CN110711050A - 一种人工晶状体 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及眼科人工晶状体技术领域，并且更具体的涉及一种个性化的定制人工晶状体。所述的发明应用Zernike多项式表征的光学表面设计的人工晶状体至少有一个面是非对称结构，所述Zernike多项式中除A3,A4,A5,A12项之外至少有一项不等于零。所设计出的人工晶状体可以针对人眼的个体特征，个性化定制人工晶状体以矫正像差，提高视觉质量。

Description

一种人工晶状体
技术领域
本发明主要涉及眼科人工晶状体技术领域，并且更具体的涉及一种人工晶状体。
背景技术
人眼最基本的功能就是通过眼睛最前面的透明折光部分-角膜来传输光线，然后通过晶状体成像后聚集在视网膜上，以实现视觉功能。聚焦的成像质量依赖于很多因素，包括眼睛的尺寸和形状以及角膜和晶状体的透明度。
随着年老或者疾病引起人眼自然晶状体透明度下降，透射进视网膜的光线强度变弱和离散，因而导致视觉开始恶化。人眼晶状体的这种缺陷在医学上被称为白内障。一种很普遍的治疗方式就是手术摘除掉自然晶状体，然后置换上人工晶状体。
目前大部分白内障晶状体是通过一种超声乳化外科手术摘除的。手术时，前囊开了一个口，超乳头深入混浊的晶状体并超声振动，乳化后被吸出。再植入人工晶状体。
人工晶状体技术已经发展了几十年，从最初的提供高度透明的人工晶状体材料以代替浑浊的白内障病晶状体，到2000年前提供合适的球面人工晶状体矫正病人的近视或远视的屈光不正，白内障手术由复明性手术向屈光性手术转变。新型人工晶状体得以不断开发，到21世纪初出现非球面人工晶状体用于矫正角膜球差，五年后用于矫正角膜散光屈光不正的人工晶状体也接着进入市场。
以上提及到的人工晶状体可以为一部分病人提供优良的远视视觉灵敏度，但是并没有被另外一些病人所接受。原因是他们自身的眼睛存在着如高阶慧差，高阶三叶草像差，甚至更高级像差及多种综合像差等特性。这些像差引起一系列视觉质量问题，如不规则星状、不规则光晕及其他视觉干扰。这些问题已经阻碍这部分病人接受用现有人工晶状体作为白内障手术的标准护理
90年代末Zernike多项式被引入了眼科行业使得能够进一步详细描述整个眼睛以及角膜的像差。Zernike多项式是由一组正交函数组成，其可以分析及合成个体波前像差，也可以使用Zernike项来描述角膜的形状。Zernike多项式一般用极坐标系(ρ，θ)定义，ρ是归一化径向坐标，θ是角度坐标。使用Zernike多项式，可以将一个平面f(ρ,θ)用下式表示：
f(ρ,θ)＝ΣAjZj(ρ,θ)
j是Zernike多项式指数，Aj是展开系数。在Zernike多项式坐标系中，归一化坐标ρ＝r/rmax,rmax是表面最大半径值，r是极径，θ是极坐标系中的极角。
一般地，Zj(ρ,θ)也可表示为
Figure BDA0002245943240000021
(ρ,θ)。以上两项的关系可以通过查阅下表1来定义。用7阶36项做演示，。更多的Zernike多项式展开系数为相关领域技术专家所知，这里不做讨论。
表1 Zernike多项式7阶列表(36项)
Figure BDA0002245943240000022
Figure BDA0002245943240000031
Zernike多项式是正交的，应用在视光学中代表波前像差。在视光学中，一般使用Zernike符号
Figure BDA0002245943240000032
来代表波前像差。比如，
Figure BDA0002245943240000033
代表波前球差，
Figure BDA0002245943240000034
和
Figure BDA0002245943240000035
代表波前慧差。使用Zernike多项式系数，Li Wang等研究人员在2003年发表的文章“Optical aberrationsofthe human anterior cornea”中指出受试者前角膜的波前像差差异很大，而且像差会随着年龄增长略微增大(Li Wang,EricDai,Douglas D Koch,ArifNathoo,“Opticalaberrations of the human anterior cornea”Journal of cataract and refractivesurgery August 2003,Volume 29,Issue 8,Page1514-1521)。Li Wang和Koch等人基于500多例病人的眼睛研究，发表文献“Ocular higher-order aberrations in individualsscreened for refractive surgery”。他们再次总结并且确认受试者波前像差差异很大(Li Wang,Douglas D Koch,“Ocular high-order aberrations in individualsscreened for refractive surgery”,Journal of cataract and refractive surgeryOctober 2003,Volume 29,Issue 10,Page 1896-1903)。