Дифракционно-рефракционные хрусталики глаза Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ДИФРАКЦИОННО-РЕФРАКЦИОННЫЕ ХРУСТАЛИКИ ГЛАЗА

Галина Александровна Ленкова

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской Академии Наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)336-41-08, e-mail: [email protected]

Рассмотрены конструкция и свойства дифракционно-рефракционной интраокулярной линзы, относящейся к линзам нового поколения искусственных хрусталиков глаза.

Ключевые слова: искусственный хрусталик глаза, бифокальная дифракционнорефракционная интраокулярная линза, модель глаза.

DIFFRACTIVE-REFRACTIVE CRYSTALLINE LENS

Galina A. Lenkova

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 pr. akad. Koptyga, senior researcher, tel. (383)336-41-08, e-mail: [email protected]

The design and the feature of diffractive-refractive intraocular lens, concerning to lenses of new generation of artificial crystalline lenses of an eye is considered.

Key words: artificial eye lens, bifocal diffractive-refractive intraocular lens, eye model.

В настоящее время дифракционные оптические элементы находят приме нение не только в технике, но также в такой “тонкой” области как микрохирургия глаза.

Основные оптические характеристики здорового хрусталика глаза человека - прозрачность и аккомодация (способность фокусироваться на дальние и ближние объекты). Повреждения, заболевания или отсутствие хрусталика приводят к нарушениям зрения. Наиболее распространенными причинами потери зрения, особенно у людей среднего и пожилого возраста является катаракта, проявляющаяся в виде помутнения хрусталика глаза. В переводе с греческого катаракта - водопад. Также актуальной становится проблема коррекции пресбиопии (возрастной дальнозоркости), при которой хрусталик теряет эластичность и появляются затруднения сначала при чтении (аналогично дальнозоркости), а в дальнейшем и при зрении вдаль (аналогично близорукости).

Наиболее эффективный метод восстановления зрения - удаление естественного помутневшего хрусталика с последующей имплантацией искусственного, называемого интраокулярной линзой ИОЛ. Операция по замене хрусталика на прозрачный искусственный может одновременно избавить пациента от близорукости, дальнозоркости и астигматизма.

Современные операции по замене хрусталика проводятся методом фако-эмульсификации. Хрусталик дробится при помощи ультразвука и выводится из глаза в виде эмульсии. Затем вводят с помощью инжектора гибкую ИОЛ в сложенном состоянии. Линза самостоятельно разворачивается внутри глаза

и надежно фиксируется. Все манипуляции проходят через микроразрез размером ~2.5 мм, который впоследствии самогерметизируется. Операция быстрая и безболезненная, занимает всего 10 - 15 минут.

Для восстановления зрения обычно используют однофокусные рефракционные ИОЛ. При этом интервал аккомодации полностью не восстанавливается. Улучшение зрения происходит только в одной области зрения (дальней или ближней, в зависимости от пожелания пациента), а в другой - пациенту необходимы очки.

Проблема аккомодации может быть решена путём применения бифокальных и многофокальных интраокулярных линз, позволяющих создать условия псевдоаккомодации. Из них наилучшими характеристиками обладают гибридные (дифракционно-рефракционные) линзы, формирующие одновременно изображения ближних и дальних объектов. Эти линзы имеют на одной из преломляющих поверхностей дифракционную микроструктуру в виде фазовой зонной пластинки Френеля. В 0-м порядке дифракции зонная пластинка как дифракционный компонент не оказывает влияния и ИОЛ формирует на сетчатке изображения дальних объектов, а в +1-ом порядке - создает дополнительную положительную оптическую силу и ИОЛ становится способной проецировать на сетчатку ближние объекты. Дополнительное расфокусированное изображение не создаёт проблем при идентификации основного сфокусированного изображения, имеющего в сотни раз большую интенсивность. После некоторой тренировки мозг человека способен выделить нужное изображение.

В Институте автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск) при участии Новосибирского филиала ФГУ “МНТК “Микрохирургия глаза” имени акад. С.Н.Фёдорова” разработана бифокальная дифракционно-рефракционная (гибридная) интраокулярная линза МИОЛ-Аккорд [1], которая позволяют пациенту хорошо видеть вдаль и вблизи без очков. Разработка полимера и изготовление ИОЛ осуществлялось на Научно-производственном предприятии «Ре-пер-НН» (г. Нижний-Новгород).

