波前像差原理及應(yīng)用

1、臨床視功能評(píng)價(jià)臨床視功能評(píng)價(jià) 二、波前像差儀的測(cè)量與應(yīng)用二、波前像差儀的測(cè)量與應(yīng)用 理想的眼睛 存在光學(xué)缺陷的眼睛 存在光學(xué)缺陷的眼睛 n衍射 n散射 n波前像差 正常人眼: n瞳孔大于3mm n未形成晶體的異常（白內(nèi)障） 像差是主要影響因素 人眼像差波前像差來(lái)源 描述眼光學(xué)成像質(zhì)量的四種方法 波前像差波前像差點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF) 視網(wǎng)膜成像視網(wǎng)膜成像 020406080100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ideal Eye Real Eye 描述眼光學(xué)成像質(zhì)量的方法 n對(duì)比度：MTF(調(diào)制傳遞函數(shù)), OTF （光學(xué)傳遞函

2、數(shù)） n形狀：PSF（點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)） n像差： 是基礎(chǔ)，通過(guò)波前像差計(jì)算出MTF, OTF, PSF n經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，對(duì)比度的損失隨空間頻率的變化叫做經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，對(duì)比度的損失隨空間頻率的變化叫做 光學(xué)傳遞函數(shù)（光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF ） n光學(xué)傳遞函數(shù)的模叫做光學(xué)傳遞函數(shù)的模叫做調(diào)制傳遞函數(shù)（調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF） n點(diǎn)光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像叫做點(diǎn)光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像叫做點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF） 像差的表示方法點(diǎn)離散函數(shù)（PSF） Point Spread Function vs. Pupil Size Typical Eye C. of Austin Roorda 1 mm2 m

3、m3 mm4 mm 5 mm6 mm7 mm 理想理想波前波前 變形變形的波前（近視）的波前（近視） 模糊成像模糊成像 平行平行光線光線 清晰成像清晰成像 不不規(guī)則波前規(guī)則波前 理想理想波前波前 C. of Austin Roorda 平行平行光線光線 不不規(guī)則波前規(guī)則波前 理想理想波前波前 像差像差 理想理想波前波前 波前像差描述眼視覺質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn) 波前像差能提供眼視覺缺陷的局部信息 從波前像差可以推導(dǎo)出點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)， 但是這個(gè)過(guò)程不可逆 個(gè)體像差(包括經(jīng)典像差)也可由波前像差導(dǎo)出 波前像差的測(cè)量意義 n對(duì)人眼的光學(xué)質(zhì)量予以正確判斷 n為治療服務(wù)（屈光手術(shù)、白內(nèi)障手術(shù)） n為光學(xué)矯

4、正提供準(zhǔn)確信息 像差的分類 單色像差 像差的分類 n像差像差分為低階像差和高階像差。 n低階像差是指離焦、散光等傳統(tǒng)屈光問題 n高階像差指不規(guī)則散光等屈光系統(tǒng)存在的其它光學(xué)缺陷。 高階像差的每階各包括許多項(xiàng)，其中的每一項(xiàng)又代表不 同的內(nèi)容。例如，高階像差第三階包括彗差、三葉草樣 散光等4項(xiàng)內(nèi)容，第四階不僅包括球差，還涉及更多項(xiàng)不 規(guī)則散光等內(nèi)容。越高階，像差內(nèi)容越復(fù)雜。 n像差是以聯(lián)合的方式存在 n各種像差可相互補(bǔ)償 n有些時(shí)候高階像差可以相互抵消 1) Zernike-RMS 2) WF-RMS . 1) Zernike-RMS = 1/n * (ai)2 where ai = Zernik

5、e-coefficients 2) WF-RMS : per definition the average height of WF over full size is zero. WF-RMS: Square the WF-function. The average height of WF 2 over full size is the WF-RMS. WF WF2 WF2 WF Area WF-RMS Zernike coeffients Zn m 7 -6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 C0 1 C1 C2 2 C3 C4 C5 3 C6 C7 C8 C9 4

6、 C10 C11 C12 C13 C14 5 C15 C16 C17 C18 C19 C20 6 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27 7 C28 C29 C30 C31 C32 C33 C34 C35 波前像差項(xiàng)波前像差項(xiàng) 對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)幾何光學(xué)的描述對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)幾何光學(xué)的描述 Z1 x-axis tilt X軸偏移 Z2y-axis tilt Y軸偏移 Z3astigmatism in 0 or 90 degree 0或90方向散光 Z4 defocus 離焦 Z5astigmatism In 45 degree 45方向散光 Z7x-axis coma X軸彗差 Z8 y-a

7、xis coma Y軸彗差 Z12 spherical aberration 球差 -3-2-10123 -3 -2 -1 0 1 2 3 Wavefront Aberration mm (right-left) mm (superior-inferior) 3 Dimensional View2 Dimensional View Zernike Modes trefoilcomacomatrefoil quadrafoil secondary spherical 2nd 3rd 4th 5th secondaryquadrafoil pentafoil secondarysecondarys

