Hongliang Yaoa, Chunmei Zeng*A, B, Haomo Yuc
Optoelektromos tudomány és mérnöki okchool, Soochow Egyetem, a Shizi Street 1. számú, Suzhou 215006, Kína; Bey Lab a Jiangsu tartomány fejlett optikai gyártási technológiáinak és
A Kínai Oktatási Minisztérium modern optikai technológiáinak kulcsfontosságú laboratóriuma, Soochow Egyetem, Suzhou 215006, Kína; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Kína
* Levelező szerző: chunmei _ zeng@suda.edu.cn
ABSZTRAKT
A speciálisan kialakított keretpoharak egyre jelentősebb teljesítményt mutattak a myopia megelőzésében és a kontrollban a klinikai vizsgálatokban. A szemüvegkeretekhez kapcsolódó magas rendű rendellenességek modulálásáról szóló közvizsgálat azonban továbbra is ritka. Ez a cikk szemüveg lencséket tervez magas rendű rendellenességekkel és rövidlátó-dekuszálással a szemmodell és a keretpoharak összekapcsolásával, és szimulálja a szemüveg-szem optikai modelljét 300 fokos rövidlátó betegek számára. Ha a magas rendű rendellenességi modulációs egységet nem állítják be a szemüvegre, akkor az y tengely irányának defocusing értéke -14 fokozatú látómezőn, amely megfelel a lencse külső felületi teljesítményének változásainak, a defokációs egység mikroszkóp-lencséktől a 6-os Diopters-re beállítva, és a defokuszos egyszemélyes erőtől függő függőleges változást beállítják, és egy statikus függőleges változást adnak a defokuszos egységek közötti lencsektől. -28. 5 fok ~ 28,5 fok (1 fokos növekedésnél). Ez a cikk megvitatta a magas rendű aberrációs modulációs egység torikus mikroszerkezetének és a magas rendű aberrációk közötti korrelációt a tervezett szemüvegben a magas rendű aberrációs modulációs egység statikus megfigyelése alatt az Y-irányításban. Megállapítottuk a megfelelő empirikus képleteket. Ez a kutatás elősegíti a magas rendű rendellenes modulációs szemüvegek kifejlesztését.Kulcsszavak:Magas rendű rendellenességi moduláció, myopia megelőzés és vezérlés, szemmodell, szemüveg kialakítás
1. Bevezetés
Egy szisztematikus nyomon követési tanulmány [1] azt mutatja, hogy az elmúlt 15 évben a rövidlátás előfordulási aránya Kelet-Ázsiában gyorsan növekedett, ez a tendencia most világszerte terjedt. A myopia progressziós sebessége a különböző korcsoportok között változik, amint az az 1. ábrán látható: a rövidítés progressziós sebessége a 6–9 éves gyermekeknél -0. 50 - -1. A myopia átlagos éves progressziója a legtöbb myopic betegnél az idő múlásával lelassul, a legtöbb személy pedig 20 éves kor előtt stabilizálódik. A Nemzetközi Myopia Intézet (IMI) 2019 -ben számolt be arról, hogy a magas myopiában szenvedő gyermekek kb. 87% -a 7 éves korban kialakul, vagy négy évig vagy több éven át. [2]. Ezért az iskolai korú gyermekek és serdülők korai megelőzése elengedhetetlen a látáskárosodás csökkentéséhez a jövőben.
1. ábra. Refrakciós eltolódás a rövidlátó gyermekek között életkor szerint [2].
Negyedik nemzetközi konferencia az optikáról és a képfeldolgozásról (ICOIP 2024), szerkesztette: Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. of Spie Vol. 13254, 132541C © 2024 Spie · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156
Proc. of Spie Vol. 13254 132541 c -1
Az emberi szem magas rendű rendellenessége (HOA-k) korábbi kutatása elsősorban arra összpontosított, hogy miként lehet azokat kijavítani (például Suliman et al., A lágy kontaktlencsék tervezése 2019-ben [3]), a HOA-k és a szemmel összefüggő tényezők közötti kapcsolat [4,5], a szaruhártya-átalakító műtét magas rendű aberrációkkal és a HOA-k hatására [6]. A bizonyítékok arra utaltak, hogy a HOA -k szignifikánsan kapcsolódnak a myopia progressziójához és a monofocális szemüvegekkel korrigált myopic gyermekek tengelyirányú meghosszabbításához [7]. Figyelembe véve a magas népszerűség, az alacsony költségek, a nem invazív jelleg előnyeit, és a keretpoharak könnyű cseréjét, feltárva a gyermekek és serdülők myopia előrehaladásának lassításának lehetőségeit, egyedi előnyt jelent. És a többpontos myopia defocus által tervezett szemüvegek: A tiszta látást kijavító központi terület mellett a lencse körül a mikrolencéleket a perireetinalis myopia defocus előállításához rendezik, ezáltal késleltetve a myopia előrehaladását, ezt a technológiát sikeresen forgalmazták. Ez a tanulmány messze megkísérel olyan szemüveg-lencséket megtervezni, amelyek rövidítéssel modulálhatják a magas rendű rendellenességeket a rövidlátó-defókusz alapján.
