FAGLIGT STOF
32
Refraktion bliver højteknologisk - En ny metode til optimering af brilleglas højere ordens aberrationer). Carl Zeiss har allerede mange års erfaring med denne målemetode. Inden for oftalmologien bruges den f.eks. til at forberede og understøtte refraktiv hornhindekirurgi. Carl Zeiss Vision har nu forbedret denne teknologi for at kunne levere en revolutionerende teknik til brug for brilleglas. Lars Mendel Introduktion På SILMO 2006-messen i Paris præsenterede Carl Zeiss Vision for første gang et nyt koncept for offentligheden: i.Scription – en helt ny metode til optimering af brilleglas. Her bliver lavere ordens aberrationer målt i øjet korrigeret, og højere ordens aberrationer bliver taget med ved optimeringen af glassene. Glas, der beregnes på denne måde, bliver produceret med maksimal nøjagtighed og garanterer derfor bæreren en grad af individualitet, som hidtil ikke har kunnet lade sig gøre på dette område. Hvad er i.Scription? Navnet i.Scription står for en optimeringsalgoritme, der også medtager højere ordens aberrationer i øjet ved beregning af brilleglas (Fig 1). Disse aberrationer er årsag til reduceret visuel kontrast eller dårligt syn ved lavt lysniveau eller om natten. Øjenlægen/optikeren sender de subjektive refraktionsoplysninger til Carl Zeiss Vision sammen med de aberrationer, der er målt med det nye bølgefronts-aberrometer fra Carl Zeiss Vision. På basis heraf er det nu muligt at be-
Fig. 1: Måleresultat fra i.Profiler™. Forskellige farver repræsenterer højere ordens aberrationer. regne en optimeret brillestyrke med i.Scription. I kombination med specielt udviklede produktionsteknikker kan øjenlægen/optikeren nu give patienten brilleglas, der er blevet optimeret på denne måde. Disse garanterer et optimeret syn under alle forhold, specielt i tusmørke og om natten. Måling af øjet med i.Profiler i.Profiler er et helt ny måleapparat, der analyserer det menneskelige øje med høj præcision og således bestemmer synsfejl, specielt bølgefronts- aberrationer (også
Fig. 2: Fuldt automatiseret i.Profiler™ fra Carl Zeiss Vision.
Fig. 3: Simulerede billeder af Snellen testtyper med forskellige aberrationer visende den samme RMS (sfærisk ækvivalent). Effekten på billedkvaliteten varierer i de forskellige Zernike-typer[5]. i.Profiler blev første gang præsenteret på SILMO 2006 i Paris (Fig. 2). Det er det første multifunktionelle, fuldt automatiserede keratometer, og denne autorefraktor fra Carl Zeiss Vision er baseret på bølgefronts-teknologi. Det resultat, man opnår med en traditionel autorefraktor, er en standard refraktionsmåling af f.eks. sfære, cylinder og akse. Denne korrektion opnås typisk for pupildiametre fra 3,3 til 3,5 mm. i.Profiler anvender en infrarød stråle til at generere et punktformet lys på nethinden, som derefter spredes. Det reflekterede lys bliver moduleret af øjets aber-
FAGLIGT STOF
34
rationer, og disse synsfejl bliver herefter analyseret. I modsætning til traditionelle autorefraktorer måler i.Profiler synsfejl over hele pupilåbningen. Disse målte værdier tillader beregning af de skift i refraktionen, der sker i forskellige situationer, og gør det muligt at vise højere ordens aberrationer såsom koma, trefoil eller sfærisk aberration. Virkningerne af øjets aberrationer på billedkvaliteten er simuleret af Chen et al. i 2005 (Fig. 3). Hvad er bølgefront? Et øje med ideel billeddannelse danner en plan bølgefront i koncentriske sfæriske skaller, hvis centre falder sammen med fokuspunktet. Enhver afvigelse herfra forårsager en vis fejl i billeddannelsen. Termen aberration bruges til at beskrive afvigelsen af en analyseret bølgefront fra en geometrisk perfekt reference-bølgefront (sædvanligvis en plan bølge). Højere ordens aberrationer har en relativ stor indvirkning på kvaliteten af nattesynet (stor pupil). Det er derfor vigtigt at bestemme ikke blot andengrads aberrationer (defokusering og bygningsfejl eller sfære og cylinder), men også højere ordens aberrationer. Øjets aberrationer kan beskrives ved hjælp af Zernike-polynomier. Zernikepolynomier er matematiske funktioner, der kan repræsentere tredimensionale overflader af cirkelformede områder med hvilken som helst krævet grad af nøjagtighed. Matematisk beskrives Zernike-polynomier af en potensrække i radialretningen og en Fourier-lignende række i vinkelretningen.
hinden, hvis den pågældende aberration optræder isoleret fra andre aberrationer. Dette muliggør en bedre evaluering af forbindelsen mellem aberrationen og dens virkning.
