眼内レンズからの前方散乱光および後方散乱光を定量的に評価するための走査型光散乱プロファイラ（SLPS）に基づく方法論

Summary

このプロトコルは、ゴニオフォトメーター原理を用いて眼内レンズ（IOL）からの光の前方散乱および後方散乱の全角度定量評価を可能にする走査光散乱プロファイラー（SLSP）について記載している。

Abstract

走査光散乱プロファイラ（SLSP）法は、ゴニオフォトメータ原理を用いた眼内レンズ（IOL）からの前方散乱光および後方散乱光の全角度定量評価のために開発された。このプロトコルは、SLSPプラットフォームと、それがIOL媒体を通過する際の散乱光の強度および位置を記録しながら、IOLサンプルの周りを走査する360°回転光検出器センサをどのように使用するかを記述する。 SLSPプラットフォームは、現在および新規のIOL設計および材料が光散乱を誘発する傾向を非臨床的に予測するために使用することができる。 IOLの光散乱特性の非臨床評価は、望ましくないグレア、ぎらつき、光学的欠陥、劣悪な画像品質、および意図しない光散乱に関連する他の現象に関連する患者の苦情の数を大幅に減らすことができる。今後の研究は、SLSPデータを臨床結果と相関させて、これは、IOL移植に続いて白内障手術を受けた患者にとって、光散乱を測定することが最も問題である。

Introduction

走査型光散乱プロファイラ（scanning light scattering profiler、以下、SLSP）アプローチは、非臨床の場面で眼内レンズ（IOL）の光散乱特性を定量的に評価する必要性に対処するために初めて導入されました¹ 。望ましくない光散乱問題を特定するのに役立つために、IOL設計および材料の光散乱傾向を評価するための試験方法を開発することは、重要な関心事である。光散乱は、患者によって一般的に報告され、眩しさ、輝き、光学的不完全性、および他の形態の不快感として観察され、場合によってはIOL外植片を要求する患者に至る。不快感に加えて、散乱光は弾道光の量を減らし、全体の画質を低下させる³ 。入ってくる光を散乱させる（そして臨床的に報告された結果と後で相関付けられる）IOLの可能性を非臨床的に評価することができるデバイスを開発するc有用である。

IOL（白内障手術後にヒト水晶体を置き換えるために使用されるレンズ）の光学特性を評価することは、世界で最も一般的に埋め込まれた医療装置（年間約2,000万人）であり、米国年間⁵万人） ⁵ 。結果として、不快感を訴える患者のわずかな割合でさえ、大きな影響を及ぼす可能性がある。さらに、急速に向上する技術（ 例えば、新しいIOL設計、材料、光学能力）は、光散乱に関する懸念を増大させる可能性がある。例えば、多焦点IOLは、屈折および回折光学原理を利用するレンズを設計することによって、近見および遠視の視力を改善するように設計されている。非常に成功したが、これらのレンズは、報告されたハローおよびグレアの量を増加させることも見出されており、主に光⁶の散乱に関連する。

いくつかの非臨床検査研究では、散乱光がIOLを通過する際の障害を予測しようとしている⁷ 。例えば、IOLの触覚（IOLの腕はそれを定位置に設定するのに使用された）とIOLのエッジは、観察されるグレア散乱光の大量を誘発しがちであることを研究によって確認している⁸ 。 1つの方法、弾道光子除去積分球法（BRIM）を導入して、IOL9を通過した後の総非弾道光の量を定量的に測定した。しかしながら、この高感度技術は、散乱光の全強度を測定するように設計されており、散乱光の方向性を識別することができない。コンピュータシミュレーションソフトウェアは、様々なIOL設計および材料からの光散乱の強度および指向性を予測するのを助けるために、モデルアイと共に使用することができる。例えば、IOLエッジがlighを誘導する傾向散乱光^10の量を制限する設計を識別するために、散乱をシミュレートした。さらに、Mie散乱理論を組み込んだコンピュータシミュレーションは、光散乱の増加がIOL（画像品質との直接的な相関）の変調伝達関数（MTF）を低減できることを立証した³ 。参考になりますが、これらの予測シミュレーションを検証するには、実際のベンチテストが必要です。

