Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) basierte Methodik zur quantitativen Bewertung von Vorwärts- und Rücklichtlichtstreuung aus Intraokularlinsen

Summary

Dieses Protokoll beschreibt den Scanning-Light-Scattering-Profiler (SLSP), der die Vollwinkel-quantitative Auswertung der Vorwärts- und Rückwärtsstreuung von Licht aus Intraokularlinsen (IOLs) unter Verwendung von Goniophotometer-Prinzipien ermöglicht.

Abstract

Die Methode der Scanning Light Scattering Profile (SLSP) wurde für die Vollwinkel-quantitative Auswertung der Vorwärts- und Rücklichtstreuung von Intraokularlinsen (IOLs) unter Verwendung von Goniophotometer-Prinzipien entwickelt. Dieses Protokoll beschreibt die SLSP-Plattform und wie sie einen 360 ° Rotations-Photodetektorsensor einsetzt, der um eine IOL-Probe gescannt wird, während die Intensität und die Position des gestreuten Lichts aufgezeichnet wird, wenn es durch das IOL-Medium hindurchgeht. Die SLSP-Plattform kann verwendet werden, um die Neigung zu aktuellen und neuartigen IOL-Designs und Materialien, um Lichtstreuung zu induzieren, nicht klinisch vorhersagen. Die nicht-klinische Bewertung der Lichtstreuungseigenschaften von IOLs kann die Anzahl der Patientenbeschwerden, die sich auf unerwünschte Blendung, glänzende, optische Defekte, schlechte Bildqualität und andere Phänomene beziehen, die mit der unbeabsichtigten Lichtstreuung verbunden sind, erheblich reduzieren. Zukünftige Studien sollten durchgeführt werden, um SLSP-Daten mit klinischen Ergebnissen zu korrelieren, um zu identifizierenDie gemessene Lichtstreuung ist am problematischsten für Patienten, die Katarakt-Chirurgie nach IOL-Implantation unterzogen wurden.

Introduction

Der Ansatz der Scanning Light Scattering Profile (SLSP) wurde zuerst eingeführt, um die Notwendigkeit zu adressieren, die Lichtstreuungseigenschaften von Intraokularlinsen (IOLs) in einer nicht-klinischen Einstellung 1 quantitativ zu bewerten. Die Entwicklung einer Testmethodik zur Bewertung der Lichtstreuungstendenzen von IOL-Designs und Materialien ist von großem Interesse, um potenzielle unerwünschte Lichtstreuungsprobleme zu identifizieren. Lichtstreuung wird häufig von Patienten gemeldet und als Blendung, glänzende, optische Unvollkommenheiten und andere Formen der Dysphotopsie ² beobachtet, die manchmal zu einem Patienten führt, der die IOL-Explantation anfordert. Zusätzlich zu Dysphotopsie reduziert Streulicht die Menge an ballistischem Licht, was zu einer geringeren Gesamtbildqualität führt ³ . Entwickeln einer Vorrichtung, die das IOL-Potential nicht klinisch bewerten kann, um das ankommende Licht zu zerstreuen (und später mit klinisch gemeldeten Ergebnissen korreliert) cEin nützlich sein

Die Auswertung der optischen Eigenschaften von IOLs (die Linse, die verwendet wird, um die menschliche kristalline Linse nach Kataraktchirurgie zu ersetzen) ist von besonderem Interesse, da sie das am häufigsten implantierte medizinische Gerät in der Welt ist (fast 20 Millionen pro Jahr) ⁴ und die Vereinigten Staaten (über 3 Millionen pro Jahr) ⁵ . Infolgedessen kann sogar ein kleiner Prozentsatz der Patienten, die Dysphotopsie berichten, einen großen Einfluss haben. Darüber hinaus haben rasch verbesserte Technologien ( z. B. neue IOL-Designs, Materialien und optische Fähigkeiten) das Potenzial, Bedenken hinsichtlich der Lichtstreuung zu erhöhen. Zum Beispiel wurden multifokale IOLs entworfen, um die Nah- und Fernsehschärfe zu verbessern, indem sie Linsen entwickeln, die Brechungs- und Beugungsoptiken verwenden. Obwohl sehr erfolgreich, haben diese Linsen auch festgestellt, dass die Menge der gemeldeten Halos und Blendung, weitgehend mit Streuung von Licht verbunden ⁶ zu erhöhen .

