Le tecnologie multifocali ed EDOF

 Mauro Zuppardo1  Vittorio Picardo2

1.Università degli Studi Roma Tre, Esperto di Alta Qualificazione - Roma 2.Casa di Cura Nuova Itor, Responsabile U.O. Oculistica - Roma

Le tecnologie multifocali per la compensazione della presbiopia si basano sul principio della divisione luminosa, ed hanno l’obiettivo di fornire all’occhio presbite un’immagine sufficientemente nitida degli oggetti posti a differenti distanze di osservazione. La divisione luminosa implica che l’immagine retinica sia meno contrastata rispetto ad un Sistema monofocale, ma se il degrado dell’immagine è piccolo, la sensazione di sfocamento può non essere percepita dal paziente. Come suggerisce il nome, multifocale è un sistema ottico che ha più di una lunghezza focale, e conseguentemente più fuochi che corrispondono a più poteri diottrici. Il fascio luminoso che emerge, dopo aver attraversato la lente multifocale (MIOL), è diviso in due parti nelle IOL Bifocali (lontano-vicino) ed in tre parti nelle IOL Trifocali (lontano-vicino-intermedio). Il modo attraverso il quale si ottiene la divisione del fascio definisce le prime due categorie principali di lenti: IOL Refrattive e IOL Diffrattive. A queste si aggiunge una nuova categoria caratterizzata da una profondità di fuoco estesa (EDOF). La differenza sostanziale tra categorie di IOL è la diversa modalità con la quale “gestiscono la luce” (Figura 1). I sistemi ottici comunemente utilizzati per indurre la multifocalità sono due: 1. Multifocalità refrattiva, che implica una continua variazione di forma della superficie ottica interessata. Il potere ottico è modulato localmente, all’interno di differenti zone (spesso concentriche), delle quali ognuna è dedicata alla produzione di un fuoco retinico dei raggi provenienti da sorgenti poste a distanze specifiche. 2. Multifocalità diffrattiva, caratterizzata da un’ottica particolare ottenuta addizionando un reticolo di diffrazione ad un’ottica monofocale. Il piatto di diffrazione è composto da gradini anulari concentrici che possono essere posizionati sulla superficie anteriore o posteriore della lente. L’altezza dei gradini è di pochi micron, e la loro spaziatura varia dal centro alla periferia. Il reticolo di diffrazio-

Figura 1. Varietà delle tecnologie Multifocali ed EDOF oggi disponibili

ne può coprire tutta l’ottica, o parte di essa.

All’interno dell’area di diffrazione la luce incidente è diffratta in differenti punti focali. Per definizione, le lenti multifocali possono essere bifocali, trifocali o progressive.

>> IL CONCETTO DI MULTIFOCALITà

Nel campo delle lenti oftalmiche, il concetto di multifocalità è noto da anni, con le lenti progressive (chiamate anche varifocali, o multifocali) caratterizzate essenzialmente da tre zone, una per lontano, una per vicino e una per la visione intermedia connesse tra di loro, all’interno delle quali ci sono diversi poteri che rendono possibile la messa a fuoco di oggetti posti a distanze diverse. Nelle lenti ci sono “aree utili alla visione caratterizzate da forti distorsioni e aberrazioni. Pertanto durante le escursioni, l’asse visivo deve muoversi all’interno delle aree funzionali evitando quelle aberrate, è essenziale che la centratura della lente sia appropriata. Per le lenti intraoculari, tuttavia, la questione è un po’ più complessa. Nella correzione a frontale la lente multifocale è fissa, e l’occhio ruota dietro ad essa cercando la zona utile per la visione. Nella correzione intraoculare, invece, la IOL multifocale è posizionata all’interno dell’occhio, e assume una posizione fissa centrale che segue i movimenti dell’occhio. In alter parole, la IOL è coassiale all’occhio e si muove con esso. Ne consegue che la tecnologia ottica usata per le lenti da occhiale non può funzionare per le lenti intraoculari. Per una migliore comprensione, entriamo più nel dettaglio dei sistemi ottici principali per le lenti intraoculari multifocali (MIOL).