予測シミュレーションを検証するためには、散乱光、前方散乱光および後方散乱光の2つの異なる形態を検出し、定量的に評価することができるベンチテストが必要である。不全麻痺の原因ではないが、後方散乱光（眼から散乱する光）は、最終的に網膜に到達するためにIOLを通過する光が少なくなるので、画質が低下する原因となる。眼科医にとって、前方散乱光（網膜に向かって散乱する光）は、眼科医にとって懸念事項であるdysphotopsia（グレア、ハロー、ぎらつきなど）の不満を招くことがあります。 1つの一般的な例は、夜間の運転中に対向車を通過することによる追加の望ましくない眩しさを患者に報告することである。この問題は、特に多焦点IOL11に共通する問題である。しかし、前方散乱光の可能性を確認する現在の方法は、眼科医が患者の眼に光を当て、どの程度の光が後方に反射するか（後方散乱光）を定性的に観察し、後方散乱光が前方散乱光光（必ずしもそうでない） ¹² 。

ここでは、ゴニオフォトメトリ原理を使用して、眼内レンズを通過する散乱光の大きさおよび方向を定量的に測定するための簡単な試験方法を説明する。 SLSPは、光に曝されるIOLの周りを360度回転させることによって動作するource、 図1a参照。既知の明視野最大値を最もよく表し、国際標準仕様書に合致するように緑色レーザー源（543nm）を選択した¹³ 。ここでは、IOLは、回転および並進ホルダに適合されており、フォトダイオードセンサは、レンズの周りを回り、光の散乱を観察することができる。その結果、SLSPは、散乱光の大きさおよび方向性を定量的に測定する独特の能力を有する。しかし、ここでは説明しませんが、予測能力を高めるには、適切な眼モデルを使用して制御された環境内で実験を実施する必要があります。 IOLと光学センサとの間の距離（およびセンサ素子のサイズ）は、装置の分解能力を決定する。しかし、必要に応じて、調整する必要がある分解能と信号強度の間にトレードオフがあります。

原則を正確に記述するためにSLSPプラットフォームの3つのタイプの回転角度を定義します（ 図1bおよび1c参照） 。具体的には、回転角（˚R）は、IOLを中心に回転するフォトダイオードセンサの回転を表す。ここで、0˚Rはセンサがレンズの後方にある場合（後方散乱光）を表し、180˚Rはセンサがレンズの前方にある場合（前方散乱光）を表します。 90°と270°の角度は、前方散乱光と後方散乱光との間の遷移点を表す。検出角（˚S）は、センサが（上下方向に）旋回され、複数の散乱光面を検出できる程度を表します。ここで、0°Sはセンサー表面がIOL（および光源）に平行であることを意味します。最後に、入射角（˚I）は、光源がIOLから近づく角度を表す。ここで、0°Iは、入射光がIOLの光軸上にあり、90°＆＃730;光源がメリディオナル平面に対して垂直であるときを表す。

Protocol

1. SLSP測定プラットフォームの準備

注：光の散乱を測定する際に正確な定量を保証するためには、すべてのアライメントステップで精度と忍耐が必要です。 図1の SLSPセットアップの概要。ここで、イラスト（ 図1a ）はSLSPセットアップの基本概念を示しています。さらに、 図1bおよび1cは、議論内で参照される様々な角度を定義するのに役立つ。具体的には、 図1bおよび図1cには、˚R（センサー回転角）、˚S（センサー角）、˚I（IOL入射角）の3つの角度が定義されています。

