人工晶状体通常在白内障手术期间植入到患者眼睛中，以取代自 然晶状体。在手术期间，在患者角膜中产生小的切口，工具能够通过 该切口插入到眼睛中以移除自然晶状体，并引入IOL。切口通常足够 小，使得其随后可以在不需要缝合的情况下愈合。但是，切口尽管愈 合了，仍能引起包括散光的术后角膜像差，或者改变先前存在的包括 散光的角膜像差。这种手术引起的散光能够根据患者而不同。可由于 角膜的曲率在眼睛视轴周围的不同方向不相等而发生角膜散光像差。 这种散光可导致沿着两个主子午线的不同放大，导致视力模糊。
尽管已知具有复曲面的IOL能够提供散光校正，但在选择IOL 以便植入到患者的眼睛中的过程中通常不考虑手术引起的像差。因 此，根据术前对患者的视力测量可能最适合患者的IOL可能由于手术 引起的像差而不能如预期地执行。
因此，存在用于设计眼睛植入物，尤其是如IOL的眼科晶状体 的改进方法的需要。

一方面，本发明提供一种设计眼睛植入物(例如，IOL)的方法， 所述方法包括例如通过在眼睛手术之前执行眼睛的一个或多个波前 像差测量，来建立患者眼睛的角膜地形图。所述方法进一步包括确定 包括预期会由手术引起的角膜散光像差的一个或多个像差，并判定计 划植入到患者眼睛中的眼睛植入物的表面的复曲面度(toricity)，以 使得植入物能够补偿手术引起的像差。
在相关方面，可以通过根据切口类型来模型化像差并采用例如矢 量分析技术，来确定由手术引起的散光像差。
另一方面，眼睛手术包括白内障手术，在白内障手术期间在角膜 中产生切口，工具可以通过该切口插入以移除自然晶状体并引入人工 晶状体。切口能够引起一个或多个包括散光的角膜像差和/或改变一个 或多个先前存在的包括散光的像差。
在上述方法的另一方面中，确定需要的复曲面度之后，能够制作 包括至少一个呈现该复曲面度的光学表面的眼睛植入物。例如，在一 些情况下，能够提供具有至少一个光学表面的光学毛坯，并且该表面 能够被成形以便呈现需要的复曲面度。在很多情况下，光学毛坯包括 两个相对光学表面，所述相对光学表面被成形，使得结果镜片将提供 需要的屈光力以及对患者眼睛的散光像差补偿。光学毛坯能够以各种 不同的材料形成，例如软丙烯酸(酯)类聚合物、水凝胶、聚甲基丙 烯酸甲酯、聚砜、聚苯乙烯、纤维素、醋酸丁酸或其他具有需要的折 射率的生物适合的聚合材料。
在相关方面，具有需要的复曲面度的表面的镜片能够通过例如利 用紫外线辐射照射表面来融化毛坯的光学表面来制作。例如，来自准 分子激光器的辐射(例如，在大约193nm到大约532nm的范围内操 作)能够例如通过适当掩膜被指向表面，以便以将产生需要的复曲面 形状的方式有差别地融化表面。
另一方面，快速刀具伺服(FTS，Fast Tool Servo)加工技术能 够被用于将光学毛坯的至少一个表面成形为需要的复曲面轮廓。在一 些情况下，FTS技术能够被用于制作随后可被用于形成复曲面IOL 的光学探针(optical pin)。
另一方面，公开了一种设计人工晶状体的方法，所述方法包括在 眼睛手术之前判定患者眼睛的角膜地形图。然后，可以通过采用角膜 地形图来判定包括一个或多个预期会由手术引起的像差的角膜像差 (例如，散光像差)。接着，计算一旦植入患者眼睛适于为像差(例 如，散光像差)提供补偿的眼睛植入物的表面的复曲面度。
在相关方面，确定角膜地形图包括执行一个或多个波前测量。此 外，确定一个或多个像差(例如，散光像差)的步骤包括模型化预期 将由手术引起的一个或多个像差，并且将那些像差与先前存在的角膜 像差(如果存在)进行组合。
通过结合在下文中简要讨论的关联的附图，参考下文中的详细说 明，将能更进一步地理解本发明。

图1是描述在用于设计眼睛植入物的本发明示例性方法中的各 个步骤的流程图；
图2是光学毛坯的示意性透视图；
图3是通过成形图2的光学毛坯的前表面和后表面而形成的复曲 面IOL的示意性剖视图；以及
图4示意性地示出在基片中切割选定轮廓的FTS系统的金刚石 刀片。

本发明总体涉及一种用于设计手术植入到患者眼睛中的眼睛植 入物，例如人工晶状体(IOL)的方法，考虑到在手术期间例如由于 角膜的切口所引起的眼睛像差。尽管下文讨论的实施例总体涉及用于 植入到患者眼睛中的IOL的方法，但是，本发明的教导同样能够应用 于其他眼睛植入物，例如角膜间(intercorneal)植入物。此外，术语 人工晶状体及其简写“IOL”在本文中可交替使用以描述可被植入到眼 睛内部来取代眼睛的自然晶状体或以其他方式增强视力的晶状体，不 论自然晶状体是否被移除。
