Méthodologie basée sur le Profiler de diffusion de lumière de balayage (SLPS) pour évaluer quantitativement la diffusion de lumière vers l'avant et vers l'arrière à partir de lentilles intraoculaires

Summary

Ce protocole décrit le profileur de diffusion de lumière de balayage (SLSP) qui permet l'évaluation quantitative intégrale de la diffusion vers l'avant et vers l'arrière de la lumière à partir des lentilles intraoculaires (LIO) en utilisant les principes du goniophotomètre.

Abstract

La méthodologie de profils de diffusion de lumière de balayage (SLSP) a été développée pour l'évaluation quantitative intégrale de la diffusion de la lumière vers l'avant et vers l'arrière à partir de lentilles intraoculaires (LOL) en utilisant les principes du goniophotomètre. Ce protocole décrit la plate-forme SLSP et comment il utilise un capteur photodétecteur rotatif à 360 ° qui est balayé autour d'un échantillon IOL tout en enregistrant l'intensité et l'emplacement de la lumière dispersée lorsqu'elle traverse le milieu IOL. La plate-forme SLSP peut être utilisée pour prévoir, non cliniquement, la propension à des conceptions et des matériaux IOL actuels et nouveaux pour induire une dispersion de lumière. L'évaluation non clinique des propriétés de diffusion de la lumière des LIO peut considérablement réduire le nombre de plaintes de patients liées à l'éblouissement indésirable, à l'éclat, aux défauts optiques, à la mauvaise qualité de l'image et à d'autres phénomènes associés à la diffusion involontaire de la lumière. Des études futures devraient être menées pour corréler les données SLSP avec les résultats cliniques afin d'identifierQui mesure la dispersion de la lumière est le plus problématique pour les patients qui ont subi une chirurgie de la cataracte suite à l'implantation d'IOL.

Introduction

L'approche de balayage de la lumière de balayage (SLSP) a d'abord été introduite pour répondre à la nécessité d'évaluer quantitativement les caractéristiques de diffusion de lumière des lentilles intraoculaires (LIO) dans un cadre non clinique ¹ . L'élaboration d'une méthodologie de test pour évaluer les tendances de la dispersion de la lumière des conceptions et des matériaux d'IOL est d'un intérêt important pour aider à identifier les problèmes potentiels de diffusion de lumière indésirables. La dispersion de la lumière est communément signalée par les patients et observée sous forme d'éblouissement, de scintillement, d'imperfections optiques et d'autres formes de dysphotopsie ² , conduisant parfois à un patient qui demande l'explication IOL. En plus de la dysphotopsie, la lumière dispersée réduit la quantité de lumière balistique, ce qui entraîne une qualité d'image globale plus faible ³ . Développer un dispositif qui peut évaluer non-cliniquement le potentiel d'IOL pour disperser la lumière entrante (et plus tard corrélée aux résultats cliniquement rapportés) cUn être utile.

L'évaluation des propriétés optiques des IOL (la lentille utilisée pour remplacer la lentille cristalline humaine après la chirurgie de la cataracte) présente un intérêt particulier puisqu'il s'agit du dispositif médical le plus souvent implanté dans le monde (près de 20 millions par an) ⁴ et aux États-Unis (plus de 3 ans) Million par an) ⁵ . En conséquence, même un petit pourcentage de patients signalant une dysphotopsie peut avoir un impact important. De plus, l'amélioration rapide des technologies ( p. Ex ., Nouvelles conceptions IOL, matériaux et capacités optiques) peut augmenter les préoccupations liées à la diffusion de la lumière. Par exemple, les LIO multifocales ont été conçues pour améliorer l'acuité visuelle proche et distante en concevant des lentilles qui utilisent des principes optiques de réfraction et de diffraction. Bien que très réussi, ces lentilles ont également été trouvées pour augmenter la quantité d'halos et d'éblouissement signalés, largement associés à la diffusion de la lumière ⁶ .