Figura 2. Rappresentazione delle superfici e delle curvature di una classica IOL refrattiva

>> PRINCIPIO OTTICO REFRATTIVO

Il principio ottico refrattivo può essere semplicemente spiegato attraverso l’ottica geometrica e le sue leggi. Considerando un fascio di luce che viaggia attraverso un mezzo trasparente, per esempio nell’aria, se nel suo cammino incontra un nuovo mezzo trasparente, per esempio una lente, nel passaggio da un mezzo all’altro esso subisce una deviazione. In questo caso diciamo che il fascio è stato rifratto. La deviazione è regolata dalla Legge di Snell ( n1 n2 = senQr = senQi ) e dipende dall’indice di rifrazione del mezzo, dall’angolo di incidenza, dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente, dalla curvatura della superficie e dal potere (Figura 2). Un sistema ottico perfetto e monofocale, senza aberrazioni ottiche, focalizza tutta la luce in un singolo fuoco. La luce incidente in un sistema multifocale è diretta su più fuochi. Ognuno dei fuochi considerati è formato dalla messa a fuoco selettiva di alcuni raggi luminosi. Attorno ad ogni fuoco esiste sempre una dispersione luminosa, che è all’origine della percezione di aloni nella visione per il lontano. Le IOL refrattive sono concettualmente semplici, ogni zona ha una curvatura ed un potere specifico e porta il suo contributo dall’area da lontano all’area da vicino, offrendo una visione multifocale. Il potere si ottiene dalla formula: P = n2 - n1 r

. Le diverse zone ottiche sono concentriche, e l’area per la visione da vicino occupa abitualmente una posizione centrale (nella visione da vicino la pupilla si restringe). Le IOL refrattive, tuttavia, sono limitate nel design, la zona ottica disponibile dipende dal diametro pupillare (pupillo-dipendenti), il decentramento non è tollerato (centratura-dipendenti), le aperture anulari influenzano la qualità dell’immagine e spesso gli anelli della seconda o terza immagine disturbano la visione notturna. Le immagini fuori fuoco arrivano sulla retina sot-

to forma di dischi di confusione, e si traducono in aloni nella visione soggettiva (Figura 3). In considerazione degli effetti visivi disturbanti (disfotopsie) le IOL refrattive non sono molto diffuse e largamente impiegate. Una variante della IOL refrattiva a zone ottiche concentriche è la “IOL a segmento”, bifocale con una zona per lontano ed una per vicino. La lente è caratterizzata da un nuovo concetto ottico che è l’asimmetria di rotazione. La forma del segmento per la visione da vicino fornisce una transizione senza soluzione di continuità tra le zone da lontano e da vicino. La IOL (Oculentis Lentis Mplus) è meno pupillo-dipendente, ma il settore asimmetrico per vicino richiede un centraggio pupillare perfetto, altrimenti i sintomi visivi possono essere disturbanti. Nel bordo della zona di transizione tra i due settori è presente una certa perdita di energia. L’evoluzione di questa lente, chiamata Mplus evolution “Comfort”, è caratterizzata da una zona singola raccordata tra i settori per lontano e vicino.

>> PRINCIPIO OTTICO DIFFRATTIVO

Per spiegare il funzionamento di una IOL diffrattiva è necessario utilizzare il modello ondulatorio della luce (ottica ondulatoria). Il riferimento classico è l’esperimento di Thomas Young del 1801 che mostra come le onde elettromagnetiche (luce) si possono sommare tra di loro (interferenza costruttiva) o sottrarsi parzialmente o totalmente (interferenza distruttiva). L’aspetto più sorprendente di questo principio è che la somma di due “onde luminose” può dare il buio. Tutto dipende dalla loro fase [due onde si dicono in fase quando il punto di massima intensità (o picco) di un’onda coincide con quello dell’altra onda). Se le onde arrivano in fase sul target si sommano, altrimenti si sottraggono. Quando la differenza tra le due onde è ½ ciclo, esse si sottraggono completamente dando luogo al buio. L’ottica multifocale diffrattiva si ottiene associando una grata di diffrazione ad un’ottica monofocale. L’ottica diffrattiva consiste in una serie di gradini concentrici di pochi micron di altezza. Il ruolo dei gradini è di creare una variazione selettiva del cammino ottico per far interferire le onde costruttivamente a livello dei fuochi, e distruttivamente al di fuori di essi. Il reticolo diffrattivo è applicato ad una lente sferica o asferica monofocale (o torica per la correzione dell’astigmatismo), alla quale trasferisce le sue proprietà diffrattive. Nel caso di un sistema diffrattivo bifocale, la larghezza dei gradini determina il potere addizionale per vicino, mentre l’altezza degli stessi (pochi micron) regola la distribuzione dell’energia tra i fuochi, per esempio 70% nel fuoco per lontano e 30% nel fuoco per vicino.

