Ppt0000062

1.

Адаптивная оптика
в офтальмологии
лекция в рамках мини-курса
Медицинская физика
неионизирующих излучений
Гончаров А.С.
Физический факультет МГУ
Кафедра Медицинской физики
http://medphys.phys.msu.ru

2. 1. Фотокамера и Глаз

3. 2. Цифровая камера и Глаз

Изображение, снятое
цифровым фотоаппаратом
ПЗС-матрица и сетчатка глаза

4.

3. Фокусировка лучей в глазу

5.

4. Фокальное пятно на сетчатке глаза
Если лучи фокусируются
некорректно, то говорят, что
в системе присутствуют
аберрации
Ab errare – «от ошибки»

6.

5. Близорукость
и дальнозоркость
Дальнозоркость
(Гиперметропия)
Аберрация «Дефокус»
Близорукость
(Миопия)

7.

6. Астигматизм
возникает, например, из-за
сплюснутой по горизонтали или
вертикали формы роговицы
a stigma – «не точка»

8. 7. Кома

Хрусталик под углом

9.

8. Сферическая
аберрация
третьего порядка
сплюснутая вдоль оптической оси
форма роговицы

10.

9. Сложные аберрации
Без аберраций
Сложные аберрации

11.

10. Влияние аберраций
Как видит
окружающий
мир пациент
Как видит
сетчатку
глаза врач

12.

11. Зависимость аберраций
от размера зрачка
Как видит сетчатку глаза
врач при диаметре зрачка …
2 мм
6 мм
4 мм
8 мм

13.

12. Пример паталогии сетчатки
- диабетическая
ретинопатия (на рис.)
- дистрофия макулы
- глаукома
- врожденные аномалии
зрительного нерва
- микрокровоизлияния в
сетчатку и под
пигментный эпителий
сетчатки
- ангииты ретинальных
сосудов
- факоматозы

14.

13. Адаптивная оптика
Снимок Урана до и после
коррекции

15.

14. Элементы адаптивная оптики:
датчик волнового фронта
Датчик типа
Шака-Гартмана
Матрица микролинз
под микроскопом

16.

15. Адаптивная система: схема аберроскопа
Мощность опорного источника: < 50 мкВт
Частота: не менее 20 Гц

17.

16. Сетчатка глаза
Фоторецепторы
на сетчатке глаза
Изображение
фокальных пятен
на датчике
Шака-Гартмана
Спеклы в
выходящем из
глаза пучке света

18.

17. Сканер для усреднения спеклов
Диаметр окружности сканирования: 200 мкм
Свет на выходе
из глаза с
усреднёнными
спеклами
Изображение
фокальных пятен
на датчике
Шака-Гартмана
с усреднёнными
спеклами

19.

18. Аберроскоп
Внешний
вид
Экран
оператора
ВИДЕО

20.

19. Результат измерений аберроскопом
30
RMS, m*10
-6
25
20
nd
2 Order
rd
3 Order
th
4 Order
15
10
5
0
Время измерений: 20 сек
0
5
10
time, s
^
участок высыхания
слёзной плёнки
15
20

21.

20. Использование результатов измерений
для коррекции зрения
Аберрации глаза
до коррекции
Аберрации глаза
до коррекции

22.

21. Схема проведения операции по лазерной
коррекции зрения

23.

22. Схема проведения операции по лазерной
коррекции зрения

24.

23. Схема проведения операции по лазерной
коррекции зрения

25.

24. Фундус-камера

26.

25. Элементы адаптивная оптики:
корректор волнового фронта
Деформируемое зеркало

27.

26. Схема
фундус-камеры
с адаптивной
системой
Hi-R es
CC D
LASER
Scanning System
WAVEFRO N T SENSO R
FUNDUS IM AG ER
PC CO M PUTER

28. 27. Использование адаптивной коррекции: Включение корректора

1.0
nd
2 Order
rd
3 Order
th
4 Order
RMS, m*10
-6
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
time, s
8
10
ВИДЕО

29. 28. Клинические испытания адаптивной системы

Стандартная фундус-камера. Больной
диабетической ретинопатией.
Изображение, полученное с помощью SuperRes 2.

