What is Wavefront Aberration?

Custom Contact Lenses For Vision
Improvement
Are They Feasible In A Disposable
World?
Ian Cox, BOptom, PhD, FAAO
Distinguished Research Fellow
Bausch & Lomb, Rochester, NY
Hej, jag heter Ian Cox och jag ska prata om konceptet
att tillverka en kontaktlins som är anpassad efter
bärarens öga för att ge patienten den bästa visuella
upplösning som går att få. Detta till skillnad från dagens
linser som snarare är utformade för att ge patienten
bästa möjliga sfäriska eller sfäro-cylindriska korrektion.
Jag vill prata med er om huruvida det här konceptet,
individuella linser för individuella ögon, verkligen är
genomförbart i vår slit-och-släng-värld med korttidslinser
och 6-pack. Jag hoppas att jag i slutet av
presentationen ska ha gett er tillräckligt med information
för att övertyga er om att vi någon gång i en mycket
nära framtid kommer att ha denna möjlighet.
Acknowledgements
Center for Visual Science,
University of Rochester
Bausch & Lomb,
Rochester R&D
• Geunyoung Yoon
• Jason Porter
• Tae Moon Jeong
• Ramkumar Sabesan
• Dave Williams
• Antonio Guirao
• Griff Altmann
• Gary Richardson
• Michele Lagana
• Ravi Somasundurum
• Tim Green
• Daozhi Wang
• Amanda Kingston
• Alexis Vogt
What is Wavefront
Aberration?
© Bausch & Lomb 2009
Innan jag börjar med själva presentationen vill jag tacka
mina kollegor på Centre for Visual Science på
University of Rochester och särskilt professor
Geunyoung Yoon och hans team för deras hjälp med att
ta fram många av dessa data. Jag vill även tacka mina
kollegor på Bausch & Lomb på Rochester Research
and Development.
Låt oss börja från början. Vad är vågfrontsaberration?
Sources of Retinal Image Blur
Det finns tre orsaker till suddiga näthinnebilder.
Diffraktion, som förstås är en fysisk egenskap hos
ljuset, vågfrontsaberrationer, som är det optiska felet
från alla ögats optiska element, och så ljusspridning. Vi
kommer egentligen inte att prata om ljusspridning idag,
men vi kommer in lite på diffraktion och framför allt ska
vi tala om vågfrontsaberrationer eftersom det är det vi
kan göra något åt.
Diffraction
Aberrations
Light Scatter
Point Spread Function vs. Pupil Size
Perfect Eye
1 mm
2 mm
5 mm
3 mm
6 mm
4 mm
7 mm
Point Spread Function vs. Pupil Size
Typical Eye
1 mm
2 mm
3 mm
4 mm
pupil images
followed by
5 mm
psfs for changing pupil size
© Bausch & Lomb 2009
6 mm
7 mm
Låt oss prata om diffraktion en stund. Här har jag en bild
som visar punktspridningsfunktionen i förhållande till
pupillstorlek för ett perfekt öga. Visserligen finns det
ingen som har ett perfekt öga, men detta är ett idealöga
som inte har några aberrationer överhuvudtaget i de
optiska elementen, och de är alla perfekt uppställda.
Om man tittar med en pupill på 1 mm får man en
mycket stor punktspridningsfunktion, och vad
punktspridningsfunktionen motsvarar här är hur en
ljuspunkt på långt håll skulle se ut när den fokuseras på
näthinnan. Och när pupillen blir mindre kan man se att
ljuspunktens upplösning också blir mindre. Det beror på
diffraktionen vid pupillkanten. Så om man har en mycket
liten pupill, t.ex. 1 mm, ser ni att den ljusdiffraktionen
spelar mycket stor roll för kvaliteten på bilden på
näthinnan. Ju större pupillen är desto mindre inverkan
får diffraktionen eftersom den endast uppstår i kanten
av pupillen. Så när man har en stor pupill, t.ex. 7 mm,
får man intressant nog en mycket liten
punktspridningsfunktion och därmed en hög upplösning
i den här perfekta optiska bilden.
På nästa bild tittar vi på punktspridningsfunktionen i
förhållande till pupillstorlek för ett typiskt mänskligt öga.
Här har vi alltså vågfrontsaberrationer, så med en 1millimeterspupill blottar vi inte de optiska element som
bidrar till vågfrontsaberrationen, men vi ser effekterna
av diffraktionen. Så det är väldigt likt det perfekta ögat.
Men allt eftersom pupillen blir större och blottar fler och
f ler
o pt is k a
fel
i
ög a t
ser
m an
at t
punktspridningsfunktionen försämras snabbt. Och när
man får en mycket stor pupill som på natten, skotopiska
pupillstorlekar på 6–7 mm, ser man att
punktspridningsfunktionen inte alls motsvarar en punkt
längre. Och ni som har sett upp mot natthimlen när det
är riktigt mörkt och tittat på stjärnorna kanske har märkt
att man ser en massa konstiga former och aberrationer
där det egentligen finns en ljuspunkt, som en stjärna.
Det är också intressant att notera på den här bilden att
någonstans mellan 2 och 4 mm ligger den bästa
balansen mellan diffraktion och aberrationer. Så i ett
normalt mänskligt öga och om det finns tillräckligt med
ljus, skulle man för bästa syn ha en pupill på mellan 2
och 4 mm, och som optiker vet vi alla att det är den
storlek som de flesta patienter har i starkt ljus.
What is the Wavefront?
ideal wavefront
parallel beam
=
plane wavefront
defocused wavefront
Vad är då en vågfront? Titta på det här diagrammet av
ett enkelt linselement och tänk er att ljuset kommer från
ett oändligt avstånd. Om vi tar ut en rät vinkel mot
dessa ljusstrålar som kommer från ett oändligt avstånd
så ser ni att vi har en plan vågfront. Och när vågfronten
närmar sig linsen behåller den denna plana form. När
den passerar genom linsen ser ni att den nu får en böjd
form och blir en konvergerande vågfront. Anledningen
till att den konvergerar är att vi har ett positivt
linselement som är tjockare i mitten och tunnare i
kanterna, så när den plana vågfronten träffar det optiska
elementet går den del av vågfronten som befinner sig i
utkanten igenom en tunnare del av linsen som har ett
högre brytningsindex och kommer sedan ut. Då hamnar
den delen längre fram jämfört med centrat.
What is Wavefront Aberration?
ideal wavefront
parallel beam
=
plane wavefront
aberrated beam
=
irregular wavefront
Men ni ser att i det här perfekta optiska systemet
konvergerar vågfronten till en perfekt fokuspunkt. I ett
mänskligt öga däremot, eller ett linssystem som har
flera aberrationer eller optiska fel inbyggda, ser ni att
när vågfronten passerar linsen fördröjs delar av den i
förhållande till delarna bredvid och då får vi en ickeperfekt eller aberrerad vågfront. Och ni ser att det inte
blir någon perfekt fokuspunkt. Det finns en punkt där de
flesta raderna fokuserar, men det finns fortfarande rader
som inte fokuserar där, så den bästa bildkvaliteten vi
kan få här har sämre upplösning och kontrast.
Wavefront Aberration of a Surface
Wavefront Aberration
mm (superior-inferior)
3
Vi kan avbilda den här aberrerade vågfronten
tredimensionellt som till vänster, eller tvådimensionellt
som till höger. Och vi avbildar den som en
tvådimensionell bild. Vi använder oss av färger för att
särskilja den del av vågfronten som ligger längst fram
och den del som ligger längst bak.
2
1
0
-1
-2
-3
-3
3 Dimensional View
© Bausch & Lomb 2009
-2
-1
0
1
2
mm (right-left)
3
2 Dimensional View
How Do We Measure
Wavefront Aberrations
of the Eye?