2. Módszertan
2.1 Szemmodell
A tanulmány alapja magában foglalta az alapszem szimulálását a Zemax optikai tervező szoftver segítségével. Az alapvető szemet a Liou szemmodell [8] alapján módosítottuk, az 1. táblázatban részletezett szerkezeti paraméterekkel. A szemmodellt 23,97 mm tengelyirányú hosszúsággal és 4 mm -es pupilla átmérőjével terveztük. Az elemzés korszerűsítése érdekében a tanulónál nem feltételeztük, hogy nem hajlandóak vagy excentricitás.
1. táblázat. Szemmodell szerkezeti paraméterek.
A lencse elülső és a virtuális felület elülső felülete a standard felületen alapul, és a közeg törésmutatója szabadon meghatározható, az (1) képlet szerint.
Az 1. táblázatban a lencse elülső felületén lévő A grad az N 0=1. nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; A virtuális felületen lévő B grad B megfelel az N 0=1. 407, nr 2=-1. nz 3=0.
2.2 Az emberi szemek hullámfront -rendellenessége
Az optometria során a Zernike polinomok első 6 rendjét elsősorban az emberi szem hullámfront -rendellenességeinek ábrázolására használják. Az Amerikai Optikai Társaság (OSA) [9] által megadott hullámfront -rendellenességek megfelelnek a Zemax szoftver Zernike standard együtthatóinak, amint azt a 2. táblázatban vázolják. Ez a megközelítés lehetővé teszi a szemkorrendezés pontos és standardizált ábrázolását, megkönnyítve a pontosabb szimulációt és elemzést.
2. táblázat.
3. Modellek és adatok
(A látáskorrekciós terület) kijavíthatja a rövidlátás betegek gömb- és hengeres refrakciós hibáit. A beteg szemüveg receptje szerint tervezték; 2., Myopia DeFocus egység (több domború gömb alakú mikrolencel elosztva egy kör alakú tömbbe), amely bizonyos fokú myopia defocus -t termel; A 3. ábrán a magas rendű aberrációs modulációs egység több gyűrűs struktúrából áll, amely az emberi szem HOA -jának szabályozásában szerepel. A szemüveg lencse külső felületének vázlatos diagramját a 2. ábra mutatja, a fordulók számát és a sáv sorrendjét a lencse közepétől a szélig növekszik; A három optikai egység elrendezési kapcsolatát a 2. (b) ábra mutatja, ahol R a sugárirányú távolságot képviseli, amely az Xoy síkban található; A rövidlátó -defókuszos egységek egyenletesen oszlanak meg a kerületen, és az eloszlási intervallumokat ugyanabban a sugárirányban az egység ív hossza képviseli. Az egység ívhosszának beállítása szabályozhatja az egységek számát az egység mikrolenek minden gyűrűjén. Az egység ívhossza, a gyűrűs távolság, a defocused egység mikrolenek D2 átmérője és a gyűrűs sáv sugárirányú szélessége együttesen határozza meg a szemüveg lencsén a mikroszerkezet sűrűségét.
2. ábra (A: Balra) A szemüveg lencsék vázlatos diagramja; (B: Jobb) A XOY síkban három egység elrendezés vázlatos diagramja.
1. lépés: Feltételezve, hogy egy rövidlátó beteg receptje gömb alakú diopter (3 d) és hengeres diopter (0 d), a beteg myopia növekedése csak axiális rövidlátásként nyilvánul meg. Ennek alapján egy rövidlátó szemmodellt terveztek, amely ideális esetben az üveges üreg hosszában a változások változásait tükrözheti a szemmodellben a myopia fokának változásainak. A recept szerint egyetlen fókuszú bal félhold negatív lencsét terveztek elsődleges tükör egységként, gömb alakú és külső felületekkel. Az anya tükör átmérője 60 mm, közepes vastagságú, 1,3 mm; Az anyukor anyag polikarbonát (PC), 1,56 törésmutatóval, 37 -es Abbe -számmal és 1,23 g/cm3 specifikus gravitációval. Az átfogó szerkezeti paramétereket a 3. táblázat foglalja össze.