30. 29. Клинические испытания адаптивной системы

31. 29. Клинические испытания адаптивной системы

32.

Адаптивная оптика
в офтальмологии
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
Гончаров А.С.
Физический факультет МГУ
Кафедра Медицинской физики
http://medphys.phys.msu.ru

33. Форма роговицы. Конические константы

• Коническое сечение
C=1/R - Кривизна
k:
< -1 - Гипербола
-1 - Парабола
-1 … 0 – Вытянутый
эллипс
0 - сфера
> 0 сплюснутый эллипс
p-factor p=k+1
Q-factor Q=k
Natural corneal Qfactor is about -0.3..-0.7

34.

Если лучи фокусируются
некорректно, то говорят, что
в системе присутствуют
аберрации

35.

Как измерить отклонения?
Нам поможет понятие волнового фронта

36.

Чем отличаются?

37.

Прямой передний фронт
Круглый расходящийся фронт
Круглый сходящийся фронт

38.

Сложная форма
переднего фронта
Свет также
можно представить
состоящим из
множества лучиков

39. Понятие о волновом фронте

Идеальный волновой фронт –
сферический Фокусировка в точку
Причём форма волнового фронта показывает
направление лучей внутри светового пучка

40.

Без аберраций
(волновой фронт сферический)
С аберрациями
(волновой фронт сложной формы)

41.

Ключевым для измерений является
разность между идеальным и реальным
волновым фронтом
Красные области
– «отставание»
от идеального ВФ
Синие –
«опережение»
Форму волнового фронта
удобно изображать в виде
Карты

42.

Волновой фронт не
отличается от
идеального, все
лучи фокусируются
в точку
Волновой фронт при
близорукости или
дальнозоркости
(расфокусировка или
«Дефокус»)

43.

Волновой фронт
При астигматизме
Волновой фронт при
сферической
аберрации третьего
порядка
(определяемой
конической
константой)

44.

Волновой фронт
Аберрации «Кома»

45.

Волновой фронт
при более сложных
аберрациях

46.

При измерениях на
реальных глазах
Волновой фронт
имеет сложную
форму, но его
можно разложить
на составляющие
Полиномы Цернике

47.

.
.

48.

Единицы измерения:
Отставание или опережение в
пространстве = расстояние
Измеряется в микрометрах (одна
миллионная метра)

49.

PV – peak to valley
- от вершины до впадины
RMSE – root mean square
- среднеквадратичное
отклонение (от среднего
значения)
1 мкм RMSE =
3.46 мкм PV – для дефокуса
4.9 мкм PV – для астигм.
5.66 мкм PV – для комы
3.35 мкм PV – для сферич.
_
аберрации

50.

Соотношение с диоптриями
(для дефокуса)
Фокальное расстояние 1 м
- оптическая сила 1 дптр
Фокальное расстояние 0,5 м
- оптическая сила 2 дптр
Фокальное расстояние 2 см
- оптическая сила 50 дптр
ДИОПТРИЯ = ДИ (сквозь)
+ ОПТ (видеть)

51.

Перевод аберраций в диоптрии (для дефокуса)

52. Датчик Шака-Гартмана: Zywave, WASCA, MultiSpot

Lens array:
Moscow State University. Medical Physics Department. Russia

53. Hartmann-Shack

Location of Spots Centers
Moscow State University. Medical Physics Department. Russia

54. Aberrometer “Multispot” Main Features

- Гексагональная структура линзового
растра – равномерное измерение, низкий
уровень перекрёстных помех
- Подавление спекл-структуры
- Анализ около 900 точек за одно
измерение
-14..+20D sphere; -8..+8D cylinder
динамический диапазон
- Точная регулировка по высоте
- Контроль аккомодации

55. Динамическое измерение аберраций

• 12 измерений в
секунду
• Обратная связь с
оператором в режиме
реального времени
• Автоматическое
отслеживание зрачка

56. Retrospective analysis of measurements

Automatic detection
of accurate data
Desired data range
can be selected, averaged
and utilized for further
ablation pattern design

