تصميم النظارات مع الانحراف عالي الترتيب وعيث قصر النظر التعايش التعايش على أساس نموذج العين

Hongliang Yaoa ، Chunmei Zeng*A ، B ، Haomo Yuc

Aschool of Optoelectronic Science and Engineering ، University Soochow ، No.1 Shizi Street ، Suzhou 215006 ، China ؛ BKEY LAB لتقنيات التصنيع الضوئية المتقدمة في مقاطعة جيانغسو و

مختبر رئيسي للتكنولوجيات البصرية الحديثة للتربية وزارة الصين ، جامعة سوتشو ، سوزشو 215006 ، الصين ؛ Csuzhou Mason Optical Co. ، Ltd. ، Suzhou 215007 ، الصين

* المؤلف المقابل: chunmei _ zeng@suda.edu.cn

خلاصة

أظهرت نظارات الإطار المصممة خصيصًا أداءً متزايدًا في الوقاية من قصر النظر والسيطرة في التجارب السريرية. ومع ذلك ، لا تزال الدراسات العامة حول تعديل الانحرافات عالية الترتيب المتعلقة بإطارات النظارات نادرة. تقوم هذه المقالة بتصميم عدسات النظارات مع الانحرافات عالية الترتيب والتخلص من قصر النظر عن طريق ربط نموذج العين ونظارات الإطارات ، ومحاكاة النموذج البصري للعينين لمدة 300 مريض قصر النظر. عندما لا يتم تعيين وحدة تعديل الانحراف عالية الترتيب للنظارات ، فإن قيمة إزالة التركيز لاتجاه المحور ص في حقل رؤية {6}} يتوافق مع التغيير في الطاقة الخارجية للوحدة micropans microlens ، وتتمكن تتراوح من -28. 5 درجة ~ 28.5 درجة (بزيادات درجة واحدة). ناقشت هذه المقالة العلاقة بين دائرة نصف قطر انحناء القوس الأساسي في البنية الدقيقة العليا لوحدة التعديل من الدرجة العالية والانحرافات عالية الترتيب في النظارات المصممة تحت مراقبة ثابتة في الاتجاه ص. تم إنشاء الصيغ التجريبية المقابلة. سيكون هذا البحث مفضيًا لتطوير نظارات تعديل الانحراف عالي الترتيب.الكلمات الرئيسية:تعديل الانحراف عالي الترتيب ، والوقاية من قصر النظر والتحكم ، ونموذج العين ، وتصميم النظارات

1. مقدمة

أظهرت دراسة متابعة منهجية [1] أنه في السنوات الخمسة عشر الماضية ، ارتفع معدل الإصابة بمسائل قصر النظر في شرق آسيا بسرعة ، وهو اتجاه ينتشر الآن على مستوى العالم. يختلف معدل تطور قصر النظر بين الفئات العمرية المختلفة ، كما هو مبين في الشكل 1: معدل تطور قصر النظر في الأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 6 إلى 9 هو -0. 50 إلى -1. سوف يتباطأ متوسط ​​التقدم السنوي لمخصر قصر النظر في معظم مرضى قصر النظر مع مرور الوقت ، مع استقرار معظم الأفراد قبل سن العشرين. وذكر المعهد الدولي لخيارة قصر النظر (IMI) في عام 2019 أن ما يقرب من 87 ٪ من الأطفال الذين يعانون من ارتفاع قصر النظر في سن 11 عامًا في سن الحادية عشرة في سن 7 أو أصغر ، أو عرضوا تقدمًا في Myopia لمدة أربع سنوات أو أكثر [2]. لذلك ، فإن الوقاية المبكر من قصر النظر في الأطفال والمراهقين في سن المدرسة أمر بالغ الأهمية للحد من الضعف البصري في المستقبل.

الشكل 1. التحول الانكساري بين الأطفال قصر النظر حسب العمر [2].