Quelques études de laboratoire non clinique tentent de prédire la dysphotopsie à partir de la lumière diffusée lorsqu'elle traverse les LIO ⁷ . Par exemple, la recherche a identifié que les HAP de l'IOL (les bras de l'IOL utilisés pour le mettre en place) et le bord des LIO sont susceptibles d'induire une grande quantité de lumière dispersée éblouissante ⁸ . Une méthode, une méthode de sphère intégrante (BRIM) à balayage photonique, a été introduite pour mesurer quantitativement la quantité de lumière totale non balistique après avoir traversé une IOL ⁹ . Cependant, cette technique très sensible est conçue pour mesurer l'intensité totale de la lumière dispersée et ne permet pas d'identifier la directionnalité de la lumière diffusée. Le logiciel de simulation par ordinateur peut être utilisé avec des yeux modèles pour aider à prédire l'intensité et la directionnalité de la dispersion de la lumière à partir de différents modèles et matériaux d'IOL. Par exemple, la propension au bord de l'IOL pour induire la lumièreLa diffusion de t a été simulée pour identifier des modèles qui limiteraient la quantité de lumière dispersée ¹⁰ . En outre, les simulations informatiques qui ont incorporé la théorie de diffusion de Mie ont vérifié que la dispersion de la lumière augmentée peut réduire la fonction de transfert de modulation (MTF) de l'IOL (une corrélation directe avec la qualité de l'image) ³ . Bien que serviable, de vrais tests bancaires seraient nécessaires pour vérifier ces simulations prédictives.

Pour vérifier les simulations prédictives, un test de banc est nécessaire capable de détecter et d'évaluer quantitativement deux formes distinctes de lumière dispersée, de lumière dispersée vers l'avant et dispersée vers l'arrière. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une source de dysphotopsie, la lumière dispersée vers l'arrière (la diffusion de la lumière loin de l'œil) est une cause de réduction de la qualité de l'image, à mesure que moins de lumière passe à travers la LIO pour atteindre finalement la rétine. La lumière diffusée vers l'avant (diffusion de la lumière vers la rétine) est une préoccupation pour les ophtalmologistes car ellePeut entraîner des plaintes de dysphotopsie ( p. Ex. Éblouissement, halo et éclat). Un exemple commun est que les patients signalent un reflet indésirable supplémentaire de transmettre les voitures en route pendant la conduite de nuit; Ce problème est particulièrement fréquent avec les IOL multifocales ¹¹ . Cependant, la pratique actuelle pour identifier la lumière dispersée potentielle vers l'avant est que les ophtalmologistes brillent la lumière sur l'œil du patient et observent qualitativement la quantité de lumière réfléchie (lumière dispersée vers l'arrière) et en supposant que la lumière diffusée vers l'arrière sera approximativement la même que celle diffusée vers l'avant Lumière (ce qui n'est pas toujours le cas) ¹² .

Ici, nous décrivons une méthodologie d'essai simple utilisant des principes de goniophotométrie pour mesurer quantitativement la grandeur et la direction de la lumière diffusée à travers une lentille intraoculaire. Le SLSP fonctionne en faisant tourner un capteur de photodiode à 360 degrés autour d'une IOL exposée à une lumière sVoir la figure 1a . Nous avons choisi une source laser verte (543 nm) pour mieux représenter le maximum photopique connu et accepter les spécifications standard internationales ¹³ . Ici, une IOL est adaptée sur un support de rotation et de translation où un capteur de photodiode peut circuler autour et observer la diffusion de lumière de l'objectif. En conséquence, le SLSP a la capacité unique de mesurer quantitativement l'amplitude et la directionnalité de la lumière diffusée. Cependant, bien que non décrit ici, pour de meilleures capacités prédictives, les expériences devraient être menées dans un environnement contrôlé en utilisant un modèle d'oeil approprié. La distance entre l'IOL et le capteur optique (ainsi que la taille de l'élément capteur) déterminera les capacités de résolution du périphérique; Cependant, il y aura un compromis entre la résolution et la force du signal qui devra être ajusté, au besoin.