Shack-Hartman Wavefront Sensing
Shack-Hartmann Wavefront Sensor
Lenslet CCD
Array Array
Spot Array
Perfect Eye
Aberrated Eye
© Bausch & Lomb 2009
Wave Aberration
Hur mäter man då vågfrontsaberrationer i ögat?
De senaste åren har ett antal kliniskt användbara
apparater dykt upp på marknaden. Högst upp till vänster
i bilden ser ni den Bausch & Lomb-version som finns
tillgänglig, det är en dubbel arbetsstation. Och till höger
ser ni den del av instrumentet som kallas Zywave, och
det är en vågfrontssensor eller aberrometer, som
somliga kallar det. Det är alltså ett typiskt kliniskt
instrument. Och högst upp till höger ser ni hur
instrumentet fungerar. Man skjuter en mycket smal
stråle, vanligtvis runt 1 mm, in i ögat. Strålen är smal för
att den inte ska påverkas av aberrationerna i ögat när
den skjuts in i ögat. Och den reflekteras på näthinnan.
Och näthinnan är mestadels en spridande yta, så vi ser
den faktiskt som ljuskälla, så det reflekterade ljuset är
nu ljuskälla för det ljus som kommer ut ur ögat. Det är
en punktkälla som kommer från näthinnan och går
igenom ögats optik, och vågfronten som går genom
ögat påverkas av alla optiska fel i glaskroppen, linsen
och de båda hornhinneytorna. Hela den vågfront som
kommer ut ur ögat överförs nu till en
mikrolinsuppsättning. Detta är en samling mycket små,
sfäriska linser som visas längst ned till vänster i bilden.
Och ni ser att var och en av dessa mikrolinser fokuserar
den del av vågfronten som träffar linsen till en
fokuspunkt. I ett perfekt optiskt system hade avståndet
mellan dessa fokuspunkter varit exakt detsamma, både
vertikalt och horisontellt. Detta skulle motsvara en
perfekt vågfront. Men om ni tittar längst ned till höger
ser ni att höger sida av vågfronten inte är perfekt utan
träffar linsen med en vinkel – vågfronten lutar lite – så
fokuspunkten hamnar antingen till vänster om, höger
om, ovanför eller nedanför den perfekta fokuspunkten.
På nästa bild ser ni återigen det perfekta systemet
högst upp där alla linspunkterna fokuserar på rätt punkt
på axeln för varje lins, och i uppställningen av punkter
ser ni hur jämnt alla dessa fokuserade ljuspunkter är
placerade i en CCD-kamera. Och utifrån det vet vi att
vågfrontens lutning är plan. Som ni ser till höger
motsvaras detta av en enda färg. Men längst ned ser ni
att när vågfronten kommer ut har den en mycket kupig
lutning i kanten och därför gör vinkeln den träffar linsen
med att fokuspunkten hamnar utanför linsens
centralaxel. Och genom att mäta avståndet mellan
linserna kan vi beräkna hur vågfrontens lutning måste
ha sett ut när den träffade linsen. Så genom att beräkna
dessa lutningar utefter hela strålens längd kan man
återskapa en vågfrontsaberration, och detta visas längst
ned till höger.
Deconstruction of a Wavefront
Reconstructed Wavefront
Hartmann-Shack Image
Defocus
Astigmatism
Coma
Triangular
Astigmatism
Spherical
Aberration
Zernike Modes
radial
order
~ Conventional
Refraction
2nd
Z20
Z-22
astigmatism defocus
Z22
astigmatism
Higher Order
Aberrations
3rd
trefoil
Z-33
coma
Z-13
coma
Z13
trefoil
Z33
4th
Z04
Z-24
Z-44
spherical
quadrafoil secondary
astigmatism
Z44
Z24
secondary quadrafoil
astigmatism
5th
Z-55
pentafoil
Z-35
secondary
trefoil
Z15
Z-15
secondary
coma
secondary
coma
Z35
secondary
trefoil
Z55
pentafoil
Zernike Co-Efficients
Astigmatic modes
Comatic modes
Trefoil modes
Spherical Aberration
© Bausch & Lomb 2009
Nu har vi en vågfront och det är ju bra, men det är lite
svårt att tolka en vågfront, det är som att försöka tolka
en topografi. Det är lite svårt att veta vad man har innan
man är ordentligt bekant med vågfronter. Men det
trevliga med det här är att man kan passa in vågfronten
med vilken polynom som helst som verkar vettig. Och
tittar ni längst ned på bilden ser ni ett antal uttryck som
är tämligen välbekanta: defokus, astigmatism, och om ni
går tillbaka till optikerutbildningen: koma och sfärisk
aberration – allt detta har en betydelse för oss i fråga
om aberrationer.
Och det visar sig att vi kan använda en serie polynom
som kallas Zernike-polynom som motsvarar ett antal av
dessa optiska uttryck som vi är väl bekanta med. Så vi
kan passa in den rekonstruerade vågfronten med
Zernike-polynomen och bryta ned den i ett antal
aberrationer som visas här, alltså defokus, astigmatism,
koma och sfärisk aberration. Dessutom finns det ett
antal andra element som inte är lika välbekanta, men de
representrerar former i vågfronten. Detta kallas en
Zernike-pyramid, och det som är så intressant med
Zernike-elementen är att de bildar olika lägen, olika
ordningar, så att t.ex defokus och astigmatism, sfär och
cylinder som vi brukar kalla dem, är kända som andra
ordningens Zernike-former. Man kan tänka på det som
vanlig glasögonrefraktion. Sedan har vi tredje
ordningens element, och dessa kallas koma och trefoil.
Koma känner vi förstås till, och medan trefoil är något
som tenderar att påverka utkanten av en vågfront
påverkar koma mitten av vågfronten. När vi kommer till
fjärde ordningen är det sfärisk aberration som vi alla
känner till, men sedan har vi även några andra element.
Sedan kommer femte ordningen och så vidare. När man
pratar om ögon, särskilt normala ögon, pratar man
nästan alltid om bara andra till femte ordningens
aberrationer eftersom man täcker in i stort sett hela
vågfrontsvariationen man hittar i normala ögon med
dem. Och strax kommer vi att se att aberrationer som
koma, trefoil och sfärisk aberration är mycket vanliga i
det mänskliga ögat.
Det vi kan göra nu är att ta magnituden på var och en
av dessa Zernike-koefficienter och lista dem som i den
här datafilen från en Zywave-aberrometer. Då ser vi
direkt hur mycket som fanns av varje aberration. Så om
man tittar på dessa aberrationer och deras magnitud så
ser man att det här ögat t.ex. hade mycket koma och en
del sfärisk aberration. Och femte och en del av fjärde
ordningens aberrationer är mycket små. Det som är
riktigt bra med detta är att vi nu har en liten fil – tänk er
att man skickar den här nummerserien via fax eller epost eller liknande – så istället för en topografi som
representeras av en bild och som måste tolkas som en
bild kan man skicka dessa siffror till någon annan och
sedan återskapa bilden eller vågfronten så att andra
kan se den.
Man kan även avbilda dem mot en normal population,
så i den här bilden visar jag i grönt hela intervallet av
Zernike-former för en relativt stor population på 199
ögon. Ni ser att tredje ordningens aberrationer, dvs.
koma och astigmatism, motsvaras av fyra ganska stora
staplar, och sedan minskar de när vi kommer till fjärde
ordningens och slutligen femte ordningens Zernikeformer. Och här med de små svarta pilarna visar vi den
individuella variationen för ett enda öga, så ni ser direkt
hur ögat passar in i den normala populationsvariationen.
