ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА С РАСШИРЕННОЙ ГЛУБИНОЙ ФОКУСА
INTRAOCULAR LENS HAVING EXTENDED DEPTH OF FOCUS

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится в целом к офтальмологическим линзам, а конкретнее к офтальмологическим линзам, которые обеспечивают увеличенную глубину фокуса.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Интраокулярные линзы (ИОЛ) обычно имплантируются в глаза пациентов во время операции по поводу катаракты для замещения естественных кристаллических хрусталиков. Разнообразные офтальмологические линзы используются для коррекции расстройств зрения, таких как катаракта, миопия, гиперопия или астигматизм. Например, интраокулярная линза (ИОЛ) может имплантироваться в глаз пациента во время операции по поводу катаракты для компенсации утраченной оптической силы удаленной линзы. Однако во многих случаях имплантированная линза может не обеспечить наилучший фокус на целевом расстоянии объекта.
Конструкция современной обычной оптики ИОЛ главным образом сфокусирована на двух положениях: оптике, которая обеспечивает коррекцию аберрации для обеспечения четкого дистанционного зрения, или мультифокальной оптике, которая обеспечивает зрение на дальность, в то же время, удовлетворяя потребности зрительного восприятия близко расположенных объектов. Данные конструкции обычно не направлены на удовлетворение другой важной потребности пациента: у большинства пожилых пациентов большая часть зрительных потребностей сосредоточена вокруг определенных промежуточных расстояний. Эти пожилые пациенты, которые составляют большую процентную долю пациентов, получающих ИОЛ для замещения натурального хрусталика, требуют расширенного функционального зрения, от дистанционного до промежуточного, для выполнения повседневных бытовых манипуляций. Расширенное функциональное зрение недостаточно обеспечивается современными конструкциями ИОЛ.
Соответственно существует потребность в усовершенствованной офтальмической линзе, а конкретнее в усовершенствованной ИОЛ, которая может обеспечить увеличенную глубину фокуса по сравнению с ИОЛ предшествующего уровня техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к офтальмологическим линзам, которые проявляют расширенную глубину поля, в то же время, обеспечивая достаточный контраст для разрешения изображения по выбранному диапазону расфокусированных расстояний. Варианты осуществления настоящего изобретения включают синусоидальные оптические конструкции в ИОЛ для обеспечения расширенной глубины фокуса в глазу пациента. На основании классической синусоидальной методики варианты осуществления настоящего изобретения включают методики модуляции амплитуды и модуляции частоты для обеспечения увеличенной глубины фокуса. Один вариант осуществления может обеспечить ослабление синусоидальной амплитуды от центра зрачка до периферии линзы, концентрируя больше световой энергии в одну фокальную плоскость. Другой вариант осуществления может обеспечить модуляцию синусоидальной периодичности оптики ИОЛ для изменения эффективной добавленной оптической силы линзы как функции радиуса зрачка. Вариант осуществления, комбинирующий модуляцию амплитуды и модуляцию частоты на синусоидальной кривой, может дополнительно увеличить трансфокальную функцию ИОЛ и генерировать желательный профиль глубины фокуса, лишенный определенных световых феноменов, испытываемых при обычных конструкциях. Варианты осуществления оптической конструкции по настоящему изобретению могут применяться к однофокусным, многофокусным и/или аккомодационным оптическим устройствам ИОЛ.
Раскрыты способы коррекции рефрактивных ошибок или иного усиления зрения по диапазону расстояний, а также способы изготовления линз по настоящему изобретению. Офтальмологические линзы по настоящему изобретению могут использоваться при различных видах применения для коррекции зрения, включая без ограничения ИОЛ, которые могут использоваться и для псевдофакических, и факических видов применения. Изобретение также может применяться в связи с контактными линзами, внутриглазными имплантатами и другими рефрактивными устройствами.
Термины «глубина поля» и «глубина фокуса» в контексте линзы/ИОЛ хорошо известны и вполне понятны специалистам в данной области как относящиеся к расстояниям до объекта и пространствам изображения, по которым может осуществляться разрешение приемлемого изображения. В той степени, в которой количественное измерение необходимо для описания настоящего изобретения, используемый в настоящем описании термин «глубина поля» или «глубина фокуса» более конкретно может быть измерен количеством дефокусирования, связанного с линзой, при которой модуляция функции трансфокальной передачи (MTF) линзы, измеренная при апертуре 3 мм и зеленом свете, например свете, имеющем длину волн примерно 550 нм, проявляет контраст, по меньшей мере, примерно 15% при пространственной частоте, равной примерно одной трети ограниченной дифракцией пространственной частоты, связанной с этой линзой. Могут также применяться другие определения, и должно быть понятно, что на глубину поля влияет множество факторов, включая, например, размер апертуры, хроматическое содержимое света от изображения и базовую силу самой линзы.
