CN102656505B - 制作稳定化接触镜片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有稳定化区的接触镜片，其使用诸如贝塞尔曲线的数学结构而设计，并且对所述接触镜片的佩戴性能进行建模。

Description

制作稳定化接触镜片的方法

背景技术

可通过对接触镜片的一个或多个表面赋予非球形的校正方面，例如圆柱形、双焦点或多焦点特性，来实现某些光学缺陷的校正。当佩戴于眼睛上时，这些镜片必须大体上保持特定的取向才有效。通常通过改变镜片的机械特性来实现镜片在眼睛上取向的保持。棱镜稳定化是稳定化方法的例子，包括使镜片的前表面相对于背表面偏心、加厚镜片的下周边、在镜片表面上形成凹陷或凸起、以及缩短镜片边缘。另外，已使用动态稳定化，其中通过使用薄区或镜片周边厚度减小的区域来稳定镜片。通常，薄区位于两个区域，从其在眼睛上放置的有利位置来看，这两个区域关于镜片的垂直轴线或水平轴线对称。

评价镜片设计涉及对镜片的佩戴性能作出判断，然后在必要和可能时对设计进行优化。此过程通常通过在患者中对测试设计进行临床评价而完成。然而，此过程是耗时且昂贵的，原因是其需要大量的患者来进行测试，因为必须考虑患者与患者之间的差异。

一直需要改进某些接触镜片的稳定性。

发明内容

本发明是一种设计稳定化接触镜片的方法，其中稳定化区由数学结构来限定。该结构可以是贝塞尔曲线。

在本发明的一个方面，使用贝塞尔曲线的系数来设计镜片，该曲线描述了角厚度轮廓的上部，使得垂度值为负。当把稳定化区添加到镜片周边时，镜片上部的厚度减小，而不是增加；减小稳定化的上部的厚度允许减小最大厚度并仍保持相同的厚度差。最大厚度位置周围的斜度不过多地受到这种轮廓变化的影响。

在本发明的另一方面，将包含负垂度值的区域施加在稳定化区的上部和下部上。

在本发明的再一方面，稳定化区的最大厚度在左侧和右侧之间不同。

在本发明的又一方面，厚度轮廓朝正角度和/或负角度的斜面可以被调节以增加或减小斜面角度。

在本发明的又一方面，根据该设计方法制作的镜片具有改进的稳定性。

附图说明

图1是稳定化接触镜片的前视图或对象视图。

图2A-C是具有插入的镜片的眼睛的示意图，其标出了旋转轴线和作用于镜片的多种动量矩。

图3A和3B是从贝塞尔曲线获得的新厚度轮廓。

图4A-B是实例1的镜片厚度图和厚度轮廓坐标图。

图5A-B是实例2的镜片厚度图和厚度轮廓坐标图。

图6A-B是实例3的镜片厚度图和厚度轮廓坐标图。

图7A-B是实例4的镜片厚度图和厚度轮廓坐标图。

具体实施方式

本发明的接触镜片具有基于对作用于镜片上的多种力进行平衡而优化稳定化的设计。这涉及应用一种设计过程，该过程平衡作用于眼睛上、眼睛的组成部分上、以及最终置于眼睛上的稳定化镜片上的动量矩。优选地，改进的稳定性通过用包括稳定化元件的标称设计开始改进过程来实现。例如，具有关于穿过中心的水平轴线和垂直轴线两者对称的两个稳定化区的镜片设计是一种便利的基准，通过它可根据本发明的方法优化镜片的稳定性。所谓“稳定化区”是指镜片的周边区的区域，该区域具有比周边区的其余区域更大的厚度值。所谓“周边区”是指环绕镜片光学区并延伸直到镜片边缘但不包括镜片边缘的镜片表面的区域。不带稳定化区的周边区通常将包括旋转对称的表面，优选地为球形表面。作为有用起点的另一种稳定化设计在美国专利公布20050237482中有所描述，该专利以引用方式并入本文，但是任何稳定化设计均可用作标称设计，然后根据本发明对其进行优化。稳定化设计的改进过程还可以包括：用下述眼睛模型测试所述改进；评价测试的结果；以及以迭代方式继续实施改进过程，直到实现所需的稳定化水平。