En annan sak vi gör är förstås att mäta vågfronten på
pupillplanet. Och det är ju lite svårt att tolka en vågfront.
Det vi egentligen vill veta är hur det här ögat ser.
6.0 mm pupil
Pupil Plane vs Retinal Plane Metrics
Wavefront
Point Spread
Function
Convolved
Image
Is There a Need for
Contact Lenses
Which Correct Higher Order
Wavefront Aberrations?
© Bausch & Lomb 2009
Det vi kan göra då är att använda en Fouriertransformation för att konvertera vågfrontsinformationen
på irisplanet till en punktspridningsfunktion på
näthinneplanet.
Och
från
denna
punktspridningsfunktion, som är rätt svår att tolka själv,
kan vi göra en omvandling med valfri bild, t.ex. en
optotyp som på en syntavla, så här har vi då optypen E.
Och vi kan omvandla punktspridningsfunktionen till
bokstaven E så att vi får en bild av vad ögat skulle se.
Man kan se det som att ta varje bildpunkt i bokstaven E
och multiplicera den med punktspridningsfunktionen. Så
detta är ett väldigt praktiskt sätt att tolka vad en vågfront
gör med ögat.
Frågan är då, finns det verkligen ett behov av
kontaktlinser som korrigerar högre ordningens
vågfrontsaberrationer? Jag menar, folk ser väl ganska
bra med kontaktlinser som bara korrigerar sfär och
cylinder som vi har idag?
Keratoconus Aberrations
3rd, 4th, & 5th Order Zernike Co-Efficients
1.5
1.0
Zernike Co-Efficient Magnitude (um)
Coma
Z7
0.5
Z8
Z9
0.0
Z10
Z11
-0.5
Z12
Z13
-1.0
Z14
Spherical
Aberration
-1.5
Z15
Z16
-2.0
Z17
Z18
-2.5
-3.0
Z19
Z20
Normals
Z21
Keratoconics
PSF
Wavefront
Convolution
3mm Pupil
6mm Pupil
LASIK Aberrations
Zernike Co-Efficients - Normal v s Refractiv e Surgery Populations
0.8
0.6
Coma
Z7
0.4
Z8
Z9
0.2
Z10
Z11
0.0
Z12
Z13
-0.2
Z14
-0.4
Z15
Z16
-0.6
Z17
-1.0
Z18
Spherical Aberration
-0.8
Z19
Z20
NORM AL
© Bausch & Lomb 2009
REFRACTIVE
Z21
Låt oss titta på några patientgrupper. Ta keratoconuspatienter till
exempel. Normalt får dessa patienter hårda linser idag eftersom deras
syn med sfäro-cylindrisk korrektion inte blir så bra, särskilt på natten
när pupillen blir större och aberrationerna börjar märkas. Här är en
bild som visar den typ av aberrationer man ser hos en handfull
keratoconuspatienter jämfört med den normala populationen vi tittade
på förut. Ni ser att i den normala populationen till vänster såg det
visserligen ut att vara rätt stor variation i de föregående bilderna, men
den är ändå av mycket liten magnitud jämfört med vad
keratoconuspatienter har att leva med. Och de har även en betydande
mängd koma, som är en tredje ordningens aberration, särskilt vertikal
koma som visas i den första stapeln här. De har också en betydande
sfärisk aberration, vilket inte är förvånande med tanke på att de har en
mycket kupig hornhinna. Vi vet från optiken att när man har en
kupigare krökning på en yta finns det större risk för sfäriska
aberrationer. Och förstås – föga förvånande – har de ytterligare tredje
och fjärde ordningens aberrationer som trefoil. Men femte ordningens
aberrationer har inte nämnvärt större magnitud än hos
standardpopulationen. Och tänker man på saken är inte det heller så
konstigt eftersom när en konisk hornhinna bildas har den inte så
många högfrekventa variationer i sig. Det som händer är att
hornhinnan blir kupigare och decentrerad. Och dessa två förändringar
skapar sfärisk aberration och koma.
Det kan vi se i den här bilden. Detta är en enskild person som vi kan
kalla en tidig keratoconuspatient. Jag skulle faktiskt kalla honom en
keratoconuspatient i förnekelse eftersom han – det är en vän till mig,
en optometrist – inte vill tro att han har keratoconus. Men det var
intressant när vi tog hans topografi, som ni kan se här uppe till vänster
i Orbscan-bilden av den främre ytan, och ni ser att apex har förflyttats
nedåt. Och det jag har gjort till höger istället för att passa in en sfärisk
yta som vi ser överst till vänster så har jag passat in en sfärocylindrisk yta. Och detta tar bort alla sfäriska och cylindriska
komponenter i hans hornhinneform. Och nu tittar vi på vad som blir
kvar. Som ni kan se är det en rejäl lutning eftersom apex har sjunkit
nedåt, och det motsvarar mycket koma i vågfrontstermer. Om ni tittar
på hans vågfront nere till vänster i diagrammet ser ni att den lilla
ensamma pilen för vertikal koma föga förvånande är helt
oproportionerlig, det är den största aberrationen han har. Några av de
andra ligger på gränsen för normal fördelning men många av dem
ligger väl inom den normala populationens fördelning. Så helt
korrigerad med en sfär och cylinder och en liten pupill, som ni ser till
höger, har han faktiskt en ganska ok vågfront – ni ser på
omvandlingen att han ser bra. Han kommer faktiskt upp i 20/15 med
en sfäro-cylindrisk korrektion. Hans problem är att när pupillen blir
större och blottar det mesta av koman ser ni hur dramatiskt vågfronten
förändras. Ni ser hur punktspridningsfunktionen börjar få den där stora
vertikala utsvängningen, eller komaliknande formen. Och ni ser på
omvandlingen vilken dramatisk kontrastförlust han upplever under
mörkerförhållanden.
Sedan finns det förstås andra typer av underpopulationer också som
vi hanterar, t.ex. patienter som har genomgått refraktiv kirurgi.
Lyckligtvis har förbättringarna inom refraktiv kirurgi minskat den typ av
högre ordningens aberrationer som uppstår genom ingreppet, men
fortfarande kan man se betydande sfärisk aberration från det
kirurgiska ingreppet hos patienter som har gjort en större korrektion
på mer än 5 eller 6 dioptrier. Och detta beror på att vi ju ändrar
hornhinnans krökning vid ingreppet och gör den mycket plattare, och
någonstans måste denna plattare hornhinna gå över i den normala
hornhinneformen. Så vanligtvis finns det ett område med en skarp
krökning som orsakar en sfärisk aberration. Särskilt om den optiska
zonstorleken inte är stor nog för att övergångszonen ska hamna långt
bort från pupillen kommer patienten att uppleva sfäriska aberrationer
när pupillen är stor. Här ser vi lite data från en handfull LASIKpatienter jämfört med en normal population. Allt har gjorts med en
pupillstorlek på 6 mm, så inte extremt stort med andra ord. Och ni ser
att ett uttryck av sfärisk aberration är markant olika mellan de båda
populationerna. Det finns även en del koma och beroende på hur väl
behandlingsområdet är i linje med den visuella öppningen kan
patienten tänkas uppleva betydande koma utöver vad han eller hon
ursprungligen hade. Men sfärisk aberration är den aberration man ofta
brukar se, särskilt hos patienter som har genomgått refraktiv kirurgi
med stor sfärkorrigering.