Ein paar nicht-klinische Laboruntersuchungen versuchen, Dysphotopsien vor Streulicht vorzugeben, wenn es durch IOLs ^{7 geht} . Zum Beispiel hat die Forschung festgestellt, dass IOL Haptik (die Arme der IOL verwendet, um es an Ort und Stelle) und die Kante der IOLs sind anfällig für eine große Menge der beobachteten Blendung Streulicht ⁸ induzieren. Ein Verfahren, ein ballistisches Photon, das die Integrations-Sphäre-Methode (BRIM) entfernt, wurde eingeführt, um die Menge des gesamten nicht-ballistischen Lichts nach Durchlaufen einer IOL ⁹ quantitativ zu messen. Diese hochempfindliche Technik ist jedoch dazu bestimmt, die Gesamtintensität des Streulichts zu messen und ist nicht in der Lage, die Richtungsabhängigkeit des Streulichts zu identifizieren. Computer-Simulationssoftware kann mit Modellaugen verwendet werden, um die Intensität und Richtcharakteristik der Lichtstreuung von verschiedenen IOL-Designs und Materialien vorhersagen zu können. Zum Beispiel die Neigung für die IOL-Kante, um das Licht zu induzierenT-Streuung wurde simuliert, um Konstruktionen zu identifizieren, die die Menge des gestreuten Lichts beschränken würden ¹⁰ . Darüber hinaus haben Computersimulationen, die die Mie-Streuungstheorie beinhalteten, verifiziert, dass eine erhöhte Lichtstreuung die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) der IOL (eine direkte Korrelation zur Bildqualität) reduzieren kann. Obwohl hilfreich, echte Bench-Tests wäre notwendig, um diese prädiktiven Simulationen zu überprüfen.

Um prädiktive Simulationen zu überprüfen, ist ein Bench-Test notwendig, der in der Lage ist, zwei verschiedene Formen von Streulicht, vorwärts gestreutem und rückwärts gestreutem Licht zu detektieren und quantitativ auszuwerten. Obwohl es sich nicht um eine Quelle von Dysphotopsien handelt, ist das rückwärts verstreute Licht (Licht, das vom Auge abstreut) eine Ursache für eine reduzierte Bildqualität, da weniger Licht durch die IOL geht, um schließlich die Netzhaut zu erreichen. Vorwärts verstreutes Licht (Lichtstreuung zur Netzhaut) ist für Ophthalmologen ein AnliegenKann zu Beschwerden von Dysphotopsie ( zB Blendung, Halo und Glitzern) führen. Ein häufiges Beispiel sind die Patienten, die zusätzliche unerwünschte Blendung von vorbeifahrenden Autos während der Nacht fahren; Diese Frage ist besonders bei multifokalen IOLs ¹¹ üblich. Allerdings ist die gegenwärtige Praxis, potenzielles vorwärts gestreutes Licht zu identifizieren, für Augenärzte, um Licht auf das Auge des Patienten zu leuchten und qualitativ zu beobachten, wieviel Licht zurück reflektiert wird (rückwärts gestreutes Licht) und unter der Annahme, dass das rückwärts gestreute Licht ungefähr gleich ist wie das Vorwärtsstreuung Licht (was nicht immer der Fall ist) ¹² .

