+ +

Gatinel D, Loicq J. Clinically Relevant Optical Properties of Bifocal, Trifocal, and Extended Depth of Focus Intraocular Lenses. J Refract Surg. 20161;32(4):273-80

Gatinel D, Loicq J. Clinically Relevant Optical Properties of Bifocal, Trifocal, and Extended Depth of Focus Intraocular Lenses. J Refract Surg. 20161;32(4):273-80

(En Français plus loin)

See here a slide show regarding some of the following material

Extended depth of focus (EDoF) IOLs are designed to provide better near vision than monofocal or accommodating IOLs, and better contrast sensitivity—with less glare and halos—than bifocals or trifocals.

Extended depth of focus (EDoF) vs multifocal IOL

The Tecnis Symfony EDoF, IOL from Abbott Medical Optics received a CE mark in June 2014. The manufacturer of the Symfony IOL claims that it increases depth of field rather than adding a second or third focal point by the use of diffractive echelettes to slightly elongate the focus, not to induce two distinct focal distances.

The echelettes are also aimed at compensating for the normal chromatic aberration inherent in the refractive portion of the optical system.

This IOL induces negative spherical aberration to compensate for the corneal spherical aberration, which is slightly positive in most healthy and un-operated corneas.

 

These claims are appealing, and the marketing positioning of the Symfony lens insists that despite its diffractive design, the Symfony lens is not a multifocal IOL.

How different from a diffractive bi or trifocal IOL is an extended depth of focus (EDOF) IOL ?

This experimental study aimed at answering that specific question!

 

The tested IOLs

We investigated the optical design and perfomance of 3 intraocular lenses (IOLs):

  1. Bifocal Tecnis ZMB00 (AMO, Abbott Park, IL, USA),
  2. EDOF Tecnis Symfony ZXR00 (AMO, Abbott Park, IL, USA)
  3. Trifocal FineVision GFree (Physiol, Liège, Belgium).

-The Tecnis ZMB00 IOL is a pupil independent fully diffractive bifocal IOL with a + 4.0 D addition (bifocal IOL).

-The Tecnis Symfony ZXR00 IOL is claimed to be designed with a new optical technology for providing an Extended Range of Focus (EDOF IOL). The diffractive step-like optic profile is intended to extend the range of vision, while being combined with a proprietary technology to correct chromatic aberrations for contrast sensitivity enhancement. The Tecnis ZMB00 and the Symfony IOLs are both manufactured by lathing and milling out of a hydrophobic raw material with a refractive index of 1,47.

-The trifocal hydrophobic FineVision GFree (trifocal IOL) is a fully-diffractive IOL, which uses a combination of two bifocal diffractive patterns for far/near and far/intermediate vision, respectively. The diffractive structure is apodized with a continuous decrease of the diffractive steps height from the optic center to the periphery. This makes the lens more far vision dominant at larger pupils for diminution of photic phenomena under dim-conditions. The lens is made of the proprietary glistening-free hydrophobic material GFree from Physiol, Belgium, with refractive index of 1,52.

Optical microscopy of the tested IOLs

The surface topography of each IOL was analyzed by optical microscopy:

optical microscopy of diffractive IOLs

The surfaces of the three lenses under microscopy. The three IOLs present rings (steps) which are prone to be involved in a diffraction mechanism of light propagation. The number of rings varies for the different lenses as follows: the bifocal lens displays 22 steps on 6 mm optic, the trifocal 23 on 6.15 mm optic and the EDOF only 9 on 6 mm optic. The trifocal lens shows obviously two types of diffractive steps for even and odd rings, respectively. Note that EDOF and bifocal IOLs display micro-rings in addition to more pronounced diffractive steps. These micro-rings must not be considered as diffractive pattern but rather as traces of the cutting tool revolution during optic manufacturing by lathing, the lens being not polished after machining.

