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Asphéricité des implants

Les implants intra oculaires ont connu de nombreuses évolutions au cours des dernières décennies. La réalisation d’optiques asphériques pour l’amélioration de la qualité de l’image rétinienne est l’une des évolutions récentes survenues au cours de la décennie. Elle bénéficie aux optiques monofocales et multifocales.

J’ai participé au design de l’optique d’un implant monofocal de cristallin artificiel (Micro AY, Physiol) :

implant asphérique physiolL’objectif de ce travail était d’établir l’asphéricité optimale à induire sur l’optique de l’implant pour réduire l’aberration sphérique de l’œil L’utilisation d’un programme de ray tracing a permis de réaliser un œil virtuel réaliste et tester différentes géométries d’implant.

 Asphéricité et aberration sphérique de l’oeil humain

L’aberration sphérique est une aberration qui réduit le stigmatisme par le biais d’une réfraction excessive (aberration sphérique positive) ou insuffisante (aberration sphérique négative) des rayons situés à distance de l’axe optique. Elle est liée à une courbure non optimale des bords d’une optique. La cornée humaine est légèrement asphérique, mais l’aplatissement vers les bords de la face avant de la cornée (géométrie prolate) est en général insuffisant pour ne pas induire un taux résiduel d’aberration sphérique positive. Le coefficient d’asphericité moyen de la cornée est -0.2, et l’aberration sphérique positive induite est proche de 0.2 microns RMS pour une pupille de 6 mm. Le cristallin naturel possède une géométrie asphérique, et un indice de réfraction variable (dégressif du centre vers ses bords), ce qui concourt à réduire l’aberration sphérique de l’œil en neutralisant une partie de l’aberration sphérique positive de la cornée (le cristallin génère une aberration sphérique négative proche en valeur absolue de la moitié de l’aberration sphérique positive de la cornée).

 

Implants sphériques

Les premières générations d’implants étaient de géométrie sphérique biconvexe, pour des raisons d’usinage, et non de qualité optique. Leur but premier était de suppléer à la réduction de la vergence oculaire causée par le retrait du cristallin (dont la vergence est proche de 20 Dioptries). Leur géométrie sphérique leur assurait une puissance optique ajustable, en fonction de la courbure de la face avant et et de la face arrière de l’optique, ainsi qu’une certaine tolérance vis à vis du décentrement et tilt, qui étaient parfois de mise lors des premières chirurgies de la cataracte, notamment avec la technique de l’extraction extra capsulaire manuelle (avant la phaco émulsification).

Toutefois, ces implants induisaient de l’aberration sphérique positive, qui dégrade la qualité de l’image rétinienne pour les larges diamètres pupillaires (supérieur à 4 mm). Les progrès du micro usinage ont permis d’envisager la réalisation de profils d’optiques asphériques, dont l’enjeu est de réduire l’aberration sphérique positive résiduelle de l’oeil après implantation, mais dont un effet possiblement délétère est l’induction de coma en cas de décentrement.

 

Optiques asphériques et calcul de l’asphéricité de l’implant

Spécificité de l’œil humain

L’amélioration de la qualité de l’image rétinienne concerne la vision centrale fovéale (les 1° centraux). Il n’est donc pas besoin, contrairement aux systèmes imageurs comme les appareils photo, d’optimiser la qualité optique de l’image sur un large champ. L’œil est dépourvu d’axe optique (cornée et cristallin présentent des axes de symétrie non aligné) et l’axe visuel est en général décalé de 3° à 7° vis-à-vis d’un axe « médian ». L’œil présente un pic de sensibilité spectrale situé dans le jaune- vert (555 nm).

Objectif de l’asphérisation de l’implant

La réduction de l’aberration sphérique de l’œil consiste à mieux focaliser les rayons réfractés par la périphérie de la pupille dilatée. Dans l’hypothèse de l’obtention d’un stigmatisme géométrique « parfait », il est probable que la qualité optique de l’œil serait améliorée, mais sa profondeur de champ réduite. Il est donc intéressant d’évaluer pour chaque simulation l’effet de la réduction de l’aberration sphérique sur le contraste rétinien autour de la zone de « meilleur foyer » (trough focus MTF).

Variables et métriques utilisées pour l’optimisation

En plus du calcul des aberrations optiques de bas et haut degré (aberration sphérique, coma, etc.), l’utilisation du ray tracing permet d’utiliser plusieurs indices « visuellement parlants » de qualité optique : diagramme d’intersection des rayons dans le plan sagittal et méridional (ray intercept), calcul de la MTF (Modulation Transfer Function), diagramme des spots dans le plan de l’image rétinienne, etc. Ces indices sont plus pertinents que le relevé des aberrations, car il est difficile de déduire la qualité de l’image à partir d’un relevé de termes d’aberrations qui peuvent se compenser partiellement.