ИОЛ в соответствии с положениями изобретения может иметь любую номинальную силу, подходящую для конкретного применения. В одном варианте осуществления, особенно подходящем для видов применения ИОЛ у пациентов с катарактой, офтальмологическая линза по изобретению может проявлять номинальную оптическую силу в диапазоне от примерно 17 до примерно 25 диоптрий. При других видах применения факические линзы, имеющие отрицательную номинальную оптическую силу, могут быть образованы в соответствии с положениями изобретения.
Тело линз ИОЛ в соответствии с положениями изобретения может быть сформировано из любого подходящего биологически совместимого материала. Например, тело линзы может быть сформировано из мягкого акрилового материала, такого как материал AcrySoft, выпускаемый компанией Alcon Laboratories, Inc., of Fort Worth, TX, гидрогеля или силиконового материала. Например, тело линзы может быть сформировано из полиметилметакрилата (РММА). В некоторых вариантах осуществления, особенно когда желательна складываемая линза ИОЛ, линза может быть сформирована из сополимера акрилата и метакрилата. Иллюстративные примеры таких сополимерных композиций описаны, например, в патенте США №5922821, озаглавленном «Полимеры офтальмологических линз», выданном Lebouef et al. 13 июля 1999 г., и в патенте США №6353069, озаглавленном «Материалы для глазных устройств с высоким рефрактивным индексом», выданном Freeman et al. 5 марта 2002 г., положения которых включены в настоящее описание путем ссылки.
Согласно изобретению предусмотрена офтальмологическая линза, содержащая оптику, имеющую переднюю поверхность и заднюю поверхность, расположенные по оптической оси, где:
по меньшей мере, одна из поверхностей имеет профиль, характеризуемый наложением базового профиля и вспомогательного синусоидального профиля, причем вспомогательный синусоидальный профиль содержит непрерывный тип отклонений поверхности от базового профиля, при этом вспомогательный синусоидальный профиль модулирован косинусной функцией, как определяется, по меньшей мере, одним из следующих отношений:
,
,
и
,
при этом a обозначает амплитуду синусоидальной кривой и эффективность дифракции в различных фокусах; а
b обозначает периодичность и добавленную оптическую силу;
r обозначает радиальное расстояние от оптической оси линзы;
0
r представляет конечный радиус зрачка косинусной модуляции;
и
f(r) представляет квадратный корень радиуса зрачка.
При этом у линзы передняя поверхность и задняя поверхность являются выпуклыми или вогнутыми.
Кроме того, базовый профиль линзы согласно изобретению является в целом сферическим и симметричным по оптической оси офтальмологической линзы.
Кроме того, базовый профиль линзы является в целом асферическим, а вспомогательный профиль является симметричным по оптической оси офтальмологической линзы.
При этом офтальмологическая линза представляет собой интраокулярную линзу (ИОЛ)и ИОЛ может представлять собой монофокальную ИОЛ, аккомодационную ИОЛ или мультифокальную ИОЛ.
При этом передняя поверхность и задняя поверхность линзы представляют собой рефрактивные поверхности.
Изобретение можно, кроме того, понять из следующего детального описания и прилагаемых чертежей, которые кратко описаны ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 схематически изображена линза в соответствии с положениями настоящего изобретения;
на фиг.1A и 1B показаны графики профиля поверхности синусоидальной оптической конструкции;
фиг.2A-2D иллюстрируют трансфокальную функцию синусоидальной конструкции линзы для различных размеров зрачка;
фиг.3A-3I иллюстрируют трансфокальную функцию внутри глаза человека для синусоидальной оптической конструкции (фиг.3A-3C), конструкции сферической линзы (фиг.3D-3F) и конструкции асферической линзы (фиг.3G-3I);
на фиг.4A и 4B показаны графики профиля поверхности модулированной по амплитуде синусоидальной оптической конструкции;
на фиг.5A и 5B показаны графики профиля поверхности модулированной по частоте синусоидальной оптической конструкции;
на фиг.6A и 6B показаны графики профиля поверхности варианта осуществления модулированной по амплитуде и модулированной по частоте синусоидальной оптической конструкции по настоящему изобретению; и
фиг.7A-7I иллюстрируют трансфокальную функцию внутри глаза человека для синусоидальной оптической конструкции (фиг.7A-7C), для модулированной по амплитуде синусоидальной оптической конструкции (фиг.7D-7F) и для варианта осуществления модулированной по амплитуде и модулированной по частоте синусоидальной оптической конструкции по настоящему изобретению (фиг.7G-7I).
