非球面人工晶状体及用于设计该人工晶状体的方法

摘要

本发明披露了一种新型人工晶状体(IOL)和一种用于改善眼科学领域内这种晶状体的方法，其包括不同于完全球面几何学的表面形状改良。该新型人工晶状体的设计考虑了人视觉器官的天然光学构造例如视轴倾斜和瞳孔偏心等。此外，该设计方法补偿了可能由植入和手术作用引起的误差。

说明书

技术领域

本发明披露了一种新型人工晶状体(眼内透镜，IOL)及一种用于在眼科学领域内改善这种晶状体的方法，其包括不同于完全(完美，perfect)球面几何学的表面形状改良(改变，modification)。

背景技术

白内障治疗作为全世界致盲的主要原因，从古罗马时代(公元第一和第二世纪)已经是一个为人熟知的过程。从古罗马时代起至今，完全摘除不透光的人眼晶状体仍然是部分恢复患者视力的最佳选择。可以预料，由于忽略了天然人晶状体对视觉器官的折射贡献，而在摘除晶状体时无法对该折射作用进行足够的补偿，因此所获得的结果比较糟糕。

白内障手术的突破似乎是在1949年，英国医生Harold Ridley首次成功植入由硬PMMA塑料制成的人工晶状体。该晶状体能够补偿天然人工晶状体的视力损失。从这时起，IOL和手术技术不断改善。如今，白内障手术是眼科学中实施最多的手术，美国每年超过2,300,000个患者，而欧洲和日本每年实施大约3,000,000例手术。

根据光学系统而言，只有人工晶状体被正确定位并聚焦时，才能实现人眼的性能(特性，performance)。通过满足该条件，来自远物点的入射光线在视网膜上形成的模糊斑点最少，并提供清晰视觉。要使IOL恰当适应于个体人眼仍然比较困难，患者手术后的视敏度(视力，visual acuity)取决于多个因素。

测定不同眼睛形状时的不准确、手术过程中的不准确以及手术后效应例如手术创伤和伤口愈合过程等，由于所植入IOL的定位误差而限制可获得的视敏度。与视轴(光轴，optical axial)有关的定位误差主要引起散焦，IOL的倾斜和偏心将造成感应散光(inducedAstigmatism)和彗差(Coma error)。还将出现更高阶的光学像差。

直至今天，采用不同的IOL设计方法来解决这些问题并设法缓解在某些方面的特定重点的问题。

下面的部分将简要描述现有技术晶状体设计的精选：

1.等凸透镜设计(Equi-convex lens design)(实例：Bausch&Lomb L161U)

等凸IOL是临床应用最多的人工晶状体设计。两个表面是具有相等曲率半径的球面，因此这些设计产生了显著量的球面像差。由于瞳孔直径的球面像差大大增加，患者将极可能由于球面像差而在中间视觉/暗视觉条件下出现模糊和对比度降低(contrast loss)。

2.双凸透镜(Bi-convex lens)或平凸透镜(Plano Convex Lens)设计：(实例：AMO sensar AR40)

额外的自由度可实现设计“形状最佳的IOL”，其提供利用球形表面可获得的最小球面像差。相比于1，球面像差(SA)值有显著降低。由于SA值仍然高于天然人晶状体，所以患者将极可能由于球面像差而在中间视觉/暗视觉条件下出现模糊和对比度降低。

3.波前优化的IOL(前导波优化的IOL，Wavefront optimizedIOL)(实例：Pharmacia，TECNIS Z9000)

专利：US 6,609,793B2

前表面为非球面。与基球(Base sphere)的偏差以6次多项展开式表示。IOL设计基于从一大群患者得到的平均波前像差测量仪数据。非球面化的目的在于弥补由正常人角膜引发的正球面像差。IOL必须提供一定量的负球面像差，以使视觉器官整体达到零球面像差。从理论的光学角度可以看出，该设计应该以最窄可能的点扩展函数提供最大的视觉性能。TECNIS Z9000提供衍射受限的轴向光学性能，甚至对于6mm的大瞳孔仍然适用。这种晶状体设计也具有一些缺点。由于预期的晶状体的显著负球面像差，所以其对植入过程中及在囊袋联合(capsular bag symphysis)过程中的植入后可能出现的偏心(偏轴，decentration)变得非常敏感。即使轻微偏心，晶状体的衍射受限性能也会立即消失。