图1示出了稳定化镜片的前表面或物侧表面。镜片10具有光学区11。镜片的周边围绕光学区11。两个厚区域12位于周边中且为稳定化区。

优选用于该过程以产生新设计的模型包括多种因素和假设，这些因素和假设模拟机械操作及其对镜片稳定性的影响。优选地，根据熟知的编程技术使用标准编程和编码技术将该模型变为软件。概述之，通过模拟在规定次数的眨眼中下述力的施加而将该模型用于设计稳定化镜片的过程。相应地确定镜片旋转和偏心的程度。然后以旨在使旋转和/或向心达到更期望水平的方式改变设计。然后使模型再次经历该过程，以确定预定次数的眨眼后的平移。

模型假定眼睛优选地由代表角膜和巩膜的至少两个球面部分组成，并且x-y-z坐标轴的原点位于代表角膜的球形的中心。也可以使用诸如非球面的更复杂表面。镜片的基部形状由球面部分组成，但允许镜片的基弧从镜片的中心向边缘变化。可使用不止一个基弧来描述背表面。假定置于眼睛上的镜片呈现出与眼睛相同的形状。镜片的厚度分布不一定旋转对称，并且实际上根据本发明镜片的一些优选实施例不对称。镜片边缘的厚区可用于控制镜片的位置和取向行为。在镜片和眼睛之间存在均匀的液体薄膜(泪膜)，其典型厚度在1和7μm之间，优选5μm。该泪膜被称为镜片后泪膜。在镜片边缘，镜片和眼睛之间的液膜的厚度要小得多，并且被称为粘蛋白泪膜。在镜片与下眼睑和上眼睑之间存在典型厚度在1和10μm之间、优选5.0μm的均匀液体薄膜(也为泪膜)，这些被称为镜片前泪膜。上下眼睑的边界均位于x-y平面内具有单位法向量的平面中。因此，这些边界在垂直于z轴的平面上的投影为直线。在眼睑运动过程中也作出此假设。上眼睑在接触镜片上施加均匀的压力。这种均匀的压力施加在由上眼睑覆盖的接触镜片的整个区域上或具有均匀宽度的上眼睑边界附近的该区域的一部分上，该宽度在垂直于通过沿眼睑边缘划出的曲线的平面的方向上测量。下眼睑在接触镜片上施加均匀的压力。该压力施加在由下眼睑覆盖的接触镜片的整个区域上。由眼睑施加在接触镜片上的压力通过接触镜片的非均匀厚度分布(厚区)而产生作用于镜片的动量矩，尤其是在边缘附近。此压力对作用于接触镜片的动量矩的影响被称为瓜籽效应。当镜片相对于眼睛移动时，在镜片后泪膜中存在粘滞摩擦。当镜片相对于眼睛移动时，在镜片边缘和眼睛之间的粘蛋白泪膜中也存在粘滞摩擦。另外，当镜片移动和/或眼睑运动时，在镜片前泪膜中存在粘滞摩擦。由于镜片的变形而在镜片中产生应变和应力。这些应变和应力导致镜片的弹性内能。当镜片相对于眼睛移动且镜片的变形变化时，弹性内能变化。镜片趋向于弹性内能最小的位置。

描述眼睛(角膜和巩膜)几何形状、镜片基部形状和眼睑运动的参数示于图2中。镜片的运动是作用于镜片的动量矩的平衡的结果。忽略惯性效应。那么，所有作用于镜片的力矩的总和为零。因此，

$\stackrel{\→}{0}={\stackrel{\→}{M}}_{l,\mathrm{cor}}+{\stackrel{\→}{M}}_{l,\mathrm{muc}}+{\stackrel{\→}{M}}_{l,\mathrm{low}}+{\stackrel{\→}{M}}_{l,\mathrm{upp}}+{\stackrel{\→}{M}}_{l,\mathrm{Ulow}}+{\stackrel{\→}{M}}_{l,\mathrm{Uupp}}$

