CN108066046B - 三焦点人工晶状体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三焦点人工晶状体及其制造方法。本发明的三焦点人工晶状体的光学部的前表面和/或后表面采用非球面设计，光学部的前表面和/或后表面具有衍射阶梯结构，相邻衍射阶梯的高度交替变化，其中，在标准人眼模型中，所述三焦点人工晶状体在0‑6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值，且随着通光孔径的增大，所述纵向球差的绝对值增大，并且所述三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为‑0.26~‑0.85mm。本发明的三焦点人工晶状体提供远、中、近全程视力，在任何距离处均不存在视力缺失。相对于现有技术中的多焦和三焦晶体，本发明的三焦点人工晶状体在中程视力处的对比敏感度显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及三焦点人工晶状体及其制造方法。更具体地，本发明涉及用于提高中程视力的三焦点人工晶状体及其制造方法。
背景技术
纵观白内障手术的视觉质量标准，在过去的几十年里已经逐步提高。30年前，白内障患者从术前视物不清到术后能分辨五个手指即算成功；如果术后能够看清1米远的手指或5米外的餐桌就已经很满足了。20年前，若白内障手术后裸眼远视力达到0.5，已经能够让患者欣喜不已。10年前，若白内障手术后裸眼远视力能够达到1.0，手术医生足以为此自豪。时至今日，手术医生与患者不会仅仅满足于上述裸眼远视力为唯一标准的要求。
随着屈光性人工晶状体手术时代的到来，白内障手术已经从传统的复明手术向现代屈光性白内障手术转变。同时，屈光不正患者在通过植入有有晶体眼人工晶状体之后，也要求获得比佩戴框架眼镜更好的视功能。因此，要全面、准确地评价屈光性人工晶状体手术后的效果，就需要重新确定判断视觉质量的新标准。在这些判断视觉质量的新标准中，除了色觉、立体视觉、波阵面像差以外，最重要的是以下两项：
全程裸眼视力：视力实际上是指一定距离内人眼分辨空间最小两点间距的黄斑中心凹的中心视力，即高对比度、小目标的分辨功能。全程裸眼视力包括远视力、中间视力和近视力；这些功能在人们的日常生活与工作中都分别具重要的作用，例如，远视力对于驾驶、射击、搜索等行为极为重要；近距离精细操作及阅读等活动必须依赖良好的近视力才能完成；而中间视力在当今社会的作用正日益突出，因为电脑已经成为现代人必不可少的办公工具，中间视力差的人在使用电脑时将遇到麻烦。
对比敏感度：对比敏感度是指反应人眼辨认平均亮度下两个可见区域差别的能力，即人眼对恰好能识别出的某一空间频率（视表大小、粗细）的黑白相间光栅或条纹阈值的倒数。影响人眼对比敏感度的主要因素为眼内存在的高阶像差，尤其是球面像差。
针对解决患者术后的全程裸眼视力的需求，市场上相继出现了可调节人工晶状体、多焦点人工晶状体、三焦点人工晶状体。针对提高术后人眼对比敏感度的要求，市场上出现了非球面人工晶状体。兼顾术后全程裸眼视力和对比敏感度的需求，现代的可调节人工晶状体、多焦点人工晶状体以及三焦点人工晶状体都采用非球面设计。
可调节人工晶状体是人类在追求优秀全程视力的过程中，出现的创新产品。可调节人工晶状体设计的基本原理是在调节的过程中随睫状肌的松弛和收缩，人工晶状体的光学面前移或后退，从而获得调节力，使人工晶状体产生附加度数，看近物变清晰。但可调节人工晶状体的调节力有限，在2.0D的范围内，不足以使患者在视近时摆脱对眼镜的依赖。
