本方案描述了扫描光散射分析仪（SLSP），该仪器基于测角光度计原理，可实现对人工晶状体（IOLs）前向和后向光散射的全角度定量评估。
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摘要
摘要
扫描光散射分析仪（SLSP）方法基于测角光度计原理，用于对人工晶状体（IOL）的前向和后向光散射进行全角度定量评估。本方案描述了SLSP平台及其工作方式：通过将一个可360°旋转的光电探测器传感器围绕IOL样品扫描，记录光穿过IOL介质时散射光的强度和位置。SLSP平台可用于非临床预测现有及新型IOL设计和材料引发光散射的倾向性。对IOL光散射特性的非临床评估可显著减少患者因不期望的眩光、闪光、光学缺陷、图像质量差以及其他与非预期光散射相关现象而产生的投诉。未来应开展研究，将SLSP数据与临床结果相关联，以帮助识别在IOL植入术后接受白内障手术的患者中，哪些测量到的光散射最具临床问题性。
引言
扫描光散射轮廓分析法（SLSP）最初被提出，旨在非临床环境下对人工晶状体（IOL）的光散射特性进行定量评估1。建立一种用于评估IOL设计和材料光散射倾向的测试方法具有重要意义，有助于识别潜在的非预期光散射问题。患者常报告光散射现象，表现为眩光、微小闪光、光学缺陷及其他形式的视物异常2，有时甚至导致患者要求取出IOL。除视物异常外，散射光会减少直射光的量，从而降低整体成像质量3。开发一种可在非临床条件下评估IOL对入射光散射潜能（并可与临床报告结果相关联）的设备具有重要应用价值。
评估人工晶状体（IOL，白内障手术后用于替代人眼晶状体的镜片）的光学特性具有重要意义，因为它是全球植入最普遍的医疗器械（每年近2000万例）4，也是美国最常见的植入器械（每年超过300万例）5。因此，即使仅有小部分患者报告有视物异常（dysphotopsia），其总体影响也可能非常显著。此外，快速发展的技术（e.g. 新型IOL设计、材料和光学性能）可能增加与光散射相关的问题。例如，多焦点IOL通过结合折射和衍射光学原理设计镜片，以改善远视力和近视力。尽管这类镜片效果显著，但也被发现会增加眩光和光晕现象的报告量，这主要与光的散射有关6。
一些非临床实验室研究尝试通过人工晶状体（IOL）中散射光的传播来预测眩光现象7。例如，研究已发现，IOL的襻结构（用于固定IOL位置的臂状部分）以及IOL的边缘容易引起大量观察到的眩光散射光8。一种称为弹道光子去除积分球法（ballistic-photon removing integrating-sphere method, BRIM）的技术被引入，用于定量测量光线穿过IOL后总的非弹道光强度9。然而，这种高灵敏度技术旨在测量散射光的总强度，无法识别散射光的方向性。计算机模拟软件可与模型眼结合使用，以帮助预测不同IOL设计和材料所产生的光散射的强度和方向性。例如，已有研究通过模拟IOL边缘引发光散射的倾向，识别出可减少散射光量的设计方案10。此外，结合米氏散射理论（Mie scattering theory）的计算机模拟证实，光散射的增加会降低IOL的调制传递函数（MTF）（与图像质量直接相关）3。尽管这些模拟具有参考价值，但仍需通过实际的体外实验来验证这些预测性模拟结果。
为了验证预测性模拟，有必要进行台架测试，以检测并定量评估两种不同形式的散射光：前向散射光和后向散射光。尽管后向散射光（即远离眼睛方向散射的光）并非光视症状的来源，但它会导致成像质量下降，因为更少的光能够透过人工晶状体（IOL）最终到达视网膜。前向散射光（即朝向视网膜方向散射的光）则引起眼科医生的关注，因为它可能导致患者出现光视症状（例如眩光、光晕和闪光感）。一个常见例子是患者在夜间驾驶时，报告因对向来车灯光而产生额外的不必要眩光；这一问题在多焦点IOL中尤为常见11。然而，目前识别潜在前向散射光的常规做法是，眼科医生将光线照射到患者眼睛上，定性观察反射回的光量（即后向散射光），并假设后向散射光的强度大致等于前向散射光（但实际情况并非总是如此）12。
