Summary
该协议描述了扫描光散射分析仪（SLSP），其使用角度光度计原理对来自眼内透镜（IOL）的光的前向和后向散射进行全角度定量评估。
Abstract
已经开发了扫描光散射分析仪（SLSP）方法，用于使用角度光度计原理从眼内透镜（IOL）的前向和后向光散射进行全角度定量评估。该协议描述了SLSP平台，以及它如何采用360度旋转光电检测器传感器，它在IOL样品周围扫描，同时记录散射光通过IOL介质时的强度和位置。 SLSP平台可用于非临床预测当前和新颖的IOL设计和材料诱导光散射的倾向。 IOL的光散射特性的非临床评估可以显着减少与不想要的眩光，闪光，光学缺陷，差的图像质量以及与非预期的光散射相关的其他现象的患者投诉的数量。应进行未来研究，以将SLSP数据与临床结果相关联以帮助确定测量光散射对于在IOL植入后经历白内障手术的患者是最有问题的。
Introduction
首先引入扫描光散射分析仪（SLSP）方法来解决在非临床环境中定量评估眼内透镜（IOL）的光散射特性的需要1 。开发测试方法来评估IOL设计和材料的光散射趋势是非常有意义的，以帮助识别潜在的不必要的光散射问题。光散射通常由患者报告，并被观察为眩光，闪光，光学缺陷和其他形式的功能障碍2 ，有时导致患者要求IOL移植。除了偏心光，散射光减少了弹道光的数量，导致较低的整体图像质量3 。开发可以非临床评估IOL潜能来散射入射光的装置（后来与临床报告的结果相关）c有用的
评估IOL的光学性质（用于在白内障手术后替代人晶状体的镜片）是特别有意义的，因为它是世界上最常用的植入医疗器械（每年近2000万） 4和美国（超过3每年百万） 5 。因此，甚至有一小部分报告失调症的患者可能会产生很大的影响。此外，快速改进的技术（ 例如新的IOL设计，材料和光学能力）有可能增加与光散射有关的问题。例如，多焦点IOL已被设计为通过设计利用折射和衍射光学原理的透镜来改善近视和远视力。虽然这些镜片非常成功，但也发现这些镜片增加报道的光晕和眩光的量，这主要与光6的散射有关
一些非临床实验室研究试图通过IOL预测来自散射光的异常斑。例如，研究已经确定，IOL触觉（用于将其置于原位的IOL的手臂）和IOL的边缘容易诱发大量的观察到的眩光散射光8 。引入了一种方法，即弹道 - 光子去除积分球法（BRIM），以定量测量通过IOL 9后的非弹道光总量。然而，这种高灵敏度的技术被设计来测量散射光的总强度，并且不能识别散射光的方向性。计算机仿真软件可以与模型眼睛一起使用，以帮助预测各种IOL设计和材料的光散射的强度和方向性。例如，IOL边缘诱发Ligh的倾向模拟t散射以识别限制散射光量10的设计 。此外，结合米氏散射理论的计算机模拟验证了增加的光散射可以减少IOL的调制传递函数（MTF）（与图像质量的直接相关性） 3 。虽然有帮助，但实际的台架测试是验证这些预测模拟所必需的。
为了验证预测模拟，需要进行台架测试，以便能够检测和定量评估两种不同形式的散射光，前向散射和反向散射光。虽然不是摄像斑的来源，但是由于较少的光通过IOL以最终到达视网膜，所以向后散射的光（远离眼睛的光散射）是降低图像质量的原因。向前散射的光（向视网膜散射的光）是眼科医生的关注点可能会导致晕眩的投诉（ 如眩光，晕圈和闪光）。一个常见的例子是夜间驾驶过程中通过迎面而来的车辆报告额外的不必要的眩光;这个问题在多灶性IOLs 11中是特别常见的。然而，目前确定潜在的前向散射光的做法是眼科医生将光照射到患者的眼睛上，并定性观察反射回多少光（反向散射光），并假设后向散射光将与前向散射大致相同光（并不总是这样） 12 。