多焦点人工晶状体是将入射光线分至远、近焦点两部分，实现远、近视野的调节，具有远、近两个清晰视力，术后患者中程距离（大约60-80 cm距离）的视力存在部分缺失，其离焦曲线和远、中、近焦点的成像特性分别见图1与图2所示。图1的结果显示，现有技术的多焦点人工晶状体中程距离处的MTF值趋于0。从图2也能看出，现有技术的多焦点人工晶状体中程距离处的图像模糊不清。实际上这是远近焦点的离焦图像的叠加效果，并非真正中程距离处的聚焦成像结果。所以植入现有技术的多焦点人工晶状体后，患者在进行中程距离的工作时，仍然摆脱不了对眼镜的依赖。
三焦点人工晶状体是在多焦点人工晶状体的基础上发展而来的。多焦点人工晶状体可以提供远程和近程视力，远程指的是无穷远处，一般大于4米或6米即可称为远程，近程一般是指30-40 cm范围的距离。多焦点人工晶状体在中程距离（一般为60-80cm）处的视力缺失。三焦点人工晶状体在多焦点人工晶状体的基础上弥补了中程距离的视力缺失。三焦点人工晶状体是将入射光线分至远、中、近焦点三部分，实现远、中、近视野的调节，具有远、中、近三个焦点，远、近焦点的视力清晰。然而，现有技术的三焦点人工晶状体的中焦点的光能分布比例较远、近焦点显著更低，加之中程视力受远近焦点图像叠加效果的影响，所以其对比敏感度较远、近焦点下降很多，其离焦曲线和远、中、近焦点处的成像特性分别见图3和图4所示。分析图3、图4的结果，相比于多焦点人工晶状体，现有技术的三焦点人工晶状体的中程视力提高很多，但对比敏感度相对于远、近视力下降很多，而且存在有明显的眩光现象。图3、图4的结果还显示出，在现有技术的三焦点人工晶状体的MTF曲线中，中程距离的一些部分处的MTF值仍然很低，接近于0，即仍然存在有部分中程视力的缺失。
市面上已有的三焦点人工晶状体，视近附加光焦度在3.0~4.0D之间，视中附加光焦度在1.5~2.2D之间。例如，Zeiss的Acri Lisa三焦点人工晶状体视近附加光焦度为3.33D，视中附加光焦度为1.66D。PhysIOL厂家的FineVision Micro F12 trifocal IOL三焦点人工晶状体视近附加光焦度为3.5D，视中附加光焦度为1.75D。Alcon的AcrySof IQPanOptix presbyopia-correcting IOL三焦点人工晶状体视近附加光焦度为3.25D，视中附加光焦度为2.17D。远、中、近焦点的光能分布比例特性为：远焦点的能量比例在40%~50%之间，中焦点的能量比例在15%~25%之间，近焦点的能量分布比例在25%~35%之间。例如，Zeiss的Acri Lisa三焦点人工晶状体远、中、近能量分配比例为50%：20%：30%，FineVisionMicro F12 trifocal IOL三焦点人工晶状体远、中、近焦点能量分配比例为50%：15%：35%，Alcon的AcrySof IQ PanOptix presbyopia-correcting IOL三焦点人工晶状的能量分配比例为50%：25%：25%。
在中国专利CN201510010026.9中，提出了通过控制晶状体球差来弥补多焦点人工晶状体的中程视力，通过控制某一孔径下的Zernike多项式系数实现。因Zernike多项式计算的是以各光学面像差均方根（root means squares, RMS）值来表达总体像差和组成总像差的各个分阶像差的大小，其不能准确反映出球差对晶状体不同焦点处能量的影响。如图5所示，当人工晶状体眼光学系统的球差为零，视网膜处纵向球差不但不为0，而且分布趋势复杂，很难分析判断其对光线能量分布的影响。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的可调节人工晶状体的调节力范围有限、多焦点人工晶状体以及三焦点人工晶状体中程视力部分缺失、对比敏感度低的缺点，提出了一种具有调节范围宽而且远、中、近全程视力均良好，中程视力对比敏感度提高的三焦点人工晶状体。
根据本发明的一个方面，提出了一种三焦点人工晶状体，所述三焦点人工晶状体包括光学部，所述光学部的前表面和/或后表面为非球面，所述光学部的前表面和/或后表面具有衍射阶梯结构，相邻衍射阶梯的高度交替变化，所述非球面的表达式如下所示，
