眼的高階像差與視覺質(zhì)1doc-眼的高階像差與視覺質(zhì)量

1、眼的高階像差與視覺質(zhì)量常州市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 劉峰 黃永健 許曼 王旭輝 馮偉審校 上海瑞金醫(yī)院 廉井財(cái)摘要：近年來，隨著準(zhǔn)分子激光屈光手術(shù)的廣泛開展，許多手術(shù)后的并發(fā)癥如眩光、光暈及夜視力下降等問題開始涌現(xiàn)。而波陣面像差的提出和研究為解決上述問題提供了新思路。本文就高階像差的研究進(jìn)展及與視覺質(zhì)量的關(guān)系等作一綜述。關(guān)鍵詞 高階像差；眼；近視High-order aberration and visual qualityRecently, with the general development of eximer laser refractive surgery, many postoperat

2、ive complications such as glare, halos and decreased visual acuity at night occurred. The introduce and research of wavefront aberration provide new methods to resolve the above-mentioned problems. Here we review the progression of high-order aberration research and its relationship with visual qual

3、ity. Key words: high-order aberration; eye; myopia. 1波陣面像差的描述波陣面像差的概念源于天體物理學(xué)領(lǐng)域，天文學(xué)家們?yōu)榱耸雇h(yuǎn)鏡的像質(zhì)盡善盡美，從而研究如何測量并校正來自星空的光線所產(chǎn)生的高階像差或波陣面形變1。人的眼睛是一種極其復(fù)雜但也存在缺陷的光學(xué)系統(tǒng)，它同樣存在像差。從實(shí)際測量的角度考慮，人眼的波陣面像差即是在出瞳孔平面時(shí)眼的實(shí)際波陣面與理想波陣面之間的偏差。波陣面像差多采用Zernike多項(xiàng)式來描述。Zernike多項(xiàng)式為一正交于單位圓上的序列函數(shù)，可以將波前像差分解成多個(gè)階像差，從而觀察每一階像差大小。Zernike多項(xiàng)式

4、由三部分組成：標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，半徑依賴性成分（n），方位角依賴性成分（m）。常用的Zernike多項(xiàng)式為6階27項(xiàng), 表示為Znm()。2階以上的像差屬于高階像差，不能被傳統(tǒng)的框架眼睛或接觸鏡所矯正。1階：表示棱鏡的傾斜Z(1)(-1)Z(1)(1)，Z(1)(-1)為Y軸的傾斜，Z(1)(1)為X軸的傾斜。2階：表示散光和離焦Z(2)(-2)Z(2)(2)，Z(2)(-2)表示45度方向上的規(guī)則散光，Z(2)(0)表示離焦（近視和遠(yuǎn)視），Z(2)(2)表示180度方向上的規(guī)則散光。3階：Z(3)(-3)Z(3)(3)，Z(3)(-3)、Z(3)(3)表示三角散光（三葉草），Z(3)(-1)、Z(

5、3)(1)分別表示Y軸和X軸方向上的三階慧差。4階：表示球差Z(4)(4)Z(4)(-4)，Z(4)(4)、Z(4)(-4)為四葉草，Z(4)(2)、Z(4)(-2)為二級散光，Z(4)(0)為四階球差。5階：Z(5)(-5)Z(5)(5)，Z(5)(-1)、Z(5)(1)表示次級慧差。6階：Z(6)(-6)Z(6)(6)，Z(6)(0)表示次級球差。2影響眼高階像差的因素：2.1 瞳孔大小：瞳孔大小與視網(wǎng)膜成像質(zhì)量密切相關(guān)2-5。一般認(rèn)為，當(dāng)瞳孔大小為2-3mm時(shí)視網(wǎng)膜成像質(zhì)量最佳4。小于此范圍則光線通過瞳孔邊緣所產(chǎn)生的衍射成為限制因素，大于此范圍則球差和色像差隨之增加。許多研究4-7已證實(shí)

