尖峰眼科人工晶状体的设计选择王曌
如何选择合适的人工晶体，这是一个热门话题。
大家晚上好！我叫王曌，来自爱博诺德（北京）医疗科技有限公司。
作为一名光学工程专业出身的设计者，我有幸参与了多款自主研发、填补国内空白的人工晶状体的设计与开发。相对于各位医生同行，我更擅长的是排除了人眼感官修饰的、人工晶状体在实验室中的真实表现。所以今天，我将和大家分享，在一个设计者眼中，人工晶状体的那些事儿。
人工晶状体的设计都是以医生和患者的需求为最终导向的，临床医生和患者追求的术后安全性、稳定性和有效性，转化到设计语言，是如何从材料、机械结构、光学设计三个方面，去最大程度、最优化地满足临床核心需求。
这三个要素中，我们认为首要的也是最为重要的便是人工晶状体的材料研制。晶体材料的安全及稳定性是一切后续设计的基石，没有可靠的材料技术作保障，再优秀的后期设计也是空话。没有一款优秀的材料，曾经是国内人工晶状体行业一度面临的瓶颈问题，也是行业之殇。所幸，随着近几年国内创新企业对这个问题的突破，国内的人工晶状体行业开始飞速发展。
人工晶状体的材料经历了一个漫长的发展历程，行业内最大的进步，是80年代从硬性PMMA材料到软性可折叠材料。此后进入了硅胶、疏水、亲水可折叠材料百家争鸣的时代。比较具有代表性的90年代Alcon、AMO的两款疏水性丙烯酸酯材料，这两款材料一直在市场上使用到今天，仍然非常主流。亲水性丙烯酸酯晶体最早由博士伦和CibaVision开发，代表性材料分别是Hydroviw和MmoryLns。
亲水材料最主要优势的是两点，一是容易加工，二是表面润滑性好。
大家平时接触的亲水性人工晶状体都是装在液体里的，可能觉得它的材料就是那么软的，实际上不是，亲水材料在泡水前是硬的，硬度跟PMMA差不多，所以这种材料不需要冷冻切割，跟疏水材料比，非常容易加工，合格率高，生产门槛低，这也是为什么这种材料至今仍然有很多厂家在用的原因之一。
另外由于材料本身的柔润性，植入的时候与推注器之间的摩擦力小，可耐受的变形较大，所以有利于做成很小的切口。也因为它的润滑性，它在手术操作的时候给医生带来的短期的体验更好一些。
但是，亲水材料先后被发现有高LEC生长的发生率，容易导致各种钙化、浑浊、前囊膜纤维化等现象，这也是这种类型的材料一直被诟病的。
比如之前提到的博士伦和CibaVision的Hydroviw和MmoryLns，上市后都曾出现过由于钙化造成的晶体混浊，导致产品召回。
所以亲水性材料虽然能带来生产、手术操作的一些便利，但对于患者而言，术后长期稳定性存在问题。
与亲水性材料相比，疏水性材料在于长期的安全性与生物稳定性方面优势明显，具有比较低的PCO发生率，生物黏性好，有利于后囊尽早的贴附。这些都有大量的、长期的临床随访证据证明。
因为材质是疏水的，它也带来一些问题，首先是硬度。它与亲水材料不同，大家接触到的就是材料本身的状态，是软性的。在机械加工领域，越是硬的材料，就越是容易被精密加工，而软材料会给面形精度的控制带来很大难度，它需要进行冷冻切割，所以对厂家来说，需要克服的难点多，门槛比较高。
另外，由于它是疏水的，润滑性比亲水材料要差，所以植入的时候推注阻力会比较大。所以，虽然疏水材料折光指数高于亲水材料（相对于亲水材料1.46左右的折射率，疏水材料可以做到1.48、1.50，甚至1.55或者更高），我们基于此可以把晶体做的非常薄，但目前最小的切口目前也仅能做到2.0~2.2mm。
另外，有疏水性材料表面较粘，在植入后经常出现粘襻现象。
总体来说，亲水性材料带来的优势集中在手术操作时短暂的体验。但对于患者而言，它在长期安全性、稳定性方面远不如疏水性材料。作为设计者，我们更倾向于推荐使用疏水性材料。
同为疏水材料，材料之间也有差异，我们如何去选择呢？
我们考虑材料的光学特性，色差的控制。对于色差，大家日常生活中都有经历，在阳光下，我们用三棱镜可以把太阳光发出的白光分成红橙黄绿蓝靛紫，这其实就是由于材料产生的色散现象。材料对不同颜色的光折射率不一样，所以把光分开了，产生了色彩上的差异。
材料色差的大小跟材料的阿贝数有关，阿贝数越高，色差越小，而材料折射率又跟阿贝数成反比，由此得出结论，折射率高的材料，色差现象越严重。