المؤتمر الدولي الرابع حول البصريات ومعالجة الصور (ICOIP 2024) ، حرره Xiaotao Hao ، Chuan Qin ، Proc. من Spie Vol. 13254 ، 132541C © 2024 Spie · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156

بروك. من Spie Vol. 13254 132541 c -1

ركزت الأبحاث السابقة حول الانحرافات عالية الترتيب (HOAS) للعين البشرية بشكل أساسي على كيفية تصحيحها (مثل تصميم Suliman et al. للعدسات اللاصقة الناعمة في عام 2019 [3]) ، والعلاقة بين HOAs وعوامل المرتبطة بالعين [4،5] ، وجراحة إعادة تشكيل القرنية باستخدام شبكات عالية الترتيب ، وتأثير HOAs على علاج العيون [6]. تشير الأدلة إلى أن HOAs ترتبط بشكل كبير بتطور قصر النظر والاستطالة المحورية عند الأطفال قصر النظر المصححة بالنظارات أحادية البؤرة [7]. بالنظر إلى مزايا الشعبية العالية ، والتكاليف المنخفضة ، والطبيعة غير الغازية ، والاستبدال السهل لنظارات الإطارات ، فإن استكشاف قدرتها على إبطاء تطور قصر النظر لدى الأطفال والمراهقين يعرض ميزة فريدة. ونظارات قصر النظر متعددة النقاط: مع وجود منطقة مركزية يمكنها تصحيح الرؤية الواضحة ، يتم ترتيب الميكرولات حول العدسة لإنتاج قصر قصر النظر المحيطية ، مما يؤدي إلى تأخير تطور قصر النظر ، وقد تم تسويق هذه التكنولوجيا بنجاح. تحاول هذه الدراسة تصميم عدسات النظارات التي يمكن أن تعدل الانحرافات عالية الترتيب بناءً على إزالة قصر النظر.

2. منهجية

2.1 نموذج العين
تضمن أساس الدراسة محاكاة العين الأساسية باستخدام برنامج التصميم البصري Zemax. تم تعديل العين الأساسية بناءً على نموذج Liou Eye [8] ، مع وجود معلمات هيكلية مفصلة في الجدول 1. تم تصميم نموذج العين بطول محوري يبلغ 23.97 مم وقطر تلميذ يبلغ 4 مم. لتبسيط التحليل ، لم نفترض أي ميل أو غريب الأطوار في التلميذ.

الجدول 1. نموذج العين المعلمات الهيكلية.

يعتمد السطح الأمامي للعدسة الأمامية والسطح الظاهري على السطح القياسي ، ويمكن تعريف مؤشر الانكسار N للوسيط بحرية ، كما هو موضح في الصيغة (1).

في الجدول 1 ، يتوافق Grad A على السطح الأمامي للعدسة مع n 0=1. 368 ، nr 2=-1. nz 2=-1. 5427*10-2 ، nz 3=0 ؛ يتوافق Grad B على السطح الظاهري مع n 0=1. 407 ، nr 2=-1. NZ 3=0.

2.2 انحراف الموجة من عيون البشر
في البصريات ، يتم استخدام أول 6 أوامر من متعدد الحدود Zernike بشكل أساسي لتمثيل انحرافات واجهة الموجة للعين البشرية. تتوافق الانحرافات الواجهة الموجية المحددة من قبل الجمعية البصرية الأمريكية (OSA) [9] مع معاملات Zernike القياسية في برنامج Zemax ، كما هو موضح في الجدول 2. يتيح هذا النهج تمثيلًا دقيقًا وموحدًا للاشتراكات في العين ، مما يسهل محاكاة وتحليل أكثر دقة.

الجدول 2. معنى انحراف معامل Zernike القياسي في Zemax.

3. النماذج والبيانات
(منطقة تصحيح الرؤية) يمكن أن تصحح أخطاء الانكسار الكروية والأسطوانية النموذجية في مرضى قصر النظر. تم تصميمه وفقًا لوصفة نظارات المريض ؛ 2 ، وحدة قصر القصير (موزعة مع العديد من الميكروليات الكروية المحدبة مرتبة في صفيف دائري) ، والتي تنتج درجة معينة من قصر قصر النظر ؛ 3 ، تتألف وحدة تعديل الانحراف عالية الترتيب من عدة هياكل حلقة متورطة في تنظيم HOA للعين البشرية. يظهر الشكل 2 (أ) الرسم التخطيطي للسطح الخارجي لعدسة النظارات ، مع زيادة عدد المنعطفات وترتيب النطاق من مركز العدسة إلى الحافة ؛ يوضح الشكل 2 (ب) علاقة الترتيب للوحدات البصرية الثلاث ، حيث تمثل R المسافة الشعاعية ، التي تقع في مستوى Xoy ؛ يتم توزيع وحدات إزالة التركيز قصر النظر بشكل موحد على محيط ، ويتم تمثيل فترات التوزيع في نفس المسافة الشعاعية بطول قوس الوحدة. يمكن أن يتحكم إعداد طول قوس الوحدة في عدد الوحدات على كل حلقة من microlens وحدة. يحدد طول قوس الوحدة ، تباعد الحلقة D ، قطر D2 من microlens الوحدة التي تم إزالة التركيز ، والعرض الشعاعي D3 من نطاق الحلقة بشكل مشترك كثافة البنية المجهرية على عدسة النظارات.

