CN102327160A - 用于全面改善视力的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

通过将角膜的前屈光表面的形状有效地改变成理想的“龟背”形状来实现视力的“全面改善”，在理想的“龟背”形状上加上必要的曲率调整以实现远处视力的矫正。提供了一种用于改善或计划改善眼睛视力的方法、以及一种确定对眼睛的角膜的必需的形状变化的方法。该改善或计划改善眼睛视力的方法包括：在眼睛的角膜的表面模型上，确定在所述表面模型上的不同位置的焦点，并修改所述模型以便相对于预定参照轴将焦点移动到预定位置，而不强迫它们移动到共同点，修改后的模型代表角膜的所期望的重新构造，其中，所述修改步骤表示通过向眼睛施加意图矫正屈光误差的光学镜片来有效地给角膜重新塑形。此外，还提供了一种其前表面具有M-波形状的光学镜片。

Description

用于全面改善视力的方法和设备
本申请是申请日为2007年3月8日、申请号为200780016536.0、发明名称为“用于全面改善视力的方法和设备”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明通常涉及用于改善眼睛视力的方法和设备，更具体地，涉及在所有距离上改善视力(以下称为“全面(universal)改善”)的方法和设备。
背景技术
人的视力的最常见的缺陷是由于眼睛不能将入射光聚焦到视网膜上的一个共同的焦点上而引起的。例如，近视可以归因于眼睛将光线聚焦在视网膜的前面，远视可以归因于眼睛将入射光线聚焦在视网膜的后面，而散光可以归因于眼睛没有共同的焦点。人类光学科学家经常将角膜建模为由正交的长轴和短轴限定的椭圆体的一部分。
如今，通常用两种方式之一来改善视力：将镜片放在眼睛的前面(例如，隐形眼镜(contact lens)或框架眼镜片(spectacle lens))，或者，将镜片放在眼睛内(例如，眼内镜片(intraocular lens))，以便适当地将入射光重新聚焦到眼睛中。替换地，例如通过激光切割手术或其它的外科手段以改变角膜的前表面的形状，从而改变角膜的有效外表面的形状。这种用于矫正视觉灵敏度的外科手术通常旨在增加或减少角膜的表面曲率。某些手术意图将角膜的形状变得更加球形，而其他则意图将角膜的形状改变为“平均的(average)”椭圆形，或者最近意图基于波前(wavefront)分析来进行矫正，该波前分析是意图对眼睛的“高阶像差(higher order aberration)”进行矫正的方法。
隐形眼镜或框架眼镜片被用于提供对离眼睛不同距离的所注视的物体(例如，离眼睛相对较近的物体或者离眼睛较远的物体)的视力矫正。在这方面，已经对镜片的不同区域提供了不同的镜片光学倍率(lens power)，以便让配戴者看到在不同距离上的物体。传统的“多焦距”隐形眼镜是在镜片表面的不同的范围或区域处存在光学倍率的差异的镜片。这种区域已经被构造成在镜片上形成不同的光学倍率的球截形或球面二角形。虽然这种镜片已经提供了在某些距离上的视力矫正，但是，这种镜片还没有提供足够的全面视力改善来恢复眼睛的自然视觉灵敏度，这除了需要距离屈光误差矫正以外、还需要多级别的深度矫正。此外，已经提供了可变焦距的框架眼镜片以便提供在所有距离上的视力矫正，其中在曲率随垂直位置而连续变化的情况下，形成中心光学区。但是，配戴者必须抬头或低头来进行针对距离的调整。某些隐形眼镜的设计提供在前表面上的不同圈(bands)中的两个或多个屈光倍率的区域。这种镜片根据眼睑的位置来转换(translate)位置。为了用这种转换设计来提供清晰的视力，配戴者必须同样地抬头或低头以便针对正观看的物体的距离来调整。需要配戴者进行这种调整并不是最佳的。
将希望提供全面的视力改善而不需要配戴者进行任何额外的物理运动。
发明内容
根据美国专利No.5,807,381中所公开的表面建模技术，利用临床测量的分析，申请人发现，如果仅为了矫正不良的距离视力而改变眼睛的角膜的表面曲率，则具有理想的“龟背”形状的眼睛的角膜将呈现出全面的视力改善。如在此所使用的，“龟背”形状将被理解为在位于最靠近鼻子的边缘处的点上呈现出最平坦的表面曲率，其中，沿着从在角膜上的该点到中心点的半子午线来确定表面曲率。向上且绕角膜周边移动，表面曲率将连续地增加直到其达到角膜的垂直末端(vertical extreme)处的最大值为止。然后，表面曲率将会连续地减少，直到它达到离鼻子最远的角膜边缘处的中间值为止，将连续地增加达到在角膜的垂直最低边缘处的最大值，并将连续地减少直到其回到最靠近鼻子的角膜边缘处的最小值为止。
根据本发明，通过将角膜的形状有效地改变成理想的龟背形状，实现了视力的全面改善，其中，在该理想的龟背形状上施加了必要的曲率调整以实现对所关注的远处物体的视力矫正。根据一个实施例，通过角膜手术、优选地激光切割手术，将角膜实际地改变成期望的形状。根据第二实施例，在角膜上放入隐形眼镜，该隐形眼镜具有所需要的远处视力校正的理想龟背形状。
