專利名稱：軟性透鏡角膜矯正術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及隱形眼鏡，更具體而言，涉及適于角膜矯形以矯正、減輕或預防屈光不正的透鏡。
背景技術：
人類視覺系統(tǒng)由三個主要部分，即角膜、晶狀體和視網(wǎng)膜組成。屈光正常是入射平行光線恰好聚焦到視網(wǎng)膜上從而可見清晰圖象即20/20視覺的情況。近視(myopia或nearsightedness)時，平行光線聚焦在視網(wǎng)膜前面，導致模糊的視網(wǎng)膜圖象。遠視(hyperopia或farsightness)時，平行光線聚焦在視網(wǎng)膜后面，也導致不清晰的圖象。其他屈光異常如散光和老花眼也導致模糊的視網(wǎng)膜圖象。
用于上述屈光不正的矯正形式包括眼鏡、隱形眼鏡和屈光手術。眼鏡片已經(jīng)成為用于矯正屈光不正的傳統(tǒng)模式，它們由凹面、凸面或圓柱透鏡組成，以將未聚焦的平行光線聚焦到視網(wǎng)膜上。隱形眼鏡通過將硬性或軟性塑料材料直接放置在角膜表面上而實現(xiàn)類似的視覺矯正。屈光不正的手術矯正(即RK、PRK、LASIK、人工晶狀體)通過重塑角膜表面或將矯正性透鏡通過手術植入眼睛內實現(xiàn)。1962年，Jessen介紹了重塑角膜表面的非手術性隱形眼鏡技術，后來稱作角膜矯正術。
傳統(tǒng)上，角膜矯正術定義為通過應用特別設計的透氣性硬鏡(RGP)對角膜的前表面進行重塑而暫時性減小或消除屈光不正(近視、遠視、散光和老花眼)。通過透鏡中心引入與中周邊(mid-periphery)曲率半徑不同的獨特后透鏡幾何形狀，可以實現(xiàn)所需的角膜地形變化(中央角膜變平以矯正近視，中央角膜變陡以矯正遠視)。常用的一種幾何形狀稱作“反向幾何設計(reverse geometry design)”。在目前的角膜矯正術中，當患者睡覺時后透鏡構造對角膜表面進行過夜矯形。醒來時，取出透鏡，患者感到屈光不正減輕，視力改善，而不需要眼鏡、隱形眼鏡或屈光手術。由于角膜重塑不是永久性的，因此需要患者每夜或隔夜配戴硬性隱形眼鏡，以保持所需的效果。
所有前述角膜矯正技術都使用硬鏡或RGP透鏡來達到角膜矯形效果。
關于RGP角膜矯正術基本機制的研究一直在進行，目前了解到其機制是在存在眼淚體積明顯差異的硬鏡下方產(chǎn)生液壓，即改變組織的力。
就近視角膜矯正術而言，通過引入比中央角膜的曲度更平的中央曲率半徑(即更大的曲率半徑)的RGP透鏡，可以實現(xiàn)所需的中央變平效應。在中周邊，透鏡引入比角膜曲度更陡的曲率半徑(即小曲率半徑)?？傊@些曲度組合以形成反向幾何透鏡設計的基礎。
反向幾何透鏡的后面形狀依靠跨中央角膜的薄(約5微米)淚層在角膜中央上產(chǎn)生正“推”力。透鏡的較陡中周邊曲面產(chǎn)生厚淚層(約550微米)，導致負壓或“拉”力。該負壓至少部分導致中周邊角膜厚度相對于中央厚度增加?？傊@兩種力產(chǎn)生近視角膜矯正術中看到的所需變化。
就遠視角膜矯正術而言，目前了解到其機制與近視角膜矯正術相反。換言之，透鏡設計在中央產(chǎn)生“拉”(負)壓力，在中周邊產(chǎn)生“推”(正)壓力。通過引入陡的中央曲率半徑和平的中周邊曲率半徑的反向幾何透鏡設計可以產(chǎn)生這些力。這種構造產(chǎn)生遠視角膜矯正術中看到的所需變化。
目前，市售各種透鏡設計來進行角膜矯形(表1)。在美國，至少一種設計，Paragon CRT，已經(jīng)被FDA批準用來進行過夜角膜矯形。其余的透鏡設計或者僅批準用于日常配戴，或目前處于為獲得過夜矯形的FDA批準的某一臨床研究階段。表1中的所有透鏡都是RGP透鏡。
表1市售用于角膜矯形的多種透鏡設計

Paragon CRT透鏡由三個主要區(qū)組成。第一區(qū)由設計用來矯正近視屈光不正的中央基線半徑組成。這種較平的曲率半徑有助于在透鏡下產(chǎn)生適當?shù)牧σ源龠M角膜組織重塑。第二區(qū)，返回區(qū)(return zone)，是調節(jié)跨中央角膜的透鏡間隙(clearance)量的S形曲線。較平緩的S形曲線使基線更靠近角膜，而較陡的S形曲線導致更大的頂間隙。最后的第三區(qū)提供跨中周邊角膜的透鏡校準。該區(qū)終止于設計用來最大化患者舒適感的受控邊緣曲線。