Wavefront
PSF
Convolution
3mm Pupil
6mm Pupil
Normal Population Distribution
Zernike Co-Efficient Distribution - Normal Population
1.0
Pupil = 6.0mm
0.8
Zernike Co-efficient Magnitude (um)
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
n = 838
Mean
Mean±SD
Min-Max
-1.0
Z311
Z331
Z400
Z421
Z441
Z511
Z531
Z551
Z310
Z330
Z420
Z440
Z510
Z530
Z550
HORMS vs Refractive Error
Relationship Betw een Refractiv e Sphere and
Higher Order Wav efront Aberration of the Eye
1.4
Pupil Size = 6.0mm
n = 838
1.2
HORMS (um)
1.0
0.8
0.6
53%
0.4
0.2
0.0
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
Refractive Sphere (D)
© Bausch & Lomb 2009
-2
-1
0
1
Här är ännu ett enskilt fall, och om ni tittar på Orbscan-bilden
av den främre ytan uppe till vänster ser ni att mittzonen har
plattats till i den blå zonen till skillnad mot de orange och röda
zonerna som omger den. Ni ser även att den är aningen
decentrerad så den ser ganska normal ut, men patienten
klagade på att synen inte var helt perfekt. Och om ni tittar på
höger sida där vi har passat in den sfäro-cylindriska ytan så
ser ni att med sfären och cylindern borttagna finns det några
bulor och gropar som är lite ovanliga och som man inte skulle
förvänta sig att se. Och om vi tittar ned på vågfronten ser vi
återigen att de där svarta pilarna ligger lite utanför den
normala fördelningen, så den här patienten har några ovanliga
aberrationer där. Och tittar vi på vågfronten till höger så ser vi
hur de går samman och ger upphov till flera toppar i
vågfronten som för både 3- och 6-millimeterspupillen ger en
punktspridningsfunktion som inte har någon väldefinierad
mittpunkt. Och det som då händer är att patientens
bildupplösning försämras. Så oavsett vilken sfäro-cylindrisk
korrektion man gör på den här patienten blir synen aldrig så
bra som hon eller han hade hoppats. Det är viktigt för man kan
förstå huruvida en ombehandling skulle lösa patientens
problem eller inte i det här fallet. Men att sätta ett par
glasögon framför patienten skulle förstås också ge svar på
den frågan.
I nästa bild tittar vi på den normala populationens fördelning.
Vi har tittat på ögon med keratoconus och postoperativa ögon
och vi kan alla enas om att de har många potentiella högre
ordningens aberrationer som kan korrigeras. Men frågan är
om det är värt det i den normala populationens fördelning?
Tittar man på det här diagrammet ser man att även om alla
Zernike-former ligger mycket nära noll, som man förväntar sig
av ett idealiskt optiskt system, så ser man om man beaktar de
enskilda ögonen, både i standardavvikelserutorna och vad
gäller minimifel och maxfel att det finns en hel del högre
ordningens aberrationer, särskilt koma, trefoil och sfäriska
aberrationer. Däremot inte så många fjärde och femte
ordningens aberrationer. Och om vi tänker på den sfäriska
aberrationen som här motsvaras av uttrycket Z-400 är det
intressant att dess medelvärde inte är noll. Så populationens
genomsnittliga sfäriska aberration är något annat än noll, och
det är intressant eftersom detta är en perfekt möjlighet att
korrigera en hel population då aberrationen inte är noll. Det
finns ett antal hypoteser om varför den sfäriska aberrationen
inte är noll i normalpopulationen och jag tänker inte gå in på
det nu. Men det kan vara värt att fundera på om vi kan
korrigera sfärisk aberration på egen hand utan att ens ta med
de andra aberrationerna i beräkningen, och detta ska vi prata
om.
Här är en annan bild som visar högre ordningens kvadratiska
medelvärde (RMS). Det är alltså ett enda tal som representerar hela
mängden av alla dessa aberrationer tillsammans. Och i det här fallet
jämfört med refraktiva fel. Somliga av er kanske tänker att era
patienter med låg myopi inte lär ha så mycket aberrationer, det är väl
bara de med hög myopi och hur många av dem har man? Men som ni
ser i den här bilden är förhållandet mellan högre ordningens
aberrationer och hur mycket myopi eller hyperopi man har mycket
litet. Det beror på att hyperopi och myopi hänger ihop med den axiella
längden medan högre ordningens aberrationer framför allt hänger
ihop med hornhinnans form, linsens optik och förhållandet mellan
dessa två element och hur väl de är centrerade mot varandras optiska
axlar. Det finns en till poäng med den här bilden och det är att fundera
över hur mycket högre ordningens fel det är värt att försöka korrigera
med en kontaktlins? En lågt hållen inställning skulle kunna vara 0,4
mikroner på en 6-millimeterspupill. Som ni ser i den här bilden så har
53 % av denna population på 800 ögon mer än 0,4 mikroner. Jag
sade ju att det var lågt hållet, och ni kommer att se senare att vår
potential vad gäller tillverkning förmodligen ligger någonstans runt 0,2
mikroner. Jag har alltså fördubblat tillverkningstoleransen för att ta
fram en ”skräddarsydd” kontaktlins, och till och med då har över 50 %
av populationen en större aberration än 0,4 mikroner. Det finns alltså
en stor andel av era vanliga patienter som skulle kunna dra nytta av
en korrektion med en skräddarsydd kontaktlins.
Designing Contact Lenses Which Higher Order
Wavefront Aberrations Should
We Correct?
Designing Custom Contact Lenses
Wavefront “Optimized”:
• Partial HOA correction
• Usually Defocus and Spherical Aberration
• Rotationally symmetrical aberrations
• e.g. Purevision, Choice AB, Frequency55, Biomedics55
Premier
Wavefront Guided:
• Full wavefront correction
• 2nd thru 5th or 6th HOAs
• Symmetrical and non-rotationally symmetrical aberrations
• e.g. Ophthonix IZon, Technovision LaseLens, QuarterLambda
SynergEyes W
Vilka högre ordningens vågfrontsaberrationer ska vi då
försöka korrigera när vi utformar dessa linser?
Det finns två vägar att gå här. Den första har flera
företag tagit, inklusive Bausch & Lomb, och man skulle
kunna kalla den inriktningen för vågfrontsoptimerad. Det
innebär att man endast korrigerar en del högre
ordningens aberrationer. De flesta aberrationer vi
korrigerar är defokus och sfärisk aberration, och vi
kommer då tillbaka till det faktum att
normalpopulationen har en betydande sfärisk aberration
som inte är noll. Så tanken är att om vi korrigerar det
hos populationen har vi reducerat högre ordningens
aberrationer i ögat. Den andra inriktningen är
vågfrontsstyrd och det innebär att man tar det
individuella ögat, mäter de individuella aberrationerna
och korrigerar alla dessa. Det finns några mycket små
företag som hävdar att de har vissa möjligheter till
vågfrontsstyrd korrigering, men det mesta arbetet på
området har utförts av universitetens eller företagens
forskningslaboratorier.
Population Spherical Aberration
0
Normal Population Spherical Aberration
4) (Z
280
260
n = 838
240
Pupil Size = 6.0mm
220
200
Om vi återigen tittar på fördelningen hos populationens
sfäriska aberration ser vi att toppen ligger utanför
nollpunkten, så man skulle kunna ta den
populationstoppen och skapa en lins som korrigerar den
aberrationen.
No of obs
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
Spherical Aberration04Z(um)
© Bausch & Lomb 2009
0.4
0.5
0.6
0.7
Contact Lens Correction of Spherical Aberration
- Case 1 “Good” 5.7mm Pupil
Wavefront
PSF
Convolution
Det här är intressant: här är en fallstudie på ett öga som
har mycket sfärisk aberration och i den översta raden
ser ni vågfrontens punktspridningsfunktion i det
omvandlade E:t med en sfäro-cylindrisk korrektion. I
den nedre raden ser ni att när vi har korrigerat
sfärcylindern och den sfäriska aberrationen har den
övergripande punktspridningsfunktionen och vågfronten
hos patienten minskat en avsevärt, och ni ser hur
mycket skarpare och tydligare den omvandlade
bokstaven E är.
