TWI496567B - 具有擴展焦深之人工水晶體 - Google Patents

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Description

具有擴展焦深之人工水晶體 發明領域
本發明整體而言係有關於眼用水晶體，及更詳細地係有關於提供增強焦深之眼用水晶體。
 發明背景
在白內障手術期間，例行地在病患眼中植入人工水晶體以替代天然的晶狀體。使用多種眼用水晶體，以矯正視覺疾患諸如白內障、近視、遠視或散光。例如，可在白內障手術期間在病患眼中植入人工水晶體(IOL)，以補償摘除水晶體所喪失的光功率。然而在許多情況下，所植入的水晶體可能無法在標定物距提供最佳焦點。
現代習用的人工水晶體(IOL)鏡片之設計，主要著重於二項成果：矯正像差以提供清楚的遠距離視覺之一種鏡片，或可提供遠距離視覺及同時亦可提供用於近距離視覺需求之一種多焦鏡片。該等設計典型地並未因應病患的另一項重要需求，即對大部分的老年病患而言，絕大部份的視覺需求係集中在特定的中距離。該等老年病患構成接受人工水晶體(IOL)以替代天然水晶體之病患中的高百分比，其等需要自遠距離至中距離之擴展的功能性視覺，以從事每日雜務。目前的人工水晶體(IOL)設計並未充分提供該種擴展的功能性視覺。
因此，需要一種改良型眼用水晶體，及更詳細地相較於先前技藝的人工水晶體(IOL)而言，需要可提供增強焦深之一種改良型人工水晶體(IOL)。
 發明概要
本發明提供眼用水晶體，其展現擴展景深及同時提供用於解析在所選擇的散焦距離範圍之一影像之充分反差。本發明的實施例在人工水晶體(IOL)中納入正弦鏡片設計，以在人類眼中提供擴展的焦深。基於一種古典正弦技術，本發明的實施例納入調幅與調頻技術以提供增強焦深。一實施例可提供用於衰減自瞳孔中心至水晶體周邊之正弦幅度，將更多的光能集中於單一焦平面。另一實施例可用於調制人工水晶體(IOL)鏡片的正弦週期性，以改變取決於瞳孔半徑之有效的鏡片老花加入度。將一正弦曲線上的調幅與調頻作用結合之一實施例，可進一步增強人工水晶體(IOL)的跨焦性能，及產生一種所欲的焦深廓型而無習用設計所經歷之一些透光現象。本發明的鏡片設計之實施例可應用於單焦式、多焦式及/或調節式人工水晶體(IOL)鏡片。
揭露用於矯正折射誤差或在其他情況下增強在一距離範圍的視覺之方法，以及製造本發明的水晶體之方法。本發明的眼用水晶體可用於各種的視覺矯正應用上，包括但不限於可用於偽水晶體性與水晶體性應用之人工水晶體(IOL)。本發明亦可適用於隱形眼鏡、基質內植入物及其他折射裝置方面。
在水晶體/人工水晶體(IOL)的上下文中之“景深”與“焦深”等詞係該等嫻熟技藝者所熟知與即可瞭解，及係指可解析出可接受的影像之物體與影像空間中之距離。就需要定量測量以說明本發明之方面而言，如用於此之“景深”或“焦深”一詞，更詳細地可藉由與水晶體相關聯的散焦量而測量，以3毫米孔徑與綠光如波長約550nm的光測量之水晶體的跨焦調制轉換函數(MTF)，在相當於與水晶體相關聯之繞射限制型空間頻率的約三分之一之空間頻率，展現至少約15%之反差。其他定義亦可適用，及應清楚瞭解景深受到眾多因素之影響，例如包括孔徑尺寸、來自該影像的光之色度含量及水晶體本身的基本功率。
如本發明的教導之人工水晶體(IOL)可具有適於一特定應用之任一標稱功率。在尤其適於白內障病患的人工水晶體(IOL)應用之一實施例中，本發明的一種眼用水晶體可展現位於約17至約25屈光度範圍之標稱功率。在其他應用中，如本發明的教導可形成具有負的標稱功率之水晶體性水晶體。
