Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) gebaseerde methodologie om kwantitatief te evalueren voorwaartse en achterwaartse lichtverspreiding van intraculaire objectieven

Summary

Dit protocol beschrijft de scanning lichtverstrooiingsprofiel (SLSP) die de full-angle kwantitatieve evaluatie van voorwaartse en achterwaartse verstrooiing van licht van intraoculaire lenzen (IOL's) mogelijk maakt met behulp van goniophotometerprincipes.

Abstract

De scanning light scattering profiler (SLSP) methodologie is ontwikkeld voor de full-angle kwantitatieve evaluatie van voorwaartse en achterwaartse lichtverspreiding van intraoculaire lenzen (IOL's) met behulp van goniophotometer principes. Dit protocol beschrijft het SLSP platform en hoe het gebruik maakt van een 360 ° roterende fotodetector sensor die wordt gescand rond een IOL-monster, terwijl de intensiteit en locatie van het verstrooide licht worden geregistreerd als het door het IOL medium gaat. Het SLSP-platform kan gebruikt worden voor het voorspellen, niet-klinisch, de neiging voor huidige en nieuwe IOL-ontwerpen en materialen om lichtverspreiding te veroorzaken. Niet-klinische evaluatie van lichtverstrooiende eigenschappen van IOL's kan het aantal patiëntenklachten in verband met ongewenste bliksem, glinstering, optische defecten, slechte beeldkwaliteit en andere fenomenen die verband houden met de onbedoelde lichtverspreiding aanzienlijk verminderen. Toekomstige studies moeten worden uitgevoerd om SLSP-gegevens te correleren met klinische resultaten om te helpen identificerenWelke gemeten lichtverspreiding is het meest problematisch voor patiënten die cataractchirurgie hebben ondergaan na de implantatie van IOL.

Introduction

De aanpak van de scanning light scattering profiler (SLSP) werd voor het eerst geïntroduceerd om de behoefte aan kwantitatieve evaluatie van de lichtverspreidingskarakteristieken van intraoculaire lenzen (IOL's) in een niet-klinische omgeving ¹ te beoordelen. Het ontwikkelen van een testmethode om de lichtverspreidende tendensen van IOL-ontwerpen en materialen te evalueren is van groot belang om te helpen bij het identificeren van mogelijke ongewenste lichtverstrooiingsproblemen. Lichte verspreiding wordt meestal door patiënten gemeld en waargenomen als glans, glinstering, optische onvolkomenheden en andere vormen van dysphotopsia ² , die soms leiden tot een patiënt die de IOL-explantatie aanvraagt. Naast dysphotopsia vermindert het verstrooide licht de hoeveelheid ballistisch licht, wat resulteert in een lagere algemene beeldkwaliteit ³ . Het ontwikkelen van een apparaat dat het IOL-potentieel niet-klinisch kan evalueren om het inkomende licht te verspreiden (en later gecorreleerd met klinisch gerapporteerde resultaten) cEen nuttig zijn.

Het beoordelen van de optische eigenschappen van IOL's (de lens die de menselijke kristallijne lens vervangt na de cataractoperatie) is van bijzonder belang omdat het het meest geïmplanteerde medische hulpmiddel ter wereld is (bijna 20 miljoen per jaar) ⁴ en de Verenigde Staten (meer dan 3 Miljoen per jaar) ⁵ . Als gevolg daarvan kan zelfs een klein percentage patiënten die dysphotopsie rapporteren een grote impact hebben. Daarnaast kunnen snel verbeterende technologieën ( bijv. Nieuwe IOL-ontwerpen, materialen en optische mogelijkheden) de problemen opleveren die verband houden met lichtverstrooiing. Bijvoorbeeld, multifocale IOL's zijn ontworpen om de buurt- en verre scherpte te verbeteren door lenses te ontwerpen die brekings- en diffractie optische principes gebruiken. Hoewel zeer succesvol, zijn deze lenzen ook gevonden om de hoeveelheid gerapporteerde halo's en glans te verhogen, grotendeels geassocieerd met verstrooiing van licht ⁶ .