Fig. 6: Histogrammer over højere ordens aberrationer målt på 341 testpersoner. Fig. 4: Zernike-polynomier (Larry N. Thibos, PhD School of Optometry, Indiana University). Fra venstre til højre: udgangspunkt, hældning, bygningsfejl, defokusering, bygningsfejl, trefoil, vertikal koma, horisontal koma, trefoil, quadrafoil, andengrads-bygningsfejl, sfærisk aberration, andengradsbygningsfejl, quadrafoil, femtegrads-bygningsfejl Jo flere grader, der bruges til at beskrive bølgefronten, jo mere nøjagtig og detaljeret bliver repræsentationen. I de senere år er Zernike-polynomier blevet beskrevet på mange forskellige måder i et stort antal oftalmologiske specialpublikationer, både som formler og i grafisk form. Fig. 5 viser vigtige aberrationer som Zernike-polynomier. En sammenligning er herefter foretaget for at demonstrere, hvorledes et lyspunkt afbildes på net-
I den almindelige form
Zm n er n graden af polynomiet i radialretningen og m svarer til vinkelfrekvensen. Polynomier med et lige n og m= 0 er altid roterende symmetrisk, mens de andre er vinkelafhængige. For at repræsentere øjets aberrationer med tilstrækkelig nøjagtighed ved hjælp af Zernike-polynomier kræves mindst fire, eller endnu bedre, seks grader (Fig. 4).
Fig. 5: Eksempler på Zernike--polynomier og de tilhørende nethindebilleder. Øverste række viser farvekodede repræsentationer af Zernike-polynomier over pupil-tværsnittet. Nederste række viser hvorledes et lyspunkt afbildes på nethinden hvis det optiske system havde aberrationen ovenover[2].
I en international undersøgelse udført af Carl Zeiss Vision i 2003 blev 8.682 øjne målt. Resultatet af denne undersøgelse viser, at øjnene hos en stor del af befolkningen viser betydelige højere ordens aberrationer (Fig. 6). Disse resultater stemmer overens med kendte internationale undersøgelser, f.eks. af Davis Williams (Center Of Visual Science, University of Rochester [6]) og Larry N. Thibos (School of Optometry, Indiana University [7]) En sfærisk aberration karakteriseret ved et Zernike-polynomium af anden grad
0 Z2 ændrer lyspunktet til en roterende symmetrisk, sløret lysplet. Denne aberration kan korrigeres ved hjælp af sfæriske brilleglas eller kontaktlinser. Zernike-udtryk for bygningsfejl fører til blandede bygningsfejl med hovedmeridianer af samme størrelse. Det punktbillede, der er resultatet, er næsten cirkelrundt, hvorfra yderligere stråler udgår i to retninger lodret på hinanden. Kombinationen af bygningsfejl og sfærisk aberration kan resultere i en simpel bygningsfejl, afhængigt af det pågældende størrelsesforhold. Som bekendt korrigeres bygningsfejl med toriske linser. Aberrationen kendt som koma er til stede hvis et ikke-centralt område af
FAGLIGT STOF
35
linsesystemet viser højere refraktionsgrad end det område, der ligger diametralt overfor. Koma (græsk kóm h = hår) ændrer et lyspunkt til en asymmetrisk lysfordeling, som minder om en komethale. Koma kan ikke korrigeres ved hjælp af de brilleglas som i øjeblikket er til rådighed. Det er heller ikke muligt at korrigere treakset bygningsfejl, kendt som trefoil, ved hjælp af brilleglas. Denne aberration forvrænger et lyspunkt til en sløret plet med treakset symmetri [3]. I virkeligheden viser det menneskelige øje adskillige aberrationer på én og samme tid. Disse kan repræsenteres ved superimposering af forskellige Zernike-polynomier. Fig. 7 viser, hvordan to enkelte aberrationer (sfærisk aberration og koma) tilsammen danner en samlet aberration.