$+{\stackrel{\→}{M}}_{l,\mathrm{Vupp}}+{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{ms},\mathrm{low}}+{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{ms},\mathrm{upp}}+{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{elast}}+{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{grav}}$

前4个力矩为抗动量矩，并且与镜片运动线性相关。其余的动量矩为驱动动量矩。此动量矩的平衡得到镜片位置β的非线性一阶微分方程

此方程用四阶Runge-Kutta积分法求解。接触镜片上点的位置随着绕旋转向量β(t)的旋转而变化。将旧的点位置变换为当前位置的旋转矩阵R(t)符合罗德里格公式

其中 $\stackrel{\→}{n}=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}\right|}$ 且 $\mathrm{\β}=\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}\right|.$

在数值积分方法中，使用时间离散化。这样，镜片的运动可被看作多个后续旋转，因此在下一时间步t_n+1中，旋转矩阵为

R_n+1＝R_ΔtR_n

其中，R_Δt为在时间步Δt期间的旋转。

将旋转矩阵分解为镜片的旋转R_α和偏心R_θ

R(t)＝R_θ(t)R_α(t)

镜片的旋转为绕镜片的中心线的旋转。偏心为绕(x，y)平面内的线的旋转。因此，镜片的位置被看作镜片绕其中心线的旋转

接着是偏心

通过使用一个或多个数学结构描述设计细节而使用以上所述模型做出或优化设计。优选地，稳定化区使用贝塞尔曲线描述，但可以使用其他数学描述来获得对稳定化区的完整描述。当使用贝塞尔曲线方法时，描述径向厚度轮廓的径向函数A_r(t_r)优选地使用五个控制点来限定。描述角厚度轮廓的角函数Bα(tα)也使用五个控制点来限定。例如，该数学描述可以如下公式化：

A_r，x(t_t)＝P_r1(x).(1-t_t)⁴+4.P_r2(x).(1-t_t)³.t_t+6.P_r3(x).(1-t_t)².t_t ²+4.P_r4(x).(1-t_t).t_t ³+P_r5(x).t_t ⁴

A_r，y(t_t)＝P_r1(y).(1-t_t)⁴+4.P_r2(y).(1-t_t)³.t_t+6.P_r3(y).(1-t_t)².t_t ²+4.P_r4(y).(1-t_t).t_t ³+P_r5(y).t_t ⁴

其中，P_ri(x)和P_ri(y)为控制点的坐标，并且t_r为沿径向轮廓的归一化坐标。描述径向厚度轮廓的起点由P_r1限定，并且终点由P_r5限定。

B_α，x(t_α)＝P_α1(x).(1-t_α)⁴+4.P_α2(x).(1-t_α)³.t_α+6.P_α3(x).(1-t_α)².t_α ²+4.P_α4(x).(1-t_α).t_α ³+P_α5(x).t_α ⁴

B_α，y(t_α)＝P_α1(y).(1-t_α)⁴+4.P_α2(y).(1-t_α)³.t_α+6.P_α3(y).(1-t_α)².t_α ²+4.P_α4(y).(1-t)t_α.t_α ³+P_α5(y).t_α ⁴

其中，P_αi(x)和P_αi(y)为控制点的坐标，并且t_α为沿角轮廓的归一化坐标。描述角厚度轮廓的起点由P_α1限定，并且终点由P_α5限定。

由C(t_r，t_α)(3)描述的稳定化区的大小由径向函数A_r，y与角函数B_α，y的乘积获得。为两个函数的乘积赋予比例因数M以控制稳定化区的大小。

C(t_r，t_α)＝M.A_r，y(t_r).B_α，y(t_α)

这些方程可以扩展到任何数量的控制点。在这种情况下，方程可以改写为：

$X,Y=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\left(P_{\mathrm{Xi},\mathrm{Yi}}{(1-t)}^{N-i}{t}^{i-1}\right)$