Figura 3. IOL Bifocale Refrattiva con tre zone ottiche concentriche (rosso-vicino, rosa-intermedio e blu-lontano) che dividono in tre parti il fascio di luce incidente

Lo spazio tra i gradini non è costante e segue una progressione geometrica, decrescente dal centro al bordo dell’ottica. Per una IOL bifocale, maggiore è il potere addizionale per vicino e più vicini saranno i gradini (il numero totale dei gradini è maggiore nelle forti addizioni). Una bassa dispersione luminosa tra i fuochi aiuta la concentrazione della luce. A differenza di ciò che comunemente si osserva nell’ottica multifocale diffrattiva, l’assenza di un “continuo luminoso” tra i fuochi spiega perché un impianto bifocale diffrattivo lontano/vicino non crea un fuoco utile per la visione intermedia. I sistemi diffrattivi trifocali includono un fuoco addizionale per questa particolare distanza, che è diventata sempre più importante a causa del cambiamento delle modalità di lettura sui supporti digitali (tablet e schermi), e si aggira mediamente tra i 60 e gli 80 cm. Il IOL diffrattive sono semplici da progettare. Per la loro realizzazione si usano piatti ottici che hanno la capacità di focalizzare i raggi attraverso aperture o anelli circolari. I piatti di area di Fresnel (Figura 4) controllano essenzialmente la fase della luce che arriva al punto focale, e sono anche chiamati “piatti di fase” o “griglie di diffrazione”. Per controllare la fase su tutta l’apertura si usa una forma a cuneo. Le IOL diffrattive sono tolleranti al decentramento ed hanno gli stessi punti focali sull’intera apertura pupillare, un effetto teorico costante rispetto alle condizioni di luminanza (pupilloindipendente) ed un minore effetto di abbagliamento e aloni rispetto alle lenti refrattive. Un effetto secondario non trascurabile, però, che accomuna tutte le IOL diffrattive è la perdita di una certa quantità di luce (riduzione del contrasto dell’immagine). La distribuzione dell’energia luminosa, oltre che dall’altezza dei gradini, varia anche in funzione della tecnologia di costruzione, della chimica e della fisica dei materiali utilizzati, e caratterizza le diverse IOL presenti sul mercato (Figura 5). Per ridurre le aberrazioni ottiche ed aumentare la qualità dell’immagine, le IOL diffrattive sono state migliorate utilizzando nuove tecnologie costruttive. Una di queste è l’APODIZZAZIONE che, attraverso la modulazione dell’altezza dei gradini, varia la distribuzione locale dell’energia spostandola progressivamente verso il fuoco per il lontano quando la pupilla si dilata (più bassi sono i gradini, più energia si sposta verso l’ordine zero a discapito del primo ordine). I gradini più alti al centro della lente ritardano la luce di circa ½ lunghezza d’onda e dividono la luce equamente tra le due immagini, i gradini più bassi e più lontani riducono il ritardo ottico ad una frazione più piccola di lunghezza d’onda e inviano meno luce al fuoco per vicino.

Figura 4. Il principio ottico diffrattivo e il Piatto di zona di Fresnel

Figura 5. Confronto tra la distrubizione dell’energia nei fuochi in IOLs diffrattive di costruttori diversi

Figura 6. Apodizzazione e Apodizzazione Inversa: distribuzione dell’energia luminosa relativa in funzione del diametro pupillare

