Контактные линзы и способы проектирования указанных контактных линз

Изобретение относится к области офтальмологии и направлено на создание контактных линз, при котором учитывают их гибкость для повышения комфортности и удобства пользования контактными линзами, которые при этом не имеют сложных конструкций задней поверхности. Кроме того, согласно изобретению конструкции контактных линз могут быть оптимизированы виртуально, при этом исключается необходимость в итерационных циклах проектирование-испытание на глазу и повторное проектирование. Указанные технические результаты обеспечиваются за счет того, что способ проектирования контактной линзы содержит этапы, на которых выбирают модель глаза, выбирают метрики оптических характеристик для линзы на глазу, используя модельный глаз, разрабатывают первую линзу, имеющую первую конструкцию, при этом конструкция содержит, по меньшей мере, первую оптическую зону, моделируют гибкость первой линзы на глазу, чтобы определить форму и показатели характеристик для первой линзы на глазу, и сравнивают выбранные метрики характеристик с показателями полученных характеристик, выбирают первую конструкцию как конструкцию контактной линзы, если указанная конструкция удовлетворяет метрикам характеристик, и корректируют указанную конструкцию, в случае, если она не удовлетворяет указанным метрикам характеристик, при этом модель глаза представляет собой линзы в качестве узлов и элементов сетки конечных элементов, так что нагрузки или серии нагрузок, моделирующие силы в естественных условиях, прикладываются к линзе, когда она находится на глазу. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к проектированию и изготовлению офтальмологических линз. В частности, изобретением предоставляются контактные линзы, при проектировании которых учитывают изгиб линзы.

Предпосылки создания изобретения

Хорошо известно использование контактных линз, имеющих один или несколько участков кривизны, для коррекции остроты зрения человека. Часть обычным путем поставляемых линз изготавливают, используя мягкие материалы для линз. Когда мягкую контактную линзу помещают на глаз, кривизна линзы изменяется, поскольку мягкая линза будет в известной степени опираться на роговицу. Это известно как укладка или изгиб линзы. Изгиб может сказываться на различных параметрах линзы, таких как диаметр, сагиттальная глубина и радиусы кривизны передней и задней поверхностей, изменяя их величины. Например, сагиттальная глубина может уменьшаться на 20%, а радиус кривизны может изменяться на 5%. Величина, до которого кривизна линзы изменяется вследствие укладки, зависит от конструкции линзы, механических характеристик материала линзы и окружающих условий глаза, таких как геометрия, pH, температура и т.п.

В некоторых известных способах проектирования линз пытаются учесть изгиб линзы. Например, известна такая конструкция задней поверхности линзы, что она по существу воспроизводит топографию роговицы владельца линзы или соответствует ей. Однако это является недостатком, поскольку поверхность роговицы изменяется от человека к человеку, и в этом способе для отдельного человека необходима выполненная по индивидуальному заказу конструкция задней поверхности линзы. Кроме того, в этом способе необходимо проектировать и изготавливать сложные задние поверхности для каждой линзы. Наконец, чтобы эти линзы были эффективными, они должны сохраняться в состоянии точного центрирования на глазу без перемещения и поворота.

Другой известный способ проектирования линзы предназначен для разработки конструкции линзы, проверки конструкции на глазу, изменения конструкции на основании проверки и повторения каждого из этих этапов до оптимизации конструкции. Этот способ является дорогим и трудоемким.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

Фиг.1а - график полихроматической модуляционной передаточной функции системы линза-глаз в случае центрированной линзы;

фиг.1b - график полихроматической модуляционной передаточной функции системы линза-глаз в случае децентрированной линзы;

фиг.2а - график полихроматической модуляционной передаточной функции системы линза-глаз из фиг.1а, в которой линза оптимизирована относительно укладки; и

фиг.2b - график полихроматической модуляционной передаточной функции системы линза-глаз из фиг.1b, в которой линза оптимизирована относительно укладки.

Описание изобретения и его предпочтительных вариантов осуществления

Настоящим изобретением предоставляются способы проектирования контактных линз и линзы, изготавливаемые этими способами, при этом в способах учитывают изгиб линзы. Одно преимущество способа изобретения заключается в том, что он не зависит от конструкции задней поверхности линзы, и поэтому не требуются сложные конструкции задней поверхности. Кроме того, проектирование линзы может быть оптимизировано виртуально, при этом исключается необходимость итерационных циклов проверки конструкции на глазу и повторного проектирования.