57. Коррекция при помощи очков и контактных линз

Некоторые недостатки контактных линз:
это инородный предмет на роговице глаза. Даже самые
совершенные линзы не гарантируют защиты
от осложнений, связанных с раздражением, аллергическим
или инфекционным воспалением роговицы глаза.
нарушают газообмен в роговице глаза — что, опять же,
может вести к развитию воспаления.
могут быть причиной травмы глаза. Особенно это касается
неправильно подобранных контактных линз и случаев
неправильного обращения с ними.
требуют достаточно сложной процедуры по их замене. Она
может оказаться непосильной не только для детей или
пожилых людей, но и для некоторых взрослых.
достаточно дороги. Качественные линзы, средства ухода,
лекарственные препараты обходятся гораздо дороже, чем
очковая коррекция. Затраты на контактную коррекцию
в течение 2-3 лет сравнимы со стоимостью
лазерной коррекции зрения.

58.

Принцип коррекции оптической силы
роговицы:
Т.е. нужно изменить радиус кривизны роговицы:

59. Фоторефракционная кератэктомия (ФРК) Photorefractive keratectomy (PRK)

А – глубина абляции
m – скорость абляции
F – плотность потока
лазерного излучения
в мДж/см2

60. Строение роговицы

Устойчивый рефракционный
эффект достигается только
при изменении геометрии
стромы
ФРК – сначала происходит
предоперационная
Деэпителизация (через
несколько дней после
операции эпителий отрастает
снова)
LASIK – сначала
осуществляется срез тонкого
слоя роговицы

61. LASIK – традиционная схема

LASIK: Laser-Assisted in Situ
Keratomileusis — лазерный
кератомилёз
- поверхностный слой
роговицы практически не
повреждается, следовательно,
пациент практически не
ощущает никакого
дискомфорта.
- Лоскут быстро заживает в
течение нескольких минут
- Не остаётся рубцов или швов

62. Фемто-LASIK (он же Полностью лазерный LASIK)

при этом получается
более тонкий и
аккуратный срез
Любой заранее
заданной формы

63. Классический метод вычисления профиля коррекции роговицы

Формула Манерлина (Munnerlyn equation):
z( y)
R22 ( s / 2) 2 R12 ( s / 2) 2 R12 y 2 R22 y 2
В параболическом приближении
2
Ds
4 Dy
z( y)
3
3
S /2 -optical
Y
zone
R1
2
D – требуемая коррекция в диоптриях
z – глубина абляции
y – расстояние от центра зрачка
s – диаметр оптической зоны
R2
Z
Tissue
rem oval

64. Как выглядит профиль?

-максимальная глубина абляции
(отсюда ограничения)
- Близорукость скомпенсировать легче

65. Что такое лазерное излучение?

->
Направленный
луч света
->
Лазерный
луч
Уникальные свойства излучения:
- высокая плотность энергии излучения
- высокая управляемость

66. Устройство лазера

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света
посредством вынужденного излучения)
Он же Оптический квантовый генератор (ОКГ)

67. Что такое вынужденное излучение?

- генерация нового фотона при переходе атома из возбуждённого в стабильное
состояние под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была в
точности равна разности энергий уровней. Новый фотон имеет ту же энергию,
импульс, фазу и поляризацию.

68. Эксимерный лазер

- разновидность ультрафиолетового газового лазера,
излучающего в диапазоне длин волн 157-351 нм
Термин эксимер (excited dimer - возбуждённый димер) обозначает тип
материала, используемого в качестве рабочего тела лазера.
Димер - сложная молекула, составленная из двух более простых
молекул (мономеров).
- В качестве активной среды в эксимерном лазере
используется инертный газ (аргон, криптон, или
ксенон), галоген (хлор или фтор) и буферный газ
(гелий или неон)

69.

