JP7743481B2 - 角膜におけるクロスリンキング分布及び／又は角膜の構造的特徴を決定するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年１月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／４４４，９１０号及び２０１７年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／５７３，４４０号の利益及びこれらに対する優先権を有し、これら出願の内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。

分野
本開示は、眼の処置又は手術のためのシステム及び方法、そして、より具体的には、角膜におけるクロスリンキング剤の分布を決定する及び／又は角膜の構造的特徴、例えば、角膜の厚みを決定するためのシステム及び方法に関する。

関連技術の説明
クロスリンキング処置は、円錐角膜等の障害に罹患している眼を処置するために使用することができる。具体的には、円錐角膜は、角膜内の構造的変化によって角膜が弱くなり、そして、異常な円錐形状に変化する眼の変性障害である。クロスリンキング処置は、円錐角膜によって弱くなった領域を強化及び安定化し、そして、望ましくない形状変化を防ぐことができる。

また、クロスリンキング処置は、レーザー角膜切削形成（ＬＡＳＩＫ）術等の外科手術後にも使用することができる。例えば、ＬＡＳＩＫ手術によって引き起こされる角膜の薄化及び弱化に起因してＬＡＳＩＫ後の角膜拡張症として知られている合併症が生じ得る。ＬＡＳＩＫ後の角膜拡張症では、角膜が進行性の急峻化（膨隆）を経験する。したがって、クロスリンキング処置は、ＬＡＳＩＫ手術後の角膜の構造を強化及び安定化し、そして、ＬＡＳＩＫ後の角膜拡張症を予防することができる。

また、クロスリンキング処置は、近視、遠視、近視、遠視、乱視、不正乱視、老視等の障害を矯正するために角膜における屈折率の変化を誘導するために使用することもできる。

概要
本開示の態様によれば、システム及び方法は、角膜におけるクロスリンキング剤の分布を決定するために照射及びイメージングの技術を使用する。更に又はあるいは、システム及び方法は、角膜の構造的特徴、例えば、角膜の厚みを決定するために照射及びイメージングの技術を使用する。

一実施態様によれば、角膜の測定システムは、角膜に適用される蛍光剤、例えば、クロスリンキング剤に蛍光発光を生じさせる励起光を発するように構成されている光源を含む。該システムは、光源から励起光を受け取るように配置され、そして、角膜の選択された深さにおける角膜組織の領域に励起光の焦点を合わせるように構成されている光学素子を含む。角膜における蛍光剤は、励起光に応答して蛍光発光を生じさせる。該システムは、開口部を含むピンホール構造を含む。該ピンホール構造は、角膜における蛍光剤からの蛍光発光を受け取るように配置される。開口部は、選択された深さにおける角膜組織の領域からの蛍光発光を選択的に透過するように構成されている。該システムは、開口部によって透過された選択された蛍光発光を捕捉するように配置された検出器であって、該検出器によって捕捉された選択された蛍光発光の測定値に関する情報を伝達するように配置された検出器を含む。該システムは、検出器に通信可能に接続されており、かつ、検出器から情報を受信し、そして、該情報に基づいて、選択された深さにおける角膜組織の領域における蛍光剤の測定値を決定するように構成されているコントローラを含む。

場合によっては、測定システムは、複数の深さにおいて光学素子に角膜をスキャンさせ、そして、各深さにおける角膜組織のそれぞれの領域に励起光の焦点を合わせるように構成されているスキャン機構を含み得る。各深さごとに、（ｉ）ピンホール構造の開口部は、角膜組織のそれぞれの領域からの蛍光発光を選択的に透過するように構成されており、そして、（ｉｉ）検出器は、開口部によって透過された選択された蛍光発光を捕捉するように構成されており、そして、検出器によって捕捉された選択された蛍光発光の測定値に関する情報を伝達するように構成されている。コントローラは、各深さごとに検出器から情報を受信し、そして、複数の深さについての情報に基づいて、深さの関数として角膜における蛍光剤の測定値を決定するように構成されている。複数の深さは、角膜の前面から角膜の後面まで及び得、そして、コントローラは、更に、複数の深さについての情報に基づいて、後面の位置、前面と後面との間の距離、又は角膜のセクション間の界面の位置のうちの少なくとも１つを決定するように構成され得る。

別の実施態様によれば、角膜の測定システムは、入射光を発するように構成されている光源を含む。該システムは、光源から入射光を受け取るように配置され、そして、角膜の選択された深さにおける角膜組織の領域に入射光の焦点を合わせるように構成されている光学素子を含む。角膜組織の領域は、入射光を反射する。該システムは、複数の深さにおいて光学素子に角膜をスキャンさせ、そして、各深さにおける角膜組織のそれぞれの領域に励起光の焦点を合わせるように構成されているスキャン機構を含む。複数の深さは、角膜の前面から角膜の後面まで及ぶ。該システムは、開口部を含むピンホール構造を含む。ピンホール構造は、各深さごとに、角膜組織のそれぞれの領域からの反射光を受け取るように配置される。開口部は、各深さごとに、角膜組織のそれぞれの領域からの反射光を選択的に透過するように構成されている。該システムは、各深さごとに開口部によって透過された選択された反射光を捕捉するように配置された検出器であって、各深さごとに、該検出器によって捕捉された選択された反射光の測定値に関する情報を伝達するように構成されている検出器を含む。該システムは、検出器に通信可能に接続されており、かつ、各深さごとに検出器から情報を受信し、そして、複数の深さについての情報に基づいて、後面の位置、前面と後面との間の距離、又は角層下界面の位置のうちの少なくとも１つを決定するように構成されているコントローラを含む。

更に別の実施態様によれば、角膜の測定システムは、角膜に適用された蛍光剤に蛍光発光を生じさせる励起光を発するように構成されている光源を含む。該システムは、光源からの励起光を受け取るように配置され、そして、該励起光を送達するように構成されている少なくとも１つの光学素子を含む。励起光は、角膜の複数の深さを貫通する。角膜における蛍光剤は、励起光に応答して蛍光発光を生じさせる。該システムは、角膜からの蛍光発光の画像を捕捉するように配置された検出器を含む。該システムは、検出器に通信可能に接続されており、かつ、検出器から画像を受信し、該画像をスキャンして複数の深さにおける蛍光発光を測定し、そして、該複数の深さにおける蛍光発光の測定値に基づいて、深さの関数として角膜における蛍光剤の測定値を決定するように構成されているコントローラを含む。励起光は、更に、角膜の複数の深さを貫通するにつれて少なくとも１つの横方向に広がり得、そして、コントローラは、更に、画像をスキャンして複数の深さにおいて少なくとも１つの横方向に沿って蛍光発光を測定し、そして、複数の深さにおける少なくとも１つの横断方向に沿った蛍光発光の測定値に基づいて、深さ及び横方向位置の関数として角膜における蛍光剤の測定値を決定するように構成され得る。

図１は、本開示の態様に係る、角膜コラーゲンのクロスリンキングを生じさせるために、眼の角膜にクロスリンキング剤及び光活性化光を送達するシステムの例を示す。 図２Ａは、本開示の態様に係る、角膜クロスリンキング処置中に適用されたリボフラビン及び光活性化光（例えば、紫外線Ａ（ＵＶＡ）光）の関与する光化学動力学的反応の図を示す。 図２Ｂは、図２Ａに示した光化学動力学的反応に影響を与え得るパラメータの図を示す。 図３は、本開示の態様に係る、眼における光増感剤、例えば、リボフラビンの分布に関連する蛍光を測定するためのシステムの例を示す。 図４は、本開示の態様に係る、眼における光増感剤、例えば、リボフラビンの分布に関連する蛍光を測定するためのシステムの別の例を示す。 図５は、本開示の態様に係る、眼における光増感剤、例えば、リボフラビンの分布に関連する蛍光を測定するためのシステムの更に別の例を示す。 図６は、本開示の態様に係る、眼における光増感剤、例えば、リボフラビンの分布に関連する蛍光を測定するためのシステムの更なる例を示す。 図７は、本開示の態様に係る、眼における光増感剤、例えば、リボフラビンの分布に関連する蛍光を測定するためのシステムのなお更なる例を示す。 図８は、本開示の態様に係る、眼における光増感剤、例えば、リボフラビンの分布に関連する蛍光を測定するためのシステムの追加の例を示す。 図９は、本開示の態様に係る、角膜の厚みを測定するためのアプローチの例を示す。

本開示は、様々な改変及び代替形態を受け入れる余地があるが、その具体的な実施態様は、図面中に例として示されており、そして、本明細書に詳細に記載されよう。しかし、それは開示されている特定の形態に本開示を限定することを意図するものではなく、それどころか、本開示の趣旨の範囲内の全ての改変、等価物、及び代替物を網羅することを意図すると理解すべきである。

