Forskningsprojekt ”Ray-tracing” eller strålföljning är en numerisk metod att analysera avbildningskvalitet i optiska system. Metoden används inom geometrisk optik och innebär att man numeriskt beräknar hur enskilda ljusstrålar utbreds, reflekteras och bryts.
3D ray-tracing modeller baserat på indata från Scheimpflug-fotografering (Oculus, Inc.) är ett kraftfullt verktyg för att analysera avbildningsfel vid hornhinnesjukdomen keratoconus, då hornhinnan får en kraftigt oregelbunden form med stora brytningsfel. Syftet med projektet är analysera avbildningskvaliteten med 3D ray-tracing metoden, före och efter behandling med avancerad crosslinking (CXL) av ett antal keratoconuspatienter. På så sätt får vi ett viktigt objektivt mått på effekterna av CXL-behandling som inte finns idag, jämförbar med patienters egna subjektiva uppfattning om synförmågan.
Huvudsyftet med detta projekt är att med 3D ray-tracing modellen analysera och utvärdera effekterna av CXL-behandling vid keratokonus över tid. Med modellen erhålles objektiva parametrar på det okulära systemets avbildningskvalitet. Spotdiagram, RMS-värden, point spread function (PSF) och strehlkvoter är exempel på visuella parametrar som vi vill ta fram med 3D- ray-tracing modellen, utgående från mätvärden på hornhinnans aktuella form.
Ray-tracing algoritmen bygger på att för varje stråle beräkna vinkeln med vilken strålen bryts vid den punkt där den träffar en yta, och avståndet som strålen tillryggalägger innan den träffar och bryts igen vid nästa yta. För denna analys behövs ingångsdata för den infallande strålens riktning (riktningsvektorer), punktens läge (koordinater x-, y- och z) på ytan och dess normalvektorer (x- y- och z) samt brytningsindex för att med Snell’s brytningslag kunna bestämma hur strålen ändrar riktning vid övergången mellan ytorna. För ytor som kan beskrivas med analytiska funktioner kan riktnings- och normalvektorerna oftast beräknas direkt med enkla matematiska ekvationer. För ytor som baseras på diskreta mätpunkter måste interpolering av mätdatat göras innan normal- och riktningsvektorerna kan bestämmas. Figur 1 nedan visar principen för hur vi interpolerar mätdata för hornhinnans yta, erhållna med Scheimpflug-fotografering. Proceduren som illustreras i Fig.1 upprepas i för varje stråle som ingår i ray-tracing analysen (ca 10 000 – 100 000 strålar).
Vi planerar att i projektets första fas analysera data från ett 25-tal keratokonuspatienter. För varje patient genomförs ray-tracing analysen med mätdata på hornhinnans form upptagna innan CXL-behandling, därefter analyseras mätdata upptagna 3, 6 och 12 månader efter behandling. På så vis får vi en objektiv och jämförande studie av synparametrarna (avbildningskvalitet) före och efter CXL-behandling, och även objektiva mått på hur stabila förändringarna är efter behandling.
Effekterna av två olika typer av CXL-behandlingar kommer dessutom att analyseras, nämligen (den mest vanliga) där man använder en ”jämn behandlingszon” på hornhinnan och en variant där behandlingszonen är ojämn, dvs. där endast vissa delar på hornhinnan behandlas för att kontrollera hornhinnans brytning. Vi kommer då objektivt att kunna jämföra avbildningskvaliteten hos patienter som har behandlats med jämn CXL-behandlingzon, respektive med de som har behandlats med ojämn zon.