الشكل 2. (أ: يسار) رسم تخطيطي للعدسات النظارات ؛ (ب: يمين) رسم تخطيطي لثلاث تخطيطات للوحدات في طائرة Xoy.

الخطوة 1: على افتراض أن وصفة مريض قصر النظر هو diopter كروي (3 د) و diopter الأسطوانية (0 d) ، فإن نمو قصر النظر في المريض يتجلى فقط كظليل قصر النظر المحوري. استنادًا إلى ذلك ، تم تصميم نموذج العين قصر النظر ، والذي يمكنه استخدام التغييرات بشكل مثالي في طول التجويف الزجاجي لتعكس التغييرات في درجة قصر النظر في نموذج العين. وفقًا للوصفات الطبية ، تم تصميم عدسة سلبية من الهلال اليسرى تركيز واحد كوحدة المرآة الأساسية ، مع الأسطح الداخلية والخارجية الكروية. يبلغ قطر المرآة الأم 60 مم ، بسمك متوسط ​​يبلغ 1.3 مم. مادة المرآة الأم هي بولي كربونات (PC) ، مع مؤشر الانكسار 1.56 ، عدد ABBE من 37 ، وجاذبية محددة من 1.23 جم/سم 3. تم تلخيص المعلمات الهيكلية الشاملة في الجدول 3.

الجدول 3. المعلمات الهيكلية لوحدة المرآة الأم.

في Zemax ، تم ضبط نوع الفتحة على حجم فتحة عائم بقطر تلميذ يبلغ 4 مم ، وتم ضبط نوع إصبع القدم على موحد ؛ قم بتعيين ثلاثة حقول للعرض (FOV) وضبط أوزانها وفقًا لذلك: تم إعطاء درجة {1}} في التوجيه y 1 ، و 1 0 درجة fov 0. تحت الرؤية المشرقة ، اعتمد الطول الموجي طول موجة واحد قدره 0.555 ميكرون. استندت البيانات الأخرى إلى بيانات نموذج العين الأساسية في الجدول 1. تم التعامل مع سماكة العين الزجاجية لنموذج العين كمتغير ، وتم وضع العدسة الأم قبل 12 مم من قمة القرنية لتحسين النموذج البصري للعين. نتج عن هذا التكوين طول جسم زجاجي يبلغ حوالي 17.306 مم وطول محوري إجمالي للعين 25.036 مم.

Step2: اختيار FOV من الاتجاه y 14 درجة كإدارة شعاع رئيسية لتصميم الوحدة البصرية اللاحقة ، مع نفس المادة مثل وحدة المرآة الأم. في البداية ، كان من الضروري تحديد إحداثيات الاتجاه Y عندما يتقاطع الضوء الرئيسي خارج مجال محور الرؤية مع السطح الخارجي للمرآة الأولية ، من أجل تحديد المسافة الشعاعية عندما تتقاطع طبيعتها من قمة البنية المجهرية الأولى في توجيه Y للدائرة الأولى للميكرولز في وحدة إزالة الأزفوبية مع السطح الخارجي المتأثر بالمرآة الأم ؛ ثم حدد فتحة مجال الرؤية على السطح الخارجي للمرآة الأم ، كما هو موضح في الصورة الموسعة محليًا في الشكل 3. باستخدام معاملات Rey و Reaz في Zemax ، مع FOV الطبيعية ، كانت إعدادات التلميذ الطبيعية 4.058 mm ، كان 0.058 mm. وفقًا لنظرية فيثاغوران ، مرت فتحة الشعاع عبر الاتجاه Y خارج المحور في {13}} درجة FOV على السطح الخارجي للمرآة الأم حوالي 4.3186 مم.