1. SLSPアラインメント（図2）。
   1. 10×無限補正対物レンズを使用して、狭線幅のレーザ光源（ここでは、543nmの中心波長）をシングルモードのデリバリ光ファイバに集中させます。
      注：lighのテストルーメンの出力が安定していること、または測定値を定量化することが困難であることを保証するために使用します。集束されたビームは、ファイバを通過する光を観察することによって決定されるが、これは100％の効率を達成することはできないが、センサによって最終的に光を検出できるほど十分でなければならない。
   2. 光ファイバを対物レンズの焦点に配置するように、シングルモード光ファイバと10X無限補正対物レンズを統合して光源をコリメートします。出力光は、均一なガウスビームプロファイルをもたらすはずである。
   3. ガウスビームの直径を調整するために、アイリスアパーチャを光源の前に配置します。
      注：アイリス開口径は人間の目を表すように設定してください（ 例：直径1-6 mm）。光散乱タイプの苦情は一般に夜間運転に関連するので、拡張された虹彩を表す虹彩口径が好ましい場合がある。
   4. フォトダイオードセンを取り付けてゴニオフォトメーターを構築する伸縮アーム（ポストクランプ付きメタルポスト）を使用して、直線移動（x、y、z方向）機能を備えた電動/プログラマブル360°回転ステージに対応しています。
      注記：翻訳とチルト調整が可能なステージプラットフォームを設計します。 360°のセンサ回転角度（˚R）を可能にするセンサマウントを設計し、少なくとも45°のセンサ角度回転（˚S）に調整して、異なる飛行平面を測定することができます。拡張されたアームの距離は、フォトダイオードセンサの感度および所望の角度精度に依存する。
   5. センサーの角度を調整し、アームの位置を調整して、センサーの検出角度を調整します（必要に応じて）。
2. IOLアライメント
   1. IOLがゴニオフォトメーターの上に位置するように、IOL保持プラットフォームを構築します（ 図2 ）。
      1. これを達成するために、IOL保持プラットフォームを構築して、IOLがabゴニオフォトメーターの中央を動かす（ゴニオフォトメーターとIOLの位置を逆にすることも可能です）。
         1. プラットフォームを構築するには、長さ18インチ、長さ1/2インチの円筒形ポストとポストスタンドを使用し、それらを18 x 18インチのブレッドボードに取り付けます。このブレッドボードはプラットフォームのベースサポートです。
   2. ステージが下になるように、ブレッドボードの下に傾きと回転（I˚）機能を備えた並進ステージ（x、y、z方向）を取り付けます。
      注記：小さなステップサイズ（数ミクロン）の平行移動ステージは、IOLのアライメント時の精度を高め、ゴニオ測光精度を向上させます。プラットフォームの具体的な寸法は、個々のニーズに合わせてカスタマイズすることができます。その結果、円筒形ポストおよびブレッドボードの寸法を調整することができる。
      1. IOLハプティクスの1つをクランプすることにより、IOL保持プラットフォームにIOLをしっかりと取り付ける。
         注：この証明では目的の実験のために、IOLは空気中で試験される。しかし、 インビボ条件を最もよく表す溶液および温度のIOLが理想的であろう。
   3. IOL保持プラットフォームステージからの直線および傾斜調整を使用して、IOLを光源の正面に直接（IOLの焦点を光源に垂直に）整列させて、光の方向が中心を通過して変化しないようにします。 IOLこの位置は、0°の入射角（I˚）を構成する。
   4. IOLからの光の焦点スポットの位置を特定し、（必要に応じて）焦点のずれた光の検出を軽減するために、焦点スポットに小さな円錐形のデバイスを配置します。 IOLの後ろに1枚の紙（名刺など）を置き、光が最も集中している場所を特定することで、光の焦点を特定します。これは主観的な測定になります。
      注：この手順は、純粋に非bすべての光。
   5. IOLがゴニオフォトメーター軌道の中心に位置するように、フォトダイオードセンサーの電動ステージをIOLの真下に配置します。ゴニオフォトメーターをIOLから約12cmの位置になるように調整します。
      注記：IOLとゴニオフォトメーターの関係により、ゴニオフォトメーターが遠くにあるほど解像度が高くなります。しかし、距離が大きくなると（ステップサイズも小さくなる）、信号が小さくなり、実験時間が長くなります。
   6. IOL保持台を回転させて入射角（I˚）を調整します。
      注：最初の実験は0°〜80°の入射角で行う必要があります。 80°を超えると、すべての光が反射するグレージング角度に近づきます。
3. プログラミング
   1. 機械的なMOを調整するためのソフトウェアプログラムを構築するシステム設計ソフトウェア（ 補足ファイル1および材料の表を参照 ）を使用して、センサーの対応する光測定値との比較 。
      注記：ソフトウェアプログラムを構築するときは、センサの物理的な位置が記録された測定値を正確に反映するようにセンサの速度を考慮してください。この実験用に設計されたプログラムは補足ファイル1で提供されています 。