3. táblázat. Az anya tükör egység szerkezeti paraméterei.
A Zemax -ban a rekeszfajtát lebegő rekeszméretre állítottuk, 4 mm -es pupilla átmérőjével, és a lábujj típusát egyenruhára állítottuk; Állítsa be a három látómezőt (FOV), és ennek megfelelően beállította a súlyát: A 0 FOV fok az Y-irányításban 1-et kapott, az 1 0 fokot fov, 0. A Bright Vision mellett a hullámhossz egyetlen 0,555 μm hullámhosszot fogadott el. A többi adat az 1. táblázat alapvető szemmodelljein alapult. A szemmodell üveges vastagságát változóként kezelték, és az anya lencsét 12 mm-re helyezték a szaruhártya-csúcs előtt, hogy optikai modellt optimalizáljanak. Ez a konfiguráció körülbelül 17,306 mm üveges testhosszot eredményezett, és a szem teljes tengelyirányú hossza 25,036 mm volt.
2. lépés: Az Y-Direction 14 fokos FOV kiválasztása a későbbi optikai egység kialakításának fő sugárirányává, ugyanolyan anyaggal, mint az anya tükör egység. Kezdetben meg kellett határozni az Y-irányú koordinátát, amikor a látótengelyen kívüli fő fény keresztezi az elsődleges tükör külső felületét, hogy meghatározza a sugárirányú távolságot, amikor az első mikroszerkezeti csúcsot az első mikroszerkezeti csúcson az anya tükörének kiindulási felületének Y-irányában; Ezután meghatározta a látómező rekeszét az anyukor külső felületén, amint azt a 3. ábrán a helyben megnagyobbodott képen ábrázolják. A Zemax -ban a Reay és a Reaz operandusok felhasználásával, a normalizált FOV -val és a normalizált tanuló beállításával kombinálva, az R radiális távolság 3,8 0} 2 mm, ∆y 4,318 mm volt. A pitagorai tétel szerint a sugarak rekeszje a tengelyen kívüli y-irányon áthaladt a -14 fokon az anyukor külső felületén, körülbelül 4,3186 mm volt.
3. ábra.
A Myopia Defocus egység első körének és az anya tükör külső felületének az Y -irányban lévő külső felülete között a 4. ábrán látható. A vektormagasságot a mikro lencse csúcsától az anyukor külső felületéig G2 -nek jelöljük. A mikrolenek középső helyzetét az F2 hosszúság és a forgási szög 𝜃 határozható meg, amelyet a következő képlettel lehet kiszámítani:
4. ábra. Az OFF tengely látótengelyének részleges vázlatos diagramja Anya tükör a fényátvitelhez.
Állítsa be a defocus egység mikrolenek felületének alakját gömb alakú (opical teljesítmény 6 nap és átmérője 2 mm), és a mikroszerkezet első körének sugárirányú távolsága 3,802 mm; A magas rendű aberráció modulációs egység gyűrűs sávjának mikroszerkezetének külső felületének kezdeti felületi alakját torikusként állítottuk be, 4 napos alap ívtel és radiális Proc -val. of Spie Vol. 13254 132541 c -5 1,5 mm (D3) szélessége. A YOZ sík Toric alap ívének középső helyzetének számítási elve megegyezik a (2) - (4) képlettel. Az alap ív középső helyzetét az F3 hosszúság és a forgási szög 𝜃 meghatározhatja. A görbületi sugarat (R3) és a vektormagassággal (G3) az alap ív csúcsától az anya tükör külső felületéhez. G 2=3. 572 μm, G 3=1. A mikroszerkezet helyzetének referenciaadatait a 4. táblázat tartalmazza.
3. lépés: A 3D CAD szoftver SolidWorks felhasználásával befejezte a kezdeti szemüveg lencsék modellezését. A fő és a bal oldali nézeteket az 5. ábrán ábrázoltuk, és a kezdeti szerkezeti anya lencse központi látáskorrekciós területének átmérője körülbelül 5,604 mm.
4. táblázat.
5. ábra. A szemüveg lencsék kezdeti szerkezete - elülső és bal oldali kilátás.