الشكل 3. الرسم التخطيطي الجزئي لحقل محور المحور من المرآة الأم لنقل الضوء.

يمكن توضيح علاقة الموضع بين microlens من الدائرة الأولى من وحدة إزالة مركبات قصر النظر والسطح الخارجي للمرآة الأم في مستوى YOZ في اتجاه y في الشكل 4. إن نصف قطر الانحناء من السطح الخارجي للمرآة الأم يدل على أنه R2. يشار إلى ارتفاع المتجه من قمة العدسة الصغيرة إلى السطح الخارجي للمرآة الأم باسم G2. يمكن تحديد الموضع المركزي للميكروليات من خلال الطول F2 وزاوية الدوران 𝜃 ، والتي يمكن حسابها باستخدام الصيغة التالية:

الشكل 4. الرسم التخطيطي الجزئي لحقل محور محور المرآة الأم لنقل الضوء.

اضبط الشكل السطحي للميكروليات وحدة التدوير على أنها كروية (طاقة محددة من 6 د وقطرها 2 مم) ، والمسافة الشعاعية للدائرة الأولى من البنية المجهرية هي 3.802 مم ؛ تم تعيين الشكل السطحي الأولي للسطح الخارجي للبنية الدقيقة لرقابة وحدة تعديل انحراف عالية من الترتيب كصورة عزم مع طاقة قوس قاعدة من 4 د و proc شعاعي. من Spie Vol. 13254 132541 C -5 عرض 1.5 مم (D3). مبدأ الحساب لموضع المركز للقوس الأساسي لطائرة YOZ هو نفس الصيغة (2) إلى (4). يمكن تحديد الموضع المركزي للقوس الأساسي بواسطة الطول F3 وزاوية الدوران 𝜃. مع نصف قطر الانحناء (R3) وارتفاع المتجه (G3) من قمة القوس الأساسي على السطح الخارجي إلى السطح الخارجي للمرآة الأم. G 2=3. 572 μM ، G 3=1. 004 ميكرون ، تم تعيين الفاصل الزمني بين شرائط الحلقة المجاورة 3.8 مم ، ويتم تعيين العدسات النظارات مع 6 حلقات وطول قوس الوحدة 4 مم. تم تفصيل البيانات المرجعية لموضع البنية المجهرية في الجدول 4.

Step3: باستخدام برنامج SolidWorks ثلاثي الأبعاد CAD ، أكمل نمذجة عدسات النظارات الأولية. تم توضيح وجهات النظر الرئيسية واليسرى في الشكل 5 ، وقطر منطقة تصحيح الرؤية المركزية في عدسة الأم الهيكلية الأولية حوالي 5.604 مم.

الجدول 4. بيانات الموضع للبنية المجهرية للعدسة المستعرضة.

الشكل 5. الهيكل الأولي لعدسات النظارات - وجهات النظر الأمامية واليسرى.

4. النتائج والتحليل

وكشف التحقيق في الأداء البصري لعدسة النظارات ، الذي يضم في البداية العدسة الأم فقط ، أن قيمة إزالة التورط في اتجاه المحور ص في -14 درجة FOV داخل الحقل الثابت لنموذج النماذج كانت {3}}. بالنظر إلى أن قوة السطح الخارجي للمرآة الأم هي 2 د ، اخترنا استكشاف مجموعة من القوى البصرية للمنافس الخارجي لوحدة إزالة التركيز قصر النظر بين 4 إلى 10 د ، وزيادة في زيادات 1 د ، دون دمج وحدة تعديل الشحن عالية الترتيب. تم تلخيص حالة defocus المرصودة في الجدول 5. أظهرت البيانات المتعلقة بـ Z4 defocus علاقة خطية ، مما يسمح لنا باستخدام الصيغة (5) لتقدير مواجهة الموجة تحت القوى المختلفة للسطح الخارجي لوحدة defocus في الرصد الثابت -14. هنا ، كانت قيمة الطاقة البصرية X لسطح وحدة إزالة اليقظة قصر النظر بمثابة المتغير المستقل ، في حين أن قيمة Z4 المقابلة Z4 كانت بمثابة المتغير التابع.