Il limite di questo tipo di apodizzazione è che la lettura in condizioni di luce mesopica può essere difficoltosa. Di recente introduzione, l’APODIZZAZIONE INVERSA mantiene la continuità di una distribuzione di luce ottimale in relazione alle diverse condizioni di luce. L’apodizzazione inversa sposta la luce al fuoco per vicino quando la pupilla si dilata in seguito alla diminuzione dell’intensità luminosa (Figura 6). Un’altra implementazione introdotta nelle IOL diffrattive è l’ASFERICIZZAZIONE, cioè la creazione di superfici ottiche con profilo asferico per ridurre l’aberrazione sferica indotta dall’utilizzo di curve sferica. In realtà questa modifica della forma della superficie ottica è introdotta da tempo nelle IOL monofocali per aumentare il contrasto delle immagini. Sempre in tema di regolarizzazione della superficie ottica, di grande interesse sono le nuove tecniche di lavorazione delle superfici, accomunate tutte dalla ricerca di una minore dispersione luminosa. In sostanza, lo scopo è di smussare gli angoli acuti dei gradini del piatto diffrattivo per ridurre i fenomeni di riflessione luminosa, che riduce l’energia in arrivo sull’immagine re-

Figura 7. Diverse tecniche costruttive utilizzate nelle IOL diffrattive per la regolarizzazione della superficie ottica

tinica. Alcuni esempi sono rappresentati nella Figura 7, e vanno dallo “smoothing” alle curve sinusoidali. Recentissime sono le superfici realizzate con l’ottica armonica di Fourier.

>> CRITICITà DELLE IOL MULTIFOCALI

Le IOL Refrattive e Diffrattive lavorano sul principio della visione simultanea, un’immagine è a fuoco mentre l’immagine (o le immagini) fuori fuoco è soppressa. Gli aloni sono generati dalle immagini fuori fuoco. La visione simultanea richiede un adattamento neurale (Neuro adattamento) e la soppressione monoptica, nelle quali il sistema visivo deve fare una scelta: una parte dell’informazione deve essere soppressa, mentre l’altra deve salire al livello di coscienza. La soppressione monoptica consente di estrarre le informazioni visive rilevanti, e la soppressione degli stimoli irrilevanti. Alla base ci sono fenomeni di plasticità percettiva, che è la possibilità di variare i circuiti neurali alla base dei sistemi percettivi, e l’apprendimento percettivo, che è la variazione nella percezione di uno stimolo che è relativamente permanente e stabile. Non tutti gli individui, tuttavia, hanno la capacità di adattarsi a questo nuovo modo di vedere, e può succedere che le IOL non siano ben tollerate. Per contro se, come spesso accade, l’intervento è bilaterale, la visione binoculare facilita l’adattamento, e la presenza di più immagini retinica non è percepita come un elemento di disturbo. I fenomeni ottici legati alla multifocalità (disfotopsie) sono comunque disturbanti, e comunemente sono: – Visione sfocata per lontano o per vicino – Diplopia monoculare – Immagini fantasma – Aloni notturni – Luccichio – Abbagliamento – Stress visivo Le disfotopsie ed i limiti ottici delle tecnologie multifocali rendono la selezione del paziente molto complessa, e rallentano sensibilmente la diffusione di questi dispositivi. EDOF IOL Per ridurre le difficoltà legate all’adattamento sensoriale ed i fenomeni disturbanti, gli ingegneri ottici hanno sviluppato una nuova classe di IOL con un punto focale singolo ed una grande profondità di fuoco (EDOF= Extended Depth Of Focus). La classe di IOL EDOF è una tecnologia emergente che usa nuovi metodi per aumentare l’estensione della visione nitida senza dividere il fascio di luce incidente. A differenza delle IOL multifocali, caratterizzate da due o tre fuochi distinti, le IOL EDOF creano un punto focale esteso. Con questo tipo di lenti tutto appare sufficien-

Figura 8. EDOF-IOL. In questa lente (MiniWell – Sifi) l’estensione del fuoco è ottenuta dall’unione dei diversi fuochi generati dall’aberrazione sferica positive e negative della lente