4.“无偏差IOL(aberration-free IOL)”(实例：Bausch和Lomb，SofPort A0和Akreos AO)

专利：美国US2005/203619A1和WO2004/090611A3

IOL的两个表面均为非球面，并且形状由二次曲面常数(锥形常数，conic constant)确定。考虑到角膜后的特定光学条件，IOL不会对光学系统引入任何额外的球面像差，也就是说，其对于入射像差的值是“无影响的(透明的，transparent)”。不引入球面像差的系统甚至在偏心时也不会引入彗差。因此，相比于完全位于中心的状态，这些晶状体可以显著偏心而不会降低对比度。因为角膜的球面像差不受IOL影响，因此，该球面值明显，且限制了轴向的光学性能。“无偏差IOL”不符合天然人晶状体的生理性能，因此其可能导致不最适(sub-optimal)的结果。该晶状体可用于屈光手术后的眼睛、具有圆锥形角膜或非典型角膜球面像差的眼睛。

关于为了提供改善的视野深度或假性调节而增加球面像差的主题，还存在其他一些专利，如：

专利US 2004/0230299(2005年11月18日)：Oscillate surfacesuperimposed on a spherical surface to produce different focuses beforeand behind the best focus in a way to obtain an increased depth offocus。

专利WO 2005/046527(2005年5月26日)：Multizone monofocallens.Each zone presents a positive or negative gradient of power fromthe base power of the lens in a way to produce an extended depth offield。

专利US 6,126,286(2000年10月3日)：Multizone monofocallens to produce an improved depth of field.

专利EP1402852(2003年9月29日)：Monofocal aspherical lensthat permits a pseudoaccommodation by providing an improved dept offield(by increasing the amount of spherical aberrations)。

发明内容

本发明将提供克服现有技术缺点的装置(措施，means)并将为需要IOL植入物的患者提供显著改善的感知光学性能。

本发明提供了一种新型非球面人工晶状体以及一种用于设计这种IOL的方法，其使得可为IOL患者提供显著改善感知光学性能的人工晶状体。

根据本发明的非球面人工晶状体包括前表面和后表面，其中前表面和后表面中的至少一个为非球面，且这些表面的光学性能可补偿(解决，account for)与人眼的球面像差相等或接近的球面像差。

在本发明的另一个实施方式中，IOL可由折射率不同的材料制成，其可补偿与人眼的球面像差相等或接近的球面像差。

本发明还包括一种用于设计能够调整眼睛的像差从而为患者提供最佳视力矫正的人工晶状体的新方法，包括以下要点：

●一种描述天然人眼的光学结构(光路，optical setup)和性能的数学模型眼，包括至少一个非球面角膜表面、梯度折射率(梯度指数，gradient index)和/或非球面晶状体模型、视轴(其相对于眼睛的对称“光轴”的轴倾斜)以及代表偏心入射光瞳的偏心虹膜(decentered Iris)。

●根据瞳孔直径的函数中的图像质量(图像性质，imagequality)和球面像差确定该数学模型眼的性能。

●利用描述由手术或伤口愈合过程诱发的可能(潜在，potential)晶状体未对准和定位误差的统计学(或统计数字)的数学模型。

●采用所述数学眼模型或数学模型眼以及用于晶状体移位(位移，displacement)的统计模型，计算光学性能和所引起的像差。以及

●对替代(置换，replace)眼中的天然人(眼)晶状体的非球面晶状体形状进行光学建模，其矫正球面视觉误差同时保持人(眼)晶状体的特定光学性能，以使人工晶状体眼(假眼，pseudophakic eye)在瞳孔直径的函数中具有与晶状体模型眼(phakic model eye)相同的球面像差值和相同水平的图像质量。

