一种人工晶状体联合眼外变焦的焦距调节方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及人工晶状体和一种可变焦透镜，尤其是一种人工晶状体联合眼外变焦的焦距调节方法。

背景技术

白内障是全球第一大致盲性眼科疾病，该疾病会导致晶状体浑浊甚至失去视力，因此需要手术摘除浑浊的晶状体，然后放入一个人工晶状体(IOLs)，既起到恢复视力的作用，又保证了人眼生理结构的完整性。然而大多数人工晶状体的焦距都是单一的，术后病人无法看清不同距离的事物，即使多焦点IOLs可以让患者获得良好的远距和中距视力，但是在近处无法看清事物的细节部分，并且由于不同距离视力的叠加导致了光晕和眩光。

自然晶状体具有+19.11D的屈光度，在睫状肌的收缩与松弛下可以实现表面曲率和厚度的变化，从而实现从近处到远处视力的连续变化。现代研究表明，老年人在手术摘除晶状体后，其睫状肌仍具有大部分收缩能力。基于此原理出现了许多可调节人工晶状体(AIOLs)，其基本原理有两种：一种是在睫状肌的作用下，使得人工晶状体沿着光学部轴线前后移动，如专利WO2008/014496；另一种是睫状肌的挤压通过襻传递到晶体上，使得其柔性的表面凸起，从而提升屈光度，如专利WO2007/067867。然而前者调节能力很弱，通常只有1-2D，远不如自然晶状体；虽然后者调节能力较强，但是面型不可控，具体调节过程很难预测，并且这些AIOLs的结构复杂，很难通过小切口(3mm以下)植入眼睛内。另外人眼角膜具有正的球差以及慧差，如何平衡这些像差以及如何消除在调节过程带来的像差也是一大难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种人工晶状体联合眼外变焦的焦距调节方法，调节效果好，近、中、远视力均清晰；光学部分面型是固定的，调节过程可控；采用柔性材料，结构简单，可以通过小切口植入。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种人工晶状体联合眼外变焦的焦距调节方法，由眼内调节和眼外调节两部分构成，所述眼内调节通过调节人工晶状体实现，眼外调节通过调节具有变焦能力的透镜实现。

具体的调节方法为：先通过人工晶状体微调，再调节具有变焦能力的透镜，即可看清不同距离下的物体。

而且，调节具有变焦能力的透镜的方式为手动控制或电动控制或使用者通过身体控制，人工晶状体微调方式为通过电动控制或使用者通过身体控制。

而且，所述的人工晶状体具有特征的面型，所述的面型为球面或非球面或自由曲面或衍射光学面。

而且，所述人工晶状体为单焦点人工晶状体或多焦点人工晶状体或扩展焦深人工晶状体。

而且，所述的具有变焦能力的透镜是单个透镜通过沿轴向移动、沿垂直于轴的方向移动、改变表面形状、改变材料折射率分布中的任一种方式实现或任两种以上方式组合实现；或多个透镜通过沿轴向移动、沿垂直于轴的方向移动、改变表面形状、改变材料折射率分布中的任一种方式实现或任两种以上方式组合实现。

一种人工晶状体联合眼外变焦的可调节设计方法，包括如下步骤：

建立带有角膜球差的人眼模型；

设置物距，将人工晶状体前后表面曲率半径以及材料的折射率设置为变量，计算像面上各光线与参考点的距离的均方根，使其最小；

将人工晶状体的前后表面均改为具有特征的面型，设置面型系数为变量，使得均方根最小；

设置具有变焦能力的透镜的材料折射率、厚度、变焦位移为变量，计算MTF曲线，使其成像清晰；

固定其它参数，分别设置不同物距，然后设置变焦位移为变量，计算不同物距的MTF曲线，使其成像清晰；

通过眼内、眼外联合调节即可获得清晰的视力。

而且，所述的眼模型为Lion和Brennan模型眼或Gullstrand I号模型眼或Gullstrand-Le Grand模型眼或Navarro模型眼或Isabel模型眼。

而且，所述的具有变焦能力的透镜为Alvarez变焦透镜，

所述的Alvarez变焦透镜至少有一个面由公式：

设置Alvarez变焦透镜的材料折射率、厚度、面型系数A、变焦位移d以及倾斜角θ为变量，计算系统的MTF曲线，使其在0度视场下、50-100lp/mm处大于0.2，得到250-5000mm不同物距下的MTF曲线；

固定其它参数，分别设置不同物距，然后设置变焦移动距离d为变量，计算系统的MTF曲线，使其在0度视场下、50-100lp/mm处大于0.43，得到250-5000mm不同物距下的MTF曲线；

通过调节Alvarez透镜的位移d控制变焦。

而且，所述的人工晶状体为单焦点人工晶状体，单焦点人工晶状体的偶次非球面的表征方程为：

c为曲面顶点的曲率半径、k为圆锥常数、a

本发明的优点和积极效果是：

(1)以较小的调节幅度实现了较大的调节范围，调节效果好；

由于调节结构在眼睛的最外侧，调节能力相比于将AIOLs放在眼内的方式要强，在实例中，得出从5000mm到250mm眼外部分得调节幅度仅为3.7D，最大屈光度8.6D(250mm处)，而只将Alvarez透镜放在眼内的调节方式的所需最大屈光度在12D以上。