因此，这些数据表明由于不同个体病例眼睛的像差差异性很大，基于个别像差(比如球差)的总体平均值的矫正设计不能够满足个体病人的需求。更进一步的，Ryo Kosaki等人于2007年使用Zernike项分析圆锥角膜高阶像差。他们的研究数据显示圆锥角膜的高阶慧差和三叶草像差比正常角膜大得多(RoyKosaki,et at“Magnitude and Orientation of Zernike Terms in Patients withKeratoconus”Journal of Investigative Ophthalmology&Visual Science,July 2007,Vol.48,No.7,Page 3062-3068)。
因此，患者需要一种定制的人工晶状体，可以个性化地、更进一步地矫正角膜和整眼的光学像差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工晶状体，可以实现为患者进行个性化地、更进一步地矫正角膜和整眼的光学像差的效果。
本发明的实现过程如下：
一种人工晶状体，所述人工晶状体至少有一个光学表面是非对称结构；所述非对称结构具体指：所述人工晶状体至少有一个光学表面既不是中心对称的，也不是轴对称的。
进一步，所述人工晶状体的光学表面可以用表达式(I)来描述：
Figure BDA0002245943240000041
其中，
Figure BDA0002245943240000042
kx和ky为二次曲面系数，ai和βi为偶次多项式系数，i＝2,4，…,n为偶数，Rx是x方向的半径，Ry是y方向的半径；Aj是一个非零的扩展系数，Zj(ρ，θ)是Zernike多项式，在Zernike多项式坐标系中，ρ是归一化径向坐标，归一化坐标ρ＝r/rmax，rmax是表面最大半径值，r是极径，θ是极坐标系中的极角，j是Zernike多项式指数系数，j＝1,2，…，n。
进一步，所述Zernike多项式中除A3，A4，A5，A12项之外，至少有一项不等于零。
进一步，所述Zernike多项式中，Aj数值可以达到需要削减的光学像差数值的10倍。
进一步，所述Zernike多项式中，Aj优选数值可以达到需要削减的光学像差数值的7.5倍。
进一步，所述人工晶状体表面设计可以在人工晶状体的光学表面的一个局部区域内。
进一步，所述人工晶状体至少有一个方向标记。
进一步，所述人工晶状体用于矫正患者眼睛的像差，所述像差可以是角膜像差、人工晶状体眼像差或自然晶状体眼像差。
进一步，所述人工晶状体的光学表面可以分别矫正慧差、三叶草或其他像差中的任意一种或任意几种组合的综合像差。
本发明方法中所使用的光学设计软件可以是ZemaxTM或CODE V或LightTools，也可以是其他光学设计软件。
本发明的积极效果：
(1)本发明通过使用更大范围的Zernike多项式来表征人工晶状体的光学表面来改进传统的非球面人工晶状体和散光人工晶状体的技术。
(2)本发明所述人工晶状体光学表面可以分别矫正慧差，三叶草或其他像差，也可以矫正这些像差的组合。
(3)本发明针对个体病例的特殊像差和综合像差提供个性化定制的安全的人工晶状体。
(4)本发明设计出的人工晶状体更安全，减小比如不规则的星状和非圆状的光晕等光学怪象。
附图说明
图1a是人眼结构简图，它包含关键的屈光光学部件-角膜1，自然晶状体前表面2和后表面3，视网膜4；在眼科行业中，这种眼也通称为自然晶状体眼；
图1b是另外一种人眼结构简图，它包括主要的屈光部件角膜-1，植入的晶状体(一般为人工晶状体)前表面2和后表面3，视网膜4；在眼科行业中，这种眼也通称为人工晶状体眼；
图2a是一种矫正球差的光学表面；
图2b是一种矫正像散的光学表面；
图3a是本发明设计的一种即非中心对称又非轴对称的3D光学表面的示范例；
图3b是图3a的2D轮廓图；
图4a是带有平均角膜球差
Figure BDA0002245943240000061
的视网膜成像光斑图；
图4b是传统的非球面人工晶状体矫正角膜球差后视网膜成像光斑图(矫正后残余球差
Figure BDA0002245943240000062
)；
图5a是角膜带有垂直和水平组合慧差的视网膜成像光斑图；
图5b是由图5a中的角膜慧差导致的视觉效果示意图；
图5c是应用本发明中的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正慧差的视网膜成像光斑图；
图5d是应用本发明中的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正慧差后的视觉效果示意图；
图6a是角膜带有三叶草像差的视网膜成像光斑图；
图6b是由于图6a的角膜三叶草像差引起的视觉效果示意图；