8、econdary pentafoil secondary defocusastigmatismastigmatism astigmatismastigmatism trefoiltrefoilcoma coma Z2 0 Z 2 -2 Z2 2 Z 3 -1 Z3 1 Z 3 -3 Z3 3 Z4 0 Z4 2 Z 4 -2 Z4 4 Z 4 -4 Z5 1 Z 5 -1 Z5 3 Z 5 -3 Z5 5 Z 5 -5 Conventional Refraction Higher Order Aberrations Z7Z12Z16 1.5*Z7= 1.8 +0.9*Z12= -0.8*Z16

9、= Z3 -1.50.9-0.8 1.8*Z3 1234567 05101520253035 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 澤尼克系數(shù)澤尼克系數(shù)(um) 在數(shù)學(xué)上，不規(guī)則的二維分布可以用澤尼克函數(shù)加以分離。在數(shù)學(xué)上，不規(guī)則的二維分布可以用澤尼克函數(shù)加以分離。 澤尼克像差項(xiàng)澤尼克像差項(xiàng) 散光散光 慧差慧差 1. 波前像差的來(lái)源波前像差的來(lái)源 角膜的像差對(duì)整個(gè)眼睛的影響可以通過(guò)角膜地形圖或者角膜的像差對(duì)整個(gè)眼睛的影響可以通過(guò)角膜地形圖或者 波振面感應(yīng)器來(lái)測(cè)量。波振面感應(yīng)器來(lái)測(cè)量。 對(duì)于有些人來(lái)說(shuō)對(duì)于有些人來(lái)說(shuō), 整個(gè)眼睛的波前像差取決于角膜像差整個(gè)眼睛的波前像差取

10、決于角膜像差 (He, Gwiazda, Held & Thorn, 2001) 角膜角膜 整個(gè)眼睛整個(gè)眼睛 RMS 1.13 RMS 1.17 RMS 1.76 RMS 0.65 角膜角膜 整個(gè)眼睛整個(gè)眼睛 一部分人一部分人,整個(gè)眼睛的波前像差相對(duì)于角膜像差是減少的。整個(gè)眼睛的波前像差相對(duì)于角膜像差是減少的。 (He, Gwiazda, Held & Thorn, 2001) RMS 0.93 RMS 1.49 角膜角膜 整個(gè)眼睛整個(gè)眼睛 另一部分人另一部分人, 整個(gè)眼睛的波前像差相對(duì)于角膜像差是增加的整個(gè)眼睛的波前像差相對(duì)于角膜像差是增加的 (He, Gwiazda, Held & Tho

11、rn, 2001) 。 角膜上和整個(gè)眼睛系統(tǒng)的像差關(guān)系角膜上和整個(gè)眼睛系統(tǒng)的像差關(guān)系 (He, et al. 2003) 010203040506070 0 1 2 3 整眼像差整眼像差 角膜像差角膜像差 眼睛數(shù)目眼睛數(shù)目 波前偏差的均方根值波前偏差的均方根值(um) 0.00 0.50 1.00 1.50 ACILWE 0.00 0.50 1.00 1.50 a b 角膜對(duì)眼睛第二階像差影響比較大，但是眼睛內(nèi)部的成份則影響著更高階的角膜對(duì)眼睛第二階像差影響比較大，但是眼睛內(nèi)部的成份則影響著更高階的 像差像差(He, et al. 2003) 。 波前像差均方根值波前像差均方根值(um) 2.

12、 眼睛調(diào)節(jié)力度對(duì)像差的影響眼睛調(diào)節(jié)力度對(duì)像差的影響 波前像差會(huì)隨著眼睛調(diào)節(jié)力度的增大而增加波前像差會(huì)隨著眼睛調(diào)節(jié)力度的增大而增加 (He, Burns & Marcos, 2000) 3. 波前像差對(duì)離焦波前像差對(duì)離焦(近視或遠(yuǎn)視近視或遠(yuǎn)視)成像的影響成像的影響 波前像差會(huì)使視網(wǎng)膜成不對(duì)稱的離焦像波前像差會(huì)使視網(wǎng)膜成不對(duì)稱的離焦像, 這樣可以提供信號(hào)來(lái)這樣可以提供信號(hào)來(lái) 指導(dǎo)眼睛的調(diào)節(jié)指導(dǎo)眼睛的調(diào)節(jié) (He, Gwiazda, Held & Thorn, 2000) -0.75D0.75D 4. 波前像差對(duì)視覺靈敏度的影響波前像差對(duì)視覺靈敏度的影響 波前像差會(huì)使視網(wǎng)膜圖像模糊不清因而導(dǎo)致視覺靈

13、敏度的下降波前像差會(huì)使視網(wǎng)膜圖像模糊不清因而導(dǎo)致視覺靈敏度的下降 (Yoon & Willaims, 2000) 5. 波前像差對(duì)對(duì)比敏感性的影響波前像差對(duì)對(duì)比敏感性的影響 波前像差會(huì)使視網(wǎng)膜圖像模糊不清因而降低眼睛的對(duì)比敏波前像差會(huì)使視網(wǎng)膜圖像模糊不清因而降低眼睛的對(duì)比敏 感性感性 (Yoon & Willaims, 2000) 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 Myopic Adults N = 184 Mean = 1.26 + 0.99 s.d. Emmetropic Adults N = 108 Mean = 0.