Figura 9. EDOF-IOL. In questa lente (TECNIS Simfony, Johnson & Johnson - USA) l’estensione del fuoco è ottenuta attraverso un piatto diffrattivo brevettato “echelette”

temente nitido, ma nulla è realmente a fuoco. L’aumento nella profondità di fuoco si traduce in un piccolo sfocamento dell’immagine che, se si mantiene in un range di qualità tollerabile, può essere filtrato dal cervello e percepito come un’immagine “nitida ed utile”. Di seguito due esempi di IOL EDOF che funzionano su principi ottici diversi. Nella Figura 8 (MiniWell – Sifi Catania) la IOL EDOF ha una superficie ottica composta da una parte centrale con aberrazione sferica positiva, una zona paracentrale con aberrazione sferica negativa, combinate con un piatto ottico monofocale che contiene il potere diottrico necessario per la visione per lontano. L’estensione del fuoco è ottenuta “per capitalizzazione” dei fuochi generati dalla combinazione delle due aberrazioni sferiche. Nella Figura 9 si può osservare una IOL EDOF Diffrattiva (TECNIS Simfony, Johnson & Johnson - USA) nella quale l’estensione del fuoco è ottenuta attraverso un piatto diffrattivo brevettato

Figura 10. EDOF-IOL. In questa lente (PNDB - EDEN, SAV-IOL -CH) l’estensione del fuoco è ottenuta attraverso un’ottica sferica centrale che genera un “fascio pseudo non-diffrattivo”

(“echelette”, a scaletta) nel quale i gradini hanno una particolare conformazione che danno continuità ad un unico fuoco. Oltre alle due tecnologie appena citate, nella realtà del mercato odierno coesistono EDOF IOL con differenze radicali nell’ottica, nelle quali l’estensione del fuoco è ottenuta attraverso principi e superfici refrattive, diffrattive, ibride refrattivediffrattive e coniche. Di interesse è la EDOF IOL che genera un fascio emergente “pseudo non-diffrattivo” (PNDB - EDEN, SAV-IOL -CH), con tre distinte superfici ottiche (refrattiva, diffrattiva e asferica) che contribuiscono a compensare la visione per lontano, intermedia e prossimale. La proprietà ottica caratterizzante principale è costituita dalla porzione centrale asferica simile ad un “axicon” che trasmette un fascio di luce simile al fascio di Bessel. Questo fascio “pseudo non-diffrattivo” durante la propagazione non si diffrange e non si diffonde, ed ha la possibilità di auto-ripararsi (il fascio può interrompersi in un punto e ricomporsi in un punto più avanti lungo l’asse ottico) (Figura 10). Un axicon è un tipo di lente speciale con una superficie conica che trasforma un fascio laser in una distribuzione ad anelli. Può essere concava o convessa e realizzata in diversi materiali ottici. La combinazione con altri assi (o lenti) rende possibile la generazione di un’ampia varietà di pattern, e può essere utilizzata per trasformare un fascio di tipo Gaussiano in un fascio non diffrattivo di tipo Bessel. Un’applicazione dell’axicon è nei telescopi e nei “binocoli da guerra”, dove le lenti sferiche tradizionali sono sostituite da un axicon che crea simultaneamente immagini a fuoco sia di target lontani sia di target vicini, senza dover mettere a fuoco (in guerra non c’è tempo di mettere a fuoco...). I vantaggi delle IOL EDOF sono molteplici: non generano aloni, la sensibilità al contrasto si mantiene nel range di normalità e non richiedono l’adattamento neurale e la soppressione monoptica. Per questi motivi il livello di accettazione da parte dei pazienti è molto alto. Tuttavia, le IOL EDOF hanno come punto di debolezza una leggera insufficienza nella visione prossimale, infatti la visione nitida e confortevole si ferma a circa 45-50 cm dall’osservatore. Questo aspetto, però, non ne rallenta la diffusione in quanto le abitudini di lettura sui dispositivi digitali di oggi hanno allontanato la distanza tradizionale di lettura. E comunque, è sempre possibile, qualora occorra svolgere attività più ravvicinate, indossare un semplice occhiale da lettura con un basso potere addizionale. Più di una stima, sulla reale efficacia nella correzione della presbiopia delle IOL EDOF, indica che queste lenti garantiscono una visione ottimale per circa l’8085% delle attività visive quotidiane.