Through-Focus MTF curves

Different optical metrics, including  Modulation Transfer Function (MTF), were determined on optical bench for variable pupil apertures and with two cornea models (one being aberration free, the other one inducing a slight amount of positive spherical aberration).  In addition to being objective and patient independent, optical bench testing of premium IOLs has the ability to control factors that are difficult to address in clinical essays such as pupil diameter, lens alignment and tilt, and level of corneal spherical aberration upon the tested IOL.

The optical bench used for this series of measurements is the PMTF developed by Lambda-X (Nivelles, Belgium) to measure image quality at different apertures (2.0, 3.0, 3.75 and 4.50 mm), focal planes (through-focus curve) and spatial frequencies.

Trough-focus MTF curves show how the MTF of an optical system varies as the image plane moves through the focal region for a chosen spatial frequency. It corresponds to the modulation of the contrast for various vergences (target distances), and can be used to determine the depth of focus for a lens.

MTF curves of 3 different multifocal intraocular lens

The through-focus MTF curves of the three tested IOLs, collected at 50 cycles/mm and pupil apertures of 2.0, 3.0 and 3.75 mm, are shown with the ISO 2 model cornea, For clarity, the peak points of the through-focus MTF curves corresponding to the far focal distance for the three lenses were aligned at +20.0D at same other test parameters.
 
At 2.0 mm aperture, the EDOF lens shows two partly overlapping MTF peaks at two focal points, +20.0D and +21.75D, corresponding to far (F) and intermediate (I) vision distances in accordance with a power addition of +1.75D. Similarly, the trifocal IOL shows partly merged MTF peaks for far and intermediate vision distances, but displays an additional peak for near vision (N) at the + 3.5 D power addition in respect to the distance vision power. As anticipated, the bifocal IOL gives raise to two well discriminated MTF peaks for distance and near vision with a power addition of + 4.0 D.
For pupil aperture larger than 2 mm, the MTF peaks become more discriminated revealing the number and power positions of all focal points for a given optical design. The trifocal lens shows three MTF peaks for far, intermediate and near distances, thus two power additions of + 1.75 D and + 3.5 D in respect to the far focal point. The distance vision, as shown by the relative intensities of the three MTF peaks is dominant, followed by the near and then the intermediate vision.
From that figure, it is obvious that the bifocal and EDOF lenses show similar bifocality with, however, a lower power addition for the EDOF lens (+1.75 D instead of + 4.0 D) and different relative intensities between the focal points. The bifocal IOL seems to privilege the far distance vision, while for the EDOF lens, the closer distance vision appears to be dominant. It is worth noting that, for the intermediate focal point, an identical power addition of +1.75 D in respect to the far focal point, has been measured for both, the EDOF and the trifocal lenses.
Outcomes at the 3.75 mm pupil aperture are very similar to those obtained at 3.0 mm for the three lenses, when a same model cornea is used. However, a slightly more intense MTF peak for far distance is observed in the case of the trifocal lens – despite the fact that the artificial cornea used here has positive spherical aberration which the bifocal and EDOF IOLs aims at balancing with specific aspherical design.

EDoF… or multifocal?

As shown on the above figure, the through focus MTF curves showed multiple and distinct peaks corresponding to different focal points. If the presence of more than one MTF peak is considered as a criterion to define multifocality, the three IOLs, bifocal, trifocal and EDOF, can be considered as multifocal intraocular lenses.

For bifocal and trifocal lenses, this statement can be viewed as an evidence, but it is not the case for the EDOF IOL for which the multifocality was not claimed in any available data…

Again, in contrary to the marketing claims, and in the tested conditions (monochromatic green light – future studies to analyze the optical performances of the tested lenses under polychromatic light are on the way), the EDOF IOL behaves as a bifocal IOL, with one focal point for distance vision and one for intermediate vision, with an add-power of +1.75D.

Using other wavelengths (red, blue) would certainly move the horizontal position of the MTF peaks for the three tested IOLs, but would not change the main aspect of the curves, for each of the tested apertures.

