Metodologia baseada em Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) para avaliar quantitativamente a dispersão de luz para frente e para trás a partir de lentes intraoculares

Summary

Este protocolo descreve o perfilador de dispersão de luz de digitalização (SLSP) que permite a avaliação quantitativa de ângulo completo de espalhamento direto e retroativo de luz a partir de lentes intraoculares (LIOs) usando os princípios do goniophotômetro.

Abstract

A metodologia do perfilador de dispersão de luz de varredura (SLSP) foi desenvolvida para a avaliação quantitativa de ângulo completo de dispersão de luz para frente e para trás a partir de lentes intraoculares (LIOs) usando os princípios do goniophotômetro. Este protocolo descreve a plataforma SLSP e como ele emprega um sensor de fotodetectores rotativos de 360 ​​° que é escaneado em torno de uma amostra de IOL enquanto grava a intensidade e a localização da luz dispersa à medida que passa pelo meio de LIO. A plataforma SLSP pode ser usada para prever, não clinicamente, a propensão para projetos e materiais de IOL atuais e novos para induzir dispersão de luz. A avaliação não clínica das propriedades de dispersão de luz das LIOs pode reduzir significativamente o número de queixas de pacientes relacionadas ao brilho indesejado, brilho, defeitos ópticos, má qualidade da imagem e outros fenômenos associados à dispersão de luz não intencional. Estudos futuros devem ser conduzidos para correlacionar dados SLSP com resultados clínicos para ajudar a identificarO que mede a dispersão de luz é mais problemático para os pacientes submetidos à cirurgia de catarata após a implantação da LIO.

Introduction

A abordagem do perfilador de dispersão da luz de varredura (SLSP) foi introduzida pela primeira vez para abordar a necessidade de avaliar quantitativamente as características de dispersão da luz das lentes intraoculares (LIO) em um ambiente não clínico ¹ . O desenvolvimento de uma metodologia de teste para avaliar as tendências de dispersão de luz de projetos e materiais de IOL é de interesse significativo para ajudar a identificar possíveis problemas indesejados de espalhamento de luz. A dispersão de luz é comumente relatada pelos pacientes e observada como brilho, brilho, imperfeições ópticas e outras formas de disfotopsia ² , levando às vezes um paciente solicitando a explicação da LIO. Além da disfotopsia, a luz dispersa reduz a quantidade de luz balística, resultando em menor qualidade de imagem geral ³ . Desenvolver um dispositivo que pode avaliar de forma não clínica o potencial da LIO para espalhar a luz entrante (e posteriormente correlacionada com os resultados clinicamente relatados) cUm ser útil.

A avaliação das propriedades ópticas das LIO (a lente usada para substituir a lente cristalina humana após a cirurgia de catarata) é de particular interesse, já que é o dispositivo médico mais implantado no mundo (quase 20 milhões por ano) ⁴ e os Estados Unidos (mais de 3 Milhões por ano) ⁵ . Como resultado, mesmo uma pequena porcentagem de pacientes que relatam disfotopsia pode ter um grande impacto. Além disso, as tecnologias de melhoramento rápido ( por exemplo, novos projetos de IOL, materiais e capacidades ópticas) têm potencial para aumentar as preocupações relacionadas à dispersão de luz. Por exemplo, as LIO multifocais foram projetadas para melhorar a acuidade visual próxima e distante ao projetar lentes que utilizam os princípios ópticos de refração e difracção. Embora altamente bem-sucedidas, essas lentes também foram encontradas para aumentar a quantidade de halos e brilho relatados, em grande parte associados à dispersão da luz ⁶ .

Alguns estudos de laboratório não clínico tentam prever a disfotópsia a partir de luz dispersa à medida que passa por LIOs ⁷ . Por exemplo, a pesquisa identificou que IOL haptics (os braços da IOL usados ​​para colocá-lo no lugar) e a borda das IOLs são propensas a induzir uma grande quantidade de luz dispersa observada ⁸ . Um método, um método de esfera integradora de remoção de fótons balísticos (BRIM), foi introduzido para medir quantitativamente a quantidade de luz total não balística depois de passar por uma IOL ⁹ . No entanto, esta técnica altamente sensível é projetada para medir a intensidade total da luz dispersa e é incapaz de identificar a direcionalidade da luz dispersa. O software de simulação de computador pode ser usado com os olhos do modelo para ajudar a prever a intensidade e a direcionalidade da dispersão de luz de vários projetos e materiais de IOL. Por exemplo, a propensão para a borda da LIO para induzir a luzA dispersão foi simulada para identificar projetos que limitariam a quantidade de luz dispersa ¹⁰ . Além disso, simulações computacionais que incorporaram a teoria da dispersão de Mie verificaram que o aumento da dispersão de luz pode reduzir a função de transferência de modulação (MTF) da LIO (uma correlação direta com a qualidade da imagem) ³ . Embora útil, testes de banco reais seriam necessários para verificar essas simulações preditivas.

