Cosa è un`aberrazione del fronte d`onda?

Riconoscimenti
Lenti a contatto personalizzate per
migliorare la visione:
sono realizzabili
in un mondo di lenti disposable ?
Ian Cox, BOptom, PhD, FAAO
Distinguished Research Fellow
Bausch & Lomb, Rochester, NY
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
Cause dell’offuscamento dell’immagine retinica
Cosa è
un’aberrazione del
fronte d’onda?
Diffrazione
Aberrazioni
Dispersione della luce
Misurazione della densità della luce (PSF) vs
Diametro della pupilla
di un “occhio perfetto”
Misurazione della densità della luce (PSF) vs
Point Spread Function
Pupil
Size
Diametrovs.
della
pupilla
Typical
Eye
di un “occhio
normale”
1 mm
2 mm
3 mm
4 mm
1 mm
2 mm
3 mm
4 mm
pupil images
followed by
5 mm
6 mm
7 mm
5 mm
psfs for changing pupil size
6 mm
7 mm
© Bausch & Lomb 2009
Che cosa è il fronte d’onda ?
fronte d’onda ideale
fascio parallelo
=
fronte d’onda piano
Fronte d’onda con defocus
Che cosa è il fronte d’onda aberrato ?
fronte d’onda ideale
fascio parallelo
=
fronte d’onda piano
fascio aberrato
=
fronte d’onda irregolare
Aberrazione del fronte d’onda di una superficie
Come vengono
misurate
le aberrazioni del fronte
d’onda
dell’occhio ?
del Aberration
fronte d’onda
Aberrazione
Wavefront
Aberrazione del fronte d’onda
mm (superior-inferior)
3
2
1
0
-1
-2
-3
Superiore-inferiore
mm (destra-sinistra)
Visione tri-dimensionale
-3
-2
-1
0
1
2
mm (superiore-inferiore)
3
Visione bi-dimensionale
Rilevazione fronte d’onda Shack-Hartman
Sensore fronte d’onda Shack-Hartmann
Matrice di Matrice
piccole lenti CCD
Macchie
Fronte aberrato
Occhio perfetto
Occhio aberrato
© Bausch & Lomb 2009
Scomposizione di un fronte d’onda
Modello di Zernike
Ordine
Radiale
~ Rifrazione
convenzionale
2°
Z-22
astigmatismo
0
defocus
Z2
Z22
astigmatismo
Aberrazioni di
ordini superiori
3°
Z-33
Ricomposizione del fronte d’onda
Immagine Hartmann-Shack
coma
Z-44
Z-24
Z33
1
-1
trifoglio
Z3
coma
Z3
trifoglio
4°
quadrifoglio
astigmatismo
secondario
0
sferico
Z4
Z24
astigmatismo
secondario
Z44
quadrifoglio
5°
Defocus
Astigmatismo
Coma
Astigmatismo
triangolare
Aberrazione
sferica
-5
Z5
pentafoglio
Z-35
Trifoglio
secondario
-1
Z5
Coma
secondario
1
Z5
3
Z5
5
Z5
Coma
Trifoglio
pentafoglio
secondario secondario
Coefficienti di Zernike
6.0 mm pupil
Modalità Astigmatiche
Modalità di coma
Modalità trifoglio
Aberrazione sferica
Piano pupillare vs piano retinico
Fronte d’onda
Misurazione densità
della luce (PSF)
Convoluzione
Immagine
Sono necessarie lenti a
Contatto per correggere
le aberrazioni
di ordini superiori?