Fig. 7: De individuelle aberrationer, sfærisk aberration og koma, danner tilsammen den totale aberration [8]. Kan højere ordens aberrationer korrigeres med brilleglas? Nej. Det er et kendt faktum i den oftalmologiske verden, at briller ikke kan korrigere højere ordens aberrationer i øjet. Højere ordens aberrationer kan kun korrigeres for én synslinje. Det betyder f.eks. at kun ét centralt område af linsen med en diameter på 4 til 5 mm kan forsynes med korrektion. De lokale krumninger i dette område afviger da imidlertid betydeligt fra resten af ”bærelinsen”, hvilket tilnærmelsesvist ville svare til en bikonveks linse med flad margin, som kun ville korrigere andengrads-aberrationer. En sådan linse kunne bruges f. eks. af målskytter eller til tilpassede okularer, da hovedlinien af lys gennem linserne aldrig ændrer sig. Brilleglas til almindeligt brug bliver imidlertid altid designet til det seende øje. Derfor er korrektion af højere ordens aberrationer ikke mulig.
Der har været gjort indledende forsøg på at opdele linsen i forskelligt vægtede zoner efter dens hovedformål for at minimere højere ordens aberrationer i disse områder. Som det kunne forventes, viste det sig hurtigt at brugere af briller, som var blevet fremstillet på denne måde, forkastede dem på grund af intolerance. Blendowsky et al. kom til den konklusion, at højere ordens aberrationer (koma og trefoil) er de dominante aberrationer sammen med bygningsfejl. Antallet af højere ordens aberrationer er lille og kan beskrives lokalt ved hjælp af andengrads-komponenter med sfære og bygningsfejl [4]. Klinisk undersøgelse Metoden udviklet af Carl Zeiss Vision er baseret på viden indsamlet gennem foreløbige interne undersøgelser og på information hentet fra internationale oftalmologiske publikationer. På basis af bølgefrontsmålinger og en analyse af højere ordens aberrationer beregnes en ny sfærisk-cylindrisk kombination, rettet mod den traditionelle subjektive refraktion. Denne metode blev afprøvet i et dobbelt blindforsøg udført i samarbejde med Universitets-øjenhospitalet i Jena, Tyskland, under ledelse af Professor Dr. Strobel. Resultaterne fra denne undersøgelse viste, at den objektivt målte kontrastfølsomhed hos en stor del af testpersonerne blev forbedret ved brug af glas fremstillet ved hjælp af denne teknik. Resumé Carl Zeiss Vision indleder en ny æra inden for brilleglassenes historie. For første gang inddrager Carl Zeiss Vision højere ordens bølgefrontsaberrationer, målt i det menneskelige øje, ved optimeringen af brilleglas. Selvom højere ordens aberrationer ikke kan korrigeres ved hjælp af brilleglas, kan den nye metode ikke desto mindre forbedre synet på et mere individualiseret grundlag end nogensinde før, specielt under dårlige lysforhold og om natten. Som resultat heraf vil mange bilister kunne drage fordel af den nye metode. Kontakt venligst
den lokale repræsentant hvis der ønskes yderligere information om i.Scription og i.Profiler. En speciel tak rettes til Timo Kratzer, Jesus Cabeza og Dr. Erich Hofman for deres venlige assistance og ekspertise. Litteratur [01] Wesemann, W.: Optische und physiologische Grenzen der wellenfrontgesteuerten Hornhautchirurgie; Der Ophthalmologe (2004) H. 101; pp. 521-537 [02] Kohnen, T.; Bühren, J.: Derzeitiger Stand der wellenfrontgeführten Hornhautchirurgie zur Korrektur von Refraktionsfehlern; Der Ophthalmologe (2004) H. 6; pp. 631-647 [03] Blendowske, R., Eloy, A., Villegas, OD and Artal, P.: An Analytical Model Describing Aberrations in the Progression Corridor of Progressive Addition Lenses, Optometry and Vision Science, Vol. 83, NO. 9, PP. 666–671 [04] Chen et al. i: Optometry and Vision Science, Vol. 82, No. 5, May 2005, s.. 365 [05] J. Porter, A. Guirao, I. G. Cox, and D. R. Williams: Monochromatic aberrations of the human eye in a large population, J. Opt. Soc. Am. (2001) A 18, 1793-1803 [06] L. N. Thibos, X. Hong, A. Bradley, and X. Cheng: Statistical variation of aberration structure and image quality in a normal population of healthy eyes, J. Opt. Soc. Am. (2002) A 19, 2329-2348 [07] http://www.maximalsehen.de/neu/swf/wave front.htm, 08.11.2006 Forfatterens adresse: Lars Mendel Dipl.-Ing. (FH) Augenoptik Carl Zeiss Vision – Product Development Tlf: +49 (0)7361 - 591 302, Fax.: +49 (0)7361 - 591 495 e-mail:lars.mendel@vision.zeiss.com http://www.carlzeissvision.com/ http://www.vision.zeiss.de