波前像差簡介

1、波前像差簡介SANY GROUP system office room SANYUA16H-常識綜述從人類視網(wǎng)膜感光細胞的密度推算出人眼的極限視力可達3.0甚至更高，但 由于人類進化過程中對遠視力的需要逐漸下降，以及角膜和晶狀體等器官的光 學性能退化等原因，導致出現(xiàn)各種像差，因此人眼的理想視力只有1.5或更 差，并且這些像差不能被現(xiàn)有的眼鏡和隱形眼鏡矯正。波陣面像差（波前像差）原本是一項天文學技術，其發(fā)展由來已久，主要 用來糾正天文望遠鏡等的像差，以便能更清晰地觀測到更遠距離的天體。像差 理論做為研究非理想光學系統(tǒng)的基礎早已廣泛地應用于制造光學精密儀器，當 波前像差技術應用于眼科后，才與我們的

2、生活變得更加關系密切。目前波前像差儀有很多種，可分為客觀法和主觀法兩類。客觀法根據(jù)其設 計原理，又可分為：出射型像差儀、視網(wǎng)膜像型像差儀和入射可調式屈光計三 種類型；主觀法即心理物理學檢查方法。客觀法的優(yōu)點是快速、可重復性及可靠性好，但需使用較亮的照明光線， 大部分還需要散瞳；主觀法無需散瞳，可在眼睛存在調節(jié)的狀態(tài)下檢查眼的像 差，但需對患者進行訓練，檢查較慢，可重復性較客觀法差。無論是主觀法還 是客觀法像差儀，其基本原理是一樣的，即選擇性地監(jiān)測通過瞳孔的部分光 線，將其與無像差的理想光線進行比較，通過數(shù)學函數(shù)將像差以量化形式表達 出來。下面根據(jù)其設計原理來逐一介紹。一、客觀式像差儀1出射型像

3、差儀基于Schack-Hartmann像差理論而建立，見圖6-1 o Schack-Hartmann波陣面 感受器通過測量眼底的點光源反射出眼球的視網(wǎng)膜像來測量波陣面像差。即， 使一條細窄光束進入眼球，聚焦視網(wǎng)膜上，光線從視網(wǎng)膜上反射出眼球，穿過 透鏡組，聚焦在一個CCD上。如受檢眼無像差，則反射的平面波聚成一個整 齊的點陣格子圖，每一個點的圖像準確地落在相應透鏡組的光軸上。而當受檢 眼有像差時，則生成扭曲的波陣面，從而出現(xiàn)扭曲的點圖像。通過測量每一個 點與其相應透鏡組光軸的偏離，就可計算出相應的波陣面像差?；诖嗽淼?像差儀包括WASCA像差分析儀（Zeiss公司）.Zywave像差儀（博

4、士倫公 司）,Aberrometer （愛爾康公司）等。2視網(wǎng)膜像型像差儀以Tscherning像差理論為基礎.通過計算投射到視網(wǎng)膜上的光線偏移而得 出纟吉果。圖6-2基于Tscherning原理的像差測量示意圖它是由倍頻Nd ： YAG激光（532nm）發(fā)出的有168單點矩陣的平行激光光束經(jīng) 瞳孔進入眼底（彩圖10）,由連接計算機的高敏感度的CCD采集視網(wǎng)膜圖像（彩圖11） o由于屈光介質存在像差，投射到視網(wǎng)膜上的光線達到視網(wǎng)膜后生 偏移，其偏移可以通過投射在視網(wǎng)膜上的格柵觀察到，通過視網(wǎng)膜圖像分析受 檢眼的光學像差，即，將視網(wǎng)膜圖像上的每個點的位置與它們在理想狀態(tài)下的 相應位置進行比較，根