В одном варианте осуществления изобретения предоставляется способ проектирования контактной линзы, содержащий, состоящий по существу из и состоящий из: а) выбора модели глаза; b) выбора метрик оптических характеристик для линзы на глазу с использованием модельного глаза; с) разработки первой линзы, имеющей первую конструкцию, при этом конструкция содержит, по меньшей мере, первую оптическую зону; d) моделирование изгиба первой линзы на глазу для определения формы и показателей характеристик для первой линзы на глазу; и е) сравнения метрик характеристик, выбранных на этапе b), с показателями характеристик из этапа d) для определения различия в метриках.

На первом этапе способа изобретения модель глаза выбирают, чтобы определить требуемые оптические характеристики системы линза-глаз. Модель глаза может быть любой подходящей известной моделью, например моделью глаза, основанной на среднем показателе для популяции или на результате измерения глаза человека. Модели глаза, используемые в способе изобретения, должны содержать топографическое описание передней поверхности роговицы и изложение оптических характеристик глазного яблока, пригодные для оптического анализа. Модель глаза может иметь ряд форм, включающих, без ограничения ими, основанную на анатомии или представленную в виде волнового фронта. Независимо от формы модели глаза модель должна обеспечивать вычисление оптических свойств изображения в плоскости изображения или сетчатки, чтобы можно было осуществлять сравнение с метриками характеристик. Примеры подходящих моделей глаза включают в себя, без ограничения ими, модель Liou-Brennan, в частности раскрытую в Liou H., and Brennan N.A. Anatomically accurate, finite model eye for optical modeling, J. Opt. Soc. Am. A, 14(8), p.1684-1695 (1997), и модель Navarro, в частности раскрытую в Navarro R., Santamaria J. and Bescos J. Accommodation-dependent model of the human eye with aspherics, J. Opt. Soc. Am. A, 2(8), p.1273-1281 (1985).

На втором этапе способа изобретения выбирают метрики оптических характеристик. Выбранные метрики являются метриками, необходимыми при рассмотрении линзы на модельном глазу. Метрики характеристик могут любыми известными метриками, включающие, без ограничения ими, кривые модуляционной передаточной функции (МПФ), визуальное число Штреля и т.п.

На третьем этапе изобретения разрабатывают конструкцию первой линзы. Конструкция первой линзы состоит из, по меньшей мере, оптической зоны одной поверхности требуемой линзы. Более предпочтительно, чтобы конструкция состояла из полностью ограниченной геометрии линзы, означающей, что геометрия линзы полностью описана, а все из ее степеней свободы подчинены ограничениям. Первую конструкцию можно разработать, используя любое количество доступных для приобретения программных обеспечений, предназначенных для расчета оптических систем, включающих, без ограничения ими, CODE V™, ZEMAX™, OSLO™ и т.п. Конструкция линзы основана на выбранных требуемых метриках характеристик, измеренных с использованием модуляционной передаточной функции (МПФ), визуального числа Штреля и т.п. Линзы изобретения могут иметь любое количество корректирующих оптических характеристик, реализованных на передней и задней поверхностях. Например, линза может иметь одну или несколько из сферической, асферической, бифокальной, мультифокальной, призматической или цилиндрической коррекций.

Затем моделируют теоретическую деформацию и укладку линзы на глазу. При моделировании учитывают силы, имеющиеся в системе линза-глаз, и эти силы включают в себя, без ограничения ими, силу тяжести, давление слезной пленки, давление века, движение века, трение между роговицей и задней поверхностью линзы, смещение точек внутри тела линзы вследствие механического напряжения и деформацию линзы вследствие дегидратации линзы. Кроме того, предпочтительно, чтобы свойства используемого материала линзы могли включаться в качестве входных данных при моделировании. Более предпочтительно, чтобы эти входные данные включали в себя модуль Юнга, коэффициент Пуассона, кривые напряжение-деформация и плотность материала, а изменения таких входных данных в зависимости от характеристик окружения условий глаза, включали в себя, без ограничения ими, температуру, pH, влажность и т.п. Специалист в данной области техники должен осознавать, что входные данные, выбираемые для материала, зависят от используемого материала.

Укладку линзы моделируют, используя доступное для приобретения программное обеспечение, с помощью которого можно моделировать деформацию линзы на глазу. Подходящее, доступное для приобретения программное обеспечение включает в себя, без ограничения им, MSC.MARC™, ABAQUS™ и т.п. Программное обеспечение должно быть удовлетворяющим требованиям, позволяющим пользователю представлять линзу в виде сетки конечных элементов, что означает серию узлов и элементов, и прилагать сочетание нагрузок или серию нагрузок к узлам и элементам, моделирующих силы в естественных условиях, которые прикладываются к линзе, когда она находится на глазу. Типовая линза будет реагировать на сочетание нагрузок деформацией и укладкой на глаз до тех пор, пока линза не примет стабильную форму.