Diffraction pattern and addition

The three IOLs presented concentric rings in a step-like pattern in the optical zone. This strongly suggests that diffraction mechanism of light propagation is at the origin of the multifocality found for the three lenses, i.e. two focal points for the bifocal and EDOF IOLs and three foci for the trifocal lens.

It is interesting to note that the EDoF lens has a power addition of +1.75 D, which is identical to the first power addition of the trifocal lens. It is known that the power addition of a diffractive lens is theoretically fixed by the spacing between two consecutive diffractive rings. The number of rings observed on the three lenses matches with the theory, 9 rings have been evidenced in the case of the EDoF lens, against more than 20 for the bifocal and the trifocal lenses.

The height of these steps may be different between IOLs.  The Symfony lens has higher steps for reasons beyond the scope of this article. It is left to the reader to judge if the term « echelette » is intended to describe a specific diffractive design feature, or corresponds to a semantic effort to influence the physicians perception of this being a « special » IOL. Indeed, the insistence on the « non multifocal » differentiation of the Symfony IOL seems to be motivated by the need to make it genuinely different to competing multifocal diffractive IOLs.

Extending the DOF with small apertures

The effect of the aperture is of utmost importance and affects in different ways the through focus results of the three lenses. The effect of a pin-hole on the depth of field is well-known and this concept has been embedded in the design of corneal inlays, and more recently in IOL (IC-8 small aperture IOL, Acufocus, USA).

At 2.0 mm aperture, both the trifocal lens and the EDoF lens give rise to a continuum of MTF from far to intermediate focus. This contributes to extending of the depth of focus of the two IOLs, possibly due to the pinhole diffraction effect.

 

For the EDoF and the trifocal lenses, the reduction of the power addition gives rise to a lens with an extended range of vision in the far to intermediate distance range upon pupil constriction, with an additional focus for reading distances in the case of the trifocal lens. Contrarily, the bifocal lens with +4.0 D power addition does not display such MTF continuum: the MTF peaks for the distance and the near visions are too far apart.

Interestingly, the two lenses with an extended range of vision, i.e. the trifocal lens and the EDoF lens, within the limits of the experimental conditions, do not show more halos than the bifocal lens (read the JRS paper for more about halos and USAF charts imaging results).

 

Damien Gatinel has a proprietary interest in the trifocal diffractive optic (PatentWO2011092169).

Jérome Loicq has no financial interest.

 

 

 

Français :

Les lentilles intraoculaires (LIO) à profondeur de champ étendue (Extended Depth of Field : EDoF) sont conçues pour offrir une meilleure vision de près que les LIO monofocales, et une meilleure sensibilité au contraste que les lentilles bi et trifocales, avec moins d’éblouissements et de halos.

 

Implant à profondeur de champ étendue

L’implant Tecnis Symfony EDoF, du laboratoire Abbott Medical Optics (AMO) a reçu le marquage CE en Juin 2014. Le fabricant de l’implant Symfony prétend qu’il augmente la profondeur de champ plutôt que d’ajouter un deuxième ou troisième point focal par l’utilisation d’échelettes diffractives pour allonger légèrement la plage de vision nette, sans pour autant induire deux distances focales distinctes.

Les échelettes visent également à compenser l’aberration chromatique inhérente aux propriétés de réfraction lumineuse d’un dioptre optique comme la cornée.

Enfin, cet implant EDof induit une aberration sphérique négative pour compenser l’aberration sphérique de la cornée, qui est généralement légèrement positve pour les cornées saines et non opérées.

Ces revendications sont attrayantes, et le positionnement marketing de la lentille Symfony insiste sur le fait que, malgré sa conception diffractive, la lentille Symfony n’est pas une LIO multifocale.

Quelle est donc la différence fondamentale entre un implant EDOF (profondeur de champ accrue) comme le Symfony et un implant diffractif  bi ou trifocal ? Cette étude expérimentale vise principalement à répondre à cette question !