5、據(jù)偏移的結果計算出相應的波陣面像差。基于此原理的 像差儀包括Allegretto像差分析儀（Wavelight公司）和視網(wǎng)膜光線追蹤儀（Tracy公司）等。3 入射可調式屈光計以Smirnov-Scheiner理論為基礎，其方法是通過對進入中心凹的每一光線進 行補償調整使之在視網(wǎng)膜成像完善。其原理與臨床應用的屈光計、檢影鏡很相 似，所有進入視網(wǎng)膜的光線都向中央一點會聚，通過在各軸向上對瞳孔的快速 裂隙掃描而實現(xiàn)，眼底反光被CCD捕捉從而得到眼的波陣面像差，基于此原理 的像差儀包括Emory視覺矯正系統(tǒng)和OPD掃描系統(tǒng)（Nidek公司）等。圖6-3基于Smirnov-Scheiner原理的像差測

6、量示意圖二、主觀式像差儀根據(jù)光路追蹤原理設計，利用空間分辨折射儀以心理物理方法測量人眼像 差。假設眼處于衍射的極限時，聚焦在無窮遠，因而無窮遠的點光源通過瞳孔 不同區(qū)域進入眼內，將會聚焦在視網(wǎng)膜上的一點。當眼存在像差時，進入眼內 的光線將不會聚焦在同一點上，點光源的像將是一個模糊像，該像點與中心發(fā) 生了偏移，導致波陣面平面的光線射入眼球后由理論上的球面波變成了不規(guī)則 的曲面波，通過數(shù)學換算，得到放大在瞳孔面上的眼底點擴散函數(shù)。基于此原 理的像差儀有WFA-1000人眼像差儀（蘇州亮睛公司）。參數(shù)分析及臨床應用一、參數(shù)分析波陣面像差的表達方法有很多種。在臨床上，我們常見的有Zernike函數(shù)、

7、均方根、調制傳遞函數(shù)、點擴散函數(shù)等，其中最常見且便于理解的是Zernike函 數(shù)。1 Zernike函數(shù)是最常用的波陣面像差定量表達方法，是描述眼光學系統(tǒng)波陣 面像差的理想的數(shù)學模型之一，它是交于單位圓上的序列函數(shù)。通過Zernike函數(shù)可以將像差量化并分級，可以表達總體像差和組成總像差 的各個像差。Zernike函數(shù)常見的表達形式為8階45項，可以分成低階和高 階 其中0到2階為低階，3階以上是高階。0階Z00表示各方向勻稱、平整 的波陣面，即無像差；1階Z1-1和Z11分別表示垂直和水平的傾斜（Tilt） ； 2 階表示離焦(Focusshift)或散光:Astigmatism) , Z2

8、2和Z22分別表示457135和90。/180。方向散光Z 20表示離焦；3階函數(shù)中，Z 3-3和Z 33表示 三葉草形像差，Z 34和Z 32分別表示垂直和水平位彗差(Coma) ； 4階為球 差(SphericalAberration)和其他復雜像差，Z 40表示球差，Z 4-4和Z 44表示 四葉草形像差，Z4-2和Z 42表示457135和907180方向二次散光性像差；5 至8階是其他一些不規(guī)則像差.如5階中Z 5-1和Z 51分別表示垂直和水平位 二次彗差等，只有在瞳孔非常大時才顯露出來。其中影響人眼視覺質量較大的主要像差有下列幾種：Z 20離焦，包括正性和負性離焦，對應于傳統(tǒng)球性

9、屈光不正的近視和遠視；Z 2-2和Z 22即457135和90。/180。方向上的散光，Z3-1和Z31即彗差，Z40球差。Zernike 函數(shù)可以表示為以n行數(shù)(階),m列數(shù)的金字塔形數(shù)字數(shù)組，稱Zernike 樹，如圖6-10所示。為了能表達得更加直觀，可以在以類似于角膜和瞳孔的圓 形為基礎，將Zernike函數(shù)重建成眼的波陣面像差圖，形象地描述各種像差的形 態(tài)，見圖6-11。低階像差與傳統(tǒng)的幾何像差相對應，可用框架眼鏡、隱形眼鏡或傳統(tǒng)的屈 光手術矯正；高階像差包括一些非經(jīng)典的像差，需要進行像差引導的個性化切 削才能矯正。對于人眼，6階以上的高階像差對視覺影響很小，可以忽略不 計。臨床上進