許多年來，對于大多數(shù)隱形眼鏡配戴者來說，RGP透鏡是生理上優(yōu)選的透鏡。
這是因為RGP透鏡具有高水平的透氧性，通常認為在生理上對配戴者眼睛相對無損傷，例如通過較多的淚液交換可以實現(xiàn)。但是，RGP透鏡對于配戴者來說并不是特別舒適的，最近軟性隱形眼鏡已經(jīng)成為大多數(shù)患者選擇的透鏡。事實上，在一些國家，目前有約90％的隱形眼鏡配戴者使用軟性透鏡。硅氧烷水凝膠透鏡是最近開發(fā)的，提供高水平的透氧性，從而消除了軟性隱形眼鏡的前述缺點，在保持高舒適度的同時使得可以安全地過夜配戴。最近，已經(jīng)開發(fā)了硅氧烷水凝膠延時或連續(xù)配戴的透鏡，其具有足夠的淚液和氧氣透過性，從而不會對眼睛造成損傷，即使戴著透鏡睡眠過夜或甚至連續(xù)配戴最多30天也不造成損傷。
應該理解，軟性透鏡傾向于比RGP透鏡更符合配戴者眼睛的形狀。事實上，軟性透鏡的柔軟度和舒適感為配戴者提供了高舒適度。角膜矯正術過程需要對眼睛表面進行某種矯形，因此，人們已經(jīng)認識到由于與眼睛表面高度一致，軟性透鏡并不適合于角膜矯正術。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了具有與配戴者眼睛表面匹配的后表面和凸起前表面的軟性隱形眼鏡，該隱形眼鏡具有的機械性能和/或幾何形狀使得當透鏡配戴在眼睛上時通過透鏡施加于眼睛上的壓力在至少一個較高壓力區(qū)和至少一個較低壓力區(qū)之間沿徑向變化，選擇所述區(qū)之間的壓力梯度和所述區(qū)的位置，以導致眼睛角膜表面層的尺寸變化，從而至少暫時性地導致眼睛屈光狀態(tài)變化。
優(yōu)選的是，所述隱形眼鏡的后表面具有不同于眼睛輪廓的形狀，使距離透鏡中心特定徑向距離處透鏡的某一環(huán)形部分比距離透鏡中心不同徑向距離處的透鏡其他環(huán)形部分更靠近眼睛表面。
優(yōu)選的是，在每個環(huán)形部分處施加于眼睛的壓力應能限定足夠陡的壓力梯度，以使角膜厚度，主要是上皮厚度，傾向于更不靠近或不位于較高壓力區(qū)中，而是更靠近或位于較低壓力區(qū)中。
可以構造透鏡，使其具有天然或正常(非外翻)定位和外翻(內部翻出)定位，透鏡在兩種定位上都穩(wěn)定，并且其中外翻透鏡的后表面由非外翻透鏡的前表面限定。
本發(fā)明還涉及通過角膜矯形減小眼睛屈光不正的方法，包括下列步驟確定眼睛所需的屈光矯正；和選擇由一定材料形成并具有一定幾何構造的軟性透鏡，使得當將其配戴到眼睛上時會對眼睛表面施加壓力，從而有助于所需的角膜矯形。
應該理解，本方法中還可以加入繪制至少是部分待矯形眼睛的表面形狀的步驟，例如通過角膜地形(corneal topography)，以提高對角膜矯形的可預測性。但是，可以設想對于以在大量群體的平均個體中達到效果為目的的大量生產(chǎn)隱形眼鏡來說，角膜繪圖并不是絕對必需的。
下面將參照附圖來更詳細地討論本發(fā)明。但是，說明書和附圖并非要限制如權利要求書所限定的本發(fā)明的寬泛主題。


圖1-26所示為接受根據(jù)本發(fā)明的角膜矯正術治療的患者眼睛的不同角膜地形圖；圖27示出軟性隱形眼鏡的有限元模型圖解；圖28示出典型軟性透鏡的幾何參數(shù)圖解；圖29示出三種不同透鏡的外翻后表面圖解；圖30-41示出根據(jù)本發(fā)明制作的十二個不同透鏡模型的鏡面凹陷、間隙(即淚液厚度)、壓力和應力差異圖。
具體實施例方式
人類上皮約為50微米厚。可以使用普遍引入到目前用于角膜屈光手術的受激準分子激光器中的Munnerlyn公式，估算組織壓縮或位移的量，即組織厚度的減小(Munnerlyn C.R.，Koons S.J.，Marshall J.，Photorefractive KeratectomyA Technique forLaser Refractive Surgery，J CATARACT REFRACT.SURG.19881446-52)。該公式可以用來估算所需屈光變化需要的組織操作量。
組織厚度減?。?(光區(qū)直徑)2×屈光偏差)/3Munerlyn公式假定角膜的后表面保持固定。
例如治療區(qū)直徑 ＝5.0mmOZD平方(5.0×5.0) ＝25mm2×目標屈光偏差(-2.50D) ＝-62.50微米/3 ＝-20.83微米所需的組織厚度變化 ＝-21微米在角膜矯形中，對于-2.5D矯正來說治療區(qū)中角膜徑向深度的變化為約20微米。表2描述了有效屈光變化如何隨治療區(qū)的減小而增加。
