Method Article

SLPS (Scanning Profiling Profiler) 기반 방법론으로 안구 내 렌즈의 전방 및 후방 산란을 정량적으로 평가

DOI:

10.3791/55421

⸱

June 6th, 2017

 ,  ,  , 
1Office of Device Evaluation, Center for Devices and Radiological Health, U.S. Food and Drug Administration, 2Optical Therapeutics and Medical Nanophotonics Laboratory, Office of Science and Engineering Laboratories, Center for Devices and Radiological Health, U.S. Food and Drug Administration

In This Article

Summary

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이 프로토콜은 고니 오 포토 미터 원리를 사용하여 인공 수정체 (IOL)에서 빛의 전방 및 후방 산란을 전각 정량적으로 평가할 수있는 스캐닝 광산란 프로파일 러 (SLSP)에 대해 설명합니다.

Abstract

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스캐닝 광산란 프로파일 러 (SLSP) 방법론은 고니 오 포토 미터 원리를 사용하여 인공 수정체 (IOL)에서 전방 및 후방 광 산란의 전각 정량 평가를 위해 개발되었습니다. 이 프로토콜은 SLSP 플랫폼과 IOL 시료를 중심으로 스캔되는 360 ° 회전 광 검출기 센서를 사용하여 IOL 매체를 통과 할 때 산란광의 강도와 위치를 기록하는 방법을 설명합니다. SLSP 플랫폼은 비 임상 적으로 현재 및 신규 IOL 디자인 및 재료의 광산란 경향을 예측하는 데 사용될 수 있습니다. IOL의 광산란 특성을 비 임상 적으로 평가하면 원하지 않는 눈부심, 반짝이는 현상, 광학 결함, 불량한 이미지 품질 및 의도하지 않은 빛의 산란과 관련된 다른 현상과 관련된 환자의 불만 건수를 크게 줄일 수 있습니다. SLSP 데이터를 임상 결과와 연관시키기 위해 향후 연구가 수행되어야한다.IOL 삽입 후 백내장 수술을받은 환자의 경우 빛의 산란을 측정하는 것이 가장 문제가됩니다.

Introduction

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스캔 광 산란 프로파일 러 (SLSP) 접근법은 비 임상 설정 1 에서 인공 수정체 (IOL)의 광산란 특성을 정량적으로 평가할 필요성을 해결하기 위해 처음 도입되었습니다. IOL 설계 및 재료의 빛 분산 경향을 평가하기위한 시험 방법을 개발하는 것은 원하지 않는 광산란 문제를 식별하는 데 중요한 관심을 끈다. 빛의 산란은 일반적으로 환자에 의해보고되고 눈부심, 반짝이는, 광학적 불완전 성 및 다른 형태의 이상 징후로 관찰되며 때로는 IOL explantation을 요청하는 환자로 이어진다. dysphotopsia 외에도, 산란 빛은 발리 스틱 빛의 양을 줄여 전반적인 이미지 품질을 저하시킵니다 3 . 들어오는 빛을 산란시킬 수있는 IOL 잠재력을 비 임상 적으로 평가할 수있는 장치 개발 (그리고 나중에 임상 적으로보고 된 결과와 관련 있음) c유용하다.

백내장 수술 후 인체 수정 렌즈를 대체하기 위해 사용되는 렌즈 인 IOL의 광학 특성을 평가하는 것은 세계에서 가장 일반적으로 이식 된 의료 기기 (연간 약 2,000 만) 4 및 미국 (3 이상 백만 년) 5 . 결과적으로 불쾌감을 호소하는 환자의 비율조차도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 또한, 새로운 IOL 디자인, 재료 및 광학 기능과 같은 급속한 기술 향상은 빛의 산란과 관련된 우려를 증가시킬 수 있습니다. 예를 들어, 다 초점 IOL은 굴절 및 회절 광학 원리를 사용하는 렌즈를 설계함으로써 근거리 및 원거리 시력을 개선하도록 설계되었습니다. 매우 성공했지만,이 렌즈는보고 된 후광과 눈부심의 양을 증가시키는 것으로 밝혀졌으며 주로 빛의 산란과 관련이 있습니다 6 .