根据本发明，提供了一种用于改善或计划改善眼睛视力的方法，其步骤包括：在眼睛的角膜的表面模型上，确定在所述表面模型上的不同位置的焦点，并修改所述模型以便相对于预定参照轴将焦点移动到预定位置，而不强迫它们移动到共同点，修改后的模型代表角膜的所期望的重新构造，其中，所述修改步骤表示通过向眼睛施加意图矫正屈光误差的光学镜片来有效地给角膜重新塑形。
此外，根据本发明，提供了一种光学镜片，具有前表面、后表面和在其前表面上的光学中心，所述前表面具有M-波形状，以致于沿着经过所述光学中心的曲线所测量的表面曲率关于有关所述光学中心的角方向、实质上如平滑了的字母M一样变化，其中，0°角方向实质上是当戴上所述镜片时最靠近鼻子的点，且所述M的中心凹陷点实质上出现在对应于180°方向的、当戴上所述镜片时离鼻子最远的点处，所述M的最大值实质上出现在分别对应于90°和270°方向的、当戴上所述镜片时所述镜片的垂直最高端和最低端处，其中，所述镜片的前表面上的经过所述光学中心的曲线在前表面上定义与眼睛的角膜表面上的不同位置相对应的聚焦区，每个聚焦区被塑形以相对于眼睛中的预定参照轴将角膜的相应位置的聚焦移动到预定位置，而不强迫每个区域的聚焦移动到共同点。
本发明还提供了一种确定对眼睛的角膜的必需的形状变化的方法，所述方法在包含显示设备的计算机系统的帮助下进行，所述方法包括如下步骤：将前角膜表面建模为修整为M-波形状的表面模型，以致于沿着经过光学中心的曲线所测量的表面曲率与关于所述光学中心的角方向相关地、实质上如平滑了的字母M一样变化，其中，0°角方向实质上是当戴上所述镜片时最靠近鼻子的点，且所述M的中心凹陷点实质上出现在对应于180°方向的、当戴上所述镜片时离鼻子最远的点处，所述M的最大值实质上出现在分别对应于90°和270°方向的、当戴上所述镜片时所述镜片的垂直最高端和最低端处；在所述显示设备上观察所述表面模型：产生被构造以控制另一设备以对隐形眼镜塑形、以便所述镜片的前表面具有所述M-波形状的第一信号；或者产生被构造以根据所述M-波形状控制设备的第二信号，其中，对所述前表面建模并经过所述光学中心的所述曲线定义了不同的聚焦区，所述方法还包括以下步骤：在建模步骤中确定不同聚焦区的焦点，并且修改通过建模步骤形成的模型使得相对于预定参考轴将焦点移动到预定位置，而不强迫它们移动到共同点，修改后的模型代表角膜的所期望的重新构造。
附图说明
参照附图并结合当前优选的实施例的如下详细说明，将更全面地理解本发明的上述的简要说明和进一步的目的、特征和优点，在附图中：
图1是图示根据本发明的通过角膜的激光切割或适当形状的矫正镜片来实现视力矫正的方法的方块图；
图2是图示通过角膜图像采集系统而得到的点云的平面图像的示意图；
图3是与图2相似的平面示意图，图示多个样条(splines)以及它们如何连接穿过点云的数据点；
图4是图示如何构造特性曲线的角膜匹配表面(matching surface)的透视图；
图5是例示在3毫米直径处的角膜的轴向聚焦散光的图；
图6图示了与图5相对应的径向聚焦散光；
图7是例示在5毫米直径处的角膜的轴向聚焦散光的图；
图8图示了与图7相对应的径向聚焦散光；
图9是例示在7毫米直径处的角膜的轴向聚焦散光的图；
图10图示了与图9相对应的径向聚焦散光；
图11图示了通过与中心轴正交来修改角膜模型的方法；
图12图示了偏离中心(decentered)的正交化的概念；
图13-15是示出了在视网膜中区(macula)的前表面上、分别以螺旋形、玫瑰花形(rose)和双重玫瑰花形图样分布的72个焦点P的视网膜中区的平面视图；以及
图16图示了在描述提供全面视力改善的对角膜的理想龟背形调整时有用的三个波形。
具体实施方式
结合现代的角膜手术，诸如角膜切割手术，对于临床应用以及对于隐形眼镜的设计和制造，使用了高分辨率的照相机来获得在角膜表面上的离散数据点的数字化阵列。已经可用于映射(map)角膜的一种系统和照相机是PAR视力系统(PAR Vision System)的PAR角膜测绘系统(PAR CTS)。PAR CTS在三维笛卡尔空间中、即沿着x坐标、y坐标以及深度(Z)坐标来映射角膜表面拓扑。
“视线”(line-of-sight)是从固定点到入口瞳孔的中心的直线段。正如在Mandell的“Locating the Corneal Sighting Center From Videokeratography”，J.Refractive Surgery，V.11，页码253-259(七月/八月1995)中更全面描述的，从固定点射向入口瞳孔上的点的光线将被角膜和水状体折射，并通过实际瞳孔上的对应点以最终到达视网膜。
视线与角膜表面相交的在角膜上的点是角膜的“光学中心”或“视域(sighting)中心”。它是屈光外科手术的主要参照点，因为它通常代表了光折射角膜切除术中的要切割的区域的中心。视线已经被传统地编程到激光控制系统中以掌控角膜切割手术。但是，一些外科医生偏好于使用瞳孔轴作为参照线。其他外科医生将切割轮廓的中心大约定为角膜顶点，该角膜顶点通常被定为在角膜上具有最大曲率变化的区域。有经验的执业医生已经使用了各种技术用于寻找视域中心。在一个技术中，使用角λ(angle lambda)来计算相对于瞳孔(“光”)轴的视域中心的位置。参见包括对角κ和λ的详细讨论的上述Mandell的文章，在此将其公开的内容全部合并于此以供参考。