説明
図１は、眼１の角膜２においてコラーゲンのクロスリンキングを生じさせるための処置システム１００の例を示す。処置システム１００は、角膜２にクロスリンキング剤１３０を適用するためのアプリケータ１３２を含む。実施態様の例では、アプリケータ１３２は、角膜２に液滴として光増感剤１３０を適用する点眼器、シリンジ等であってよい。クロスリンキング剤を適用するためのシステム及び方法の例は、２０１７年４月１３日に出願され、そして、「Systems and Methods for Delivering Drugs to an Eye」と題された米国特許出願第１５／４８６，７７８号に記載されており、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。

クロスリンキング剤１３０は、クロスリンキング剤１３０に角膜上皮２ａを通って角膜実質２ｂにおける下層領域に移動させる製剤で提供され得る。あるいは、角膜上皮２ａを除去するか又は別の方法で切開して、クロスリンキング剤１３０を下層組織により直接的に適用してもよい。

処置システム１００は、光源１１０と角膜２に光を導くための光学素子１１２とを備える照射システムを含む。光によってクロスリンキング剤１３０が光活性化されて、角膜２においてクロスリンキング活性が生じる。例えば、クロスリンキング剤はリボフラビンを含んでいてよく、そして、光活性化光は紫外線Ａ（ＵＶＡ）（例えば、約３６５nm）光を含んでいてよい。あるいは、光活性化光は、可視波長（例えば、約４５２nm）等の別の波長を含んでいてもよい。以下に更に記載する通り、角膜のクロスリンキングは、光化学動力学的反応の系に従って角膜組織内で化学結合を生成することによって角膜の強度を改善する。例えば、角膜組織を安定化及び／又は強化して円錐角膜又はＬＡＳＩＫ後の角膜拡張症等の疾患に対処するために、リボフラビン及び光活性化光を適用してよい。

処置システム１００は、光源１１０及び／又は光学素子１１２を含む、システム１００の態様を制御する１つ以上のコントローラ１２０を含む。実施においては、（例えば、点眼器、シリンジ等を用いて）角膜２をクロスリンキング剤１３０でより広く処置することができ、そして、特定のパターンに従って、光源１１０からの光活性化光を処置された角膜２の領域に選択的に導くことができる。

光学素子１１２は、光源１１０によって発せられた光活性化光を角膜２上における特定のパターンに導き、そして、焦点を合わせるための１つ以上の鏡又はレンズを含んでいてよい。光学素子１１２は、光源１１０によって発せられた光の波長を部分的に遮断するための、そして、クロスリンキング剤１３０を光活性化するために角膜２に導くべき特定の波長の光を選択するためのフィルタを更に含んでいてよい。更に、光学素子１１２は、光源１１０によって発せられた光のビームを分割するための１つ以上のビームスプリッタを含んでいてよく、そして、光源１１０によって発せられた光を吸収するための１つ以上のヒートシンクを含んでいてよい。また、光学素子１１２は、例えば、クロスリンキング活性が望ましい下層領域２ｂにおける特定の深さにおいて、角膜２内の特定の焦点面に光活性化光の焦点を正確かつ精密に合わせることができる。

更に、光活性化光の具体的なレジームは、角膜２の選択された領域において所望のクロスリンキング度を達成するために調節することができる。波長、帯域幅、強度、力、位置、浸透の深さ、及び／又は処置の期間（曝露サイクルの期間、暗サイクルの期間、及び曝露サイクルの期間の暗サイクルの期間に対する比）の任意の組み合わせに従って光活性化光を精密に送達するために、１つ以上のコントローラ１２０を使用して、光源１１０及び／又は光学素子１１２の動作を制御することができる。

例えば、クロスリンキング剤１３０の光活性化のパラメータを調整して、所望のクロスリンキングを達成するのに必要な時間の量を低減することができる。実施の例では、該時間を数分間から数秒間に低減することができる。照射量５mW/cm²の光活性化光をいくつかの構成で適用することができるが、より大きな照射量の光活性化光、例えば、複数の５mW/cm²を適用して、所望のクロスリンキングを達成するのに必要な時間を低減することができる。角膜２に吸収されるエネルギーの総線量は、有効線量として記載することができ、これは、角膜上皮２ａの領域を通じて吸収されるエネルギーの量である。例えば、角膜表面２Ａの領域についての有効線量は、例えば、５J/cm²、又は２０J/cm²若しくは３０J/cm²であってよい。記載される有効線量は、エネルギーの単回印加から又はエネルギーの繰り返し印加から送達され得る。

処置システム１００の光学素子１１２は、光活性化光の適用を空間的及び時間的に調節するためにデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を含んでいてよい。ＤＭＤ技術を用いて、半導体チップ上にマトリクス状に配置された顕微鏡的に小さな鏡によって作成される精密な空間パターンで、光源１１０からの光活性化光を投射する。各鏡は、投射光のパターンにおける１つ以上の画素を表す。ＤＭＤを用いると、トポグラフィーガイド下でクロスリンキングを実施することができる。トポグラフィーに従うＤＭＤの制御には、幾つかの異なる空間的及び時間的な照射量及び線量のプロファイルを使用することができる。これらの空間的及び時間的な線量プロファイルは、連続波照射を用いて作成することができるが、変動する周波数及びデューティサイクルのレジーム下で照射源をパルス化することによりパルス状照射を介して調節することもできる。あるいは、ＤＭＤは、連続波照射を用いて最終的な柔軟性を与えるために、画素ごとに異なる周波数及びデューティサイクルを調節することもできる。あるいは、パルス状照射、並びに調節されたＤＭＤの周波数及びデューティサイクルの組み合わせの両方を組み合わせてもよい。これによって、特定の量の空間的に定められた角膜のクロスリンキングが可能になる。この空間的に定められたクロスリンキングは、処置前計画並びに／又は処置中の角膜のクロスリンキングのリアルタイムモニタリング及び調節のために、線量測定法、干渉法、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）、角膜トポグラフィー等と組み合わせてよい。線量測定システムの態様については、以下に更に詳細に記載される。更に、患者特異的な処置前計画を作成するために、前臨床患者情報を有限要素生体力学コンピュータモデリングと組み合わせてよい。

光活性化光の送達の態様を制御するために、実施態様はまた、多光子励起顕微鏡の態様を使用してもよい。具体的には、特定の波長の単一光子を角膜２に送達するのではなく、処置システム１００は、組み合わさってクロスリンキングを開始させるより長い波長、すなわち、より低エネルギーの多光子を送達してよい。有利なことに、より長い波長はより短い波長ほど角膜２内で散乱しないので、より長い波長の光は、より短い波長の光よりも効率的に角膜２に浸透することができる。角膜内のより深い深さにおける入射照射の遮蔽効果も従来の短波長照射よりも低減されるが、その理由は、より長い波長においては光増感剤による光の吸収がはるかに少ないためである。これによって、深さ特異的クロスリンキングにわたって制御を強化することが可能になる。例えば、幾つかの実施態様では、二光子を使用してよく、この場合、以下に更に記載される光化学動力学的反応を生じさせるために、クロスリンキング剤１３０における分子を励起するのに必要なエネルギーの約半分を各光子が有する。クロスリンキング剤分子が両光子を同時に吸収したとき、該分子は、角膜組織において反応性ラジカルを放出するのに十分なエネルギーを吸収する。実施態様はまた、反応性ラジカルを放出するためにクロスリンキング剤分子が例えば３、４、又は５個の光子を同時に吸収しなければならないように、より低エネルギーの光子を利用してもよい。多光子をほぼ同時に吸収する可能性は低いので、高フラックスの励起光子が必要になり得、そして、高フラックスは、フェムト秒レーザーを通して伝送され得る。

多数の条件及びパラメータが、角膜コラーゲンとクロスリンキング剤１３０とのクロスリンキングに影響を与える。例えば、光活性化光の照射量及び線量は、クロスリンキングの量及び速度に影響を与える。

特にクロスリンキング剤１３０がリボフラビンであるとき、ＵＶＡ光を連続的に（連続波（ＣＷ））又はパルス光として適用してよく、そして、この選択は、クロスリンキングの量、速度、及び程度に対して影響を有する。ＵＶＡ光がパルス光として適用される場合、曝露サイクルの期間、暗サイクルの期間、及び曝露サイクルの期間の暗サイクルの期間に対する比は、生じる角膜硬化に対して影響を有する。パルス光照射を使用して、同じ量又は線量の送達エネルギーについて連続波照射で達成し得るよりも多い又は少ない角膜組織の硬化を生じさせることができる。好適な長さ及び周波数の光パルスを使用して、より最適な化学増幅を達成することができる。パルス光処置については、ｏｎ／ｏｆｆデューティサイクルは約１０００／１～約１／１０００であってよく、照射量は平均照射量が約１mW/cm²～約１０００mW/cm²であってよく、そして、パルス繰り返し数は、約０．０１HZ～約１０００Hz又は約１０００Hz～約１００，０００Hzであってよい。