الجدول 5. حقل ثابت لمحور العرض -14 حقل درجة عرض البيانات مع تغييرات في الطاقة البصرية.

اضبط الطاقة السطحية الخارجية لوحدة defocus microlens على 6 د ، دون تعيين وحدة تعديل الانحراف عالي الترتيب. تباين إزالة مركبات الحقل الرأسي العمودي الثابت من -28. في هذه المقالة ، تشير القيمة الإيجابية لـ Z4 إلى أن كمية defocus موجودة أمام شبكية العين ، في حين تشير القيمة السلبية لـ Z4 إلى أن كمية defocus يتم وضعها خلف شبكية العين. نظرًا لتماثل ترتيب العدسة ، يكون توزيع إزالة التركيز في مجال الرؤية العمودي متماثلًا تقريبًا ، في حين أن وضع الإزالة في مجال الرؤية الأفقي متشابه.

الشكل 6. مجال الرأسي الثابت للعرض خريطة تغيير التركيز.

ظل الهيكل الأولي للمرآة الأم ووحدة إزالة الاصابة بقرص قصر النظر دون تغيير ، مع الحفاظ على العرض الشعاعي للبنية المجهرية السطحية المحذقة لوحدة تعديل الانحراف ذات الترتيب العالي ، وتم تغيير دائرة نصف قطر قوس القوس من Toric. هذا يهدف إلى تحليل العلاقة بين نصف قطر انحناء القوس الأساسي R3 ومبلغ الانحراف من الدرجة العليا عند مراقبة الحقل -14 في الحقل الثابت.

اختارت الدراسة ما مجموعه 9 نقاط بيانات ، بما في ذلك قوى المنحنى الأساسي من 3.7 د ، 4 د ، 4.5 د ، 5 د ، 5.5 د ، 6 د ، 7 د ، 8 د ، و 9 د ، لضمان انخفاض سلس في نصف قطر الانحناء المحسوب. عندما كانت طاقة منحنى القاعدة 10 أيام ، تكون أعلى نقطة على السطح الخارجي للوحدة التي تم إزالة التركيز عليها أقل من تلك الموجودة في البنية المجهرية لوحدة التعديل عالية الترتيب ، والتي لم تكن تتماشى مع النمذجة.

سجلت قيم معامل مصطلح Zernike القياسي للعدسة مع Mother Mirt و Defocus وحدة فقط في الاتجاه y في -14 درجة FOV. RMS لقيم انحراف واجهة الموجة لمركز الكتلة في zemax القضاء على آثار الإزاحة والإمالة. من خلال التخلص منها ، يمكن تحديد RMS (متوسط ​​الجذر المربع) من HOAs للعين في هذا الحقل ليكون 0. 932937 λ (0. سجلت العديد من مكونات الانحراف عالي الترتيب والتي قد تكون متورطة في تأخير قصر النظر ، مع وجود قيمة أولية تدل على zi 0 ، حيث أمثل ترتيب ترتيب معاملات المصطلح القياسي Zernike في Zemax. كان Coma coma z7 0 -0. 141717 λ ، coma الأفقي Z8 0 كان 0. كان Z100 0 λ ، كان الانحراف الكروي Z110 -0. -0.

نمذجة العدسات النظارات مع إشعاعي انحناء قوس قاعدة مختلفة لوحدات تعديل الانحراف من الدرجة العالية ، وتسجيل بيانات الانحراف المرتفع في الاتجاه y في -14 كانت درجة FOV أثناء المراقبة الثابتة في النظام البصري للنظارات ، كما هو موضح في الجدول 6. كمية الميكروغراك (Zi-Zi 0). وكشف تحليل الانحدار للبيانات أن نصف قطر انحناء القوس الأساسي R3 من السطح الحلقي يرتبط بالغيبوبة العمودية ، والثلاثي المائلة ، والانحراف الكروي ، والاستجماتيزم الثانوي الأفقي ، والدولة الرأسية من الدرجة الثانية ، والانحراف الكروي الثانوي ، والإنتراب العالي الكلي. يوضح الشكل 7 توزيع التناثر والانحدار لستة زيادات انحراف عالي الترتيب و R3 ، حيث يكون لزيادة Trefoil المائلة وزيادة الانحراف الكروي علاقة خطية مع نصف قطر انحناء القوس الأساسي ، وتناقص الزيادة مع زيادة نصف قطر انحناء القوس الأساسي. ترتبط الزيادة في الغيبوبة العمودية ، وزيادة الاستجماتيزم الثانوية الأفقية ، وزيادة الغيبوبة الرأسية من الدرجة الثانية ، وزيادة الانحراف الكروي الثانوي ، وإجمالي زيادة الانحراف عالي الترتيب غير الخطية مع R3. يمكن رؤية الصيغة التجريبية من المعادلات (6) ~ (12). لا يوجد علاقة كبيرة بين الغيبوبة الأفقية ، والثلاثي الأفقي ، والاستجماتيزم الثانوي المائل ، والغيبوبة الأفقية من الدرجة الثانية ونصف قطر الانحناء R3. يمكن تخيل أن القدرة على تعديل الانحرافات المحددة عن طريق ضبط انحناء البنية المجهرية بدقة تؤكد على إمكانية إنشاء عدسات نظارات أكثر فعالية وتخصيصًا لإدارة قصر النظر.