6、，在同階像差內(nèi)，各階像差隨瞳孔直徑增大而增大，以球差和慧差增速最大。其原因可能是角膜和晶體前表面中央部較中周部凸，晶體核的屈光指數(shù)中央也較中周高。當(dāng)瞳孔直徑小時(shí)，由于瞳孔的光柵作用，高階像差處于一個(gè)合理的低水平。瞳孔直徑增大時(shí)，從瞳孔邊緣進(jìn)入的光線使高階像差尤其是球差隨之增大。Martinez等6報(bào)道， 當(dāng)瞳孔直徑由3.0mm增至7.0mm 時(shí)，球面像差增加了7倍。2.2 年齡：諸多研究表明，眼的波陣面像差隨年齡的增加而增加2-3,7-10，這種增加與其他研究所發(fā)現(xiàn)的對比敏感度隨年齡增加而下降相一致。Amano等8最近研究發(fā)現(xiàn)，在自然瞳孔狀態(tài)下，中央直徑6mm范圍內(nèi)眼睛慧差 2及角膜慧差的RM

7、S值都隨年齡增加而增加，且這兩種慧差RMS值之間也呈正相關(guān)。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，角膜球差不隨年齡變化2,8-9，而整個(gè)眼睛的球差隨年齡增加而增加8。Fujikado等11進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，中央直徑4mm范圍內(nèi)，眼睛的慧差、球差及總高階像差皆隨年齡增加而增加，而角膜的慧差、球差則不與年齡顯著相關(guān)。Fujikado等11同時(shí)發(fā)現(xiàn)，50歲之后眼睛的總高階像差顯著增加，究其原因可能是老視后晶體變化所導(dǎo)致。Wang等3研究發(fā)現(xiàn)，在瞳孔6.0mm時(shí)，眼睛的高階像差、球差和慧差皆隨年齡增加而輕度增加，但確定系數(shù)r2<=0.1,說明年齡增長在眼睛像差的變異中所占的因素不足10%。2.3 屈光度數(shù)：Paquin等

8、12報(bào)道，在5.0和7.0mm瞳孔大小時(shí)，像差及RMS值隨屈光度而呈準(zhǔn)線性增加，球差隨瞳孔增大而增加，慧差的增加更多見于高度近視。Marcos等13也報(bào)道，LASIK術(shù)后患者總像差及角膜像差平均增加程度在術(shù)前高度近視患者更為明顯。He等14研究發(fā)現(xiàn)，在瞳孔自然狀態(tài)下（暗室，故直徑大于6.0mm），近視人群（包括兒童和成年人）相對于正視人群具有較大的波陣面像差RMS值，其中2階像差相差最大，P<0.0001。在正視成年人、正視兒童、近視成年人和近視兒童四組人群中，正視成年人的高階像差RMS均值最小。Buzzonetti等15發(fā)現(xiàn)LASIK及LASEK都能使角膜的總和高階像差發(fā)生變化，兩種術(shù)

9、式其球差的變化都依賴于矯正程度。在低至中度矯正時(shí)，LASEK術(shù)后球差的增加較LASIK大。胡建榮等16報(bào)道，散光度數(shù)在任何瞳孔大小下都不影響球差和次級球差，只對慧差或次級慧差有影響。2.4眼的調(diào)節(jié)：Cheng17等對大規(guī)模年輕成年人調(diào)查發(fā)現(xiàn)，像差隨著眼的調(diào)節(jié)而變化，但其變化幅度即使在高度調(diào)節(jié)(6D)時(shí)也仍小于眼的固有像差。在所有像差中球差隨調(diào)節(jié)變化最大并總是趨向負(fù)值，慧差和散光也隨調(diào)節(jié)變化但無規(guī)則。Ninomiya等18發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)為3D時(shí)，4mm(day vision)和6mm(night vision)兩種瞳孔大小狀態(tài)下的眼總高階像差變化皆不顯著。而球差則在調(diào)節(jié)后發(fā)生近視漂移，即在兩種瞳孔大小