일부 비 임상 실험실 연구는 IOL을 통과 할 때 산란 된 빛으로 부작용을 예측합니다. 예를 들어, 연구에 따르면 IOL 햅틱 (IOL의 팔을 제자리에 고정시키는 데 사용됨)과 IOL의 가장자리가 관찰 된 눈부심 산란 광을 많은 양으로 유도하는 경향이 있음을 확인했습니다. 한 가지 방법 인 탄도 - 포톤 제거 적분 구법 (BRIM)은 IOL 9 를 통과 한 후에 총 탄도없는 광의 양을 정량적으로 측정하기 위해 도입되었습니다. 그러나이 매우 민감한 기술은 산란 된 빛의 총 강도를 측정하도록 설계되었으며 산란 된 빛의 방향성을 식별 할 수 없습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 IOL 디자인 및 재료의 광산란의 강도 및 방향성을 예측하는 데 도움이되는 모델 눈과 함께 사용할 수 있습니다. 예를 들어, IOL 가장자리가 ligh를 유도하는 경향산란광의 양을 제한하는 설계를 확인하기 위해 산란을 시뮬레이션했다. 또한 Mie 산란 이론을 통합 한 컴퓨터 시뮬레이션은 증가 된 광 산란이 IOL (이미지 품질에 대한 직접적인 상관 관계)의 변조 전달 함수 (MTF)를 감소시킬 수 있음을 입증했습니다 3 . 도움이 되긴하지만 이러한 예측 시뮬레이션을 검증하기 위해서는 실제 벤치 테스트가 필요합니다.

예측 시뮬레이션을 검증하기 위해서는 두 가지 형태의 산란광, 전방 산란광 및 후방 산란광을 검출하고 정량적으로 평가할 수있는 벤치 테스트가 필요합니다. dysphotopsia의 원천은 아니지만, 후방 산란 빛 (눈으로부터 멀리 산란)은 화질 저하의 원인입니다. IOL을 통과하는 광량이 적어 궁극적으로 망막에 도달하기 때문입니다. 전방으로 산란 된 빛 (망막을 향한 광 산란)은 안과 의사들에 대한 관심사이다dysphotopsia ( 예 : 눈부심, 후광, 반짝임)의 불만을 초래할 수 있습니다. 한 가지 일반적인 예는 야간 운전 중 다가오는 자동차를 지나가는 원치 않는 눈부심을 추가로보고하는 환자입니다. 이 문제는 특히 다 초점 IOLs 11 공통점입니다. 그러나, 앞으로 진행할 수있는 잠재적 인 빛을 확인하는 현재의 관행은 안과 의사가 환자의 눈에 빛을 비추고 반사 된 빛의 양 (후방 산란광)을 정 성적으로 관찰하고 후방 산란광이 산란 산과 거의 같을 것이라고 가정합니다 빛 (항상 그런 것은 아니다) 12 .

여기에서 우리는 안구 내 렌즈를 통과 할 때 산란광의 크기와 방향을 정량적으로 측정하기 위해 고니 오 포토 미터 원리를 사용하는 간단한 테스트 방법을 설명합니다. SLSP는 빛에 노출 된 IOL 주변에서 포토 다이오드 센서를 360 도로 회전시켜 작동합니다.ource, 그림 1a 참조. 우리는 알려진 photopic maximum을 가장 잘 표현하고 국제 표준 규격에 동의하기 위해 녹색 레이저 소스 (543 nm)를 선택했습니다. 여기에서 IOL은 회전식 및 병진 형 홀더에 적용되어 포토 다이오드 센서가 주변을 돌며 렌즈의 광산란을 관찰 할 수 있습니다. 결과적으로 SLSP는 산란광의 크기와 방향성을 정량적으로 측정 할 수있는 고유 한 기능을 갖추고 있습니다. 그러나 여기에 설명되어 있지는 않지만 더 나은 예측 기능을 위해서는 적절한 눈 모델을 사용하여 통제 된 환경에서 실험을 수행해야합니다. IOL과 광 센서 사이의 거리 (센서 요소의 크기는 물론)는 장치의 분해능을 결정합니다. 그러나 필요한 경우 해상도와 신호 강도를 조정해야합니다.