© Bausch & Lomb 2009
Aberrazioni da cheratocono
Elevazione
anteriore
Superficie
anteriore
3rd,
4th, & 5thdiOrder
Zernike
Zernike
3°, 4° Co-Efficients
e 5° ordine
Coefficienti
1.5
1.0
Grandezza
coefficientiMagnitude
di Zernike (um)
Zernike
Co-Efficient
Coma
Z7
0.5
Z8
Z9
0.0
Z10
Z11
-0.5
Pupilla da 3mm
Z13
Z14
Aberrazione
sferica
-1.5
Convoluzione
PSF
Fronte d’onda
Z12
-1.0
Z15
Z16
-2.0
Z17
Z18
-2.5
-3.0
Z19
Z20
Normals
Normali
Z21
Keratoconics
Cheratocono
Pupilla da 6mm
Aberrazioni LASIK
Elevazione
anteriore
Superficie
anteriore
Zernike
Co-Efficients
- Normal
vs Refractive
Surgery
di Zernike
– Popolazione
Normale
rispetto a pazienti
postPopulations
chirurgia refrattiva
Coefficienti
0.8
0.6
Coma
Z7
0.4
Z8
Z9
0.2
Z10
Z11
0.0
Fronte d’onda
Z12
Z13
-0.2
PSF
Convoluzione
Pupilla da 3mm
Z14
-0.4
Z15
Z16
-0.6
Z17
Z18
Spherical Aberration
-0.8
Z19
Z20
-1.0
NORMAL
Normale
Z21
REFRACTIVE
Refrattiva
Pupilla da 6mm
Distribuzione popolazione normale
HORMS rispetto errore refrattivo
Coefficienti
Zernike - Distribuzione
popolazione
Zernike di
Co-Efficient
Distribution
- Normal normale
Population
Relationship
BetweeneRefractive
Rapporto
tra sfera refrattiva
aberrazione Sphere
fronte and
Higher
Order
Wavefront
Aberration of the Eye
d’onda
di ordine
superiore
dell’occhio
1.0
Pupil = 6.0mm
1.4
0.8
Diametro
pupilla
6.0mm
Pupil Size
==
6.0mm
n = 838
1.2
0.4
1.0
0.2
HORMS (um)
Grandezza coefficienti di Zernike (um)
Zernike Co-efficient Magnitude (um)
0.6
0.0
-0.2
0.8
0.6
53%
-0.4
0.4
-0.6
0.2
-0.8
n = 838
-1.0
Z331
Z400
Z421
Z441
Z511
Z531
Z551
Z311
Z310
Z330
Z420
Z440
Z510
Z530
Z550
Mean
Mean±SD
Min-Max
0.0
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Refractive
Sphere
Sfera Refrattiva
(D) (D)
© Bausch & Lomb 2009
Progettazione di lenti a contatto personalizzate
Progettazione di lenti a contatto:
quale tipo di aberrazioni
del fronte d’onda
di ordine superiore
occorre correggere?
Fronte d’onda “Ottimizzato”:
• Correzione parziale HOA
• Defocus e aberrazione sferica
• Aberrazioni simmetriche rotazionali
• es. PureVision, Choice AB, Frequency55, Biomedics55
Premier
Fronte d’onda guidato:
• Correzione totale fronte d’onda
• Aberrazioni di HOA di 2°, 5° e 6°
• Aberrazioni simmetriche e non rotative
• es. Ophthonix IZon, Technovision LaseLens, QuarterLambda
SynergEyes W
Lenti a contatto - Correzione aberrazione sferica:
Caso 1 “Buono” pupilla da 5.7mm
Popolazione aberrazione sferica
0
Normal
Population
Spherical
Aberration
normale
aberrazione
sferica(Z(Z 04)4)
Popolazione
280
Fronte d’onda
260
PSF
Convoluzione
=
Diametro
Pupil
Sizepupilla
= 6.0mm
6.0mm
n = 838
240
220
n. di No
pazienti
osservati
of obs
200
180
160
Miopia Astigmatismo rapporto
Strehl corretto=0.097
140
120
100
80
60
40
20
0
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Miopia Astigmatismo & Aberrazione
sferica rapporto Strehl corretto =0.454
0.7
Aberrazione
sferica Z 0Z4 0(um)
Spherical Aberration
4 (um)
Ottica delle lenti a contatto asferiche
Design più semplice delle lenti a contatto personalizzate
• Corregge le aberrazioni sferiche simmetriche
• Basato sulla media della popolazione
• Prodotte facilmente per tornitura
Il Design ideale delle lenti asferiche
Aberrazione sferica
-6.00D -5.00D -4.00D -3.00D -2.00D -1.00D
SFERICA
ANTERIORE
SF 1
Potere
SF<1
-0.10µm
ASFERICA
ANTERIORE
LIVELLO DI ABERRAZIONE SFERICA SULLA
MEDIA DELLA POPOLAZIONE TEORICAMENTE
DIVERSA DA ZERO
(PRESUMENDO CENTRATURA LENTI
PERFETTA)
-0.20µm
© Bausch & Lomb 2009
Distribuzione popolazione aberrazione sferica