如本發明的教導之一水晶體的水晶體本體，可由任一適宜的生物可相容性材質形成。例如，水晶體本體可由一種軟性丙烯酸系衍生物諸如美國德州福特沃斯(Fort Worth)的愛爾康實驗室(Alcon Laboratories)股份有限公司所生產之AcrySoft材質、水凝膠或聚矽氧材質形成。例如，水晶體本體可由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。在一些實施例中，特別當所欲者係一種可折疊式人工水晶體(IOL)鏡片時，該水晶體可由丙烯酸酯與丙烯酸甲酯的共聚物形成。該等共聚物組成物的說明性實例，如見1999年7月13日授與Lebouef等人之標題為“眼用水晶體聚合物(Ophthalmic Lens Polymers)”的第5,922,821號美國專利及2002年3月5日授與Freeman等人之標題為“高折射率的眼用裝置材質(High Refractive Index Ophthalmic Device Materials)”的第6,353,069號美國專利，該二者之教導皆在此併入本案以為參考資料。
藉由參考下列詳細說明及簡述如下的相關圖式，可進一步瞭解本發明。
圖式簡單說明
第1圖係以圖式方式描述如本發明的教導之一水晶體；第1A與1B圖係顯示一種正弦鏡片設計之表面廓型圖；第2A至2D圖係說明供不同瞳孔尺寸用之一種正弦水晶體設計的跨焦性能；第3A至3I圖係說明一種正弦鏡片設計(第3A至3C圖)、一種球面水晶體設計(第3D至3F圖)及一種非球面水晶體設計(第3G至3I圖)在人類眼內的跨焦性能；第4A與4B圖係顯示一種調幅式正弦鏡片設計之表面廓型圖；第5A與5B圖係顯示一種調頻式正弦鏡片設計之表面廓型圖；第6A與6B圖係顯示本發明之調幅式與調頻式正弦鏡片設計的一實施例之表面廓型圖；及第7A至7I圖係說明一種正弦鏡片設計(第7A至7C圖)、一種調幅式正弦鏡片設計(第7D至7F圖)及本發明之調幅式與調頻式正弦鏡片設計的一實施例(第7G至7I圖)在人類眼內的跨焦性能。
 發明之詳細說明
本發明提供藉由將一正弦曲線上的調幅與調頻作用結合而展現擴展的景深之一種眼用水晶體。本發明的一水晶體因此可矯正折射誤差，或在其他情況下藉由提供用於解析在所選擇的散焦距離範圍之一影像之充分反差而增強視覺，該散焦距離範圍係與該水晶體所展現的增強景深相稱。
第1圖係以圖式方式說明如本發明的教導之一例示性水晶體10，其包括具有二個折射表面14與16之一個水晶體鏡片12。雖然述及該等折射表面大致上為凸型，任一表面均可具有一個大致上凹型的形狀。任擇地，可選擇表面14與16以產生一個平凹型或一個平凸型水晶體。因此，如本發明的教導之一種水晶體可具有正或負的標稱功率。
可自多種生物可相容性軟性材質形成水晶體鏡片12。例如，水晶體鏡片12可由一種軟性丙烯酸系衍生物材質如丙烯酸酯與丙烯酸甲酯的一種共聚物形成，或由水凝膠或聚矽氧形成。該等具有一般技藝者將瞭解，事實上可使用展現水晶體的一特定應用所必需之折射率之任一軟性生物可相容性材質，以產生本發明的一水晶體，諸如上述的例示性水晶體10。
折射表面16展現波狀起伏的形貌。為了說明之目的，而將表面調制作用誇大。更詳細地，折射表面16之特徵可在於如虛線所描述之一種基本彎曲或廓型18，在其上重疊一種連續的表面偏差模式20。例示性基本廓型18大致上為球面，及沿著水晶體本體/鏡片12的一光軸22而徑向對稱。類似地，在該例示性實施例中，該連續的表面偏差模式亦沿著光軸22而徑向對稱。雖然在該實施例中的基本廓型18係球面，在其他實施例中，可使用非球面基本廓型以實施本發明。