在这里，我们描述一种简单的测试方法，使用光学测量原理来定量测量散射光通过人工晶状体的大小和方向。 SLSP通过将光电二极管传感器360度旋转在暴露于光的IOL的周围来操作我们见图1a 。我们选择绿色激光源（543 nm），以最好地代表已知的最佳摄影量，并符合国际标准规格13 。这里，将IOL适配到旋转和平移保持器，其中光电二极管传感器可以围绕并观察从透镜散射的光。因此，SLSP具有定量测量散射光的大小和方向性的独特能力。然而，尽管这里没有描述，为了更好的预测能力，应该在受控环境中使用适当的眼睛模型进行实验。 IOL和光学传感器之间的距离（以及传感器元件的尺寸）将决定设备的分辨能力;然而，根据需要，将需要调整解决方案和信号强度之间的折衷。
准确描述原则SLSP平台我们定义了三种旋转角度， 见图1b和1c 。具体地说，旋转角度（°R）表示光电二极管传感器围绕IOL旋转时的旋转。这里，当传感器位于透镜后面（反向散射光）时，0˚R表示传感器位于透镜前方（向前散射光）时180˚R。 90˚和270˚的角度表示前后散射光的转换点。传感角（˚S）表示传感器枢转（上下方向）的程度，以便可以检测多于一个散射光平面。这里，0˚S表示传感器表面平行于IOL（和光源）。最后，入射角（˚I）表示光源接近IOL的角度。这里，0˚I对应于当入射光在IOL的光轴上时，＃730;将表示当光源垂直于Meridional平面时。
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Protocol
SLSP测量平台准备
注意：所有对准步骤都需要精确和耐心，以确保在测量光散射时进行准确的定量。 图1中提供的SLSP设置概述。这里，插图（ 图1a ）显示了SLSP设置的基本概念。此外， 图1b和1c有助于定义讨论中引用的各种角度。具体来说，在图1b和1c中定义了以下三个角度：˚R（传感器旋转角度），˚S（传感器测量角）和˚I（入射角）。
- SLSP对齐（图2）。
- 使用10×无穷远校正物镜将窄线宽激光源（这里为543nm中心波长）聚焦到单模输送光纤中。
注意：测试ligh以确保流明输出稳定或测量难以量化。通过观察通过光纤的光来确定聚焦光束，这不会实现100％的效率，但是应该足够使得光可以最终被传感器检测到。 - 通过将单模光纤与10X无限校正物镜集成，使光纤位于物镜的焦点上来对准光源。输出光应该导致均匀的高斯光束分布。
- 在光源前面放置一个光圈孔，以调整高斯光束的直径。
注意：将光圈孔径设置为代表人眼（ 例如直径为1-6 mm）。由于光散射型投诉通常与夜间驾驶有关，所以可以优选代表扩张虹膜的虹膜孔直径。 - 通过附加一个光电传感器来构造一个测角光度计对于具有线性平移（x，y和z方向）功能的电动/可编程360°旋转平台，使用可伸缩臂（带后夹的金属柱）。
注意：设计一个舞台平台，使翻译和倾斜调整。设计传感器安装座，可实现360˚的传感器旋转角度（˚R），并可调节至少45˚的传感器角度旋转（˚S），以测量不同的散射平面。延伸臂的距离取决于光电二极管传感器的灵敏度和所需的角度精度。 - 通过调整传感器面并调整手臂的位置，调整传感器的检测角度（根据需要）。
- 使用10×无穷远校正物镜将窄线宽激光源（这里为543nm中心波长）聚焦到单模输送光纤中。
- IOL对齐
- 构建一个IOL保持平台，使IOL位于goniophotometer上方（ 图2 ）。
- 要实现这一点，建立IOL持有平台，使IOL被暂停可以观察角膜光度计的中心位置（也可以将角度测量仪和IOL的位置反转）。
- 构建平台使用四个18“长，1/2”直径的圆柱形柱和立柱，并将它们连接到18 x 18“面包板上，该面包板是平台的基座。
- 要实现这一点，建立IOL持有平台，使IOL被暂停可以观察角膜光度计的中心位置（也可以将角度测量仪和IOL的位置反转）。
- 在面包板下面安装倾斜和旋转（I˚）功能的平移舞台（x，y和z方向），使舞台朝下。