在LASIK角膜切割手术期间，反射了角膜表面的一部分，并对暴露的表面进行切割。使用收集到的高度(elevational)数据来指导激光器之类的切割设备，以便可以有选择地切割角膜表面以更接近地近似于关于视线的适当半径的球面，或者“平均的”椭圆形，或者在切割区内的波前指纹。使用视线作为手术的参照线可以减少近视，或者另外矫正手术前的官能障碍或视觉异常。然而，可能导致更不规则形状的角膜，这可能恶化现有的散光，或者在所治疗的眼睛中引入散光或球面像差。这将使随后需要采用的任何视力矫正措施复杂化。而且，所引入的任何实际的表面不规则性都能引起疤痕组织的发展或泪垢的局部积累，这两者都可能有害地影响视力。
使用视线或瞳孔轴作为进行外科手术的参照轴暗示着如下假设：角膜关于沿着眼睛的半径延长的轴来说是对称的。然而，角膜是“不对称的球形”表面。“球形”意味着沿着任何角膜“子午线”的曲率的半径并非是恒定的(可将“子午线”认作是由角膜表面与包含瞳孔轴的平面相交而形成的曲线)。其实，角膜曲率趋于从几何中心到外围逐渐平坦。“不对称”意味着角膜的子午线没有呈现出关于它们的中心的对称性。角膜是球面和/或非对称的程度随着不同的病人或同一个病人的不同眼睛而变化。
根据美国专利No.5,807,381的表面建模技术所进行的临床测量的分析表明，与角膜中心或瞳孔中心相比较，角膜表面上的、离PAR CTS的参照平面最远的点(以下称为“高(HIGH)”点)是用于角膜切割和镜片设计的更有效的参照点。具体地，正如在专利No.5,807,381中所示，与关于接近眼睛中心的轴(例如瞳孔轴)进行相同手术的情况相比，关于通过“高”点的轴而进行的激光切割术产生形状规则得多的角膜并且移除较少的角膜材料(material)。
根据美国专利No.5,807,381和国际专利申请No.PCT/US03/1763(公布为WO03/101341)(现将它们所公开的内容全部合并于此以供参考)的方法而进行的临床测量的分析对已经作出的关于在诸如波前分析和散光盘技术(Placido disc technology)的这种公知角膜分析技术中固有的人类角膜结构的假设提出了质疑。具体地，发现不同于其它光学系统，角膜的中心部分(例如，向外延伸到32mm直径)就其聚焦的能力而言，不一定光学地优于角膜的实质更大部分(例如，向外延伸到7mm直径)。角膜的中心部分呈现出大量的聚焦散光。也就是说，角膜上的不同区域并不聚焦到聚焦轴上的同一个点。其实，它们甚至并不聚焦到同一个轴。通常，这种聚焦差异在角膜的中心部分中最明显，并且从中心开始，这种聚焦差异实际上随着直径的增加而减少。
正如在PCT/US03/1763中所公开的那样，可以通过调整角膜的聚焦(在此称为“正交化”)来改善视力，以便不同的区域实际上聚焦到相同的轴。这可以通过角膜塑形(例如，通过切割)或者通过应用合适的矫正镜片来完成，从而有效地减少径向和轴向的聚焦散光。对于许多病人而言，正交化的另外的好处在于实际地减少了老花眼(有缺陷的近视)。也就是说，配戴了没有在不同距离处聚焦的组件的正交化隐形眼镜的许多老花眼病人能够同时实现近处视力和远处视力的改善。然而，正如很普遍的，不能够在近处视力和远处视力两个方面实现足够的改善，因此不能为大多数具有与近处视力缺陷相关的老龄化的近视人们提供全面的视力改善。
在图1的方块图格中图示了根据本发明的实现角膜激光切割和隐形眼镜塑形的处理。此处理利用了角膜图像采集系统(Corneal Image Capture System)610、高度分析程序(Elevation Analysis Program)620、计算机辅助设计系统(Computer Aided Design System)630、命令处理器(Command Processor)640以及角膜塑形系统(Cornea Shaping System)650。结合高度分析程序620，角膜图像采集系统610产生病人的角膜的三维拓补图(topographic)。利用计算机辅助设计系统630作为编辑或修改角膜测绘数据的辅助工具，以便创建表面模型，并通过命令处理器640将与模型相关的数据发送给角膜塑形系统650。命令处理器640使用来自计算机辅助设计系统630的、描述要塑形的角膜的表面的测绘数据，来产生角膜/镜片塑形系统650所需要的命令/控制信号的序列。角膜/镜片塑形系统650从命令处理器640接受描述了角膜/镜片塑形系统的三维运动(可以使用任何坐标系统；例如，笛卡尔坐标、径向坐标或球面坐标)的命令的序列，以便为角膜塑形或为制造隐形眼镜的机器(例如，车床)塑形。
角膜图像采集系统610和高度分析程序620优选地是
Figure BDA0000075412230000071
角膜测绘系统(“
Figure BDA0000075412230000072
系统”)的组件，其可以从PAR视力系统得到。高度分析程序620是由处理器(例如，IBMTM兼容的PC)执行的软件程序。程序620产生由系统610测量的角膜表面上的多个取样点中的每一个的三维要素(Z坐标表示与眼内的参照平面的距离)。每个点由其映射到参照平面中的X-Y坐标来限定，并根据该点的亮度来确定它的Z坐标。计算每个点的高度(即Z坐标)的一个方法是将从病人的角膜14测量到的X-Y和亮度值与某些具有已知高度的参照表面(例如已知半径的球面)的坐标和亮度值相比较。这些参照值可以被预先存储。