処置システム１００は、ＤＭＤを使用し、光源１１０を電子的にｏｎ及びｏｆｆにすることによって、並びに／又は機械的若しくは光電子的（例えば、ポッケルスセル）シャッタ若しくは機械的チョッパ若しくは回転開口部を使用することによって、パルス光を発生させることができる。ＤＭＤの画素特異的調節能、並びに調節された周波数、デューティサイクル、照射量、及び角膜に送達される線量に基づくその後の剛性付与により、複雑な生体力学的剛性パターンを角膜に付与して、様々な量の屈折矯正を可能にする。これらの屈折矯正は、例えば、円錐角膜、ペルーシド辺縁疾患、ＬＡＳＩＫ後の角膜拡張症、及び角膜の生体力学的変化／変性の他の状態等の眼疾患が原因である近視、遠視、乱視、不正乱視、老視、及び複雑な角膜屈折面の矯正の組み合わせを含み得る。ＤＭＤのシステム及び方法の具体的な利点は、２Hz～８４Hzのパルス周波数について光感受性てんかん発作又はフリッカー眩暈を惹起する可能性を排除する、非周期かつ均一に見える照射を作り出すランダム化非同期型パルストポグラフィーパターニングを可能にする点である。

実施態様の例は、段階的ｏｎ／ｏｆｆパルス光関数を使用してよいが、角膜に光を適用するための他の関数を使用して同様の効果を達成することができることが理解される。例えば、正弦関数、鋸歯関数、又は他の複合関数若しくは曲線、あるいは関数又は曲線の任意の組み合わせに従って、光を角膜に適用してよい。実際、関数は、ｏｎ／ｏｆｆ値の間により緩やかな移行が存在し得る実質的に段階的なものであってよいことが理解される。更に、照射量は、ｏｆｆサイクル中に必ずしもゼロの値まで減少せず、そして、ｏｆｆサイクル中にゼロ超であってよいことが理解される。２つ以上の値の間で照射量が変動する曲線に従って角膜に光を適用することによって、所望の効果を達成することができる。

光活性化光を送達するためのシステム及び方法の例は、例えば、２０１１年３月１８日に出願され、そして、「Systems and Methods for Applying and Monitoring Eye Therapy」と題された米国特許出願公開第２０１１／０２３７９９９号、２０１２年４月３日に出願され、そして、「Systems and Methods for Applying and Monitoring Eye Therapy」と題された米国特許出願公開第２０１２／０２１５１５５号、及び２０１３年３月１５日に出願され、そして、「Systems and Methods for Corneal Cross-Linking with Pulsed Light」と題された米国特許出願公開第２０１３／０２４５５３６号に記載されており、これら出願の内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。

酸素の添加も角膜硬化の量に影響を与える。ヒトの組織では、雰囲気と比較してＯ_２含量が非常に低い。しかし、角膜におけるクロスリンキングの速度は、光活性化光が照射されたときのＯ_２の濃度に関連する。したがって、所望の量のクロスリンキングが達成されるまでクロスリンキングの速度を制御するために、照射中にＯ_２の濃度を能動的に上昇又は低下させることが有利であり得る。酸素は、多数の異なる方法でクロスリンキング処置中に適用することができる。１つのアプローチは、Ｏ_２でリボフラビンを過飽和させることを含む。したがって、リボフラビンを眼に適用したとき、より高濃度のＯ_２がリボフラビンと共に角膜内に直接送達され、そして、リボフラビンが光活性化光に曝露されたときにＯ_２の関与する反応に影響を与える。別のアプローチによれば、角膜の表面で（選択された濃度における）Ｏ_２の定常状態を維持して、選択された量のＯ_２に角膜を曝露し、そして、Ｏ_２を角膜に入れることができる。図１に示す通り、例えば、処置システム１００は、酸素源１４０、及び場合により選択された濃度の酸素を角膜２に送達する酸素送達装置１４２も含む。クロスリンキング処置中に酸素を適用するためのシステム及び方法の例は、例えば、２０１０年１０月２１日に出願され、そして、「Eye Therapy」と題された米国特許第８，５７４，２７７号、２０１２年１０月３１日に出願され、そして、「Systems and Methods for Corneal Cross-Linking with Pulsed Light」と題された米国特許出願公開第２０１３／００６０１８７号に記載されており、これら出願の内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。更に、眼の処置において酸素の濃度及び光活性化光を送達するためのマスク装置の例は、２０１６年１２月３日に出願され、そして、「Systems and Methods for Treating an Eye with a Mask Device」と題された米国仮特許出願公開第２０１７／０１５６９２６号に記載されており、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。例えば、表面上に一貫した既知の酸素濃度を生じさせるために、眼の上にマスクを配置してよい。

リボフラビンが放射エネルギー、特に光を吸収したとき、光活性化を経験する。リボフラビンを光活性化するための２つの光化学動力学的経路、Ｉ型及びＩＩ型が存在する。Ｉ型及びＩＩ型の機構の両方に関与する反応の幾つかは以下の通りである：

本明細書に記載する反応では、Ｒｆは、基底状態のリボフラビンを表す。Ｒｆ^＊ _１は、励起一重項状態のリボフラビンを表す。Ｒｆ^＊ _３は、三重項励起状態のリボフラビンを表す。Ｒｆ^・－は、リボフラビンの還元ラジカルアニオン形態である。ＲｆＨ^・は、リボフラビンのラジカル形態である。ＲｆＨ_２は、リボフラビンの還元形態である。ＤＨは、基質である。ＤＨ^・＋は、中間体ラジカルカチオンである。Ｄ^・は、ラジカルである。Ｄ_ｏｘは、基質の酸化形態である。

リボフラビンは、反応（ｒ１）～（ｒ３）に示す通り、その三重項励起状態Ｒｆ^＊ _３に励起される。三重項励起状態Ｒｆ^＊ _３から、リボフラビンは、一般的にＩ型又はＩＩ型の機構に従って更に反応する。Ｉ型機構では、基質が励起状態のリボフラビンと反応して、水素原子又は電子の移動によって、それぞれラジカル又はラジカルイオンを生成する。ＩＩ型機構では、励起状態のリボフラビンが酸素と反応して一重項分子酸素を形成する。次いで、一重項分子酸素は組織において作用して、更なるクロスリンキングした結合を生成する。

角膜における酸素濃度は、ＵＶＡ照射量及び温度によって調節され、そして、ＵＶＡ曝露の開始時に急速に低下する。特定のデューティサイクル、周波数、及び照射量のパルス光を利用して、より多量の光化学効率を達成するために、Ｉ型及びＩＩ型の光化学動力学的機構の両方からのインプットを使用することができる。更に、パルス光を利用することによって、リボフラビンが関与する反応の速度を制御することが可能になる。反応の速度は、照射量、線量、ｏｎ／ｏｆｆデューティサイクル、リボフラビン濃度、浸漬時間、及びその他等のパラメータのうちの１つを制御することによって、必要に応じて上昇又は低下させることができる。更に、反応及びクロスリンキングの速度に影響を与える追加成分を角膜に添加してよい。

酸素の枯渇直後にＵＶＡ放射を停止した場合、酸素濃度は上昇し始める（補給）。角膜のクロスリンキングプロセスにおいて過剰の酸素は有害であり得るが、その理由は、ラジカル種と相互作用して連鎖停止ペルオキシド分子を形成することによって、酸素がフリーラジカル光重合反応を阻害することができるためである。より最適な酸素再生速度を達成するために、パルス繰り返し数、照射量、線量、及び他のパラメータを調整することができる。酸素再生速度の計算及び調整は、所望の量の角膜硬化を達成するための反応パラメータの調整の別の例である。

酸素拡散が反応の速度についていくことができる非常に薄い角膜層を除いて、様々な化学反応によって、角膜全体にわたって酸素含量が枯渇し得る。この拡散が制御されたゾーンは、基質の酸素を取り込む反応能が低下するにつれて、角膜のより深くに徐々に移動するであろう。

リボフラビンは、照射量が増加するにつれてより多く、可逆的若しくは不可逆的に還元（不活化）及び／又は光分解される。光子の最適化は、Ｉ型反応において還元リボフラビンを基底状態リボフラビンに戻すことによって達成され得る。Ｉ型反応において還元リボフラビンが基底状態に戻る速度は、多数の要因によって決定される。これら要因は、パルス光処置のｏｎ／ｏｆｆデューティサイクル、パルス繰り返し数周波数、照射量、及び線量を含むが、これらに限定されない。更に、リボフラビン濃度、浸漬時間、及び酸化剤を含む他の薬剤の添加は、酸素取り込み速度に影響を与える。デューティサイクル、パルス繰り返し数周波数、照射量、及び線量を含むこれら及び他のパラメータは、より最適な光子効率を達成し、そして、リボフラビンの光増感のためのＩ型及びＩＩ型の光化学動力学的機構の両方を効率的に使用するように選択することができる。更に、これらのパラメータは、より最適な化学増幅効果を達成するように選択することができる。

しかし、上記光化学動力学的反応（ｒ１）～（ｒ８）に加えて、本発明者らは、同様にリボフラビンの光活性化中に生じる以下の光化学動力学的反応（ｒ９）～（ｒ２６）を同定した：