Hier beschreiben wir eine einfache Testmethodik unter Verwendung von Goniophotometrie-Prinzipien, um die Größe und Richtung des gestreuten Lichts quantitativ zu messen, indem sie eine Intraokularlinse durchläuft. Der SLSP arbeitet durch Drehen eines Photodiodensensors um 360 Grad um eine IOL, die einem Licht s ausgesetzt istOurce, siehe Abbildung 1a . Wir wählten eine grüne Laserquelle (543 nm), um das bekannte photopische Maximum am besten darzustellen und den internationalen Standardspezifikationen zu entsprechen ¹³ . Hier wird ein IOL auf einen Rotations- und Translationshalter angepasst, in dem ein Photodiodensensor umkreisen und die Lichtstreuung der Linse beobachten kann. Infolgedessen hat der SLSP die einzigartige Fähigkeit, die Größe und die Richtcharakteristik des Streulichts quantitativ zu messen. Jedoch, obwohl hier nicht beschrieben, für bessere prädiktive Fähigkeiten, sollten Experimente innerhalb einer kontrollierten Umgebung unter Verwendung eines geeigneten Augenmodells durchgeführt werden. Der Abstand zwischen dem IOL und dem optischen Sensor (sowie die Größe des Sensorelements) bestimmt die Auflösungsmöglichkeiten des Gerätes; Allerdings wird es einen Kompromiss zwischen Auflösung und Signalstärke geben, die nach Bedarf angepasst werden muss.

Um das Prinzip zu beschreibenEs der SLSP-Plattform definieren wir drei Arten von Drehwinkeln, siehe Abb. 1b und 1c . Insbesondere stellt der Drehwinkel (˚R) die Drehung eines Photodiodensensors dar, während er sich um eine IOL dreht. Hier würde 0˚R darstellen, wenn der Sensor hinter der Linse steht (rückwärts gestreutes Licht) und 180˚R repräsentiert, wenn der Sensor vor der Linse steht (vorwärts gestreutes Licht). Winkel von 90˚ und 270˚ stellen die Übergangspunkte zwischen vorwärts und rückwärts gestreutem Licht dar. Der Erfassungswinkel (˚S) stellt Grad dar, dass der Sensor in der Auf- und Abwärtsrichtung geschwenkt wird, so dass er mehr als eine Ebene von Streulicht erkennen kann. Hier bedeutet 0˚S, dass die Sensorfläche parallel zur IOL (und Lichtquelle) ist. Schließlich stellt der Einfallswinkel (˚I) den Winkel dar, den die Lichtquelle der IOL nähert. Hier entspricht 0˚I, wenn das einfallende Licht auf der optischen Achse der IOL und 90 &# 730; Würde darstellen, wenn die Lichtquelle senkrecht zur Meridionalebene ist.

Protocol

1. SLSP Messplattform Vorbereitung

HINWEIS: Alle Ausrichtungsschritte erfordern Präzision und Geduld, um eine genaue Quantifizierung bei der Messung von Lichtstreuung zu gewährleisten. Eine Übersicht über das SLSP-Setup, das in Abbildung 1 enthalten ist. Hier zeigt eine Abbildung (Abbildung 1a ) das Grundkonzept des SLSP-Setups. Zusätzlich dienen die Fig. 1b und 1c dazu, die verschiedenen Winkel zu definieren, auf die in der Diskussion Bezug genommen wird. Insbesondere sind die folgenden drei Winkel in den Fig. 1b und 1c definiert: ˚R (Sensordrehwinkel), ˚S (Sensorwinkel der Messung) und ˚I (IOL-Einfallswinkel).