高度分析程序620的最后输出是在角膜14的表面上的通常称为点云(point cloud)的多个取样点的X-Y-Z坐标。对于本领域技术人员而言，显然可以使用能够产生按照所需准确度来提供角膜表面上的点的位置和高度信息的X、Y、Z角膜数据的任何方法。在优选实施例中，大约有1200个点以网格图样彼此隔开，正如在X-Y平面中所看到的那样，因此这些点在X-Y平面上的投影彼此相距大约200微米。
可以按照许多公知机器指定(machine-specific)的格式来对从高度分析程序620输出的X-Y-Z数据进行格式化(format)。优选地，按数据交换文件(DXF)格式、即通常用于在应用程序之间传输数据的工业标准格式来对数据进行格式化。DXF文件是ASCII数据文件，它可由大多数计算机辅助设计系统来读出。
现在参照图2和图3，如当沿着Z-轴观察参照平面时将显现出来的那样，画出了点云100(即，正如将其投影到X-Y平面中)。每个点对应于病人的角膜上的特定的位置。通常从角膜的大约10mm×10mm的界定区(工作区)中产生这些数据。这样，可能存在多达50行的数据点。计算机辅助设计系统630根据由高度分析程序所产生的数据点来生成模型(model)或者匹配病人的角膜表面的拓补图的表面108(见图4)。在优选实施例中，计算机辅助设计系统630是Anvil 5000TM程序，它可从美国亚利桑那州(Arizona)的斯科茨代尔(Scottsdale)市的制造咨询服务(Manufacturing Consulting Service)得到。
优选地，通过首先生成多个样条102来产生角膜匹配表面108，其中由点云100的多个数据点来限定多个样条102中的每个。与多个数据点(即结点)相交的样条的产生本身是本领域技术人员所知的，并且一旦输入了输入数据，其可以通过Anvil 5000TM程序来完成。关于表面模型的产生的更多信息，请见美国专利No.5,807,381，其公开的内容合并于此以供参考。在优选实施例中，使用了已知的非均匀的有理数B-样条公式来产生样条，但是，它们也可以由样条的其它公知数学公式、诸如三次方的样条公式或有理数的均匀B-样条公式来产生。如图3所示，在优选实施例中，样条102中的每一个位于平行于X和Z轴的平面中，并包括来自图3中的点云100的一行点。
然后，从样条102来产生与扫描的眼睛的角膜表面相匹配的表面108。存在可用来从多个样条102产生表面的许多公知数学公式。在优选实施例中，使用公知nurb(曲线曲面的非均匀有理B)表面等式来从样条102产生角膜表面。在此实施例中，由于眼睛的扫描区近似为10mm x 10mm，因此创建了大约50个样条102。如图3所示，为少量(例如5个)相邻样条创建了裸(skinned)表面区段104。这些相邻的裸表面区段104共享共同的边界样条。如此，从点云生成了大约10个裸表面区段，并按照本领域技术人员所知道的方式、由Anvil 5000TM程序将这大约10个裸表面区段合并在一起，以便产生一个合成的表面108。
当使用nurb表面等式公式时由于数学地生成了表面，因此，原始的数据点和样条102的结点都不一定位于表面108上。然而，表面108在预定的容差内估算这些点。
确定在所生成的角膜匹配表面108上的HIGH点(即具有最大Z值的点)。然后预定直径的圆柱体106沿着与Z轴平行的轴被投影到角膜匹配表面108上，并经过HIGH点。圆柱体106优选地具有大约3mm到大约8mm、通常大约7mm的直径，且由圆柱体106与表面108相交所形成的闭合轮廓线在X-Y平面中投影为环106’。在匹配表面108上，该轮廓线限定了角膜的工作区的外缘26。角膜关于HIGH点是最对称的和球面的，因此，在该点处提供最佳的光学性能。
外缘26必须拟合于(fit)点云内，以便能够基于测量的角膜数据来形成角膜的表面。然后，计算机辅助设计系统630能够在例如监视器屏幕上图示出相对于点云的缺省环106’(在X-Y平面中)，以便操作者能够确保环106’落入点云内。此外，能够建立系统630以确定环106’是否落入点云100内，且如果它没有完全落入点云100内，则警告用户去操纵该环(即，移动环的中心点和/或改变环的半径)，以便环106’位于角膜数据点云100内。在最坏的情况下，如果从扫描的眼睛没有得到足够的数据，则应当重新扫描眼睛，以确保角膜的工作区将适当地拟合于点云内。替换地，可以使点云的面积变大。
应当理解，环106’仅是当在X-Y平面中观察(即沿着Z-轴看)时的环。实际上，外缘26近似于椭圆形，并位于相对于参照平面而倾斜的平面中。经过HIGH点的与倾斜平面相垂直的线将被称为“LOCAL Z-轴”或“倾斜轴”，且相对于参照平面的倾斜平面的倾斜度将被当作是角膜工作区的倾斜角。