注意：小步距（几微米）的翻译阶段在IOL对准过程中能够实现更高的精度，并且将提高测角测量精度。平台的具体尺寸可根据个人需要进行定制。因此，可以调节柱形柱和面包板尺寸。- 通过夹紧IOL触觉件，将IOL牢固地连接到IOL平台上。
注意：在这个证明的目的实验，IOL在空气中测试;然而，最佳代表体内条件的溶液和温度下的IOL将是理想的。
- 通过夹紧IOL触觉件，将IOL牢固地连接到IOL平台上。
- 使用IOL平台平台上的线性和倾斜调节将IOL直接对准光源前端（与IOL垂直于光源的平面），以确保光线方向在穿过中心位置时不会改变IOL。该位置将构成0˚的入射角（I˚）。
- 识别来自IOL的光斑的位置，并将小锥形装置放置在焦点处，以减轻散焦光的检测（必要时）。通过在IOL后面放置一张纸（例如名片）来识别光的焦点，并确定光线最紧密聚焦在哪里。这可以是主观测量。
注意：仅当需要测量纯非b时才需要执行此步骤多彩的光。 - 将光电二极管传感器的电动平台定位在IOL下方，以确保IOL位于测角仪轨迹的中心。将眼底光度计对准，使其距离IOL约12厘米。
注意：IOL和goniophotometer的关系将决定测试的分辨率，在那里放置更远的测角光度计可以获得更高的分辨率。然而，增加的距离（和较小的步长）将导致较低的信号和更长的实验时间。 - 通过旋转IOL平台平台来调整入射角（I˚）。
注意：初始实验应以0°至80°的入射角进行。超过80˚将开始接近所有光线将被反射的掠角。
- 构建一个IOL保持平台，使IOL位于goniophotometer上方（ 图2 ）。
- 程序设计
- 建立一个软件程序来协调机械mo使用系统设计软件对传感器进行相应的光测量（参见补充文件1和材料表 ）。
注意：当构建软件程序时，请考虑传感器的速度，以确保传感器的物理位置准确反映其记录的测量。 补充文件1中提供了本实验设计的程序。
- 建立一个软件程序来协调机械mo使用系统设计软件对传感器进行相应的光测量（参见补充文件1和材料表 ）。
2. SLSP实验和数据分析
- 扫描（˚R）
- 确保IOL和光源正确对准（参见第1.1和1.2节）。
- 在光电二极管传感器和IOL周围构建一个外壳，使用带有非反射内部涂层的容器，以最大限度地减少错误检测光。确保为光源提供一个开口。
注意：机柜的具体设计应定制基于室内的外部光线。因此，可以使用多种设计。然而，外壳的目的是减轻传感器检测到的所有外部光线。 - 关闭房间内的所有光源，但编程电脑除外。
- 运行SLSP软件程序（步骤1.3.1），以便传感器围绕IOL旋转，以便在每个旋转角度（˚R）下测量散射光。
- 为了测量多个平面上的散射光，可以多次运行SLSP软件程序，同时手动调整传感器的扩展臂和传感器测量角（˚S）。
注意：程序运行的次数取决于所需的结果。测量的检测角越大，识别散射光的方向性就越精确。 - 有关光束直径的研究，请在运行SLSP程序之前将光圈孔径调整到所需的直径。
注意：她e，使用1,2,3,4和4.64mm的激光束直径来最好地模拟典型的虹膜直径。 4.64毫米是使用的最大直径，因为这是未经过虹膜孔的准直光束的直径。 - 有关入射角的研究，请在运行SLSP程序之前将IOL安装座旋转到所需的入射角。研究了0˚，20˚，45˚和80˚的入射角（I˚）。
注意：需要科学的数据处理软件包来分析收集的数据。 - 对于三维成像，将来自不同˚S的每次扫描的数据与数据处理包组合在一起。通过绘制矩阵书来测量数据，其中传感器测量角（˚S）与角度或旋转（˚R）相对。
注意：为了更好地代表体外条件，SLSP平台可以颠倒，以便角膜光度计高于IOL，然后IOL可以置于温度控制的盐水溶液浴中。然而，在这些条件下，当传感器从位置移动到位置并移动介质时，传感器停留时间将需要相当长的时间来考虑盐溶液的运动。