 

Les implants testés

Nous avons étudié la conception optique et les perfomances de 3 lentilles intraoculaires (LIO):

Implant Bifocal Tecnis ZMB00 (AMO, Abbott Park, IL, USA),
 Implant EDOF Tecnis Symfony ZXR00 (AMO, Abbott Park, IL, USA)
Implant Trifocal FineVision GFree (Physiol, Liège, Belgique).

Le Tecnis ZMB00 IOL est un implant entièrement diffractif et bifocal avec une addition de + 4.0 D.

Le Tecnis Symfony ZXR00 IOL est revendiquée comme étant conçu grâce à une nouvelle technologie optique pour fournir une plage étendue de mise au point (EDOF IOL). Le profil optique diffractif vise à étendre le champ de vision, tout en étant associé à une technologie exclusive pour corriger les aberrations chromatiques et améliorer la sensibilité au contraste. Le Tecnis ZMB00 et le Tecnis Symfony sont tous les deux fabriqués par tournage et fraisage d’une matière première hydrophobe ayant un indice de réfraction de 1,47.

L’implant trifocal hydrophobe FineVision GFree (trifocal IOL) est un implant entièrement diffractif, qui utilise une combinaison de deux réseaux diffractifs bifocaux pour la vision de loin / près et la vision de loin / intermédiaire. La structure diffractive apodisée comporte une diminution continue de la hauteur des marches diffractives à partir du centre optique, et jusqu’à la périphérie de celle-ci. Ceci permet à l’implant de privilégier la vision de loin pour les grandes ouvertures pupillaires, afin de diminuer les phénomènes photiques en conditions mésopiques. La lentille est fabriquée avec le matériau hydrophobe exclusif « GFree » de la société Physiol (Belgique), avec un indice de réfraction de 1,52.

 

Etude en microscopie électronique

La topographie de la surface de chaque lentille intraoculaire a été analysé par microscopie optique (voir illustration plus haut dont la légende suit:
Les 3 implants présentent des marches diffractives qui sont impliqués dans le mécanisme de diffraction à l’origine de la propagation de la lumière vers plusieurs foyers. Le nombre des marches diffractives varie pour les différents implants comme suit: la lentille bifocale présente 22 marches sur une zone optique de 6 mm, l’implant trifocal présente 23 marches sur 6,15 mm, et l’implant EDOF seulement 9 marches sur une optique de 6 mm. La lentille trifocale comporte deux types de marches diffractices alternées (paires et impaires). La lentille EDOF et la lentille bifocale (Tecnis) présentaient des micro-stries, en plus des marches diffractives. Ces micro-stries ne doivent pas être considérées comme un motif de diffraction spécifique, mais plutôt comme des traces d’usinage délivrées lors de la fabrication de l’optique par micro-gravure, la lentille n’étant a priori pas polie après cet usinage.

 

Courbes de through-focus MTF

Les courbes de Fonction de Transfert de Modulation (Modulation Transfer Function – MTF), ont été déterminées sur banc optique pour des ouvertures de pupille variables, et avec deux modèles de la cornée (l’une étant neutre, l’autre induisant un faible taux d’aberration sphérique positif).

En plus d’être objectives et indépendantes, les mesures test en banc optique des LIO offrent la capacité de choisir certains facteurs qui sont difficiles à contrôler en clinique comme le diamètre de la pupille, l’alignement de la lentille et son inclinaison, ainsi que le taux de l’aberration sphérique de la cornée pour la lentille testée.

Le banc optique utilisé pour cette série de mesures est le PMTF, développé par Lambda-X (Nivelles, Belgique), qui permet de mesurer la qualité d’image à différentes ouvertures (2.0, 3.0, 3.75 et 4.50 mm), différents plans focaux (pour obtenir les courbes MTF dites through focus) et différentes fréquences spatiales.