2. SLSP実験とデータ解析

1. スキャン（˚R）
   1. IOLと光源が正しく位置合わせされていることを確認します（セクション1.1と1.2を参照）。
   2. 誤った光の検出を最小限に抑えるために、無反射の内部コーティングを備えた容器を使用して、フォトダイオードセンサとIOLの周囲にエンクロージャを構築します。光源の開口部を確保してください。
      注記：エンクロージャの特定のデザインはカスタマイズする必要があります室内の外光に基づいている。その結果、複数のデザインを使用することができます。しかしながら、エンクロージャの目的は、センサによってすべての外光が検出されるのを軽減することである。
   3. プログラミングコンピュータを除いて、室内のすべての光源をオフにします。
   4. センサがIOLの周りを回転し、各回転角度（˚R）で散乱光を測定するように、SLSPソフトウェアプログラムを実行します（ステップ1.3.1）。
   5. 複数の面で散乱光を測定するには、センサーの拡張アームとセンサーの測定角度（˚S）を手動で調整しながら、SLSPソフトウェアプログラムを複数回実行します。
      注：プログラムが実行される回数は、目的の結果に依存します。より多くの検出角度が測定されると、散乱光の方向性を識別するためにより高い精度が得られる。
   6. ビーム直径に関する研究のために、SLSPプログラムを実行する前に、虹彩絞りを所望の直径に調整する。
      注：彼女e、典型的な虹彩の直径を最もよく模倣するために、1,2,3,4および4.64mmのレーザービーム直径を使用した。これは、アイリス開口部を通過しない平行ビームの直径であるため、4.64mmが最も大きな直径であった。
   7. 入射角に関する研究のために、SLSPプログラムを実行する前に、IOLマウントを所望の入射角に回転させる。ここでは、0°、20°、45°、80°の入射角（I°）を検討した。
      注：収集されたデータの分析には科学的データ処理パッケージが必要です。
   8. 3次元イメージングの場合は、データ処理パッケージを使用して、各スキャンのデータを異なるπSで一緒に表示します。センサーの測定角度（˚S）を角度または回転（˚R）にプロットしたマトリックスブックをプロットしてデータをスティッチします。
      注記： インビトロ条件をよりよく表すために、ゴニオフォトメーターがIOLより上になるようにSLSPプラットフォームを逆転させることができ、IOLは温度制御された生理食塩水浴の内部に置く。しかし、これらの状態では、センサが位置から位置へ移動され、媒体を移動させるときに、生理食塩水の動きを考慮に入れるためにセンサ滞留時間をかなり長くする必要がある。

Results

Goniophotometry測定では、センサが光源面に設置されていない場合、360˚Rの信号を生成することができます。しかし、光源の平面上の散乱光（0˚I）から測定値を収集するには、センサーが光源を逸らす必要があり、結果として360˚R未満の信号が得られます。我々の実験では、センサが光源を覆うにつれて〜20˚Rの信号が遮断されることが確認された。

実験では、光散乱の4つの主な位置が直接後方散乱光（〜150°-175°および185°〜225°R）の左右および直接前方散乱光の左右に観測されることが見いだされた〜10˚-25˚Rおよび325〜350˚R）。レーザビーム直径の影響は、予想されるべきであるように、ビーム径と散乱光の強度との間に直接相関があることを見出した。一例として、 図3は、1mm〜4.64mmの絞り開口（開口なしの平行光源のサイズ）間の光散乱信号の差を示す。信号ピークの下の面積を積分することにより、信号強...

Discussion

SLSPプラットフォーム実験の結果から、単純なゴニオフォトメトリの原理を使用すると、独自のIOLデザインや材料に関連する光散乱の特性を評価するための強力なツールが得られることがわかりました。具体的には、SLSPプラットフォームは、検出可能な散乱光の量と光源のビーム直径との間に直接の相関を観察した。さらに、多焦点IOLで見出された複数の散乱ピークは、SLSPで容易に観察された。さらに、光源がグレージング角に近づくにつれて、SLSPは、ほとんどの光がレンズ表面から反射されるので、散乱光の劇的な増加を観察した。

プロトコルで説明したように、光源とIOLの位置合わせは、散乱光の正確な測定にとって重要です。さらに、センサの位置は、ソフトウェアプログラミングを介してセンサ測定と正確に相関することが不可欠です。アラインメントi同じ光学面（X、Y、Z）上にあるピンホールアパーチャを通って光出力を通過させることによって補正することができる。 IOLの背後に配置されたピンホールアパーチャを使用して、IOLが正しく位置合わせされるようにすることもできる。カスタムソフトウェアプログラムのトラブルシューテ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
PD300シリーズ フォトダイオードセンサ	Ophir-Spiricon Corp	7Z02410	PD300-1W, RoHS
URSシリーズ 精密回転ステージ	Newport Corp.
ESP301 1軸モーションコントローラーおよびドライバーニュー	ポートコーポレーション	ESP301-1N
LabView ソフトウェア	National Instruments Corp.	776671-35
オリジン	オリジンラボ株式会社	N/A
シングルモードFC/APC光ファイバーパッチケーブル	ThorLabs Inc.	P3-460B-FC
10X オリンパス プランアクロマート対物レンズ	ThorLabs Inc.	RMS10X	RMS10X - 10X オリンパス プランアクロマート対物レンズ、0.25 NA、10.6 mm WD