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Representative Results
当传感器不位于光源平面上时，光度测量可以产生360˚R的信号。然而，为了从光源平面上的散射光（0˚I）采集测量结果，传感器将需要对光源进行摄像，从而产生小于360˚R的信号。在我们的实验中，确定〜20˚R的信号被阻挡，因为传感器遮挡了光源。
实验发现，直接向后散射光（〜150˚-175˚R和〜185˚-225˚R）的左右两侧观察到光散射的四个主要位置，直接向前散射光的左右观察〜10˚-25˚R和325-350˚R）。激光束直径的影响发现光束直径和散射光强度之间存在直接的相关性，应该是预期的。作为示例， 图3示出了在1mm和4.64mm的光圈孔径（没有孔的准直光源的尺寸）之间的光散射信号的差异。通过积分信号峰值下的面积，可以计算信号强度的定量差异。或者，可以计算前后散射（或两者的组合）的总强度。这些信息可能有助于眼科医师或制造商评估IOL的质量。
植入多灶性IOL的患者通常会报告有关观察与光散射相关的摄像机的投诉，特别是在夜间开车时。患者报告说，通常的车辆（ 即具有较大入射角[I˚]的光）主要观察到光的散射。因此，使用SLSP方法测试来自多焦点IOL的光散射（参见图4）。实验发现，与更典型的单焦点IOL相比，多焦点IOL产生更大的峰面积以及更多的峰值。例如， 图4显示了使用多焦点IOL的45˚I入射角的SLSP扫描。 图4插图显示通过多焦点IOL（具有同心环的绿色圆圈）的光的投射以及在300-360度的旋转角度之间的放大的SLSP信号的照片图像。 图4显示，可以使用SLSP方法检测和识别来自多焦点IOL的视觉观察到的节点，并且强烈和广泛的信号可能是夜间驾驶员观察到的眩光的潜在原因。
针对单焦点和多焦点IOL研究了入射角（I˚）和光散射之间的相关性（ 见图5 ）。这里，单焦点（左）和多焦点对于每个SLSP扫描，IOL（0）（黑线），20˚I（棕褐色线），45˚I（深蓝线）和80˚I（红线）旋转。如右图所示，当入射角增加时，观察到峰的加宽。另外，随着入射角接近掠入射角（〜80˚I），散射光的强度和散射光明显增加。这些结果是预期的，因为大多数光在这个掠角附近被反射（ 即放牧）离开透镜介质。当比较多焦点和单焦点IOL时，观察到来自多焦点IOL的光散射是强度的两倍，并且具有比单焦点IOL更尖锐的峰。这些观察到的差异可能会显着影响患者报告的眩光量。另外，如80˚I扫描（右图红线）所示，最强峰位于前后散射光（90˚R）之间的边界。可以想象这散了光可以沿着IOL的表面传播，并且在视网膜处被检测并被识别为眩光。
图1：SLSP旋转概念示意图。 （ a ）SLSP主要设置，用于定量分析暴露于眼内晶状体之后的前后光散射。 （ b ）SLSP设置的顶视图，其中˚R是传感器的旋转角度。 0˚R是传感器完全遮蔽光源的位置。 （ c ）SLSP设置的侧视图，其中˚S是感测角度。 0˚S是传感器在垂直于IOL的光散射平面上的角度。 ˚I表示相对于光源和IOL的入射角。这里，0˚I是入射光垂直于IOL表面的角度。氏这个数字已经从Walker，BN 等人 1 请点击此处查看此图的较大版本。
图2：SLSP设置的图像。 SLSP设置的摄影图像显示平台（没有防护罩）。 请点击此处查看此图的较大版本。
图3：光散射强度和光束直径之间的相关性。光束轮廓直径对散射光强度的影响。旋转角度轮廓红光为1 mm光束直径和最大光束直径（〜4.6 mm）。这个数字已经从Walker，BN et al。 1 请点击此处查看此图的较大版本。