本文介绍了一种基于测角光度法原理的简单测试方法，用于定量测量光线穿过人工晶状体（IOL）时散射光的强度和方向。散射光谱分析仪（SLSP）通过使光电二极管传感器围绕暴露于光源下的人工晶状体旋转360度来工作，参见图1a。我们选用绿色激光源（543 nm），以最好地代表已知的明视觉光谱峰值，并符合国际标准规范13。在此装置中，人工晶状体被安装在一个可旋转和可平移的支架上，光电二极管传感器可围绕其运行，检测从晶状体散射出的光线。因此，SLSP具备独特的能力，可对散射光的强度和方向性进行定量测量。然而，尽管本文未予详述，为了获得更好的预测能力，实验应在受控环境中使用适当的眼球模型进行。人工晶状体与光学传感器之间的距离（以及传感器元件的尺寸）将决定该设备的分辨率能力；但分辨率与信号强度之间存在权衡，需根据实际情况进行调整。
为了准确描述SLSP平台的原理，我们定义了三种旋转角度，见图1b和图1c。具体而言，旋转角度（˚R）表示光电二极管传感器围绕人工晶状体（IOL）旋转时的角度。其中，0˚R表示传感器位于透镜后方（后向散射光），180˚R表示传感器位于透镜前方（前向散射光）。90˚和270˚的角度则表示前向与后向散射光之间的过渡点。感应角度（˚S）表示传感器在上下方向上枢轴转动的角度，使其能够检测多个散射光平面。在此，0˚S表示传感器表面与人工晶状体（及光源）平行。最后，入射角（˚I）表示光源照射到人工晶状体上的角度。其中，0˚I对应于入射光位于人工晶状体光轴上的情形，而90˚I则表示光源垂直于子午面的情况。
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方案
1. SLSP 测量平台准备
注意：所有对准步骤都需要精确和耐心，以确保在测量光散射时获得准确的定量结果。图1提供了SLSP装置的概览。其中，示意图（图1a）展示了SLSP装置的基本原理。此外，图1b和图1c有助于定义文中讨论所涉及的各种角度。具体而言，图1b和图1c中定义了以下三个角度：˚R（传感器旋转角度）、˚S（传感器测量角度）和˚I（IOL入射角度）。
- SLSP 对准（图2）。
- 使用10倍物镜将窄线宽激光光源（此处为543 nm中心波长）聚焦至单模传输光纤中× 无限远校正物镜
注意：测试光源以确保其流明输出稳定，否则测量结果将难以量化。通过观察光线穿过光纤的情况来确定光束是否聚焦，虽然无法达到100%的效率，但应足够使传感器最终能够检测到光线。 - 通过将单模光纤与10倍无限远校正物镜耦合，使光纤位于物镜的焦点处，从而准直光源。输出光应形成均匀的高斯光束轮廓。
- 在光源前方放置一个虹膜光阑，以调节高斯光束的直径。
注意：将虹膜光圈直径设置为模拟人眼的典型值（例如 1-6 毫米）。由于光散射类型投诉通常与夜间驾驶相关，因此采用代表瞳孔散大状态的虹膜孔径可能更为合适。 - 通过将光电二极管传感器连接至电动/可编程360°旋转平台来构建一个测角光度计˚ 带有可延伸臂（带柱夹的金属柱）的旋转台，具备线性平移（x、y 和 z 方向）功能。
注意：设计一个能够实现平移和倾斜调节的平台。设计一个能够实现360°旋转的传感器安装装置˚ 传感器旋转角度˚R）并可调节至至少 45˚ 传感器角度旋转的˚S）以测量不同散射平面。延长臂的长度取决于光电二极管传感器的灵敏度和所需的角精度。 - 根据需要，通过调整传感器端面的角度以及臂的位置来调节传感器的检测角度。
- 使用10倍物镜将窄线宽激光光源（此处为543 nm中心波长）聚焦至单模传输光纤中× 无限远校正物镜
- 人工晶状体对准
- 构建一个IOL固定平台，使IOL位于测角光度计上方（图2).