Aspheric Contact Lens Optics
Simplest custom contact lens design
• Corrects rotationally symmetric SA
• Based on population average
• Easily manufactured with lathe technology
Här är en klassisk asfärisk kontaktlins med en asfärisk
yta som är rotationssymmetrisk. Den asfäriska ytan
korrigerar den sfäriska aberrationen. Det är relativt
enkelt att göra detta i standardtillverkningen idag
eftersom man istället för att lägga sfäriska ytor på
gjutformen för gjutna linser eller med svarvade linser så
ändrar man det till en asfärisk yta som korrigerar den
sfäriska aberration vi ser i populationens fördelning. Det
blir då inga ökade kostnader, och genom att lägga in en
asfärisk yta på linsen kan man minska den sfäriska
aberrationen i vågfronten.
The Ideal Aspheric Design
Spherical Aberration
-6.00D -5.00D -4.00D -3.00D -2.00D -1.00D
SPHERICAL
ANTERIOR
SF1
© Bausch & Lomb 2009
Power
SF<1
-0.10μm
ASPHERIC
ANTERIOR
LEVEL OF SPHERICAL ABERRATION TO
THEORETICALLY OFFSET POPULATION
AVERAGE (ASSUMING PERFECT LENS
CENTRATION)
-0.20μm
Så här skulle man kunna göra: Man måste komma ihåg
att varje kontaktlins med styrka har sin egen sfäriska
aberration, så ju mer myopi desto mer sfärisk aberration
finns det inbyggd i en lins med sfärisk yta, som visas av
den röda linjen här. Och vid låga minusstyrkor måste
man faktiskt öka mängden sfärisk aberration för att få
ner den till den svarta streckade linjen som motsvarar
populationens genomsnitt för 6 mm. När vi går uppåt
från -1 får vi lägga till mindre och mindre, och när vi
kommer till de högre styrkorna får vi börja ta bort den
negativa sfäriska aberrationen och lägga till positiv
sfärisk aberration. För linsen har i sig själv mer än
populationens aberration.
SA Population Distribution
Spherical Aberration vs Spherical Refractive Error
0.7
Pupil Size = 6.0mm
n = 838
0.6
Spherical Aberration - Z 04 (um)
0.5
0.4
Här är en fördelning av den individuella sfäriska
aberrationen från samma population som vi har tittat på
tidigare, och ni ser hur mittpunkten är förskjuten från
nollinjen.
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
Refractive Error Sphere (D)
SA Population Distribution
Men när vi sätter dessa genomsnittslinser på
populationen flyttar vi egentligen hela populationen
nedåt. Så nu ser ni att nollan förflyttar sig genom
mittpunkten. Så alla som låg ovanför linjen tidigare får
nu en viss minskning av sina högre ordningens
vågfrontsaberrationer, kanske inte helt korrigerat för
sfärisk aberration, men helt klart med en viss reduktion
där. De som låg nedanför linjen tidigare får faktiskt en
viss ökning av sin sfäriska aberration. Det är alltså en
genomsnittlig korrigering och om man ligger nära
populationens genomsnitt får man störst nytta av detta.
Vissa patienter kan få en sämre korrigering.
Spherical Aberration Following Average Population Value Offset
Spherical Aberration (with Average Population Offset) (um)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
AvgOfPPRSphere
Contact Lens Correction of Spherical Aberration
- Case 2 “Not So Good” 5.7mm Pupil
Wavefront
© Bausch & Lomb 2009
PSF
Convolution
Här är en annan typ av fall som också kan finnas i
samma population, nämligen en patient där den sfäriska
aberrationen inte är den största aberrationen i ögat.
Fram till nu har vi ju bara pratat om att korrigera den
sfäriska aberrationen. Och här i den översta raden ser
ni på vågfronten att det finns väldigt mycket koma i det
här ögat, och det ser ni i punktspridningsfunktionen och
här till höger. Vi har korrigerat sfär och cylinder enbart i
den översta raden. Om ni tittar på den nedersta raden
så har vi korrigerat sfär, cylinder och sfärisk aberration,
och resultatet är i stort sett detsamma. För jämfört med
mängden koma finns det mycket lite sfärisk aberration.
Så i det här fallet har patienten ingen större nytta av en
lins som korrigerar den sfäriska aberrationen, eftersom
han helt enkelt inte har så mycket av det jämfört med
koma. Visst finns det många patienter i populationen
som skulle ha nytta av att endast korrigera den sfäriska
aberrationen, men det är många som skulle ha ännu
större nytta av att korrigera alla aberrationer.
Visual Impact Beyond SA
Nästa bild är ett sätt att visa detta. På X-axeln har vi ett uttryck
som kallas Strehl-kvoten som jag inte tänker gå in djupare på,
men det är i alla fall ett sätt att mäta optisk kvalitet, och i ett
perfekt system som endast begränsas av diffraktion skulle
värdet vara 1. Allt annat än det innebär att den optiska
kvaliteten inte är optimal. Det jag har gjort här är att beräkna
Strehl-kvoten för vår population med myopi och astigmatism
korrigerade, vilket visas i blått, och ni ser att toppen är mycket
låg vad gäller Strehl-kvoten. Ni ser att de flesta patienterna
ligger där borta till vänster, och det finns några ögon som inte
är så dåliga och kommer upp i en Strehl-kvot på cirka 0,3. När
man korrigerar myopin eller astigmatismen och den sfäriska
aberrationen ser ni i rött att populationens fördelning börjar
sträcka sig åt höger och ni ser att vissa ögon börjar bli riktigt
bra med en Strehl-kvot på över 0,5, vilket är en fantastisk
bildkvalitet. Med detta är de patienter som framför allt har
sfäriska aberrationer. Den stora massan av populationen
behöver fortfarande korrigera andra aberrationer. Och ni ser
på det gröna att när vi väl börjar korrigera koma och trefoil
förutom den sfäriska aberrationen så börjar massan flytta sig
och får en mycket bättre kvalitet på näthinnebilden. Så idealet
är att göra en helt anpassad korrektion.
Custom Correction of
Wavefront Aberration with
Contact Lenses
- What Type of Lens Should We Use?
Customized Contact Lenses
- Effect of Rotation & Movement
RMS of residual WA (microns)
1
1
2nd
3rd
4th
5th
6th
0.8
0.6
d efocus & spherical ab.
0.8
ord er corrected u p to
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
translation (mm)
Gurao et. al. VSIA, 2000
© Bausch & Lomb 2009
1
0
0
5
10
15
20
rotation (deg)
25
30
Vilken sorts lins ska man då använda?
Ja, oavsett om det är en stabil eller en mjuk lins måste
vi ta hänsyn till eventuell förflyttning eller decentrering.
Som ni kan se i dessa diagram, och särskilt när vi pratar
om decentrering som i det här fallet till vänster kallas
förflyttning, vinner allt upp till cirka 0,4 mm fortfarande
på att korrigera dessa högre ordningens aberrationer
även om linsen är decentrerad. Högre än så kommer vi
faktiskt till en punkt där vi får sämre näthinnebild än vad
vi hade fått med en vanlig sfärisk lins. Vad gäller
rotationen – för de aberrationslägen som påverkas av
rotation, på samma sätt som toriciteten påverkas av
felrotation – ser ni att någonstans kring 5–10 grader är
acceptabelt. Men efter det börjar vi få en minskad effekt
av att korrigera högre ordningens aberrationer.