4. Eredmények és elemzés
A szemüveg lencse optikai teljesítményének vizsgálata, amely kezdetben csak az anya lencsét mutatja be, kiderült, hogy a defocus érték az y-tengely irányában -14 fokos FOV-n belül a szemüveg-szemmodell statikus mezőjében 0. Tekintettel arra, hogy az Anya tükör külső felületének ereje 2 nap, úgy döntöttünk, hogy az optikai erőinek egy sorát fedezzük fel a defocus egység külső felületére 4-10 nap között, 1 napos lépésekben növekedve, anélkül, hogy beépítettük volna a magas rendű rendellenes modulációs egységet. A megfigyelt defocus helyzetet az 5. táblázat foglalja össze. A Z4 DeFocus-ra vonatkozó adatok lineáris kapcsolatot mutattak, lehetővé téve számunkra, hogy az (5) képletet alkalmazzuk a hullámfront-defocus becslésére a myopic Defocus egység külső felületének eltérő képessége alatt az Y-irányítás -14}}}}}}}}}}}}}}}}}} megfigyelése alatt. Itt a Myopic Defocus egység külső felületének X optikai teljesítményértéke független változóként szolgált, míg a megfelelő Z4 DeFocus érték függő változóként működött.
5. táblázat. Statikus nézet mező tengely -14 Fokozási mező a defocus adatai optikai teljesítmény változásaival.
Állítsa a DeFocus egység mikrolenekének külső felületi teljesítményét 6 napra, anélkül, hogy beállítaná a magas rendű aberrációs modulációs egységet. A statikus függőleges látómező deFocus variációja a -28. 5 fokról 28,5 fokról, 1 fokos lépéssel, amint azt a 6. ábra szemlélteti. A koordináták függőleges tengelye a DEFOCUS mennyisége hullámfront -aberráció formájában. Ebben a cikkben a Z4 pozitív értéke azt jelzi, hogy a DeFocus mennyisége a retina előtt helyezkedik el, míg a Z4 negatív értéke azt jelzi, hogy a DeFocus mennyisége a retina mögött van elhelyezve. A lencse elrendezésének szimmetriájának köszönhetően a defocus eloszlása a függőleges látómezőben megközelítőleg szimmetrikus, míg a defocus helyzete a vízszintes látóterületen hasonló.
6. ábra. Statikus függőleges nézetmező a DEFOCUS VÁLTOZÁS MAP.
Az Anya tükör és a myopia DeFocus egység kezdeti szerkezete változatlan maradt, miközben megőrizte a magasabb rendű aberrációs modulációs egység toroid felületi mikroszerkezetének sugárirányú szélességét, és a toric alap ív ív görbület sugara megváltozott. Ennek célja az volt, hogy elemezze az alap ív görbülete R3 sugara és a magasabb rendű aberrációs mennyiség közötti kapcsolatot, amikor megfigyeljük az Y-irányítás -14 fokos mezőt a statikusnál.
A tanulmány összesen 9 adatpontot választott ki, beleértve az alapgörbe teljesítményét 3,7 D, 4 D, 4,5 D, 5 D, 5,5 D, 6 D, 7 D, 8 D és 9 D, a kiszámított görbületi sugarat. Ha az alapgörbe teljesítménye 10 nap volt, akkor a defókált egység mikrolenek külső felületének legmagasabb pontja alacsonyabb, mint a magas rendű aberrációs modulációs egység mikroszerkezetének, amely nem volt összhangban a modellezéssel.
Rögzítette a lencse zernike standard kifejezési együttható értékeit, amelyek csak az anya tükörrel és a defocus egység mikrolénjeivel Y-irányításban -14 FOV fokon. A Zemax tömegközpontjában a hullámfront -aberrációs értékek RMS -je kiküszöböli az elmozdulás és a dőlés hatásait. Ha kiküszöböljük őket, a szem HOA -jának RMS (gyökér átlagos négyzete) ezen a mezőben meghatározható, hogy 0. 932937 λ (0. 555 μm), hat tizedesjegyre. Számos magas rendű aberrációs összetevőt rögzítettek, amelyek részt vehetnek a myopia késleltetésében, egy kezdeti értéket Zi 0 -nek jelölve, ahol a Zemax-ban a Zernike standard kifejezési együtthatók rangsorolási sorrendjét képviselik. A Z7 0 függőleges kóma -0. λ, gömb alakú aberráció Z110 -0. A második rendű vertikális kómában a Z170 -0.