角膜大约600μm厚。在大多数角膜切割手术中，由于通过通常使用的这类激光器，实际上没有留下疤痕的风险，因此切割角膜的少于100μm的深度。超过100μm的深度，存在留下疤痕状缺陷的风险。例如，已知120μm深度的切割会导致疤痕。然而，存在这种可能性，即，可以在激光治疗之前或同时通过药物疗法来减少由于表面切割而留下疤痕的风险。然而，当今的大多数激光外科手术不会导致疤痕，这是由于大多数手术是在LASIK手术刀(flap)下进行的。在LASIK中担心的是切割太深，其中剩余床(residual bed)小于～250μm。如果剩余床小于这个数量，可能出现结构性障碍。角膜起伏的幅度通常是从峰顶到谷底的大约15到20微米，并且可以大到30微米。
根据本发明进行的外科手术以及根据本发明制造的光学镜片将探索以根据在“屈光测试”中所确立的需要的矫正来矫正病人的视力。当进行该测试时，病人坐在装有称为“综合屈光检查仪(phoropter)”的特殊设备的椅子上，通过该设备，病人注视大约20英尺远的视力检测表。在病人向综合屈光检查仪中看时，医生操纵不同强度(strength)的镜片到视域中，并每次询问病人通过所放置的特定镜片是否使检测表显得更清楚或者更模糊。实际上，医生能够改变关于两个正交的轴的屈光倍率或屈光度矫正，以及那些轴关于沿着视线的Z-轴的旋转程度。医生继续修改这三个参数，直到他达到最佳的视力。通常在“a，b，c”表格中给出了屈光测试的结果，其中，“a”是在第一轴上的屈光度矫正，“b”是在第二正交轴上所需要的另外的屈光度矫正，“c”是第一个轴相对于水平方向的旋转角。为每个眼睛给出该信息表格，且该信息表格立刻可用于研磨眼镜的一对镜片。
现在将描述在表面108上生成特性曲线的技术，这在下面将是有用的。构建包含LOCAL Z-轴的平面110(见图4)。平面110和表面108之间的交叉限定了第一特性曲线112。然后，如线条114所示，关于LOCAL Z-轴将平面110在例如逆时针方向上旋转5°的增量，其中，它与表面108的交叉限定了在图4中由虚线表示的第二特性曲线116。该处理按照围绕LOCAL Z-轴的固定旋转增量、例如每次5°继续进行，直到平面110扫过360°，以产生完整的一组特性曲线(子午线)，在此情况下72个(360°％5°)。
然后，用最佳拟合的球面(环状)弧线来估计这些特性曲线中的每一个。完成此事的一个方式是简单地选择经过每个曲线的三个已知点(例如，在其上与轮廓线106’相接触的点、HIGH点、和当沿局部(local)Z-轴观看投影时在这两个点中间的那个点)的环状弧线。一旦生成了球面弧线，则可以通过该弧线的中心来估计由环状弧线表示的部分角膜的焦点。定位球面弧线的中心的技术是公知的。所得到的一组弧线中心则提供了聚焦散光的代表。
为了说明的目的，对具有20/15的未矫正视力灵敏度的病人的角膜模型进行之前的过程。图5是沿LOCAL Z-轴的向外延伸到3.0mm直径的角膜部分的聚焦散光图。在此情况下，焦点开始于沿LOCAL Z-轴的7.06mm处，并向外延伸了另外的6.91mm。图6图示了在3mm直径内的径向散光是1.2mm。同样地，图7图示了角膜的5mm直径部分的轴向聚焦散光开始于8.99mm处，并延伸了另外的1.69mm。如图8所示，角膜的相同部分的径向散光是0.49mm。图9图示了在7mm处的轴向聚焦散光开始于8.68mm处，并轴向地延伸了另外的0.47mm，而，图10图示了相应的径向散光是0.33mm。显然，在角膜的中心部分中聚焦散光最严重，并且随着考虑到的角膜的部分越大而显著减少。因此，显然将期望能够减少或消除至少在角膜的中心部分中的聚焦散光。这能够通过“正交化”至少一部分角膜来实现。在此，术语“正交化”是指对表面模型重新塑形以便其朝着LOCAL Z-轴的方向分段地重新聚焦角膜。然后，可以将重新塑形后的表面模型施加(例如，通过切割)到角膜，或者对隐形眼镜(或另一种类的光学镜片)的后表面塑形，以便实现所需要的聚焦散光矫正。已经发现，正交化角膜不仅减少了径向聚焦散光，还同时实际地减少了轴向聚焦散光，并在角膜的正交化部分的曲率半径上得到了更加的均匀性。
图11图示了正交化处理。按照下面说明的方式，对代表特性曲线的每个弧线进行此处理。在分段地重新聚焦以后，将修改后的弧线重新集合到具有重新聚焦的特性的修改后的表面模型中。
在图11中，130代表与特性曲线相对应的半子午线的弧线之一。弧线130具有中心点C，其位置已经被放大以便示范与LOCAL Z-轴径向地隔开的焦点。弧线130的正交化开始于在弧线的两端之间创建弦(chord)132。可以构造弦132的垂直平分线134，且它将经过点C，并在点X处与LOCAL Z-轴相交。使用从点H(HIGH点)到点X的距离作为半径，现在可以在弧线130的两端点之间画出新的弧线130’。弧线130’将被聚焦在LOCAL Z-轴上，并且将具有比弧线130更大的曲率半径。
在这点上，弧线130’可被接受为限定修改后的表面模型108’的弧线。然而，将希望避免角膜厚度的太大的变化。因此，限定某个阈值(例如，0.0075mm)，且如果弧线130’的任何部分大于表面108内或外的距离，则不接受弧线130’用于修改后的表面模型中。但是，可以(取决于需要移动弧线130’的方向)在LOCAL Z-轴上将点x向上或向下移动一半(by halfthe excessover)。然后，可以对照阈值来重新绘制和重新测试弧线130’。该重新调整和检测将继续直到发现可接受的弧线130’。然后，对下一个弧线进行正交化。在正交化了所有弧线之后，根据所有弧线来创建新的表面模型108’。