10、行像差引導的個性化切削時考慮最多的是第3、4和5階像差。2 均方根(meansumofthesquare, RMS)均方根是檢測光學系統(tǒng)質量的一種方 法，它是通過計算檢測面上的各點相對于參考面的高度而得出的標準偏差，表 示檢測面與參考面的偏離程度，是Zernike函數(shù)的系數(shù)平方和的方根，可將不規(guī) 則散光和球性屈光不正量化。進行波陣面像差分析時，參考面一個無像差的球 面波。RMS值通常為0匕 若RMS值較小，表示高階像差所占比例少，接近 球-柱鏡參數(shù)。3 光程差(OpticalPathDifference, OPD)可表示0卩。=理想波陣面-實際波陣 面。OPD為正值，表示這部分光速較慢，在Ze

11、rnike函數(shù)中表現(xiàn)為峰；OPD為負值，表示這部分光速較快，在Zernike函數(shù)中表現(xiàn)為谷。二、影響因素影響像差的因素很多，如瞳孔直徑、調節(jié)、年齡、淚膜厚度、觀察距離和 眼球的轉動等均可在很大程度上影響結果，與角膜、晶狀體和玻璃體有關的解 剖和功能上的改變及視網(wǎng)膜的形態(tài)也可影響結果。另外，還可能受其他尚不清 楚的因素的影響。1瞳孔直徑相對較小時(小于或等于2mm時)，限制人眼視覺質量的因素主 要是衍射，當瞳孔直徑較大時，大量的軸外光線進入眼中，這時像差成為限制 人眼視覺質量的主要因素。人眼的視覺像差與瞳孔大小密切相關，隨著瞳孔的増大而増加。環(huán)境光亮度的 改變，會引起瞳孔大小的改變，從而使視覺質

12、量發(fā)生變化。在晚上，瞳孔散大 時，會岀現(xiàn)眩光、光暈、雙影和鬼影等現(xiàn)象，導致視覺質量下降。由于藥物作 用而使瞳孔散大也可使像差發(fā)生變化，見圖6-120圖6-12瞳孔直徑與像差的關系2 調節(jié)人眼作為一個光學系統(tǒng)，為了能看清近距離目標，需要動用調節(jié)機制 來改變屈光力。在調節(jié)過程中，晶體因睫狀肌收縮而快速増厚，表面曲率發(fā)生 變化，晶體和角膜之間相對位置改變，軸位也發(fā)生變化，這使得人眼像差發(fā)生 改變。隨著調節(jié)的增強，晶狀體的位置前移，球差減少（從正值向零改變），彗 差也發(fā)生顯著的變化。隨著調節(jié)幅度的改變，像差也發(fā)生了變化，看遠和看近 時的像差表現(xiàn)是不同。因此，像差測量時需評估注視條件所引起的調節(jié)。3隨著

13、年齡的増大，晶狀體密度不斷增加，晶狀體內各成份折射率梯度發(fā)生 變化，而且角膜曲率半徑隨年齡増長而減小，即角膜更加接近球形，因此像差 明顯地増加，特別是球差。4 淚膜的破壞可導致的角膜表面不規(guī)則性改變，使像差明顯增加。干眼癥患 者淚膜不穩(wěn)定，可出現(xiàn)角膜表面呈不規(guī)則性改變，角膜表面規(guī)則性指數(shù)（SRI） 及表面不對稱指數(shù)（SAI）明顯升高。三、臨床應用1屈光手術中的應用現(xiàn)有的屈光手術，包括早年的放射狀角膜切開術（PK） 和現(xiàn)行的準分子激光角膜屈光手術（PRK, LASIK, LASEK和Epi-LASIK）雖然矯正 了屈光力，改善了中央視力，但也帶來了對比敏感度下降、眩光和光暈等一系 列問題。臨床研

14、究表明手術改變了角膜的像差，使其術后的像差變大，并且隨 著瞳孔的増大而増大，切削越深像差變化越明顯。因此，近年來許多眼科專家 致力于改善屈光手術治療方法，發(fā)展像差引導的個性化切削，即根據(jù)每位患者 不同的眼球屈光資料，設計出最佳切削方案，術中將從眼球像差儀獲得的像差 數(shù)據(jù)輸入準分子激光機治療系統(tǒng)引導激光進行切削，消除或減少那些可能導致 視力不佳的高階像差，重塑一個全新的角膜形態(tài)，從而顯著提高術后裸眼視力 和視覺敏感度，改善夜間視力，降低眩光和光暈的發(fā)生率，達到提高視覺質量 的最終目的。2角膜接觸鏡中的應用（1）軟性接觸鏡：現(xiàn)在多數(shù)人認為人眼的平均球差是正性的，因此，從理論上 講，消除了球面像差的

