CN116035762A - 一种矫正周边视场像差的人工晶状体 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矫正周边视场像差的人工晶状体，包括：透镜主体和支撑袢；所述透镜主体包括基础透镜，所述基础透镜为反向弯月型透镜，所述基础透镜的形状因子X的取值范围为‑2.5<X<‑0.5；其中，所述形状因子X满足以下公式：

其中，c₁为所述基础透镜的前光学表面的曲率，c₂为所述基础透镜的后光学表面的曲率。通过上述技术方案，本发明提供可以矫正周边视场像差的人工晶状体，该人工晶状体在具有优秀远距离视力的基础上，能够对远视距周边一定视场范围内保持良好的视觉性能。

Description

一种矫正周边视场像差的人工晶状体

技术领域

本发明涉及人工晶状体技术领域，特别涉及一种矫正周边视场像差的人工晶状体。

背景技术

人工晶状体(IOL)已经在眼科领域使用了半个多世纪。晶状体植入术已成为眼科最常见和最成功的手术。通过将人工晶状体(IOL)置换已经变得浑浊的人眼自然晶状体，能够使的白内障得到有效治疗，患者可以恢复一定的视力水平，回归正常生活。近年来，人工晶状体的发展有了巨大的进步，出现了多焦点，拓展焦深等多样类别，着力于为患者提供更加接近健康人眼的视力水平。但目前绝大部分的人工晶状体主要以优秀的中心视力为设计目标，并没有将关注点放在周边视力上。

单焦人工晶状体是目前历史最为悠久，应用最为广泛的人工晶状体类型。单焦人工晶状体能够提供出色远距离视力，同时几乎没有光学污染现象，能够满足人们包括驾驶在内的大部分日常行为需要。但随着技术发展，为了满足患者的多样需求，多焦点、拓展焦深、单焦增强等类型人工晶状体逐渐出现，旨在保证优秀远距离视力的基础上提供大范围的清晰视力。目前的商业人工晶状体产品对于周边视场视力缺乏优化设计，对于商业产品周边视力测量结果与健康人眼进行比较能够看到显著差异。针对人工晶状体进行远距离周边视场视力的改进设计，能够缩短驾驶员对周围移动物体的反应时间，同时看到路标和路况，解决周边视力造成的驾驶安全问题，也能够减小跌倒的风险。考虑周边视场视力，进一步优化人工晶状体的光学设计以提供更好的周边图像质量，具有重大意义。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种矫正周边视场像差的人工晶状体。根据设计要求，基于一个中心视场光学性能优秀的普通人工晶状体，将周边视场的光学传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)、平均球面当量M、像散J₀及高阶像差均方根HOA-RMS作为评估指标，针对±40°内人工晶状体的远距离光学性能进行优化，得到矫正周边视场像差的人工晶状体。在这设计基础上附加衍射轮廓，实现包括多焦点、拓展焦深、单焦增强等类性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明实施例提供一种矫正周边视场像差的人工晶状体，包括：

透镜主体和支撑袢；

所述透镜主体包括基础透镜，所述基础透镜为反向弯月型透镜，所述基础透镜的形状因子X的取值范围为-2.5<X<-0.5；

其中，所述形状因子X满足以下公式：

其中，c₁为所述基础透镜的前光学表面的曲率，c₂为所述基础透镜的后光学表面的曲率。

可选地，所述前光学表面和所述后光学表面均为偶次非球面。

可选地，所述基础透镜的边缘厚度为0.15mm-0.3mm。

可选地，所述偶次非球面的轮廓高度z(r)满足以下公式：

其中，c为偶次非球面曲率半径的倒数，k为偶次非球面的圆锥系数，r为光轴向面上一点的径向距离，α_i为非球面高次项系数，ρ为归一化径向坐标。

可选地，所述透镜主体还包括衍射轮廓，所述衍射轮廓位于所述基础透镜的后光学表面所在的表面。

可选地，所述衍射轮廓包括多个环形区，其中，所述衍射轮廓满足平滑相位分布。

可选地，所述基础透镜的后光学表面的总表面轮廓高度Z_totol满足以下公式：

Z_totol＝Z(r)+h(r)