Décrire avec précision le principeEs de la plate-forme SLSP, nous définissons trois types d'angles de rotation, voir les figures 1b et 1c . Plus précisément, l'angle de rotation (˚R) représente la rotation d'un capteur de photodiode lorsqu'il tourne autour d'une IOL. Ici, 0˚R représenterait lorsque le capteur est derrière l'objectif (lumière diffusée vers l'arrière) et 180˚R représente lorsque le capteur est en face de l'objectif (lumière diffusée vers l'avant). Les angles de 90˚ et 270˚ représentent les points de transition entre la lumière dispersée vers l'avant et vers l'arrière. L'angle de détection (˚S) représente des degrés que le capteur pivote (en sens ascendant et descendant) afin qu'il puisse détecter plus d'un plan de lumière diffusée. Ici, 0˚S signifie que la surface du capteur est parallèle à l'IOL (et à la source lumineuse). Enfin, l'angle d'incidence (˚I) représente l'angle auquel la source lumineuse s'approche de la LIO. Ici, 0˚I correspond à quand la lumière incidente est sur l'axe optique de l'IOL et 90 &# 730; Représenterait lorsque la source lumineuse est perpendiculaire au plan Meridional.

Protocol

1. Préparation de la plate-forme de mesure SLSP

REMARQUE: Toutes les étapes d'alignement nécessitent une précision et une patience pour assurer une quantification précise lors de la mesure de la dispersion de la lumière. Un aperçu de la configuration SLSP fournie dans la Figure 1 . Ici, une illustration ( Figure 1a ) montre le concept de base de la configuration SLSP. En outre, les figures 1b et 1c aident à définir les différents angles mentionnés dans la discussion. Plus précisément, les trois angles suivants sont définis dans les figures 1b et 1c : ˚R (angle de rotation du capteur), ˚S (angle de mesure du capteur) et ˚I (angle d'incidence IOL).