الجدول 6. الملاحظة الثابتة في حقل Y-Direction -14 حقل الرؤية بيانات الواجهة الموجية القياسية للانحراف العالي الترتيب.

الشكل 7. مخططات مبعثرة وخطوط الانحدار لزيادات انحراف عالي الترتيب جزئي كدالة لنصف قطر انحناء القوس الأساسي.

أنشأت العلاقة بين نصف قطر الانحناء R3 للقوس الأساسي وانحراف واجهة الموجة التي يعبر عنها الحدود القياسية Zernike (راجع الشكل 7). يتراوح نطاق R3 بين 62.22222 ملم و 151.351351 مم ، كانت الصيغة التجريبية كما يلي:

في المعادلة ، يمثل معامل الحكم لمعادلة الانحدار ، وكلما اقتربت قيمتها إلى 1 ، زادت درجة تركيب المعادلة.

5. الاستنتاجات

تهدف هذه الورقة إلى التحقيق في تعديل الانحرافات عالية الترتيب في النظارات المصممة وتأثيرها على إزالة قصر النظر. يقترح تصميمًا يربط نموذج العين وإطار نظارات لمحاكاة النموذج البصري لمرضى قصر النظر 300-. تستكشف الدراسة العلاقة بين دائرة نصف قطر انحناء القوس الأساسي في البنية العليا لوحدة تعديل الطحالب عالية الترتيب والانحرافات عالية الترتيب تحت مراقبة ثابتة. يساهم هذا البحث في تطوير نظارات تعديل الانحراف عالي الترتيب ، مما يوفر رؤى قيمة للوقاية من قصر النظر والسيطرة.

مراجع

[3] سليمان أ ، روبن أ. الرؤية الأفريقية وصحة العين. 2019 ، 78 (1).

[4] Rebika D ، Divya S ، Murugesan V ، et al. الخواص الميكانيكية الحيوية من انحرافات القرنية والعين في عيون قصر النظر. المجلة الهندية لطب العيون. 2023 ديسمبر 15.

[5] حسن ح ، شيما م ، أليريزا جيه ، وآخرون. العلاقة بين المكونات البيومترية العينية وانحرافات القرنية. البصريات التجريبية السريرية. 2023 Oct 16 ، 1-7.

[6] KJL ، JSV ، Sin-Wan C ، et al. تأثير عامل ضغط أمراض تقويم العظام على الانحرافات العليا في العين. البصريات التجريبية السريرية. 2020،103 (1) ، 123-128.

[7] Hiraoka Takahiro ، Kotsuka Junko ، Kakita Tetsuhiko ، Okamoto Fumiki ، Oshika Tetsuro. العلاقة بين انحرافات الواجهة الموجية العليا والتقدم الطبيعي لمخصر الرقيب في تلاميذ المدارس. التقارير العلمية. 2017 ، 7 (1).

[8] Liou HL ، Brennan N A. دقيق تشريحي. عين نموذج محدودة للنمذجة البصرية. OPT SOC AM A OPT Image Sci Vis. 1997 أغسطس ، 14 (8) ، 1684-95.

[9] طرق العيون للإبلاغ عن الانحرافات البصرية للعيون. أنسي. Z80. 28-2017 ، 2017-08-21.