表2治療區(qū)直徑和屈光變化之間的關系

當Munnerlyn公式應用于隱形眼鏡角膜矯形時，結果表明需要最小組織位移(約9微米/屈光度)以達到所需的視覺效果。該公式還有助于闡明治療區(qū)直徑和組織位移量之間的關系(表3)。
表3-3.00D矯正所需的角膜組織位移

根據(jù)Munnerlyn公式，似乎角膜矯形中的大多數(shù)視覺變化可以歸因于上皮的變化。但是，Bowman層和基質床(stromal bed)中的長期變化的可能性也有助于獲得所需的視覺效果。
如上所述，前述角膜矯正技術已經(jīng)使用RGP隱形眼鏡來獲得其角膜矯形效果。
關于RGP角膜矯正術如何起作用，目前較贊成的理論是對于矯正近視的角膜矯正術，當在眼睛上放置中央曲率半徑比中央角膜的曲率半徑平(即更大的曲率半徑)的透鏡時，產(chǎn)生薄的后淚層。所得的淚膜在透鏡下方產(chǎn)生切變壓力，重新分布從中央到中周邊的角膜厚度。這通過跨中央角膜的薄(約5微米)淚層在角膜中央產(chǎn)生正“推”力。透鏡的較陡中周邊曲線產(chǎn)生厚淚層(約550微米)，導致有助于角膜厚度從中央到中周邊重新分布的負“拉”力?？傊?，這兩種力產(chǎn)生近視角膜矯正術中看到的所需地形/視覺變化。在過夜配戴約7-10天后，該過程會導致所需程度的中央角膜變平和中周邊角膜變陡。
如下文所詳細討論的那樣，使用外翻的軟性隱形眼鏡對患者進行的臨床試驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用軟性透鏡可以獲得出乎意料高水平的視覺矯正。期望透氧率高于約87barrer的軟性透鏡適用于本發(fā)明，因為它對于提供可配戴過夜的透鏡是特別有利的(Holden B.A.，Mertz G W.，Critical oxygen levels to avoid corneal edema for daily andextended wear contact lenses，INVEST OPHTHALMOL VIS SCI.1984251161-1167)。根據(jù)該說明書設計的硅氧烷水凝膠透鏡可以適合于這種治療。
不拘泥于理論，臨床結果表明該軟性透鏡設計不是主要通過角膜組織重新分布、而是通過角膜組織壓縮來誘導其角膜矯正效果。但是，應該理解，該系統(tǒng)和方法還包括通過組織重新分布、上皮和角膜基質細胞生成與去除、細胞遷移或重新定向和細胞大小的變化與壓縮一起或替代壓縮來獲得所需效果。
當患者(L.E.)表示她雙眼視力均有輕微下降的癥狀時，本發(fā)明人首先想到了使用軟性隱形眼鏡來進行角膜矯形。該患者曾一年內連續(xù)30天不間斷地配戴由CIBAVision Corporation in Duluth，GA生產(chǎn)的Focus Night和Day軟性透鏡。該患者具有高度屈光性近視，并且在當時配戴了下列軟性隱形眼鏡右眼基線8.4mm焦度-9.00D直徑13.8mm右眼基線8.4mm焦度-9.00D直徑13.8mm由于不能確定患者視力問題的性質，使用Humphrey Atlas Topographer對患者眼睛進行了角膜地形制圖。該圖明顯表明患者前角膜的地形(形狀)已經(jīng)由軟性隱形眼鏡改變。左眼上的地形變化最為明顯，說明了中央3.0mm范圍的角膜變平，中周邊變陡。
于是，推斷患者不經(jīng)意地外翻了她的軟性隱形眼鏡，并在不確切的一段時間內配戴了外翻的隱形眼鏡。然后達成一致意見，在Patrick Caroline的盲左眼上進行試點研究，以確定配戴外翻的-9.00屈光度的軟性透鏡是否確實能夠導致患者眼中發(fā)生顯著的地形變化。將2002年2月4日的地形圖看作基線(圖1)。
周三，2003年2月12日，Stacy Aboutalebi博士將外翻的9.00屈光度的FocusNight和Day軟性透鏡嵌入到了Patrick Caroline的左眼中。Caroline先生從上午10:00直到下午5:45一直戴著該透鏡。那時，進行了裂隙燈檢查，注意到軟性透鏡在眼睛上居中，并且角膜無眼睛病理學特征。
下午5:48，將軟性透鏡取出，用Medmont Studio Corneal Topographer進行角膜制圖(圖2)。當將配戴前左眼地形和配戴后左眼地形比較時，明顯可見配戴外翻的軟性隱形眼鏡導致了明顯的角膜變化。
然后決定將軟性透鏡重新嵌入，并且Caroline先生配戴透鏡過夜。第二天，周四，2003年2月13日，他配戴軟性透鏡返回到Pacific大學。下午5:10取出透鏡，進行角膜制圖(圖3)。分析該圖表明中央角膜變平的量增加。
下面的地形圖表明隨后幾天角膜變平的進展周五，2003年2月14日(圖4)周六，2003年2月15日(圖5)從2003年2月15日至2003年3月1日，進行了一系列臨床試驗以驗證將軟性隱形眼鏡用于角膜矯正術的設想。這些試驗的結果還證實了該技術的有效性。
周六，2003年2月16日上午9:42，對Alex Caroline的盲左眼進行了基線角膜地形測定(圖6)。上午9:50，將具有下述規(guī)格的外翻Ciba Focus Night and Day隱形眼鏡嵌入到Alex的左眼中基線8.4mm焦度-10.00D直徑13.8mmAlex連續(xù)配戴上述外翻的隱形眼鏡，直到周一，2003年2月24日下午6:56。在那時，取出隱形眼鏡，進行角膜地形制圖(圖7)。周二，2003年2月25日再次將透鏡外翻嵌入到Alex的左眼中。2003年3月1日上午11:20，將隱形眼鏡取出，進行角膜地形制圖(圖8)。下午12:30，將外翻的隱形眼鏡再次嵌入Alex的左眼。
2003年2月15日下午4:15，對Jennifer Choo進行基線角膜地形制圖(圖9和圖10)。Jennifer每只眼睛的裸眼視力為20/200。每只眼睛的最好矯正視力為20/20，具有下列屈光度OD-4.00/-0.50×90OS-4.25/-0.25×90下午5:00，Jennifer配戴下列外翻的隱形眼鏡
右眼左眼Purevision(Bausch and Focus Night&Day(Ciba)Lomb)基線8.6mm 基線8.6mm焦度-4.50D 焦度-4.50D直徑13.8mm 直徑13.8mm2003年2月16日上午9:10，將隱形眼鏡取出，進行角膜地形制圖(圖11和12)。
周一，2003年2月17日下午12:30，Jennifer將下列外翻的Focus Night and Day透鏡置于她的眼睛上右眼左眼基線8.6mm基線8.6mm焦度-10.00D 焦度+6.00D直徑13.8mm 直徑13.8mm周二，2003年2月18日上午7:45，將上述隱形眼鏡取出，進行角膜地形制圖(圖13和14)。Jennifer直到周二，2003年2月27日才結束配戴所有隱形眼鏡。
周二，2003年2月27日下午5:28，對Jennifer Choo進行另一次基線角膜地形制圖(圖15和16)。下午11:45，將具有下述規(guī)格的Focus Night and Day隱形眼鏡以外翻形式放置到Jennifer Choo的右眼和左眼上基線8.6mm焦度-10.00DS直徑13.8mm周五，2003年2月28日上午7:30，將隱形眼鏡取出，同一天上午8:30進行角膜地形制圖(圖17和圖18)。Jennifer每只眼睛的裸眼視力為20/200。每只眼睛的最好矯正視力為20/20，具有下列平衡屈光度OD-300/-0.50×90
OS-3.25/-0.25×92下午11:30，將相同的隱形眼鏡以外翻形式再次嵌入到Jennifer眼睛中。
周六，2003年3月1日上午10:00，將隱形眼鏡取出。上午11:21進行角膜地形制圖(圖19和20)。Jennifer每只眼睛的裸眼視力為20/200。她每只眼睛的最好矯正視力為20/20，具有下列平衡屈光度OD-3.00DSOS-3.25DS周六，2003年3月1日下午12:00，Jennifer配戴下列外翻的Focus Night and Day隱形眼鏡右眼左眼基線8.6mm 基線8.6mm焦度-9.50D 焦度-9.50D直徑13.8mm 直徑13.8mm在上述隱形眼鏡之上，Jennifer還配戴下列未外翻的Focus Night and Day隱形眼鏡基線8.6mm 基線8.6mm焦度+6.00D 焦度+5.75D直徑13.8mm 直徑13.8mm周三，2003年2月19日下午5:20，對Stacy Aboutalebi博士進行基線角膜地形測定(圖21和22)。Stacy Aboutalebi博士每只眼睛的裸眼視力為20/100。每只眼睛的最好矯正視力為20/20，具有下列平衡屈光度OD-1.25/-0.75×60OS-1.50/-1.00×115周四，2003年2月27日下午10:30，Aboutalebi博士每只眼睛上配戴下列外翻的Focus Night and Day隱形眼鏡基線8.6mm焦度-10.00D直徑13.8mm
周五，2003年2月28日上午6:30，取出上述隱形眼鏡。上午8:39進行角膜地形制圖(圖23和24)。使用Snellen Visual Acuity Chart測定，Aboutalebi博士的右眼裸眼視力為20/25-1，左眼裸眼視力為20/30。每只眼睛的最好矯正視力為20/20，具有下列屈光度OD-0.25/-0.75×58OS-0.25/-1.00×115周五，2003年2月28日下午10:40，再次嵌入外翻的隱形眼鏡，并在周六，2003年3月1日上午9:30取出。上午11:09進行角膜地形制圖(圖25和26)。
從前述實驗結果可以清楚地得出可以使用軟性隱形眼鏡對角膜表面層進行矯形。據(jù)信，通過透鏡施加到眼睛表面上的壓力、高壓區(qū)和低壓區(qū)之間的壓力梯度決定矯形的性質。
有許多因素決定眼睛和隱形眼鏡之間的壓力分布。配戴者眼睛的形狀是其中一個因素。其他因素包括透鏡的直徑、制成透鏡的材料、與材料相關的物理參數(shù)如彈性模量、透鏡的厚度分布以及也控制厚度分布的透鏡的前后表面形狀。此外，外翻(即內側在外)的透鏡將具有改變眼睛上的壓力分布的內應力。
應該理解為使眼睛表面有效矯形，使壓力分布具有較高程度的可預測性是重要的。
申請人已經(jīng)建立了軟性隱形眼鏡幾何結構和性能的有限元模型，從而為特定配戴者選擇特定透鏡構造提供必要的生產(chǎn)率。在此對有限元分析的簡要介紹將有助于對有限元技術不太熟悉的讀者，從而將使與壓力分布預測相關的后面幾段更易于理解。
有限元分析(FEA)從廣義上講是解決力學、動力學、流體動力學和其他領域中物理問題的方法。通常，由于尺寸或復雜性而分析起來棘手或不現(xiàn)實的問題是有限元分析的選擇對象。解決方案通常由計算機產(chǎn)生為數(shù)字，并指定一些已知并可接受的精確度。FEA的原理、技術和實踐的詳細描述可以查閱例如Belytschko，Liu andMoran，Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures，Wiley，2001等參考文獻。
要解決的物理問題分為幾個部分。其一，當特定形狀和材料的隱形眼鏡通過特定壓力壓在眼睛上時測定眼睛所感受到的壓力的問題。其二，測定經(jīng)受這種壓力并由眼睛表面限制移動的隱形眼鏡形狀和內部狀態(tài)(應力、張力等)的問題。其三，測定外翻的透鏡形狀和內部狀態(tài)的問題。本領域的技術人員將理解這些問題中的每一個都可以由FEA解決，并且可以采用幾近相同的方法。還將理解可以通過FEA之外的其他方法解決上述物理問題，并且所有的有效方法都將提供與合理程度相似的結果。
圖27給出了軟性隱形眼鏡的有限元模型圖解。所述透鏡是旋轉對稱的，因此只需要示范出一半橫截面。對稱軸位于左側。將透鏡分解為有限元，該有限元作為理論環(huán)(conceptual hoops)，即具有繞對稱軸的環(huán)形形狀。每個單元賦予要模擬的材料特性，所述材料在該情況下是具有特定楊氏模量、密度和泊松比的簡單彈性材料。將眼睛表面模擬為硬性“接觸”元的一維域。當通過在位于其前表面的每個單元上施加恒定的“眼瞼”壓力將透鏡壓在眼睛上時，接觸元模擬透鏡和眼睛之間的壓力和滑動(sliding)。透鏡將受到應力和張力，以逼真的方式發(fā)生彎曲等行為。
建模程序模型首先基于提供的參數(shù)產(chǎn)生測試透鏡幾何形狀。在兩步法中，模型首先將透鏡外翻，其次在前表面施加均一的壓力，以使透鏡壓在特定形狀的眼睛上。各步驟中，該程序記錄透鏡的形狀和其內應力。最后的步驟之后，該程序記錄傳遞到眼睛上的壓力、透鏡-眼睛間隙和其他參數(shù)。例如，可以通過擬合圓錐曲線以估算中央曲率來分析外翻透鏡的形狀。
實施例設計試驗例(表4)來覆蓋合理的焦度范圍，和所有目前所用軟性隱形眼鏡材料的彈性模量范圍。
表4試驗例概要，覆蓋+10至-35屈光度的后頂焦度(BVP)范圍，并覆蓋一個代表性焦度的0.2-10.0Mpa的模量范圍。試驗例列于陰影框中。
試驗透鏡的幾何形狀和材料在保持逼真的同時盡可能簡單地設計試驗透鏡的幾何形狀，以使多個幾何參數(shù)的效應最小化?？紤]到這一點，選擇球形、單曲線(monocurve)幾何形狀。在所有的設計變量中選定盡可能多的設計參數(shù)。將透鏡物質模擬為簡單的線性彈性材料。設計參數(shù)為后頂焦度BVP、彈性模量、后曲率半徑BOZR、最小視區(qū)厚度toz、截斷邊緣(edge truncation)厚度te、視區(qū)直徑OZD、透鏡直徑LD和屈光指數(shù)n。表5中示出了這些參數(shù)的值。根據(jù)透鏡焦度不同，在透鏡中央或視區(qū)邊緣應用最小視區(qū)厚度toz(圖28)。球形前視區(qū)半徑FOZR通過厚透鏡近軸方程式計算，從而為BOZR、n和toz的給定值提供規(guī)定的后頂焦度。在視區(qū)邊緣，連接視區(qū)邊緣與截斷邊緣的前周邊曲線是具有連續(xù)斜率的三次多項式，周邊邊緣斜率與后表面匹配。使截斷邊緣與后表面垂直，并具有特定厚度te。圖28示出上述幾何參數(shù)的圖解。除了彈性模量，還給出了隱形眼鏡材料的特定密度和泊松比(分別為1050kg.m-3和0.3)。這些值在通用軟性隱形眼鏡材料的范圍內。結果不受所選擇的具體值的影響。
表5透鏡設計的基本參數(shù)。在所有設計變量中使盡可能多的參數(shù)保持恒定。視區(qū)直徑和最小視區(qū)厚度在例7-10中變化，以將總厚度限制到逼真值。透鏡材料的屈光指數(shù)均為1.42。

外翻步驟和外翻的幾何結果首先在不存在眼睛時將試驗透鏡外翻。由于透鏡材料假定為純彈性的，因此載荷級數(shù)(order of loading)并不重要。為了外翻透鏡，首先沿軸向約束邊緣。然后使后表面在外力作用下經(jīng)歷足夠位移，以使透鏡成為大致外翻的形狀。最后，通過片刻間固定(新的，所得的)后表面的中心點并除去所有的約束，使透鏡松弛到其最終外翻形狀。在模擬過程的每個階段，限制對稱軸上的點使其不具有垂直于軸的移動。每個試驗透鏡的外翻和非外翻幾何形狀之間的關系示于表6中。由于外翻的幾何形狀取決于透鏡不同部分之間的相對應力(而非取決于絕對應力)，我們認為具有相同幾何形狀但具有不同模量的兩種透鏡具有相同的外翻形狀。表6中的結果證實了這種觀點。還應注意可以構造不具有穩(wěn)定外翻形狀或具有穩(wěn)定特征的外翻形狀的透鏡，從而難以實現(xiàn)或保持外翻的透鏡。
圖29示出了各正焦度(例1)、負焦度(例4)和高負焦度(例8)透鏡的外翻后表面形狀?！半A梯”后表面形狀隨負焦度的增加而變得明顯。該階梯形狀將透鏡分成具有不同間隔和壓力特征的環(huán)形區(qū)域。
表6外翻試驗透鏡的后表面直徑和凹陷高度的變化。所有透鏡的原始直徑和凹度分別為13.8mm和3.47mm。所有透鏡在外翻時都變得較寬且較平。其他參數(shù)相同，模量對外翻幾何形狀無影響(例4-6)。負焦度透鏡在外翻時采用“階梯”后表面形狀(參見圖29)。

模型眼睛通過引入實體角膜和鞏膜截面模擬閉合眼睛的壓力分布。假定眼睛的形狀輪廓是旋轉對稱的，并具有被認為是人群平均的典型幾何參數(shù)。特別地，中央角膜半徑r0＝7.8，角膜直徑CD＝12.5，角膜p值p＝0.75，鞏膜半徑SR＝12.0mm。
壓力步驟和眼壓結果外翻后，引入不可彎曲的模型眼睛。但是，更先進形式的模型可包括柔性或有延展性的眼睛。約束模型眼睛使其沒有直移或旋轉運動。去除模型隱形眼鏡的所有約束，除了對稱所需的那些，并在透鏡前表面上施加由恒定常壓組成的外力。閉合眼瞼所施加的壓力估算為100-300Pa；這里使用200Pa的壓力。在該分析階段激活有限元接觸算法。對于接觸分析，用“接觸”單元覆蓋透鏡的前表面，用“目標”單元覆蓋眼睛表面。這兩種單元檢測相互的接近度并接觸，當確認兩個表面之間接觸時，模擬它們之間滑動、壓力等的適當物理過程。在施加壓力時，使模型達到靜態(tài)平衡。外翻的隱形眼鏡因此壓到模型眼睛上，記錄其形狀變化、內部應力狀態(tài)、接觸壓力等。
圖30-41中概括了十一個外翻透鏡試驗例的最終結果。在每個圖中，上面一幅示出了在施加壓力之前外翻透鏡后表面為“恰好接觸(just touching)”或與眼睛脫離的構造形式，在施加壓力之后是平衡的處于眼睛表面的構造形式。因此，眼瞼對外翻透鏡所致的屈曲是明顯的。當眼瞼睜開時，透鏡傾向于返回至其外翻的“恰好接觸”的構造形式。因此，當配戴者眨眼時，該結構有助于使透鏡的“吸”或“抽”動作形象化。
中間一幅示出眼睛感受到的壓力，和眼睛與透鏡之間的間隙。比例尺在所有圖中都相同，因此它們具有直接可比性。
下面一幅示出隱形眼鏡中的后表面應力差，即(閉眼應力)-(睜眼應力)。負值表示當施加眼瞼壓力時應力變得更有壓縮性。通常，在某一區(qū)域中使透鏡變陡(增加其曲率)會產(chǎn)生壓縮性環(huán)向應力?？墒褂脩Σ顏砻枥L透鏡在經(jīng)受眼瞼壓力之后如何變得失衡。
在例12中，將模量為2.0Mpa的非外翻-10D隱形眼鏡壓在眼睛上。所得的壓力和間隙分布示于圖41。距透鏡中心約3.25-3.80mm的環(huán)形區(qū)中的平均壓力高于距中心約0-3.25mm的環(huán)形區(qū)中的平均壓力。此外，對于該例來說，在距透鏡中心約3.80-6.80mm處存在有較低壓力的另一個環(huán)形區(qū)。期望這種總壓力分布使得角膜厚度在遠離較高壓力區(qū)的區(qū)域重新分布。由于該隱形眼鏡下方存在的小間隙和較低壓力梯度，預計該隱形眼鏡僅具有很小的角膜矯形效果。但是應該注意，通過非外翻軟性透鏡也能獲得適合角膜矯形的壓力梯度，雖然其功效可能會低于外翻透鏡。
透鏡設計過程有多種方式可以將目前的模型用于設計外翻時產(chǎn)生預期的壓力和間隙分布、從而產(chǎn)生預期角膜矯正效果的隱形眼鏡。本文其他處所述的臨床結果形成參照組(reference set)，由此可知多種具體透鏡設計的角膜矯正效果。因此臨床結果體現(xiàn)了已知結果和具體透鏡設計之間的一系列聯(lián)系。
模型可以迭代，從而內插或外推與已知結果相關的已知設計。例如，實驗者可以首先對患者的角膜形狀和屈光不正進行測定，并因此得到所需的結果。然后，透鏡設計過程以從臨床結果可了解到的已知透鏡設計開始，從而產(chǎn)生與所需結果最接近的結果。例如，然后可以由實驗者通過調整透鏡的非外翻前表面形狀來調節(jié)間隙分布?？梢酝ㄟ^運行模型來測試每次迭代。然后，可以通過對合適的透鏡厚度和模量進行相似實驗來調整壓力分布。這樣，實驗者可以在模型多次運行后得到一個可接受的角膜矯正結果。為了得到可用的隱形眼鏡，實驗者隨后可調整視區(qū)，以傳遞可接受的視覺行為，然后調整邊緣形狀和其他更具體的細節(jié)。于是可制得所述透鏡。已經(jīng)在眼睛上測試過并確定其臨床結果的每個成功設計成為原始知識積累的一部分，從而促進下次設計過程。
可以對上述基本方法進行更有效的改進。這些方法中的許多涉及某種狀態(tài)矢量空間模型，以用于求解。在一種變化中，對于輸入的設計參數(shù)，通過導出模型結果參數(shù)的近似值來構造“響應面”。從對輸入?yún)?shù)空間中多處模型結果的了解，可以使用插值函數(shù)如泰勒級數(shù)來構造近似響應面。響應面提供模型結果如何響應一個或多個輸入設計參數(shù)的特定變化而變化的信息。實驗者可以使用這種狀態(tài)矢量空間模型快速“將目標移向(zoom in)”具體的設計方案。此外，這種方法可以是模型的一部分，從而使對可接受解決方案的搜索變得至少半自動化。這里描述的響應面方法是對基本方法延伸的一大類方法之一，還稱作“函數(shù)最小化”、“多維最小化”、“最優(yōu)化”、“極值搜索法”，和本領域技術人員公知的其他名稱。
上述方法可以用于根據(jù)顧客進行隱形眼鏡設計。通過測定單個患者的角膜形狀和屈光不正，并如上所述繼續(xù)，可以設計并制造該患者的專用透鏡。
上述方法可以用來為特定的患者群體開發(fā)設計(庫存控制單元)。通過積累經(jīng)驗，或分析結果對各種設計參數(shù)的靈敏性，存在有這種設計對實驗者來說是顯而易見的。為了開發(fā)這種設計，實驗者可以采取特定的透鏡設計，并在改變對應于患者詳情(角膜幾何形狀等)的輸入?yún)?shù)時多次運行模型。對各例中正在討論的設計根據(jù)其性能進行分級。因而確定其所適合的患者范圍。在可供選擇的程序中，實驗者可以從懷疑或已知在其他角膜矯正治療方法(如RGP)中具有相似結果的多個患者開始，迭代設計具有對群體中所有患者都具有可接受性能的透鏡。將理解這兩種方法組合使用也是可行的。
使用上述程序，可以選擇每個都滿足特定患者群體需要的透鏡設計范圍。為了迎合廣大患者群體的需要，因此可只需生產(chǎn)非常小數(shù)量的隱形眼鏡設計(庫存控制單元)。例如，使用該透鏡成型技術，可以大批量生產(chǎn)這種適合于寬分布人群的庫存控制單元。