在白内障手术期间，例如利用金刚石刀片在角膜中产生小的切 口。然后，工具能够通过角膜切口被插入以切割晶状体前囊的一部分， 通常以环状的形式，来提供对乳白色自然晶状体的进入。然后，能够 采用超生波或者激光探针来打碎晶状体，并且抽出结果晶状体碎片。 可折叠IOL然后能够例如通过采用注射器被插入到囊袋中。一旦在眼 睛中，IOL能够展开以取代自然晶状体。角膜切口通常足够小，使得 它能在不需要缝合的情况下愈合。但是，在很多情况下，切口-尽管 已经愈合-还能够引起包括散光的角膜像差或者改变先前存在的包 括散光的角膜像差。在下文的实施例中，公开了设计IOL的方法，所 述方法允许IOL例如在逐个患者的基础上补偿这种手术引起的角膜 散光。在一些实施例中，所述设计方法允许根据预测的该患者的手术 引起的包括散光的像差，为患者定制IOL。
参考图1的流程图，在一个示例性实施例中，在开始步骤1中， 例如通过在眼睛手术之前利用角膜录影机(例如，加拿大San Landro 的Humphrey Instruments销售的一种产品)来执行眼睛的一个或多 个角膜高度图测量，来建立患者眼睛的角膜地形图。例如，2003在 Journal of Optical Society of America A第22卷第1841-1851页出版 的，作者是Barbero和Marcos的标题为“Optical Aberration of Intraocular Lenses Measured in Vivo And In Vitro”的文章教导了用 于执行这种波前像差测量的方法，该文章全部内容通过引用结合在本 申请中。例如通过角膜录影机能够获得角膜高度图。高度图的高度数 据及其偏导数能够被输入到光学设计软件(例如，Ariz的Focus Software of Tuscon销售的Zemax软件)中，以通过执行光线追踪来 获得角膜波像差。
再次参考图1的流程图，在接下来的步骤2中，能够确定手术切 口引起的角膜散光像差。例如，可以通过采用矢量分析方法来模型化 这种散光像差。这种矢量分析方法将散光像差模型化为矢量，该矢量 的长度表示像差量并且该矢量的角度(例如，相对于其中矢量被表示 的坐标系的基准轴)表示像差的圆柱轴角的两倍。因此，手术切口之 前的角膜散光像差可被表示为矢量，而手术切口所引起的散光像差可 被表示为另一个矢量。例如，通过采用矢量求和法则将这两个矢量加 在一起能够产生结果矢量，该结果矢量提供包括结果散光像差量和其 圆柱轴角的结果散光像差。有关矢量分析方法的进一步细节能够例如 在以下出版物中找到，2001的Journal of Cataract Refractive Surgery 第27卷第80-85页中出版的，作者是Thibos和Horner的标题为 “Power Vector Analysis of the Optical Outcome of Refractive Surgery”的文章，以及2001年的Journal of Cataract Refractive Surgery第27卷第29-49页中出版的，作者是Alpins的标题为 “Astigmatic Analysis by the Alpins Method”的文章，上述文章的全部 内容通过引用结合在本申请中。
通常，白内障手术切口能够引起大约1/2D到大约1D范围内的 散光。在一些情况下，这种手术引起的散光能够改变先前存在的散光， 例如恶化或者使先前存在的散光好转。模型化角膜切口在引入或者改 变眼睛的散光像差中的效果可以考虑切口的类型。例如，能够模型化 颞上角膜切口、结膜下或者其他角膜切口(例如，3-mm的切口)的 效果。在多个实施例中，在模型化SIA时也可以考虑能够影响手术引 起的散光(SIA)的其他因素，例如缝合方法、缝合的存在、切口类 型、手术类型以及切口宽度。例如，这些因素在下面的出版物中被讨 论，在2003年的JCRS of Materials Science Letters27第1841-1851 页中出版的，作者是Matsusmoto等人的标题为“Optimal Incision Sites to Obtain Astigmatic-Free Cornea After Cataract Surgery With 3.2mm Sutureless Incision”的文章，该文章的全部内容通过引用结合 在本申请中。
随后，能够确定眼睛植入物(例如，IOL)的至少一个光学表面 的复曲面度，以便使该植入物能够提供对角膜像差的补偿，包括模型 化的手术引起的影响。例如，能够建立具有呈现患者的角膜散光像差 的角膜的模型眼睛，所述角膜散光像差包括模型化的手术引起的影 响。然后，可以通过在模型眼睛中并入假定的眼睛植入物(例如，IOL) 并改变至少一个植入物表面的复曲面度以便优化模型眼睛的光学性 能，来确定用于补偿散光像差的期望复曲面度。在多个实施例中，在 为特定患者建立模型眼睛的过程中，不仅应当考虑散光像差，而且应 当考虑该患者的其他视力缺陷(例如，近视、远视)。