图6c是应用本发明的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正角膜三叶草像差的视网膜成像光斑图；
图6d是应用本发明的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正角膜三叶草像差的视觉效果示意图；
图7a是角膜既有慧差又有三叶草像差的视网膜成像光斑图；
图7b是由于图7a的角膜慧差和三叶草像差引起的视觉效果示意图；
图7c是应用本发明的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正角膜慧差和三叶草像差的视网膜成像光斑图；
图7d是应用本发明的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正角膜慧差和三叶草像差的视觉效果示意图；
图中，1角膜，2前表面，3后表面，4视网膜，5焦点，6虹膜，7自然晶状体，8人工晶状体。
具体实施方式
下面结合示例对本发明作进一步描述。
如图1a,人的视觉形成是由照射入自然晶状体眼的光线通过角膜1，自然晶状体的前表面2和自然晶状体的后表面3，然后聚集在视网膜4上，在5处形成一个焦点。对于装有人工晶状体眼(图1b)，人工晶状体的前表面2和后表面3,替换掉了自然晶状体的前表面2和后表面3，光线通过人工晶状体折光，聚集在视网膜4上形成焦点5处。所以视网膜成像的质量受上述的光学组件1，2，3和4的质量影响。
视觉成像质量受所述的光学组件1，2和3的表面质量和光学介质(如折光指数、透明度等)影响。同时，视网膜的形状和感光神经末梢也会影响视觉质量。(这里我们不做讨论)。当光学材料性质稳定且一致，光学表面质量就成为了决定性因素。例如，当角膜1带有正球差，视网膜成像质量就变差。但是，人工晶状体的前表面2可以修正，使其具有负球差以补偿角膜的正球差，最终提高视觉成像质量。这种矫正球差的设计可以在光学设计软件中进行，比如ZemaxTM。负球差还可以设计在人工晶状体的后表面3，也可以直接设计在角膜上。这种设计过程对本领域技术人员所知。这里我们不再赘述。
传统上光学表面可以由下面的方程1和方程2来表征。
Figure BDA0002245943240000071
这里c是曲率半径，r是径向坐标，k是二次曲面系数，ai是偶次多项式系数，i＝2,4，…,n为偶数。
Figure BDA0002245943240000072
这里
Figure BDA0002245943240000073
kx和ky为二次曲面系数，ai和βi为偶次多项式系数，i＝2,4，…,n为偶数。Rx是x方向的半径，Ry是y方向的半径。
图2a是由方程1描述的一个光学表面。图2b是由方程2描述的一个光学表面。这些表面或者是原点对称如图2a,或者是轴对称如图2b。图2a的光学表面可以矫正角膜球差，图2b的光学表面可以矫正角膜像散。那么，当图2a所示表面与图2b所示表面相结合，就可以同时矫正角膜的球差和像散。由于这些光学表面面形的对称性，上述这些传统的光学表面面形设计仅受限于矫正光学球差和像散。
本发明所述的光学表面可以由下述方程3来表征。
Z＝Zeq2+∑AjZj(ρ，θ) (3)
这里Aj是Zernike展开系数，Zj(ρ，θ)是Zernike多项式，j是Zernike多项式指数系数，j＝1,2，…，n，Zeq2为上述方程2。
方程3定义的表面，其中一种典型的示例如图3a所示的3D图和图3b所示的2D轮廓图。相比于方程1和方程2定义的表面，这种光学表面即非原点对称也非轴对称。
如前所述，方程1描述的人工晶状体光学表面可以矫正球差。例如，带有球差的角膜，成像质量低，视网膜成像光斑图如图4a。应用方程1设计的光学表面的人工晶状体可以矫正球差至残余球差为0.027μm，有效的抵消了角膜0.28μm正球差，视网膜成像光斑图如图4b所示。但是，如果上述人工晶状体眼的角膜加上如下表2的非对称像差-慧差，成像质量就会降低，视网膜成像光斑图见图5a，图5b是角膜慧差视觉效果示意图。这表明方程1描述的光学表面的缺陷，其不足以矫正慧差。
表2角膜慧差
Figure BDA0002245943240000082
方程2也有同样的缺陷，故仅限于矫正像散而不足以矫正慧差和其他像差。本领域技术人员容易明白这些光学表面设计(方程1和方程2)的缺陷，这里不再详细解释。
方程3描述的人工晶状体的光学表面可以补偿角膜慧差的影响。例如，对于如表2中带有慧差的角膜，应用方程3表征的面形设计的人工晶状体可以有效提高视觉质量，此光学表面的Zernike展开系数见下表3。图5c是应用本发明的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正慧差的视网膜成像光斑图。图5d是应用本发明的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正慧差的视觉效果示意图。
表3人工晶状体表面Zernike多项式展开系数
Figure BDA0002245943240000083
Figure BDA0002245943240000091
