ES2312642T3

ES2312642T3 - Metodo de calibracion de aberrometro.

Info

Publication number: ES2312642T3
Application number: ES02786933T
Authority: ES
Inventors: Griffith E. Altmann
Original assignee: Bausch and Lomb Inc
Current assignee: Bausch and Lomb Inc
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2009-03-01
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: WO2003049606A3; EP1455637A2; CA2469453C; US6739721B2; CA2469453A1; AU2002351285A1; AU2002351285B2; US20030112410A1; EP1455637B1; WO2003049606A2; DE60228754D1

Abstract

Un método para calibrar un aberrómetro para medir aberraciones de frente de onda oftálmicas, que comprende las etapas de proporcionar un ojo modelo (32, 400) que tenga una aberración de frente de onda conocida donde la aberración de frente de onda conocida es un error de desfocalización para realizar una calibración de foco del aberrómetro; colocar dicho ojo modelo (32, 400) a lo largo de un eje óptico de un aberrómetro que se tenga que calibrar en una localización que simule una medición de frente de onda del ojo de un paciente; alinear dicho ojo modelo; y obtener una medición de frente de onda del ojo modelo (32, 400).

Description

Método de calibración de aberrómetro.

Antecedentes de la invención Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de la detección de frentes de onda oftálmicos y, particularmente, a un aparato y un método para la calibración del aberrómetro y certificación de precisión.

Descripción de la técnica relacionada

Un sensor de frente de onda, denominado a menudo un aberrómetro (término que se usará de forma intercambiable en la presente memoria), es un dispositivo que mide una diferencia en el camino óptico de luz entre un frente de onda deformado y un frente de onda ideal o de referencia. La medición, cuando se procesa de forma apropiada, produce valores para diversas aberraciones en el sistema óptico por el que atraviesa la luz y que deforma el frente de onda. Aunque láseres de alta energía y la formación de imágenes astronómicas fueron los motores principales del desarrollo de sensores de frente de onda (donde la propia atmósfera era el sistema óptico que provocaba la aberración), se ha enfocado la atención más reciente en medir las aberraciones del ojo con el objetivo de mejorar la calidad visual. Para más información, el lector interesado se dirige a Geary, JM., Introduction to Wavefront Sensors, SPIE Optical Engineering Press (1995); Patente de Estados Unidos de Williams Nº 5.777.719.

La patente de Williams que se ha mencionado anteriormente describe un instrumento de detección de frente de onda de tipo Shack-Hartmann que se puede usar para medir, entre otros parámetros, aberraciones oculares de orden mayor. Muchos aberrómetros disponibles en el mercado incorporan una serie de microlentes (lentillas) y funcionan sobre el principio de Shack-Hartmann. Otros tipos de aberrómetros incluyen el refractómetro con resolución espacial basado en el optómetro de Scheiner, los basados en el principio de Tscherning, sistemas retinoscópicos, sistemas de exploración del tipo Tracey technologies, dispositivos de seguimiento de rayos y otros. Todos estos tipos de aberrómetros se conocen bien en la técnica de detección de frentes de onda oftálmicos de tal forma que no es necesaria una descripción detallada de estos dispositivos para entender la invención. Se pueden encontrar descripciones de estos dispositivos, por ejemplo, en J. Refractive Surg. 16 (5), septiembre/octubre 2000.

Los datos de frente de onda ocular se usan de forma creciente para configurar algoritmos de ablación para cirugía de refracción tales como, por ejemplo, PRK, LASIK y LASEK y para la conformación personalizada de lentes de contacto, IOL, injertos (onlays) y otros elementos de corrección de visión. Las soluciones exitosas a estas aplicaciones dependen de la validez de la medición de la aberración obtenida que, a su vez, depende de la calibración inicial correcta del aberrómetro y del calibrado correcto del aberrómetro cuando se usa para obtener mediciones de aberración de frente de onda diagnósticas/terapéuticas.