在该方法中，晶状体前表面或后表面中的任何一个或者晶状体的两个表面可以为非球面。

有利地，将折射光强度的径向分布分为至少三个分别补偿(负责，account for)明视觉、中间视觉和暗视觉的功能区。

优选地，实施非球面形状的光学优化是为了将与由手术效果或囊袋联合诱发的可能晶状体倾斜相关的光学性能参数的敏感性降到最低。

有利地，实施非球面形状的光学优化是为了将与由手术效果或囊袋联合诱发的可能晶状体偏心相关的光学性能参数的敏感性降到最低。

对晶状体进行建模和优化的优选方式包括选择前表面和后表面的基底曲率(base curvature)半径以及中心厚度、边缘厚度和折射率。

在根据本发明的方法中，将人工晶状体的球面像差值保持在与在大范围的瞳孔直径上的天然人晶状体相当的水平。

优选地，改良的晶状体形状根据多项式的线性组合加以确定。

改良的晶状体形状可由下式确定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+Q)c^2{r}^2}}+k_2{r}^2+k_4{r}^4+k_6{r}^6+k_8{r}^8$

其中，

c＝r^-1_curv(曲率＝1/基底曲率半径)

r＝独立变量，关于视轴的半径

Q＝二次曲面常数

k_n＝次数为n的多项式系数

因此，常数Q可以为0或者处于-1和0之间。系数k₂可以等于0，对于n>6的系数k_n均等于0。

有利地，改良的晶状体形状根据多项式的线性组合或利用样条函数(splines)确定或者根据多项式的线性组合而分段确定。

光学性能可以定义为MTF对比度或Strehl比(Strehl Ratio)或波前误差或者根据点扩展函数和环绕能(encircled energy)确定。

人眼整个光学系统(optical train)的像差可用Zernike或Seidel多项式或OPD/波前的傅立叶分解的线性组合表示。

根据本发明的非球面人工晶状体可由软材料或者亲水性材料如亲水性丙烯酸聚合物或共聚物、或者疏水性材料如疏水性丙烯酸或硅(树脂)。

而且，根据本发明的非球面人工晶状体也可由具有硬区和软区的单块材料(整体材料，monobloc material)制成(如在专利EP1003446中所描述的)，或者由硬材料如聚甲基丙烯酸甲酯(也称为PMMA)制成。

除了校正球面视觉误差，根据本发明的表面改良可恢复天然人晶状体的光学特性，如摘除术前存在的。此外，有意识平衡上述前表面和后表面的调整，可提供与可能由于手术不准确、手术创伤或囊袋联合相关的机械定位紊乱如IOL偏心和倾斜相关的光学性能的最低敏感性。

这可通过有意识调整光学偏差而实现，所采用的调整方式是使它们类似于天然人(眼)晶状体的效果。

天然人眼中的图像形成是通过眼介质与界面的结合完成的。折射强度的主要贡献(约75％)由角膜提供，其中角膜是人眼的第一个空气/介质界面。远物点发射的光线与视轴几乎平行地进入角膜。角膜的折射可使光线向视轴弯曲成为会聚光束。该光线束穿过前房并进入人眼晶状体。如果没有晶状体处于恰当位置，则光线将以反向角膜视力(inverse corneal power)的距离会聚于的单个衍射受限小点。光斑大小由入射光瞳边缘的衍射效应和波长确定。

从物理学的观点而言，人眼的光学系统并非完美，但随年龄增长其本身会发展并优化。角膜的轻微非球面形状与非线性Snell折射定律共同起作用，并且不允许所有从远处光源发射的光线均会聚于单一束点。似乎来自瞳孔外部的光线以比轴向光线较小的距离撞击(hit)视轴。这种效应称为球面像差(下文简称SA)且涉及一种符号。如果瞳孔边缘光线比轴向光线先撞击视轴，则认为SA为“正的”。正球面晶状体(透镜)表现出了该行为。如果瞳孔边缘光线比轴向光线在视轴上较远的点撞击视轴，则认为SA为“负的”。这种行为存在于平面-平行玻璃板或负晶状体(透镜)。