如上所述，该正交化处理可以角膜切割手术。在手术之前，生成矫正后的角膜表面模型，其被塑形以减轻视网膜中区恶化(macular degeneration)并提供通过视力测试而确立的屈光矫正(正如在上述的专利中所描述的)，并且所有的弧线都被正交化。然后，用未修改的角膜表面模型来配准(register)矫正后的角膜表面模型，并向未修改的表面移动该矫正后的表面模型直到矫正后的表面刚好接触到未修改的表面。如果最初接触的点处于矫正后的表面的中心，则它向未矫正的表面移动，直到矫正后的表面的外围在所建议的切割手术的直径处刚好接触到未矫正的表面时为止。如果最初接触的点处于矫正后的表面的外围处，则它向未矫正的表面移动，直到矫正后的表面的中心刚好接触到未矫正的表面。然后，将转移矫正后的表面以便其至少部分地位于角膜内，并且切割角膜直到所转移的矫正后表面变成角膜的新表面。
视网膜的中心区域被称为视网膜中区(macula)，且被称为小凹(foveola)的视网膜中区的正中心是最敏感的。虽然视网膜中区通常具有6到7毫米的范围内的直径，但中心的小凹通常具有大约0.35mm的直径。通过完美的正交化，角膜的所有子部分被重新聚焦到视网膜中区的中心、即小凹。当通过将所有的子区域重新聚焦到LOCAL Z-轴上来进行正交化时，正交化不是完美的。
根据本发明的一个方面，可以重新聚焦角膜的子部分，以便将它们的焦点放置在仍然在视网膜中区之内的小凹的外面，在与LOCAL Z-轴相距受控制的横向距离处。视网膜中区具有近似球体的帽状区段的形状，且其直径通常在6mm和7mm之间，并且其深度近似为0.88mm。
应当注意在本发明的引入的散焦和偏离中心的聚焦之间的差别。眼科医生早就知道，在开矫正镜片的处方时，可以通过散焦来减轻距离聚焦，并可以得到近处视力的好处。根据本发明，没有散焦。角膜的所有子部分保持完全地聚焦，但是焦点从LOCAL Z-轴移开。
图12图示了偏离中心的正交化的概念。弧线130是角膜的子部分，它具有散光的焦点X。如图11所示的普通的正交化将把焦点X移动到LOCAL Z-轴、LZ上。完美的正交化将把其移动到视网膜中区M上的小凹F。偏离中心的正交化创建在点X’处聚焦的新弧线130”’，该点X’与小凹相距预定的半径r。轴Z’与LOCAL Z-轴平行并经过点X。为了便于估计，视网膜中区在轴LZ和Z’之间的区域中可以被看作是平坦的。
进行偏离中心的正交化的优选方式利用了针对图4所讨论的技术。具体地，将角膜的前表面划分成旋转地间隔5°的72个弧线，并对每个弧线进行偏离中心的正交化。所得到的72个焦点应该被妥善地分布在小凹的工作区W’中，其中，小凹的工作区W’优选地具有小于0.07mm的直径。图13是示出了在小凹表面上以螺旋形图样分布的72个点P的、小凹的顶部平面视图。
在图14中图示了这些点的更优选的结构。这种图样是用极坐标方程
Figure BDA0000075412230000121
来描述的，其中，R是该点距离小凹的二维半径，a是被选择来将这些点妥善地分散在整个工作区M’上的常数，
Figure BDA0000075412230000122
是角膜上的特定弧线的旋转角。这个图样优选是螺旋的，这是因为工作区M’的每个象限在离小凹的全部范围的距离内都有焦点。
在图14中图示了另一个优选图样。在此情况下，由两个重叠的玫瑰花图样、即大的一个150和从图样150偏移45°的小的一个150’构成了这个图样。仅示出了每个玫瑰花图样的一个花瓣具有点，但是将理解，其它花瓣的每个也同样被提供了点。这些点在图样150和150’之间是均匀分配的。然而，图样150提供最外面的点，并具有被分布在其最外面的三分之二上的点。图样150’提供最里面的点，并使它们均匀地分布。结果，在图14中的图样在接近或远离小凹的地方提供了良好分布的点。
应当理解，在已示出的所有焦点图样中，在大多数情况下，这些点沿着曲线均等地分开。然而，本领域技术人员应当理解，可以给这些点提供不均等的间距，以便将它们更聚集在特定区域(例如，工作区的中心或最外面的区域)中。
在某些情况下，已经开发了限定本发明的进一步的实施例的用于偏离中心的正交化的进一步的方法，此方法优选用于上述所有实施例，以增强全面的改善。这个方法将被称为“偏移量(offset)”偏离中心的正交化。这个方法严格地如图11所示地执行，除非一旦弧线130’被重新塑形，它向顺时针方向倾斜，以便将点X(弧线的轴的端点)向图11的左边移动，并跨过局部Z轴，以便其位于与局部Z-轴相距预选距离或偏移量的位置处。目前预期小于0.01mm的偏移值，优选地近似0.0025mm的偏移值。然而，在大约0.0025mm到大约0.01mm的范围内的距离仍然是有效的。