Distribuzione popolazione aberrazione sferica
Spherical
Aberration
Following
Average diversa
Population
Value Offset
sferica media
popolazione
da zero
Aberrazione
Spherical sferica
Aberration
vs Spherical
vs Errore
refrattivoRefractive
sferico Error
Aberrazione
0.5
0.7
Aberrazione
(media
popolazione
da zero)
(um)
Sphericalsferica
Aberration
(with
Average diversa
Population
Offset)
(um)
Pupil pupilla
Size = =
6.0mm
6.0mm
Diametro
n = 838
0.6
Aberrazione
- Z04 -(um)
Spherical sferica
Aberration
Z04 (um)
0.5
0.4
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
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
Media di PPRAvgOfPPRSphere
Sfera
Refractive
Error
Errore refrattivo
sferico
(D) Sphere (D)
Lenti a contatto – Correzione aberrazione sferica:
Caso 2 “Sufficiente” 5.7mm Pupilla
Impatto visivo Aberrazione sferica
Rapporto di Strehl rispetto correzione aberrazione
Fronte d’onda
PSF
Convoluzione
Correzione Miopia, Astigmatismo
Correzione Miopia, Astigmatismo & Aberrazione sferica
Miopia Astigmatismo rapporto
Strehl corretto=0.018
n. pazienti osservati
Correzione Miopia, Astigmatismo, Coma, Trifoglio &
Aberrazione sferica
Miopia Astigmatismo & aberrazione
sferica rapporto di Strehl
corretto=0.022
Rapporto di Strehl
Lenti a contatto personalizzate:
effetto rotazione e movimento
che tipo di lenti utilizzare?
1
RMS
of residual
(microns)
RMS
del fronte
d’ondaWA
residuo
(micron)
Correzione personalizzata
dell’aberrazione del fronte d’onda con
lenti a contatto:
1
2nd
3rd
4th
5th
6th
0.8
0.6
Correzione ordini fino a:
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0.2
Defocus e aberrazione sferica
0.8
0.4
0.6
0.8
traslazione (mm)
translation
(mm)
1
0
0
5
10
15
20
25
30
rotazione
rotation (deg)
Gurao et. al. VSIA, 2000
© Bausch & Lomb 2009
Teoria applicazione lenti morbide
Applicazione ottimale lenti RGP
MODELLO
MOVIMENTO
GENERALE
PRESSIONE NEGATIVA
CREATA SOTTO LA
LENTE - RESISTENZA
AL MOVIMENTO
Design lenti toriche morbide
- Necessario meccanismo di orientamento
Correzione personalizzata
dell’aberrazione del fronte d’onda
con lenti a contatto morbide
-In che modo produrle?
Tecniche di produzione
Tornio castomizzato:
• Tornio a 3 assi
• Accuratezza Sub-micron
• Fase di idratazione
• Lucidatura non necessaria
• Economicamente vantaggioso
Stampaggio personalizzato:
• Stampi personalizzati
• Tornito o ablato
• Plastica o metallo
• Materiali alto Dk
© Bausch & Lomb 2009
Aberrazione misurata delle lenti a
contatto personalizzate
Tecniche di produzione
Combinazione Stampaggio/Tornitura:
•
•
Misurazione
Design
3 µm
Superficie posteriore stampata
Superficie anteriore tornita
Ablazione diretta:
•
•
•
-3 µm
Ablazione superficie anteriore polimero allo stato secco
Ablazione aberrazioni ordine superiore su spazio aberrazioni
ordine inferiore
Eccimeri di minuscole dimensioni
Lenta
Costosa
1.2
Coefficiente di Zernike (µm)
•
•
: design
: Misurazione
0.9
0.6
0.3
HO rms residuo
= 0.25 Hm
0.0
-0.3
-0.6
-0.9
3°
-1.2
6
7
4°
8
5°
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Modalità Zernike
WFG CLs: Modello di business
Sensore di fronte d’onda per misurazione
aberrazione presso lo studio
Il design delle lenti correttive viene
elaborato a computer via Internet
Le lenti vengono imballate e spedite
allo studio o al paziente
Correzione personalizzata
dell’aberrazione del fronte d’onda
con lenti a contatto morbide
Il tornio CNC è in grado di produrre
lenti personalizzate asimmetriche
-È possibile migliorare
-la qualità visiva ?