図２Ａは、上記反応（ｒ１）～（ｒ２６）に提供される光化学動力学的反応の図を示す。この図は、ＵＶＡ光活性化光下におけるリボフラビン（Ｒｆ）の光化学的転換及びその電子移動を介した様々なドナー（ＤＨ）との相互作用を要約する。図示する通り、（Ａ）反応（ｒ６）～（ｒ８）では一重項酸素の存在を通して（ＩＩ型機構）；（Ｂ）反応（ｒ４）～（ｒ１７）では酸素を使用することなく（Ｉ型機構）；そして、（Ｃ）反応（ｒ１３）～（ｒ１７）ではペルオキシド（Ｈ_２Ｏ_２）、スーパーオキシド（Ｏ_２ ^－）、及びヒドロキシルラジカル（^・ＯＨ）の存在を通して、クロスリンキング活性が生じる。

図２Ａに示す通り、本発明者らは、ペルオキシド、スーパーオキシド、及びヒドロキシルラジカルの関与する反応からより高いクロスリンキング活性が生じることも特定した。一重項酸素の関与する反応から及び非酸素反応からはより低いクロスリンキング活性が生じる。反応（ｒ１）～（ｒ２６）に基づく幾つかのモデルは、それぞれの反応によって生じるクロスリンキング活性のレベルを説明することができる。例えば、一重項酸素がクロスリンキング活性の発生においてより小さな役割しか果たしていない場合、定数として一重項酸素から生じるクロスリンキング活性を処理することによって、モデルを単純化することができる。

反応（ｒ１）～（ｒ３）に提供されている通り、反応は全てＲｆ_３ ^＊から出発する。反応（ｒ１０）では基底状態のＲｆとの化学反応を通じて、そして、反応（ｒ９）では水との相互作用による不活化を通じて、Ｒｆ_３ ^＊のクエンチングが生じる。

上記の通り、過剰の酸素は、角膜のクロスリンキングプロセスにおいて有害であり得る。図２Ａに示す通り、システムが、光子が制限され、そして、酸素が豊富なものになったとき、スーパーオキシド、ペルオキシド、及びヒドロキシルラジカルの関与する更なる反応からクロスリンキングが破壊され得る。実際、場合によっては、過剰の酸素によって、クロスリンキングの発生に対して正味のクロスリンキングの破壊が生じ得る。

上記の通り、多岐にわたる要因が、クロスリンキング反応の速度及びクロスリンキングによって達成される生体力学的剛性の量に影響を与える。多数のこれらの要因は相互に関連しており、その結果、１つの要因の変化が別の要因に対して予想外の効果を有し得る。しかし、上で特定した光化学動力学的反応（ｒ１）～（ｒ２６）によって、クロスリンキング処置についての異なる要因間の関係を理解するためのより包括的なモデルが提供される。したがって、システム及び方法は、この光化学動力学的クロスリンキングモデルに従ってクロスリンキング処置についての様々なパラメータを調整することができ、これによって、酸素動力学及びクロスリンキング活性の統一的記述が提供される。該モデルを使用して、処置パラメータの様々な組み合わせに基づいて予想される成果を評価し、そして、所望の結果を提供する処置パラメータの組み合わせを同定することができる。例えば、パラメータは、適用されるクロスリンキング剤の濃度及び／若しくは浸漬時間；光活性化光の線量、波長、照射量、期間、及び／若しくはｏｎ／ｏｆｆデューティサイクル；組織における酸素化状態；並びに／又は追加の薬剤及び溶液の存在を含み得るが、これらに限定されない。

図２Ｂに示す通り、反応系の態様は、様々なパラメータによって影響を受け得る。例えば、光活性化光が系に送達される照射量は、後続反応のためのＲｆ_３ ^＊を発生させるために系で利用可能な光子に影響を与える。更に、系により多くの酸素を送達すると、酸素ベースの反応が駆動される。一方、光活性化光のパルス化は、酸素拡散のための追加の時間を許容することによって、還元リボフラビンを基底状態リボフラビンに戻す能力に影響を与える。無論、反応系を制御するために、他のパラメータを変動させることができる。

反応（ｒ１）～（ｒ２６）に提供される光化学動力学的反応の更なる態様は、２０１６年４月２７日に出願され、そして、「Systems and Methods for Cross-Linking Treatments of an Eye」と題された米国特許出願公開第２０１６／０３１０３１９号に記載されており、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。

特定の波長の光がリボフラビン等のクロスリンキング剤に適用されたとき、該光は、クロスリンキング剤を励起し、そして、クロスリンキング剤に蛍光を発せさせることができる。したがって、励起光を使用して、角膜組織におけるクロスリンキング剤に蛍光を発せさせ、そして、クロスリンキング剤が角膜組織においてどのように分布しているかを決定することができる。励起光の適用中に角膜の画像を撮影したとき、例えば蛍光の強度（規模）を測定して、角膜組織によって取り込まれたクロスリンキング剤の量、すなわち、線量を決定することができる。これらの原理を使用して、線量測定システムは、励起光に応答したときにクロスリンキング剤からの蛍光の画像を１枚以上捕捉することによって、角膜におけるクロスリンキング剤の存在及び分布を決定することができる。このようなシステムの態様は、例えば、２０１５年４月２８日に発行され、そして、「Systems and Methods for Monitoring Time Based Photo Active Agent Delivery or Photo Active Marker Presence」と題された米国特許第９，０２０，５８０号及び２０１６年５月２３日に出願され、そして、「Systems and Methods for Monitoring Cross-Linking Activity for Corneal Treatments」と題された米国特許出願公開第２０１６／０３３８５８８号に記載されており、これら出願の内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。具体的には、米国特許第９，０２０，５８０号には、改変されたScheimpflug構成を使用する線量測定システムの例が開示されている。一方、米国特許出願公開第２０１６／０３３８５８８号には、蛍光を分析するためのハイパースペクトルイメージングの使用が開示されている。

現在利用可能なクロスリンキング処置システムは、クロスリンキング処置を開始する前に角膜実質に十分なリボフラビンが存在するかどうかを示さない。このことから、手術の変動性が増大し、そして、準最適な臨床結果につながり得る。有利なことに、本開示の態様は、有効なクロスリンキング活性を提供することが知られている予め規定された標的値と比較することができる、リボフラビン濃度の定量的な深さ分解測定値を提供することによって、この問題に対処する。

本開示の態様によれば、実施態様は、深さの関数として角膜実質におけるリボフラビン分布を測定するために共焦点蛍光顕微鏡の態様を具体的に設定する。したがって、実施態様は、角膜のクロスリンキング処置を進めるのに十分なリボフラビンが既定の角膜実質深さに存在するかどうかの指標を提供する。実施態様は、本明細書に記載されるクロスリンキング処置システムと統合されてもよく、又はスタンドアロン測定システムであってもよい。また、実施態様は、クロスリンキング処置中に適用される光活性化ＵＶ照射によって誘導される蛍光を測定するのに好適であり、したがって、リアルタイムでクロスリンキング活性の経過を測定することができる。

本発明の態様によれば、システム及び方法は、以下のうちの１つ以上を達成することができる：
１． より有効な時間においてクロスリンキング処置を開始させるために、選択された部位で角膜実質におけるリボフラビンの深さプロファイルの時間発展を測定する。
２． 時間の関数として、角膜実質におけるリボフラビンの三次元（３Ｄ）分布を決定する。
３． 制御下で処置手術を維持するために、処置された部位におけるクロスリンキング濃度の深さプロファイルを測定する。
４． 処置後のクロスリンキング濃度の３Ｄ分布を再構築する。
５． 角膜実質において混濁した領域を位置づける。

前述のことを達成するために、システム及び方法は、以下の技術のうちの１つ以上の態様を使用することができる：
１． 蛍光顕微鏡。
２． 共焦点顕微鏡。
３． Scheimpflug写真法。
４． ３Ｄ再構築、画像デコンボリューション、画像レジストレーション、及び他の画像処理技術。

既存の共焦点蛍光顕微鏡は、流体浸／接触対物レンズを必要とし、高度に複雑かつ高価であり、そして、高レーザー強度を使用するので、生存しているヒトの角膜において商業的に使用するには適していない。有利なことに、本開示の態様は、十分なリボフラビンの存在の指標を提供するのに最適化されるように測定システムを単純化することによって、この問題に対処する。

本開示の態様を説明するために、図３は、角膜２に適用される外因性クロスリンキング剤、例えば、リボフラビンの深さの関数として濃度を測定するためのシステム３００の例を示す。システム３００は、角膜２におけるクロスリンキング剤を励起するために光を発するレーザー又はＬＥＤ光源３０２を含む。例えば、光源３０２は、例えば３６５nmの波長を有するＵＶ励起光を発することができる。あるいは、光源３０２は、例えば４５８nmの波長を有する青色励起光を発することができ、この場合、場合によっては、光源３０２は、青色光狭帯域フィルタと組み合わせて白色光を使用してもよい。