图4：多焦点IOL观察到的光散射。具有45˚发生角度的多焦点IOL样本的SLSP测试。插图显示了对应于投射到平面上的光（绿色圆圈）的相机图像的最强烈的前向散射峰的放大轮廓。这个数字已经从Walker，BN et al。 1 请点击这里查看更大的版本这个数字的n。
图5：光散射强度与入射角之间的相关性（I˚）。比较（左）单焦点和（右）多焦点IOL的来自IOL的入射角对光散射的影响。注意，仅仅看起来偏移图表，因为改变入射角也改变了散射光的位置。这个数字已经从Walker，BN et al。 1 请点击此处查看此图的较大版本。
补充文件1：通过相应的光测量来协调传感器的机械运动的软件程序 。ove.com/files/ftp_upload/55421/SLSP-JoVE.vi">请点击此处下载此文件。
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Discussion
SLSP平台实验的结果发现，使用简单的光学测量原理可以为评估与独特IOL设计和材料相关的光散射性质提供强大的工具。具体地说，SLSP平台已经观察到可检测散射光的量与光源的光束直径之间的直接相关性。另外，在多焦点IOL中发现的多个分散峰可以用SLSP容易地观察到。此外，随着光源接近掠角，SLSP观察到散射光的大幅度增加，因为大多数光被透镜表面反射。
如协议中所述，光源和IOL的对准对于准确测量散射光是至关重要的。此外，传感器的位置必须通过软件编程与传感器测量准确相关。对齐我可以通过将光输出通过位于同一光学平面（X，Y和Z）上的针孔开孔来校正。放置在IOL后方的针孔也可用于确保IOL也正确对准。定制软件程序的故障排除是通过确保每个软件步骤完成所需的结果来实现的。
SLSP平台已被证明可以定量评估具有接近360˚R观察能力的光散射的大小和方向。因此，SLSP平台可能是评估当前和新颖的IOL设计和材料的有力工具，以更好地预测它们是否具有过度散射光的潜力，特别是与强大的模拟程序配合时。这种非临床方法可以减少患者报告的摄像困难的数量，并提高IOL的整体图像质量，导致不满意的患者和次要的患者减少geries去掉镜片。
目前的SLSP平台设置具有与最佳代表体内条件相关的限制，因为温度和周围的介质不会模仿眼睛的状况。可以修改平台来纠正这个限制。具体地说，平台可被倒置，使得传感器在IOL之上，并且IOL可以放置在温度控制的盐溶液浴和/或模型眼睛的内部。这些结果将更好地代表患者所经历的病情。此外，通过修改角度光度计可以实现360˚的成像。可以对平台进行这些改变，以改善IOL光散射的评估;然而，背向散射的光（远离眼睛的光）不是眩光或闪光的已知问题，因为该光不会被视网膜检测到。进行这些修改后，可以将SLSP应用于直接评估n当前和未来IOL的设计和材料。此外，将SLSP结果与验证的患者报告结果和计算机模拟相关联可能是更好地预测结果并最终有助于将光学测试从临床转移到非临床的有力工具。从临床到非临床的翻译将会更早地将创新性的IOL引入市场，减少对潜在有害（和昂贵的）临床研究的需求。
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Disclosures
提及商业产品，其来源或与本文中报道的材料有关的用途，不得视为卫生和服务部对此类产品的实际或默示的认可。
Acknowledgments
作者要感谢公司获取其单焦点和多焦点人工晶状体。这项工作得到了橡树岭科学与教育研究所（ORISE）和医疗器械研究金计划（MDFP）的支持，他们的贡献也得到了赞赏。此外，作者还要感谢宋代在实验室的贡献。
Materials
| 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 |
References
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