Errore di riduzione dell’RMS (Media
quadratica)
Correzione dell’aberrazione dell’occhio utilizzando
anelli forati (phase plate) e misurazione della
prestazione visiva
Occhio
Telecamera
pupilla
Wavefront
sensor
CCD
Artificial
pupil
Eye
Laser
Visual acuity
Visual stimulus
Proiettore a
microspecchi DMD
Rms totale
Errore fronte d’onda rms (µm)
Phase plate
(pupil conjugate)
Occhio + piastra di fase
6
HOA rms
Pupilla da 6mm
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
Pupilla da 6mm
0
0
GY
JP
MM
IC
FE
Media
GY
JP
MM
IC
FE
Media
Soggetti
© Bausch & Lomb 2009
Riduzione delle aberrazione di
ordine superiore: fattibilità
Riduzione dell’aberrazione di ordine superiore: fattibilità
Soggetti
JP
GY
MM
IC
FE
Soggetti
JP
IC
MM
FE
Occhio
Occhio
Correzione
2° ordine
Correzione
2° ordine
Correzione 2°
+ ordini
superiori
(piastra di fase)
µm
µm
Correzione 2°
+ ordini
superiori
(piastra di fase)
Miglioramento acutezza visiva
Correzione esclusiva del 2°ordine
High contrast
(100%)
letter
Lettera
ad alto contrasto
(100%)
Correzione visiva con lenti a contatto personalizzate per cheratocono
Sabesan (2007)
• Correzione di 3 pazienti con cheratocono con lenti a
contatto morbide personalizzate
Correzione 2°+ordini superiori
Acutezza visiva (logMAR)
GY
Lettera
basso contrasto
(100%)
Lowacontrast
(10%)
letter
0.2
20/32
0.2
20/32
• Hydrogel 45% di acqua
0.1
20/25
0.1
20/25
• Standard B&L Optima Toric – tornite
0
20/20
0
20/20
• Sovrarefrazione sfero-cilindro, “4 alternative forced choice”
-0.1
20/16
-0.1
20/16
-0.2
20/12.5 -0.2
-0.3
20/10
GY
JP
MM
IC
20/12.5
-0.3
FE Media
Misurazione
20/10
GY
JP
MM
IC
FE Media
Soggetti
Correzione visiva con lenti a contatto personalizzate per cheratocono
Sabesan (2007)
Correzione personalizzata
dell’aberrazione del fronte d’onda
con lenti a contatto morbide
- Problemi da risolvere?
© Bausch & Lomb 2009
Problemi da risolvere
Linea visiva rispetto asse visivo
Pupilla
Cornea
• Centratura lenti
Centro della Pupilla
(Linea visone)
• Adattamento del sistema visivo
Asse Visivo
Centro
della
Cornea
Metodi
Centratura lenti
Centratura pupila rispetto al centro della cornea
0.3
Nasal
Temporal
0.1
0.0
-0.1
1.2
1.0
-0.2
Temporal
Nasal
0.8
-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
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)
Asse visivo rispetto al centro della pupilla
Acquisizione: lenti di prova
Problemi da risolvere
• Centratura lenti
• Adattamento del sistema visivo
© Bausch & Lomb 2009
Correzione pazienti con cheratocono
Conclusione
(Sabesan & Yoon, 2009)
• Confronto tra pazienti con cheratocono e
pazienti normali
•
Adattamento in tempo reale per
correggere le aberrazioni di ordine superiore
•
Test acutezza “4 alternative forced choice”
Tecnicamente fattibile per un’ampia percentuale di pazienti
che necessitano di correggere la propria vista
Per ottenere risultati ottimali occorrono correzioni personalizzate
delle singole aberrazioni dei fronti d’onda sul piano non
rotativo fino al 5° ordine di Zernike.
Dovrebbero essere prodotte lenti di tipo disposable
Occorre l’orientamento e la centratura delle lenti
Occorre l’adattamento del sistema visivo per ottenere maggiori
benefici
© Bausch & Lomb 2009