図３に示す通り、光源３０２からの励起光は、光源のピンホール構造３０４の開口部及びコリメーティングレンズ３０６を通って導かれる。場合によっては、光源３０２はファイバー結合されていてもよい。次いで、励起光は、ダイクロイックフィルタ（又は鏡）３０８に導かれる。励起光の波長によって、ダイクロイックフィルタ３０８は、励起光をレンズ３１０、例えば、対物レンズ又は類似の光学素子に向かって反射する。レンズ３１０は、ｚ軸に沿って所与の深さにおける角膜２の領域に励起光の焦点を合わせる。励起光の横断方向（ｘ－ｙ面）の分解能は、１０μm超、例えば、約１０μm～約２００μmであってよい。対照的に、典型的な共焦点顕微鏡は、１０μm未満の横断方向分解能を必要とする。

励起光に応答して、角膜２におけるクロスリンキング剤は蛍光を発する。例えば、角膜２におけるリボフラビンは、緑色蛍光を発することができる。蛍光発光は、レンズ３１０を通ってダイクロイックフィルタ３０８に移動する。励起光の波長を有する光を反射させるのとは対照的に、ダイクロイックフィルタ３０８は、蛍光波長を有する光をカラーフィルタ３１２に通過させる。カラーフィルタ３１２は、蛍光発光をレンズ３１４、例えば、結像レンズに透過させると同時に、残留励起光及び／又は蛍光発光の波長を有しない他の光を遮断する。レンズ３１４は、検出器のピンホール３１６の開口部を介して蛍光発光の焦点を検出器３１８に合わせる。検出器のピンホール構造３１６は、所与の角膜深さよりも上又は下から生じた光が検出器３１８に達するのを防ぐ。言い換えれば、検出器のピンホール構造３１６は、焦点外の光が検出器３１８に達するのを防ぐ。ピンホール構造３１６は、１０μm超、例えば、約１０μm～約１００μmのｚ軸に沿ったより低い分解能を許容するように構成されていてよい。対照的に、従来の共焦点顕微鏡は、１０μm未満の分解能を必要とする。一般的に、システム３００は、１０mm超の空気中作業距離を提供し得、そして、流体浸又は眼との物理的接触を必要としない。

検出器３１８は、光ダイオード、光電子増倍管、又はカメラであってよい。検出器３１８の画像面は、ｘ－ｙ面に沿ってレンズ３１４のレンズ面及び励起された角膜組織の領域と平行である。この構成によって、励起された角膜組織の領域は検出器３１８において均一に焦点が合うようになる。同様に、検出器のピンホール構造３１６は、検出器３１８の画像面と平行である。

検出器３１８は、所与の深さにおける角膜の励起された領域から発せられた蛍光の量、例えば強度を定量するために使用される。システム３００は、角膜２の様々なそれぞれの深さに励起光を送達し、そして、各深さにおけるクロスリンキング剤からの蛍光の量を検出するために段階的に操作され得る。図３に示す通り、システム３００は、ｚ軸に沿って様々な深さでシステム３００に角膜２をスキャンさせるスキャン機構３２０を含む。例えば、スキャン機構３２０は、レンズ３１０及び／又はシステム３００の他の要素を移動又は操作して、励起光の他の深さへの送達を調整する機械的又は電気機械的装置であってよい。１つの実施によれば、システム３００は、まず角膜の前面２ａにおいて領域を励起するように操作され、次いで、その後、角膜実質２ｂ中に少なくとも約２００μmまでの前面２ａ下の一連の深さにおける領域を励起するように操作され得る。励起光の送達についての２つの連続する深さ間の距離は、約１０μm～約１００μmの範囲であってよい。

所与の深さで検出された蛍光の量は、その深さにおけるクロスリンキング剤の量を示す。したがって、システム３００を使用して、クロスリンキング処置を開始するのに十分な量のクロスリンキング剤が存在するかどうかを確認することができる。クロスリンキング処置を進める前に、所定の深さ又は一連の深さにおいて所定の閾値を上回るために、ある量のクロスリンキング剤が必要になり得る。

検出器３１８からの時系列シグナルを高頻度でサンプリングし、そして、システム３００の１つ以上の要素を移動させることによってスキャン深さを変化させるスキャン機構３１０と同期させてよい。検出器３１８からの情報を使用して、ｚ軸に沿ってリボフラビン濃度曲線を再構築することができる。例えば、検出器３１８からの時系列シグナルを処理して、（１）角膜２の後面２ｃの位置、（２）角膜２への深さの関数としてのリボフラビン濃度、（３）角膜の前面２ａ、（４）後面２ｃと前面２ａとの間の距離、及び（５）上皮－角膜実質界面等の角層下界面の位置を計算することができる。

システム３００は、スキャンを開始するためにシステム３００を所望のｘ、ｙ、ｚ位置に調整するのを支援するために、補助光学部品、例えば、イメージングカメラ及びアラインメントレーザを含んでいてよい。更に、シグナル対ノイズ比を増大させるために、幾つかのスキャンを一緒に平均してよい。

更に、データ処理アルゴリズムを使用して不完全なスキャンを検出することができる。例えば、スキャンによって角膜２の前面からの蛍光発光が捕捉されたとき、検出器３１８からの情報は、蛍光シグナルの急増に続いて、スキャンが前面２ａから角膜実質２ｂ中により深く移動するにつれて蛍光シグナルの漸減を示す。検出器３１８からの情報が蛍光シグナルの急増を示さない場合、スキャンは、恐らく前面２ａを補足しなかったので、不完全であるとみなすことができる。

システム３００は、クロスリンキング処置の態様を改善するための他の有用な情報を提供することができる。例えば、システム３００は、クロスリンキング処置が進行するとともにクロスリンキング剤によって発せられる蛍光の量をモニタリングするために周期的に又は連続的に使用され得る。具体的には、経時的に繰り返しスキャンすると、クロスリンキング活性が所望の角膜実質深さまで進行したときを示すことができる。更に、システム３００によって検出されたときの角膜の後面の位置を使用して、クロスリンキング処置システムの処理面を調整することができる。

一般的に、実施態様は、照射経路及びイメージング経路を含む。照射経路は、点照射を角膜２へ導き、そして、イメージング経路は、点照射による励起から生じる蛍光発光を収集する。各照射及びイメージングの経路は、軸上又は軸外の構成を使用することができる。図３に示すシステム３００は、軸上光学システムである。システム３００は、ｘ－ｙ面に沿った励起された角膜組織の領域が、励起光のための照射経路３００ａに対して垂直である軸上照射経路３００ａを使用する。また、システム３００は、ｘ－ｙ面に沿った励起された角膜組織の領域が、蛍光発光のためのイメージング経路３００ｂに対して垂直である軸上イメージング経路３００ｂを使用する。

照射経路及びイメージング経路の両方が軸上である実施態様では、照射経路及びイメージング経路は、ダイクロイックミラーの反射側又は透過側のいずれかに存在し得る。図３に示す通り、例えば、照射経路３００ａは、ダイクロイックフィルタ３０８の反射側に存在し、一方、イメージング経路３００ｂは、ダイクロイックフィルタ３０８の透過側に存在する。具体的には、光源３０２からの励起光は、ダイクロイックフィルタ３０８に導かれ、これは、励起光の波長に基づいて励起光を角膜２に向かって、例えば、９０°反射する。ダイクロイックフィルタ３０８は、蛍光発光の波長に基づいて蛍光発光を検出器３１８に向かって通過させる。

他方、図４は、システム３００に類似しているが、ダイクロイックミラー４０８の透過側に配置された照射経路４００ａとダイクロイックミラー４０８の反射側に配置されたイメージング経路４００ｂとを含むシステム４００の例を示す。具体的には、光源３０２からの励起光は、ダイクロイックフィルタ４０８に導かれ、これは、励起光の波長に基づいて励起光を角膜２に向かって通過させる。一方、ダイクロイックフィルタ４０８は、蛍光発光の波長に基づいて蛍光発光を検出器３１８に向かって、例えば、９０°反射する。

上記システム３００、４００の例とは対照的に、図５は、軸上照射経路５００ａ及び軸外イメージング経路５００ｂを使用するシステム５００の例を示す。光源５０２は、角膜２におけるクロスリンキング剤を励起するために光を発する。光源５０２からの励起光は、光源のピンホール構造５０４の開口部を通って、レンズ５１０、例えば、対物レンズ又は類似の光学素子に導かれる。レンズ５１０は、ｚ軸に沿った所与の深さにおいてｘ－ｙ面に沿った角膜２の領域に励起光の焦点を合わせる。図５に示す通り、ｘ－ｙ面に沿った励起された角膜組織の領域は、励起光のための照射経路５００ａに対して垂直である。したがって、照射経路５００ｂは、軸上であるとみなされる。