其中，Z（y）为非球面在二维坐标系平面YZ上的曲线表达式，c为非球面的基础球面曲率半径的倒数，y为所述曲线上任何一点距横坐标轴Z的垂直距离，A2i为非球面高次项系数，m、n均为不小于1的整数且n>m，Q为非球面系数；
其中，在标准人眼模型中，所述三焦点人工晶状体在0-6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值，且随着通光孔径的增大，所述纵向球差的绝对值增大，并且所述三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.26~-0.85mm。
在一个实施中，在标准人眼模型中，所述三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.33~-0.66mm。
在一个实施中，所述三焦点人工晶状体的远焦点的能量分配比例在35%~50%之间，所述三焦点人工晶状体的中焦点的能量分配比例在15%~30%之间，所述三焦点人工晶状体的近焦点的能量分配比例在25%~35%之间。
在一个实施中，所述三焦点人工晶状体的远焦点的能量分配比例在40%~50%之间，所述三焦点人工晶状体的中焦点的能量分配比例在20%~30%之间，所述三焦点人工晶状体的近焦点的能量分配比例在25%~30%之间。
在一个实施中，所述三焦点人工晶状体的视近附加光焦度的范围为3.0~4.0D，所述三焦点人工晶状体的视中附加光焦度的范围为1.5D~2.67D。
在一个实施中，所述三焦点人工晶状体的视近附加光焦度的范围为3.0~3.5D，所述三焦点人工晶状体的视中附加光焦度的范围为1.5~2.33D。
在一个实施中，所述三焦点人工晶状体的光焦度的范围为-10~36.0D。
在一个实施中，所述三焦点人工晶状体的光焦度的范围为5.0~30.0D。
在一个实施中，所述三焦点人工晶状体采用的材料折射率为1.46~1.55。
根据本发明的另一个方面，提出了一种制造三焦点人工晶状体的方法，所述三焦点人工晶状体包括光学部，所述方法包括：将所述光学部的前表面和/或后表面制造为非球面；并且将所述光学部的前表面和/或后表面制造为具有衍射阶梯结构，相邻衍射阶梯的高度交替变化，所述非球面的表达式如下所示，
其中，Z（y）为非球面在二维坐标系平面YZ上的曲线表达式，c为非球面的基础球面曲率半径的倒数，y为所述曲线上任何一点距横坐标轴Z的垂直距离，A2i为非球面高次项系数，m、n均为不小于1的整数且n>m，Q为非球面系数，
使得在标准人眼模型中，所述三焦点人工晶状体在0-6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值，且随着通光孔径的增大，所述纵向球差的绝对值增大，并且所述三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.26~-0.85mm。
本发明的有益效果包括但不限于提供远、中、近全程视力，任何距离处均不存在视力缺失。相对于现有技术的多焦点和三焦点人工晶状体，本发明的三焦点人工晶状体在中程视力处的对比敏感度显著提高。
附图说明
图1示出了现有技术的多焦点人工晶状体在50lp/mm频率处的离焦曲线；
图2示出了现有技术的多焦点人工晶状体在标准人眼模型中的远、中、近距离上的美军标成像图；
图3示出了现有技术的三焦点人工晶状体在50lp/mm频率处的离焦曲线；
图4示出了现有技术的三焦点人工晶状体在标准人眼模型中的远、中、近距离上的美军标成像图；
图5示出了人工晶状体眼的球差为0时，视网膜处纵向球差的分布曲线；
图6示出了角膜纵向球差与孔径的关系；
图7示出了留有一定纵向球差的人工晶状体眼在视网膜处的成像特点；
图8示出了根据本发明的三焦点人工晶状体眼在视网膜处成像的纵向球差分布形式；
