Linsensystem (70) aufweist.
System nach Anspruch 9 mit Einrichtungen zum Ändern der über dem ausgewählten Bereich aufgebrachten Energie, um eine gleiche Dicke der Epithel-(16)-Abtragung über den Bereich zu gewährleisten.
System nach Anspruch 12 mit einer erodierbaren Maske zum Erzeugen der gleichen Abtragung über allen Punkten des ausgewählten Bereichs.