Designoptimierung multifokaler IOL

Transkript

1 199 Designoptimierung multifokaler IOL P.-R. Preußner Zusammenfassung Zweck: Klärung der begrifflichen Zusammenhänge zwischen IOL-Design, Sehqualität und Halos sowie Vorstellung der bisher unter Laborbedingungen besten Ergebnisse. Methoden: Raytracing-Rechnungen, Messungen im Kunstauge. Ergebnisse: Für beste Sehqualität in der Ferne und in der Nähe muß die IOL für genau zwei Brennweiten optimiert sein. Werden darüberhinaus intermediäre Foki, Gleitsicht etc. gewünscht, so geht dies immer auf Kosten der besten Nah- oder Fernqualität. Halos sind immer unvermeidliche Konsequenzen nicht-fokussierten Lichtes. Sie erscheinen als regelmäßige oder verzerrte Ringstrukturen stärker störend bei refraktiven Designs mit wenigen Zonen als bei solchen mit vielen Zonen oder diffraktiven Designs, bei denen der Halo eher diffus ist. Diffraktive IOL haben aufgrund der unvermeidlichen Lichtverluste in den Foki höherer Beugungsordnung bereits theoretisch etwas schlechtere Qualität als optimierte refraktive IOL. Die Abhängigkeit von der Pupillenweite ist als Nachteil refraktiver Designs mit wenigen Zonen seit langem bekannt. Schlußfolgerung: Wie theoretisch zu erwarten war, ergab sich im Kunstauge bei einer Messung in weißem Licht bisher die gleichzeitig beste Qualität in Nähe und Ferne für ein multizonales (17 Zonen), streng bifokales, ideal asphärisches Design. Summary Purpose: Clarification of terms and definitions for IOL design, quality of vision and halos, and presentation of the current best results under laboratory conditions. Methods: Ray tracing calculations, measurements in an artificial eye. Results: For best near and distant visual quality IOL have to be optimized for exactly two foci. If intermediar foci or varifocals are desired, this is always at the costs of best near and distant quality. Halos are always unavoidable consequences of unfocussed light. Structured halos appearing as more or less distorted rings caused by refractive IOL with few zones are more disturbing than diffuse halos from diffractive IOL or from refractive IOL with many zones. Diffractive IOL have a slightly lower performance already from a theoretial point of view due to the unavoidable light loss in higher order foci. Pupil size dependence as a disadvantage of refractive designs with few zones is already known for a long time past. Conclusion: As theoretically expected, best simultaneous near and distant quality in white light could be measured in the artificial eye with a multizonal (17 zones), strictly bifocal, ideally aspherical design. Einleitung Zur Qualitätsbeurteilung von multifokalen IOL werden meist klinische Studien zitiert. Diese berichten teilweise von zufriedenen Patienten, andererseits stehen

2 200 Multifokale IOL aber auch immer wieder Probleme im Vordergrund wie Halos, unzureichender Nahoder Fernvisus oder vermindertes Kontrastsehen. Es erscheint daher sinnvoll, die Zusammenhänge zwischen gewünschten und unerwünschten optischen Eigenschaften multifokaler IOL in Abhängigkeit vom Design besser zu verstehen und sie nach Möglichkeit zu objektivieren, bevor man die betreffende Linse in ein menschliches Auge implantiert hat. Erfreulicherweise läßt sich dabei ein Grundverständnis wesentlicher Aspekte erreichen, ohne komplizierte optische Berechnungen im Detail nachvollziehen zu müssen. Bi- oder multifokal? Idealerweise möchte man ein scharfes Sehen von der Ferne zumindest bis zum Leseabstand erreichen. Prinzipiell kann man Optiken herstellen, die tatsächlich in jedem Abstand von unendlich bis z. B. 30 cm die gleiche Abbildungsqualität liefern. Die Qualität ist aber dann in jeder Entfernung so schlecht, daß damit nur ein unbrauchbarer Visus möglich wäre. Allgemein gilt: man kann das scharfe Sehen entweder verteilen oder für eine oder einige wenige Entfernungen bündeln. So bewirkt etwa eine klassische, sphärische Monofokallinse über die sphärische Aberration eine größere Tiefenschärfe (Pseudoakkommodation) als eine ideal asphärische Linse, d. h. sie erlaubt eine größere Defokussierung. Umgekehrt ist aber die mit ihr erreichbare maximale Qualität im Fokus (z. B. Kontrast) schlechter als mit einer idealen Asphäre. In gleicher Weise hat eine Bifokallinse dann die beste Abbildungsqualität in ihren beiden Brennweiten, wenn sie genau für diese beiden Brennweiten optimiert ist. Ein dritter Fokus oder ein besserer Intermediärbereich verschlechtern zwangsläufig die Qualität in den beiden Foki. Halos sind bei Multifokallinsen immer unvermeidlich, denn nicht fokussiertes Licht erzeugt immer einen Halo. Bei einer Bifokallinse mit scharf separierten Brennweiten wird also bei Betrachtung eines fernen Objektes dessen unscharfe Abbildung mit der Nahbrennweite zum Halo, bei der Betrachtung eines Objektes in der Nähe ist es umgekehrt. Halos stören umso weniger, je gleichmäßiger (diffuser) das Licht in ihnen verteilt ist. Die Musterverarbeitungsmechanismen in der Netzhaut verringern die Störung zusätzlich, wenn der Halo nicht strukturiert ist. Hat er aber Strukturen, z. B. Ringe, kann die retinale Kontrastverstärkung das Gegenteil bewirken, so daß der Halo dann besonders stört. Ringhalos treten vor allem bei refraktiven IOL mit wenigen Zonen auf. Bei diffraktiven IOL oder bei refraktiven IOL mit vielen Zonen sind die Halos eher diffus. Mono- oder polychromatisch optimiert? Eine diffraktive Linse funktioniert theoretisch nur bei einer Wellenlänge, denn ihre Brennweite ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge. In weißem Licht hätte sie also eine sehr starke chromatische Aberration. Kombiniert man aber im menschlichen Auge eine diffraktive Linse von 2 4 dpt mit einer refraktiven von ca. 20 dpt, so hat die chromatische Aberration der refraktiven Optik in etwa den gleichen Betrag, aber das umgekehrte Vorzeichen wie die des diffraktiven Anteils, d.h. die chromatischen Aberrationen heben sich weitgehend auf, und es kann eine recht gute Durchschnittsoptik für weißes Licht