10、狀態(tài)下都趨向負(fù)值，這種變化具有顯著意義。2.5眼部手術(shù)：Martinez等6報(bào)道，PRK術(shù)后當(dāng)瞳孔直徑由3.0mm增至7.0mm 時(shí)，球面像差增加了300倍,而術(shù)前只增加7倍。在4mm瞳孔大小下，Tanabe等19研究發(fā)現(xiàn)，PRK術(shù)后眼總高階像差、3階和4階像差均顯著增加。Marcos等13報(bào)道，LASIK術(shù)后患者總像差平均增加1.92倍，角膜像差平均增加3.72倍，且這種增加在術(shù)前高度近視患者更為明顯。Mohrenfels21對傳統(tǒng)LASEK術(shù)后的患者實(shí)施波陣面像差引導(dǎo)下的LASEK術(shù)，結(jié)果獲得高階像差的顯著降低和更好的對比視力，大多數(shù)的Zernike系數(shù)特別是散光、球差和慧差的系數(shù)明顯增大

11、。Pallikaris等20研究有晶體眼屈光性晶體(Pakic refractive lens PRL)植入術(shù)后1年眼高階像差的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在3mm和5mm瞳孔大小時(shí)眼總高階像差均有增加，但無顯著性意義；而在5mm瞳孔大小時(shí)，球面像差（Z4-0）顯著降低，這對暗視力(mesopic vision)有益。同時(shí)發(fā)現(xiàn)與視網(wǎng)膜成像質(zhì)量有關(guān)的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function MTF)也下降。Montes-Mico等22報(bào)道，AK(Astigmatic keratotomy)可導(dǎo)致角膜高階像差增加，然而AK后再實(shí)施LASIK可增加球差但減少慧差。Buzzonetti

12、等15對LASIK及LASEK術(shù)后3個(gè)月的病人進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在7.0mm瞳孔大小時(shí)，兩種術(shù)式后的角膜總像差增加相似；但在3.0mm瞳孔大小時(shí)，兩者術(shù)式后的角膜總像差皆無顯著變化，而球差在LASEK術(shù)后增大。Holladay等23報(bào)道，前表面扁平型人工晶體可以部分抵消角膜所產(chǎn)生的球差，從而改善眼的光學(xué)質(zhì)量。Mester等24研究發(fā)現(xiàn)，植入非球面人工晶體可以得到比傳統(tǒng)球面人工晶體更好的對比敏感度。2.6眼別：Wang等2-3,25研究發(fā)現(xiàn)， 眼睛和角膜前表面的總高階像差、球差及慧差在左右眼之間都具有輕至中度鏡面對稱。在22項(xiàng)高階像差zernike多項(xiàng)式中，角膜前表面的有9項(xiàng)（41%）、整個(gè)眼睛有1

13、3項(xiàng)（59%）在左右眼之間具有顯著相關(guān)性，其中4階球差左右眼相關(guān)性最高，其次為三階垂直慧差和6階球差。眼睛高階像差中，3階像差4項(xiàng)中有3項(xiàng)、4階像差5項(xiàng)中有4項(xiàng)在左右眼之間顯著相關(guān)。2.7淚膜：淚膜的破壞或不規(guī)則也可使高階像差增加。Montes-Mico等26發(fā)現(xiàn)干眼癥患者較正常人其眼總像差、慧差、球差均顯著增加，這種增加是由淚膜的不規(guī)則所導(dǎo)致。2.8 屈光間質(zhì)的清晰度：Sachdev等27發(fā)現(xiàn)，不同類型的白內(nèi)障可以導(dǎo)致不同的波陣面像差。皮質(zhì)的混濁可導(dǎo)致慧差增加，核的混濁則導(dǎo)致球差增加，兩種混濁均可導(dǎo)致四葉草增加。2.9角膜矯形鏡：毛欣杰28等報(bào)道，配戴角膜矯形鏡90天后單色光波陣面像差zer