원칙을 정확하게 설명하려면SLSP 플랫폼의 세 가지 유형의 회전 각을 정의합니다 ( 그림 1b 및 1c 참조 ) . 특히, 회전 각도 (˚R)는 IOL을 중심으로 회전 할 때 포토 다이오드 센서의 회전을 나타냅니다. 여기서 0˚R은 센서가 렌즈 뒤 (후방 산란 빛)에있을 때를 나타내고 180˚R은 센서가 렌즈 앞에있을 때를 나타냅니다 (전방 산란 빛). 90˚와 270˚의 각도는 전방 및 후방 산란 광 사이의 전환점을 나타냅니다. 감지 각 (˚S)은 센서가 (위쪽 및 아래쪽 방향으로) 선회되는 정도를 나타내므로 두 개 이상의 산란광면을 감지 할 수 있습니다. 여기서 0˚S는 센서 표면이 IOL (및 광원)과 평행 함을 의미합니다. 마지막으로, 입사각 (˚I)은 광원이 IOL에서 접근하는 각도를 나타냅니다. 여기서, 0˚I는 입사광이 IOL의 광학 축 상에 있고 90 ° & lt;# 730; 광원이 자오면 평면에 수직 일 때를 나타냅니다.

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Protocol

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1. SLSP 측정 플랫폼 준비

참고 : 모든 정렬 단계는 광 분산을 측정 할 때 정확한 정량을 보장하기 위해 정밀성과 인내가 필요합니다. 그림 1 에 제공된 SLSP 설정 개요. 여기서 그림 ( 그림 1a )은 SLSP 설정의 기본 개념을 보여줍니다. 또한, 도 1b 및 도 1c 는 논의 내에서 참조되는 다양한 각도를 정의하는 것을 돕는다. 특히, 그림 1b 와 1c 에는 다음 세 가지 각도가 정의됩니다. ˚R (센서 회전 각도), ˚S (센서 각도) 및 ˚I (IOL 각도).