14、88 + 0.28 s.d. Emmetropic Children N = 166 Mean = 1.02 + 0.34 s.d. Myopic Children N = 174 Mean = 1.16 + 0.55 s.d. 波前像差均方根值波前像差均方根值(um) 發(fā)生頻率發(fā)生頻率 0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0 6波前像差對(duì)近視眼的影波前像差對(duì)近視眼的影 響響 發(fā)生頻率發(fā)生頻率 7.波前像差在波前像差在屈光手術(shù)屈光手術(shù)的應(yīng)用的應(yīng)用 常規(guī)屈光手術(shù)中的波前項(xiàng)差常規(guī)屈光手術(shù)中的波前項(xiàng)差 a. 常規(guī)屈光手術(shù)能夠引起幾乎各項(xiàng)的波像差和澤尼克像差。常規(guī)屈光手術(shù)能

15、夠引起幾乎各項(xiàng)的波像差和澤尼克像差。 b. Lasik 和和 PRK都能產(chǎn)生波前像差，但有其不同之處。都能產(chǎn)生波前像差，但有其不同之處。 c. 術(shù)前術(shù)后的像差有很大的相關(guān)性術(shù)前術(shù)后的像差有很大的相關(guān)性 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 總體總體 像差像差 高階高階 像差像差 彗差彗差球差球差 波前像差均方根值波前像差均方根值(um) 常規(guī)角膜屈光手術(shù)前后波前像差的分析 波前像差引導(dǎo)準(zhǔn)分子手術(shù)前后波前像差的分析 總體總體 像差像差 高階高階 像差像差 彗差彗差球差球差 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 波前像差均方根值波前像差均方根值

16、(um) 使用和不使用波前像差理論引導(dǎo)手術(shù)后與手術(shù)前 的像差值比數(shù) 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 手術(shù)后前波前像差均方根之比手術(shù)后前波前像差均方根之比 總體總體 像差像差 高階高階 像差像差 彗差彗差 a. 術(shù)后角膜的生物化學(xué)變化。術(shù)后角膜的生物化學(xué)變化。 b. 技術(shù)的精確性：激光束的光斑大小、形狀、頻率以及控制技術(shù)的精確性：激光束的光斑大小、形狀、頻率以及控制 等等等等 c. 患者從手術(shù)中獲益程度的大小。還有很多需要考慮的因素患者從手術(shù)中獲益程度的大小。還有很多需要考慮的因素 包括年齡、眼睛調(diào)節(jié)力、色像差以及包括年齡、眼睛調(diào)節(jié)力、色像差以及l(fā)arge field

17、 size等等等等. 波前像差理論引導(dǎo)手術(shù)的挑戰(zhàn) 8. 白內(nèi)障手術(shù) a. 白內(nèi)障患者術(shù)后的像差比常人大的多白內(nèi)障患者術(shù)后的像差比常人大的多 b. 不同的白內(nèi)障患者其術(shù)后波前像差都一定有其各自不同的不同的白內(nèi)障患者其術(shù)后波前像差都一定有其各自不同的 變化。變化。 c. 角膜切口手術(shù)比鞏膜切口手術(shù)產(chǎn)生更大的像差。角膜切口手術(shù)比鞏膜切口手術(shù)產(chǎn)生更大的像差。 1. 與眼折射力的關(guān)系與眼折射力的關(guān)系 當(dāng)視網(wǎng)膜上波前像差的影響被估算出用來(lái)計(jì)算眼睛的折射狀態(tài)，當(dāng)視網(wǎng)膜上波前像差的影響被估算出用來(lái)計(jì)算眼睛的折射狀態(tài)， 其誤差大概是其誤差大概是0.1D,這不同于主觀的折射力。這不同于主觀的折射力。 (Guirao & Williams, 2001). 對(duì)實(shí)驗(yàn)的對(duì)實(shí)驗(yàn)的11只眼，澤尼克像差的離焦和散光與主觀的球鏡和散光只眼，澤尼克像差的離焦和散光與主觀的球鏡和散光 成線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為成線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.99和和0.82 。(Martin, Merayo- Lloves, Marcos, Barbero, Rodriguez, Llorente, Moreno-Barriuso & Navarro, 2001). 9.驗(yàn)光上的應(yīng)用 接觸鏡對(duì)于不