1. SLSP-Ausrichtung (Abbildung 2).
   1. Fokussieren Sie eine schmal-linewidth-Laserquelle (hier eine 543 nm zentrale Wellenlänge) in eine Einmoden-Abgabe-Lichtleitfaser unter Verwendung einer 10 × unendlich korrigierten Objektivlinse.
      HINWEIS: Testen Sie das LichtT Quelle, um sicherzustellen, dass die Lumenleistung stabil ist oder Messungen schwer zu quantifizieren sind. Ein fokussierter Strahl wird durch Beobachtung von Licht, das durch die Faser hindurchgeht, bestimmt, dies wird nicht zu 100% Wirkungsgrad führen, sollte aber ausreichend sein, damit Licht schließlich durch den Sensor detektiert werden kann.
   2. Kollimieren der Lichtquelle durch Integration der Einmoden-Lichtleitfaser mit einer 10fach unendlich korrigierten Objektivlinse, so dass die Faser auf dem Brennpunkt der Objektivlinse positioniert ist. Das Ausgangslicht sollte zu einem gleichmäßigen Gaußschen Strahlprofil führen.
   3. Positionieren Sie eine Irisblende vor der Lichtquelle, um den Durchmesser des Gaußstrahls einzustellen.
      HINWEIS: Stellen Sie den Blendenöffnungsdurchmesser ein, um repräsentativ für ein menschliches Auge zu sein ( zB 1-6 mm Durchmesser). Da die Lichtstreuungsbeschwerden üblicherweise mit dem Nachtfahren verbunden sind, können Ionenöffnungsdurchmesser, die für eine dilatierte Iris repräsentativ sind, bevorzugt sein.
   4. Konstruieren Sie einen Goniophotometer durch Anbringen einer Photodiode senSor zu einer motorisierten / programmierbaren 360˚ Rotationsstufe mit linearer Übersetzung (x, y und z Richtung) Fähigkeiten mit einem ausfahrbaren Arm (Metallpfosten mit Nachklemme).
      HINWEIS: Entwerfen Sie eine Bühnenplattform, die sowohl die Übersetzung als auch die Neigungseinstellung ermöglicht. Entwerfen Sie die Sensorhalterung, die 360 ​​° des Sensordrehwinkels (˚R) ermöglicht und auf mindestens 45 ° der Sensorwinkelumdrehung (˚S) eingestellt werden kann, um verschiedene Strecken zu messen. Der Abstand des ausgedehnten Arms hängt von der Empfindlichkeit des Photodiodensensors und der gewünschten Winkelgenauigkeit ab.
   5. Stellen Sie den Sensorwinkel der Erkennung (nach Bedarf) ein, indem Sie die Sensorfläche anfassen und die Position der Arme einstellen.
2. IOL Ausrichtung
   1. Konstruieren Sie eine IOL-Halteplattform, so dass die IOL über dem Goniophotometer positioniert ist (Abbildung 2 ).
      1. Um dies zu erreichen, baue die IOL-Halteplattform auf, damit die IOL abgesperrt istOve die Mitte des Goniophotometers (Umkehr der Positionen des Goniophotometers und IOL ist auch möglich).
         1. Um die Plattform zu bauen, verwenden Sie vier, 18 "lange, ½" Durchmesser zylindrische Pfosten und Pfosten und befestigen sie an einem 18 x 18 "Breadboard. Dieses Breadboard ist die Basisunterstützung für die Plattform.
   2. Befestigen Sie eine Translationsstufe (x, y und z Richtung) mit Kipp- und Rotations- (I˚) -Fähigkeiten unterhalb des Steckbretts, so dass die Bühne nach unten zeigt.