3 Preußner: Designoptimierung multifokaler IOL 201 resultieren. Dabei ist noch zu beachten, daß der Unterschied in der optischen Weglänge zwischen den Zonen einer diffraktiven Linse, der theoretisch eine halbe Lichtwellenlänge betragen sollte, diesen Wert natürlich nur für genau eine Wellenlänge hat. Qualitätsbeurteilungen von IOL sollten daher grundsätzlich im weißen Licht erfolgen. Leider wird die Messung der Modulationstransferfunktion (MTF) von IOL meist nur monochromatisch durchgeführt, so daß diese Daten zur Qualitätsbeurteilung im menschlichen Auge nur eingeschränkt brauchbar sind. Messung der Qualität: Die nach ISO11979 vorgeschriebenen Messungen zur optischen Abbildungsqualität von IOL erfolgen leider meist nicht nur monochromatisch statt in weißem Licht, sondern darüber hinaus in einer Anordnung, in der sich eine andere sphärische Aberration ergibt als im menschlichen Auge. Idealerweise sollte die Geometrie der Meßoptik dem menschlichen Auge so ähnlich wie möglich sein. In einem solchen Kunstauge hat man dann aber das Problem, daß die optischen Strukturen, die man beurteilen muß, sehr klein sind. Sie liegen in der gleichen Größenordnung wie die Verschmierung durch die Beugung bei der betreffenden Lichtwellenlänge, und man benötigt zu ihrer Beurteilung ein stark vergrößerndes Mikroskop, das seinerseits wiederum optische Fehler mitbringt. Dieses Problem kann man jedoch lösen, indem man den Strahlengang invertiert und in der Netzhautebene des Kunstauges als Urbild ein zwar sehr kleines, aber dennoch höchst präzise her D P R A C S L B F IOL F: Flüssigkeit (Wasser) L: Leuchtdiode P: Platte mit Mikrostruktur B: Balg S: Stokes-Linsen (optional) R: Ring für IOL-Halterung A: Apertur (Pupille) C: Kornea-Linse (PMMA) D: Detektor (CCD) Abb. 1: Prinzip der IOL-Testvorrichtung: Die Testvorrichtung entspricht in ihren Dimensionen und optischen Eigenschaften einem Durchschnittsauge. Der Strahlengang ist jedoch gegenüber dem natürlichen Strahlengang invertiert. Der Sinn ist, daß keine zusätzlichen optischen Fehler durch die Beobachtung einschließlich der Vergrößerung des sehr kleinen Bildes auf der Netzhaut entstehen. Das in der Netzhautebene des Kunstauges befindliche Urbild ist mit höchstmöglicher Präzision hergestellt und wird durch eine unmittelbar aufgesetzte Lichtquelle beleuchtet. Auf dem Detektor entsteht so ein stark vergrößertes Bild dieses Urbildes, das genau die optischen Fehler aufweist, die sonst ein Bild auf der Netzhaut haben würde, dessen Urbild sich in der Detektorebene befindet.