C₁＝1

$C_i=\frac{(N-1)!}{i!(N-i)!}$

在给定非对称稳定化区设计的情况下，可以使用一组不同的函数来从左稳定化区描述右稳定化区。

在本发明的优选实施例中，描述角厚度轮廓的上部的贝塞尔曲线的系数被设定为使得垂度值为负数。在这种特定情况下，当把稳定化区添加到镜片周边时，镜片上部的厚度减小，而不是增加。图3A和3B示出了减小稳定化区上部的厚度的效果。它允许减小最大厚度且仍然保持相同的厚度差。最大厚度位置周围的斜度不过多地受到这种轮廓变化的影响。

优选地，本发明用来设计然后制造稳定的复曲面镜片或复曲面多焦点镜片，如例如在美国专利No.5,652,638、5,805,260和6,183,082中所公开的，这些专利全文以引用方式并入本文中。

作为另外一种选择，本发明的镜片可以结合高阶眼像差校正、角膜地形数据校正，或两者。此类镜片的例子可在美国专利No.6,305,802和6,554,425中找到，所述专利全文以引用方式并入本文中。

作为另一种选择，本发明的镜片可具有诸如着色图案的美容特征，该特征必须在眼睛上设定为具体取向，才能在美学上有吸引力。

本发明镜片可以由任何合适的用于制造眼用镜片的镜片形成材料制成，包括但不限于眼镜镜片、接触镜片和眼内镜片。形成软质隐形眼镜的示例性材料包括但不限于有机硅弹性体、含有机硅大分子单体、水凝胶、含有机硅水凝胶等，以及它们的组合，所述含有机硅大分子单体包括但不限于美国专利No.5,371,147、5,314,960和5,057,578中所公开的那些，这些专利全文以引用方式并入本文。更优选地，表面为硅氧烷或含有硅氧烷官能度，包括但不限于聚二甲基硅氧烷大分子单体、异丁烯酰氧基丙基聚烷基硅氧烷、以及它们的混合物、硅氧烷水凝胶或水凝胶，例如依他菲康A。

可以通过任何简便的方法固化镜片材料。例如，可以将材料放入模具中，通过热、照射、化学、电磁辐射固化等以及它们的组合固化。对于接触镜片实施例而言，优选地用紫外光或可见光全光谱进行模制。更具体地讲，适于固化镜片材料的精确条件将取决于所选材料和要形成的镜片。合适的工艺在美国专利No.5,540,410中有所公开，该专利全文以引用的方式并入本文。

本发明的接触镜片可以用任何简便的方法制作。一种这样的方法使用具有VARIFORM.TM.附件的OPTOFORM.TM.车床制作模具插件。继而可以用模具插件形成模具。随后，将合适的液态树脂置于模具之间，接着通过压缩和固化树脂来形成本发明的镜片。本领域的普通技术人员将会认识到，可以用多种已知的方法制作本发明的镜片。

现在将结合以下非限制性实例进一步描述本发明。

实例1

获得一种用于散光患者的接触镜片，该镜片具有已知的设计，并使用常规的镜片设计软件用下列输入设计参数进行设计：

-球镜度：-3.00D

-柱镜度：-0.75D

-柱镜轴：180度

-镜片直径：14.50mm

-前光学区直径8.50mm

-后光学区直径11.35mm

-镜片基弧：8.55mm

该镜片的初始厚度轮廓在周边区中旋转对称。稳定化区为增加到该镜片的厚度轮廓上的超厚区。使用应用于此前描述的数学函数的一组控制点(表1)来构造左稳定化区和右稳定化区。镜片厚度轮廓在图4中示出。

表1：应用于实例1的控制点

实例2

将实例1中描述的镜片的稳定化区的径向位置外移0.25mm，使得光学区直径对于所选处方延伸到9.00mm。使用应用于此前描述的数学函数的图2所示的一组控制点构建左稳定化区和右稳定化区。稳定化区的上部厚度减小而不是增加。复曲面接触镜片具有与常规单光镜片通常提供的等效的光学区。使用以上所述眼睛模型对镜片的向心和旋转的建模显示，镜片的性能未受到稳定化区移位的显著影响。镜片厚度轮廓在图5中示出。

