© Bausch & Lomb 2009

Lenti a contatto personalizzate per migliorare la visione:

sono realizzabiliin un mondo di lenti disposable ?

Ian Cox, BOptom, PhD, FAAODistinguished Research FellowBausch & Lomb, Rochester, NY

Riconoscimenti

Bausch & Lomb,Rochester R&D

• Griff Altmann• Gary Richardson• Michele Lagana • Ravi Somasundurum• Tim Green• Daozhi Wang• Amanda Kingston• Alexis Vogt

Center for Visual Science,University of Rochester

• Geunyoung Yoon• Jason Porter• Tae Moon Jeong• Ramkumar Sabesan• Dave Williams • Antonio Guirao

Cosa è un’aberrazione del

fronte d’onda?

Cause dell’offuscamento dell’immagine retinica

DiffrazioneAberrazioni

Dispersione della luce

1 mm 2 mm 3 mm 4 mm

5 mm 6 mm 7 mm

Misurazione della densità della luce (PSF) vs Diametro della pupilla

di un “occhio perfetto”

pupil images

followed by

psfs for changing pupil size

1 mm 2 mm 3 mm 4 mm

5 mm 6 mm 7 mm

Point Spread Function vs. Pupil SizeTypical Eye

Misurazione della densità della luce (PSF) vs Diametro della pupilla

di un “occhio normale”

© Bausch & Lomb 2009

Che cosa è il fronte d’onda ?fronte d’onda idealefascio parallelo

=fronte d’onda piano Fronte d’onda con defocus

fascio parallelo=

fronte d’onda piano fascio aberrato=

fronte d’onda irregolare

fronte d’onda ideale

Che cosa è il fronte d’onda aberrato ?

-3 -2 -1 0 1 2 3

-3

-2

-1

0

1

2

3

Wavefront Aberration

mm (superiore-inferiore)

mm

(sup

erio

r-in

ferior

)

Visione tri-dimensionale Visione bi-dimensionale

Aberrazione del fronte d’onda di una superficie

Aberrazione del fronte d’ondaAberrazione del fronte d’onda

mm (destra-sinistra)Superiore-inferiore

Come vengono misurate

le aberrazioni del fronte d’onda

dell’occhio ?

Rilevazione fronte d’onda Shack-Hartman

Occhio perfetto

Occhio aberrato

Matrice di piccole lenti

MatriceCCD Macchie Fronte aberrato

Sensore fronte d’onda Shack-Hartmann

© Bausch & Lomb 2009

Aberrazionesferica

ComaAstigmatismoDefocus Astigmatismotriangolare

Immagine Hartmann-Shack Ricomposizione del fronte d’onda

Scomposizione di un fronte d’onda Modello di Zernike

trifoglio coma coma trifoglio

quadrifoglio sferico

2°

3°

4°

5°

Ordine Radiale

quadrifoglio

pentafoglio Trifoglio secondario

Comasecondario

pentafoglio

defocusastigmatismo astigmatismo

astigmatismo secondario

Z20Z 2

-2 Z22

Z 3-1 Z3

1Z 3-3 Z3

3

Z40 Z4

2Z 4-2 Z4

4Z 4-4

Z51Z 5

-1 Z53Z 5

-3 Z55Z 5

-5

~ Rifrazione convenzionale

Aberrazioni di ordini superiori

astigmatismo secondario

Comasecondario

Trifoglio secondario

Modalità AstigmaticheModalità di coma

Modalità trifoglio

Aberrazione sferica

Coefficienti di Zernike

6.0 mm pupil

Fronte d’ondaMisurazione densità

della luce (PSF)Convoluzione

Immagine

Piano pupillare vs piano retinico

Sono necessarie lenti a Contatto per correggere

le aberrazioni di ordini superiori?