Enkele niet-klinische laboratoriumstudies proberen dysphotopsia te verspreiden van verspreid licht, aangezien het door IOL's ^{7 gaat} . Bijvoorbeeld, onderzoek heeft vastgesteld dat IOL haptics (de armen van de IOL het op zijn plaats zetten) en de rand van de IOL's geneigd zijn om een ​​groot deel van het waargenomen schitterende licht ^{8 te} induceren. Een methode, een ballistisch-foton verwijderen integratie-bolmethode (BRIM), werd ingevoerd om de hoeveelheid totaal niet-ballistisch licht kwantitatief te meten na het doorlopen van een IOL ⁹ . Deze zeer gevoelige techniek is echter ontworpen om de totale intensiteit van verstrooid licht te meten en kan de richting van het verstrooide licht niet identificeren. Computersimulatiesoftware kan gebruikt worden met modeloogjes om de intensiteit en richting van lichtverdeling van verschillende IOL-ontwerpen en materialen te voorspellen. Bijvoorbeeld, de geneigdheid voor de IOL rand om de ligh inducerenT verstrooiing was gesimuleerd om ontwerpen te identificeren die de hoeveelheid verstrooid licht zou beperken ¹⁰ . Bovendien hebben computersimulaties die de Mie scattering theorie bevatten, gecontroleerd dat verhoogde lichtverspreiding de modulatie-overdrachtsfunctie (MTF) van de IOL kan verminderen (een directe correlatie met beeldkwaliteit) ³ . Hoewel nuttig, zouden echte bench tests nodig zijn om deze predictieve simulaties te verifiëren.

Om voorspellende simulaties te verifiëren is een bench test nodig die in staat is om twee verschillende vormen van verspreid licht, vooruit verspreid en achteruit verspreid licht te detecteren en kwantitatief te evalueren. Hoewel niet een bron van dysphotopsia is, is achteruit verspreid licht (licht verstrooiing van het oog) een oorzaak voor verminderde beeldkwaliteit, aangezien minder licht door de IOL gaat om uiteindelijk het netvlies te bereiken. Voorwaarts verstrooid licht (licht verstrooiing naar het netvlies) is een zorg voor oogheelkundigen als hetKan leiden tot klachten van dysphotopsie ( bijv. Schittering, halo en glinstering). Een algemeen voorbeeld is patiënten die extra ongewenste bliksem rapporteren bij het overlijden van aankomende auto's tijdens de nacht rijden. Dit probleem is vooral gebruikelijk met multifocale IOLs ¹¹ . De huidige praktijk om potentiële vooruitstrooide lichten te identificeren is echter dat oogheelkundigen licht op het oog van de patiënt schijnen en kwalitatief observeren hoeveel licht wordt teruggevonden (achterwaarts verstrooid licht) en ervan uitgegaan dat het achterwaartse verstrooide licht ongeveer hetzelfde zal zijn als de voorwaartse verspreide Licht (wat niet altijd het geval is) ¹² .

Hier beschrijven we een eenvoudige testmethode met behulp van goniophotometry-principes om de grootte en richting van verstrooid licht te kwantitatief te meten en door een intraoculaire lens te gaan. De SLSP werkt door een fotodiode sensor 360 graden rond een IOL te draaien die blootgesteld wordt aan een licht sWezen, zie figuur 1a . We kozen voor een groene laserbron (543 nm) om het bekende fotopic maximum te vertegenwoordigen en in overeenstemming te zijn met de internationale standaardspecificaties ¹³ . Hier is een IOL aangepast op een rotatie- en translatiehouder waar een fotodiodesensor rond kan cirkelen en lichtverspreiding van de lens waarneemt. Als gevolg daarvan heeft de SLSP de unieke mogelijkheid om de grootte en de richting van het verspreide licht kwantitatief te meten. Hoewel, hoewel niet hier beschreven, voor betere voorspellende mogelijkheden, moeten experimenten worden uitgevoerd binnen een gecontroleerde omgeving met behulp van een geschikt oogmodel. De afstand tussen de IOL en de optische sensor (evenals de grootte van het sensorelement) bepaalt de resolutie mogelijkheden van het apparaat; Er zal echter een afwijking zijn tussen de resolutie en de signaalsterkte die nodig moet worden aangepast.

