The Individual Virtual Eye: a Computer Model for Advanced Intraocular Lens Calculation

PurposeTo describe the individual virtual eye, a computer model of a human eye with respect to its optical properties. It is based on measurements of an individual person and one of its major application is calculating intraocular lenses (IOLs) for cataract surgery.MethodsThe model is constructed from an eye's geometry, including axial length and topographic measurements of the anterior corneal surface. All optical components of a pseudophakic eye are modeled with computer scientific methods. A spline-based interpolation method efficiently includes data from corneal topographic measurements. The geometrical optical properties, such as the wavefront aberration, are simulated with real ray-tracing using Snell's law. Optical components can be calculated using computer scientific optimization procedures. The geometry of customized aspheric IOLs was calculated for 32 eyes and the resulting wavefront aberration was investigated.ResultsThe more complex the calculated IOL is, the lower the residual wavefront error is. Spherical IOLs are only able to correct for the defocus, while toric IOLs also eliminate astigmatism. Spherical aberration is additionally reduced by aspheric and toric aspheric IOLs. The efficient implementation of time-critical numerical ray-tracing and optimization procedures allows for short calculation times, which may lead to a practicable method integrated in some device.ConclusionsThe individual virtual eye allows for simulations and calculations regarding geometrical optics for individual persons. This leads to clinical applications like IOL calculation, with the potential to overcome the limitations of those current calculation methods that are based on paraxial optics, exemplary shown by calculating customized aspheric IOLs.

ResumenObjetivoDescribir el ojo virtual individualizado, que es un modelo computacional de ojo humano con respecto a sus propiedades ópticas. Está basado en las medidas realizadas en cada persona, de manera individual. Una de sus principales aplicaciones es el cálculo de lentes intraoculares (LIO) para cirugía de cataratas.MétodosEl modelo está construido a partir de datos de geometría ocular; en particular, la longitud axial y las medidas topográficas de la cara anterior de la córnea. Todos los componentes ópticos de un ojo pseudofáquico se modelan por medio de métodos computacionales científicos. El método de interpolación por splines permite incluir de manera eficiente los datos obtenidos en las medidas de topografía corneal. Las propiedades relacionadas con la óptica geométrica, como el patrón de aberración del frente de onda, se obtienen a partir de la simulación de un trazado de rayos reales, el cual emplea la ley de Snell. Los componentes ópticos se pueden calcular empleando procedimientos computacionales de optimización. Para 32 ojos distintos, se calculó la geometría de la correspondiente LIO asférica personalizada y se analizó la aberración del frente de onda resultante.ResultadosCuanto más compleja es la LIO calculada, menor resulta ser el error residual del frente de onda. Las LIO esféricas sólo son capaces de corregir el desenfoque, mientras que las LIO tóricas también permiten eliminar el astigmatismo. De manera adicional, también disminuye la aberración esférica cuando se emplean LIO asféricas y LIO asféricas tóricas. La implementación eficiente de aquellos procedimientos numéricos potencialmente lentos de trazado de rayos y de optimización permite lograr unos tiempos de cálculo reducidos. Esto puede permitir desarrollar métodos que se podrían integrar en un dispositivo de medida.ConclusionesEl ojo virtual individualizado permite realizar simulaciones y cálculos relativos a las propiedades de óptica geométrica de sujetos individuales. Esto puede posibilitar el desarrollo de aplicaciones clínicas, tales como el cálculo de LIO, que podrían en principio superar las limitaciones impuestas por aquellos métodos de cálculo actuales basados en la óptica paraxial. Un ejemplo aquí descrito es el cálculo de LIO asféricas personalizadas.