本發明的調幅式及/或調頻式正弦鏡片設計之實施例，可提供一種所欲的增強焦深鏡片設計。基於一種古典正弦技術，揭露以調幅與調頻為基礎的二種設計。第一種設計衰減自瞳孔中心至鏡片周邊之正弦幅度，將更多的光能集中於單一焦平面。第二種設計調制一鏡片的正弦週期性，以改變取決於瞳孔半徑之有效老花加入度。本發明的實施例結合該二種設計類型，以進一步增強跨焦鏡片性能及產生所欲的焦深廓型。本發明的實施例可以單焦式、調節式及/或多焦式人工水晶體形式施行。
使用Matlab程式，執行用於模式化本發明實施例之數值計算。選擇一種波動光學法，以模式化主要著重在50線對/毫米(20/40VA)與100線對/毫米(20/20VA)的跨焦調制轉換函數之正弦鏡片結構與性能之評估。
提出古典正弦設計作為產生三焦行為之一種任擇方式，而無在一鏡片諸如一種人工水晶體(IOL)鏡片中的急劇繞射步驟之不利的透光效應。可藉由方程式1描述該正弦曲線。
其中a係決定正弦曲線的幅度及在不同焦點的繞射效率之一參數，及b係確定週期性與老花加入度之一參數。
在一研究中，使用a=0.5877與b=2.2之參數數值，而得±0.5D老花加入度。可調整參數，以因應設計環境自空氣至前房液之改變，如將在此所論及者。在第1A與1B圖中說明一種正弦鏡片設計的鏡片表面廓型。第1A圖係一維表面廓型圖，而第1B圖係表面高度圖。自鏡片/瞳孔中心至鏡片周邊，正弦曲線以類似於典型多焦式水晶體之一方式變得越發地密集。在假設並無高階像差之下，就一習用的濕室內之3.0毫米、4.5毫米及5.0毫米瞳孔，計算具有該設計的水晶體之跨焦性能。該等結果分別說明於第2A、2C及2D圖。
計算結果忠實地反映一種正弦鏡片設計之獨特的特性。就縮小型瞳孔(如約3毫米)而言，在週期性結構之間的干擾發生之前，暴露的中央部份係受制於折射效應(+0.5D加入)。位於-0.57D散焦(對應於+0.57D老花加入度)之跨焦MTF峰，係顯示該效應。如第2B圖中所示之MTF確認在該散焦水平之良好的光學品質。在放大型瞳孔(4.5毫米與5.0毫米)的繞射效應越發地明顯，如在100線對/毫米之三個不同的跨焦峰所示。所評估的波長為550nm。
比較上述正弦設計與現有球面及非球面人工水晶體(IOL)鏡片設計之跨焦性能。結果示於第3A至3I圖。計算正弦設計(第3A至3C圖)、一種球面水晶體設計(第3D至3F圖)及一種非球面水晶體設計(第3G至3I圖)在人類眼睛(角膜具有0.28微米的球面像差)內之跨焦性能。評估在三種不同的瞳孔尺寸之性能：3.5毫米瞳孔(第3A、3D、3G圖)；4.5毫米瞳孔(第3B、3E、3H圖)；及6.0毫米瞳孔(第3C、3F、3I圖)。使用四種典型的空間頻率：25、50、75及100線對/毫米，以進行評估。
總體而言，如相較於先前技藝的球面與非球面人工水晶體(IOL)鏡片設計，正弦設計擴展焦深。對於放大型瞳孔而言，在球面鏡片設計中之大量的球面像差，迅速地降低調制作用。對於所有瞳孔而言，非球面的人工水晶體(IOL)鏡片設計，維持良好的峰值光學性能。然而，非球面水晶體設計具有有限的焦深。
對於放大型瞳孔而言，典型正弦設計的繞射效應造成調制轉換函數相當地低，因為分光進入三個不同的焦點之故。調制轉換之降低，典型地造成反差靈敏度之降低及使得夜晚的駕駛能力變差。過去，在多焦式人工水晶體(IOL)設計中，係以複消色差(Apodization)方案因應低調制轉換之效應。類似地，可以一餘弦函數調制一正弦鏡片的正弦幅度，其可將較多的光移至一個所選擇的繞射級，如當瞳孔尺寸放大時(如在黑暗條件下)之0繞射級。