Первый эксимерный лазер был представлен в 1971 году Николаем Басовым,
В. А. Даниличевым и Ю. М. Поповым, в Физическом институте им.
П. Н. Лебедева в г. Москве. Лазер использовал димер ксенона (Xe2),
возбуждаемый пучком электронов для получения вынужденного излучения с
длиной волны 172 нм.
В дальнейшем стали использовать смеси благородных газов с галогенами (например, XeBr ), что
было запатентовано в 1975 году Джорджем Хартом и Стюартом Сирлесом из исследовательской
лаборатории ВМС США.
Лазерное излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет
«притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (не
ассоциативное) основное — то есть молекул в основном состоянии не существует. Это
объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон высокоинертны и обычно
не образуют химических соединений. В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим
разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими
как фтор или хлор. Поэтому появление молекул в возбуждённом связанном состоянии
автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая
молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в
виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в
основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие
атомы.

70.

- В 1980 году Рангасвами Шринивасана, исследователь IBM Research, обнаружил,
что ультрафиолетовый эксимерный лазер может испарять живую ткань с
высокой точностью без причинения температурных повреждений окружающей
области. Он назвал это явление «аблятивной фотодекомпозицией»
- Первая процедура ФРК была выполнена в 1987 году доктором Тео Зайлером, в
Берлине

71. Неоднородности абляции

При использовании широкого пучка продукты абляции частично
перекрывают путь следующему импульсу

72.

Решение – использование
узкого пучка,
перемещающегося по
поверхности роговицы
(«Летающее пятно»)

73. Система слежения за глазом

74. Форма роговицы. Конические константы

• Коническое сечение
C=1/R - Кривизна
k:
< -1 - Гипербола
-1 - Парабола
-1 … 0 – Вытянутый
эллипс
0 - сфера
> 0 сплюснутый эллипс
Natural corneal Qfactor is about -0.3..-0.7
p-factor p=k+1
Q-factor Q=k
74

75. Формулы изменения конических констант

c3 c1 c2
3
3
(1 k1 )c1 (1 k2 )c2
k3 1
3
(c1 c2 )
C1,C2,C3 – Кривизна начальной, корректирующей и результирующей поверхностей
k1,k2,k3 – Коническая константа начальной, корректирующей и результирующей
поверхностей
75

76.

Кератометрия
Кератометр – прибор для измерения радиуса кривизны передней
поверхности роговицы.
В наши дни основная задача этого прибора – определение кривизны
роговицы для последующей имплантации интерокулярных линз.

77.

Кератометрия
2dy
R
h
В приборах серийного
производства параметры d и h –
фиксированы.
Параметр R – рассчитывается
из калибровочного измерения
высоты y.

78.

Диск Пласидо.
Диск Пласидо позволяет определить
кривизну передней поверхности роговицы
в различных её точках.

79.

Топография роговицы

80. Обычный (неперсонализированный) метод вычисления профиля абляции

• Требуются данные
топографии или подбор линз
• Не компенсируются
аберрации высоких порядков
• После операции возникает
сферическая аберрация
Профиль абляции вычисляется как разница между формами
роговицы: первоначальной и необходимой для правильной
фокусировки
80

81. Clinical Results of ordinary Spherical ablation algorithm

N=70
Неправильная
коническая
константа
приводит к
сферической
аберрации
81

82. Алгоритмы сканирования стандартный - Микроскан

82

83. Недостаток стандартного алгоритма – фиксированная сетка

83

84. Адаптивный алгоритм

84

85. Асферическая коррекция для Q-оптимизированной абляции

Асферическая коррекция для Qоптимизированной абляции
Several possibilities:
-Optical zone aspheric;
-Special myopic transition
zone;
-Combined;
Microscan-PIC ablation
algorithm allows optical zone
aspheric with optional Myopic
transition zone
85

86. Creation of aspherical ablation profile

Target Conic (Q-factor)
-Nomogram for
asphericity
-Conversion to Zernike
-Input of desired conic
-Correction of angle of
incidence
-Calculation of ablation
profile
-Output to laser
86

87. Clinical results with aspheric correction

Mean: 0.08
Sd: 0.6
N=27
Results are courtesy
of S. Fyodorov IRTC
“Eye Microsurgery”
(Tambov branch),
Russia
87

88. Персонализированная коррекция: пример измерения аберраций

88

89. Customized operations: correction calculation

89

90. Персонализированные операции – важность калибровки

90