(2)眼内眼外光学部分的面型是固定的，调节过程可控；

(3)眼内部分结构简单，可以通过小切口植入。

由于将变焦以及像差修正分离开，使得植入眼内的部分可以通过现有微创手术实现，而过于复杂的设计就无法通过小切口植入。

附图说明

图1为眼外部分、眼内部分以及模型眼示意图；

图2为MTF(子午方向)曲线。

图1中：1为Alvarez透镜组、2为角膜、3为虹膜、4为房水、5为非球面IOLs、6为玻璃体、7为视网膜，θ为倾斜角。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明提出一种人工晶状体联合眼外变焦的可调节设计方法，独创部分在于将整个可调节设计分为眼内和眼外两个部分，并且以较小的调节幅度就实现了较大的调节范围，调节效果良好。眼内部分是一个非球面单焦点人工晶状体，用来校正人眼像差，眼外部分具有变焦能力的Alvarez变焦透镜，Alvarez透镜(US-A-330594)能通过两片横向移动的透镜实现变焦，眼内与眼外相互配合就可以实现类似于自然晶状体的功能，即从近处到远处的无级变焦，为患者提供连续清晰的视力。

非球面IOLs对角膜像差具有良好的平衡能力。偶次非球面是以二次曲面为基底面，叠加偶次高阶项，可用于校正较大口径元件的球差，如施密特校正板。偶次非球面的表征方程为：

注：c为曲面顶点的曲率半径；k为圆锥常数(Conic Constant)；a

通过a

变焦功能通过眼外部分来实现，眼外部分属于Alvarez变焦透镜，该透镜包含两片呈中心对称放置的镜片，至少一片可以垂直于光轴移动，其在笛卡尔坐标系下的基本形式如下：

注：A代表面型系数，单位是mm

为了获得较薄的透镜需要减去一个楔形量DX，同时添加一个常量E以保证足够的强度，得到如下公式：

当两片透镜发生相对位移d时，厚度公式分别为：

其组合透镜公式为：

可以看出其组合透镜就是一个完美的球面镜，不难求出其焦距公式为：

注：其中n为透镜材料的折射率。

可以看出其焦距受A、d、n三者影响，一旦面型以及材料确定后，其焦距就只跟x有关了。

但由于Alvarez透镜的不对称性，其轴上光线以及一侧视场并不能汇聚成一点，而是形成类似于慧差的像差，而在另一侧视场却可以汇聚成一点，因此需要将透镜组旋转倾斜一定角度θ°进行优化。

旋转前所在直角坐标系为xyz，Alvarez透镜组在XOZ面内绕y轴旋转了角度θ°(逆时针为正)，则旋转后透镜面型坐标变换矩阵为：

本发明的具体实施方式为：

(1)建立带有角膜球差的人眼模型，本实施例中的模型眼采用的是已建立的60岁国人眼模型，(陈鑫.基于人眼光学模型的晶状体悖论分析研究[D].南京邮电大学,2019.)，更符合国人需求。参数如表2所示，也可采用其它眼模型，例如Lion和Brennan模型眼。

(2)设置物距为250mm(模拟近距视力，也可以是其它物距，这里的250mm仅作为初始结构用)；用球面IOL代替自然晶状体，将前后表面曲率半径(前后表面曲率半径绝对值相同)以及材料的折射率设置为变量，计算像面上各光线与参考点(主光线或弥散斑几何中心)的距离的均方根(RMS)，使其最小。

(3)将IOL的前后表面均改为偶次非球面，设置非球面系数为变量，使得RMS最小，本实施例中设置4阶非球面系数为变量，相关参数见表1。

(4)添加眼外部分，设置透镜材料折射率、厚度、面型系数A、变焦位移d以及倾斜角θ(旋转面为x0z面，逆时针为正)为变量，计算系统的MTF曲线(调制传递函数)，使其在0度视场、100lp/mm处大于0.2，本实施例中优化得到的结果见表1。

(5)固定其它参数，分别设置不同物距，然后设置变焦移动距离d为变量，计算系统的MTF曲线，使其在0度视场、100lp/mm处大于0.43，得到不同物距下的MTF曲线；本实施例中为250mm、750mm(模拟工作距离)和5000mm(模拟远距视力)，相关数据如表3所示(以下数据都针对中央0度视场而言)。

表1 250mm物距Alvarez透镜参数

表2载入非球面IOL的60岁国人眼模型相关参数

注：入射光线波长为λ＝546nm，瞳孔直径D＝3mm。

表3不同物距的眼模型在100lp/mm处的MTF值

患者实际使用时，只要调节Alvarez透镜的位移d，即可看清不同距离下的物体。

本发明的眼内部分不仅仅指非球面单焦点IOLs，任何可以实现人眼像差修正的IOLs都可以适用。眼外部分的变焦原理也可以是其它原理，比如镜片轴向移动变焦和液晶变焦。眼内和眼外部分是一个整体，共同为人眼减小像差和提供屈光度。眼内、眼外部分不应被单独设计，在设计时和人眼组成一个系统。采用其它眼模型(例如Lion和Brennan模型眼)、材料的，能达到本实例光学效果的、结构类似的可看作本发明方法所得到的启示，应当被看作本发明的一部分。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。