      HINWEIS: Übersetzungsstufen mit kleinen Schrittweiten (ein paar Mikrometer) ermöglichen eine höhere Präzision bei der Ausrichtung der IOL und verbessern die Genauigkeit der Goniophotometrie. Die spezifischen Dimensionen der Plattform können auf individuelle Bedürfnisse angepasst werden. Dadurch können die zylindrischen Pfosten und die Brettabmessungen eingestellt werden.
      1. Befestigen Sie die IOL sicher an der IOL-Halteplattform, indem Sie eine der IOL-Haptiken festklemmen.
         HINWEIS: In diesem BeweisVon Zweck Experiment, IOLs werden in Luft getestet; Allerdings wären IOLs in Lösung und Temperaturen, die am besten in vivo Bedingungen repräsentieren, ideal.
   3. Richten Sie die IOL direkt vor der Lichtquelle (mit der IOL-Ebene des Fokus senkrecht zur Lichtquelle) aus, indem Sie die Linear- und Neigungseinstellungen von der IOL-Halteplattformstufe verwenden, um sicherzustellen, dass sich die Lichtrichtung nicht ändert, während sie durch die Mitte geht Die IOL. Diese Position bildet einen Einfallswinkel (I˚) von 0˚.
   4. Identifizieren Sie den Ort des Brennflecks des Lichts von der IOL und positionieren Sie eine kleine konische Vorrichtung am Brennfleck, um die Erkennung von defokussiertem Licht zu verringern (wenn nötig). Identifizieren Sie den Brennfleck des Lichts, indem Sie ein Stück Papier (wie eine Visitenkarte) hinter die IOL legen und identifizieren, wo das Licht am stärksten fokussiert ist. Dies kann eine subjektive Messung sein.
      ANMERKUNG: Dieser Schritt ist nur notwendig, wenn man rein nicht b messen möchteAllistisches Licht.
   5. Positionieren Sie die motorisierte Bühne für den Photodioden-Sensor direkt unterhalb der IOL, um sicherzustellen, dass sich die IOL in der Mitte der Goniophotometer-Trajektorie befindet. Richten Sie den Goniophotometer so aus, dass er etwa 12 cm von der IOL entfernt ist.
      HINWEIS: Die Beziehung der IOL und des Goniophotometers bestimmt die Auflösung der Tests, wo weiter weg der Goniophotometer liegt, desto größer ist die Auflösung. Allerdings führt ein erhöhter Abstand (und kleinere Schrittgrößen) zu einem niedrigeren Signal und zu längeren Experimentierzeiten.
   6. Stellen Sie den Einfallswinkel (I˚) ein, indem Sie die IOL-Holding-Plattformstufe drehen.
      HINWEIS: Erste Experimente sollten mit einem Einfallswinkel von 0˚ bis 80 be durchgeführt werden. Jenseits von 80˚ wird in der Nähe des Weide-Winkels beginnen, wo alles Licht reflektiert wird.
3. Programmierung
   1. Erstellen Sie ein Softwareprogramm, um das mechanische mo zu koordinierenVement des Sensors mit entsprechender Lichtmessung mit Systemdesign-Software (siehe Ergänzende Datei 1 und Materialtabelle ).
      HINWEIS: Beim Aufbau des Softwareprogramms ist die Geschwindigkeit des Sensors zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die physikalische Position des Sensors die aufgezeichnete Messung genau wiedergibt. Das Programm, das für dieses Experiment entworfen wurde, ist in der Ergänzungsdatei 1 enthalten .