- 为此，构建人工晶状体（IOL）固定平台，使 IOL 悬置于测角光度计中心上方（也可将测角光度计与 IOL 的位置互换）。
- 使用四个18" 长， ½" 直径圆柱形支架杆及支架底座，并将其固定于18 x 18" 面包板。该面包板是平台的基座支撑。
- 为此，构建人工晶状体（IOL）固定平台，使 IOL 悬置于测角光度计中心上方（也可将测角光度计与 IOL 的位置互换）。
- 安装带有倾斜和旋转（I˚将面包板下方的组件安装到位，使载物台朝下。
注意：以较小的步长（几微米）进行平移阶段调整可提高人工晶状体对准过程中的精度，从而改善测角光度法的准确性。该平台的具体尺寸可根据个体需求进行定制，因此圆柱形支杆和光学面包板的尺寸均可调整。- 通过夹紧人工晶状体（IOL）的其中一个襻，将IOL牢固地固定在IOL固定平台上。
注意：在此原理验证实验中，人工晶状体（IOL）在空气中进行测试；然而，应使用最能代表实际使用条件的溶液环境和温度对 IOL 进行测试 体内 理想条件下即可。
- 通过夹紧人工晶状体（IOL）的其中一个襻，将IOL牢固地固定在IOL固定平台上。
- 使用IOL固定平台的线性调节和倾斜调节，将IOL精确对准光源正前方（使IOL的焦平面与光源方向垂直），以确保光线穿过IOL中心时传播方向不发生改变。此位置对应的入射角（I˚0）˚.
- 确定来自人工晶状体（IOL）的光焦点位置，并在焦点处放置一个小的锥形装置，以减少离焦光的检测（必要时）。通过将一张纸（如名片）置于IOL后方，观察光线最集中之处，从而确定光焦点位置。该操作可能具有一定的主观性。
注意：仅当需要测量纯非弹道光时，此步骤才必要。 - 将光电二极管传感器的电动平台置于人工晶状体（IOL）正下方，以确保IOL位于测角光度计轨迹的中心。调整测角光度计的位置，使其距离IOL约12 cm。
注意：人工晶状体（IOL）与测角光度计之间的相对位置将决定测试的分辨率，测角光度计距离越远，可实现的分辨率越高。然而，增加距离（以及减小步长）会导致信号降低，并延长实验时间。 - 调节入射角（I˚通过旋转IOL固定平台载物台。
注意：初始实验应以0°入射角进行˚ 至 80˚80度以外˚ 将开始接近掠射角，此时所有光线都将被反射。
- 构建一个IOL固定平台，使IOL位于测角光度计上方（图2).
- 编程
- 使用系统设计软件构建一个软件程序，以协调传感器的机械运动与其相应的光测量（参见 补充文件 1 和 材料表).
注意：在构建软件程序时，需考虑传感器的速度，以确保传感器的物理位置能准确反映其记录的测量值。本实验所用的程序提供如下 补充文件 1.
- 使用系统设计软件构建一个软件程序，以协调传感器的机械运动与其相应的光测量（参见 补充文件 1 和 材料表).
2. SLSP 实验与数据分析
- 扫描 (˚R)
- 确保人工晶状体（IOL）与光源正确对齐（参见第1.1和1.2节）。
- 使用内表面涂有非反射涂层的容器，在光电二极管传感器和人工晶状体周围构建一个封闭结构，以最大限度减少杂散光的检测。需为光源预留开口。
注意：封闭结构的具体设计应根据房间内的外部光源情况进行定制，因此可采用多种设计方案。但其目的均为防止传感器检测到任何外部光线。 - 关闭房间内所有光源，仅保留编程用计算机的照明。
- 运行SLSP软件程序（步骤1.3.1），使传感器围绕人工晶状体旋转，以测量每个旋转角度（˚R）下的散射光强度和位置。
- 若需在多个平面上测量散射光，请在手动调节传感器延伸臂及传感器测量角度（˚S）后，多次运行SLSP软件程序。
注意：程序运行次数取决于预期结果。检测的角度越多，对散射光方向性的识别精度越高。 - 对于光束直径相关研究，在运行SLSP程序前，将虹膜光阑调节至所需直径。
注意：本研究中采用的激光束直径分别为1、2、3、4和4.64 mm，以尽可能模拟典型的虹膜直径。其中4.64 mm为最大直径，即未通过虹膜光阑时准直光束的原始直径。 - 对于入射角相关研究，在运行SLSP程序前，将人工晶状体安装座旋转至所需的入射角。本研究中考察的入射角（I˚）分别为0˚、20˚、45˚和80˚。
注意：数据分析需要使用科学数据处理软件包。 - 对于三维成像，使用数据处理软件包将不同测量角度（˚S）下的各次扫描数据拼接起来。通过绘制矩阵图，将传感器测量角度（˚S）与旋转角度（˚R）相互对应，实现数据拼接。