图9示出了根据本发明的三焦点人工晶状体的成像特点示意图，可以看到远程、中程、近程距离之间没有断点；
图10示出了根据本发明的一个实施例的三焦点人工晶状体在标准人眼模型中在50lp/mm频率处的离焦曲线；
图11示出了根据本发明的一个实施例的三焦点人工晶状体的远、中、近焦点处的美军标成像图；并且
图12示出了本发明的设计方案的流程图。
具体实施方式
基于以上的现有技术中可调节人工晶状体调节范围有限，多焦点以及三焦点人工晶状体存在中程视力对比敏感度低以及部分中程视力缺失的不足，本发明提出用于提高中程视力的三焦点人工晶状体以及制造方法，在不降低远近视力成像效果的同时，提高中程距离视力的对比度，弥补中程视力的缺失，提供全程良好视力的三焦点人工晶状体。
本发明的创造性思想在于控制现有技术中三焦点人工晶状体的纵向球差（轴向球差，LONA）。纵向球差具体表示的是轴外的某一光线在光轴的焦点与当前视网膜像平面位置在沿轴向的差值，它的单位一般用mm表示。纵向球差的物理含义表示的是光学系统在成像处的最终离焦量，其数值的大小影响的是光线能量的分布。根据本发明的创造性思想，通过合理的控制三焦点人工晶状体在视网膜处的纵向球差的数值分布，可以调节三焦点人工晶状体远、中、近焦点的光学能量分布，兼具提高中焦点视力的对比敏感度和优化全程视力的功能，使三焦点在任何距离处都不存在成像缺失。
根据解剖学的统计数据，角膜前表面的平均曲率半径为Ra=7.7mm,非球面系数Q=-0.26；角膜后表面的平均曲率半径为Rb=6.4mm，非球面系数Q=-0.60，角膜在视网膜处产生的纵向球差数据是随着孔径的增加，纵向球差值由正向负转变，如图6所示。
根据本发明，为了保证人工晶状体眼在视网膜处的成像具有高的对比度，要求人工晶状体的纵向球差分布趋势与角膜相反，随着孔径的增加要由负向正方向转变，以对角膜的纵向球差起到补偿的作用；同时还要求人工晶状体眼在视网膜处留有一定的纵向球差，起到平衡远、中、近焦点之间距离处能量的分配作用，最后保证人工晶状体眼在视网膜处的成像特点如图7所示，并且人工晶状体眼的纵向球差的分布形式如图8所示，在0-6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值（位于远焦点之前，靠近近焦点的方向），且随着孔径的增加，绝对值变大，实现远焦点的能量向中焦点方向分配，中焦点的能量向近焦点分配（具体见图9），最终实现远、中、近焦点之间均具有能量分布，实现中程视力增强型三焦点人工晶状体的设计。
根据图8的结果，折算到远、中、近景深方向的空间成像特点如图9所示。从图9可以看出，根据本发明的三焦点人工晶状体的远程、中程、近程距离之间没有断点。
图10示出了根据本发明的一个实施例的三焦点人工晶状体在标准人眼模型中在50lp/mm频率处的离焦曲线。该三焦点人工晶状体的光焦度为20.0D，视近附加光焦度为3.2D，视中附加光焦度为1.6D，纵向球差为-0.52mm，远、中、近焦点能量分配比例为50%：20%：30%。根据本发明的其他实施例的三焦点人工晶状体所表现出的离焦曲线与图10相似。图10的结果显示，本发明的三焦点人工晶状体的离焦曲线全程MTF值均高于0.10。图11示出了根据本发明的一个实施例的三焦点人工晶状体远、中、近焦点处的美军标成像图。如图11所示，远、中、近焦点的美军标图像清晰，特别是中焦点图像，优于市面上现有的多焦点人工晶状体和三焦点人工晶状体的成像质量。
总结图10和图11成像特点，本发明的有益效果包括但不限于：提供远、中、近全程视力，任何距离处均不存在视力缺失；相对于现有技术的多焦点和三焦点人工晶状体，本发明的三焦点人工晶状体在中程视力处的对比敏感度显著提高。
本发明通过优化三焦点人工晶状体在标准人眼模型中视网膜处的轴向球差分布，从而平衡远、中、近焦点处的能量分布，实现远程、中程、近程距离都具有良好的视力，图12示出了本发明的设计方案的流程图。