Para verificar simulações preditivas, é necessário um teste de banco que seja capaz de detectar e avaliar quantitativamente duas formas distintas de luz dispersa, luz espalhada espalhada e espalhada para trás. Embora não seja uma fonte de disfotopsia, a luz espalhada para trás (dispersão de luz longe do olho) é uma causa para a redução da qualidade da imagem, à medida que menos luz passa pela IOL para finalmente alcançar a retina. A luz dispersa para a frente (luz espalhando para a retina) é uma preocupação para os oftalmologistas, poisPode resultar em queixas de disfotopsia ( por exemplo , brilho, halo e brilho). Um exemplo comum são os pacientes que relatam o brilho indesejável adicional de passar os carros que se aproximam durante a condução noturna; Esta questão é particularmente comum com IOL multifocal ¹¹ . No entanto, a prática atual para identificar a potencial luz dispersa para frente é que os oftalmologistas brilham a luz no olho do paciente e observem qualitativamente a quantidade de luz refletida para trás (luz espalhada para trás) e assumindo que a luz espalhada para trás será aproximadamente igual à espalhada Luz (o que nem sempre é o caso) ¹² .

Aqui, descrevemos uma metodologia de teste simples usando princípios de goniophotometria para medir quantitativamente a magnitude e a direção da luz dispersa ao passar por uma lente intraocular. O SLSP opera rodando um sensor de fotodiodo de 360 ​​graus em torno de uma IOL que é exposta a uma luz sVeja, veja a Figura 1a . Escolhemos uma fonte de laser verde (543 nm) para representar melhor o máximo fotográfico conhecido e concordar com as especificações padrão internacionais ¹³ . Aqui, uma LIO é adaptada em um suporte de rotação e translação onde um sensor de fotodíodo pode circundar e observar a dispersão de luz fora da lente. Como resultado, o SLSP possui a capacidade única de medição quantitativa da magnitude e direcionalidade da luz dispersa. No entanto, embora não seja descrito aqui, para melhores capacidades de previsão, as experiências devem ser conduzidas dentro de um ambiente controlado usando um modelo de olho apropriado. A distância entre o IOL e o sensor óptico (bem como o tamanho do elemento sensor) determinará os recursos de resolução do dispositivo; No entanto, haverá uma compensação entre resolução e força do sinal que precisará ser ajustada, conforme necessário.

Para descrever com precisão o princípioEs da plataforma SLSP, definimos três tipos de ângulos de rotação, ver Figuras 1b e 1c . Especificamente, o ângulo de rotação (˚R) representa a rotação de um sensor de fotodiodo à medida que gira em torno de uma IOL. Aqui, 0˚R representaria quando o sensor estava atrás da lente (luz espalhada para trás) e 180˚R representa quando o sensor está na frente da lente (luz espalhada para a frente). Os ângulos de 90˚ e 270˚ representam os pontos de transição entre luz espalhada para trás e para trás. O ângulo de detecção (˚S) representa graus em que o sensor é girado (no sentido ascendente e descendente) para que ele possa detectar mais de um plano de luz dispersa. Aqui, 0˚S significa que a superfície do sensor é paralela à IOL (e fonte de luz). Finalmente, o ângulo de incidência (˚I) representa o ângulo que a fonte de luz está se aproximando da IOL. Aqui, 0˚I corresponde a quando a luz incidente está no eixo óptico da IOL e 90 &# 730; Representaria quando a fonte de luz é perpendicular ao plano Meridional.

Protocol

1. Preparação da plataforma de medição SLSP

NOTA: Todas as etapas de alinhamento requerem precisão e paciência para garantir uma quantificação precisa ao medir a dispersão da luz. Uma visão geral da configuração SLSP fornecida na Figura 1 . Aqui, uma ilustração ( Figura 1a ) mostra o conceito básico da configuração SLSP. Além disso, as Figuras 1b e 1c ajudam a definir os vários ângulos referenciados na discussão. Especificamente, os três ângulos a seguir são definidos nas Figuras 1b e 1c : ˚R (ângulo de rotação do sensor), ˚S (ângulo de medição do sensor) e ˚I (ângulo de incidência de IOL).