Básicamente, los aberrómetros se han calibrado para desfocalizar solamente usando lentes esféricas. Un grupo de trabajo de la Sociedad Optica de América establecida en 1999 realiza recomendaciones para un aberrador convencional para la calibración de aberrómetros. El lector interesado se dirige a un artículo por Thibos, L. N. et al., Standards for Reporting the Optical Aberrations of Eyes (Optical Society of America 1999). Inicialmente se consideró un ojo modelo con aberración pero se abandonó como demasiado elaborado en vista de los diferentes requerimientos de aberrómetros subjetivos y objetivos. En vez de esto se usó un par de lentes de potencia esférica conocida como un aberrador, pero había problemas con la sensibilidad y el control de posición. Un diseño de aberrador alternativo fue una placa de fase de trébol (aberración de 3^{er} orden). Sin embargo, los aberrómetros de placa de fase son desventajosos por varias razones, de hecho: elevada sensibilidad a alineamiento erróneo debido a inclinación y descentrado, iluminación externa preferiblemente con un haz colimado, efectos de coherencia tales como mota debido a la coherencia espacial del haz colimado, límite de la cantidad de aberración, elevado coste de material y tiempo y otros.

El documento US-A-6 155 684 describe un sensor de frente de onda oftálmico que puede ser necesario calibrar. Como se indica en esa memoria, el ojo del sujeto se sustituye por un espejo plano. Después, el espejo activo (DM) se programa para actuar como un espejo plano. Las señales medidas indican aberraciones ópticas inherentes del sensor de frente de onda.

El documento US-B-6 312 373 describe el uso de una medición interferométrica nula usando un elemento nulo (compensación) para la medición de conformaciones de superficie esférica. Se describen un interferómetro de Fizeau y un método para medir de forma eficaz la conformación del elemento nulo.

En consecuencia, los inventores han reconocido una necesidad de un método y un aparato que aborde estos aspectos y otros con respecto a la calibración y la precisión de la medición de frente de onda y funcionamiento de aberrómetro.

Sumario de la invención

En una realización de acuerdo con la invención, un método para calibrar un aberrómetro para medir aberraciones de frente de onda oftálmicas incluye las etapas de proporcionar un ojo modelo que tenga una aberración de frente de onda conocida; colocar el ojo modelo a lo largo de un eje óptico de un aberrómetro que se tiene que calibrar en una localización que simule una medición de frente de onda del ojo de un paciente; alinear el ojo modelo; y obtener una medición de frente de onda del ojo modelo. La aberración de frente de onda conocida es un error de desfocalización para realizar una calibración de foco del aberrómetro. En un aspecto, el ojo modelo tiene una superficie convexa toroidal para realizar una desfocalización y una calibración de astigmatismo del aberrómetro. En otro aspecto, el ojo modelo tiene una superficie convexa sin simetría de eje para realizar una calibración de aberración de orden mayor del aberrómetro. En otro aspecto, el ojo modelo tiene una superficie anterior con forma cónica de formación de imágenes perfecta y una superficie posterior productora de aberración.

Estos y otros objetos de la presente invención serán más fácilmente evidentes a partir de la siguiente descripción detallada. Sin embargo, se debe entender que la descripción detallada y los ejemplos específicos, mientras que indican las realizaciones preferidas de la invención, solamente se proporcionan a modo de ilustración, ya que diversos cambios y modificaciones dentro del espíritu y alcance de la invención serán evidentes para los especialistas en la técnica basándose en la descripción y los dibujos de la presente memoria y las reivindicaciones adjuntas.