Modellező szemüveg-lencsék különböző bázisíves görbületi sugarai a magasabb rendű aberrációs modulációs egységekhez, és rögzítsük a magasabb rendű aberrációs adatokat az y-irányban -14 fokos FOV-nál az üvegszemű optikai rendszer statikus megfigyelése során, amint az a 6. táblázatban látható. (Zi-zi 0). Az adatok regressziós elemzése azt mutatta, hogy a toroid felület R3 bázisív-görbülete R3 sugara függőleges kómával, megdöntött trefoil-tal, gömb alakú aberrációval, vízszintes másodlagos astigmatizmussal, másodrendű függőleges kómával, másodlagos gömbös aberrációval és a teljes magas szintű aberrációval kapcsolatos. A 7. ábra a hat magas rendű aberráció-növekedés és az R3 szórási eloszlását és regressziós vonalát mutatja, ahol a dőléses trefoil-növekedés és a gömbös aberrációnövelés lineáris kapcsolatban áll az alap ív görbületi sugaraival, és a növekedés csökken az alap ív-görbület sugárának növekedésével. A vertikális kóma növekedés, a vízszintes másodlagos astigmatizmus növekedése, a másodrendű vertikális kóma növekedés, a másodlagos gömb alakú aberráció növekedés és a teljes magas rendű rendellenesség növekedése nemlineáris korrelációban van az R3-tal. Az empirikus képlet a (6) ~ (12) egyenletből látható. Nincs szignifikáns összefüggés a vízszintes kóma, a vízszintes trefoil, a megdöntött másodlagos astigmatizmus, a másodrendű vízszintes kómás és az R3 görbület sugara között. Elképzelhető, hogy a konkrét rendellenességek modulálásának képessége a mikroszerkezet görbületének pontos beállításával hangsúlyozza a hatékonyabb és testreszabott szemüveg -lencsék létrehozásának lehetőségét a rövidlátás kezelésére.
6. táblázat: Statikus megfigyelés y-irányításnál -14 fokú látómező nagyszabású aberrációs standard hullámfront adatok.
7. ábra. A részleges, magas rendű rendellenességi növekedések szórási grafikonjai és regressziós vonalai az alapvető ív görbületi sugarainak függvényében.
Megállapították a korrelációt az alap ív R3 görbületi sugara és a Zernike standard polinom által kifejezett hullámfront -rendellenesség között (lásd a 7. ábrát). Az R3 tartománya 62,22222 mm és 151,351351 mm között van, az empirikus képlet a következő volt:
Az egyenletben a regressziós egyenlet megítélési együtthatóját képviseli, és minél közelebb van annak értéke 1 -hez, annál nagyobb az egyenlet illesztésének mértéke.
5. Következtetések
Ennek a cikknek a célja a magas rendű rendellenességek modulálásának vizsgálata a tervezett szemüvegben és azok hatása a rövidlátó-defocusingra. Javasol egy olyan mintát, amely összeköti a szemmodellt és a keret szemüveget, hogy szimulálja az optikai modellt a 300- fokos myopic betegek számára. A tanulmány feltárja a magas rendű aberrációs modulációs egység torikus mikroszerkezetének és a magas rendű rendellenességek bázis ív görbületi sugarainak korrelációját statikus megfigyelés mellett. Ez a kutatás hozzájárul a magas rendű rendellenes modulációs szemüvegek kidolgozásához, értékes betekintést nyújtva a myopia megelőzéséhez és ellenőrzéséhez.
Referenciák
[1] Rar, VVK, Kaw, et al. A gyermekkori myopia prevalenciájának globális variációi és idő tendenciái, szisztematikus áttekintés és kvantitatív metaanalízis: az etiológia és a korai megelőzés következményei. A British Journal of Ophthalmology. 2016, 100 (7): 882-890.
[2] Wolffsohn JS, Flitcroft DI, Gifford KL, et al. IMI - A Myopia Control jelentések áttekintése és bevezetése. Invest szemhalma vis sci. 2019. február 28 .; 60 (3): M 1- M19.
[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: Az emberi szem magasabb rendű rendellenességeinek áttekintése. Afrikai látás és a szem egészsége. 2019, 78 (1).
[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, et al. A szaruhártya biomechanikai tulajdonságai és a szemgondozások a rövidlátó szemében. Indian Journal of Ophthalmology. 2023 december 15.
[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, et al. A szembiometrikus komponensek és a szaruhártya -rendellenességek közötti kapcsolat. Klinikai kísérleti optometria. 2023. október 16., 1-7.
[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, et al. Az ortokeratológiai kompressziós tényező hatása a szem magasabb rendű rendellenességekre. Klinikai kísérleti optometria. 2020,103 (1), 123-128.
[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. A magasabb rendű hullámfront-rendellenességek és a myopia természetes progressziója közötti kapcsolat az iskolás gyerekekben. Tudományos jelentések. 2017, 7 (1).
[8] Liou HL, Brennan N A. Anatómiailag pontos. véges modell szem az optikai modellezéshez. OPT SOC AM A OPT Image Sci Vis. 1997. augusztus 14. (8), 1684-95.
[9] Szemészeti módszerek a szem optikai rendellenességeinek jelentésére. Ansi. Z80. 28-2017, 2017-08-21.