1. SLSP Alignment (Figure 2).
   1. Concentrez une source laser à largeur de ligne étroite (ici, une longueur d'onde centrale de 543 nm) en une fibre optique de livraison monomode à l'aide d'une lentille d'objectif corrigée à l'infini 10 ×.
      REMARQUE: Testez la lumièreT pour s'assurer que la sortie de lumière est stable ou que les mesures seront difficiles à quantifier. Un faisceau focalisé est déterminé en observant la lumière passant par la fibre, cela n'atteindra pas 100% d'efficacité, mais devrait être suffisant pour que la lumière puisse finalement être détectée par le capteur.
   2. Collimate la source de lumière en intégrant la fibre optique monomode avec une lentille d'objectif corrigée à l'infini 10X afin que la fibre soit positionnée sur le point focal de l'objectif. La lumière de sortie devrait aboutir à un profil uniforme du faisceau gaussien.
   3. Placez une ouverture d'iris devant la source lumineuse pour ajuster le diamètre du faisceau gaussien.
      REMARQUE: Réglez le diamètre de l'ouverture de l'iris pour être représentatif d'un œil humain ( par exemple, d' un diamètre de 1 à 6 mm). Étant donné que les plaintes du type de dispersion de la lumière sont communément associées à la conduite nocturne, les diamètres d'ouverture de l'iris représentatifs d'un iris dilaté peuvent être préférables.
   4. Construire un goniophotomètre en attachant un photodiode senÀ une étape de rotation motorisée / programmable de 360 ​​° avec des capacités de translation linéaire (direction x, y et z) à l'aide d'un bras extensible (poteau métallique avec pince).
      REMARQUE: Concevez une plate-forme qui permet la traduction ainsi que les réglages d'inclinaison. Concevez le support du capteur qui permet un angle de rotation du capteur de 360 ​​° (˚R) et peut être réglé à au moins 45 ° de la rotation de l'angle du capteur (˚S) pour mesurer différents plans de dispersion. La distance du bras étendu dépend de la sensibilité du capteur de photodiode et de la précision angulaire souhaitée.
   5. Réglez l'angle de détection du capteur (au besoin) en inclinant la face du capteur et en ajustant l'emplacement des bras.
2. Alignement IOL
   1. Construire une plate-forme d'attente d'IOL de manière à ce que la LIO soit positionnée au-dessus du goniophotomètre ( Figure 2 ).
      1. Pour ce faire, construisez la plate-forme d'attente de l'IOL afin que l'IOL soit suspendue abLe centre du goniophotomètre (inverser les positions du goniophotomètre et de l'IOL est également possible).
         1. Pour construire la plate-forme, utilisez quatre poteaux cylindriques et des supports de poteaux de 18 "de long, ½" de diamètre et fixez-les à une planche à pain 18 x 18 ". Cette platane est le support de base de la plate-forme.
   2. Fixez une étape de translation (direction x, y et z) avec des capacités de basculement et de rotation (I˚) sous la platane afin que la scène soit orientée vers le bas.
      REMARQUE: Les étapes de traduction avec des petites tailles (quelques microns) permettent une plus grande précision lors de l'alignement de la LIO et amélioreront la précision de la goniophotométrie. Les dimensions spécifiques de la plate-forme peuvent être personnalisées selon les besoins individuels. En conséquence, les poteaux cylindriques et les dimensions de la table basse peuvent être ajustés.
      1. Fixez solidement l'IOL à la plate-forme de support IOL en serrant l'une des haptiques IOL.
         REMARQUE: dans cette preuveUne expérience à but unique, les LIO sont testées dans l'air; Cependant, les IOL en solution et les températures qui représentent le mieux les conditions in vivo seraient idéales.
   3. Alignez l'IOL directement devant la source lumineuse (avec le plan de focalisation IOL perpendiculaire à la source de lumière) en utilisant des réglages linéaires et inclinés à partir de l'étage de la plate-forme de support IOL pour vous assurer que la direction de la lumière ne change pas en passant par le centre de La LIO. Cette position constituera un angle d'incidence (I˚) de 0˚.
   4. Identifiez l'emplacement de la tache focale de la lumière provenant de l'IOL et positionnez un petit appareil conique à l'endroit focal pour atténuer la détection de la lumière défocalisée (le cas échéant). Identifiez le point focal de la lumière en plaçant un morceau de papier (comme une carte de visite) derrière la LIO et en identifiant où la lumière est le plus concentrée. Cela peut être une mesure subjective.
      REMARQUE: cette étape n'est nécessaire que si vous souhaitez mesurer purement non-bLumière alliaire.
   5. Placez la platine motorisée pour le capteur de photodiode directement sous la LIO afin de s'assurer que l'IOL se situe au centre de la trajectoire du goniophotomètre. Alignez le goniophotomètre afin qu'il soit à environ 12 cm de la LIO.
      NOTE: La relation entre la LIO et le goniophotomètre déterminera la résolution des tests, où plus le goniophotomètre est situé, plus la résolution peut être obtenue. Cependant, une distance accrue (et des tailles plus petites) entraînera un signal plus faible et des temps d'expérimentation plus longs.
   6. Réglez l'angle d'incidence (I˚) en tournant l'étage de la plate-forme de maintien de l'IOL.
      NOTE: Les expériences initiales doivent être menées avec un angle d'incidence de 0˚ à 80˚. Au-delà de 80 ° commencera à proximité de l'angle de pâturage où toute la lumière sera réfléchie.
3. La programmation
   1. Construire un logiciel pour coordonner le mouvement mécaniqueDu capteur avec sa mesure de lumière correspondante à l'aide du logiciel de conception de système (voir le fichier supplémentaire 1 et la table des matières ).
      REMARQUE: lors de la construction du logiciel, prendre en compte la vitesse du capteur pour s'assurer que l'emplacement physique du capteur reflète fidèlement sa mesure enregistrée. Le programme conçu pour cette expérience est fourni dans le fichier supplémentaire 1 .