第二示范例，角膜具有见下表4的非对称像差-三叶草像差，视网膜成像质量低，成像光斑图可参见图6a，图6b是角膜三叶草像差引起的视觉效果示意图。应用本发明中方程3定义的光学表面设计的人工晶状体，其表面Zernike展开系数见下表5。此发明设计的人工晶状体可以减小角膜三叶草像差的影响，视觉成像质量明显提高，视网膜成像光斑图见图6c，视觉效果示意图参见图6d。
表4角膜三叶草像差
Figure BDA0002245943240000092
表5人工晶状体表面Zernike多项式展开系数
A<sub>6</sub> 1.859(μm)
A<sub>9</sub> -1.159(μm)
第三示范例，角膜带有如表6中量值的非对称像差-慧差和三叶草像差，视觉成像质量低。图7a和图7b分别是视网膜成像光斑图和视觉效果示意图。应用本发明中方程3定义的光学表面设计的人工晶状体，其表面Zernike展开系数见下表7。此发明设计的人工晶状体即可以补偿角膜慧差，又可以补偿三叶草像差，视觉成像质量得到明显改善。图7c是应用本发明中的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正角膜慧差和三叶草像差的视网膜成像光斑图。图7d是应用本发明的Zernike光学表面设计的人工晶状体矫正角膜慧差和三叶草像差的视觉效果示意图。
表6角膜慧差和三叶草像差
Figure BDA0002245943240000093
表7人工晶状体表面Zernike多项式展开系数
Figure BDA0002245943240000094
Figure BDA0002245943240000101
以上人工晶状体的表面设计对本领域技术人员来说是显而易见，这里只是做简要说明和解释。如本领域技术人士所知，以上所述发明在其适用的范围内可以做额外的变化和修正。
如上文提及的Li Wang等人指出：受试者中角膜波前的个体差异很大。举例的图5、6、7中角膜像差是在这些个体差异变化范围内。对这些个体，现有的应用方程1和方程2表征的光学表面设计的人工晶状体不足以有效补偿角膜像差的影响。但是，以上示范例表明方程3所描述的光学表面可以有效补偿角膜像差。应用本发明中方程3表征的光学表面设计的人工晶状体可以针对个眼角膜的个体特征个性化定制人工晶状体以矫正像差，提高视觉质量。
如本领域专业技术人士所知，这里讨论的像差类型不只是源于角膜，也有其他眼内光学部件，如人工晶状体置位误差，视网膜畸变，或自然晶状体的形状变化和移位。同样，本领域专业技术人士知晓本发明也可以应用于角膜移植物，人工晶状体，有晶状体眼人工晶状体等植入物。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种人工晶状体，其特征在于：所述人工晶状体至少有一个光学表面是非对称结构；所述非对称结构具体指：所述人工晶状体至少有一个光学表面既不是中心对称的，也不是轴对称的。
2.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于：所述人工晶状体的光学表面可以用表达式(I)来描述：
Figure FDA0002245943230000011
其中，
Figure FDA0002245943230000012
kx和ky为二次曲面系数，ai和βi为偶次多项式系数，i＝2，4，...，n为偶数，Rx是x方向的半径，Ry是y方向的半径；Aj是一个非零的扩展系数，Zj(ρ，θ)是Zernike多项式，在Zernike多项式坐标系中，ρ是归一化径向坐标，归一化坐标ρ＝r/rmax，rmax是表面最大半径值，r是极径，θ是极坐标系中的极角，j是Zernike多项式指数系数，j＝1，2，...，n。
3.根据权利要求2所述的人工晶状体，其特征在于：所述Zernike多项式中除A3，A4，A5，A12项之外，至少有一项不等于零。
4.根据权利要求2所述的人工晶状体，其特征在于：所述Zernike多项式中，Aj数值可以达到需要削减的光学像差数值的10倍。
5.根据权利要求2所述的人工晶状体，其特征在于：所述Zernike多项式中，Aj优选数值可以达到需要削减的光学像差数值的7.5倍。
6.根据权利要求2所述的人工晶状体，其特征在于：所述人工晶状体表面设计可以在人工晶状体的光学表面的一个局部区域内。
7.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于：所述人工晶状体至少有一个方向标记。
8.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于：所述人工晶状体用于矫正患者眼睛的像差，所述像差可以是角膜像差、人工晶状体眼像差或自然晶状体眼像差。
9.根据权利要求8所述的人工晶状体，其特征在于：所述人工晶状体的光学表面可以分别矫正慧差、三叶草或其他像差中的任意一种或任意几种组合的综合像差。
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