© Bausch & Lomb 2009

Z7

Z8

Z9

Z10

Z11

Z12

Z13

Z14

Z15

Z16

Z17

Z18

Z19

Z20

Z21

3rd, 4th, & 5th Order Zernike Co-Efficients

Zern

ike

Co-

Effi

cien

tMag

nitu

de(u

m)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Normals Keratoconics

Aberrazioni da cheratocono

Aberrazione sferica

Coma

Coefficienti di Zernike 3°, 4° e 5° ordine

Normali Cheratocono

Gra

ndez

zaco

effic

ient

idiZ

erni

ke(u

m)

Fronte d’onda PSF ConvoluzionePupilla da 3mm

Pupilla da 6mm

Superficieanteriore

Elevazione anteriore

Aberrazioni LASIK

Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13Z14Z15Z16Z17Z18Z19Z20Z21

Zernike Co-Efficients - Normal vs Refractive Surgery Populations

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

NORMAL REFRACTIVE

Spherical Aberration

Coma

Coefficienti di Zernike – Popolazione Normale rispetto a pazienti post chirurgia refrattiva

Normale Refrattiva

PSF ConvoluzionePupilla da 3mm

Pupilla da 6mm

Fronte d’onda

Superficieanteriore

Elevazione anteriore

Distribuzione popolazione normaleZernike Co-Efficient Distribution - Normal Population

Zern

ike

Co-

effic

ient

Mag

nitu

de(u

m)

Mean Mean±SD Min-Max Z311

Z310Z331

Z330Z400

Z420Z421

Z440Z441

Z510Z511

Z530Z531

Z550Z551

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Pupil = 6.0mm

n = 838

Coefficienti di Zernike - Distribuzione popolazione normale

Gra

ndez

zaco

effic

ient

idiZ

erni

ke(u

m)

HORMS rispetto errore refrattivoRelationship Between Refractive Sphere and Higher Order Wavefront Aberration of the Eye

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

Refractive Sphere (D)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

HO

RM

S(u

m)

Pupil Size = 6.0mmn = 838

53%

Rapporto tra sfera refrattiva e aberrazione fronte d’onda di ordine superiore dell’occhio

Sfera Refrattiva (D)

Diametro pupilla = 6.0mm

© Bausch & Lomb 2009

Progettazione di lenti a contatto:quale tipo di aberrazioni

del fronte d’onda di ordine superioreoccorre correggere?

Progettazione di lenti a contatto personalizzate

Fronte d’onda “Ottimizzato”:• Correzione parziale HOA• Defocus e aberrazione sferica

• Aberrazioni simmetriche rotazionali • es. PureVision, Choice AB, Frequency55, Biomedics55

Premier

Fronte d’onda guidato:• Correzione totale fronte d’onda • Aberrazioni di HOA di 2°, 5° e 6°

• Aberrazioni simmetriche e non rotative• es. Ophthonix IZon, Technovision LaseLens, QuarterLambda

SynergEyes W

Popolazione aberrazione sferica Normal Population Spherical Aberration (Z 0

4)

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Spherical Aberration Z 04 (um)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

No

ofob

s

Pupil Size = 6.0mmn = 838

Popolazione normale aberrazione sferica (Z 0 4)

n.di

pazi

enti

osse

rvat

i

Aberrazione sferica Z 0 4 (um)

Diametro pupilla = 6.0mm

Lenti a contatto - Correzione aberrazione sferica:Caso 1 “Buono” pupilla da 5.7mm

Fronte d’onda PSF Convoluzione

Miopia Astigmatismo rapporto Strehl corretto=0.097

Miopia Astigmatismo & Aberrazione sferica rapporto Strehl corretto =0.454

Ottica delle lenti a contatto asferiche

Design più semplice delle lenti a contatto personalizzate • Corregge le aberrazioni sferiche simmetriche• Basato sulla media della popolazione • Prodotte facilmente per tornitura

Il Design ideale delle lenti asferiche

SF≥1

SF<1

Aberrazione sferica

Potere-6.00D -5.00D -4.00D -3.00D -2.00D -1.00D

-0.10µm

-0.20µm

SFERICAANTERIORE

ASFERICAANTERIORE

LIVELLO DI ABERRAZIONE SFERICA SULLA MEDIA DELLA POPOLAZIONE TEORICAMENTE

DIVERSA DA ZERO(PRESUMENDO CENTRATURA LENTI

PERFETTA)

© Bausch & Lomb 2009

Spherical Aberration vs Spherical Refractive Error

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

Refractive Error Sphere (D)