После того как стабильная форма достигнута, узлы, описывающие деформированную форму передней и задней поверхностей линзы, выделяют и приводят в соответствие с кривой в случае двумерного моделирования или с поверхностью в случае трехмерного моделирования в формате, который может быть импортирован в используемое программное обеспечение для анализа. Специалист в данной области техники должен осознавать, что использование двумерного или трехмерного моделирования зависит от формы глаза и линзы. Например, для невращательно симметричной линзы, такой как торическая линза, необходимо использовать трехмерную модель. Любой подходящий численный метод, например подбор методом наименьших квадратов, можно использовать для приведения кривой или поверхности в соответствие с серией точек. Подходящее, доступное для приобретения программное обеспечение, предназначенное для такого использования, включает в себя, без ограничения им, MATHMATICA™, MATLAB™, MATHCAD™ и т.п.

Затем требуемые метрики характеристик сравнивают с полученными моделированием на глазу характеристиками. Уложенные профили передней и задней поверхностей линзы импортируют в подходящее, доступное для приобретения программное обеспечение, такое как, без ограничения ими, ZEMAX™, OSLO™, CODE V™ и т.п. Если полученные моделированием на глазу характеристики соответствуют требуемым метрикам или превышают их, конструкция линзы является приемлемой. Если требуемые метрики не соответствуют требованиям или не перекрываются, первую конструкцию изменяют для получения второй линзы в соответствии со второй конструкцией, в которую вводят поправку на различие между выбранными метриками и метриками, полученными для первой конструкции линзы, и последние два этапа способа повторяют. Эту итерацию можно осуществлять до получения приемлемых результатов проектирования. Специалист в данной области техники должен осознавать, что изменение конструкции может включать в себя одно или несколько изменений одного или нескольких радиусов кривизны, толщины линзы и характеристик материала линзы. Как вариант оптимизирующая методика может быть использована для автоматической оптимизации конструкции линзы вместо ручной итерации от начала и до конца проектирований. Например, для этого можно использовать генетический алгоритм, чтобы одновременно оптимизировать множество переменных, например радиусов кривизны и конических постоянных. Подходящие генетические алгоритмы имеются в литературе, в том числе, без ограничения, в Colin R. Reeves and Jonathan E. Rowe, “Genetic-algorithms - Principle and perspectives: A guide to Ga theory” (2004).

Линзы, спроектированные способом изобретения, представляют собой мягкие контактные линзы и могут быть изготовлены с использованием любых известных материалов и способов, обычно используемых при изготовлении мягких контактных линз. Подходящие предпочтительные материалы для формования мягких контактных линз с использованием способа изобретения включают в себя, без ограничения ими, кремниевые эластомеры, кремнийсодержащие макромеры, включающие, без ограничения ими, раскрытые в патентах США №№5371147, 5314960 и 5057578, полностью включенных в настоящую заявку путем ссылки, гидрогели, кремнийсодержащие гидрогели и т.п. и сочетания из них. Более предпочтительно, чтобы материал линзы содержал силоксановые функциональные группы, включающие в себя, без ограничения ими, полидиметилсилоксановые макромеры, метакрилоксипропилполиалкилсилоксаны и смеси из них, силиконовый гидрогель или гидрогель, полученный из мономеров, содержащих гидроксигруппы, карбоксильные группы или сочетания из них. Материалы для изготовления мягких контактных линз являются хорошо известными и доступными для приобретения. Предпочтительно, чтобы материалом был аквафилкон, этафилкон, генфилкон, ленефилкон, балафилкон, лотрафилкон или галифилкон.

Изобретение будет дополнительно пояснено путем рассмотрения следующих, не ограничивающих примеров.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Способ использовали для проектирования осесимметричной линзы -3 дптр, изготавливаемой из этафилкона А. Выбирали основанный на анатомии модельный глаз, имевший переднюю поверхность роговицы, которая составляла 7,84 мм/-0,26 коническая поверхность. Выбранными метриками характеристик была полихроматическая модуляционная передаточная функция.

Номинальная одиночная оптическая линза была исследована в воздухе. Линза имела показатель преломления 1,4, радиус кривизны основания 8,3 мм, толщину в центре 0,084 мм и радиус сферического фронта 8,87 мм. Линзу представляли сеткой в модели конечных элементов и для линзовых элементов использовали характеристики сверхупругого материала. Чтобы сделать оптическую зону задней поверхности согласованной с роговицей, использованным граничным условием было обратное давление относительно кривой основания линзы. При этом моделировании веки предполагались широко открытыми, это означало, что они не мешали укладке, а эффекты разбухания, обусловленные изменением окружающих условий, и дегидратация игнорировались. Моделирование укладки осуществляли до тех пор, пока линза не становилась стабильной, что определяли путем регистрации смещения нескольких узлов вдоль передней поверхности линзы и фиксации временного шага, на котором смещение всех узлов от их положения становилось постоянным.

