基于光线追踪优化研究揭示最佳非球面人工晶状体形状设计策略

本研究通过开发基于2D光线追踪的优化计算策略，成功建立了考虑角膜球差(SA)的最佳形状球面/非球面人工晶状体(IOL)设计方法。研究团队采用Matlab 2024a开发仿真软件，证明个性化双凸非球面IOL可完全消除或显著降低球差，为定制化IOL的工业制造和临床应用提供了理论依据。

　　

在眼科屈光手术领域，人工晶状体（IOL）的设计优化一直是研究热点。随着白内障手术技术的进步，如何选择最佳形状的球面或非球面IOL成为临床面临的挑战。当前市场上的IOL种类繁多，包括球面IOL（SIOL）、非球面像差中和型IOL（ANIOL）、像差矫正型IOL（ACIOL）等，但缺乏统一的设计标准。特别是角膜球面像差（SA）的个体差异，使得IOL的个性化设计显得尤为重要。

针对这一难题，德国萨尔兰大学实验眼科系（Department of Experimental Ophthalmology, Saarland University, Homburg, Saar, Germany）的Achim Langenbucher团队开展了一项创新性研究。研究人员开发了一套基于光线追踪的优化计算方法，通过建立数学模型来推导考虑角膜SA的最佳形状IOL设计方案。这项发表在《Zeitschrift für Medizinische Physik》上的研究，为非球面IOL的个性化设计提供了新思路。

研究采用2D光线追踪技术，建立了包含理想平面或球面波前的仿真模型，通过光学路径长度校正来模拟角膜SA。IOL参数包括等效屈光力（PIOL）、Coddington形状因子（CSF）和边缘厚度（ET），可定位在预测的轴向位置（ELP）处的第二主平面（PP2）或固定平面（HP）。优化过程以均方根波前误差（RMSWF）为质量指标，同时推导最佳波前和光线散射焦点。研究团队使用Matlab 2024a编写了专用仿真软件包，通过序列二次规划（SQP）算法进行非线性迭代优化。

在"方法"部分，研究详细介绍了光学平台设置和光线追踪技术。仿真采用两种环境：一种是直径为D的准直入射光束，另一种是球面聚散度为VC的会聚入射光束。通过添加基线光程函数（OPL0）来模拟预设的角膜目标球差（CTSA）。IOL设计参数包括前后面曲率半径（Ra和Rp）、非球面系数（Ka和Kp）和中心厚度（CT），同时考虑等效屈光力、CSF和ET的非线性关系边界条件。

"结果"部分展示了四个典型案例。例1使用准直入射光束和零像差角膜，比较了不同CSF值的SIOL和ANIOL性能；例2改用会聚入射光束（VC=43D），验证了在更真实场景下的优化效果；例3针对Liou-Brennan模型眼的标准角膜球差（CTSA=0.27μm）设计ACIOL；例4则探讨了将HP或PP2定位在ELP的不同影响。结果显示，个性化双凸非球面IOL可将球差降至可忽略水平（RMSWF<0.013μm），且会聚光束下的优化效果明显优于准直光束。

在"讨论"部分，作者指出当前IOL设计存在三个主要局限：仅采用2D光线追踪、依赖ISO 11979标准的功率标注、以及缺乏临床验证。然而，这种基于角膜聚散度和球差数据的优化策略具有重要创新价值。特别是引入固定平面（HP）作为参考平面的概念，相比传统的主平面（PP2）更符合临床实际。研究证明SQP算法在考虑多重非线性边界条件时表现出优异的鲁棒性。

这项研究的临床意义在于：首先，建立了基于个体角膜特性的IOL优化设计方法；其次，提出了更合理的HP定位概念，有助于提高IOL计算公式的预测准确性；最后，为定制化非球面IOL的工业制造提供了理论框架。未来研究需要扩展到3D光线追踪，并开展临床试验验证这种计算策略的实际效果。该成果为白内障手术的个性化视觉康复开辟了新途径，有望提高患者的术后视觉质量。