其中，Z(r)为偶次非球面的轮廓高度；h(r)为所述衍射轮廓的高度；r为光轴向面上一点的径向距离。

可选地，

其中，λ为设计波长，n₂为所述人工晶状体的折射率，n₁为所述人工晶状体周围介质的折射率，φ(r)为衍射轮廓所对应的相位函数。

可选地，

其中，Po为所述相位函数用于调整衍射轮廓高度的参数，α为正弦幅值调控参数，So为反正切函数的幅角调控参数，Bo、Co为所述相位函数用于焦面间性能比例的调控参数，T为所述相位函数的周期。

可选地，所述透镜主体采用疏水性丙烯酸脂、亲水性丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲脂。

本发明具有如下技术效果：

1.本发明提供了一种具有良好大周边视场成像性能的人工晶状体，在中心视场提供与传统人工晶状体一致的优秀光学性能的基础上，提供了良好的大周边视场视觉性能，以降低人工晶状体植入后周边视场视力下降带来的影响。

2.本发明将设计的矫正周边视场像差的人工晶状体在保留调制传递函数MTF作为主要评价指标的基础上，结合平均球面当量M、像散J_0及高阶像差均方根HOA-RMS三项周边视场视觉评估指标进行优化设计，并将设计结果通过上述指标与传统人工晶状体进行比较，能够看到远距离大周边视场视力的显著改善，同时能够实现单焦点、多焦点、拓展焦深或单焦增强等性能。

3.本发明所述矫正周边视场像差的人工晶状体仅使用偶次非球面作为设计面型，同时尽力保证后表面不使用高阶偶次非球面项，减小设计难度，同时，衍射轮廓为平滑连续分布，将光学污染现象保持在较低水准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的矫正周边视场像差的单焦人工晶状体的侧视图；

图2为本发明实施例1提供的远距离MTF随视场变化曲线图；

图3为本发明实施例1提供的一定视场内的像散J₀曲线图；

图4为本发明实施例1提供的一定视场内的平均球面当量M曲线图；

图5为本发明实施例1提供的一定视场内的高阶像差均方根HOA-RMS曲线图；

图6为本发明实施例2提供的矫正周边视场像差的的三焦人工晶状体离焦MTF曲线图；

图7为本发明实施例2提供的一定视场内的平均球面当量M曲线图；

图8为本发明实施例2提供的一定视场内的像散J₀曲线图；

图9为本发明实施例2提供的一定视场内的高阶像差均方根HOA-RMS曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

经研究发现，经过人工晶状体植入手术后的患者，由于其晶状体被一个非常薄的人工晶体所取代，导致植入人工晶状体后的人眼相比于健康人眼在周边视力的屈光力差值和散光显著提高。这对植入IOL后人眼的周边光学性能产生了较大的影响。

虽然周边视场视力一直被认为相比于中心视力是次要的，但在不同的视觉任务中，其重要性不应被低估。植入人工晶体的患者的离轴散光可能对需要良好周边视场视力的活动具有性能和安全性影响。例如驾驶汽车的时候，周边视场视力在驾驶过程中起到至关重要的作用。有研究表明，即使是轻度到中度的周边视力下降导致的视野限制，也会对驾驶产生显著影响，造成交通安全问题。除此之外，周边视场视力受损也会导致跌倒的风险增加，物体识别能力下降等问题。

周边视场视力一直被认为相比于中心视力是次要的，从而发现周边视场视力受损对视力的影响本身具有难度，即发现技术问题本身具有难度。而克服周边视场视力受损所提供的技术方案，克服了技术上的偏见。

本发明提供了一种矫正周边视场像差的单焦人工晶状体的设计结果，以及在矫正周边视场像差的单焦人工晶状体作为基础透镜的基础上，附加衍射轮廓设计得到矫正周边视场像差的拓展焦深人工晶状体设计结果。所得到设计结果在远距离中心视场的光学性能尤其是MTF相较于普通同类型人工晶状体下降有限，基本保持在一个水平；同时有效改善大周边视场的视力水平，能够在植入人眼后提供较好的远视距性能和对应视距的良好周边视觉，减轻患者术后周边视觉下降的问题。