本发明的三焦点人工晶状体的光学部前表面和/或后表面为非球面，光学部前表面和/或后表面上具有衍射阶梯结构，相邻衍射阶梯的高度交替变化。
在非球面的光学部表面顶点O为原点建立二维坐标系。纵坐标轴Y与光学部表面相切且通过光学部表面顶点O。横坐标轴Z平行于光轴AO方向，与纵坐标轴Y呈90°角且通过光学部表面顶点O。非球面的面形在二维坐标系平面YZ上的曲线满足以下非球面曲线表达式：
其中，Z（y）为非球面在二维坐标系平面YZ上的曲线表达式，c为非球面的基础球面曲率半径的倒数，y为所述曲线上任何一点距横坐标轴Z的垂直距离，A2i为非球面高次项系数，m、n均为不小于1的整数且n>m，Q为非球面系数。
通过优化上式中的非球面系数，检测离焦曲线，保证人工晶状体在标准人眼模型中远、中、近焦点均具有良好的成像特性，观察人工晶状体眼在标准人眼模型视网膜处的纵向球差分布。
下面，表1和表2给出了根据本发明的三焦点人工晶状体的一些示例性实施例，其中，表1示出了后表面为非球面的三焦点人工晶状体以及纵向球差，并且表2示出了前表面为非球面的三焦点人工晶状体以及纵向球差。具体地，表1.1-1.4和表2.1-2.4分别示出了上述两种情况下人工晶状体材料折射率为1.46、1.48、1.52和1.55的实施例。
根据本发明的一些实施例，在标准人眼模型中，本发明的三焦点人工晶状体在0-6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值，且随着通光孔径的增大，所述纵向球差的绝对值增大，并且本发明的三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.26~-0.85mm。优选地，在标准人眼模型中，本发明的三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.33~-0.66mm。
根据本发明的一些实施例，本发明的三焦点人工晶状体的远焦点的能量分配比例在35%~50%之间，中焦点的能量分配比例在15%~30%之间，近焦点的能量分配在25%~35%之间。优选地，本发明的三焦点人工晶状体的远焦点的能量分配比例在40%~50%之间，中焦点的能量分配比例在20%~30%之间，近焦点的能量分配在25%~30%之间。
根据本发明的一些实施例，本发明的三焦点人工晶状体的视近附加光焦度的范围为3.0~4.0D，视中附加光焦度的范围为1.5D~2.67D。优选地，本发明的三焦点人工晶状体的视近附加光焦度的范围为3.0~3.5D，视中附加光焦度的范围为1.5D~2.33D。
根据本发明的一些实施例，本发明的三焦点人工晶状体的光焦度的范围为-10~36.0D。优选地，本发明的三焦点人工晶状体的光焦度的范围为5.0~30.0D。
根据本发明的一些实施例，本发明的三焦点人工晶状体采用的材料折射率为1.46~1.55。
本发明还提出了一种制造上述三焦点人工晶状体的方法。为了制造根据本发明的三焦点人工晶状体，将光学部的前表面和/或后表面制造为如上所述的非球面，并且将光学部的前表面和/或后表面制造为具有衍射阶梯结构，相邻衍射阶梯的高度交替变化，使得在标准人眼模型中，该三焦点人工晶状体在0-6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值，且随着通光孔径的增大，所述纵向球差的绝对值增大，并且该三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.26~-0.85mm。
尽管已经参照（一个或多个）示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解的是，本发明不限于本文所描述的确切结构和组成部分，而且在不偏离如所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，从前面的描述可明白各种修改、变化和变形。本发明不受步骤的所示排序的限制，因为一些步骤可以按照不同的顺序和/或与其它步骤同时进行。因此，本发明不限于所公开的（一个或多个）具体实施例，而是将会包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