4 202 Multifokale IOL 25 µm 5 µm 5 µm Abb. 2: Landoltring: Der geschwärzte Ring ist transparent, der gesamte Hintergrund intransparent. Das Trägermaterial besteht aus Glas, Dicke 1,0 mm, rund, Ø 10,0 mm. Die intransparente Schicht besteht aus aufgesputtertem Chrom. Der Landoltring befindet sich in der Mitte des Trägermaterials. Die Fertigungstoleranz ist kleiner als 0,5 µm. gestelltes Objekt positioniert. Ein solches Objekt kann heute mit Techniken der Halbleiterfertigung hergestellt werden. Der invertierte Strahlengang weist exakt dieselben Fehler auf, die man auch in umgekehrter Richtung hätte. Man kann sie aber stark vergrößert und mit sehr hohem Kontrast beobachten, und zwar ohne irgendeine Zusatzoptik, die ihrerseits Fehler induzieren könnte. Abbildung 1 zeigt das Prinzip dieses Kunstauges, Abbildung 2 das Testobjekt, einen Landoltring, der dieselbe Größe hat wie das Bild eines Landoltringes der Visusstufe 1.0 in einem Durchschnittsauge. Um auch den Einfluß der sphärischen Aberration adäquat beurteilen zu können, wird eine asphärische Hornhaut mit einer numerischen Exzentrizität von e = 0,5 verwendet. Welche Eigenschaften sollte eine ideale Multifokallinse haben? 1. Sie sollte streng bifokal sein, mit möglichst idealen Abbildungseigenschaften für die beiden Brennweiten. Also sollte sie für jede dieser beiden Brennweiten eine Asphäre sein, deren Asphärizität so auf die anderen optischen Parameter des Auges (Hornhautform, Achsenlänge) angepaßt ist, daß die sphärische Aberration möglichst nahe bei null liegt. 2. In andere Brennweiten sollte die Linse kein Licht fokussieren. Damit scheiden diffraktive Designs aus, denn diese haben einen unvermeidlichen Lichtverlust durch Zusatzfoki, die den höheren Ordnungen der Beugung entsprechen (ca. 18 %). 3. Die unvermeidlichen Halos sollten möglichst keine erkennbaren Strukturen haben. Dies ist umso eher der Fall, je größer die Anzahl der Zonen und je kleiner der Flächenanteil jeder einzelnen Zone ist, denn jede Zone erzeugt einen separaten Ring, und diese Ringe verschwimmen aufgrund unvermeidlicher, restlicher Abbildungsfehler zu einer einigermaßen homogenen Fläche. 4. Die Abbildungseigenschaften für Pupillenweiten unter 4,0 mm sollten unabhängig von der Pupillenweite sein. Auch aus dieser Forderung ergibt sich, daß die Zahl der Zonen möglichst groß und ihr einzelner Flächenanteil möglichst klein sein sollte.

5 Preußner: Designoptimierung multifokaler IOL Der Randbereich außerhalb 4,0 mm sollte in den Fernfokus abbilden, denn mit so weiter Pupille schaut wegen der Nahmiosis niemand in die Nähe, aber in der Nacht sollte dieser Bereich für die Ferne verfügbar sein. Insgesamt ergibt sich damit ein asphärisches, refraktives Design, das möglichst viele Zonen innerhalb von 4 mm haben sollte. Der Vielzahl der Zonen sind allerdings fertigungstechnische Grenzen gesetzt, da jeder Zonenübergang wegen limitierter Fertigungstoleranz unvermeidlich zu Lichtverlusten führt. Eine IOL mit 17 Zonen wurde von uns berechnet, im Code der Fertigungsmaschine dargestellt und von Fa. Acri.Tec hergestellt. Das Meßergebnis im Kunstauge bei 4 mm Pupillenweite ist in Abbildung 3 dargestellt. Simultan für Nähe und Ferne war der lokale Kontrast mit dieser IOL deutlich besser als der der auf dem Markt befindlichen Multifokallinsen, über deren Vermessung auf der DGII-Tagung 2005 berichtet wurde. Dabei ist allerdings fairerweise zu bedenken, daß diese Linse auf die Asphärizität der Hornhaut des Kunstauges angepaßt wurde, während die ansonsten vermessenen IOL nicht notwendigerweise exakt dazu passen. Abb. 3: Refraktive IOL: Dargestellt sind die Meßergebnisse der 17-Zonen-IOL (Details s. Text) im Kunstauge, links für die Nähe, rechts für die Ferne. Der lokale Kontrast beträgt links 0,5, rechts 0,4 und liegt damit nahe an der theoretischen Grenze. Um den Landoltring erkennt man schwach einen diffusen Halo, der etwa den dreifachen Durchmesser des Landoltringes hat. Er enthält im Bild für den Fern- und für den Nahfokus das unscharf abgebildete Licht des jeweils anderen Fokus. (Der Autor hat der Verwendung der neuen deutschen Rechtschreibung ausdrücklich nicht zugestimmt. Der Herausgeber)