Om het principe nauwkeurig te omschrijvenVan het SLSP-platform definiëren wij drie soorten rotatiehoeken, zie figuren 1b en 1c . Specifiek, de rotatiehoek (˚R) vertegenwoordigt de rotatie van een fotodiodensensor als het om een ​​IOL draait. Hier zou 0˚R vertegenwoordigen wanneer de sensor achter de lens ligt (achteruit verstrooid licht) en 180˚R vertegenwoordigt wanneer de sensor voor de lens staat (vooruit verstrooid licht). Hoeken van 90˚ en 270˚ vertegenwoordigen de overgangspunten tussen vooruit en achteruit verstrooid licht. De sensorhoek (˚S) vertegenwoordigt graden die de sensor draait (in de omhoog en omlaag) zodat het meer dan één vlak van verstrooid licht kan detecteren. Hier betekent 0˚S dat het sensoroppervlak evenwijdig is aan de IOL (en lichtbron). Ten slotte vertegenwoordigt de invalshoek (˚I) de hoek die de lichtbron naar de IOL nadert. Hier komt 0˚I overeen met wanneer het invallende licht op de optische as van de IOL en 90 &# 730; Zou vertegenwoordigen wanneer de lichtbron loodrecht op het Meridionale vlak ligt.

Protocol

1. Voorbereiding van de SLSP-meting van platforms

OPMERKING: Alle uitlijningstappen vereisen precisie en geduld om nauwkeurige kwantificering te waarborgen bij het meten van lichtverspreiding. Een overzicht van de SLSP-opstelling in figuur 1 . Hier toont een illustratie ( figuur 1a ) het basisconcept van de SLSP-setup. Daarnaast helpen figuren 1b en 1c de verschillende hoeken die in de discussie worden verwezen, te definiëren. Specifiek worden de volgende drie hoeken gedefinieerd binnen Figuur 1b en 1c : ˚R (sensor rotatiehoek), ˚S (meethoek van de meting) en ˚I (IOL-invalshoek).

