数値解析が多焦点眼内レンズの術後視覚評価と最適化を支援

導入と研究背景

白内障手術の主要な目標の一つは、患者が眼鏡を使用せずとも鮮明な視覚を実現することです。しかし、この目標は以下の二つの主要な課題によって制限されています：水晶体調節機能の喪失と術後角膜乱視（corneal astigmatism）。これらの課題に対処するため、臨床では角膜乱視矯正眼内レンズ（toric intraocular lenses, toric IOLs）を導入し乱視を矯正する一方、多焦点眼内レンズ（multifocal intraocular lenses, multifocal IOLs）を開発し、多焦点視覚の需要に応えようと試みています。しかし、臨床観察によれば、単焦点眼内レンズ（monofocal IOLs）と比較して、多焦点眼内レンズを移植した眼では、同程度の乱視の下で視覚性能がより著しく低下することが一般的です。特に三焦点眼内レンズ（trifocal IOLs）ではこの傾向が顕著です。この現象は、多焦点眼内レンズの選択や術後視覚品質の予測に新たな課題をもたらしました。

そこで本研究では、カスタムメイドの有限眼モデルを構築し、多色光条件下で多焦点眼内レンズの乱視耐性を数値解析するとともに、異なる乱視程度におけるエネルギー効率と視覚性能を評価し、多焦点眼内レンズの術後視覚機能の予測に理論的根拠を提供することを目的としました。

論文の出典と著者情報

この研究は、韓国科学技術院（KAIST, Korea Advanced Institute of Science and Technology）のJongin You氏とMooseok Jang氏によって実施され、その論文は2025年2月1日の《Biomedical Optics Express》（Vol. 16, No. 2）に掲載されました。本論文は、数値モデルとカスタムアルゴリズムを組み合わせ、多焦点眼内レンズ移植後の視覚機能を評価するための新たな理論的方法とツールを提供しています。

研究フローと実験デザイン

1. カスタムメイド有限眼モデルの構築

研究者は、完全波動解析法に基づくカスタムメイドの有限眼モデルを採用しました。このモデルは、角膜および水晶体の薄面屈折、伝播媒体（房水や硝子体）および多色光条件下での光学伝播を含む眼構造全体を正確にシミュレートしています。モデルの基準波長は550 nmに設定され、正常な視力を持つ眼の全光学システムをシミュレートし、その有効な光学システムのパワーを60ジオプトリー（D）として評価しました。

角膜および水晶体のパラメータ設計

• 角膜（cornea）：前後面の曲率半径をそれぞれ7.77 mmと6.40 mmに設定し、総パワーを42.17 Dとしました。
• 水晶体（lens）：等価単一焦点パワーを21.37 Dとし、全眼モデルの有効光学パワーを60 Dに実現しました。
• 色収差（chromatic aberration）：Cauchy一般式を統合し、異なる波長下での眼内色散特性を表現。

多焦点眼内レンズのパラメータ定義

三種類の一般的な市販多焦点眼内レンズ（ReSTOR、Symfony、POD-F）をシミュレートするため、以下の設定を採用： - ReSTOR：二焦点レンズ、屈折パワーは21.37 D、回折部の追加パワーは+3.0 D。 - Symfony：拡張焦点深度（EDOF）レンズ、回折パワーは+1.75 Dで、色収差の補正を最適化。 - POD-F：三焦点レンズ、中間距離焦点（+1.75 D）と近距離焦点（+3.5 D）に対応する二つの異なる回折部分を組み合わせ。

レンズの設計データは既存文献およびメーカーの公開データに基づいています。

2. 波伝播と網膜光場シミュレーション

カスタムモデリングを通じ、研究者は波動が角膜、水晶体、房水、硝子体内でどのように伝播するかを記述する完全な波伝播モデルを導入しました： - 角スペクトル法（angular spectrum method）を用い、光が異なる角域に分解して伝播する過程を計算し、対応する位相変化を空間領域に変換。 - 画像中心領域の回折限界範囲内の光強度を評価する「バケット光」指標（light-in-the-bucket, LIB）を使用。

さらに、散乱のSeidel表現形式を統合して角膜乱視が画像品質に与える重要な影響を研究しました。

3. データ解析と実験シミュレーション

上記モデルを使用して異なるシナリオでのシミュレートされた視覚を生成しました。これには乱視が視覚イメージングに与える影響や、多焦点眼内レンズの遠、中、近の各焦点における光エネルギー分布と回折効率特性が含まれます。また、光線転送関数（MTF）の評価を通じ、異なる乱視条件下での画像品質の変化を分析しました。

研究結果と主要発見

1. 色収差が眼内レンズ性能に与える影響

分析によると、Symfonyはその回折部が色収差補正特性を備えており、遠焦点での色収差補正能力が最も高いことが判明しました。POD-FとReSTORと比較して、Symfonyは最小の色収差を示しました。一方、POD-Fの色散値が低いため（Abbe数=56）、中間焦点でのイメージング性能がより均衡しているものの、遠焦点での色収差がやや増加しました。

2. 乱視下のエネルギー効率

角膜乱視条件下では、異なる眼内レンズの乱視耐性は以下の通りです： - Symfony：最高の乱視耐性を示し、+1.5 Dの乱視で遠焦点のエネルギー効率が12％。 - ReSTOR：同条件下で効率は10％。Symfonyの次に優れている。 - POD-F：中間焦点は比較的安定しているが、遠焦点と近焦点の耐性が最も低い。

3. 画像品質とシミュレートされた視覚

遠焦点での画像品質にも差異があり、Symfonyは回折設計により高次高調波の干渉を削減し、より鮮明な画像をもたらしました。対照的に、POD-Fは三焦点設計が原因で、複数焦点時に光強度の分布が不均衡になりました。

研究は「E」文字のシミュレーションを通じ、異なる乱視条件下で成像の鮮明さを再現し、数値モデルの予測精度を検証しました。

研究結論と価値

本研究は、完全波動解析および多色光網膜場数値モデルを構築し、多焦点眼内レンズの光学特性の本質的なメカニズムを明らかにしました。特に、光学設計が色収差、乱視耐性、視覚品質にどのように影響するかを解明しました。具体的には： 1. 拡張焦点深度レンズ（Symfony）の色収差補正性能が顕著であり、中以上の乱視患者に適している。 2. 乱視が+1.0 Dを超える患者には、多焦点乱視矯正眼内レンズの選択を検討すべき。 3. 提案されたモデルは、患者術後視覚機能を予測するための重要なツールとなり得る。

本研究のハイライト

1. 完全波動解析と角スペクトル法を組み合わせた先駆的な手法により、高精度な全眼モデルを提供。
2. E帯域（400–700 nm）での多色光シミュレーションにより、眼内レンズの色収差補正原理にデータ的サポート。
3. 既存の臨床研究と一致した予測により、多焦点眼内レンズ選択の理論的根拠を提供。
4. 拡張性が高く、個別化バイオメトリクデータと統合することで、個別化精密医療に実用的なツールを提供。

この研究は、多焦点眼内レンズの術後評価に理論的枠組みを提供するだけでなく、新型眼内レンズの設計や患者個別化治療戦略の開発に応用可能です。この成果は科学的な意義と臨床応用の可能性を有しています。