Optimally Fit RGP Lenses
Med det i åtanke visar det sig att en typisk stabil lins,
trots att logiken säger att det skulle vara mycket enklare
att använda dessa komplexa vågfrontskorrigerande ytor
på ett stabilt hårt material, inte centreras eller
stabiliseras tillräckligt bra för att ge en konstant
bildkvalitet på näthinnan.
Soft Lens Fitting Theory
Mjuka linser centreras naturligt även om de
decentreras, eftersom de genererar ett negativt tryck
när de sätts in i ögat, så bara man kompenserar för den
decentreringen och var man placerar optiken kan man
få till en mycket upprepningsbar positionering av linsen.
Soft Toric Lens Design
- Orientation Mechanism Necessary
Och för det andra finns det mängder av bra
ballastsystem som gör att man kan få mycket stabila,
icke-roterande linser. Och det tar vi från toriska
standardformgivningar.
© Bausch & Lomb 2009
Custom Correction of
Wavefront Aberration with
Soft Contact Lenses
Hur skulle man då tillverka linsen?
- How to Manufacture?
Manufacturing Techniques
Custom Lathing:
• 3-axis lathe
• Sub-micron accuracy
• Hydration phase
• No polishing
• Cost effective
Custom Molding:
• Personalized molds necessary
• Lathed or Ablated
• Plastic or Metal
• High Dk materials
Det finns flera olika sätt. Ett mycket enkelt sätt skulle
vara att använda svarvningstekniken som används idag
för att svarva linser, eller för att svarva de verktyg vi
använder för att skapa gjutformar för att gjuta linser. Så
samma metoder som används för att tillverka toriska
linser kan användas för att tillverka icke
rotationssymmetriska linser som korrigerar koma med
mera. Och de flesta grupper som testar detta idag,
inklusive min egen, kommer att använda den här
tekniken för att tillverka linserna. Men för
massproduktion kan man använda gjutning som vi gör
för endagslinser, eller så kan man svarva gjutformens
yta eller använda t.ex. en excimerlaser för att gå in och
modifiera formen eller linsen själv efter gjutning.
Här är ett exempel på vilken typ av yta man kan
åstadkomma med dagens moderna svarvningsteknik,
och ni ser att man inte bara kan korrigera astigmatism
som ni ser överst utan även trefoil, quadrafoil och
pentafoil som ni ser nederst.
© Bausch & Lomb 2009
Manufacturing Techniques
Combined Molding/Lathing:
• Mold posterior surface
• Lathe anterior surface
Direct Ablation:
•
•
•
•
•
Anterior surface ablation of dry polymer
High Order ablation on Low Order blank
Small spot size Excimer
Slow
Expensive
Measured Aberration of Customized
Contact Lens
Measurement
Design
3 mm
-3 mm
Zernike coefficient (mm)
1.2
: design
: Measurement
0.9
0.6
0.3
Residual HO rms
= 0.25 µm
0.0
-0.3
-0.6
-0.9
-1.2
3rd
6
7
8
4th
5th
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Zernike mode
WFG CLs: The Business Model
Wavefront Sensor Measures
Aberration in Clinician’s Office
Correcting Lens Design is Computed
Remotely Via Internet
Lens is Custom Packaged and
Delivered to Doctor or Patient
CNC Lathe Creates
Non-Symmetric Customized Lenses
© Bausch & Lomb 2009
Även om svarvning är ett praktiskt sätt att tillverka en
skräddarsydd lins så skulle prisstrukturen för sådana
linser inte riktigt fungera för korttidslinser. Så i slutänden
blir det förmodligen någon typ av kombination med
exempelvis en gjuten bakre yta och en gjuten främre yta
som sedan svarvas i den optiska zonen enbart. Eller
kanske en gjuten lins där man använder en industriell
excimerlaser för att korrigera högre ordningens
aberrationer, och där korrigeringen av sfär eller möjligen
rentav sfär och cylinder redan är ingjuten i linsen.
Oavsett vilket finns det helt klart metoder för att tillverka
dessa linser.
Här är ett exempel på vilka möjligheter vi har att
korrigera högre ordningens aberrationer i en lins: Här
överst till vänster ser ni vågfrontsdesignen för en
anpassad kontaktlins för ett öga, och till höger ser ni
vågfronten för den uppmätta linsen, och för blotta ögat
ser de tämligen identiska ut. Om ni tittar närmare ser ni
några mindre variationer och längst ned ser ni de
faktiska magnituderna för Zernike-formerna. Och ni ser
att i några av tredje och fjärde ordningens aberrationer
finns det små skillnader. Men i slutänden ser ni att
resterande högre ordningens RMS, dvs. resterande fel
vilket borde vara noll, här är cirka 0,25 mikroner. Och
det är siffran jag pratade om tidigare när jag talade om
hur mycket aberration man behöver korrigera. Så vår
tillverkningstolerans idag ligger runt 0,25 mikroner över
en 6-millimeterspupill. Vi kan alltså tillverka dessa linser
i massproduktion.
Då är frågan hur man ska leverera sådana linser i
dagens värld där korttidslinser är normen? Här är en
affärsmodell som vi tror skulle fungera mycket bra. Det
finns några mindre företag, framför allt i USA, som
redan använder sig av den här affärsmodellen när det
gäller specialanpassade glasögon. Ni ser överst till
vänster att vi har vågfrontssensorerna, så på
mottagningen gör ni mätningarna på patienten med en
testlins som bara har sfärstyrkan i sig med hjälp av
vågfrontssensorn. Och sedan överför ni den
informationen via Internet eller skriver ut den som en
streckkod som faxas till tillverkningsstället, och där
omvandlas informationen till en svarvningsfil som
överförs till en svarv som tillverkar linserna i batcher om
allt från en enda testlins till ett helt årsbehov, beroende
på hur många linser ni skriver ut till patienten. Slutligen
förpackas linserna som vanligt och skickas antingen till
er praktik eller, om ni föredrar det, direkt till patienten.
Så ni ser hur den här affärsmodellen skulle kunna
fungera med de befintliga tillverkningsmetoder och
tillverkningsställen som de stora företagen har.
Custom Correction of
Wavefront Aberration with
Soft Contact Lenses
Den verkligt intressanta frågan när det gäller
specialanpassad korrigering av vågfrontaberrationer är
om synen förbättras. Om synen inte förbättras finns det
ju ingen mening med att göra detta.
- Can We Improve Vision?
Correction of the eye’s aberration using
phase plate and measurement of visual
performance
Pupil
camera
Phase plate
(pupil conjugate)
Wavefront
sensor
CCD
Artificial
pupil
Eye
Laser
Visual acuity
DMD
projector
Visual stimulus
Reduction of RMS Error
Eye
Eye + phase plate
Total rms
Rms wavefront error (mm)
6
Higher order rms
6mm pupil
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
6mm pupil
0
0
GY
JP
MM
IC
FE Mean
Subjects
© Bausch & Lomb 2009
GY
JP
MM IC
FE Mean
Låt mig visa några resultat av de experiment mina
kollegor på University of Rochester har utfört i
kombination med våra möjligheter att tillverka dessa
linser på Bausch & Lomb. I den första studien använde
vi fasplattor, och tittar ni längst ned till vänster så ser ni
en av de fasplattor vi skapade. Fasplattor är som platta,
styva kontaktlinser där vi har svarvat in
vågfrontskorrektionen för en patient i en styv bit plast.
Poängen med det är att vi kan montera plattan i en
optisk bänk och det är det vi ser i den här bilden. Vi kan
mäta patientens vågfront med fasplattan på plats
samtidigt som patienten tittar på en skärm och mäter
synskärpan med hjälp av en forced choice-metod med
fyra alternativ. Så vi kan mäta resterande vågfront,
korrigeringsmöjligheten och synskärpan på samma
gång.