1. SLSP-uitlijning (figuur 2).
   1. Focus een smalle lijnbreedte laserbron (hier een 543 nm centrale golflengte) in een single-mode optische vezel met een 10 × oneindig gecorrigeerde objectieflens.
      OPMERKING: Test de lighT bron om ervoor te zorgen dat de lumen output stabiel is of metingen moeilijk te kwantificeren zijn. Een gefocusseerde bundel wordt bepaald door licht te waarnemen die door de vezel gaat, dit zal niet 100% efficiëntie bereiken, maar moet voldoende zijn zodat licht uiteindelijk door de sensor gedetecteerd kan worden.
   2. Collageer de lichtbron door de single-mode optische vezel te integreren met een 10X oneindig gecorrigeerde objectieflens, zodat de vezel op het brandpunt van de objectieflens wordt geplaatst. Het uitgangslicht moet resulteren in een uniform Gaussian beam profiel.
   3. Plaats een iris diafragma voor de lichtbron om de diameter van de Gaussische straal aan te passen.
      OPMERKING: Stel de diameter van de irisdiafragma representatief voor een menselijk oog ( bijv. 1-6 mm diameter). Aangezien de klachten van het lichtverspreidingstype meestal geassocieerd worden met nachtrit, kunnen de diameter van de iris diafragma representatief zijn voor een dilate iris.
   4. Construeer een goniophotometer door een fotodiode te koppelenSor in een gemotoriseerde / programmeerbare 360 ​​° rotatie fase met lineaire translatie (x, y en z richting) mogelijkheden met behulp van een uitschuifbare arm (metalen post met postklem).
      OPMERKING: Ontwerp een podiumplatform dat zowel vertalingen als kantelaanpassingen mogelijk maakt. Ontwerp de sensor mount die 360˚ van de rotatiehoek van de sensor (˚R) mogelijk maakt en kan worden ingesteld op tenminste 45˚ van de rotatie van de sensorhoek (˚S) om verschillende vlakken van verspreiding te meten. De afstand van de verlengde arm is afhankelijk van de gevoeligheid van de fotodiode sensor en de gewenste hoek precisie.
   5. Stel de sensorhoek van de detectie (indien nodig) aan door het sensorgezicht te schroeven en de plaats van de armen aan te passen.
2. IOL-uitlijning
   1. Construeer een IOL-vasthoudplatform zodat de IOL boven de goniophotometer geplaatst is ( Figuur 2 ).
      1. Om dit te bereiken, bouw het IOL-vasthoudplatform zodat de IOL is opgehangen abOve het centrum van de goniophotometer (omgekeerd de posities van de goniophotometer en IOL is ook mogelijk).
         1. Om het platform te bouwen, gebruik 4 cilindrische posten en poststanden van 18 "lang, ½" diameter en bevestig ze aan een 18 x 18 "broodbord. Dit broodbord is de basissteun voor het platform.
   2. Bevestig een translatie stadium (x, y en z richting) met kantelende en roterende (I˚) mogelijkheden onder het broodbord zodat het podium naar beneden gericht is.
      OPMERKING: Vertaalstadia met kleine stapformaten (enkele micron) zorgen voor hogere precisie tijdens de uitlijning van de IOL en verbeteren de nauwkeurigheid van de goniophotometrie. De specifieke afmetingen van het platform kunnen worden aangepast aan individuele behoeften. Als gevolg hiervan kunnen de cilindrische posten en breadboard afmetingen worden aangepast.
      1. Bevestig de IOL veilig aan het IOL-vasthoudplatform, door een van de IOL-haptieken vast te klemmen.
         OPMERKING: In dit bewijsDoel experimenten, IOL's worden getest in de lucht; IOL's in oplossing en temperaturen die het best in vivo condities vertegenwoordigen zouden echter ideaal zijn.
   3. Richt de IOL direct voor de lichtbron (met het IOL-vlak van de loodrecht op de lichtbron) met behulp van lineaire en kantelaanpassingen van de IOL-vasthoudplatform om ervoor te zorgen dat de richting van het licht niet verandert tijdens het doorlopen van het centrum van De IOL. Deze positie vormt een invalshoek (I˚) van 0˚.
   4. Identificeer de locatie van de brandpunt van het licht van de IOL en plaats een klein conisch apparaat op de brandpunt om detectie van defocused light te beperken (indien nodig). Identificeer de brandpunt van het licht door een stuk papier (zoals een visitekaartje) achter de IOL te plaatsen en te identificeren waar het licht het meest strak gericht is. Dit kan een subjectieve meting zijn.
      OPMERKING: Deze stap is alleen nodig als u louter niet-b wilt metenAllistisch licht.
   5. Plaats het gemotoriseerde podium voor de fotodiode sensor direct onder de IOL om ervoor te zorgen dat de IOL zich in het midden van het goniophotometer traject bevindt. Zet de goniophotometer zo in, dat het ongeveer 12 cm van de IOL ligt.
      OPMERKING: De relatie van de IOL en de goniophotometer bepaalt de resolutie van de tests, hoe verder weg de goniophotometer zich bevindt, de grotere resolutie kan worden bereikt. Echter, verhoogde afstand (en kleinere stapgroottes) zal resulteren in lager signaal en langer experimentele tijden.
   6. Pas de invalshoek (I˚) aan door de IOL-platform te draaien.
      OPMERKING: Initiële experimenten moeten worden uitgevoerd met een invalshoek van 0˚ tot 80˚. Naast 80˚ begint het dicht bij de weidingshoek, waar alle lichtjes worden weerspiegeld.
3. Programming
   1. Bouw een softwareprogramma om de mechanische ma te coördinerenSensatie van de sensor met de bijbehorende lichtmeting met behulp van systeemontwerpsoftware (zie aanvullend bestand 1 en tabel van materialen ).
      OPMERKING: Bij het bouwen van het softwareprogramma dient rekening te worden gehouden met de snelheid van de sensor om ervoor te zorgen dat de fysieke locatie van de sensor nauwkeurig de opgenomen meting weerspiegelt. Het programma dat voor dit experiment is ontworpen, is te vinden in aanvullend bestand 1 .