1. Alinhamento SLSP (Figura 2).
   1. Focalize uma fonte de laser de largura estreita (aqui, um comprimento de onda central de 543 nm) em uma fibra óptica de entrega de modo único usando uma lente de objetivo corrigida de infinito 10 ×.
      NOTA: teste o indicadorT para garantir que a saída do lúmen seja estável ou as medições serão difíceis de quantificar. Um feixe focado é determinado pela observação da luz que passa através da fibra, isso não alcançará 100% de eficiência, mas deve ser suficiente para que a luz possa ser detectada pelo sensor.
   2. Colimate a fonte de luz integrando a fibra óptica de modo único com uma lente de objetivo corrigida infinita 10X para que a fibra seja posicionada no ponto focal da lente de objetivo. A luz de saída deve resultar em um perfil de feixe gaussiano uniforme.
   3. Posicione uma abertura da íris na frente da fonte de luz para ajustar o diâmetro da viga gaussiana.
      NOTA: Defina o diâmetro da abertura da íris para ser representativo de um olho humano ( por exemplo, 1 a 6 mm de diâmetro). Como as queixas do tipo de dispersão de luz são comumente associadas com a condução noturna, podem ser preferíveis diâmetros da abertura da íris representativos de uma íris dilatada.
   4. Construa um goniophotômetro anexando um sensor de fotodiodoPara um estágio de rotação motorizado / programável de 360 ​​° com capacidades de tradução linear (x, y e z) usando um braço extensível (poste de metal com grampo de poste).
      NOTA: Projete uma plataforma de palco que permita a tradução, bem como ajustes de inclinação. Conceba a montagem do sensor que permite 360 ​​° do ângulo de rotação do sensor (˚R) e pode ser ajustada para pelo menos 45 ° de rotação do ângulo do sensor (˚S) para medir diferentes planos de dispersão. A distância do braço estendido depende da sensibilidade do sensor de fotodíodo e da precisão angular desejada.
   5. Ajuste o ângulo do sensor de detecção (conforme necessário), pescando a face do sensor e ajustando a localização dos braços.
2. Alinhamento de LIO
   1. Construa uma plataforma de retenção de IOL para que a LIO esteja posicionada acima do goniophotômetro ( Figura 2 ).
      1. Para realizar isso, construa a plataforma de suporte da IOL para que a LIO seja suspensa abO centro do goniophotômetro (reversão das posições do goniophotômetro e da LIO também é possível).
         1. Para construir a plataforma use quatro, 18 "de comprimento, ½" de diâmetro de rolos cilíndricos e postes e anexá-los a uma placa de 18 x 18 ". Esta placa de painéis é o suporte de base para a plataforma.
   2. Anexe um estágio de tradução (direção x, y e z) com capacidades de inclinação e rotação (I˚) debaixo da placa de pão para que o estágio seja voltado para baixo.
      NOTA: Os estágios de tradução com tamanhos de pequenos passos (alguns microns) permitem uma maior precisão durante o alinhamento da LIO e melhorarão a precisão da goniophotometria. As dimensões específicas da plataforma podem ser personalizadas para as necessidades individuais. Como resultado, as posições cilíndricas e as dimensões da placa de pão podem ser ajustadas.
      1. Anexe firmemente a IOL à plataforma de suporte da IOL apertando um dos haptics da IOL.
         NOTA: Nesta provaDe propósito, as LIOs são testadas no ar; No entanto, as IOLs em solução e as temperaturas que melhor representam condições in vivo seriam ideais.
   3. Alinhe a LIO diretamente na frente da fonte de luz (com o plano de foco de LIO perpendicular à fonte de luz) usando ajustes de inclinação e linear do estágio da plataforma de retenção de IOL para garantir que a direção da luz não muda enquanto passa pelo centro de A IOL. Esta posição constituirá um ângulo de incidência (I˚) de 0˚.
   4. Identifique a localização do ponto focal da luz da LIO e posicione um pequeno dispositivo cônico no ponto focal para mitigar a detecção de luz defocused (quando necessário). Identifique o ponto focal da luz, colocando um pedaço de papel (como um cartão de visita) por trás da LIO e identificando onde a luz está mais focada. Isso pode ser uma medida subjetiva.
      NOTA: Esta etapa só é necessária se quiser medir puramente não-bLuz alista.
   5. Posicione o estágio motorizado para o sensor de fotodiodo diretamente abaixo da LIO para garantir que a LIO esteja localizada no centro da trajetória do goniophotômetro. Alinhe o goniophotômetro para que esteja a aproximadamente 12 cm da LIO.
      NOTA: O relacionamento da IOL e do goniophotômetro determinará a resolução dos testes, onde quanto mais longe o goniophotômetro estiver localizado, maior resolução pode ser alcançada. No entanto, o aumento da distância (e tamanhos de passo menores) resultará em sinal mais baixo e tempos de experimentação mais longos.
   6. Ajuste o ângulo de incidência (I˚) girando o estágio da plataforma de retenção de IOL.
      NOTA: Experimentos iniciais devem ser conduzidos com um ângulo de incidência de 0˚ a 80˚. Além de 80˚, começará a aproximar-se do ângulo de pastagem onde toda luz será refletida.
3. Programação
   1. Construa um programa de software para coordenar o mecânicoDo sensor com a sua medida de luz correspondente usando o software de projeto do sistema (consulte o arquivo suplementar 1 e tabela de materiais ).
      NOTA: Ao construir o programa de software, leve em consideração a velocidade do sensor para garantir que a localização física do sensor reflete com precisão sua medição gravada. O programa projetado para este experimento é fornecido no arquivo suplementar 1 .