因为角膜的边缘光线比轴向光线先撞击视轴，则其增加光学系统的正SA。该效应防止形成无限清晰的有斑图像(macular image)。相反，在模糊斑点中存在大量光漫射。通过开发高度复杂的晶状体设计，人眼的进化可对其进行补偿。晶状体为光学系统贡献所损失的25％折射强度，以将焦距精确调整为人眼的可用中轴长度。此外，其允许通过折射晶状体植入度数(power)的内部调节而适应不同的观察距离。除了这些明显的事实之外，晶状体可作为人眼的光学矫正装置来补偿由角膜引入的视觉误差。通过避免由角膜正SA诱发的过多光点模糊(spot blurring)的方式，晶状体提供经过良好调整的负SA值，其几乎能够完全补偿由角膜所诱发的正SA量。该联合光学系统的光学性能显著优于其单个组件的光学性能。该内在补偿机制甚至对不同的观察距离以及由不同光照条件导致的不同瞳孔直径起作用。

人眼进化的主要目标并非优化眼睛的理论光学性能，例如目前以点扩展函数或Strehl比的方式广泛宣称的。然而，视觉器官应该提供与视网膜的锥体和杆体结构完美匹配的光学性能、它们的局部密度函数和颜色感知特性。锥体和杆体的嵌合体仅允许看到最大空间频率为75cpd的图像，更高的空间频率可产生折叠并使感知到的图像变形，如Y.K.Nio等在文章“Spherical and irregular aberrationsare important for the optimal performance of human eye”，Ophtal.Physiol.Opt.2002 22 103-112中所描述的。视觉器官的光学特性、视网膜结构以及视皮质内视觉信息的生理加工最终决定了患者的感知视力。

这提出了新型人工晶状体的主要目标。本发明发明人得出结论：根据本发明的IOL必须恢复天然人(眼)晶状体的屈光力(光强度，optical power)和像差特性，以支持神经-视觉光学系统达到最佳感知视觉功能。对于解释可参见例如P.Artal等的文章“Neuralcompensation for the eye’s optical aberrations”Journal ofVision(2004)4，281-287。

该新型人工晶状体的设计考虑了人视觉器官的天然光学构造，例如视轴倾斜和瞳孔偏心。此外，所述方法补偿由植入和手术做哟个引起的可能定位误差。

附图说明

图1：具有瞳孔偏心和视轴倾斜的Liou-Brennan模型眼；

图2：IOL定位误差的统计学分布；

图3：不同IOL的球面像差与瞳孔直径；

图4：根据本发明的非球面IOL的设计图；

图5：根据本发明的非球面IOL的其他设计图；

图6：对于不同IOL的径向屈光力和相应的区域

图7：对于不同IOL的Strehl比与瞳孔直径；

图8-13：对于用于不同瞳孔直径、偏心和倾斜角度的不同IOL的调制传递函数；

在图3和图6-13中，根据本发明的非球面IOL设计称为“新型非球面IOL”。

具体实施方式

为了提供用于IOL的设计环境(条件)，需要采用特殊的理论眼模型。它们中的许多从文献已经熟知，例如Gullstrand：Helmholtz’sPhysiological Optics；Norrby et al：”Methods of obtaining ophthalmiclenses providing the eye with reduced aberrations”US patent 6,609,793；或者Thibos et al：”A new single surface eye that accurately predictchromatic and spherical aberrations in the human eye”，Invest.Ophtal.Visual Sci.34，777(1993)。

所有提及的理论眼模型以及已公开的眼模型中的大多数依赖于简化的人眼构造。角膜简化为单个表面元件，并将视轴假设为与眼睛的对称轴精确匹配。通过采用单面角膜模型，这些简化模型试图模拟人视觉器官的光学系统和像差，其中的角膜模型采用一定程度的非球面，以便反映实际可测量的性能。作者证实了所提及的眼模型符合在给定假设下的测定结果。然而，这些眼模型忽略了或多或少有序的人眼解剖的具体细节。文献中现存最详尽的眼模型是由Liou和Brennan在文章“Anatomically accurate，finite model eye foroptical modelling”，J.Opt.Soc.Am.A/Vol.14，No.8/August 1997中描述的。Liou-Brennan眼，如在图1中示出的，非常接近地表示了眼的解剖，并保持人眼的光学特性和像差特征。该眼模型包括具有前表面1.1和后表面2.2的非球面角膜，以及非球面梯度折射率晶状体模型。前房为8，玻璃体为7，而视网膜为4。考虑到对于大多数人来说，视轴5相对于眼的对称轴9倾斜约5°，而聚焦于黄斑区4.1。此外，对于大多数人来说，瞳孔6在鼻方向6.1上轻微偏心0.5mm。球面像差(SA)的值由可诱发正球面像差的非球面角膜而抵消。非球面天然晶状体模型(包括两个具有光学表面2.1、2.2、2.3的梯度折射率组件)提供负SA以补偿角膜贡献。总体地，光学系统提供轻微正球面像差(其等于测得的数据)并有助于增加焦点深度。相反，对于其他眼模型，Liou-Brennan眼不是旋转对称的。