Och här är resultatet: Till vänster ser vi det totala
vågfrontsfelet, vilket inkluderar sfär och astigmatism, så
ni ser av de blå staplarna till vänster som motsvarar
själva ögat att det finns en stor variation i resterande
sfär och cylinder och även högre ordningens
aberrationer. Och den röda stapeln för de fem patienter
vi tittade på motsvarar hur det såg ut efter att fasplattan
hade satts in för att korrigera ögat. Till höger ser ni
högre ordningens RMS, eller högre ordningens
aberrationer, så det är resterande högre ordningens
aberrationer för enbart ögat som visas i blått, och i rött
visas hur det ser ut när fasplattan korrigerar dessa
högre ordningens aberrationer. Ni ser återigen att
resterande högre ordningens aberrationer ligger på runt
0,2 mikroner.
Reduction of HOA: Feasibility
Subject
GY
JP
IC
FE
MM
Eye
2nd order
corrected
mm
mm
2nd + higher
order
corrected
(phase plate)
Reduction of HOA: Feasibility
Subject
GY
JP
IC
FE
MM
Eye
2nd order
corrected
2nd + higher
order
corrected
(phase plate)
Improvement in VA
Correcting 2nd order only
Correcting 2nd + higher order
Visual acuity (logMAR)
High Contrast
contrast (100%) letter
High
Letter
Low
contrast(100%)
(10%) Letter
letter
Low
Contrast
0.2
20/32
0.2
20/32
0.1
20/25
0.1
20/25
0
20/20
0
20/20
-0.1
20/16
-0.1
20/16
-0.2
20/12.5 -0.2
-0.3
20/10
GY
JP
MM
IC
-0.3
FE Mean
Subjects
© Bausch & Lomb 2009
20/12.5
20/10
GY
JP
MM
IC
FE Mean
Vi kan notera att FE är en tidig keratoconuspatient,
samma keratoconispatient i förnekelse som jag visade
tidigare, så den patienten har den högsta nivån av
resterande aberration till att börja med med enbart ögat
efter sfäro-cylindrisk korrektion. Här ser vi patienternas
vågfront i en annan form, som en vågfrontskarta i 2D,
och detta är alltså med själva ögat utan korrigering av
sfär, cylinder eller aberrationer. I mellanraden har vi
sedan korrigerat sfär och cylinder, och i den nedersta
raden är andra ordningens aberrationer, dvs. sfär och
cylinder, och alla de andra högre ordningens
aberrationer upp till femte ordningen korrigerade. De två
ögonen till höger tillhör i det ena fallet en LASIK-patient,
MM, och FE är fortfarande den tidiga
keratoconuspatienen. De tre ögonen till vänster är
normala. Längst ned ser ni att det finns två olika skalor
eftersom patienterna till höger hade betydligt större
högre ordningens aberrationer till att börja med. Som ni
ser hamnar i stort sett alla på samma nivå resterande
högre ordningens aberrationer efter korrigering med
fasplattan, och det är en mycket låg nivå, bara runt 0,2
mikroner över en 6-millimeterspupill.
Nu tittar vi på omvandlingen gjorda utifrån
punktspridningsfunktionen från de vågfronter vi just
tittade på, återigen med bara ögat och utan korrigering.
Ni ser att de första tre patienterna som hade mycket
små korrigeringar av sfär och cylinder faktiskt ser
bokstaven E relativt bra. IC har lite resterande
astigmatism som inte har korrigerats och det är därför ni
ser en typ av sekundärbild. Men för de andra två
patienterna är den okorrigerade bilden mycket dålig.
När vi korrigerar sfär och cylinder ser ni att de tre
normala ögonen inte är så dåliga. IC har nu resterande
koma som största aberration, så vi har gått från en
dubbel bild pga. astigmatism som nu har korrigerats till
att se mycket koma. Nu börjar man se en hel del koma
även hos patient FE. Och det finns faktiskt en hel del
sfärisk aberration hos patient MM som inte syns så
tydligt i den här bilden. På den nedersta raden där alla
högre ordningens aberrationer har korrigerats ser ni hur
vi har blivit av med allt bländande ljus och liknande och
fått en riktigt bra upplösning på de bilderna.
Här är förbättringen av synskärpan, mätt i LogMAR med
forced
choice-metoden,
och
ni
ser
högkontrastbokstäverna till vänster och i blått visas
deras synskärpa med enbart sfäro-cylindrisk korrektion
för alla patienterna. I rött ser ni korrigering av högre
ordningen med fasplattor och ni ser att vissa patienter
får en rads förbättring av högkontrastskärpan, men de
flesta patienterna får bara två eller tre bokstäver. Men
det är på lågkontrasttavlan till höger som man ser den
stora skillnaden. För det som i första hand händer när
man korrigerar högre ordningens aberrationer är att
man får en betydande förbättring av kontrasten på
näthinnebilden, och i vissa fall även en bättre
upplösning. Men framför allt kontrast. Så med dessa 10procentiga lågkontrastbokstäver på lågkontrasttavlan
ser vi typiskt en förbättring på en rad och hos en patient
nästan två raders förbättring av lågkontrastskärpan.
Och detta gör stor skillnad för kvaliteten på
näthinnebilden hos dessa patienter. Detta är alltså med
fasplattor och därmed tämligen optimerat vad gäller
centrering och rotation då det är i en optisk bänk.
Vision Correction with CCL for Keratoconics
Sabesan (2007)
• Correction of 3 keratoconic eyes with
Customized Soft Contact Lenses
• 45% water content hydrogels
• Standard B&L Optima Toric design - lathe cut
• Sphero-cylindrical over-refraction, 4 alternative forced choice acuity task
Vision Correction with CCL for Keratoconics
Sabesan (2007)
Custom Correction of
Wavefront Aberration with
Soft Contact Lenses
- Issues to Resolve?
© Bausch & Lomb 2009
Men här är några resultat från faktiska anpassade
kontaktlinser som skapades med hjälp av svarvning.
Det är hydrogellinser med 45 % vatteninnehåll. Vi tog
helt enkelt våra vanliga Bausch & Lomb Optima Toric
och lade till korrigering av högre ordningens
aberrationer. Detta gjordes för tre keratoconiska
patienter.
Här är resultaten som har publicerats av Sabesan och Yoon
på University of Rochester, och ni ser i diagrammet överst till
vänster resterande RMS med traditionella mjuka kontaktlinser
med endast sfäro-cylindrisk korrektion, och sedan med
anpassade kontaktlinser, och ni ser i de individuella
diagrammen högst upp och längst ned att man har fått en
avsevärd minskning av den övergripande RMS. Det finns
fortfarande en del högre ordningens RMS med dessa linser.
Det är aningen svårare att sätta en vanlig mjuk kontaktlins
med en sfärisk bakre yta i ett keratoconiskt öga, eftersom de
har en del decentrering och felrotation, men det blir en
betydande minskning av högre ordningens aberrationer och
det leder till en förbättring av synprestandan. Det ser ni i
diagrammen till höger. Överst i bilden ser vi återigen på
högkontrastprestandan, och de vita staplarna motsvarar
korrigeringen med en traditionell sfäro-cylindrisk mjuk lins –
inte förvånande för en keratoconuspatient, och detta var
tämligen framskridna keratoconuspatienter. Ni ser att deras
LogMAR-synskärpa var väldigt dålig, runt 20/40 till 20/50 i
vissa fall. Med anpassade linser fick de flera raders
förbättring. Och för den första patienten hade man faktiskt en
RGP-lins också, patientens vanliga lins, som man mätte
synskärpan med. Och ni ser att för högkontrastskärpa var den
anpassade linsen ungefär lika bra som RGP-linsen. Tittar man
på lågkontrastskärpan, dvs. 20-procentstavlan, ser man att
RGP-linsen inte klarade sig bättre än den sfäro-cylindriska
linsen, men den anpassade linsen gav en betydande
förbättring av lågkontrastskärpan på dessa tre framskridna
keratoconuspatienter.