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Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama esquemático óptico de un aberrómetro genérico Shack-Hartmann,

La Figura 2 es un diagrama esquemático óptico de un aberrómetro Shack-Hartmann que incorpora un ojo modelo de acuerdo con una realización de la invención;

Las Figuras 3a, b son vistas de dibujos de líneas laterales y frontales, respectivamente, de un aspecto de ojo modelo de acuerdo con una realización de la invención,

La Figura 4 es un dibujo de líneas de corte transversal de un ojo modelo de acuerdo con la invención;

La Figura 5 es una reproducción de un interferograma óptico de la superficie anterior de un ojo modelo ilustrativo de acuerdo con la invención;

La Figura 6 es una representación esquemática de una sujeción de ojo modelo de acuerdo con una realización de la invención;

La Figura 7 es un dibujo de líneas esquemático de una herramienta de alineamiento de acuerdo con una realización de la invención; y

Las Figuras 8-15 son representaciones de medición gráficas de coeficientes de Zernike individuales de los ojos modelo ilustrativos en la Tabla I mediante dos aberrómetros diferentes y valores calculados de los coeficientes de aberración.

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Descripción detallada de realizaciones preferidas

La Figura 1 muestra un diagrama óptico de un aberrómetro Shack-Hartmann 10. Se entenderá que la invención no se limita al uso con un aberrómetro Shack-Hartmann, sino que se aplica a cualquier tipo de aberrómetro conocido y métodos de detección de frente de onda para la detección de frente de onda oftálmico. En términos generales al describir un funcionamiento de sensor de frente de onda, el ojo de un paciente 50 se alinea de forma apropiada con el eje de medición 51 del aberrómetro con la ayuda de una diana de fijación 28 y una cámara de alineamiento 26, típicamente una cámara de pupila. La retina, R, del ojo se ilumina con luz de una fuente 12 tal como un diodo de láser de 780 nm, por ejemplo, u otra fuente semicoherente de longitud de onda apropiada y la luz se focaliza sobre la retina mediante un sistema de trombón óptico 30 y lentes de formación de imágenes 14. El sistema de trombón (o un sistema de focalización óptico alternativo conocido en la técnica) se usa para compensar la miopía o hipermetropía simple en el ojo y también define el foco de los puntos de imagen formados sobre un detector 22, dando como resultado una medición de frente de onda más precisa. El lector interesado se dirige a la Publicación Internacional WO 01/28408 para una descripción detallada del sistema de trombón óptico. La luz reflejada de la retina pasa al exterior a través del sistema óptico del ojo y sobre el detector 22. En el sistema Shack-Hartmann, que actualmente es la metodología de dispositivo oftálmico dominante para la medición de frente de onda de diagnóstico, la luz reflejada se focaliza por una serie de lentillas 18 imágenes aéreas sobre el detector 22 y se presenta mediante una cámara de sensor 20. Los baricentros de imagen se calculan y se obtienen datos de pendiente de frente de onda a partir de la información de desplazamiento de imagen usando un sistema de procesamiento 24 que incluye un P.C. y software apropiado también para calcular los datos de aberración, para mandar sobre y controlar los componentes del aberrómetro, para la transferencia de datos y otros cálculos diversos usando la información de frente de onda. La información se procesa y se ajusta típicamente a polinomios de Zernike para producir las mediciones de coeficiente de aberración. Estos coeficientes después se pueden usar en el diseño de lentes correctoras, algoritmos de ablación y en otras aplicaciones oftálmicas conocidas por los especialistas en la técnica.