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе, которая проявляет расширенную глубину поля путем комбинирования амплитудной модуляции и частотной модуляции на синусоидальной кривой. Линза по изобретению может, таким образом, корректировать рефрактивные ошибки или иным образом усиливать зрение путем обеспечения достаточного контраста для разрешения изображения по выбранному диапазону расстояний дефокусирования, которые соответствуют увеличенной глубине поля, проявляемой линзой.
На фиг.1 схематически показана иллюстративная линза 10 в соответствии с положениями настоящего изобретения, которая включает оптику 12 линзы, имеющую две рефрактивных поверхности 14 и 16. Хотя рефрактивные поверхности изображены как являющиеся в целом выпуклыми, любая поверхность может иметь в целом вогнутую форму. Альтернативно, поверхности 14 и 16 могут быть выбраны для получения плоско-выпуклой или плоско-вогнутой линзы. Следовательно, линза в соответствии с положениями изобретения может иметь положительную или отрицательную номинальную оптическую силу.
Оптика 12 линзы может быть образована из разнообразных биологически совместимых мягких материалов. Например, оптика 12 линзы может быть образована из мягкого акрилового материала, например, сополимера акрилата и метакрилата, или гидрогеля или силикона. Средним специалистам в данной области понятно, что в действительности любой мягкий биологически совместимый материал, который проявляет необходимый показатель преломления для конкретного вида применения линзы, может использоваться для получения линзы по изобретению, такой как описанная выше иллюстративная линза 10.
Рефрактивная поверхность 16 имеет волнистую топографию. В целях иллюстрации модуляции поверхности были преувеличены. Конкретнее, рефрактивная поверхность 16 может характеризоваться базовой кривизной или профилем 18, изображенным пунктирными линиями, на которые наложена непрерывная картина 20 отклонений поверхности. Иллюстративный базовый профиль 18 является в целом сферическим и радиально-симметричным вокруг оптической оси 22 тела/оптики 12 линзы. Аналогичным образом, в данном иллюстративном варианте осуществления непрерывный тип отклонений поверхности также является радиально-симметричным вокруг оптической оси 22. Хотя базовый профиль 18 в данном варианте осуществления является сферическим, в других вариантах осуществления асферические базовые профили могут использоваться при практическом исполнении изобретения.
Варианты осуществления модулированной по амплитуде и/или частоте синусоидальной оптической конструкции по настоящему изобретению могут обеспечить желательную оптическую конструкцию с увеличенной глубиной фокуса. На основании классической синусоидальной методики обсуждаются две конструкции, основанные на модуляции амплитуды и модуляции частоты. Первая конструкция ослабляет синусоидальную амплитуду оптического устройства от центра зрачка к оптической периферии для концентрации большего количества энергии в одной фокальной плоскости. Вторая конструкция модулирует синусоидальную периодичность оптики для варьирования эффективной добавленной оптической силы как функции радиуса зрачка. Варианты осуществления настоящего изобретения комбинируют указанные два типа конструкции для дополнительного усиления трансфокусной оптической функции и генерирования желательного профиля глубины фокуса. Варианты осуществления настоящего изобретения могут осуществляться в виде монофокальных, аккомодационных и/или мультифокальных внутриглазных линз.
Вычисления, используемые для модулирования вариантов осуществления по настоящему изобретению, выполняли с использованием программы Matlab. Подход с использованием волновой оптики был выбран для моделирования синусоидальной оптической структуры, и оценка функции главным образом сосредоточена на функции передачи трансфокальной модуляции при 50 (20/40 VA (реактивная мощность ВА)) и 100 lp/mm (разрешение в парах линий/мм) (20/20 VA).
Классическая синусоидальная конструкция была предложена в качестве альтернативного пути для генерирования трифокального поведения без неблагоприятных световых эффектов резких дифрактивных стадий в оптике, такой как оптика ИОЛ. Синусоидальная кривая может быть описана уравнением 1.
где a представляет параметр, определяющий амплитуду синусоидальной кривой и эффективность дифракции в различных фокусах, a b представляет параметр, определяющий периодичность и добавленную оптическую силу.