励起光に応答して、角膜２におけるクロスリンキング剤は蛍光を発する。蛍光発光は、レンズ５１４を通ってカラーフィルタ５１２に移動する。レンズ５１４は、蛍光発光の焦点を検出器５１８に合わせる。カラーフィルタ５１２は、残留励起光及び／又は蛍光発光の波長を有しない他の光を遮断する。蛍光発光は、検出器のピンホール構造５１６ａ（実線）あるいは５１６ｂ（破線）の開口部を通過し、これによって、所与の角膜深さよりも上又は下から生じた光が検出器３１８に達するのを防ぐ。検出器５１８は、光ダイオード、光電子増倍管、又はカメラであってよい。検出器５１８は、所与の深さにおける角膜の励起された領域から発せられた蛍光の量、例えば強度を定量するために使用され得る。

ｘ－ｙ面に沿った励起された角膜組織の領域は、蛍光発光のためのイメージング経路５００ｂに対して垂直ではない。言い換えれば、イメージング経路５００ｂは、９０°に等しくない角度で所与の深さにおけるｘ－ｙ面から延在する。したがって、イメージング経路５００ｂは、軸外であるとみなされる。

一実施態様によれば、検出器５１８の画像面は、レンズ５１４のレンズ面と平行である。図４に示す通り、検出器のピンホール構造５１６ａは、対応して、画像面及びレンズ面と平行であり、すなわち、イメージング経路５００ｂに対して垂直である。

別の実施態様によれば、検出器５１８の画像面は、レンズ５１４のレンズ面と平行ではない。その代わり、検出器５１８及びレンズ５１４は、画像面及びレンズ面がScheimpflug構成になるように配置されている。この構成では、イメージング経路５００ｂが角膜組織の励起された領域に対して垂直ではないにもかかわらず、ｘ－ｙ面に沿った角膜組織の励起された領域は、検出器５１８においてより均一に焦点が合う。検出器のピンホール構造５１６ｂは、対応して、所与の角膜深さよりも上又は下から生じた光が検出器５１８に達するのを防ぐために、画像面及びレンズ面に対して角度を成している、例えば、ｘ－ｙ面と平行である。

図６は、軸外照射経路６００ａ及び軸外イメージング経路６００ｂを使用するシステム６００の例を示す。光源６０２は、角膜２におけるクロスリンキング剤を励起するために光を発する。光源６０２からの励起光は、光源のピンホール構造６０４ａ（実線）あるいは６０４ｂ（破線）の開口部を通り、次いで、レンズ６１０、例えば、対物レンズ又は類似の光学素子に導かれる。レンズ６１０は、ｚ軸に沿った所与の深さにおいてｘ－ｙ面に沿った角膜２の領域に励起光の焦点を合わせる。

ｘ－ｙ面に沿った励起された角膜組織の領域は、励起光のための照射経路６００ａに対して垂直ではない。言い換えれば、照射経路６００ａは、９０°に等しくない角度で所与の深さにおけるｘ－ｙ面まで延在する。したがって、照射経路６００ａは、軸外であるとみなされる。

励起光に応答して、角膜２におけるクロスリンキング剤は蛍光を発する。蛍光発光は、レンズ６１４を通ってカラーフィルタ６１２に移動する。レンズ６１４は、蛍光発光の焦点を検出器６１８に合わせる。カラーフィルタ６１２は、残留励起光及び／又は蛍光発光の波長を有しない他の光を遮断する。蛍光発光は、検出器のピンホール構造６１６ａ（実線）又は６１６ｂ（破線）の開口部を通過し、これによって、所与の角膜深さよりも上又は下から生じた光が検出器６１８に達するのを防ぐ。検出器６１８は、光ダイオード、光電子増倍管、又はカメラであってよい。検出器６１８は、所与の深さにおける角膜の励起された領域から発せられた蛍光の量、例えば強度を定量するために使用され得る。

ｘ－ｙ面に沿った励起された角膜組織の領域は、蛍光発光のためのイメージング経路６００ｂに対して垂直ではない。言い換えれば、イメージング経路６００ｂは、９０°に等しくない角度で所与の深さにおけるｘ－ｙ面から延在する。したがって、イメージング経路６００ｂは、軸外であるとみなされる。

一実施態様によれば、検出器６１８の画像面は、レンズ６１４のレンズ面と平行である。図６に示す通り、検出器のピンホール構造６１６ａも、画像面及びレンズ面と平行であり、そして、イメージング経路６００ｂに対して垂直である。対応して、光源のピンホール構造６０４ａも、照射経路６００ａに対して垂直である。

別の実施態様によれば、検出器６１８の画像面は、レンズ６１４のレンズ面と平行ではない。その代わり、検出器６１８及びレンズ６１４は、画像面及びレンズ面がScheimpflug構成になるように配置される。この構成では、イメージング経路６００ｂが角膜組織の励起された領域に対して垂直ではないにもかかわらず、ｘ－ｙ面に沿った角膜組織の励起された領域は、検出器６１８においてより均一に焦点が合う。検出器のピンホール構造６１６ｂは、画像面及びレンズ面に対して角度を成しており、そして、イメージング経路６００ｂに対して垂直ではない。対応して、光源６０２及びレンズ６１０は、光源面及びレンズ面がScheimpflug構成になるように配置される。更に、光源のピンホール構造６０４ｂは、光源面及びレンズ面に対して角度を成しており、そして、照射経路６００ａに対して垂直ではない。この構成では、励起光は、ｘ－ｙ面に沿った角膜組織の励起された領域に対してより均一に焦点が合う。光源のピンホール構造６０４ｂ及び検出器のピンホール構造６１６ｂは、ｘ－ｙ面と平行であってよい。

上記システムの例は、単一点照射を作製するためにピンホールの開口部を使用し得るが、ピンホールアレイ又はスリット照射を代わりに使用してもよい。システムの例が上記の通りクロスリンキング処置システムに組み込まれている場合、ＤＭＤを介してスリット照射を生成することができる。照射のためにスリット照射を使用してもよいが、イメージング経路におけるピンホール開口部又は垂直スリットは、蛍光発光を収集するのに十分であり得る。

例えば図６に示す通り、照射経路がScheimpflug構成を使用する場合、マスク、格子、音響光学部品、回折光学素子（ＤＯＥ）等を用いてドットアレイを作製することができる。ドットアレイは、ｚ軸に沿って整列され、そして、イメージング経路の軸分解能よりも大きな分離を有する。

システム５００、６００の例では、蛍光発光は、照射経路とイメージング経路との間の重複によって画定されるより小さな角膜領域から収集される。したがって、システム５００、６００によって、より小さな体積の角膜組織を調べることができる。有利なことに、これによって、ピンホール構造及びそれぞれのレンズの開口数に対する光学的要件又は制約を緩めることができ、これは、ひいては、システム５００、６００と対象との間の作業距離をより大きくすることができる。

眼とシステム３００、４００、５００、又は６００の例との間の相対的移動、すなわちスキャニングによって、システムが、ｚ軸に沿った様々な深さにおいて蛍光発光を発生させ、そして、測定することが可能になる。システムの例は、ｘ軸及びｙ軸に沿ってではなく、ｚ軸に沿ってのみスキャンしてもよい。ｚ軸に沿ったスキャニングは、様々なアプローチに従って達成することができる。１つのアプローチによれば、システムの態様は、ｚ軸に沿って能動的に移動することができるが、対象の眼は、固定位置ｘ、ｙ、ｚに留まる。システム全体又は特定の部品をモータ等によってｚ軸に沿って移動させることができる。

別のアプローチによれば、システムは、高頻度で対象の眼を能動的に移動させることによってｚ軸に沿ってスキャンすることができる。このアプローチでは、システムを固定位置ｘ、ｙ、ｚに留めながら、高頻度で小さな範囲にわたってｚ軸に沿って上下に移動させることができる椅子に対象の頭部を置いてよい。

本開示の更なる態様を説明するために、図７は、角膜２におけるクロスリンキング剤、例えば、リボフラビンの分布に関連する蛍光を検出するためのシステム７００の例を示す。システム７００は、スリットランプを介して角膜２の組織、例えば、角膜実質にスリット光パターン１０を投射する照射経路７００ａを含む。例えば、光パターン１０を生成するために、該システムは、励起光をKohler照射の原理に従って構成されるコレクタレンズ７０４、スリット７０６、及び対物レンズ７０８に少なくとも導く光源７０２を使用してよい。図７に示す通り、光源７０２は、フィラメントを含んでいてよく、そして、Kohler構成を用いて、フィラメントは、対物レンズ７０８上において画像化されるが、スリット７０６は、角膜２において画像化される。

図７に示すｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、角膜２によって受け取られる光パターン１０に対応する物体空間を画定する。光パターン１０は、ｘ－ｚ面に沿って前から後ろへと広がる。角膜２において光パターン１０に曝露されたクロスリンキング剤は、励起され、そして、蛍光を発する。システム７００は、イメージング経路７００ｂを含み、これは少なくともScheimpflugレンズ７１０を含む。Scheimpflugレンズ７１０は、蛍光発光を検出器７１２に透過する。パターン１０の拡大像１０’は、検出器７１２の画像面に作成される。図７に示すｘ’軸、ｙ’軸、ｚ’軸は、画像１０’に対応する画像空間を画定する。励起光及び他の迷光を減衰させるために、イメージング経路においてバンドパスフィルタを使用してよい。