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De acuerdo con una realización de la invención descrita con referencia a la Figura 2, un método para calibrar un aberrómetro 10 para medir aberraciones de frente de onda oftálmicos requiere proporcionar un ojo modelo 32 (discutido con más detalle a continuación) que tenga una aberración de frente de onda conocida en una posición que se tiene que ocupar por el ojo del paciente (o en un plano de pupila conjugado), simulando por tanto una medición de frente de onda del ojo del paciente; alinear el ojo modelo 32 como se alinearía el ojo del paciente; y obtener una medición del frente de onda del ojo modelo. El proceso de alineamiento se cumple preferiblemente con la ayuda de una herramienta de alineamiento 200 mostrada en la Figura 7, aunque otros aparatos y métodos de alineamiento serán evidentes para los especialistas en la técnica. La herramienta de alineamiento 200 es un cilindro de Plexiglas® que tiene una parte central 202 con un diámetro externo coincidente con el del ojo modelo y dos partes terminales más delgadas 203 que tienen cada una una superficie pulida plana 204. Las partes terminales 203 tienen cada una aproximadamente 1,5 mm de diámetro, proporcionando por tanto una pupila de entrada pequeña que facilita el alineamiento preciso de inclinación (tip/tilt). Una sujeción de ojo modelo preferible 300 como se muestra en la Figura 6 es una placa con un surco en V 302 que proporciona un autoalineamiento para un componente cilíndrico tal como la herramienta de alineamiento y el ojo modelo. Está unido junto a una montura de ajuste de cinco ejes (no mostrada) que permite el ajuste de alineamiento lineal en los planos x, y y z y el ajuste rotacional alrededor de los ejes z e y como se muestra por el sistema de coordenadas 304 en la Figura 6. El aberrómetro 10 de la Figura 1 está equipado con un descanso para la barbilla (no mostrado) para sujetar la cabeza del paciente. En el procedimiento de alineamiento, el descanso para la barbilla se sustituye por la sujeción para el ojo modelo 300 y se asocia a la montura de ajuste de cinco ejes. El procedimiento de alineamiento consiste en focalizar de forma iterativa la luz de la fuente por el sistema de trombón sobre la superficie plana colocada en la parte anterior de la herramienta de alineamiento y ajustar la posición x, y de la montura y después focalizar el haz de la fuente a través de la herramienta de alineamiento sobre la superficie del plano colocada en la parte posterior y ajustar la posición x, y hasta que las posiciones x, y de ambos puntos focales sea la misma. Se pueden realizar ajustes azimutales si es necesario. El ojo modelo que se tiene que medir se coloca después en la sujeción óptica y se realiza el alineamiento lineal x, y y z usando la cámara de pupila. Se pueden observar los bordes de las lentes sobre la pantalla del ordenador y se pueden centrar alineando los bordes con líneas de referencia horizontales y verticales sobre la pantalla. Después se alinea el eje z de tal forma que la superficie anterior del ojo modelo esté en el foco.

Con referencia a la Figura 4, un componente de calibración de acuerdo con una realización de la invención, denominado en la presente memoria en lo sucesivo un ojo modelo 32, es una óptica monolítica, plana-convexa, refractivo que tiene una cantidad conocida de una aberración deseada. La superficie anterior convexa 72 puede ser una esfera, una esfera con simetría de eje o una esfera sin simetría de eje dependiendo de qué aberraciones se tienen que simular. Por ejemplo, una superficie convexa esférica producirá aberración de desfocalización y aberración esférica y las dos aberraciones se correlacionarán. Una superficie convexa cónica también producirá desfocalización y aberración esférica, pero las dos aberraciones se pueden variar de forma independiente. Una superficie tórica, convexa (esfera sin simetría de eje) producirá aberración de desfocalización, aberración esférica y astigmatismo. Otras esféricas sin simetría de eje producirán aberraciones de orden mayor (conocidas por los especialistas en la técnica como correspondientes a coeficientes de Zernike de tercer orden y mayores o sus equivalentes). El ojo modelo también puede ser biconvexo o ser un menisco si la superficie anterior es una superficie convexa. En una realización preferida, la superficie convexa 72 se realiza torneando con herramienta de punta de diamante sobre un torno de 3 ejes tal como un torno óptico Optiform 50 con una unión posterior de herramienta de oscilación Variform (Precitech Corp., Keene, N. H.). De forma alternativa, tanto las superficies plana 33 como convexa 72 se pueden formar mediante técnicas de fabricación comunes incluyendo molienda y pulido, torneado con herramienta de punta de diamante, maquinado con láser, decapado, moldeo, etc. La superficie plana 33 se puede hacer rugosa y recubrir con un líquido blanqueante corrector o se puede hacer de otro modo para que refleje de forma difusa la fuente de luz de forma similar a un ojo real. El ojo modelo tiene preferiblemente un diámetro externo (D. E.) suficiente para hacer que la superficie convexa se pueda comparar con la de uno ojo real. La longitud, L, del ojo modelo está preferiblemente en el intervalo de la longitud de un eje real, típicamente entre aproximadamente 22 mm a 26 mm. El material del ojo modelo puede ser un vidrio óptico (por ejemplo, BK-7), un plástico (por ejemplo, PMMA), un cristal y un material poli-cristalino (por ejemplo, ZnS) y en una realización preferida es polimetil metacrilato (PMMA), que se puede tornear con herramienta de punta de diamante, es birrefringente, transparente y barato. La propiedad birrefringente del PMMA es ventajosa porque disminuye la coherencia espacial de la luz láser que pasa a través del ojo modelo, disminuyendo los efectos de mota y de coherencia parcial durante la formación de imágenes de las lentillas.