Используя метод наименьших квадратов, уточненную дополнительную кривизну асферы приводили в соответствие с узлами деформированных передней и задней поверхностей. Использовали следующий формат уточненной дополнительной асферы:

,

где:

ρ - нормированная радиальная координата;

α_i - постоянные полинома;

Cν - кривизна и

Cc - коническая постоянная.

Затем получали кривые полихроматической модуляционной передаточной функции для системы уложенная линза-глаз. На фиг.1а представлен график кривых модуляционной передаточной функции, относящихся к характеристикам центрированной номинальной линзы, и эти характеристики являются приемлемыми. На фиг.1b представлены характеристики для децентрированной номинальной линзы, и эти характеристики не являются приемлемыми.

Чтобы получить переднюю поверхность конической с радиусом 8,35 мм, имеющей коническую постоянную -0,13, конструкцию изменяли. Анализ методом конечных элементов, моделирование укладки и подбор кривых повторяли. Кривые полихроматической модуляционной передаточной функции, относящиеся к характеристикам центрированной и децентрированной линз показаны на фиг.2а и 2b, и они являются приемлемыми.

1. Способ проектирования контактной линзы, содержащий этапы, на которых: а) выбирают модель глаза; b) выбирают метрики оптических характеристик для линзы на глазу, используя модельный глаз; с) разрабатывают первую линзу, имеющую первую конструкцию, при этом конструкция содержит, по меньшей мере, первую оптическую зону; d) моделируют гибкость первой линзы на глазу, чтобы определить форму и показатели характеристик для первой линзы на глазу; и е) сравнивают метрики характеристик, выбранные на этапе b), с показателями характеристик из этапа d), выбирают первую конструкцию как конструкцию контактной линзы, если указанная конструкция удовлетворяет метрикам характеристик, и корректируют указанную конструкцию, в случае, если она не удовлетворяет указанным метрикам характеристик, при этом модель глаза представляет собой линзы в качестве узлов и элементов сетки конечных элементов, так что нагрузки или серии нагрузок, моделирующие силы в естественных условиях, прикладываются к линзе, когда она находится на глазу.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых: f) разрабатывают вторую линзу, имеющую вторую конструкцию, в которую вводят поправку на различие в метриках; g) моделируют гибкость на глазу второй линзы, чтобы определить форму и показатели характеристик для второй линзы на глазу; и h) сравнивают метрики характеристик, выбранные на этапе b), с показателями характеристик из этапа g).

3. Способ по п.1, в котором метрики оптических характеристик содержат одно из кривых модуляционной передаточной функции и визуального числа Штреля.

4. Способ по п.2, в котором метрики оптических характеристик содержат одно из кривых модуляционной передаточной функции и визуального числа Штреля.

5. Способ по п.1, в котором конструкция первой линзы содержит, по меньшей мере, оптическую зону одной поверхности первой линзы.

6. Способ по п.2, в котором конструкция первой линзы содержит, по меньшей мере, оптическую зону одной поверхности первой линзы.

7. Способ по п.1, в котором конструкция первой линзы содержит полностью ограниченную геометрию первой линзы.

8. Способ по п.2, в котором конструкция первой линзы содержит полностью ограниченную геометрию первой линзы.

9. Способ по п.1, в котором при моделировании учитывают (i) силы, выбираемые из группы, состоящей из силы тяжести, давления слезной пленки, давления века, движения века, трения между роговицей и задней поверхностью линзы, перемещения точек внутри тела линзы вследствие механического напряжения и деформации линзы вследствие дегидратации линзы, и (ii) свойства, выбираемые из группы, состоящей из модулей Юнга, коэффициента Пуассона, кривых напряжение-деформация и плотности материала.

10. Способ по п.2, в котором при моделировании учитывают (i) силы, выбираемые из группы, состоящей из силы тяжести, давления слезной пленки, давления века, движения века, трения между роговицей и задней поверхностью линзы, перемещения точек внутри тела линзы вследствие механического напряжения и деформации линзы вследствие дегидратации линзы, и (ii) свойства, выбираемые из группы, состоящей из модулей Юнга, коэффициента Пуассона, кривых напряжение-деформация и плотности материала.

11. Линза, полученная в соответствии со способом по п.1.

12. Линза, полученная в соответствии со способом по п.10.