Les courbes « through focus MTF » des trois LIOs, recueillies à 50 cycles / mm et pour des ouvertures pupillaires de 2,0, 3,0 et 3,75 mm, sont présentées avec le modèle cornée ISO 2. Pour plus de clarté, les points des courbes « through focus MTF » correspondant à la distance focale « vision de loin » pour les trois lentilles ont été alignés à la vergence de + 20.0D.

Ces courbes permettent d’étudier la modulation du contraste pour des cibles situées à différentes distances (vergences) de la lentille. Elles permettent d’apprécier la pofondeur de champ induite par celles-ci.

A 2 mm d’ouverture, la lentille EDoF montre deux pics de MTF qui se chevauchent partiellement au niveau de deux points focaux, + 20.0D et + 21.75D, qui correspondent à la vision de loin (F pour Far) et intermédiaires (I), conformément à ce que procure une addition de puissance + 1.75D .

De même, la lentille trifocale montre des pics de MTF partiellement fusionnés pour distances vision de loin et intermédiaire, mais affiche un pic supplémentaire pour la vision de près (N) correspondant à une addition de puissance de 3,5 D + vis-à-vis de la vision de loin. Comme prévu, l’implant bifocal fournit deux pics de MTF ainsi destinés à vision de loin et à la vision de près (avec une addition de puissance égale à + 4.0 D).
Pour les ouvertures de pupille supérieures à 2 mm, les pics de MTF deviennent plus distincts et révélent la puissance optique des principaux  points focaux délirés par chacune des optiques étudiées.

La lentille trifocale montre ainsi trois pics de MTF pour les distances de vision loin intermédiaire et rapprochée, et est donc munie de deux additions de puissance respectives  + 1,75 D et + 3,5 D vis-à-vis de la vision de loin. La vision de loin, comme le montrent les intensités relatives des trois pics de MTF est dominante, suivie de la vision de près, puis de  la vision intermédiaire.
Ces données révèlent que les lentilles bifocales et EDOF exhibent une bifocalité similaire avec, cependant, une plus faible puissance d’addition pour la lentille EDoF (+1.75 D au lieu de + 4.0 D) et différentes intensités relatives entre les points focaux.

La lentile bifocale semble privilégier la vision de loin, tandis que pour la lentille EDoF, la vision intermédiaire semble être dominante.

Il est intéressant de noter que, pour le point focal intermédiaire, une addition de puissance identique et égale à +1.75 D a été mesurée à la fois pour l’implant EDoF et pour l’implant trifocal.
Les résultats à l’ouverture de la pupille à 3,75 mm sont très semblables à ceux obtenus à 3,0 mm pour les trois lentilles, quand un même modèle de cornée est utilisé. Cependant, un pic de MTF légèrement plus intense pour la distance loin est observée dans le cas de la lentille trifocale – malgré le fait que la cornée artificielle utilisée pour ces résultats possède une aberration sphérique positive que les impants bifocaux et EDOF visent à neutraliser de par leur conception asphérique spécifique.

 

EDoF ou… multifocal?

Comme le révèlent ces résultats, les courbes MTF « through focus » ont montré des pics multiples et distincts correspondant aux différents points focaux induits par ces implants.

Si la présence de plus d’un pic MTF est considérée comme un critère pour définir le caractère multifocal d’un implant, les trois lentilles, bifocale, trifocale et EDOF, peuvent être légitimement considérés comme des lentilles intraoculaires multifocales.

Pour les lentilles bifocale (Tecnis) et trifocale (FineVision), cette assertion peut être considérée comme une évidence, mais ce n’est pas le cas pour la lentille Tecnis Symfony (EDOF), pour laquelle il est au contraire revendiqué une absence de multifocalité.
Encore une fois, contrairement aux allégations du marketing, et dans les conditions testées (lumière verte monochromatique – les études pour analyser les performances optiques des lentilles testées sous lumière polychromatique sont en cours), l’implant EDoF (Symfony) se comporte optiquement comme une lentille bifocale, avec un point focal pour la vision de loin et un autre pour la vision intermédiaire, ce dernier correspondant à un addition de puissance égale à + 1.75D.