15、鏡片會提高人眼整體的成像質量。但人眼是一種處于不 斷變化的動態(tài)的屈光系統(tǒng)，像差也會隨著眼的調節(jié)及年齡的增大等因素而變 化。因此，消除了球面像差的軟性接觸鏡只在特定條件下對特定個體有良好作 用。為克服以上不足，現(xiàn)已研制出一種可以個體化矯正不同個體像差的接觸 鏡。這種鏡片的前表面是根據(jù)不同個體的實際像差切削的非球面非對稱表面， 后表面仍為球面，可按照預定產(chǎn)生與個體眼睛相匹配的離焦、散光、球差等， 以達到矯正眼睛總體像差的目的。（2）硬性角膜接觸鏡（RGP）: RGP可以在一定程度上糾正眼睛的像差，這種 改進不僅限于散光，一些不規(guī)則的高階像差也有明顯的降低。由于它的前表面 是一接近完美的規(guī)則表面，并

16、由淚液填充所有角膜的不規(guī)則表面，由于淚膜的 屈光指數(shù)接近角膜屈光指數(shù)，大大減少了角膜散光和像差的影響。但常規(guī)RGP 矯正像差存在局限，因為它只能矯正角膜前表面像差，且其矯正像差量還受眼 內散光和角膜散光的影響。應用像差分析儀可以從多方面多角度評估RGP鏡片的配戴質量.提供更加個體 化的配戴建議，并且可以通過非球面的鏡片設計，在一定程度上降低總體像差 而起到増進視覺質量的效果。3在白內障診斷中的應用對白內障患者傳統(tǒng)上也只是用視力來衡量視覺質量的，但臨床上經(jīng)常會遇到病人視力與其晶體混濁度不相一致的現(xiàn)象?？赏ㄟ^像 差儀的檢查發(fā)現(xiàn)輕度白內障患者的角膜像差與正常人群的角膜像差基本相同， 而總像差則明顯高

17、于正常人，這可能是因為混濁的晶體引起光線的散射和吸收 從而導致晶體局部屈光改變所致。可見在早期白內障患者中，像差引起視覺質 量的下降不亞于晶體密度増高對視覺質量的影響。4在人工晶狀體（IOL）中的應用隨著現(xiàn)代超聲乳化技術的發(fā)展及人工晶狀體 材料和設計的改進，白內障患者術后視力已大為提高，但仍有部分患者不能達 到滿意的效果，還有些患者客觀視力檢測好，而主觀感覺卻視物模糊。這些以 前一直難以解釋的現(xiàn)象，隨著像差儀的出現(xiàn)都迎刃而解了。正常生理情況下， 人眼角膜具有正性的球差，而晶體有負性球差，這在一定程度上起到互相彌補 的作用。而一般人工晶狀體的球面設計，以及其在眼睛調節(jié)時發(fā)生的前后移位 元和偏軸，使植入后術眼的像差明顯增大，尤其是球差?，F(xiàn)在已應用非球面或 消像差的人工晶狀體來消除這一現(xiàn)象，進一步改善了成像質量，使植入后術眼 的像差比植入以往晶狀體的要低，視覺質量明顯改善。四、注意事項波陣面像差（波前像差）用于檢測眼光學系統(tǒng)的細微改變，任何外界因素的輕 微干擾，都會極大地影響結果的準確性，可謂“失之毫厘，謬以千里。因此， 在進行像差儀檢測時，必須注意以下幾點：1被檢查者頭位、眼位要正確。2雙眼睜大，充分暴露角膜，但避免壓迫角膜。3囑患者每次測量前眨眼，以保持測量瞬間角膜表面濕潤，避免因角膜干燥 而影響檢