新型人工晶状体的设计利用基于Liou-Brennan眼模型的眼模型，如由表面列表(surface listing)示出的：

 

表面注释半径厚度玻璃(glass)直径锥形(conic)OBJ-无穷无穷-001-无穷1-4.49502-0--3角膜_前7.770.5角膜_LB12-0.184角膜后6.43.16水_LB12-0.65瞳孔_DEC_1-0--STO瞳孔无穷0水_LB407瞳孔_DEC_2-0--8晶状体_前面12.41.59-10-0.949晶状体_中心无穷2.43-10010晶状体_后面-8.116.27水LB100.96IMA视网膜-18水_LB200

本发明基于施加于新型人工晶状体的前表面或后表面或者两个表面的特定几何形状和/或形状改良。改良的IOL表面包括与球面形状的旋转对称偏差。该过程通常理解为光学表面的非球面化。由于人们已经从现有技术熟知了非球面表面，因此下面部分将解释新颖性和改进，并进一步解释与公知常识设计的差异。

该新型晶状体设计在于以以下方式改善现有技术，提供了光学性能参数的可测性改善，这导致患者视敏度和对比视觉性能的可感知性改善。为此，所披露的晶状体设计模拟如上文Liou-Brennan眼模型中所描述条件下的天然人晶状体的光学性能。

通过将可能的晶状体错位的统计数字考虑入晶状体设计中，可实现视敏度的实质性改善。对IOL表面的形状加以优化，以提供与所植入IOL的偏心和倾斜相关的光学性能的最低敏感性。不同作者(Taketani et al：”Influence of intraocular lens optical design onhigher-order aberrations”，J.Cat.Refr.Surg，Vol31，May 2005)报道的平均偏心为0.1mm-0.25mm，最大可能达到1mm。

此外，该新型IOL设计满足保持天然球面偏差的边界条件，其中对于大范围的瞳孔直径来说，球面偏差值与人晶状体所诱发的相同。这使得神经-视觉系统可以迅速适应新的植入物，因为无需改变对天然人眼特性的终生适应。图3示出了该新型非球面IOL方法提供了与天然人眼特性的最低偏差(Liou-Brennan)。其利用R.Noll，“Zernike polynomials and atmospheric turbulence”，J.Oct.Soc.Am.，Vol.66，No.3，p207(1976)中定义的注释，计算了正交Zernike系数。这也称为“Born-Wolf-注释”(Born，Wolf”Principles of Optics”，Chapter 1)。该特殊像差系数的值以波长表示[546mm]。由现有技术中的几种IOL组成的参照组(参考标记30)表现出，在瞳孔区达到4.5mm(参考标记31)及以上时显著更大的SA差异。

可以实现前述光学性能和能力的非球面形状可由下式表述：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+Q)c^2{r}^2}}+k_2{r}^2+k_4{r}^4+k_6{r}^6+k_8{r}^8$

其中，c＝r^-1_curv(曲率＝1/基底曲率半径)；

r＝独立变量，关于视轴的半径；

Q＝二次曲面常数；

k_n＝次数为n的多项式系数。

旋转对称的多项式非球面表面通过与球形表面(或由圆锥曲线表述的非球面)偏差的多项展开式来表述。该平均非球面表面模型仅利用径向坐标的平均度数来描述非球面性。该模型利用曲率基底半径和二次曲面常数。

