Testing the optical quality of intraocular lenses regarding postoperative tilt and decentration

Abstract

Katarakt ist die Trübung der Augenlinse, was unbehandelt bis zur Erblindung führen kann. Bei der Katarakt-Operation, der häufigsten Operation in der westlichen Welt, wird die getrübte Linse entfernt und durch eine künstliche, eine sogenannte „Intraokularlinse“ (IOL), ersetzt. Das optische Design dieser Linsen wird ständig verbessert, u.a. durch Beseitigung von Abbildungsfehlern der IOL selbst, oder durch IOLs, die Abbildungsfehler des Auges korrigieren können. Postoperativ kann es durch den Heilungsprozess zu einer Verschiebung oder Verkippung der IOL im Auge kommen. Untersuchungen zeigten, dass hochentwickeltere Linsen in zentrierter Position bessere Ergebnisse zeigen, aber die Bildqualität bei Dezentrierung unter der von einfachen Linsen liegen kann. Um die postoperativen Eigenschaften von IOLs besser charakterisieren zu können, wird in dieser Arbeit untersucht, welche Abbildungsfehler durch bestimmte Dezentrierungen herbeigeführt werden und wie diese experimentell erfasst werden können. Theoretische Analysen sind in der wissenschaftlichen Literatur selten, da Hersteller die optischen Linsendesigns meist nicht veröffentlichen. Experimentell verlangt der aktuelle Standard zur Linsenprüfung (ISO 11979-2) keine Tests zur Überprüfung von dezentrierungsbedingten Abbildungsfehlern. Aktuelle wissenschaftliche, nicht standardisierte Testmethoden beruhen oft auf Vereinfachungen des ISO-Teststandards und entsprechen nicht exakt der Physiologie des menschlichen Auges. Diese Arbeit präsentiert ein neuartiges mechanisches Augenmodell, welches die optischen Eigenschaften des menschlichen Auges genau nachbildet. Zwei feinmechanische Stellmotoren ermöglichen automatisches Testen von IOLs bei simulierten postoperativen Dezentrierungen. Unter Verwendung eines Hartmann-Shack Wellenfront-Sensors und Zerlegung der Wellenfront in Zernike Polynome, kann die optische Qualität sowie die Art der Abbildungsfehler für den statistisch relevanten Bereich postoperativer IOL Positionen gemessen werden. Die Herstellung der künstlichen Kornea für das Augenmodell ist technologisch äußerst anspruchsvoll. Trotz dieser Schwierigkeit zeigen die bei dezentrierter IOL gemessenen Abbildungsfehler eine gute Übereinstimmung mit den Resultaten numerischer Simulationen, die für drei verschiedene, typische Linsen-Designs sowie zwei Irisdurchmesser durchgeführt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit können ein wesentlicher Beitrag für die Verbesserung des aktuellen ISO-Teststandards sein, indem IOLs unter physiologischen Bedingungen und unter Berücksichtigung von postoperativer Fehlplatzierungen im Auge untersucht werden.

Cataract, the clouding of the human eye lens, leads to blindness if it is not treated. But it can effectively be treated by surgery, this is the most frequent surgical intervention in western countries. During cataract surgery the clouded natural lens is replaced by an artificial lens, called "intraocular lens" (IOL). The optical design of IOLs is constantly improving. Some advances were the removal of the IOLs own optical aberration, or IOLs can be designed to correct optical aberrations of the eye. Postoperative healing processes can cause a change of the IOLs position within the eye. Research showed that advanced lens designs show increased performance in the centered position, but image quality can drop below the performance of simple lens designs if the IOL displaces postsurgically. To improve IOL characterization for better postsurgical outcome, this thesis questions, which types of aberrations are induced at specific IOL decentrations, and how they can experimentally be measured. Theoretical analysis are rare in literature, since IOL design data are not revealed by the manufacturers. Experimentally, the current test standard for testing the optical performance of IOLs (ISO 11979-2) does not require an investigation of the aberration effects of IOL decentrations. Current non--standardized tests often rely on simplifications of the test standard, which do not accurately represent the physiology of the human eye. This thesis presents a novel mechanical model eye, which closely represents the eyes optical properties. Two micro actuators allow for an automated test of the optical performance in presence of postoperative IOL displacements. Using a Hartmann--Shack wavefront sensor and wavefront decomposition into Zernike polynomials, the optical quality and types of aberrations can be assessed for the full parameter space that is possible for postoperative IOL positions. Technologically the manufacturing of the artificial cornea lens, required for the model eye, is very challenging. Apart from this, the measured decentration induced types of image aberrations show good agreement with results from a numerical simulation for three different typical lens designs under two different illumination conditions. Findings from this thesis can be a major contribution to further improve the current test standard, in order to test IOLs under physiological conditions and considering postsurgical lens displacements.