После проведения лабораторных и медицинских испытаний было получено разрешение Минздрава РФ на имплантацию линзы МИОЛ-Аккорд. Линза успешно имплантируется в Новосибирском и других филиалах “ МНТК “Микрохирургия глаза” им. акад. С.Н. Фёдорова”. К настоящему времени она вставлена более чем 2000 пациентов.

В 2006 г. ИАиЭ совместно с НПП “Репер” (г. Нижний Новгород) и Новосибирским филиалом МНТК “Микрохирургия глаза” награждены Дипломом и получили ГРАН-ПРИ (Золотой колокол) на конкурсе Сибирской Ярмарки (Сибполитех-2006, Биомедицина и биотехнологии) за разработку бифокальной дифракционно-рефракционной интраокулярной линзы МИОЛ-Аккорд.

Конкретно в ИАиЭ проводились расчеты дифракционной структуры, разрабатывались технологии изготовления матриц и методы аттестации хрусталиков, проводились лабораторные исследования. Получены два патента с приоритетом от 2000 г. и 2005 г. Клинические испытания проводились в Новосибирском филиале МНТК “Микрохирургия глаза”.

Проведено сравнение свойств и оптических характеристик отечественной линзы МИОЛ-Аккорд и американской линзы AcrySof КеБТОЯ®. Линзы МИОЛ-Аккорд принципиально отличаются не только по цене, которая в несколько раз ниже, но и по конструкции. Линза имеет выпукло-плоскую форму. Дифракционная структура формирует два фокуса одновременно всей поверхностью и бифокальность сохраняется независимо от диаметра зрачка. Высота профиля обеспечивает равенство интенсивностей 0-го и 1 -го порядков дифракции, которые ответственны за зрение вдаль и вблизи соответственно. Дифракционный компонент не только обеспечивает дополнительную оптическую силу, но также компенсирует аберрации оптической системы глаза и рефракционного компонента. Изготовление матрицы осуществляется с помощью лазерного фотопостроителя. Одна матрица подходит для изготовления ИОЛ с рефракциями, отклоняющимися от расчетного значения в пределах ± 3 дптр

Линза Я^ог фирмы А1соп (США) имеет двояко-выпуклую форму. Глубина дифракционного микрорельефа уменьшается от центра к периферии. Этот хрусталик ориентирован на людей, ведущих активный образ жизни, практикующих вождение автомобиля, поэтому 70% световой энергии «перекачивается» в фокус для дальнего зрения, а вблизи рекомендуется пользоваться подсветкой. Хрусталик Я^ог не рекомендуется вставлять пациентам с нарушениями зрачковой функции, часто возникающей в преклонном возрасте.

Лабораторные исследования оптической силы, эффективности и распределения интенсивности в фокальных плоскостях ИОЛ проводились на специально разработанных установках и на интерферометре Zygo.

Последние исследования по хрусталику относятся к анализу спектральных свойств рефракционных, дифракционных, гибридных (дифракционно-рефракционных) и гармонических (многопорядковых) структур. Дифракционные компоненты ИОЛ (рис. 1) в отличие от рефракционных имеют отрицательный коэффициент дисперсии. Общие хроматические аберрации дифракционнорефракционных ИОЛ будут зависеть от сочетания оптических сил и дисперсий компонентов, возрастать или уменьшаться по сравнению с просто рефракционными линзами.

Проведенный анализ показал [2], что наименьшими продольными хроматическими аберрациями обладают гибридные (дифракционно-рефракционные) ИОЛ, в которых дифракционные компоненты создают положительную дополнительную оптическую силу. Применение гибридных ИОЛ с положительными (+4 дптр) компонентами приводит к уменьшению хроматизма в 1,8 раза по сравнению с рефракционными ИОЛ, а с отрицательными (-2 дптр) компонентами, наоборот, к увеличению в 1,9 раза. Последнее ставит под сомнение использование бинарного профиля в ИОЛ. Применение чисто дифракционных ИОЛ не представляется возможным, так как в этом случае хроматизм увеличивается на порядок (в 7,7 раза).