在不背離本發(fā)明范圍的條件下可以對上述方法作出改變。具體而言，有限元模型(或其他壓力估算模型)可以相對于此處所述有所改變。
但是，數(shù)學建模和臨床觀察相結合將使得能夠設計用于精確角膜矯形的精確成型的軟性隱形眼鏡。
權利要求
1.一種軟性隱形眼鏡，具有與配戴者眼睛大體匹配的凹進的后表面和凸起的前表面，隱形眼鏡具有的機械性能和/或幾何形狀使得透鏡配戴在眼睛上時，通過透鏡施加于眼睛上的壓力在至少一個較高壓力區(qū)和至少一個較低壓力區(qū)之間沿徑向變化，選擇所述區(qū)之間的壓力梯度和所述區(qū)的位置，以引起眼睛角膜表面層的尺寸變化，從而至少暫時性地導致眼睛的屈光狀態(tài)變化。
2.根據(jù)權利要求1的軟性隱形眼鏡，其中所述的后表面具有與眼睛輪廓不同的形狀，從而使距離透鏡中心選定徑向距離處的透鏡第一環(huán)形部分比距離透鏡中心不同的第二選定徑向距離處的透鏡第二環(huán)形部分更靠近眼睛表面。
3.根據(jù)權利要求2的軟性隱形眼鏡，其中在第一環(huán)形部分和第二環(huán)形部分處施加于眼睛的壓力限定了足夠陡的壓力梯度，從而使上皮厚度傾向于由高壓區(qū)向低壓區(qū)增加。
4.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，其中構造透鏡，使其具有自然定位和外翻定位，所述透鏡在兩種定位狀態(tài)下都穩(wěn)定，并且其中所述外翻定位的透鏡后表面由所述自然定位的透鏡前表面限定。
5.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，其中所述的透鏡由透氧性大于87barrer的材料形成。
6.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，其中所述的透鏡具有0.2-10.0MPa的彈性模量。
7.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，其中所述的透鏡由硅氧烷水凝膠材料組成。
8.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，其中所述的透鏡具有+10D和-35D之間的后頂焦度。
9.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，其中所述的透鏡具有0.04mm-0.31mm的中心厚度。
10.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，具有距透鏡中心小于約4mm距離處的較低壓力的環(huán)形區(qū)。
11.根據(jù)前述權利要求中任意一項的軟性隱形眼鏡，具有距透鏡中心約3mm-6mm距離處的較高壓力的環(huán)形區(qū)。
12.一種通過角膜矯形減小眼睛屈光不正的方法，包括下列步驟確定眼睛所需的屈光矯正；表征至少部分待矯形眼睛的表面形狀；和選擇由一定材料形成并具有一定幾何構造的軟性透鏡，使其配戴到眼睛上時會對眼睛表面施加壓力，以有助于所需的角膜矯形。
13.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述的選擇過程包括建模過程，適合預測配戴者眼睛的預期壓力和不同區(qū)。
14.根據(jù)權利要求13的方法，其中所述的建模過程是有限元建模過程。
全文摘要
一種角膜矯形方法，借助軟性隱形眼鏡操縱淚壓梯度來產(chǎn)生配戴者角膜表面輪廓的尺寸變化，以提供眼睛屈光狀態(tài)的至少暫時性變化而不需要其他屈光矯正。所述隱形眼鏡的機械性能和/或幾何形狀使得將透鏡配戴在眼睛上時，通過透鏡施加于眼睛上的壓力在至少一個較高壓力區(qū)和至少一個較低壓力區(qū)之間沿徑向變化，從而配戴該透鏡將隨著時間的過去導致角膜表面層的尺寸變化。
文檔編號A61F9/00GK1754116SQ200480005257
公開日2006年3月29日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權日2003年8月27日
發(fā)明者帕特里克·約瑟夫·卡羅琳, 彼得·唐納德·貝根斯克, 詹尼弗·丹尼斯·初, 斯泰西·薩納茲·阿鮑塔勒比, 西蒙·羅德尼·埃文斯, 亞瑟·霍, 埃里克·巴茲爾·帕帕斯皮利奧托普洛斯, 布賴恩·安東尼·霍爾登 申請人:眼科研究所