确定多项展开式的系数以及基底半径的数值，以满足对特定评价函数的最小二乘法拟合。该评价函数解释了如上所述的手术统计学并将其最小化用于光学性能。该评价函数由一组描述期望光学性能的不同误差和质量参数来表示。通过定义，在评价函数的总体极小值处达到了所参考光学系统的最佳状态。为了优化IOL表面形状以获得如所披露的有利性能，利用加权波前像差运算元、加权MTF运算元、局部屈光力运算元以及边界约束条件例如中心厚度和边缘厚度来构建该评价函数。

下列系数描述了基底度数(基面屈光力，base power)为22D的新型非球面IOL。

 

表面r_curvQk2k4k6k8前7.14970.00.00.00.00.0后-36.39030.0-6.8159E-0031.0213E-003-6.2142E-0050.0

按照公式(1)，通过将评价函数的局部目标度数运算元设置为预期度数值并因此将剩余误差最小化，而可将所需光学基底度数的范围计算为5D-40D。可能的设计图的实例可在图4中看出。该晶状体可由3片段制成但不局限于此。其他优选实施方式包括2片段的结构或者单片IOL，如图5中所示；20指代IOL体或IOL的整块材料；21是触觉机构，20.1是IOL的光学区。光学表面22.1和22.2中的至少一个被制成为非球面形状。对于如上所述的实例，表面22.2被设置为非球面。

图6示出了与现有技术的其他晶状体设计相比的改良IOL的径向屈光力分布(radical power profile)。该增强的能力来自于径向屈光力分布的特定特性，而该特性是半径/视轴的函数。所有的IOL均以半径0mm从其近轴度数(近轴屈光力，paraxial power)22D(22屈光度)开始。对称性双凸透镜B&L L161的度数越靠近透镜边缘则持续增加。这表明一个超过天然给定量的显著SA量。相反，TECNIS Z9000的屈光力随着半径增加而出现惊人的下降，以提供可补偿角膜贡献的负SA。该方法的缺点来自该设计与IOL偏心相关的高敏感性。现有技术的第三个实例是“无像差IOL”B&L SofPortA0，且声称该晶状体的光学性能不依赖于偏心。这通过将径向度数保持为与所有半径的近轴度数相等的值而实现。在该情形下，晶状体无内在SA。如果达到了该条件，则偏心不会在偏心存在时显著引起可抵消图像质量的彗差。尽管存在提到的优点，该晶状体设计还存在另一个主要的缺点。人眼晶状体的天然补偿效应被完全忽略。因此，由于角膜SA的总量负面影响视力，所以对于患者而言，视网膜上的图像质量处于不最适程度。

图6教导了新型IOL如何解决现有技术已知的IOL设计的问题。在不同区域选择屈光力与晶状体半径的分布，以获得最佳的患者感知性能。

在区域I内，在半径0mm至2.0mm的角膜区域内，屈光力持续而平稳地下降。在明视觉条件下，该角膜区域的明视觉是最活跃的。对角膜SA的补偿实现了衍射受限性能(diffraction limitedperformance)和改善的对比视力。在区域II中，即从r＝2.0mm至2.5mm的角膜区域内，屈光力低于近轴度数，以补偿中间视觉条件下更大瞳孔的角膜SA。在r＝2.0mm至3.0mm的区域III内，屈光力增加，降低了与偏心和倾斜相关的调制传递函数的敏感性。

图7示出了新型晶状体设计满足瞳孔大小达到4mm时的衍射受限性能，且相当于整个瞳孔范围内天然晶状体的性能(Strehl比与瞳孔直径)。

而且在物理瞳孔直径3mm且无偏心的情况下，新型晶状体设计相当于最佳现有技术设计的衍射受限光学性能(MTF)(见图8)。

图9示出了在物理瞳孔直径达4.5mm且无偏心的情况下，新型IOL相当于天然人眼的光学性能(MTF)。

图10和11示出了显著降低的与偏心相关的光学性能(MTF)敏感性，而图12和13示出显著降低的与倾斜相关的光学性能敏感性。

给出上述对本发明优选实施例的描述仅是为了解释和说明，其并非穷举或将本发明限制为所披露的精确形式。根据以上的教导，可以进行多种变换和变化。