2. Experimentação SLSP e análise de dados

1. Digitalização (˚R)
   1. Certifique-se de que a LIO e a fonte de luz estão devidamente alinhadas (ver seções 1.1 e 1.2).
   2. Construa um gabinete em torno do sensor de fotodiodo e da IOL usando um recipiente com revestimento interno não reflexivo para minimizar a detecção de luz errante. Certifique-se de fornecer uma abertura para a fonte de luz.
      NOTA: O design específico do gabinete deve ser personalizadoCom base em uma luz externa na sala. Como resultado, vários projetos são utilizáveis. No entanto, o propósito do gabinete é mitigar que a luz externa seja detectada pelo sensor.
   3. Desligue todas as fontes de luz dentro da sala, exceto para o computador de programação.
   4. Execute o programa de software SLSP (passo 1.3.1) para que o sensor roteie ao redor da IOL para medir a luz dispersa em cada grau de rotação (˚R).
   5. Para medir a luz dispersa em mais de um avião, execute o programa de software SLSP várias vezes enquanto ajusta manualmente o braço estendido do sensor e o ângulo de medição do sensor (˚S).
      NOTA: O número de vezes que o programa é executado depende do resultado desejado. Os mais ângulos de detecção medidos resultarão em mais precisão para identificar a direcionalidade da luz dispersa.
   6. Para estudos sobre o diâmetro do feixe, ajuste a abertura da íris ao diâmetro desejado antes de executar o programa SLSP.
      NOTA: elaE, os diâmetros do raio laser de 1, 2, 3, 4 e 4,64 mm foram usados ​​para imitar os diâmetros típicos da íris. 4,64 mm foi o maior diâmetro usado, pois era o diâmetro do feixe colimado sem passar pela abertura da íris.
   7. Para estudos sobre o ângulo de incidência, gire a montagem IOL para o ângulo de incidência desejado antes de executar o programa SLSP. Aqui, foram estudados ângulos de incidência (I˚) de 0˚, 20˚, 45˚ e 80˚.
      NOTA: É necessário um pacote de processamento de dados científicos para a análise dos dados coletados.
   8. Para imagens tridimensionais, junte os dados de cada varredura em ˚S diferentes com um pacote de processamento de dados. Stich os dados, traçando um livro matriz onde o ângulo de medição do sensor (˚S) é plotado contra o ângulo ou rotação (˚R).
      NOTA: Para representar melhor as condições in vitro , a plataforma SLSP pode ser revertida para que o goniophotômetro esteja acima da LIO e a LIO possa entãoSer colocado dentro de um banho de solução salina com temperatura controlada. No entanto, nestas condições, os tempos de permanência do sensor precisarão ser consideravelmente mais longos para levar em consideração o movimento da solução salina quando o sensor é movido de posição para posição e desloca o meio.

Results

As medidas de goniophotometria podem produzir 360˚R de sinal quando o sensor não está localizado no plano da fonte de luz. No entanto, para coletar medidas de luz dispersa no plano da fonte de luz (0˚I), o sensor precisará eclipsar a fonte de luz, resultando em menos de 360˚R de sinal. Em nossos experimentos, foi determinado que ~ 20˚R de sinal foi bloqueado quando o sensor eclipsou a fonte de luz.

Experimentos descobriram que...

Discussion

Os resultados das experiências da plataforma SLSP descobriram que o uso de princípios de goniophotometria simples pode levar a uma ferramenta poderosa para avaliar as propriedades da dispersão de luz associada a projetos e materiais únicos de IOL. Especificamente, a plataforma SLSP observou uma correlação direta entre a quantidade de luz dispersa detectável e o diâmetro do feixe da fonte de luz. Além disso, os múltiplos picos dispersos encontrados em LIO multifocais foram facilmente observados com o SLSP. Além disso, à ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sensor de fotodiodo da série PD300	Ophir-Spiricon Corp	7Z02410	PD300-1W,
estágio de rotação de precisão da série RoHS URS	Newport Corp.
ESP301 Controlador de movimento de 1 eixo e driver	Newport Corp.	ESP301-1N
Software LabView	National Instruments Corp.	776671-35
Origem	OriginLab Corp.	N/A
Cabos de Remendo de Fibra Óptica Monomodo FC/APC	ThorLabs Inc.	P3-460B-FC
10X Olympus Plano Achromat Objetiva	ThorLabs Inc.	RMS10X	RMS10X - Objetiva Olympus Plan Achromat 10X, 0.25 NA, 10.6 mm WD