图16图示了可用于描述理想化的龟背形状的三个波形。每个波形是根据旋转位置的(以屈光度给出的)曲率的极坐标图。例如，波形A表示近视的、散光的并呈现与年龄相关的老花的实际病人的角膜。该极坐标角是包含局部Z-轴(关于倾斜的局部Z-轴)在内的平面相对于参照位置的旋转角，在该参照位置处，该平面在最靠近鼻子的位置处与角膜的底部相交。该曲率是与如下圆弧的半径相等的屈光度：该圆弧当具有特定的旋转方向时最接近于通过角膜的表面与该平面相交而创建的半子午线弧线。下面通过公知公式将屈光度值和圆弧的半径关联起来：
337.5/圆弧半径＝屈光度值
(为了最全面地改善视力)理想地，应当将波形A塑形成基本上类似于字母“M”的形状，且所以在此称其为角膜的“M-波(M-wave)”。在此例中，它是有点歪曲的M。
作为在重新设计角膜的形状以便全面地改善视力的最初步骤，对于角膜生成理想化的M-波。从示出了沿着特定的角膜表面的自然的半子午线弧线的表面曲率的、病人的角膜的极坐标表示(例如波形A)开始，生成理想化的波形。这个波形与波形A无关，除了在两个波形中最低的屈光度值优选地大致相同以外，但是波形B优选地符合某个标准。然而，在某些情况下，可以通过使波形B的1.5的屈光度的基线高于波形A来得到改善后的视力效果。首先，将波形的峰到峰的屈光度变化调整到大约3的屈光度，优选地大约2.875的屈光度。已经发现，如果该屈光度范围减少到低于2的屈光度或者是高于4的屈光度，则在近处视力矫正中有明显的恶化。此外，调整M-波中的凹陷点(dip)D，以便其位于M-波的峰-峰幅度的大约40％和60％之间。优选地，其大约50％。然后，调整整个波形，以便在各个值之间平稳地跃迁(transition)。优选地，在产生平滑曲线时，峰值出现在大约90°和270°处，而凹陷点出现在大约180°的地方。这产生了用于表示病人的角膜的理想的M-波。该波用图16中的波形B来表示。
事实上，除了通过例如屈光测试所确定的、用于匹配角膜的最平坦的曲率(K值)所进行的调整以及必要的远处视力矫正以外，每个镜片将具有相同的M-波形。K值和屈光度是眼科专业人员在配镜片时通常要测量的，且通常是可以得到的。为了定制病人的M-波，仅需要拾取与其K值相对应的M-波的基线，并垂直地偏移波形以提供矫正远处视力所必需的屈光度。这限定了该病人的定制眼镜的镜片形状。
将理解，波形B在0°处(在波形B中与将最靠近鼻子的角膜的边缘相对应的点)呈现出最平坦的表面曲率。增加极坐标角度，表面曲率连续地增加，直到它达到在大约90°处(对应于角膜的垂直最高的边缘)的最大值。然后，表面曲率连续地减少，直到它达到在大约180°处(对应于距离鼻子最远的角膜边缘)的中间值，并连续地增加到在大约270°处(对应于角膜的垂直最低的边缘)的最大值，并且连续地减少直到它达到0°，在此，表面曲率回到它的最小值。这样，由该M-波所描述的表面具有上面所讨论的理想化的龟背形状。
在前面的段落中，假设正考虑病人的右眼的M波。选择参照或0°角作为最接近鼻子的点，且极坐标角逆时针方向增加。左眼的M-波可以是相同的(即，将0°处于离鼻子最远的点，且极坐标角顺时针方向增加)，或者它可以是右眼的镜面图像(即，0°处于鼻子处，但极坐标角逆时针方向增加)。前一种方法由于将对两个眼睛使用相同的镜片，因而将简化制造并降低成本。
在某些情况下，如果给由波形B表示的表面模型提供一个另外的调整，则将获得视力的更好的全面改善。也就是说，如果提供偏移量，则通过离局部Z-轴的少于大约0.005mm的偏移量对表面模型进行偏离中心的正交化。该偏移量最优选地大约0.0025mm。选择了0.005mm的偏移量上限，这是因为实验表明，在该值上，远处视力和近处视力都显著恶化。随着进一步增加偏移量，远处视力继续显著地恶化。
在一个实施例中，由波形B表示的表面模型代表了病人所用的隐形眼镜的后表面的形状。根据本发明，可以通过提供被确定为矫正病人的远处视力所必需的、沿着波形B的屈光度调整，来推导出镜片的前表面的形状。典型地，将根据常规的屈光测试来确定这种屈光度矫正。在每个角度上，根据Zeiss镜片公式来确定前表面屈光度值Da和半径Ra：
Da＝(-PDp)/(1-(((T/1000)/Na)*Dp))
Ra＝(NL-NA)*1000/Da
其中，
Da是前面弧线的屈光度值
Dp是后面弧线的屈光度值
NL是制作镜片的材料的折射率
NA是空气的折射率
P是倍率(power)调节因子
T是镜片厚度。
在该屈光度调整之后，产生波形C。
本领域技术人员将理解，不需要按照波形B所限定的那样来塑形隐形眼镜的后表面。事实上，隐形眼镜的后表面可以是被计算以通常符合病人的角膜的任何形状，例如，球面或椭圆面。理想化的M波是龟背形的，而不是球形或椭圆形，并且，除了优选地具有与角膜相同的最小曲率以外，理想化的M波是通用的并且与病人的天生的角膜无关。此外，与角膜的最平坦曲率的匹配与视力矫正无关，但是进行与角膜的最平坦曲率的匹配以确保镜片将更加舒适。
当将镜片放在眼睛上时，镜片、角膜以及其间的泪膜将具有基本上相同的折射率。这样，仅在空气与镜片的前表面之间的界面将对视力改善具有相当大的影响。对于镜片的后表面而使用由波形B限定的表面形状最小化了可能带来某些变形的、镜片中的不必要的厚度变化。
本领域技术人员将理解，也可以使用由波形C代表的表面模型来限定外科手术后所想要的角膜形状。外科手术构成了角膜的实际的重新塑形，而使用隐形眼镜构成了有效的重新塑形。