2. SLSP-Experimentierung und Datenanalyse

1. Scannen (˚R)
   1. Stellen Sie sicher, dass die IOL und die Lichtquelle richtig ausgerichtet sind (siehe Abschnitte 1.1 und 1.2).
   2. Konstruieren Sie ein Gehäuse um den Photodiodensensor und die IOL mit einem Behälter mit nicht reflektierender Innenbeschichtung, um die Erkennung von fehlerhaftem Licht zu minimieren. Achten Sie darauf, eine Öffnung für die Lichtquelle vorzusehen.
      HINWEIS: Das spezifische Design des Gehäuses sollte angepasst werdenBasierend auf einem Außenlicht im Raum. Als Ergebnis sind mehrere Designs verwendbar. Der Zweck des Gehäuses besteht jedoch darin, das gesamte Licht von dem Sensor zu messen.
   3. Schalten Sie alle Lichtquellen im Raum aus, mit Ausnahme des Programmiercomputers.
   4. Führen Sie das SLSP-Softwareprogramm aus (Schritt 1.3.1), so dass sich der Sensor um die IOL dreht, um Streulicht bei jedem Rotationsgrad (˚R) zu messen.
   5. Um das Streulicht in mehr als einer Ebene zu messen, führen Sie das SLSP-Softwareprogramm mehrmals durch, während man den erweiterten Arm des Sensors und den Sensorwinkel (˚S) manuell anpasst.
      HINWEIS: Die Anzahl der laufenden Programme hängt vom gewünschten Ergebnis ab. Je mehr Winkel der Erfassung gemessen wird, führt zu mehr Präzision zur Identifizierung der Richtungsabhängigkeit von Streulicht.
   6. Für Untersuchungen zum Strahldurchmesser die Irisblende vor dem Ausführen des SLSP-Programms auf den gewünschten Durchmesser einstellen.
      HINWEIS: SieE wurden die Laserstrahldurchmesser von 1, 2, 3, 4 und 4,64 mm verwendet, um typische Irisdurchmesser am besten nachzuahmen. 4,64 mm war der größte Durchmesser, der verwendet wurde, da dies der Durchmesser des kollimierten Strahls war, ohne durch die Irisblende zu gehen.
   7. Für Untersuchungen zum Einfallswinkel drehen Sie die IOL-Halterung vor dem Ausführen des SLSP-Programms auf den gewünschten Einfallswinkel. Hier wurden Einfallswinkel (I˚) von 0˚, 20˚, 45˚ und 80˚ untersucht.
      HINWEIS: Für die Analyse der gesammelten Daten wird ein wissenschaftliches Datenverarbeitungspaket benötigt.
   8. Für die dreidimensionale Bildgebung werden die Daten von jedem Scan bei unterschiedlichem ˚S mit einem Datenverarbeitungspaket zusammengestellt. Stich die Daten durch das Auftragen eines Matrixbuches, bei dem der Sensorwinkel der Messung (˚S) gegen den Winkel oder die Drehung (˚R) aufgetragen ist.
      HINWEIS: Um die in vitro- Bedingungen besser darstellen zu können, kann die SLSP - Plattform umgekehrt werden, so dass der Goniophotometer über der IOL liegt und die IOL dann kannInnerhalb eines temperaturgesteuerten Kochsalzlösungsbades platziert werden. Unter diesen Bedingungen müssen jedoch die Verweilzeiten des Sensors beträchtlich länger sein, um die Bewegung der Kochsalzlösung zu berücksichtigen, wenn der Sensor von Position zu Position bewegt wird und das Medium verdrängt.

Results

Goniophotometrie-Messungen können 360˚R des Signals erzeugen, wenn sich der Sensor nicht auf der Ebene der Lichtquelle befindet. Um jedoch Messungen von Streulicht auf der Ebene der Lichtquelle (0˚I) zu erfassen, muss der Sensor die Lichtquelle verfinstern, was zu weniger als 360 ° R des Signals führt. In unseren Experimenten wurde festgestellt, dass ~ 20˚R des Signals blockiert wurde, als der Sensor die Lichtquelle verfinsterte.

Discussion

Die Ergebnisse der SLSP-Plattform-Experimente haben ergeben, dass die Verwendung einfacher Goniophotometrie-Prinzipien zu einem leistungsfähigen Werkzeug zur Bewertung der Eigenschaften von Lichtstreuung führen kann, die mit einzigartigen IOL-Designs und Materialien verbunden ist. Insbesondere hat die SLSP-Plattform eine direkte Korrelation zwischen der Menge des detektierbaren Streulichts und dem Strahldurchmesser der Lichtquelle beobachtet. Darüber hinaus wurden die vielfach verstreuten Peaks, die in multifokalen IOLs...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fotodiodensensor der PD300-Serie	Ophir-Spiricon Corp	7Z02410	PD300-1W, RoHS
URS-Serie Präzisions-Rotationstisch	Newport Corp.
ESP301 1-Achsen-Motion-Controller und -Treiber	Newport Corp.	ESP301-1N
LabView Software	National Instruments Corp.	776671-35
Herkunft	OriginLab Corp.	N/A
Singlemode FC/APC LWL Patchkabel	ThorLabs Inc.	P3-460B-FC
10X Olympus Plan Achromat Objektiv	ThorLabs Inc.	RMS10X	RMS10X - 10X Olympus Plan Achromat Objektiv, 0,25 NA, 10,6 mm WD