一実施態様では、システム７００は、画像面において、ｚ’軸に沿ってスキャンすることができる長い移動可能なスリット開口部７１４ａを使用する。開口部７１４ａは、蛍光発光に対応する画素のアレイ、例えば、ＣＣＤアレイにわたってスキャンされる。適切な範囲にわたってｚ’軸に沿って開口部をスキャンすると、角膜２において蛍光強度プロファイルが作成される。このプロファイルは、物体空間においてｚ方向（角膜深さの方向）について記録され、そして、（物体空間にマッピングされる）スリット長さにわたってｘ方向において平均される。

システム７００の例は、開口部サイズが比較的大きいことから、深さプロファイルの迅速な取得を提供する。しかし、該プロファイルは、横方向に、すなわち、ｘ軸に沿って分解されない。横方向における特定の空間分解能が望ましい場合、別の実施態様は、スリット開口部７１４ａではなくピンホール開口部のレンズ状アレイ７１４ｂを使用してよい。ｚ’軸に沿ってピンホール開口部アレイ７１４ｂを１回スキャンすると、ｚ方向（角膜深さの方向）及びｘ方向（横方向）の両方において空間的に分解される蛍光強度の二次元プロファイルが作成される。開口部サイズ（スリット開口部の幅、ピンホール開口部の直径）は、取得速度と空間分解能とのバランスをとるように選択され得る。

図８は、角膜２におけるクロスリンキング剤の励起光に対する応答に起因して、蛍光発光の三次元プロファイルを取得する別のシステム８００の例の態様を示す。システム８００は、励起光を提供するための照射経路８００ａを含む。照射経路８００ａは、例えば、上記実施態様のいずれかに従って作製され得る。蛍光発光を捕捉するために、システム８００は、第１のイメージング経路８００ｂ及び第２のイメージング経路８００ｃを含む。システム８００は、照射経路８００ａ並びに第１及び第２のイメージング経路８００ｂ、ｃを眼の周囲で１８０°回転させて画像のデータセットを作成し、これによって三次元プロファイルが提供される。該三次元プロファイルは、角膜組織の体積におけるクロスリンキング剤の存在を示す。これは、例えば以下のような幾つかの工程を含み得る：
１． デコンボリューション－有限開口部サイズに関連するぼやけ効果を除去する。
２． 視野にわたってScheimpflugレンズの可変倍率を補正する。
３． 屈折補正－角膜前面における光の屈折に起因する画像の歪みを除去する。
４． スムージング－ショットノイズ（画素あたり少数の光子）及び回折パターンに起因する画像の高空間周波数成分を除去する。
５． 画像の記録時間中の眼の動きを補正する。
画像の歪み補正のために適切な較正手段が開発され得る。

本発明の態様によれば、実施態様は、例えば図７に示す通り、照射及び検出のチャネルを含む２チャネル設計を含み得る。

実施態様は、例えば図７に示す通り、角膜実質においてコリメートスリット又はピクセルビームを提供する照射チャネルを含み得る。

実施態様は、視線追跡チャネルを含み得る。

実施態様は、視線追跡光学部品（例えば、Purkinje画像を用いた角膜先端の追跡）の一部である照射チャネルを含み得る。

実施態様は、以下のうちの１つを含み得る照射チャネルを含み得る：市販若しくはＯＥＭのスリットランプ、又はピクセル投射光学部品。

実施態様は、様々な方向に伝播する迷光の源として作用する照射ビームを含み得る。迷光発生の物理的機序は、リボフラビン蛍光、クロスリンキング蛍光、及び／又は角膜実質組織のバルク散乱を含み得る。

実施態様は、例えば図７に示す通り、高開口数（ＮＡ）レンズを通して光線を画像面に移動させる迷光をピックアップする検出チャネルを含み得る。レンズの物体面（画像面に接合）は、例えば図７に示す通り、Scheimpflug原理を用いて角膜実質において照射ビームに整列する。Scheimpflug原理を使用すると、例えば図７に示す通り、照射されたスリット、又は便利な角度、例えば４５°における角膜の前面と後面との間の他のパターンを画像化することが可能になる。

画像に寄与する光学スライスの厚みは、高ＮＡレンズ及び共焦点原理を用いることによって著しく低減し得る。後者の原理は、画像を記録しながら、画像面にわたって小さな開口部をスキャンすることを意味する。幾つかの実施態様では、領域全体が網羅されるまで特定の順序で画素のスイッチを入れるＣＣＤアレイを使用してよい。画素の切り替え順序は、その（電気的又は光学的な）クロストークを最小化するように選択しなければならない。

本開示の更なる態様によれば、実施態様を使用して、高分解能の非接触の角膜厚み計を提供することができる。上記の通り、実施態様は、励起光に応答して様々な深さで角膜におけるクロスリンキング剤によって発せられる蛍光の量、例えば、強度を定量することができる。例えば、図３に示す通り、システム３００は、ｚ軸に沿った様々な深さで角膜２をスキャンして、角膜深さの関数としてクロスリンキング剤の濃度を測定することができる。このようなスキャンは、角膜の厚み全体を評価するのに十分であり得る。具体的には、スキャンは、少なくとも、外気と角膜との間の界面（すなわち、角膜の前面）から内皮と前房との間の界面（すなわち、角膜の後面）まで及び得る。これも上記の通り、実施態様の検出器が角膜の前面からの蛍光発光を捕捉したとき、蛍光シグナルが急増し、続いて、スキャンが前面から角膜実質中に深く移動するにつれて蛍光シグナルが漸減する。スキャンが内皮と前房との間の界面（後面）に達したとき、蛍光シグナルは急激にゼロまで減少する。蛍光シグナルにおいて急増（シグナルピーク）及び急減（ゼロまで）が検出された深さ間の距離を測定することによって、角膜の厚みを決定することができる。したがって、角膜におけるクロスリンキング剤の存在に関する情報を提供することに加えて、実施態様は、角膜の厚みの測定を提供することができる。角膜の厚みの測定は、典型的には、内皮の安全性を確保するためにクロスリンキング処置の前に必要とされる。

角膜の厚みの測定ノイズを低減し、そして、より正確な測定値を得るために、角膜を横断する様々な横断方向位置において（例えば、図３に示す通り様々な（ｘ，ｙ）位置において）、角膜の厚みを貫通する（例えば、図３に示す通りｚ軸に沿って）複数のスキャンを実施してよい。次いで、これらの複数のスキャンから得られた測定値を平均してよい。例えば、中心角膜厚及び／又は周辺角膜厚を評価するために、所定の又はユーザが選択した横断方向位置のセットを網羅する角膜厚測定マップを作成してよい。例えば、円錐角膜障害に関連するセクションにわたって角膜厚測定マップを作成してよい。

共焦点蛍光顕微鏡の態様を使用して、実施態様は、角膜の厚みの高分解能（例えば、１００μm未満）かつ迅速な（例えば、１秒未満）測定を達成することができる。更に、このような測定は、角膜と物理的に接触することなく行うことができ、それによって、対象の安全性及び快適性が強化される。更に、角膜厚測定に対するこのアプローチは、角膜の密度、水和状態、及び屈折特性の変動に対して非感受性である。また、このアプローチは、時に眼、特に罹患している眼に関連する混濁の存在に対しても非感受性である。したがって、このアプローチは、例えば、音の単一名目速度に依拠して角膜の厚みを測定する超音波ベースのアプローチとは対照的に、角膜の厚みのより正確な測定値を提供することができる。

励起光に応答して角膜におけるクロスリンキング剤からの蛍光発光に基づいてシグナルを検出するのではなく、上記実施態様の別の実施は、クロスリンキング剤が角膜に存在していない角膜から反射した入射光に基づいてシグナルを検出することによって角膜の厚みを決定することができる。角膜を通じたスキャンからの反射光は、角膜の前面及び角膜の後面の存在を示すシグナルを提供する。具体的には、シグナルスパイク又は他のシグナル変化は、角膜の前面及び後面を特徴づけることができる。有利なことに、この別の実施は、角膜におけるクロスリンキング剤のいかなる存在とも関係なく、角膜の厚みの信頼できる測定値を提供することができる。