Œil modèle théorique

Dans un premier temps, on construit un œil aphake (dépourvu de cristallin) dont les surfaces cornéennes sont modélisées par des sections coniques, dont on peut faire varier la courbure apicale (kératométrie moyenne de la cornée) et l’asphéricité (modulation du taux d’aberration sphérique). Pour une cornée et une longueur axiale donnée, il est possible de calculer une puissance d’implant « emmétropisante » au sens paraxial. La géométrie sphérique de l’implant concerné ici est globalement équiconvexe ; les rayons de courbure avant et arrière sont quasi identiques. Plus les rayons sont grands, plus la puissance de l’implant diminue et inversement. On connait également l’épaisseur centrale correspondant à chaque puissance, et bien entendu, l’indice de réfraction du matériau utilisé pour l’optique de l’implant (proche de 1.5).

Pour des raisons d’efficacité (liées à la géométrie) et de simplicité, il est préférable d’asphériser la face arrière de l’implant plutôt que la face avant si l’on veut réduire l’aberration sphérique positive. Ceci induit une légère asymétrie dans le profil de l’optique (qui n’est plus équiconvexe).

Grâce au calcul de ray tracing, on détermine une asphéricité optimale sans surprise négative (Q proche de -9.5) pour un implant de 22 D. L’oeil virtuel comportait une cornée « standard », dont la courbure apicale (kératométrie centrale) avait un rayon moyen de 7.8 mm et un coefficient d’asphéricité de -0.25.

L’amélioration de la qualité de l’image rétinienne après asphérisation de l’optique de l’implant est évidente dans les simulations (voir plus loin). Le calcul de l’asphéricité optimale doit être répété pour chaque puissance d’implant (de 10 à 30 dioptries), et peut également être accompli pour des yeux dont ont fait varier la puissance cornéenne et la longueur axiale. Ceci permet d’envisager la réalisation d’optiques dont l’asphéricité est « personnalisée » (car on observe les – légères – tendances suivantes : 1) plus la puissance cornéenne est élevée, plus le taux d’aberration sphérique positive induit par la cornée  augmente :2) plus la  puissance dioptrique de l’implant est élevée, et plus l’asphérisation de la face arrière doit être élevée). Le bénéfice de l’asphérisation est constant, quels que soient le couple « kératométrie et longueur axiale ». Le calcul de l’asphéricité optimale a permis de réaliser une  nouvelle gamme d’implants asphériques; ces caractéristiques ont également été reprises pour la réalisation de l’optique du premier implant trifocal asphérique:  Finevision (Physiol).

Les images suivantes permettent de comparer le gain obtenu pour la qualité de l’image rétinienne pour un œil moyen implanté par un implant sphérique de 22D : à gauche, les simulations concernent l’implant sphérique de référence, à droite on a remplacé cet implant par un implant asphérique de même puissance (22D).

ray intercept diagramme comparant implant sphérique et asphérique

Le diagramme d’intercept de rayons lumineux (ray tracing) permet de comparer l’effet de l’asphérisation de la face postérieure de l’implant sur l’aberration sphérique, à la fois sur l’axe médian, et pour des directions légèrement excentriques (5° et 7°).

sport diagram compaison implant asphérique et sphérique

Le diagramme en spot permet de visualiser la répartition des rayons focalisés dans le plan de l’image. Ces diagrammes simulent l’intersection des rayons focalisés dans le plan de la rétine; plus ils sont dispersés, et plus le stigmatisme est dégradé. La dispersion autour d’une concentration centrale est liée à l’aberration sphérique positive (les impacts des rayons périphériques correspondent à des rayons qui ont déjà croisé l’axe optique et sont défocalisés en divergence). L’optique asphérique réduit la dispersion, mais provoque un diagramme évocateur d’aberration de type coma pour les foyers situés « hors axe ».

Les courbes de MTF sont éloquentes et quantifient le gain du contraste de l’image rétinienne, sur et hors de l’axe (l’effet de l’aberration de coma explique la dispersion des courbes à droite, mais le gain reste significatif même pour une excentricité de 7°).

Les courbes de MTF sont éloquentes et quantifient le gain du contraste de l’image rétinienne, sur et hors de l’axe (l’effet de l’aberration de coma explique la dispersion des courbes à droite, mais le gain reste significatif même pour une excentricité de 7°).

courbe de through focus MTF entre implant sphérique et asphérique

Contrairement à l’intuition, l’amélioration de la qualité optique au foyer induit également une meilleure profondeur de champ, en raison du gain en contraste. La courbe en cloche est légèrement asymétrique, en raison d’un taux légèrement positif résiduel d’aberration sphérique positive

 

 

 

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