为了实现上述内容，本发明提供了以下技术方案：

图1为本发明实施例1提供的矫正周边视场像差的的单焦人工晶状体的侧视图，如图1所示，人工晶状体包括一个透明的透镜主体1和支撑袢4。透明透镜主体1包括基础透镜。

在一实施方式中，透镜主体1为基础透镜。

在另一实施方式中，透镜主体1包括基础透镜和衍射轮廓5(如图1所示)。衍射轮廓5位于基础透镜的表面上，与基础透镜的表面相连接。可以理解为，透镜主体1的表面包括设置有衍射轮廓5的区域和未设置衍射轮廓5的区域，未设置衍射轮廓5的区域对应于基础透镜的表面。

基础透镜包括两个光学表面，两个光学表面分别为前光学表面2和后光学表面3。基础透镜为反向弯月型透镜，前光学表面2和后光学表面3朝向同一个方向凸起。基础透镜的形状因子X的取值范围-2.5<X<-0.5。其中形状因子X满足以下公式：

式中：X为人工晶状体的基础透镜的形状因子，c₁为基础透镜前光学表面的曲率，c₂基础透镜后光学表面的曲率。

一些实施例中，人工晶状体的材料可以为疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等材料，人工晶状体的材料折射率在1.46-1.55之间。即，人工晶状体的材料折射率大于或者等于1.46且小于或者等于1.55。人工晶状体的设计波长为550nm。

一些实施例中，透镜主体1的厚度为0.6mm-1.2mm，透镜主体1的厚度为透镜主体1在其光轴位置处的厚度。基础透镜的边缘厚度为0.15mm-0.3mm，即，基础透镜的边缘厚度大于或者等于0.15mm，且小于或者等于0.3mm。光学区的直径为6mm。人工晶状体基础光焦度的范围为+10D～+30D。

前光学表面2和后光学表面3均为偶次非球面，偶次非球面的轮廓高度函数在径向坐标系下满足以下表达式：

式中：z(r)为偶次非球面在半径r方向上的曲线表达式，c为偶次非球面曲率半径的倒数，k为偶次非球面的圆锥系数，r为光轴向面上一点的径向距离，也就是说，r为偶次非球面中心向面上一点的径向距离，α_i为非球面高次项系数，ρ为归一化径向坐标。

一些实施例中，人工晶状体在后光学表面3上可附有衍射轮廓5。在叠加衍射轮廓5后，通过衍射轮廓参数不同的取值，能够在远距离周边±40°视场内的视力保持在良好的水平，实现包括但不限于多焦点、拓展焦深、单焦增强等类型光学性能。

一些实施例中，衍射轮廓5包括若干个环形区，其中衍射轮廓5满足平滑相位分布。

基础透镜的后光学表面3的总表面轮廓高度满足以下公式：

Z_totol＝Z(r)+h(r)

其中，Z_totol附加衍射轮廓的光学表面的总表面轮廓高度；Z(r)为偶次非球面的轮廓高度；h(r)为衍射轮廓高度；r为光轴向面上一点的径向距离。

衍射轮廓满足以下公式：

式中：h(r)为衍射轮廓的表达式，λ为设计波长，例如设计波长为550nm。n₂为人工晶状体材料的折射率，n₁人工晶状体周围介质的折射率，φ(r)为衍射轮廓所对应的相位函数。

相位函数满足以下公式：

式中：φ(r)为衍射轮廓5对应的相位函数；r为光轴向面上一点的径向距离；Po为调整衍射轮廓高度的参数；tan^-1是反正切函数；sin是正弦函数；α为正弦幅值调控参数；So为反正切函数的幅角调控参数；Bo、Co为相位函数用于焦面间性能比例的调控参数；T为相位函数的周期。

本发明提出一种矫正周边视场像差的人工晶状体，通过以下实施例结合附图从提出设计要求开始到给出最终设计结果的过程进行描述：

实施例1

人工晶状体的材料选择折射率为1.457的PMMA材料，与有效光学部连接的支撑袢4材料相同，人工晶状体的设计波长为550nm，衍射轮廓4叠加在后光学表面3。

设计大周边视场人工晶状体的基础光焦度为+20D、具有良好光学性能的周边视场范围为±40°。

经优化得到对应基础光焦度为+20D的偶次非球面透镜主体1。优化得到的偶次非球面透镜为直径为6mm，有效光学区为6mm，中心厚度为1.0mm的反向弯月透镜。其中，前光学表面2的曲率半径为-11.444mm，K＝6.200，α₄＝6.155×10^-4，α₆＝-9.708×10^-4，α₈＝6.003×10^-5。后光学表面3的曲率半径为-4.073mm，K＝-0.126，偶次非球面系数均为0。形状因子X为-2.1。

矫正周边视场像差的人工晶状体在设计过程中将周边视场的光学传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)、平均球面当量M、像散J₀及高阶像差均方根HOA-RMS作为评估指标。剩余评估指标通过由Zernike多项式(即泽尼克多项式)计算得到。所有的评估均在3mm瞳孔尺寸下进行。

平均球面当量M的计算满足以下公式:

式中：M为平均球面当量，r₀为瞳孔尺寸，

为双参数2，0对应Zernike系数项。

像散J₀的计算满足以下公式:

式中：J₀为像散，r₀为瞳孔尺寸，

为双参数2，2对应Zernike系数项。

高阶像差均方根HOA-RMS的计算满足以下公式:

式中：

分别为一阶球差、二阶球差Zernike系数项，

分别为一阶竖直、子午彗差Zernike系数项，

分别为二阶竖直、子午彗差Zernike系数项。

进一步研究并分析所设计矫正周边视场像差的单焦人工晶状体的性能，具体如下：

将所设计矫正周边视场像差的单焦人工晶状体放入眼模型中进行光学性能分析，绘制其远距离视力在40°视场内的子午MTF(MTFT)和弧矢MTF(MTFS)曲线(3mm瞳孔大小，50lp/mm)，结果如图2所示。可以看到该人工晶状体在40°视场下拥有优于健康人眼的光学性能，中心视场有着较高与传统单焦IOL近似的MTF，峰值在0.78左右。子午MTF在0-40°视场内的变化曲线，整体体现出平缓下降的趋势，20°视场内MTF稳定在0.4左右，40°视场MTF达0.5左右，高于健康人眼。弧矢MTF在0-40°视场内与健康人眼基本保持同一水平。符合植入后提供大周边视场单焦性能的设计要求。

图3至图5分别绘制了像散J₀、平均球面当量M及高阶像差均方根HOA-RMS随±40°视场内的变化曲线，并与针对中心市场光学性能优化的传统单焦人工晶状体及健康人眼进行了比较。所设计大周边视场单焦人工晶状体的平均球面当量M在20°视场内基本保持在一个水准，在10°内高于健康人眼，在10°外相较于健康人眼较低；与传统单焦人工晶状体相比整体均有所改善。像散J₀及高阶像差均方根HOA-RMS相较于传统单焦人工晶状体在40°视场内均更接近健康人眼水平，在大周边视场下体现出更加优秀稳定的光学性能。

实施例2

人工晶状体的材料选择折射率为1.457的PMMA材料，与有效光学部连接的支撑袢4材料相同，人工晶状体的设计波长为550nm，衍射轮廓5叠加在后光学表面3。

设计矫正周边视场像差的人工晶状体的基础光焦度为+20D、具有良好光学性能的周边视场范围为±40°。

使用实施例1中形状因子X为-2.1的反向弯月形矫正周边视场像差的单焦人工晶状体作为基础透镜，在后光学表面2附加衍射轮廓5，将参数Po＝1.1810，So＝0.2906，Co＝-0.0948代入相位函数后，得到矫正周边视场像差的人工晶状体的远距离视力，附加光焦度为+1.75D(中距离视力)，+3.50D(近距离视力)的三焦人工晶状体。