  1. SLSP Alignment (그림 2).
    1. 10 x 무한대 보정 대물 렌즈를 사용하여 좁은 선폭의 레이저 소스 (여기서는 543 nm 중심 파장)를 단일 모드 전송 광섬유에 집중시킵니다.
      참고 : ligh 테스트루멘 출력이 안정적인지 또는 측정이 정량화되기 어렵도록 보장해야합니다. 집속 된 광선은 섬유를 통과하는 빛을 관찰함으로써 결정됩니다. 이것은 100 %의 효율을 달성하지는 못하지만 빛이 궁극적으로 센서에 의해 감지 될 수 있도록 충분해야합니다.
    2. 광섬유가 대물 렌즈의 초점에 위치하도록 10X 무한 보정 대물 렌즈와 단일 모드 광섬유를 통합하여 광원을 시준합니다. 출력 광은 균일 한 가우시안 빔 프로파일을 가져야합니다.
    3. 광원 전면에 홍채 조리개를 배치하여 가우시안 빔의 직경을 조정합니다.
      참고 : 홍채 조리개 직경을 사람의 눈을 대표하도록 설정하십시오 ( 예 : 직경 1-6 mm). 광산란 유형 불만은 일반적으로 야간 운전과 관련되기 때문에 확장 된 홍채를 대표하는 홍채 조리개 직경이 바람직 할 수 있습니다.
    4. 포토 다이오드 센을 부착하여 고니 오 포토 미터를 구축하십시오.연장 가능한 암 (포스트 클램프가있는 금속 포스트)을 사용하여 선형 변환 (x, y 및 z 방향) 기능을 갖춘 전동 / 프로그램 가능한 360 ° 회전 스테이지에 연결됩니다.
      참고 : 번역 및 기울기 조정을 가능하게하는 무대 플랫폼을 설계하십시오. 360 °의 센서 회전 각도 (˚R)를 가능하게하는 센서 마운트를 설계하고, 서로 다른 산란면을 측정하기 위해 적어도 45 °의 센서 각도 회전 (˚S)으로 조정할 수 있습니다. 확장 된 암의 거리는 광 다이오드 센서의 감도와 원하는 각도 정밀도에 따라 다릅니다.
    5. 센서의 각도를 조정하고 암의 위치를 ​​조정하여 감지 각도 (필요에 따라)를 조정하십시오.
  2. IOL 정렬
    1. IOL이 고니 오 포토 미터 위에 위치하도록 IOL 고정대를 구성하십시오 ( 그림 2 ).
      1. 이를 달성하기 위해 IOL이 플랫폼을 고정시켜 IOL이 abgoniophotometer의 중심을 ove (goniophotometer와 IOL의 위치를 ​​뒤집을 수도 있습니다).
        1. 플랫폼을 구성하려면 18 ", 1/2"직경의 원통형 포스트와 포스트 스탠드를 사용하고 18x18 "브레드 보드에 부착하십시오.이 브레드 보드는 플랫폼의 기본 지지대입니다.
    2. 스테이지가 아래를 향하도록 브레드 보드 아래에 기울임 및 회전 (I˚) 기능이있는 병진 스테이지 (x, y 및 z 방향)를 부착합니다.
      참고 : 작은 스텝 크기 (수 마이크론)의 변환 단계는 IOL 정렬시보다 높은 정밀도를 가능하게하고 각도 광도 정확도를 향상시킵니다. 플랫폼의 구체적인 크기는 개별 요구에 맞게 사용자 정의 할 수 있습니다. 결과적으로 원통형 포스트 및 브레드 보드 치수를 조정할 수 있습니다.
      1. IOL 햅틱 중 하나를 클램핑하여 IOL 고정대에 IOL을 단단히 부착하십시오.
        참고 :이 증명에서목적 실험의 경우, IOL은 공기 중에서 테스트됩니다. 그러나 생체 조건 을 가장 잘 나타내는 용액 및 온도의 IOL이 이상적입니다.
    3. IOL을 플랫폼 스테이지의 선형 및 틸트 조정을 사용하여 광원 앞에 직접 초점을 맞춘 IOL 평면 (광원에 수직 인 IOL 평면)을 정렬하여 빛의 방향이 바뀌지 않도록합니다. IOL 이 위치는 0 °의 입사각 (I˚)을 구성합니다.
    4. IOL에서 나오는 빛의 초점 위치를 확인하고 초점 위치에서 작은 원추형 장치를 배치하여 초점이 맞지 않는 빛의 감지를 완화하십시오 (필요한 경우). IOL 뒤에 종이 (예 : 명함)를 놓고 빛이 가장 단단히 집중된 곳을 식별하여 빛의 초점을 식별합니다. 이것은 주관적 측정 일 수 있습니다.
      참고 :이 단계는 순수하게 비 b 측정을 원할 경우에만 필요합니다.allistic 빛.
    5. IOL이 고니 오 포토 미터 궤도 중앙에 위치하도록 IOL 바로 아래에 포토 다이오드 센서의 전동 스테이지를 배치하십시오. 광각 검사기를 IOL에서 약 12cm 떨어지도록 정렬하십시오.
      참고 : IOL과 고니 오 포토 미터의 관계는 고니 오 포토 미터가 멀리 떨어져있을수록 더 높은 해상도를 얻을 수있는 테스트의 해상도를 결정합니다. 그러나 거리가 증가하고 (스텝 크기가 작아짐) 신호가 낮아지고 실험 시간이 길어집니다.
    6. IOL 고정대를 회전시켜 입사각 (I˚)을 조절합니다.
      참고 : 초기 실험은 0 ° ~ 80 °의 입사각으로 수행해야합니다. 80˚를 초과하면 모든 빛이 반사되는 방목 각 근처에서 시작됩니다.
  3. 프로그램 작성
    1. 기계적 좌표를 조정하는 소프트웨어 프로그램 작성시스템 설계 소프트웨어를 사용하여 센서의 해당 광 측정과 비교하십시오 ( 보충 파일 1 및 재료 표 참조).
      참고 : 소프트웨어 프로그램을 작성할 때 센서의 물리적 위치가 기록 된 측정 값을 정확하게 반영하는지 확인하기 위해 센서의 속도를 고려하십시오. 이 실험을 위해 고안된 프로그램은 보충 파일 1 에 나와 있습니다 .