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Sph

eric

alA

berra

tion

-Z0 4

(um

)

Pupil Size = 6.0mmn = 838

Distribuzione popolazione aberrazione sferica

Aberrazione sferica vs Errore refrattivo sferico

Aber

razi

one

sfer

ica

-Z0

4(u

m)

Errore refrattivo sferico (D)

Diametro pupilla = 6.0mm

Distribuzione popolazione aberrazione sferica

Spherical Aberration Following Average Population Value Offset

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

AvgOfPPRSphere

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Sphe

rical

Aber

ratio

n(w

ithAv

erag

ePo

pula

tion

Offs

et)(

um)

Aberrazione sferica media popolazione diversa da zero

Aber

razi

one

sfer

ica

(med

iapo

pola

zion

edi

vers

ada

zero

)(u

m)

Media di PPR Sfera

Lenti a contatto – Correzione aberrazione sferica:Caso 2 “Sufficiente” 5.7mm Pupilla

Fronte d’onda PSF Convoluzione

Miopia Astigmatismo rapporto Strehl corretto=0.018

Miopia Astigmatismo & aberrazione sferica rapporto di Strehl corretto=0.022

Impatto visivo Aberrazione sfericaRapporto di Strehl rispetto correzione aberrazione

n.pa

zien

tios

serv

ati

Rapporto di Strehl

Correzione Miopia, Astigmatismo

Correzione Miopia, Astigmatismo & Aberrazione sferica

Correzione Miopia, Astigmatismo, Coma, Trifoglio & Aberrazione sferica

Correzione personalizzatadell’aberrazione del fronte d’onda con

lenti a contatto:

che tipo di lenti utilizzare?0

0.2

0.4

0.6

0.8

12nd3rd4th5th6th

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

RM

Sof

resi

dual

WA

(mic

rons

)

translation (mm)

Correzione ordini fino a:

0 5 10 15 20 25 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1

rotation (deg)

Defocus e aberrazione sferica

Lenti a contatto personalizzate:effetto rotazione e movimento

Gurao et. al. VSIA, 2000

RM

Sde

lfro

nte

d’on

dare

sidu

o(m

icro

n)

traslazione (mm) rotazione (deg)

© Bausch & Lomb 2009

Applicazione ottimale lenti RGP Teoria applicazione lenti morbide

MODELLO MOVIMENTO GENERALE

PRESSIONE NEGATIVA CREATA SOTTO LA LENTE - RESISTENZA AL MOVIMENTO

Design lenti toriche morbide

- Necessario meccanismo di orientamentoCorrezione personalizzata

dell’aberrazione del fronte d’ondacon lenti a contatto morbide

-In che modo produrle?

Tecniche di produzioneTornio castomizzato:• Tornio a 3 assi • Accuratezza Sub-micron • Fase di idratazione • Lucidatura non necessaria • Economicamente vantaggioso

Stampaggio personalizzato:• Stampi personalizzati

• Tornito o ablato • Plastica o metallo • Materiali alto Dk

© Bausch & Lomb 2009

Tecniche di produzione

Combinazione Stampaggio/Tornitura:• Superficie posteriore stampata • Superficie anteriore tornita

Ablazione diretta:• Ablazione superficie anteriore polimero allo stato secco • Ablazione aberrazioni ordine superiore su spazio aberrazioni

ordine inferiore• Eccimeri di minuscole dimensioni • Lenta• Costosa

Aberrazione misurata delle lenti a contatto personalizzate

3 µm

-3 µm

Design Misurazione

-1.2

-0.9

-0.6

-0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

1.2

3° 4° 5°

Coe

ffic

ien

tedi

Zern

ike

(µm

)

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Modalità Zernike

: design: Misurazione

HO rms residuo = 0.25 Hm

WFG CLs: Modello di business

Il tornio CNC è in grado di produrrelenti personalizzate asimmetriche

Il design delle lenti correttive viene elaborato a computer via Internet

Sensore di fronte d’onda per misurazioneaberrazione presso lo studio

Le lenti vengono imballate e spediteallo studio o al paziente

Correzione personalizzatadell’aberrazione del fronte d’onda

con lenti a contatto morbide

-È possibile migliorare -la qualità visiva ?