注意：为更真实地模拟体外（in vitro）条件，可将SLSP平台倒置，使测角光度计位于人工晶状体上方，并将人工晶状体置于温度可控的生理盐水浴中。但在该条件下，由于传感器在移动过程中会扰动介质并引起盐水流动，因此需要显著延长传感器在各位置的停留时间。
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结果
当传感器未位于光源平面时，goniophotometry 测量可产生 360˚R 的信号。然而，若要采集光源平面上的散射光测量数据（0˚I），传感器将遮挡光源，导致信号小于 360˚R。在我们的实验中，确定了当传感器遮挡光源时，约有 20˚R 的信号被阻挡。
实验发现，在直接后向散射光的左右两侧（约150˚–175˚R 和 185˚–225˚R）以及直接前向散射光的左右两侧（约10˚–25˚R 和 325˚–350˚R）可观察到四个主要的光散射位置。关于激光束直径的影响，研究发现光束直径与散射光强度之间存在直接相关性，这符合预期。例如，图3展示了使用1 mm与4.64 mm虹膜光阑（即无光阑时准直光源的尺寸）时，光散射信号的差异。通过对信号峰下面积进行积分，可计算出信号强度的定量差异。此外，也可计算前向或后向散射（或两者结合）的总强度。该信息可能有助于眼科医生或制造商评估人工晶状体（IOL）的质量。
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讨论
SLSP 平台实验结果表明，利用简单的测角光度学原理可成为评估与独特人工晶状体设计和材料相关的光散射特性的有力工具。具体而言，SLSP 平台观察到可检测到的散射光量与光源光束直径之间存在直接相关性。此外，SLSP 能够清晰观测到多焦点人工晶状体中的多个散射峰。进一步地，当入射光接近掠射角时，SLSP 观测到散射光显著增加，因为大部分光被晶状体表面反射。
如实验方案中所述，光源与人工晶状体（IOL）的对准对于散射光的准确测量至关重要。此外，必须通过软件编程将传感器的位置与其测量值精确关联。可通过使光输出穿过位于同一光学平面（X、Y 和 Z）的针孔光阑来校正对准问题。在 IOL 后方放置针孔光阑也可用于确保 IOL 本身正确对准。通过确保自定义软件程序的每一步均实现预期结果，即可完成对软件的故障排查。
SLSP 平台已证明能够以接近 360˚R 的视野定量评估光散射的强度和方向。因此，SLSP 平台可能成为评估现有及新型人工晶状体（IOL）设计与材料的有力工具，从而更准确地预测其是否存在过度散射光线的潜在风险，尤其是在与强大的模...
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披露
提及商业产品、其来源或其与本文所报告材料的关联使用，并不应被理解为美国卫生与公共服务部对该类产品实际或暗示的认可。
致谢
作者感谢各公司提供单焦点和多焦点人工晶状体（IOL）的使用权限。本工作得到了橡树岭科学与教育研究所（ORISE）和医疗器械研究员项目（MDFP）的支持，谨此对他们的贡献表示感谢。此外，作者还感谢Samuel Song在实验室中的贡献。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PD300 系列光电二极管传感器 | Ophir-Spiricon 公司 | 7Z02410 | PD300-1W，符合 RoHS 标准 |
| URS 系列精密旋转台 | Newport 公司 | URS75BCC | |
| ESP301 单轴运动控制器和驱动器 | Newport 公司 | ESP301-1N | |
| LabView 软件 | National Instruments 公司 | 776671-35 | |
| Origin | OriginLab 公司 | 不适用 | |
| 单模 FC/APC 光纤跳线 | ThorLabs 公司 | P3-460B-FC | |
| 10 倍 Olympus 平场消色差物镜 | ThorLabs 公司 | RMS10X | RMS10X - 10 倍 Olympus 平场消色差物镜，数值孔径 0.25，工作距离 10.6 mm |
参考文献
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