所以，尽管我们出于要把晶体做薄的目的，想把疏水性材料的折光指数做的很高，但鉴于光学像差的控制，我们并不推荐把折光指数做的过高，否则将会产生大量的色差。临床上常见的“紫边”、“粉视”现象，就是色差过大的一种反馈。
疏水材料有一个特殊的问题，可能有些医生曾经观察到过。有些疏水性丙烯酸酯材料的人工晶状体，在术后大角度裂隙灯检查时会发现密密麻麻的小气泡，有文献形容“像星空一样”，这在行业内被称为闪辉（glistning）。文献表明，这种闪辉现象会对高频的对比敏感度造成损失。
闪辉现象是由于疏水性材料与水分子不能结合，水分子进入到材料内部的间隙，由于水的折射率与晶体材料折射率不同，光线入射后发生光学折射而产生的现象。它的成因复杂，主要是材料的合成过程中，由于环境控制不善或其他因素，导致空气、水蒸气等杂质进入材质内部引起。
这种现象在一些高折光指数的疏水材料身上出现的频率更高一些，是因为晶体材料本身与水的折射率相差过大，闪辉现象看起来更明显。
以上是材料方面的设计考量，接下来，我们来看机械结构方面的设计考量。机械结构决定了人工晶状体的支撑性，并对术后远期效果有着显著影响，比如对PCO的发生率的影响，所以是非常重要的设计因素。
首先来看襻形。市面上的襻形非常的多，如果仔细的去甄别，会发现亲水性的人工晶状体一般采用板型襻、四角襻这类襻形，而疏水性的人工晶状体几乎都采用了C形襻和L形襻。这是为什么呢？
我们的研发团队曾进行各种襻形的试制，最后发现，襻形并不是设计者选择的，而是材料本身选择的。
疏水性丙烯酸酯这种材料相对来说比较硬，支撑力好，如果做成板型襻，那么折叠起来会很费劲，囊袋适应性差，体积又很大。所以L襻、C襻这种纤瘦的襻形即可满足支撑的要求。并且这种纤瘦的襻形允许被压弯变形，这也使其具有非常优秀的囊袋适应性。
亲水性材料吸水后材质柔软，支撑力小，需要更厚重的襻形为其提供足够的支撑力。而这种厚重的襻形在囊袋展开后可变形的空间变得很有限，所以囊袋的尺寸适应性较差。为了克服这个问题，很多亲水晶体会在板型襻的基础上制作很多孔洞，都是为了提高襻的囊袋尺寸适应性。
同样的L襻，大家的设计仿佛都差不多，AMO的，Alcon的，国产普诺明的，似乎都没有什么区别。但其实隐藏着很多细节。
在人工晶状体的产品标准中有关于压缩力和接触角的明确规定，当晶体被压缩至10mm的时候，压缩力必须在一个范围内，保证晶体支撑力足够，又不会太大；接触角要大于某个值，使晶体襻与囊袋充分接触，防止旋转。
由于每款材料的特性不同，要达到这样的指标，就需要在襻宽度、厚度、长度、弯曲程度等等方面做非常细致的力学仿真。甚至于襻上面的凹槽，中间凸起的弧度，都是具有力学作用的。
后发型白内障，也就是PCO，是人工晶状体术后最常见的问题。大量的文献证实，锐利的方形边缘可以阻止LEC细胞的移行，降低PCO的发生率。对于方形边缘的设计，我们的建议有两条，第一是一定要有方边，因为已有大量的文献报道证明，方边的存在对降低PCO发生的意义是明确的；第二是方边必须要连续，只有连续的方边才能全方位阻止PCO细胞向人工晶状体后表面生长。最优秀的方边是°连续的，即在襻的根部，方边与主体的方边是连续的。
人工晶状体主体面形的设计。我在这里放了一张我们在光学工具书上经常可以看到的一幅图，这幅图表明了镜片的前后表面面形与产生的像差的关系。从图中我们可以看出，等双凸或是前凸明显的设计的镜片自身带有的球差较小。早期的球面人工晶状体鉴于球差控制的原因，都是等双凸或是前凸明显的设计。后续的普通非球面，受到模具、设计、加工方面的限制，大都延续了这种设计。
但是人眼的天然晶状体的形状却是后表面高高凸起的。等双凸或是前凸明显的设计显然不符合人眼的生理结构。理论上的分析认为，后凸明显的设计更加符合人眼自然晶状体的形态，并且能够使人眼囊袋向人工晶状体更迅速、更紧密的贴附，从而降低PCO的发生。
这样做的代价在于，会给人工晶状体带来更多的球差。所以这种设计不适合球面人工晶状体采用。在非球面领域，这种局限性被打破，我们可以通过特殊的非球面设计，使高后凸的人工晶状体获得优秀的光学质量。
有人会问为什么市面上有这样多的非球面人工晶体，仍然在沿用等凸或前凸的设计？一种可能是对透镜的光学设计不太了解，另一种可能是受制于之前加工球面晶体的设备、模具、工装等，毕竟转换成另外一种面形结构需要新的投入。
早在年左右，就有文献在探讨后凸对PCO的影响作用，但在当时，由于没有高后凸的人工晶状体，所以仅限于理论性质的探讨。
随着一款高后凸产品普诺明A1-UV的出现，这种理论被临床研究证实。这是年发表在国际眼科杂志上的一篇文献，对比了具有不同材料、不同面型设计的三款人工晶状体，最终证实，材料与机械设计共同影响后囊贴附速度。初期材料的影响更大，疏水性丙烯酸酯材料更易与囊袋迅速贴附；后期结构设计影响更大，高后凸的表面形态更易迅速产生囊袋弯曲。
光学设计方面，主要跟大家分享的是非球面、Toric、多焦三类主流的人工晶状体。目前这三种晶状体的发展比较成熟，临床上有大量的应用，后续的最复杂的“三合一”人工晶状体，是这三种设计的组合。
首先是非球面，对于这种晶体大部分人都比较熟悉，作用是提供一定的负球差，或是0球差，用于补偿人眼角膜正球差，或是起码不引入额外的正球差，使人眼达成更好的成像质量，尤其是在昏暗、暗视条件下，人眼瞳孔比较大时，避免夜间眩光。
非球面历经了非常长的发展过程，其发展受加工工艺、检测技术的深刻影响。
最早的一款非球面是在年左右推出的，受到当时人们对人眼像差的理解的局限性，这款晶体采用了一个比较简单的非球面设计，我们称之为“单一Q值非球面”，仅考虑矫正晶体球差，在临床后发现术后对抗中心未对准产生的高阶像差能力差而迅速被淘汰。
后续陆续有不同厂家推出二代非球面，利用了非球面表达式中部分高阶项，提高晶体对抗高阶像差的干扰。
现在已经发展到了最新的第三代非球面，被称为“高次非球面”，在二代基础上增加更多高次项，能够补偿更多类型的高阶像差。
之所以要一代又一代发展新的非球面，是因为临床过程中，人工晶状体面临非常复杂的植入环境，一般情况下人工晶状体与人眼系统很难做到完全的居中和中心对准，会产生彗差、三叶草像差等非对称的像差，降低人工晶体眼光学表现。抵抗倾斜和偏心的能力是非球面人工晶状体能够发挥优势的关键。
新型的三代非球面将临床上可能出现的各种情况，包括各种类型的倾斜、偏心、中心未对准，都以一定权重加入了设计变量中，从而优化出一个对植入环境拥有极高容差能力的设计。这两幅图是实验室实测球面、二代非球面和三代非球面的光学质量MTF结果，红色曲线是三代非球面的MTF，可以看到，三代非球面对中心未对准的容差能力得到了大幅度提高，这种提高在实验室是能够被充分观察到的。
Toric人工晶状体，专门针对角膜合并散光的白内障病人开发。散光是一种低阶像差，对人眼的视觉质量影响非常大。人群中大概有30~40%的白内障患者具有超过1.0D以上的散光，如果植入普通的人工晶状体，会出现不同程度的重影、视物模糊现象，视力得不到很好的恢复。
角膜散光的本质，是角膜在不同经线上屈光力不一致，导致进入眼内的平行光线不能在视网膜上形成焦点，而形成焦线的现象。白内障病人散光矫正的机制，是为人眼安放一个与角膜散光大小相等、方向相反的散光镜片，使人眼总的散光为0，从而矫正散光。
相对于普通的单焦点人工晶状体，散光晶体最特殊的地方在于，它有方向性。这两幅图是我们根据散光的面形表达式计算所得，在圆周方向，带有散光的角膜的面形高度/屈光力分布情况，可以看出，散光病人的角膜屈光力是呈现正弦分布的（蓝色曲线），正如大家平时看到的散光病人的角膜地形图。而我们植入的散光晶体，应该与角膜的屈光力分布正好相反（绿色曲线），从而使角膜与人工晶状体的屈光力之和在圆周方向保持一致（红色直线），矫正散光。
如果方向不对准，则会出现右图的情况，人眼最终仍然存在散光，甚至于，如果我们的方向植入完全相反，会加大散光。
就像八卦，对准了才会很和谐，对不准，则会影响效果。这对医生的手术操作提出了要求。
临床也有充分的数据说明，方向对散光晶体植入的重要性，人工晶体每旋转1°，会导致3.3%的晶体柱镜度损失。
但是，以设计者的角度，这种Toric晶体对于白内障合并角膜散光病人的疗效是确切的、毋庸置疑的，是值得推广和使用的，这点在中华医学会眼科学分会白内障与人工晶状体学组颁布的《我国散光矫正型人工晶状体临床应用专家共识（年）》中已有充分的说明。
转载请注明：http://www.loqky.com/wadzz/6535.html