在第4A與4B圖中說明一種調幅式(AM)正弦鏡片設計。第4A圖顯示一個一維表面廓型圖，而第4B圖顯示一個二維表面高度圖。餘弦調制函數自瞳孔(鏡片)中心的1.0開始，及逐漸地降低而在5毫米瞳孔直徑為0。調幅作用之分析說明係由方程式2提供。
其中r 0 係餘弦調制作用的終端瞳孔半徑。
第7D至7F圖說明將進一步論述於後之調幅正弦設計的跨焦性能。如第7F圖中所示，對於6.0毫米入射瞳孔之100線對/毫米的峰值性能，已自正弦設計的0.28改進至0.40(約增加40%)。
增強的焦深對於放大型瞳孔(夜晚駕駛狀態)的助益可能較少，及因此對於放大型瞳孔而言，降低焦深可能有助於將更多能量集中於一遠距的焦點。調頻作用係一種新穎的技術，當瞳孔尺寸放大時，其有助於降低正弦設計的老花加入度。一種調頻式正弦鏡片設計之表面廓型係示於第5A與5B圖。第5A圖顯示一個一維表面廓型圖，及第5B圖顯示一個二維表面高度圖。第5A圖亦顯示一種未經調制的正弦鏡片設計，以進行比較。歸因於老花加入度降低之性質，尖峰之間的間隔自水晶體/瞳孔中心至水晶體周邊變得更疏散，其係以分析方式由下列方程式3表示。
其中f(r) 為瞳孔半徑的平方根。
為進一步增強在放大型瞳孔尺寸之光學性能，本發明的實施例在一種正弦鏡片設計上結合調幅與調頻作用，將光能集中於單一焦平面。本發明之調幅式與調頻式正弦鏡片設計的一實施例之表面廓型，可藉由方程式(4)描述，及表面廓型係示於第6A與6B圖中。
第6A圖顯示本發明的調幅式與調頻式正弦鏡片設計之一實施例的一個一維表面廓型圖，及第6B圖顯示一個二維表面高度圖。調幅作用與調頻作用之結合，顯著地增進一鏡片的跨焦性能。主要歸因於調頻作用之效應，將峰值調制轉換恢復到縮小型(3.5毫米)與中型(4.5毫米)瞳孔之正視狀態。在3.5毫米、4.5毫米及6.0毫米所達到之峰值MTF性能，分別約為0.30、0.40及0.50。
第7A至7I圖說明一種正弦鏡片設計(第7A至7C圖)、一種調幅式正弦鏡片設計(第7D至7F圖)及本發明之調幅式與調頻式正弦鏡片設計的一實施例(第7G至7I圖)在人類眼睛(角膜具有0.28微米的球面像差)內之跨焦性能。評估在三種不同的瞳孔尺寸之性能：3.5毫米瞳孔(第7A、7D、7G圖)；4.5毫米瞳孔(第7b、7E、7H圖)；及6.0毫米瞳孔(第7C、7F、7I圖)。使用四種典型的空間頻率：25、50、75及100線對/毫米，以進行評估。
如本發明的教導之一種眼用水晶體，可用於多種視覺矯正應用。該等應用包括但不限於人工水晶體(IOL)、隱形眼鏡、基質內植入物及其他折射裝置。例如，本發明的一水晶體可作為一種改良型人工水晶體(IOL)，以改善白內障手術後所典型存在的殘餘折射誤差。眾所周知在施行白內障手術時，諸如手術儀器精密度、人工水晶體(IOL)產品精密度、手術前生物測量數據、外科醫師的技術水平及個體間的囊袋差異之因素，可造成手術後之所欲折射誤差的變異。折射誤差的該等變異之一個標準偏差，可大至0.5屈光度。該殘餘折射誤差可能持續一段長時間，可損及病患的視覺敏銳度。結果，許多病患需要眼鏡以增強手術後的視覺敏銳度。
依據本發明的教導所產生之一種人工水晶體(IOL)，可使得白內障手術結果之可預測性更高，因而減少白內障手術後對於眼鏡之依賴性。尤其，本發明之人工水晶體(IOL)可包括增強人工水晶體(IOL)的景深之一個具有表面偏差的折射表面，及因此降低人工水晶體(IOL)對於上述誤差的敏感度。換言之，植入本發明的人工水晶體(IOL)之病患眼睛展現增加的焦深，及因此在較廣的散焦範圍內提供視覺性能之改善。因此，手術後之折射誤差變異對於病患視覺性能之影響降低。
該等具有一般技藝者將瞭解，可在上述實施例進行各種修飾而不偏離本發明的範圍。