应当理解，刚才在上面说明的隐形眼镜是定制设计的隐形眼镜。然而，设想，能够像当前批量生产的镜片那样，用预先准备好的处方表单来提供M-波镜片。例如，在镜片具有M-波后表面的情况下，能够按不同的基本曲率变化或“尺寸”(例如，对于相对平坦的角膜的较大的基本弧线，对于中等或平均曲率的角膜的中等的基本弧线，对于形状较为陡峭的角膜的较小的基本弧线)来提供镜片。在所有的情况下，M-波具有上述的理想化形状，因此，尺寸之间仅有的差别是初始曲率的实际值。每个后面曲线组将包括具有不同前面曲线的镜片子组，以便每个尺寸将包括具有用于矫正不同距离的屈光误差的必需的屈光度调整的镜片子组。病人将只需要两个验光测试以便得到矫正处方。首先，验光师将进行常规的屈光测试，以确定对于远处视力所需要的屈光度矫正。然后，在最初的看病期间，验光师或镜片装配师也可进行常规的角膜弯度计测试，这为角膜的最平坦的和最陡峭的部分产生了屈光度读数。角膜弯度计测试的最平坦的曲率确定了病人是否需要具有小的、中等的或大的后表面基本弧线的镜片(以便获得最佳的舒适度)，且屈光测试还确立了所需要的距离矫正。给出了这个处方，眼科专业人员将容易地为病人配置将提供全面的视力改善的最合适的M-波镜片。
尽管已经为了说明目的公开了本发明所优选实施例，但是，本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的范围和精神的条件下，可以进行各种增补、修改和更换。例如，本发明不仅适用于角膜切割和隐形眼镜，而且也适用于其它任何种类的镜片，这包括白内障的、晶状体炎的、眼内的、角膜内的和框架眼镜片。

Claims (9)

1.一种用于改善或计划改善眼睛视力的方法，其步骤包括：在眼睛的角膜的表面模型上，确定在所述表面模型上的不同位置的焦点，并修改所述模型以便相对于预定参照轴将焦点移动到预定位置，而不强迫它们移动到共同点，修改后的模型代表角膜的所期望的重新构造，
其中，所述修改步骤表示通过向眼睛施加意图矫正屈光误差的光学镜片来有效地给角膜重新塑形。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，物理的改变包括在眼睛的角膜上的预期的角膜切割。
3.根据权利要求1-2的任何一个所述的方法，其中，所述参照轴经过HIGH点。
4.根据权利要求1-2的任何一个所述的方法，其中，所述参照轴是LOCAL Z-轴。
5.根据在产生角膜的表面模型的计算机程序的辅助下进行的权利要求1-3中的任何一个所述的方法，所述角膜的表面模型把在三维空间中的角膜的表面的至少一部分接近地表示为平滑的、自由形态的表面，所述修改步骤包括改变所述模型的至少一部分的形状以产生修改后的表面模型。
6.根据权利要求1-2的任何一个所述的方法，其中，偏移多个焦点以便在眼睛的视网膜上形成预定图样。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述预定图样是环形、螺旋形、玫瑰花图样以及双重玫瑰花图样中的一种。
8.一种光学镜片，具有前表面、后表面和在其前表面上的光学中心，所述前表面具有M-波形状，以致于沿着经过所述光学中心的曲线所测量的表面曲率关于有关所述光学中心的角方向、实质上如平滑了的字母M一样变化，其中，0°角方向实质上是当戴上所述镜片时最靠近鼻子的点，且所述M的中心凹陷点实质上出现在对应于180°方向的、当戴上所述镜片时离鼻子最远的点处，所述M的最大值实质上出现在分别对应于90°和270°方向的、当戴上所述镜片时所述镜片的垂直最高端和最低端处，
其中，所述镜片的前表面上的经过所述光学中心的曲线在前表面上定义与眼睛的角膜表面上的不同位置相对应的聚焦区，每个聚焦区被塑形以相对于眼睛中的预定参照轴将角膜的相应位置的聚焦移动到预定位置，而不强迫每个区域的聚焦移动到共同点。
9.一种确定对眼睛的角膜的必需的形状变化的方法，所述方法在包含显示设备的计算机系统的帮助下进行，所述方法包括如下步骤：
将前角膜表面建模为修整为M-波形状的表面模型，以致于沿着经过光学中心的曲线所测量的表面曲率与关于所述光学中心的角方向相关地、实质上如平滑了的字母M一样变化，其中，0°角方向实质上是当戴上所述镜片时最靠近鼻子的点，且所述M的中心凹陷点实质上出现在对应于180°方向的、当戴上所述镜片时离鼻子最远的点处，所述M的最大值实质上出现在分别对应于90°和270°方向的、当戴上所述镜片时所述镜片的垂直最高端和最低端处；
在所述显示设备上观察所述表面模型：
产生被构造以控制另一设备以对隐形眼镜塑形、以便所述镜片的前表面具有所述M-波形状的第一信号；或者
产生被构造以根据所述M-波形状控制设备的第二信号，
其中，对所述前表面建模并经过所述光学中心的所述曲线定义了不同的聚焦区，所述方法还包括以下步骤：
在建模步骤中确定不同聚焦区的焦点，并且修改通过建模步骤形成的模型使得相对于预定参考轴将焦点移动到预定位置，而不强迫它们移动到共同点，修改后的模型代表角膜的所期望的重新构造。
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