2. SLSP 실험 및 데이터 분석

  1. 스캐닝 (˚R)
    1. IOL과 광원이 올바르게 정렬되었는지 확인하십시오 (1.1 및 1.2 절 참조).
    2. 잘못된 빛의 감지를 최소화하기 위해 무반사 내부 코팅이 된 용기를 사용하여 포토 다이오드 센서와 IOL 주위에 인클로저를 구성하십시오. 광원 용 개구부를 제공해야합니다.
      참고 : 인클로저의 특정 디자인은 사용자 정의해야합니다.실내의 외부 조명을 기반으로합니다. 결과적으로 여러 디자인을 사용할 수 있습니다. 그러나 인클로저의 목적은 모든 외장 광이 센서에 의해 감지되는 것을 완화하는 것입니다.
    3. 프로그래밍 컴퓨터를 제외하고 실내의 모든 광원을 끄십시오.
    4. 센서가 IOL을 중심으로 회전하여 각 회전 각도 (˚R)에서 산란 된 빛을 측정하도록 SLSP 소프트웨어 프로그램을 실행합니다 (1.3.1 단계).
    5. 하나 이상의 평면에서 산란 된 빛을 측정하려면 센서의 확장 된 암 및 센서 각도 (˚S)를 수동으로 조정하면서 SLSP 소프트웨어 프로그램을 여러 번 실행하십시오.
      참고 : 프로그램이 실행되는 횟수는 원하는 결과에 따라 다릅니다. 측정 된 검출 각이 많을수록 산란광의 방향성을 확인하는 데 더 많은 정밀도가 부여됩니다.
    6. 빔 직경에 대한 연구를 위해 SLSP 프로그램을 실행하기 전에 홍채 조리개를 원하는 직경으로 조정하십시오.
      참고 사항 : 그녀e, 1, 2, 3, 4 및 4.64 mm의 레이저 빔 직경이 전형적인 홍채 지름을 가장 잘 모방하기 위해 사용되었습니다. 4.64mm는 홍채 조리개를 통과하지 않고 평행 광선의 직경 이었기 때문에 사용 된 최대 직경이었다.
    7. 입사각에 대한 연구를 위해 SLSP 프로그램을 실행하기 전에 입사각을 원하는 입사각으로 회전 시키십시오. 여기에서는 0˚, 20˚, 45˚ 및 80˚의 입사각 (I˚)을 연구했습니다.
      참고 : 과학적 데이터 처리 패키지는 수집 된 데이터를 분석하는 데 필요합니다.
    8. 3 차원 이미징의 경우 데이터 처리 패키지를 사용하여 각 스캔마다 서로 다른 각도로 데이터를 병합합니다. 센서 각도 (˚S)가 각도 또는 회전 (˚R)에 대해 플롯 팅되는 매트릭스 북을 플로팅하여 데이터를 표시합니다.
      참고 : 체외 조건을보다 잘 나타 내기 위해, 고니 오 포토 미터가 IOL보다 높고 IOL이 다음과 같을 수 있도록 SLSP 플랫폼을 뒤집을 수 있습니다온도 조절 생리 식염수 조의 안쪽에 두십시오. 그러나, 이러한 조건에서, 센서가 센서 위치에서 위치로 이동되고 매체를 이동 시키면, 센서 드웰 시간은 염분 용액의 움직임을 고려할 때 상당히 길어질 필요가있다.