2. SLSP Experimentatie en Data Analysis

1. Scannen (˚R)
   1. Zorg ervoor dat de IOL en de lichtbron goed afgestemd zijn (zie secties 1.1 en 1.2).
   2. Construeer een behuizing rond de fotodiode sensor en de IOL met behulp van een container met een niet-reflecterende interne coating om de detectie van errantlicht te minimaliseren. Zorg ervoor dat er een opening voor de lichtbron is.
      OPMERKING: Het specifieke ontwerp van de behuizing moet aangepast wordenGebaseerd op een extern licht in de kamer. Als gevolg hiervan zijn meerdere ontwerpen bruikbaar. Het doel van de behuizing is echter om alle externe licht te beperken door de sensor te detecteren.
   3. Zet alle lichtbronnen in de kamer uit, behalve de programmeercomputer.
   4. Voer het SLSP-softwareprogramma uit (stap 1.3.1) zodat de sensor rond de IOL draait om het verspreide licht op elke rotatiegraad te meten (˚R).
   5. Om het verstrooide licht op meer dan één vlak te meten, voer het SLSP software meerdere keren uit, terwijl u de sensor met de verlengde arm en de sensor van de sensor handmatig wijzigt (˚S).
      OPMERKING: Het aantal keren dat het programma wordt uitgevoerd, is afhankelijk van het gewenste resultaat. Hoe meer detectiehoeken worden gemeten, resulteert in meer precisie voor het identificeren van de richting van het verspreide licht.
   6. Voor studies over straaldiameter, pas de irisopening aan op de gewenste diameter voordat u het SLSP-programma uitvoert.
      OPMERKING: HaarE, de laserstraaldiameters van 1, 2, 3, 4 en 4,64 mm werden gebruikt om de typische irisdiameters optimaal te imiteren. 4,64 mm was de grootste diameter die werd gebruikt omdat dit de diameter van de gecollimeerde bundel was zonder door de irisopening te gaan.
   7. Voor studies over invalshoek, draai de IOL-mount naar de gewenste invalshoek voordat u het SLSP-programma uitvoert. Hier werden de invalshoeken (I˚) van 0˚, 20˚, 45˚ en 80˚ bestudeerd.
      OPMERKING: Een wetenschappelijke gegevensverwerkingspakket is nodig voor de analyse van de verzamelde gegevens.
   8. Voor driedimensionale beeldvorming sticht de gegevens van elke scan op verschillende ˚S samen met een dataverwerkingspakket. Stich de gegevens op door een matrixboek te plotten waar de meethoek van de sensor (˚S) wordt getekend tegen de hoek of rotatie (˚R).
      OPMERKING: Voor beter in vitro condities kan het SLSP-platform omgedraaid worden zodat de goniophotometer boven de IOL ligt en de IOL dan kanBinnenin een temperatuurgestuurd zoutoplossingsbad geplaatst worden. Bij deze omstandigheden zullen de sensortijdtijden echter aanzienlijk langer moeten zijn om rekening te houden met de beweging van de zoutoplossing als de sensor van positie naar positie wordt verplaatst en het medium verplaatst.

Results

Goniophotometrie-metingen kunnen 360˚R signaal produceren wanneer de sensor niet op het vlak van de lichtbron ligt. Om de metingen van verstrooid licht op het vlak van de lichtbron (0˚I) te verzamelen, moet de sensor echter de lichtbron verduisteren, wat resulteert in minder dan 360˚R signaal. In onze experimenten werd vastgesteld dat ~ 20˚R signaal was geblokkeerd als de sensor de lichtbron verduisterde.

Uit experimenten blee...

Discussion

Uit de resultaten van de SLSP-platform experimenten is gebleken dat met behulp van eenvoudige goniophotometrie principes kunnen leiden tot een krachtig instrument voor het evalueren van de eigenschappen van lichtverdeling in verband met unieke IOL-ontwerpen en materialen. Specifiek heeft het SLSP-platform een ​​directe correlatie tussen de hoeveelheid detecteerbaar verstrooid licht en de straaldiameter van de lichtbron waargenomen. Bovendien werden de meervoudige verstrooide pieken gevonden in multifocale IOL's gema...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
PD300 series Photodiode Sensor	Ophir-Spiricon Corp	7Z02410	PD300-1W, RoHS
URS Series Precision Rotation Stage	Newport Corp.	URS75BCC
ESP301 1-Axis Motion Controller and Driver	Newport Corp.	ESP301-1N
LabView Software	National Instruments Corp.	776671-35
Origin	OriginLab Corp.	N/A
Single Mode FC/APC Fiber Optic Patch Cables	ThorLabs Inc.	P3-460B-FC
10X Olympus Plan Achromat Objective	ThorLabs Inc.	RMS10X	RMS10X - 10X Olympus Plan Achromat Objective, 0.25 NA, 10.6 mm WD