En una realización ilustrativa, el ojo modelo 32 es un cilindro torneado con herramienta de punta de diamante plano-convexo de PMMA. La longitud axial, L, es de 23,647 mm con un diámetro externo de 12,7 mm. La graduación de la superficie convexa es del siguiente modo:

: Radio de Vértice, R = 7,8 mm;

: Constante Cónica, k = 0;

: Coeficiente para el 11º término de Zernike, Z330 = 0,008652619 mm;

: Radio de Normalización, NR = 4 mm;

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: Ecuación para la Combadura de la Superficie:

Z = (x^2/R)/[1 + sqrt(1 - (1 + k) * (x/R)^2] + Z330 * (x/NR)^3 * cos(3q)

donde x es la coordenada radial en milímetros y q es la coordenada azimutal en grados o radianes. El ojo modelo 32 muestra 1,89 micrómetros de trébol sobre una abertura de 5,7 mm a 780 nm. Los interferogramas 77, 78 de la superficie anterior 72 del ojo modelo 32 se muestran en la Figura 5.

Adicionalmente, una serie de ojos modelo se tornearon con herramienta de punta de diamante a partir de Plexiglas usando un torno de 3 ejes. Las superficies ópticas de estos sistemas ópticos simples se modelaron usando una zona óptica simétrica de forma no rotacional única calculada para coincidir con la aberración del frente de onda de un paciente con queratocono leve que se había medido a partir de una población clínica asociada. La aberración de frente de onda se modeló usando polinomios de Zernike en un programa de seguimiento de rayos disponible en el mercado denominado Zemax (Focus Software, Tucson, Arizona). Se realizó una serie de ojos modelo que incorporaron de forma gradual componentes adicionales de Zernike como se muestra en la Tabla I.

TABLA I

1

Los ojos modelo con desfocalización, astigmatismo y aberración esférica se verificaron usando un interferómetro Mark-GPI de ZYGO. Las Figuras 8-15 muestran mediciones mediante dos aberrómetros diferentes de coeficientes de Zernike individuales Z4-Z11 de los ojos modelo ilustrativos de la Tabla I y valores calculados de los coeficientes de aberración.

Las Figuras 3a, b muestran un diseño de ojo modelo alternativo de acuerdo con la invención. En este aspecto, el ojo modelo 400 tiene una parte plana, periférica anular 402 que rodea la superficie convexa 472. La parte periférica 402 incorpora una marca de exactitud de orientación 404 para la colocación rotacional y el alineamiento del ojo modelo. La marca 404, que puede ser un índice escrito por láser, corte, impreso u otro marcado adecuado sobre la superficie de una lente, permite la colocación precisa de forma repetida de ojos modelo que tienen superficies no simétricas de forma rotacional. Se entenderá que el ojo modelo no necesita tener una periferia plana para localizar la marca; más bien también se puede localizar una marca de exactitud en una región periférica de la superficie convexa real de un ojo modelo.