表2：应用于实例2的控制点

实例3

使用本发明的方法重新设计实例1中描述的镜片，使得左稳定化区的大小缩小40微米。使用应用于此前描述的数学函数的如表3所示的一组控制点来构造左稳定化区和右稳定化区。

厚度不对称性的引入需要对左眼和右眼的不同设计，以便在两只眼上保持相同的旋转性能。当最厚的稳定化区必须从上方位置向下方位置旋转时，眼睛模型的结果显示出这样的设计的良好旋转性能。镜片厚度轮廓在图6中示出。

表3：应用于实例3的控制点

实例4

对实例1的镜片设计进行修改，使得左稳定化区的大小缩小40微米。使用应用于此前描述的数学函数的表4所示的一组控制点来构造左稳定化区和右稳定化区。稳定化区的上部和下部的厚度减小而不是增加，从而减小稳定化区的上部和下部的厚度，并且

减小最大厚度，同时保持类似的厚度差。镜片厚度轮廓在图7中示出。

表4：应用于实例4的控制点

利用本文所述眼睛模型，得自实例1、实例2和实例3的镜片在40-50度的偏移范围附近显示出最佳的旋转速度。这些实例的设计对于具有依赖于镜片取向的光学系统的镜片(例如定制视力矫正镜片)是优选的，在该镜片中，由于稳定化区沿水平轴线的不对称性，镜片取向为单向的。相比常规的市售镜片，对于从最终位置20度以内的镜片取向，这些镜片也提供更高的旋转速度。进一步的定制可从实例3获得，其中左稳定化区和右稳定化区是非对称的。对于从最终位置30度以内的镜片取向，这些设计和镜片提供了更大的旋转速度(相对于现有的市售镜片)。

当如实例1和实例2所示保持厚度差的大小时，稳定化区厚度的减小不影响镜片的旋转性能，其中稳定的大小从实例1到实例2减小了10％。实例2的镜片设计具有最大的稳定化区厚度，其厚度相比常规产品减小约20％，从而使镜片对于佩戴者而言更舒适。

实例4的镜片的建模显示出更慢的旋转速度，但在镜片取向上更小的旋转速度偏差。实例4的设计对于具有不依赖于镜片取向的光学系统的镜片(例如复曲面镜片)是优选的，在该镜片中，由于在稳定化区的设计中保持了对称性，镜片取向可以是双向的。

Claims (13)

1.一种设计稳定化接触镜片的方法，包括：

提供具有标称稳定化区参数集的镜片设计，所述标称稳定化区参数集反映待添加至所述镜片的厚度轮廓的稳定化区的厚度轮廓，

基于作为数学结构的稳定化区参数的特征化采用目标在于使所述镜片在眼睛上的稳定化达到更期望的水平的方式改变镜片设计，

用平衡当镜片在眼睛上时作用在镜片上的动量矩的模型对所改变的设计建模，以及

基于所述建模的结果选择所述镜片设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其中迭代进行所述改变和建模的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使用模拟眼睛机能的影响的虚拟模型来验证接触镜片设计。

4.根据权利要求3所述的方法，其中眨眼为所述眼睛机能之一，并且

所述模型用于模拟当镜片在眼睛上时在眼睛的预定数量的眨眼期间作用在镜片上的力的施加，并且相应地确定镜片旋转以及偏心的程度，

所述改变采用目标在于使旋转和/或向心达到更加期望的水平的方式来进行。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述数学结构为贝塞尔曲线。

6.根据权利要求5所述的方法，其具有至少四个坐标点。

7.根据权利要求1所述的方法，其中稳定化区的角轮廓由具有负厚度的一个或多个部分限定。

8.根据权利要求7所述的方法，其中沿着包含所述稳定化区的最大厚度的所述角轮廓的最大负厚度值在0.010mm至0.060mm之间。

9.根据权利要求1所述的方法，所述稳定化区的最厚部分位于所述水平线以下15度至35度之间。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在左稳定化区和右稳定化区之间的厚度差在从0.020mm至0.045mm的范围内。

11. 如权利要求8所述的方法，其中，所述最大负厚度值大约为0.025mm。

12. 如权利要求9所述的方法，其中，所述稳定化区的最厚部分位于所述水平线以下约25度。

13. 如权利要求10所述的方法，其中，所述厚度差大约为0.030mm。

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