Г-х *

N К К---------А

Ь)

| ^NNNNNNN41^:

Л)/(2(п2 -п))

Рис. 1. Профили дифракционных структур:

1 - киноформный (сплошная линия), 2 - гармонический (пунктирная линия),

3 и 4 - бинарный (прямоугольный) с фазовой задержкой в Я0 /2 и Я0 /3

соответственно

Гармонические дифракционные ИОЛ имеют преимущество по толщине, но их хроматические аберрации совместно с роговицей больше чем в 2 раза или такие же (в зависимости от диаметра зрачка), как хроматические аберрации рефракционных ИОЛ. Уменьшение хроматических аберраций возможно при увеличении высоты структуры, но при этом гармоническая линза фактически становится линзой Френеля. Расчёт кружков рассеяния, характеризующих поперечные хроматические аберрации модели глаза при диаметре зрачка, равном 3 мм, показал, что только для гибридных ИОЛ с положительными (+4 дптр) дифракционными компонентами они сравнимы с кружком дифракционного рассеяния (0,6 сек.), а для ИОЛ с отрицательными (-2 дптр) компонентами, гармонической и дифракционной ИОЛ они в 2,4; 3 и 9,5 раз больше соответственно.

Аберрации, вводимые в дифракционный элемент, зависят от выбранной схематической модели глаза и в первую очередь от формы роговицы (рис. 2). Для расчёта дифракционного элемента МИОЛ-Аккорд мы выбрали наиболее близкую к реальному глазу теоретическую модель Лотмара. Основные параметры этой модели соответствуют модели Гульстранда-Легранда, но передняя поверхность роговицы имеет асферическую форму, при которой при удалении от центра зрачка роговица становится менее выпуклой. Очевидно, что для других моделей результаты расчёта параметров дифракционного элемента будут отличаться. Поэтому было проведено аналитическое исследование качества изображения дифракционно-рефракционного хрусталика с параметрами МИОЛ-Аккорд, рассчитанного для модели глаза с роговицей, соответствующей формуле Лотмара, при его установке (рис. 2) в другие известные модели глаза [3]. Качество изображения оценивалось по значению числа Штреля, характеризующего разрешающую способность.

Показано, что в случае дальнего зрения и диаметре зрачка, равном 3 мм, число Штреля для всех моделей выше 0,8, что свидетельствует о высоком качестве изображения. Расширение диаметра зрачка в моделях, в которых асферичность 1 -й поверхности роговицы имеет по абсолютной величине значение |^| < 0,26, приводит к уменьшению числа Штреля до —0,1. При ближнем зре-

нии (330 мм) числа Штреля почти для всех моделей остаются достаточно высокими, за исключением моделей, для которых 1^1 < 0, 18. Анализ влияния асферичности задней поверхности роговицы, показал, что при её наличии или увеличении снижается качество изображения: число Штреля уменьшается ~ на 0.1.

Рис. 2. Оптическая схема модели глаза с бифокальной гибридной ИОЛ: 1-роговица; 2- зрачок; 3-ИОЛ; 4- сетчатка; А - точка фокусировки пучка из бесконечности; пь п2, п 3, п 4 - показатели преломления

В результате исследований установлено, что лучшие результаты качества изображений как для дальнего, так и для ближнего зрения получаются при параметрах роговицы, в которой передняя поверхность роговицы соответствует формуле Лотмара (^ =-1.286), а задняя сферическая (<22 =0), т.е. при параметрах, для которых рассчитывался дифракционный компонент хрусталика МИОЛ-Аккорд.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Коронкевич В.П., Ленкова Г.А, Корольков В.П., Искаков И.А. Бифокальные дифракционно-рефракционные интраокулярные линзы // Оптический журнал.- 2007. - т. 74.- №12.-С.34-39..

2.Ленкова Г.А. Хроматические аберрации модели глаза с дифракционно-рефракционными интраокулярными линзами // Автометрия. - 2009.- т.45.- № 2.- С. 99-114.

3. Ленкова Г.А. Исследование моделей глаза с дифрационно-рефракционным хрусталиком глаза. // Автометрия. -2012.- т. 48- № 4. -С.12-19.

© Г.А. Ленкова, 2013