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Results

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Goniophotometry 측정은 센서가 광원의면에 위치하지 않을 때 360˚R의 신호를 생성 할 수 있습니다. 그러나 광원의 평면 (0˚I)에서 산란 된 빛으로부터 측정 값을 수집하려면 센서가 광원을 가릴 필요가있어 360˚R 미만의 신호가 발생합니다. 우리의 실험에서 센서가 광원을 가려 냄에 따라 ~ 20˚R의 신호가 차단되었다고 판단되었습니다.

실험에 따르면 직접 산란광 (~ 150˚-175˚R ~ 185˚-225˚R)과 직접 전방 산란광의 왼쪽과 오른쪽에 광 산란의 네 가지 주요 위치가 관찰됩니다 ~ 10˚-25˚R 및 325˚-350˚R). 레이저 빔 직경의 영향은 예상되는 바와 같이 빔 직경과 산란광의 강도 사이에 직접적인 상관 관계가 있음을 발견했다. 예를 들어, 그림 3 은 1mm와 4.64mm의 홍채 조리개 (조...

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Discussion

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SLSP 플랫폼 실험의 결과에 따르면 간단한 고니 오 포토 미터법을 사용하면 고유 한 IOL 디자인 및 재료와 관련된 광산란의 특성을 평가할 수있는 강력한 도구가 될 수 있습니다. 특히, SLSP 플랫폼은 검출 가능한 산란광의 양과 광원의 빔 직경 사이에 직접적인 상관 관계를 관찰했다. 또한, 다 초점 IOL에서 발견되는 다중 산란 피크는 SLSP에서 쉽게 관찰되었다. 또한, 광 소스가 그레이 징 각도에 접근함에 따라, SLSP는 대부분의 광이 렌즈 표면에서 반사됨에 따라 산란 광의 극적인 증가를 관찰했다.

프로토콜에서 논의 된 바와 같이, 광원과 IOL의 정렬은 산란광의 정확한 측정에 중요합니다. 또한 센서의 위치가 소프트웨어 프로그래밍을 통해 센서 측정과 정확하게 상관되는 것이 중요합니다. 정렬 i빛 출력을 동일한 광학 평면 (X, Y 및 Z)에있는 핀홀 구멍을 통과시켜 보정 할 수 있습니다. IOL 뒤쪽에 배치 된 핀홀 (pinhole aperture)은 또한 IOL이 ...

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Disclosures

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본 문서에 언급 된 자료와 관련하여 상업적 제품, 소스 또는 그 사용에 대한 언급은 보건 복지부가 그러한 제품을 실제 또는 암시 적으로 보증 한 것으로 해석되어서는 안됩니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 단 초점 및 다 초점 IOL에 대한 액세스에 대해 회사에 감사의 말을 전합니다. 이 연구는 오크 리지 과학 교육 연구소 (ORISE)와 MDFP (Medical Device Fellowship Program)에서 지원되었으며, 그 기여도가 인정되었습니다. 덧붙여, 연구원은 연구실에서의 그의 기여에 대해 Samuel Song에게 감사 드리고 싶습니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
PD300 시리즈 포토다이오드 센서Ophir-Spiricon Corp7Z02410PD300-1W, RoHS
URS 시리즈 정밀 회전 스테이지Newport Corp.
ESP301 1축 모션 컨트롤러 및 드라이버Newport Corp.ESP301-1N
LabView 소프트웨어National Instruments Corp.776671-35
OriginOriginLab 주식회사N/A
단일 모드 FC/APC 광섬유 패치 케이블ThorLabs Inc.P3-460B-FC
10X 올림푸스 플랜 Achromat ObjectiveThorLabs Inc.RMS10XRMS10X - 10X Olympus Plan Achromat Objective, 0.25 NA, 10.6 mm WD 
URS75BCC

References

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