В исследовании использовали величины параметров a=0,5877 и b=2,2, которые дали добавленную оптическую силу ±0,5 диоптрий. Параметр а может регулироваться для учета изменения среды конструкции от воздуха к водянистой влаге, как будет обсуждено ниже в настоящем описании. Оптический профиль поверхности синусоидальной оптической конструкции иллюстрируется на фиг.1A и 1B. Фиг.1A представляет собой график одномерного профиля поверхности, а фиг.1B представляет собой карту высоты поверхности. Синусоидальная кривая становится все более плотной от оптического/зрачкового центра к оптической периферии, подобно тому, как это происходит в типичной мультифокальной линзе. Трансфокальную функцию линзы, имеющей данную конструкцию, при допущении аберраций высокого порядка рассчитывали для зрачка 3,0 мм, 4,5 мм и 5,0 мм внутри обычного элемента с жидким электролитом. Фиг.2A, 2C и 2D соответственно иллюстрируют данные результаты.
Результаты расчета справедливо отражают уникальные характеристики синусоидальной оптической конструкции. Для маленьких зрачков (например, примерно 3 мм) открытая центральная часть доминирует рефрактивным эффектом (добавленная оптическая сила +0,5 диоптрий) перед тем, как происходит интерференция между периодическими структурами. Трансфокальные MTF достигали пика при дефокусировании -0,57 D (соответствующем добавленной оптической силе +0,57 D), проявляющем данный эффект. MTF, как показано на фиг.2В, подтверждает хорошее оптическое качество при данном уровне дефокусирования. При больших зрачках (4,5 мм и 5,0 мм) дифрактивные эффекты были все более очевидны, что указывают три отчетливых трансфокальных пика при 100 lp/mm. По оценкам длина волн составляет 550 нм.
Трансфокальную функцию синусоидальной конструкции, описанной выше, сравнивали с оптическими конструкциями существующих сферических и асферических ИОЛ. Результаты показаны на фиг.3A-3I. Трансфокальную функцию внутри глаза человека (роговицы со сферической аберрацией 0,28 мкм) рассчитывали для синусоидальной конструкции (фиг.3A-3C), сферической конструкции линзы (фиг.3D-3F) и асферической конструкции линзы (фиг.3G-3I). Оценивали функцию при трех различных размерах зрачка: зрачка 3,5 мм (фиг.3A, 3D, 3G); зрачка 4,5 мм (фиг.3B, 3E, 3H) и зрачка 6,0 мм (фиг.3C, 3F, 3I). Для оценки использовали четыре типичных пространственных частоты: 25, 50, 75 и 100 lp/mm.
В целом синусоидальная конструкция расширяет глубину фокуса по сравнению с оптическими конструкциями сферических и асферических ИОЛ предшествующего уровня техники. Большое количество сферической аберрации в сферической конструкции оптики быстро уменьшает модуляцию для больших зрачков. Конструкция оптики асферической ИОЛ поддерживает хорошую максимальную оптическую функцию для всех зрачков. Однако асферическая конструкция линзы имеет ограниченную глубину фокуса.
Для больших зрачков дифрактивный эффект классической синусоидальной конструкции приводит к функциям передачи модуляции, являющимся достаточно низкими ввиду расщепления света на три различных фокуса. Сниженные передачи модуляции обычно приводят к сниженной контрастной чувствительности и нарушают выполнение вождения транспорта в ночное время. В прошлом на эффект низких передач модуляции в конструкциях мультифокальных ИОЛ воздействовали схемой аподизации. Аналогичным образом синусоидальная амплитуда синусоидальной оптики может модулироваться косинусной функцией, которая может сдвинуть больше света к выбранному порядку дифракции, например нулевому порядку дифракции, по мере увеличения размера зрачка (например, в условиях темноты).
Модулированная по амплитуде (AM) синусоидальная конструкция оптики иллюстрируется на фиг.4A и 4B. На фиг.4A показан график одномерного профиля поверхности, а на фиг.4B показана двухмерная карта высоты поверхности. Косинусная функция модуляции начинается от 1,0 в центре (оптики) зрачка и постепенно уменьшается до 0 при диаметре зрачка 5,0 мм. Аналитическое описание амплитудной модуляции представлено уравнением 2.
0
где r представляет конечный радиус зрачка косинусной модуляции.
Фиг.7D-7F иллюстрируют трансфокальную функцию модулированной по амплитуде синусоидальной конструкции, как будет далее обсуждено ниже. Как показано на фиг.7F, пиковая функция 100 lp/mm для входного зрачка 6,0 мм улучшилась с 0,28 синусоидальной конструкции до 0,40 (увеличение на ~40%).