在一些实施例中，可以通过计算模型眼睛的视网膜面处的调制传 递函数(MTF)来评估植入物的光学性能。如本领域中公知的，MTF 提供了例如并入植入物的模型眼睛的光学系统所呈现的图像对比度 的量化测量。更具体地说，成像系统的MTF可被定义为与由光学系 统形成的物体图像相关联的对比度相对于与物体相关联的对比度的 比率。人类视觉系统利用神经采样(neural sampling)可分解的大多 数空间频率(most spatial frequency)。因而，在一些实施例中，能 够对从低(例如，对应于大约20/200视觉灵敏度的10谱线对(lp) /mm)到高(例如，对应于大约20/20视觉灵敏度的100lp/mm)范围 内的MTF值取平均，以获得植入的IOL的光学性能的测量。在一些 实施例中，能够改变表面的复曲面度直到获得最大的光学性能。
在一些实施例中，能够数学定义表面的确定复曲面度，例如定义 为能够下文中以XYZ坐标系表示的复曲面(正的Z轴被假定为视轴)：
$Y^2+[X^2+{(Z-r_h)}^2]\pm 2(r_h-r_v)\sqrt{[X^2+{(Z-r_h)}^2]}=r_v^2-{(r_h-r_v)}^2$        公式(1)
其中，rv是圆的半径，并且rh是复曲面的外顶点的半径。
一旦建立了期望的复曲面度，能够通过利用各种技术制作具有呈 现该复曲面度的光学表面的IOL。例如，参考图2，能够提供以适当 的材料(例如软丙烯酸(酯)类聚合物、水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯、 聚砜、聚苯乙烯、纤维素、醋酸丁酸或其他具有需要的折射率的生物 适合的聚合材料)形成并具有前光学表面12和相对的后光学表面14 的光学毛坯10。能够以例如下文讨论的方式成形前光学表面和后光学 表面，以便于产生呈现需要的屈光力(例如，从大约-15D到大约50D 范围内，优选地，在大约6D到大约34D范围内的屈光力)的镜片。 此外，前镜片(或者后镜片)能够成形以便对计划对其使用IOL的患 者的角膜的散光像差进行补偿。
图3示意性描述了通过成形光学毛坯10的前表面和后表面而获 得的IOL16的剖视图。更具体地说，在该实施例中，成形前表面12 以总体包括具有选定复曲面度的凸起轮廓，所述选定复曲面度适于对 计划对其使用IOL的患者眼睛的散光像差进行补偿，所述散光像差包 括预期的手术引起的散光。依次，成形后表面以包括基本平坦轮廓。 例如，前表面能够呈现由上述公式(1)定义的表面轮廓。
在一些其他实施例中，能够通过利用融化激光束来成形光学毛坯 10的表面。例如，准分子激光器，如在193nm的波长上操作的氩- 氟化物激光器可以产生激光束。例如，在一些情况下，在其不同部分 具有不同透明度的掩膜可被置于激光束和毛坯的光学表面之间，以便 提供不同表面部分的差异融化，以便给予该表面需要的形状。例如， 能够成形毛坯的至少一个光学表面，以便具有需要的复曲面度。有关 使用这种融化方法用于制作IOL的进一步细节能够在美国专利 No.4,842,782中找到，该专利通过引用全部结合到本文中。
在一些实施例中，加工方法(本文中称为快速刀具伺服(FTS)) 被采用用于将复曲面轮廓给予光学毛坯的至少一个表面。如图4中示 意性示出的，FTS加工方法使用能够被使得沿着三个轴(例如，“X” 和“Y”轴以及与X-Y平面正交的“W”轴)移动的金刚石刀片18。具体 地说，在切割程序控制下，金刚石刀片能够被使得沿着W方向以受 控方式移动-并且通常是快速的-同时，在与W方向垂直的平面中 进行两轴(X和Y轴)移动。刀片的结合运动能够导致将基片的表面 切割成需要的轮廓。
在一些实施例中，能够采用FTS加工方法来成形光学毛坯(例 如上述毛坯10)的前和/或后表面。例如，以公知为丙烯酸酯的软丙 烯酸材料(2-苯乙基丙烯酸脂和2-苯基丙烯酸脂的交联共聚物)形 成的光学毛坯可被安装在FTS系统中，使得其表面面向系统的金刚石 刀片。能够对刀片的移动进行编程，以便将毛坯表面切割为需要的轮 廓，例如复曲面轮廓。在可替代实施例中，能够采用FTS方法以形成 光学探针，接着该光学探针被用于从需要的材料形成IOL。一旦定义 复曲面轮廓的圆柱轴，其能够通过光学探针或透镜上的轴标志进行标 记。然后，当形成眼白镜片时(haptic)，其能够被形成以与圆柱轴 标志对齐。
设计IOL的上述方法有利地允许为各个患者定制IOL。例如， 在对患者进行白内障手术之前，能够通过利用例如波前像差测量来确 定患者的角膜地形图。例如，眼科医生(或者其他具备资格的人员) 能够进行这些测量。这些测量结果然后能够被发送到IOL设计和制造 机构，该机构能够利用这些测量结果以及预期的手术引起的散光，来 模型化适于患者的IOL。然后为该患者制作IOL，该IOL用于补偿 散光像差，并且还能够校正该患者的其他视力缺陷。
本领域技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下能够对 上述实施例进行各种修改。