まとめると、図９は、共焦点顕微鏡の態様を使用する実施態様を介して角膜の厚みを測定するためのアプローチ９００の例を一般的に示す。行為９０２では、角膜を横断する１つ以上の位置（ｘ，ｙ）について、構成された共焦点顕微鏡システムを介して様々な角膜の深さ（ｚ）を通して角膜に光を導く。行為９０４では、角膜におけるクロスリンキング剤からの蛍光発光又はクロスリンキング剤の存在しない角膜からの反射光を、様々な角膜の深さから検出する。行為９０６では、角膜の前面に関連する第１のシグナル及び対応する第１の深さを、蛍光発光／反射光から検出する。行為９０８では、角膜の後面に関連する第２のシグナル及び対応する第２の深さを、蛍光発光／反射光から検出する。行為９１０では、第１の深さと第２の深さとの間の距離から角膜の厚みを決定する。任意の行為９１２では、角膜を横断する１超の位置（ｘ，ｙ）が存在する場合、該１超の位置から得られた角膜の厚みを平均して、より正確な測定値を求める。

上記の通り、本開示のいくつかの態様によれば、上記及び図示された手順の工程のうちの幾つか又は全てを自動化するか又はコントローラ（例えば、コントローラ１２０）の制御下で先導することができる。一般的に、コントローラは、ハードウェアエレメント及びソフトウェアエレメントの組み合わせとして装備され得る。ハードウェアの態様は、マイクロプロセッサ、論理回路、コミュニケーション／ネットワーキングポート、デジタルフィルタ、メモリ、又は論理回路を含む、動作可能に接続されたハードウェアコンポーネントの組み合わせを含み得る。コントローラは、コンピュータ可読媒体に保存され得るコンピュータで実行可能なコードによって特定される操作を実施するように適応させることができる。

上記の通り、コントローラは、ソフトウェア又は保存されている指示を実行するプログラム可能な処理装置、例えば、従来の外部コンピュータ、又はオンボードフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）若しくはデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）であってよい。一般に、任意の処理又は評価のために本開示の実施態様によって使用される物理的プロセッサ及び／又はマシンは、コンピュータ及びソフトウェアの分野の当業者によって理解される通り、本開示の実施態様の例の教示に従ってプログラムされた、１つ以上のネットワーク化された又はネットワーク化されていない汎用コンピュータシステム、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ等を含んでいてよい。物理的プロセッサ及び／又はマシンは、画像捕捉装置と外部的にネットワーク化されてもよく、又は画像捕捉装置内に存在するように組み込まれてもよい。ソフトウェア分野の当業者によって理解される通り、適切なソフトウェアは、実施態様の例の教示に基づいて通常の技量のプログラマーが容易に作成することができる。更に、電気分野の当業者によって理解される通り、実施態様の例の装置及びサブシステムは、アプリケーション特異的に組み込まれた回路の作成によって又は従来の構成回路の適切なネットワークを相互接続することによって実行することができる。したがって、実施態様の例は、ハードウェア回路及び／又はソフトウェアの任意の特定の組み合わせには限定されない。

コンピュータ可読媒体のうちの任意の１つ又は組み合わせに保存された、本開示の実施態様の例は、実施態様の例の装置及びサブシステムを制御するための、実施態様の例の装置及びサブシステムを駆動するための、実施態様の例の装置及びサブシステムをヒトユーザと相互作用させるためのソフトウェア等を含み得る。このようなソフトウェアは、デバイスドライバ、ファームウェア、オペレーティングシステム、開発ツール、アプリケーションソフトウェア等を含み得るが、これらに限定されない。このようなコンピュータ可読媒体は、更に、実行において実施される処理の全て又は一部（処理が分散している場合）を実施するための本開示の実施態様のコンピュータプログラム製品を含み得る。本開示の実施態様の例のコンピュータコードデバイスは、スクリプト、解釈可能なプログラム、ダイナミックリンクライブラリ（ＤＬＬ）、Java（登録商標）クラス及びアプレット、完全に実行可能なプログラム等を含むがこれらに限定されない任意の好適な解釈可能又は実行可能なコードメカニズムを含み得る。更に、より優れた性能、信頼性、コスト等のために、本開示の実施態様の例の処理の一部を分散させてもよい。

コンピュータ可読媒体の一般的な形態は、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の好適な磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤＲＷ、ＤＶＤ、任意の他の好適な光学媒体、パンチカード、紙テープ、光学マークシート、穴若しくは他の光学的に認識可能な印のパターンを備えた任意の他の好適な物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他の好適なメモリチップ若しくはカートリッジ、搬送波、又はコンピュータが読み取ることのできる任意の他の好適な媒体を含み得る。

１つ以上の具体的な実施態様を参照して本開示を説明してきたが、当業者は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく本開示に対して多くの変更を行うことができると認識するであろう。これらの実施態様及びその明らかな変形物はそれぞれ、本開示の趣旨及び範囲内であると考えられる。また、本開示の態様に係る更なる実施態様は、本明細書に記載される実施態様のいずれかの任意の数の特徴と組み合わせてよいことが考えられる。

Claims (20)

1. 角膜の測定システムであって、
   光を発するように構成されている光源と；
   前記光源から前記光を受け取るように配置され、そして、前記角膜の選択された深さにおける角膜組織の領域に前記光の焦点を合わせるように構成されている少なくとも１つの光学素子であって、前記光源からの前記光に応答して前記角膜組織の領域において光信号が生成される光学素子と；
   開口部によって透過された前記光信号を捕捉するように配置された検出器であって、前記検出器によって捕捉された前記光信号の測定値に関する情報を伝達するように構成されている検出器と；
   前記検出器に通信可能に接続されており、かつ、前記検出器から前記情報を受信し、そして、前記情報に基づいて、前記選択された深さにおける前記角膜組織の領域において生成された前記光信号の測定値を決定するように構成されているコントローラと、を含み、
   前記コントローラは、前記光によって生成された蛍光発光の三次元プロファイルを開発するように構成され、前記コントローラはさらに、処置補正を生じさせるように構成され、前記処置補正は少なくとも１つのクロスリンキング処置パラメータを調整することを含む、測定システム。
2. 前記処置補正は、前記開口部のサイズに関連するぼやけ効果を除去することを含む、請求項１記載の測定システム。
3. 前記処置補正は、レンズの可変倍率を調整することを含む、請求項１記載の測定システム。
4. 前記レンズは、シャインプルーフレンズ（Scheimpflug lens）である、請求項３記載の測定システム。
5. 前記処置補正は、光の屈折に起因する画像の歪みを除去することを含む、請求項１記載の測定システム。
6. 前記処置補正は、画像の高周波数成分を除去することを含む、請求項１記載の測定システム。
7. 前記処置補正は、前記角膜の動きに合わせて前記三次元プロファイルを調整することを含む、請求項１記載の測定システム。
8. 前記光を提供するための照射経路を更に含む、請求項１記載の測定システム。
9. 第１のイメージング経路及び第２のイメージング経路を更に含む、請求項８記載の測定システム。
10. システムは、前記三次元プロファイルを開発するために照射経路、第１イメージング経路及び第２のイメージング経路を角膜の周囲で回転させる、請求項９記載の測定システム。
11. 前記三次元プロファイルは、前記角膜組織の体積におけるクロスリンキング剤の存在を示す、請求項１記載の測定システム。
12. 前記光信号が前記角膜組織の領域からの蛍光発光である、請求項１記載の測定システム。
13. 前記光信号が前記角膜組織の領域からの反射光である、請求項１記載の測定システム。
14. 前記角膜組織の領域において生成された前記光信号の測定値が、前記選択された深さにおけるクロスリンキング活性の測定値を示す、請求項１記載の測定システム。
15. 前記光信号の測定値が、前記角膜組織の深さに対応する軸及び／又は前記軸に対して横断方向の平面に沿って１０μm超の分解能に従って決定される、請求項１記載の測定システム。
16. 複数の深さにおいて前記少なくとも１つの光学素子に前記角膜をスキャンさせ、そして、各深さにおける角膜組織のそれぞれの領域に前記光源からの前記光の焦点を合わせるように構成されているスキャン機構を更に含む、請求項１記載の測定システム。
17. 前記スキャン機構が、複数の深さにおいて前記少なくとも１つの光学素子に前記角膜を１回超スキャンさせるように構成されており、前記コントローラが、更に、前記１回超のスキャンからの情報に基づいて、時間と深さの関数としてクロスリンキング活性の量を決定するように構成されている、請求項１６記載の測定システム。
18. 前記複数の深さが、前記角膜の前面から前記角膜中に少なくとも約２００μmまで延び、前記複数の深さにおける隣接する深さが、約１０μm～約１００μm離れている、請求項１６記載のシステム。
19. スキャン機構が、更に、各複数の深さにわたる複数の横断方向位置において前記少なくとも１つの光学素子に前記角膜をスキャンさせ、そして、各深さにおける各横断方向位置における角膜組織のそれぞれの領域に前記光源からの前記光の焦点を合わせるように構成されている、請求項１記載の測定システム。
20. 前記スキャン機構が、複数の深さ及び複数の横断方向位置において前記少なくとも１つの光学素子に前記角膜を１回超スキャンさせるように構成されており、前記コントローラが、更に、前記１回超のスキャンからの情報に基づいて、時間と深さと横断方向位置の関数としてクロスリンキング活性の量を決定するように構成されている、請求項１９記載の測定システム。