Увеличенная глубина фокуса может иметь меньшее преимущество для большого зрачка (состояние вождения транспортных средств ночью), и поэтому уменьшенная глубина фокуса для большого зрачка может помочь концентрировать большее количество энергии на дальний фокус. Новая методика, частотная модуляция, помогла уменьшить добавленную оптическую силу синусоидальной конструкции по мере увеличения зрачка. Профиль поверхности модулированной по частоте синусоидальной конструкции оптики показан на фиг.5A и 5B. На фиг.5A показан график одномерного профиля поверхности, а на фиг.5B показана двухмерная карта высоты профиля. На фиг.5A также показана немодулированная синусоидальная конструкция оптики для сравнения. Ввиду природы уменьшения добавленной оптической силы, промежуток между пиками становится шире от центра линзы/зрачка до периферии линзы, что аналитически выражено представленным ниже уравнением 3.
где f(r) представляет квадратный корень радиуса зрачка.
Для дальнейшего усиления оптической функции при большом размере зрачка варианты осуществления настоящего изобретения комбинируют амплитудную модуляцию и частотную модуляцию на синусоидальной конструкции оптики, концентрируя световую энергию в одну фокальную плоскость. Профиль поверхности варианта осуществления конструкции модифицированной по амплитуде и частоте синусоидальной оптики может быть описан уравнением (4), и профиль поверхности показан на фиг.6A и 6B.
На фиг.6A показан одномерный график профиля поверхности, а на фиг.6B показана карта высоты поверхности одного варианта осуществления конструкции модулированной по амплитуде и модулированной по частоте синусоидальной оптики по настоящему изобретению. Комбинация амплитудной модуляции и частотной модуляции значительно улучшает трансфокальную функцию оптики. Передачи пиковой модуляции (MTF) повторно центрируются в эмметропическое состояние для маленьких (3,5 мм) и средних (4,5 мм) зрачков в значительной степени ввиду эффекта частотной модуляции. Максимальная функция MTF достигла грубо 0,30, 0,40 и 0,50 для 3,5 мм, 4,5 мм и 6,0 мм соответственно.
Фиг.7A-7I иллюстрируют трансфокальную функцию внутри глаза человека (роговица со сферической аберрацией 0,28 мкм) для конструкции синусоидальной оптики (фиг.7A-7C), для конструкции модулированной по амплитуде синусоидальной оптики (фиг.7D-7F) и для варианта осуществления конструкции модулированной по амплитуде и модулированной по частоте синусоидальной оптики по настоящему изобретению (фиг.7G-7I). Оценивали функцию при трех различных размерах зрачка: зрачке 3,5 мм (фиг.7A, 7D, 7G); зрачке 4,5 мм (фиг.7B, 7E, 7H) и зрачке 6,0 мм (фиг.7C, 7F, 7I). Для оценки использовали четыре типичные пространственные частоты: 25, 50, 75 и 100 lp/mm.
Офтальмологическая линза в соответствии с положениями изобретения может использоваться при разнообразных видах применения для коррекции зрения. Такие виды применения включают без ограничения внутриглазные линзы (ИОЛ), контактные линзы, интрастромальные имплантаты и другие рефрактивные устройства. Например, линзы по изобретению могут использоваться в качестве усовершенствованных ИОЛ, которые смягчают остаточные рефрактивные ошибки, которые обычно присутствуют после операции по поводу катаракты. В практике хирургического лечения катаракты хорошо известно, что такие факторы, как прецизионность хирургического инструмента, прецизионность изделия ИОЛ, предоперационные биометрические данные, уровень навыков хирурга и различия капсулярного мешка среди индивидов, могут вызвать изменения желательной рефрактивной ошибки после операции. Одно стандартное отклонение таких изменений рефрактивной ошибки может достигать 0,5 диоптрий. Такая остаточная рефрактивная ошибка, которая может сохраняться в течение длительного времени, может снижать остроту зрения пациента. Следовательно, многим пациентам требуются очки для достижения усиленной остроты зрения после операции.
ИОЛ, образованная в соответствии с положениями изобретения, может использоваться для того, чтобы придать исходам операций по поводу катаракты большую прогнозируемость и, таким образом, снизить зависимость от очков после операции по поводу катаракты. В частности, ИОЛ по изобретению может включать рефрактивную поверхность, имеющую отклонения поверхности, которые вызывают усиление глубины поля ИОЛ и, следовательно, снижают чувствительность ИОЛ к описанным выше ошибкам. Другими словами, глаз пациента, в который имплантирована ИОЛ по изобретению, проявляет увеличенную глубину фокуса и, следовательно, обеспечивает улучшенную зрительную функцию в пределах более широкого диапазона дефокусирования. Соответственно, послеоперационные изменения рефрактивной ошибки оказывают меньшее воздействие на зрительную функцию пациента.
Средним специалистам в данной области понятно, что различные модификации могут быть внесены в описанные выше варианты осуществления без отхода от объема изобретения.