Correzione dell’aberrazione dell’occhio utilizzandoanelli forati (phase plate) e misurazione della

prestazione visiva

Eye

Visual stimulus

Phase plate(pupil conjugate)

Laser

CCD

Proiettore a microspecchi DMD

Artificialpupil

Wavefrontsensor

Visual acuity

Telecamerapupilla

Errore di riduzione dell’RMS (Media quadratica)

0

1

2

3

4

5

6

0

1

2

3

4

5

6

Erro

refr

onte

d’on

darm

s(µ

m)

HOA rmsRms totale

Soggetti

GY JP MM IC FE Media GY JP MM IC FE Media

Occhio

Occhio + piastra di fase

Pupilla da 6mmPupilla da 6mm

© Bausch & Lomb 2009

GY JPSoggetti IC MM FE

µm µm

Occhio

Correzione2° ordine

Correzione 2°+ ordinisuperiori(piastra di fase)

Riduzione dell’aberrazione di ordine superiore: fattibilità

GY JPSoggetti IC MM FE

Occhio

Riduzione delle aberrazione di ordine superiore: fattibilità

Correzione2° ordine

Correzione 2°+ ordinisuperiori(piastra di fase)

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Miglioramento acutezza visiva

High contrast (100%) letter Low contrast (10%) letter

Soggetti

GY JP MM IC FE Media

Acut

ezza

visi

va(lo

gMAR

)

20/20

20/16

20/12.5

20/10

Correzione esclusiva del 2°ordine

Correzione 2°+ordini superiori

20/25

GY JP MM IC FE Media

20/32

20/20

20/16

20/12.5

20/10

20/25

20/32

Lettera ad alto contrasto (100%) Lettera a basso contrasto (100%)

Correzione visiva con lenti a contatto personalizzate per cheratoconoSabesan (2007)

• Correzione di 3 pazienti con cheratocono con lenti a contatto morbide personalizzate

• Hydrogel 45% di acqua

• Standard B&L Optima Toric – tornite

• Sovrarefrazione sfero-cilindro, “4 alternative forced choice”

Misurazione

Correzione visiva con lenti a contatto personalizzate per cheratoconoSabesan (2007)

Correzione personalizzata dell’aberrazione del fronte d’onda

con lenti a contatto morbide

- Problemi da risolvere?

© Bausch & Lomb 2009

Problemi da risolvere

• Centratura lenti

• Adattamento del sistema visivo

Asse Visivo

Centro della Pupilla(Linea visone)

Centro dellaCornea

Cornea Pupilla

Linea visiva rispetto asse visivo

MetodiCentratura pupila rispetto al centro della cornea

-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Pupil Center Relative to Corneal Center- Horizontal (mm)

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

Pupi

lCen

terR

elat

ive

toC

orne

alC

ente

r-V

ertic

al(m

m)

NasalTemporal

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Visual Axis Displacement Relative to Pupil Center - Horizontal (mm)

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Visu

alAx

isD

ispl

acem

entR

elat

ive

toPu

pilC

ente

r-V

ertic

al(m

m)

Temporal Nasal

Asse visivo rispetto al centro della pupilla

Centratura lenti

Acquisizione: lenti di prova Problemi da risolvere

• Centratura lenti

• Adattamento del sistema visivo

© Bausch & Lomb 2009

Correzione pazienti con cheratocono(Sabesan & Yoon, 2009)

• Confronto tra pazienti con cheratocono e pazienti normali

• Adattamento in tempo reale per correggere le aberrazioni di ordine superiore• Test acutezza “4 alternative forced choice”

Tecnicamente fattibile per un’ampia percentuale di pazienti che necessitano di correggere la propria vista

Per ottenere risultati ottimali occorrono correzioni personalizzatedelle singole aberrazioni dei fronti d’onda sul piano non rotativo fino al 5° ordine di Zernike.

Dovrebbero essere prodotte lenti di tipo disposable

Occorre l’orientamento e la centratura delle lenti

Occorre l’adattamento del sistema visivo per ottenere maggiori benefici

Conclusione