14、nike函數(shù)值的均方根RMS值由0.5766±04771um增至1.3731±0.8039um，兩者比較差異有顯著意義，與各階像差相關(guān)的zernike函數(shù)值的均方根RMS值均增加。這可能是引起視覺質(zhì)量降低的主要原因之一。2.10其他因素：最新研究發(fā)現(xiàn)29，高階像差可能還與脈搏及心率有關(guān)。有人報(bào)道，角膜透明邊緣變性的病人其角膜慧差逐漸增加而球差幾乎保持不變。3高階像差與視覺質(zhì)量自波陣面像差傳感技術(shù)用于視覺研究以來，關(guān)于人眼像差的測量及矯正研究如雨后春筍。通過對大規(guī)模正常人群的波陣面像差測量，Porter等30-32發(fā)現(xiàn)一定量的波陣面像差會降低人類的視覺質(zhì)量。Guirao5和Y

15、oon33等對高階像差被完全矯正情況下的理論視覺改善進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)矯正高階像差后即使在正常人群也會改善視覺質(zhì)量，而當(dāng)人群為異常角膜如圓錐角膜或角膜移植術(shù)后，這種改善則更為顯著。為抵消高階像差的影響，一系列光學(xué)和臨床方法如自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、相位板(phase plate)、個(gè)體化接觸鏡及個(gè)性化屈光手術(shù)被提出并證實(shí)有效。Liang第一次應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在單色光下通過矯正高階像差來提高視力。Yoon33等則在白光下證實(shí)了應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠改善對比敏感度和視力。3.1 高階像差與對比敏感度Yamane等34研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)LASIK術(shù)可以顯著增加總高階像差、慧差和球差，同時(shí)顯著降低對比敏感度對數(shù)函數(shù)

16、下面積(AULCSF)及低對比度視力，且兩種降低分別與三種像差的增加顯著相關(guān)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，近視矯正程度越大，對比敏感度和眼高階像差的變化也越大。 Yoon等35發(fā)現(xiàn)，用相位板有效矯正正常人眼的高階像差后其視網(wǎng)膜成像質(zhì)量和視力提高，尤其在低對比度情況下。在6mm瞳孔大小下，波陣面像差的RMS值由0.39±0.09降至0.15±0.02。高對比度字母視力表平均增加了0.23行，低對比度字母視力表平均增加了1.12行。在空間頻率為60cyc/deg時(shí)矯正各種像差后，視網(wǎng)膜成像質(zhì)量較僅矯正球柱性屈光不正提高了約1.8倍。Guirao等5報(bào)道，在空間頻率為16cyc/deg下矯正高階單

17、色像差后，4.4mm瞳孔大小下所能獲得最大視覺改善約1.7倍，5.7mm瞳孔大小下為2.5倍。Tanabe等19最近研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PRK術(shù)后發(fā)生輕至中度角膜上皮下混濁時(shí)，低對比視力與角膜上皮下混濁程度無相關(guān)性，卻隨著總高階像差、3階和4階像差的增加而逐漸下降。由此可見，高階像差的增加可能是影響屈光手術(shù)后視覺功能尤其是低對比度視力的主要因素。屈光矯正的程度越大，高階像差的增加及對比敏感度的降低也越顯著，而且這兩種變化顯著相關(guān)。3.2 高階像差與視覺癥狀Chalita等36對LASIK術(shù)后的患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在暗視瞳孔直徑（Scotopic pupil size）下，眩光與球差及總像差具有顯著相關(guān)性