10．．．水晶體
12．．．水晶體鏡片
14．．．折射表面
16．．．折射表面
18．．．基本廓型
20．．．連續的表面偏差模式
22．．．光軸
第1圖係以圖式方式描述如本發明的教導之一水晶體；
第1A與1B圖係顯示一種正弦鏡片設計之表面廓型圖；
第2A至2D圖係說明供不同瞳孔尺寸用之一種正弦水晶體設計的跨焦性能；
第3A至3I圖係說明一種正弦鏡片設計(第3A至3C圖)、一種球面水晶體設計(第3D至3F圖)及一種非球面水晶體設計(第3G至3I圖)在人類眼內的跨焦性能；
第4A與4B圖係顯示一種調幅式正弦鏡片設計之表面廓型圖；
第5A與5B圖係顯示一種調頻式正弦鏡片設計之表面廓型圖；
第6A與6B圖係顯示本發明之調幅式與調頻式正弦鏡片設計的一實施例之表面廓型圖；及
第7A至7I圖係說明一種正弦鏡片設計(第7A至7C圖)、一種調幅式正弦鏡片設計(第7D至7F圖)及本發明之調幅式與調頻式正弦鏡片設計的一實施例(第7G至7I圖)在人類眼內的跨焦性能。
10．．．水晶體
12．．．水晶體鏡片
14．．．折射表面
16．．．折射表面
18．．．基本廓型
20．．．連續的表面偏差模式
22．．．光軸

Claims (12)

  1. 一種眼科水晶體，其包含：具有沿著一光軸設置的一個前表面與一個後表面之一鏡片，其中：該等表面中之至少一者具有特徵在於疊合一基本廓型與一輔助正弦廓型之一廓型，該輔助正弦廓型包含自基本廓型之一個連續的表面偏差模式，其中該輔助正弦廓型係經一由下列關係式之至少一者所界定之餘弦函數調制： ；以及 其中，a 係指正弦曲線的幅度及在不同焦點的繞射效率；b 係指週期性與老花加入度；r 係指距水晶體的一光軸之一徑向距離；r 0 為餘弦調制作用的終端瞳孔半徑；及f(r) 為瞳孔半徑的平方根。
  2. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該前表面與後表面為凸型。
  3. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該前表面與 後表面為凹型。
  4. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該基本廓型大致上為球面。
  5. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該基本廓型係沿著該眼科水晶體的一光軸而對稱。
  6. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該基本廓型大致上為非球面。
  7. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該輔助廓型係沿著眼科水晶體的一光軸而對稱。
  8. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該眼科水晶體包括一種人工水晶體(IOL)。
  9. 如申請專利範圍第8項之眼科水晶體，其中該人工水晶體(IOL)係一種單焦式人工水晶體(IOL)。
  10. 如申請專利範圍第8項之眼科水晶體，其中該人工水晶體(IOL)係一種調節式人工水晶體(IOL)。
  11. 如申請專利範圍第8項之眼科水晶體，其中該人工水晶體(IOL)係一種多焦式人工水晶體(IOL)。
  12. 如申請專利範圍第1項之眼科水晶體，其中該前表面與後表面係折射表面。
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