矫正周边视场像差的三焦人工晶状体同样在设计过程中将周边视场的光学传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)、平均球面当量M、像散J₀及高阶像差均方根HOA-RMS作为评估指标。

进一步研究并分析所设计的矫正周边视场像差的三焦人工晶状体的性能，具体如下：

将所设计的矫正周边视场像差的三焦人工晶状体放入眼模型中进行光学性能分析，绘制其离焦MTF曲线(3mm瞳孔大小，50lp/mm)，结果如图6所示。可以看到该人工晶状体具有三焦人工晶状体的性能特征，能够提供不同多个不同距离的清晰视力。

图7至图9分别绘制了所设计三焦人工晶状体远距离视力的平均球面当量M、像散J₀及高阶像差均方根HOA-RMS随±40°视场内的变化曲线，并与健康人眼进行了比较。所设计大周边视场三焦人工晶状体的远距离视力平均球面当量M在40°视场内均远低于健康人眼。像散J₀在40°视场内与健康人眼基本保持同一水平。高阶像差均方根HOA-RMS相较于健康人眼在10°视场内低于健康人眼水平，但在大周边视场下即10°-40°下展现出更加优秀的水准。

本发明提供设计的矫正周边视场像差的单焦人工晶状体，在提供优秀单焦性能的基础上，保证了大周边视场良好的光学性能，降低由于周边视力缺失带来的行为(例如驾驶、楼梯移动)风险。基于该单焦人工晶状体，通过附加衍射轮廓，能够获得包括三焦人工晶状体在内的不同性能特征的人工晶状体，同时对远距离视力的周边视场有所改善。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种矫正周边视场像差的人工晶状体，其特征在于，包括：

透镜主体和支撑袢；

所述透镜主体包括基础透镜，所述基础透镜为反向弯月型透镜，所述基础透镜的形状因子X的取值范围为-2.5<X<-0.5；

其中，所述形状因子X满足以下公式：

其中，c₁为所述基础透镜的前光学表面的曲率，c₂为所述基础透镜的后光学表面的曲率。

2.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述前光学表面和所述后光学表面均为偶次非球面。

3.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述基础透镜的边缘厚度为0.15mm-0.3mm。

4.根据权利要求2所述的人工晶状体，其特征在于，

所述偶次非球面的轮廓高度z(r)满足以下公式：

其中，c为偶次非球面曲率半径的倒数，k为偶次非球面的圆锥系数，r为光轴向面上一点的径向距离，α_i为非球面高次项系数，ρ为归一化径向坐标。

5.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述透镜主体还包括衍射轮廓，所述衍射轮廓位于所述基础透镜的后光学表面所在的表面。

6.根据权利要求5所述的人工晶状体，其特征在于，所述衍射轮廓包括多个环形区，其中，所述衍射轮廓满足平滑相位分布。

7.根据权利要求5所述的人工晶状体，其特征在于，所述基础透镜的后光学表面的总表面轮廓高度Z_totol满足以下公式：

Z_totol＝Z(r)+h(r)

其中，Z(r)为偶次非球面的轮廓高度；h(r)为所述衍射轮廓的高度；r为光轴向面上一点的径向距离。

8.根据权利要求7所述的人工晶状体，其特征在于，

其中，λ为设计波长，n₂为所述人工晶状体的折射率，n₁为所述人工晶状体周围介质的折射率，φ(r)为衍射轮廓所对应的相位函数。

9.根据权利要求8所述的人工晶状体，其特征在于，

其中，Po为所述相位函数用于调整衍射轮廓高度的参数，α为正弦幅值调控参数，So为反正切函数的幅角调控参数，Bo、Co为所述相位函数用于焦面间性能比例的调控参数，T为所述相位函数的周期。

10.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述透镜主体采用疏水性丙烯酸脂、亲水性丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲脂。

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