18、，色圈(halos)和球差具有相關(guān)趨勢，但在5.0和7.0mm瞳孔時(shí)卻不具有這些關(guān)系。星暴(Starburst)在暗視瞳孔直徑下與球差和總像差顯著相關(guān)，在7.0mm瞳孔時(shí)與總慧差呈負(fù)相關(guān)。復(fù)視和任何瞳孔大小下的水平慧差之間都為正相關(guān),與5.0和7.0mm瞳孔下的總慧差為正相關(guān)，與垂直慧差則不存相關(guān)。這說明人類對水平定向的多焦具有更強(qiáng)的敏感性，對指導(dǎo)波陣面像差引導(dǎo)下的角膜切削具有重要意義。3.3 高階像差與視覺功效Applegate等37報(bào)道，各種波陣面像差并非對視覺功效產(chǎn)生等效影響。在高和低對比logMAR（the log minimum angle of resolution）視力情況下，對

19、于等量的RMS值，各個(gè)Zernike多項(xiàng)式系數(shù)會導(dǎo)致不等量的視功能喪失。波陣面像差越接近瞳孔中心則其對視覺功效的影響也越大。也就是說，低水平方位角頻率較高水平方位角頻率更易影響視覺功效。從Zernike多項(xiàng)式來看，即Zernike金字塔中心的像差模式較金字塔邊緣的像差模式更易影響視覺功效,既使它們具有相同的RMS值。比如，離焦相比散光更易降低視力，慧差相比三葉草更易降低視力，二級散光相比四葉草和球差更易降低視力。4展望：總之，隨著個(gè)性化激光切削的發(fā)展，理想的屈光手術(shù)應(yīng)該可以使患者能夠識別所有距離、所有光照情況、高和低對比度下的不同大小物體，或僅受單一波長下衍射及可見光譜下色像差的影響。如今的屈

20、光手術(shù)僅能矯正單色像差，尚不能矯正不同波長下的色像差。因此，在行激光切削時(shí)，眼睛的瞳孔大小、調(diào)節(jié)狀況、屈光度、年齡和淚膜等因素，激光切削的精確度、術(shù)后愈合反應(yīng)、角膜的生物化學(xué)變化等都會影響術(shù)后高階像差的變化。而在波陣面引導(dǎo)的激光切削時(shí)，對高階像差的有效定量準(zhǔn)確描述，對各種不同高階像差模式的切削種類、量及相互影響等尚待進(jìn)一步研究闡明。 參考文獻(xiàn)1Liang J, Grimm B, Goelz S, Bille JF. Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann

21、-Shack wave-front sensor. J Opt Soc Am A 1994; 11:19491957.2Wang L,Dai E，Douglas DK,Nathoo A，Optical aberrations of the human anterior cornea J Cataract Refract Surg 2003; 29:15141521.3Wang L,Douglas DK,Ocular higher-order aberrations in individuals screened for refractive surgery，J Cataract Refract

22、 Surg 2003; 29:18961903.4Doane, John F，An Introduction to Wavefront-Guided Refractive Surgery 2003,43(2):101-117 5Guirao A, Porter J, Williams DR, Cox IG, Calculated impact of higher-order monochromatic aberrations on retinal image quality in a population of human eyes. J Opt Soc Am A2002;19:1-9.6Ma

23、rtinez CE, Raymond A, Applegate OD, Effect of papillary dilation on corneal optical aberrations after photorefrective keratectomy. Arch Ophthalmol 1998(116):1053-1062. 7Buzzonetti L, Iarossi G, Valente P, Volpi M, Petrocelli G, Scullica L. Comparison of wavefront aberration changes in the anterior c

24、orneal surface after laser-assisted subepithelial keratectomy and laser in situ keratomileusis: preliminary study.J Cataract Refract Surg.2004 Sep;30(9):1929-33.8Amano S,Amano Y,YAMAGAMI S,et al.Age-related Changes in Corneal and OcularHigher-order Wavefront Aberrations.Am J Oph-thalmol 2004;137:988

25、992.9Oshika T, Klyce SD, Applegate RA, Howland HC.Changes in corneal wavefront aberrations with aging. In-vest Ophthalmol Vis Sci 1999; 40:13511355.10Guirao A, Redondo M, Artal P. Optical aberrations of the human cornea as a function of age. J Opt Soc Am AOpt Image Sci Vis 2000; 17:16971702.11Fujika