2. Expérimentation SLSP et analyse de données

1. Numérisation (˚R)
   1. Assurez-vous que l'IOL et la source lumineuse sont correctement alignées (voir les sections 1.1 et 1.2).
   2. Construire une enceinte autour du capteur de photodiode et de l'IOL en utilisant un récipient avec un revêtement interne non réfléchissant pour minimiser la détection de la lumière errante. Assurez-vous de fournir une ouverture pour la source lumineuse.
      REMARQUE: la conception spécifique de l'enceinte doit être personnaliséeBasé sur une lumière externe dans la pièce. Par conséquent, plusieurs modèles sont utilisables. Cependant, le but de l'enceinte est d'atténuer toute lumière externe d'être détectée par le capteur.
   3. Éteignez toutes les sources lumineuses dans la pièce, à l'exception de l'ordinateur de programmation.
   4. Exécutez le programme logiciel SLSP (étape 1.3.1) afin que le capteur tourne autour de l'IOL pour mesurer la lumière dispersée à chaque degré de rotation (˚R).
   5. Pour mesurer la lumière diffusée à plus d'un avion, exécutez le programme logiciel SLSP plusieurs fois tout en ajustant manuellement le bras étendu du capteur et l'angle de mesure du capteur (˚S).
      REMARQUE: le nombre de fois que le programme est exécuté dépend du résultat souhaité. Le plus d'angles de détection mesurés entraînera plus de précision pour identifier la directionnalité de la lumière dispersée.
   6. Pour les études sur le diamètre du faisceau, ajustez l'ouverture de l'iris au diamètre désiré avant d'exécuter le programme SLSP.
      NOTE: elleE, les diamètres des rayons laser de 1, 2, 3, 4 et 4,64 mm ont été utilisés pour mieux imiter les diamètres typiques de l'iris. 4,64 mm était le plus grand diamètre utilisé car il s'agissait du diamètre du faisceau collimaté sans passer par l'ouverture de l'iris.
   7. Pour des études sur l'angle d'incidence, faites pivoter le support d'IOL à l'angle d'incidence souhaité avant d'exécuter le programme SLSP. Ici, des angles d'incidence (I˚) de 0˚, 20˚, 45˚ et 80˚ ont été étudiés.
      REMARQUE: Un colis scientifique de traitement de données est nécessaire pour l'analyse des données collectées.
   8. Pour l'imagerie tridimensionnelle, répartissez ensemble les données de chaque analyse à différents ˚S avec un paquet de traitement de données. Stich les données en traçant un livre matriciel où l'angle de mesure du capteur (˚S) est tracé par rapport à l'angle ou à la rotation (˚R).
      REMARQUE: Pour mieux représenter les conditions in vitro , la plate-forme SLSP peut être inversée de sorte que le goniophotomètre soit au-dessus de la LIO et que l'IOL puisse alorsÊtre placé à l'intérieur d'un bain de solution saline à température contrôlée. Cependant, dans ces conditions, les temps de détection du capteur devront être considérablement plus long pour prendre en compte le mouvement de la solution saline lorsque le capteur est déplacé d'une position à l'autre et déplace le milieu.

Results

Les mesures de goniophotométrie peuvent produire un signal de 360˚R lorsque le capteur n'est pas situé sur le plan de la source lumineuse. Cependant, pour recueillir des mesures à partir d'une lumière dispersée sur le plan de la source lumineuse (0˚I), le capteur devra éclipser la source lumineuse, ce qui entraînera moins de 360˚R de signal. Dans nos expériences, il a été déterminé que ~ 20˚R de signal était bloqué lorsque le capteur éclipsait la source lumineuse.

Discussion

Les résultats des expériences de la plate-forme SLSP ont révélé que l'utilisation de principes de goniophotométrie simple peut conduire à un outil puissant pour évaluer les propriétés de la dispersion de la lumière associée à des conceptions et des matériaux IOL exclusifs. Plus précisément, la plate-forme SLSP a observé une corrélation directe entre la quantité de lumière diffusée détectable et le diamètre du faisceau de la source lumineuse. En outre, les pics dispersés multiples dans les LIO multifocales ont été fa...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Capteur de photodiode série PD300	Ophir-Spiricon Corp	7Z02410	PD300-1W,
RoHS Série URS Étape de rotation de précision	Newport Corp.
ESP301 Contrôleur de mouvement et pilote 1 axe	Newport Corp.	ESP301-1N
Logiciel LabView	National Instruments Corp.	776671-35
Origin	OriginLab Corp.	N/A
Câbles de raccordement à fibre optique monomode FC/APC	ThorLabs Inc.	P3-460B-FC
10X Olympus Plan Achromat Objectif	ThorLabs Inc.	RMS10X	RMS10X - Objectif achromatique 10X Olympus Plan, 0,25 NA, 10,6 mm WD  ;