Så varför finns inga sådana här linser tillgängliga idag?
Vilka problem har vi kvar att lösa?
Issues to Resolve
• Lens Centration
• Adaptation of the Visual System
Det finns framför allt två saker som vi fortfarande
arbetar med. Den ena är linscentreringen och den andra
är anpassning av det visuella systemet.
Line of Sight vs Visual Axis
Cornea
Pupil
Center of the Pupil
(Line of Sight)
Visual Axis
Jag pratade lite om centrering tidigare, och det som är
viktigt är förstås att pupillen inte är centrerad i
hornhinnan och den visuella axeln ligger normalt inte i
pupillens centrum. Och problemet är att en kontaktlins
vanligtvis centreras på hornhinnan.
Center of
Cornea
Methods
Vi har undersökt detta med en speciell vågfrontssensor
med två fixeringsmål där patienterna fick sätta sig i linje
med två mål ungefär på samma sätt som man använder
ett kikarsikte – när alla elementen är i linje med
varandra gör man vågfrontsmätningen. Vi mätte även
var pupillen och hornhinnan låg i förhållande till
instrumentets axel.
© Bausch & Lomb 2009
Lens Centration
Pupil Center Relative to Corneal Center
0.3
Nasal
Temporal
0.1
0.0
-0.1
1.2
1.0
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
Pupil Center Relative to Corneal Center
- Horizontal (mm)
0.4
0.5
0.6
Visual Axis Displacement Relative to Pupil Center
- Vertical (mm)
Pupil Center Relative to Corneal Center
- Vertical (mm)
0.2
Temporal
Nasal
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Visual Axis Displacement Relative to Pupil Center
- Horizontal (mm)
Visual Axis Relative to Pupil Center
Och här är resultaten vi fick från en population med
patienter. De gröna prickarna i diagrammet högst upp till
vänster visar pupillens mitt i förhållande till hornhinnans
mitt, så det är en viss decentrering, men ändå inom det
decentreringsintervall vi tittade på för intoleransen
tidigare. Det ligger alltså i storleksordningen upp till en
halv millimeter normalt. Sedan kan vi se den visuella
öppningens decentrering i förhållande till pupillens mitt
och hos somliga patienter är denna lite större. Men den
förändras på individuell bas och man måste ta hänsyn
till detta vid mätningen. Och man kan kompensera för
ändringarna i den ursprungliga vågfronten – man kan
faktiskt ändra eller flytta runt vågfronten på
kontaktlinsen för att kompensera för dessa ändringar.
Acquisition: Trial Lens
Här är en bild som visar hur en testlins skulle kunna se
ut och det här är bara ett exempel på hur man skulle
kunna markera linsen så att vågfrontssensorn förstår
var linsens mitt är på ögat i förhållande till pupillen. Och
även linsens rotation. Så tanken är att vågfrontssensorn
inte bara mäter vågfronten, utan även automatiskt
kompenserar för felrotationen och decentreringen och
skickar dessa data vidare så att man kan omberäkna
exakt hur den korrigerande vågfronten bör se ut.
Issues to Resolve
• Lens Centration
• Adaptation of the Visual System
© Bausch & Lomb 2009
Optikern behöver alltså inte ta hänsyn till rotation och
decentrering och försöka mäta det. Det ingår istället i
mätsystemet. Så det måste man tänka på, men en
annan förvånande sak som flera forskare på området
har kommit fram till är att det är möjligt att anpassa det
visuella systemet.
Correction of Keratoconics
(Sabesan & Yoon, 2009)
• Comparison of keratonic to normal eyes
• Real-time adaptive optics to correct HO
aberrations
• 4 alternative forced choice acuity test
Conclusion
Technically Feasible for a Large Percentage of the
Population Needing Vision Correction
To Be Maximally Effective It Requires Custom
Correction of Individual Non-Rotationally
Symmetric Wavefront Aberrations Up to and
Including 5th Order Zernike.
Can Be Delivered Within the Paradigm of
Disposable Lenses
Consistent Orientation and Centration of Lens
Necessary
May Require Adaptation of the Visual System to
Recognize Full Benefit
© Bausch & Lomb 2009
Här är lite intressant information från Sabesan och Yoon
som de nyligen har publicerat: Det de gjorde var att ta
de keratoconuspatienter som vi tidigare visade data för
som hade fått specialanpassade linser, och i det här
fallet ville de korrigera alla deras högre och lägre
ordningens aberrationer och påvisa att deras
synprestanda var exakt densamma som hos ett
fullständigt korrigerat normalt öga. Så de använde ett
anpassningsbart optiskt system i sitt labb, vilket består
av en formbar spegel med vilken man kan korrigera alla
högre och lägre ordningens aberrationer. Korrigeringen
sker dessutom i realtid så att spegeln ändras när ögat
rör sig för att bibehålla korrigeringen. Och sedan
använde de samma forced choice-synskärpetest med
fyra alternativ för att mäta synprestandan. Om vi tittar
på resultaten ser vi vågfrontsförändringen till vänster, i
det vänstra diagrammet har vi total RMS och i det lilla
diagrammet till höger ser vi högre ordningens RMS. Till
vänster om dessa ser ni den orange färgen som är de
normala kontrollpatienterna de testade. Den blå färgen
är keratoconuspatienterna. Ni ser att utan spegeln hade
keratoconuspatienterna förstås mycket större högre
ordningens RMS och även total RMS. Och i de mycket
låga små kolumnerna till höger ser ni att när spegeln
satt på plats och aberrationerna korrigerades hade de
normala och de ögon med keratoconus i stort sett
samma resterande högre ordningens aberrationer. Då
skulle man kunna tro att synprestandan skulle vara
densamma, men tittar man på diagrammet till höger ser
man att de normala ögonens prestanda var avsevärt
bättre än keratoconuspatienternas. Så optiken i ögat
med keratoconus var lika bra som i ett normalt öga och
ändå såg inte dessa patienter lika bra. Slutsatsen var att
patienternas hjärnor hade anpassat sig till den
förvrängda näthinnebild som deras högre ordningens
aberrationer gav upphov till. Presenterar man bara en
ny och korrigerad näthinnebild innebär detta alltså inte
nödvändigtvis att patienterna direkt ser bättre, utan de
måste faktiskt anpassa sig till denna nya
näthinnebildkvalitet. Så i slutänden tror vi att när dessa
patienter får skräddarsydda kontaktlinser som korrigerar
vågfronten helt bör deras syn förbättras när hjärnan har
anpassat sig till den nya och bättre näthinnebilden.
Sammanfattningsvis hoppas jag att den här
presentationen har visat att det är tekniskt möjligt för en
stor andel av befolkningen som behöver synkorrigering
att få specialanpassade kontaktlinser som förbättrar
synen. För maximal effekt krävs en individuell, icke
rotationssymmetrisk, vågfrontsaberrationskorrigerande
lins med upp till femte ordningens Zernike, och den
måste kunna levereras på samma sätt som de
korttidslinser ni och era patienter är vana vid idag med
nuvarande teknik. Och de problem vi fortfarande måste
lösa är att säkerställa konsekvent orientering och
centrering av linserna, och vi måste inse att det kan
behövas en anpassningsperiod för vissa patienter som
de med keratoconus som har betydligt större högre
ordningens aberrationer än den normala populationen
för att de ska få full nytta av en anpassad
vågfrontskorrigerande lins. Tack så mycket för att ni
lyssnade.