26、do T, Kuroda T, Ninomiya S,et al, Age-related Changes in Ocular and Corneal Aberrations. Am J Ophthalmol 2004;138:143146.12Paquin MP, Hamam H, Simonet P.Objective measurement of optical aberrations in myopic eyes. Optom Vis Sci. 2002 May;79(5):285-91.13Marcos S, Barbero S, Llorente L, Merayo-Lloves

27、J.Optical response to LASIK surgery for myopia from total and corneal aberration measurements. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2001 Dec;42(13):3349-56.14He J，Sun P，Held R，et al, Wavefront aberrations in eyes of emmetropic and moderately myopic school children and young adults. Vision Research 42 (2002)10

28、63 1070.15Buzzonetti L, Iarossi G, Valente P, Volpi M, Petrocelli G, Scullica L. Comparison of wavefront aberration changes in the anterior corneal surface after laser-assisted subepithelial keratectomy and laser in situ keratomileusis: preliminary study. J Cataract Refract Surg. 2004 Sep;30(9):1929

29、-33.16胡建榮，嚴(yán)宗輝，劉春風(fēng)，黃麗那， 近視散光患者眼球高階像差的研究，中華眼科雜志2004(40):13-16.17Cheng H, Barnett JK, Vilupuru AS, Marsack JD, Kasthurirangan S, Applegate RA, Roorda A.A population study on changes in wave aberrations with accommodation. J Vis. 2004 Apr 16;4(4):272-80.18Ninomiya S, Fujikado T, Kuroda T, et al, Changes

30、 of Ocular Aberrtion WithAccommodation.Am J Ophthalmol 2002;134:924-926.19Tanabe T, Miyata K, Samejima T, Influence of Wavefront Aberration and Corneal Subepithelial Haze on Low-contrast Visual Acuity After Photorefractive Keratectomy Am J Ophthalmol 2004;138:620624.20Pallikaris I,Kalyvianaki M,et a

31、l, Phakic refractive lens implantation in high myopic patients: One-year results.J Cataract Refract Surg 2004; 30:11901197.21Mohrenfels W,Huber A,Gabler B,et al, Wavefront-guided laser epithelial keratomileusis with the wavelight concept system 500. Refract Surg. 2004 Sep-Oct;20(5):S565-9.22Montes-M

32、ico R, Munoz G, Albarran-Diego C, Rodriguez-Galietero A, Alio JL.Corneal aberrations after astigmatic keratotomy combined with laser in situ keratomileusis.J Cataract Refract Surg. 2004 Jul;30(7):1418-24.23Holladay JT, Piers PA, et al, A new intraocular lens design to reduce spherical aberration of

33、Pseudophakic eyes.2002;18:683-691.24Mester U, Dillinger P, Anterist N. Impact of a modified optic design on visual function: Clinical comparative study. J Cataract Refract Surg 2003;29:652660.25Cantu R, Rosales MA, Tepichin E, Curioca A, Montes V, Bonilla J. Whole eye wavefront aberrations in Mexica

34、n male subjects.J Refract Surg. 2004 Sep-Oct;20(5 Suppl):S685-8.26Montes-Mico R, Caliz A, Alio JL.Wavefront analysis of higher order aberrations in dry eye patients. J Refract Surg. 2004 May-Jun;20(3):243-7.27Sachdev N, Ormonde SE, Sherwin T, McGhee CN. Higher-order aberrations of lenticular opacities J Cataract Refract Surg. 2004 Aug;30(8):1642-8.28毛欣杰 呂帆 瞿佳 配戴角膜矯形鏡對角膜形態(tài)和單色光波陣面像差的影響 中華眼科雜志2004，40:471-473.29Zhu M, Collins MJ, Robert Iskander D. Microfluctuations of wavefront aberrations of the eye.Ophthalmic Physiol Opt. 2004 Nov;24(6):562-71.30Sarver EJ, Applegate RA,