>> CONCLUSIONI

Le strategie per la correzione multifocale della presbiopia rendono la sua compensazione possibile. Le tecnologie oggi esistenti si basano su principi ottici diversi uniti da un obiettivo comune: assicurare una distribuzione ottimale dell’energia su un fuoco esteso o su più fuochi, affinché la visione per l’osservatore possa essere utile alle diverse distanze di osservazione. Dal punto di vista della visione la IOL perfetta non esiste, abbiamo visto che le EDOF si comportano quasi come una monofocale ma da vicino (33 cm) sono un po’ deficitarie, le IOL multifocali diffrattive per contro generano qualche effetto ottico indesiderato ma da vicino funzionano meglio. Dunque, come ci si può orientare per la scelta del miglior dispositivo per il paziente? La risposta più di buon senso indica che la scelta della IOL da impiantare va fatta in base alle necessità visive e allo stile di vita del paziente. Per fortuna la ricerca non si è fermata, e si è già al lavoro per cercare di potenziare sempre più la distanza intermedia nelle IOL diffrattive riducendo contemporaneamente le disfotopsie. Per le EDOF IOL sono già allo studio lenti che possano fornire una visione prossimale migliore senza far scadere troppo la qualità dell’immagine retinica. Ma forse il trend del futuro sarà la modifica dell’ottica delle IOL monofocali, con la realizzazione di superfici che estendano leggermente il fuoco senza la velleità di garantire una visione nitida a tutte le distanze di osservazione. Forse si partirà proprio da qui per mandare in pensione le tradizionali IOL monofocali, perché il paradigma attuale è di rendere sempre meno dipendenti dagli occhiali tutti i pazienti operati di cataratta.

>> Bibliografia

1. de Silva S.R., Evans J.R., Kirthi V., Ziaei M., Leyland M. - Multifocal versus monofocal intraocular lenses after cataract extraction - Cochrane Database Syst Rev, 12 (2016) - CD003169 2. Breyer D.R.H., Kaymak H., Ax T., Kretz F.T.A., Auffarth G.U., Hagen P.R. - Multifocal intraocular lenses and extended depth of focus intraocular lenses - Asia Pac J Ophthalmol (Phila), 6 (4) (2017), pp. 339-349 3. Alio J.L., Plaza-Puche A.B., Férnandez-Buenaga R., Pikkel J., Maldonado M. - Multifocal intraocular lenses: an overview - Surv Ophthalmol, 62 (5) (2017), pp. 611-634 4. Gatinel D., The multifocality for dummies - Ophthalmological Realities, March 2017 5. Zuppardo M., Picardo V. - Optical principles and light theories of the actual EDOF-IOLs for presbyopia correction – ESCRS Meeting Lisbon 2017 6. Gatinel D., MD, PhD; Loicq Jérôme, PhD - Clinically Relevant Optical Properties of Bifocal, Trifocal, and Extended Depth of Focus Intraocular Lenses - Journal of Refractive Surgery. 2016;32(4):273-280 7. Zuppardo M., Curatolo M.C. - A New Concept of Optical Aberrations as Partners of Vision: a virtuous correction of Presbyopia - ESCRS

Meeting Maastricht 2017

“SEKAL Microchirurgia Rovigo è una struttura privata medico chirurgica classifi cata come struttura extraospedaliera di chirurgia. È dotata di un’attrezzatura completa per la chirurgia e terapie: Femtolaser Visumax-Zeiss; Laser ad eccimeri Amaris-Schwind; Device Zepto per capsuloressi; Facoemulsifi catorevitrectomo Stellaris; Argon laser Iridex; Vitreolisi con Yag Laser Ellex ultra Q; Cross Linking; Luce pulsata con dispositivo E-Eye. La diagnostica comprende: Topografi (Keraton, Eye Top); Scheimpfl ug camera (MS-39, Pentacam); Aberrometri totali per lo studio delle aberrazioni interne (Onda e Tracey); Oct del segmento anteriore (MS-39 e Casia) e posteriore con ANGIO-OCT (Triton); Retinoscopio Daytona; Elettrofi siologia oculare con Retimax; Biometria con IOL master ed Alladin, ecografi a Ascan-Bscan con VuPad e sistemi di calcolo Ray Tracing, nonché l’ormai collaudata formula di CamellinCalossi (disponibile per Iphone e Ipad). Presso Sekal Microchirurgia Rovigo si effettua attività didattica chirurgica e diagnostica.” DIRETTORE SANITARIO DOTT. MASSIMO CAMELLIN

NOVITÀ