Claims (10)
1.一种三焦点人工晶状体，所述三焦点人工晶状体包括光学部，所述光学部的前表面和/或后表面为非球面，所述光学部的前表面和/或后表面具有衍射阶梯结构，相邻衍射阶梯的高度交替变化，所述非球面的表达式如下所示，
其中，Z（y）为非球面在二维坐标系平面YZ上的曲线表达式，c为非球面的基础球面曲率半径的倒数，y为所述曲线上任何一点距横坐标轴Z的垂直距离，A2i为非球面高次项系数，m、n均为不小于1的整数且n>m，Q为非球面系数；
其中，在标准人眼模型中，所述三焦点人工晶状体在0-6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值，且随着通光孔径的增大，所述纵向球差的绝对值增大，并且所述三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.26~-0.85mm。
2.根据权利要求1所述的三焦点人工晶状体，其中，在标准人眼模型中，所述三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.33~-0.66mm。
3.根据权利要求1所述的三焦点人工晶状体，其中，所述三焦点人工晶状体的远焦点的能量分配比例在35%~50%之间，所述三焦点人工晶状体的中焦点的能量分配比例在15%~30%之间，所述三焦点人工晶状体的近焦点的能量分配比例在25%~35%之间。
4.根据权利要求3所述的三焦点人工晶状体，其中，所述三焦点人工晶状体的远焦点的能量分配比例在40%~50%之间，所述三焦点人工晶状体的中焦点的能量分配比例在20%~30%之间，所述三焦点人工晶状体的近焦点的能量分配比例在25%~30%之间。
5.根据权利要求1所述的三焦点人工晶状体，其中，所述三焦点人工晶状体的视近附加光焦度的范围为3.0~4.0D，所述三焦点人工晶状体的视中附加光焦度的范围为1.5D~2.67D。
6.根据权利要求5所述的三焦点人工晶状体，其中，所述三焦点人工晶状体的视近附加光焦度的范围为3.0~3.5D，所述三焦点人工晶状体的视中附加光焦度的范围为1.5~2.33D。
7.根据权利要求1所述的三焦点人工晶状体，其中，所述三焦点人工晶状体的光焦度的范围为-10~36.0D。
8.根据权利要求7所述的三焦点人工晶状体，其中，所述三焦点人工晶状体的光焦度的范围为5.0~30.0D。
9.根据权利要求1所述的三焦点人工晶状体，其中，所述三焦点人工晶状体采用的材料折射率为1.46~1.55。
10. 一种制造三焦点人工晶状体的方法，所述三焦点人工晶状体包括光学部，所述方法包括：
将所述光学部的前表面和/或后表面制造为非球面；并且
将所述光学部的前表面和/或后表面制造为具有衍射阶梯结构，相邻衍射阶梯的高度交替变化，所述非球面的表达式如下所示，
其中，Z（y）为非球面在二维坐标系平面YZ上的曲线表达式，c为非球面的基础球面曲率半径的倒数，y为所述曲线上任何一点距横坐标轴Z的垂直距离，A2i为非球面高次项系数，m、n均为不小于1的整数且n>m，Q为非球面系数，
使得在标准人眼模型中，所述三焦点人工晶状体在0-6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差均为负值，且随着通光孔径的增大，所述纵向球差的绝对值增大，并且所述三焦点人工晶状体在6mm通光孔径下在视网膜处的纵向球差的范围为-0.26~-0.85mm。
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