El procedimiento de medición del ojo modelo usando el aberrómetro es similar al de para un ojo humano. Con referencia a la Figura 2, el ojo modelo 32 se coloca en la misma localización que el ojo de un paciente con la superficie convexa 72 recibiendo iluminación de entrada desde la fuente de láser 12. El haz estrecho de energía láser de infrarrojos pasa a través del centro de la superficie convexa sin demasiada desviación ya que el diámetro del haz es pequeño. La energía de láser se lleva hasta un foco en la superficie plana 32 por el sistema de trombón 30 y se refleja de vuelta de forma difusa hacia la superficie convexa 72. La forma del frente de onda de salida depende de la forma de la superficie convexa, la distancia axial, L, entre las superficies convexas y planas y el índice de refracción, n, del ojo modelo a la longitud de onda de interés. Por tanto, la conformación del frente de onda se puede predecir de forma precisa mediante técnicas de seguimiento de rayos bien conocidas.

Mientras que se han seleccionado diversas realizaciones ventajosas para ilustrar la invención, se entenderá por los especialistas en la técnica que se pueden realizar cambios y modificaciones en la misma sin apartarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Un método para calibrar un aberrómetro para medir aberraciones de frente de onda oftálmicas, que comprende las etapas de

: proporcionar un ojo modelo (32, 400) que tenga una aberración de frente de onda conocida donde la aberración de frente de onda conocida es un error de desfocalización para realizar una calibración de foco del aberrómetro;

: colocar dicho ojo modelo (32, 400) a lo largo de un eje óptico de un aberrómetro que se tenga que calibrar en una localización que simule una medición de frente de onda del ojo de un paciente;

: alinear dicho ojo modelo; y

: obtener una medición de frente de onda del ojo modelo (32, 400).

2. El método de la reivindicación 1, en el que el ojo modelo (32, 400) tiene una superficie anterior toroidal, convexa para realizar una calibración de desfocalización y astigmatismo del aberrómetro.

3. El método de la reivindicación 1, en el que el ojo modelo (32, 400) tiene una superficie anterior sin simetría de eje, convexa, para realizar una calibración de aberración de orden mayor del aberrómetro.

4. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de alinear dicho ojo modelo (32, 400) comprende colocar en primer lugar un ojo modelo de alineamiento capaz de alineamiento rotacional en la localización que simula una medición de frente de onda del ojo del paciente, alinear dicho ojo modelo de alineamiento, sustituir el ojo modelo de alineamiento por el ojo modelo y alinear de forma adicional dicho ojo modelo (32, 400).

5. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de alinear dicho ojo modelo (32, 400) comprende usar una cámara de pupila acoplada al aberrómetro para alinear posiciones de ejes x, y del ojo modelo y focalizar la superficie plana posterior del ojo modelo (32, 400) para alinear una posición de eje z del ojo modelo.

6. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de obtener una medición de frente de onda del ojo modelo (32, 400) comprende usar para una medición de calibración una fuente de iluminación igual que para una medición de frente de onda del ojo del paciente.

7. El método de la reivindicación 1, caracterizado de forma adicional porque el método está dirigido a realizar una calibración de foco del aberrómetro, que comprende las etapas de:

: proporcionar el ojo modelo (32, 400) que tiene un error de desfocalización conocido y

: obtener una medición de foco del aberrómetro.

8. El método de la reivindicación 1, caracterizado adicionalmente porque el método se dirige a realizar una calibración de desfocalización y astigmatismo del aberrómetro, que comprende las etapas de:

: proporcionar el ojo modelo (32, 400) que tiene una superficie anterior convexa toroidal bien caracterizada (72, 472); y

: obtener una medición de desfocalización y astigmatismo del ojo modelo (32, 400).

9. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque el método se dirige a realizar una calibración de aberración de orden mayor del aberrómetro, que comprende las etapas de:

: proporcionar el ojo modelo (32, 400) que tiene una superficie anterior convexa sin simetría de eje bien caracterizada (72, 472); y

: obtener una medición de aberración de orden mayor del ojo modelo (32, 400).