L’utilisation d’autres longueurs d’onde (rouge, bleu) serait certainement à même de modifier la position horizontale des pics de MTF pour les trois LIO testées, mais ne changerait pas l’aspect principal des courbes, et ce pour chacune des ouvertures pupillaires testées.

 

Le profil diffractif et la multifocalité

Les trois LIOs présentés présentent des anneaux de diffraction à la surface de leurs optiques. Il est logique d’en conclure que le mécanisme utilisé pour propager la lumière vers différents foyers est diffractif ; il est à l’origine de la multifocalité retrouvée pour les trois lentilles, induisant deux foyers pour les implants Tecnis bifocal et Tecnis EDoF Symfony, et trois foyers pour la lentille trifocale FineVision.

Il est intéressant de noter que la lentille EDOF présente les caractéristiques opiques d’une lentille bifocale munie d’une addition de puissance de 1,75 D, qui est identique à la première addition (vision intemédiaire) de la lentille trifocale. La valeur de la puissance d’addition d’une lentille diffractive est théoriquement déterminée par l’espacement entre deux anneaux de diffraction consécutifs. Le nombre des anneaux observés sur les trois lentilles correspond bien à cette théorie, car 9 anneaux ont été mis en évidence dans le cas de la lentille EDoF, contre plus de 20 pour les lentilles bifocale et trifocale.

La hauteur de ces marches de diffraction est différente entre les lentilles testées (plus hautes pour les lentilles EDoF, pour des raisons au delà du sujet principal de cet article). Il est laissé au jugement du lecteur  d’appécier si le terme « échelette » vise à décrire une caractéristique spécifique de design optique, ou correspond plus prosaiquement à un effort sémantique destiné à influencer la perception des médecins vis-à-vis du positionnement de cette lentille « EDOF », et la différencier, un peu artificiellement, des LIO multifocales concurrentes.

 

Importance de l’ouverture pupillaire

L’effet de l’ouverture pupillaire revêt une importance capitale et affecte de différentes façons les résultats obtenus pour ces trois lentilles. A 2 mm d’ouverture, la lentille trifocale et la lentille EDOF donnent lieu à un continuum au niveau de la courbe MTF du foyer de loin au foyer intermédiaire. Ceci contribue à l’extension de la profondeur de foyer des deux LIO, probablement en raison de l’effet de sténopé lié à la faible ouverture pupillaire.

Pour l’implant EDoF (Symfony) et l’implant trifocal (FineVision), la faible addition relative de puissance pour la vision intermédiaire permet d’obtenir une plage étendue de vision, du loin vers l’intermédiaire, en cas de constriction pupillaire, mais avec un foyer supplémentaire pour la distance de lecture (près) dans le cas de la lentille trifocale. A l’inverse, la lentille bifocale (Tecnis), munie d’une addition de puissance +4,0 D, ne montre pas un tel continuum au sein de la courbe MTF.

Autre fait intéressant, ces deux lentilles (trifocale et EDOF), qui présentent une plage étendue de vision n’induisent pas plus de halos que la lentille bifocale dans ces conditions expérimentales (voir l’article publié dans le JRS pour plus de résultats concernant l’analyse des halos et des graphiques des mires USAF).

 

L’auteur de cette page possède un intérêt propriétaire dans la technologie trifocale, et associe au travail et résultats présentés Jérome Loicq, PhD,- co-auteur de l’article du Journal of Refractive Surgery, et chercheur au centre spatial de Liège (CSL).

Laisser un commentaire

Vous pouvez poser des questions ou commenter ce contenu : pour cela, utilisez le formulaire "commentaires" situé ci-dessous. Seront traitées et publiées les questions et commentaires qui revêtent un intérêt général, et éclairent ou complètent les informations délivrées sur les pages concernées.

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *