iTrace視功能分析儀測(cè)量青少年近視眼高階像差的臨床應(yīng)用(縮減版)

1、iTrace視功能分析儀測(cè)量青少年近視眼高階像差的研究研究生曲珺玥導(dǎo)師王利華教授前言近年來，多種波前像差儀應(yīng)用于臨床8,9，主要有基于Hartmann-Shack10,11,Tscherningm，光路追跡(raytracing)14等設(shè)計(jì)理論。如iTrace視功能分析儀就是采用了光路追跡原理，不受固定光柵的限制，可適用于各種類型和大小的瞳孔，即可在調(diào)節(jié)狀態(tài)下進(jìn)行波前像差的測(cè)量。此外，iTrace還可測(cè)量雙眼同時(shí)注視時(shí)開放視野下的波前像差，從而將融合功能、調(diào)節(jié)與集合等考慮在內(nèi)，使測(cè)量結(jié)果與生理狀態(tài)更加接近。像差(aberration)是指某一光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)偏差，主要包括色像差(c

2、hromaticaberration)和單色像差(monochromaticaberration)。色像差指由于屈光間質(zhì)對(duì)不同波長的可見光折射率不同，而使其形成了各自不同的聚焦平面；單色像差，即單色光成像，是由于屈光系統(tǒng)幾何變形產(chǎn)生的光學(xué)缺陷7，8，也是大多數(shù)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。波前(wavefront)垂直于光線，在理想的光學(xué)系統(tǒng)中，自點(diǎn)光源發(fā)出的光皮就以球面波前的形式傳播經(jīng)折射又以球面波前的形式聚合于一點(diǎn)9。而事實(shí)上，由于像差的存在，波前發(fā)生變形，其與理想波前的差異即為波前像差(wavefrontaberration)7，9，這是用波前的形式來描述像差，也是普遍用于判斷人眼成像質(zhì)量的指標(biāo)7。材

3、料和方法1研究對(duì)象為山東省衛(wèi)生學(xué)校學(xué)生210例(420眼)，年齡1624歲，平均(19.91.34)歲，其中男36人(72只眼)，女174例(348只眼)，。顯然驗(yàn)光等效球鏡(sphericalequivalent,SE,等效球鏡屈光度=球鏡屈光度+柱鏡屈光度/2)范圍是0一10.13D,平均一3.982.50D。對(duì)柱鏡V2.00D、矯正視力1.0、無角膜接觸鏡佩戴史及眼部手術(shù)史、眼部無器質(zhì)性病變者進(jìn)一步行波前像差檢查。2主要設(shè)備儀器iTrace視功能分析儀其2.0操作系統(tǒng)美國TRACEY公司（含EyeSysVista手持式角膜地形圖儀美國EyeSysVisoin公司）3 檢查方法波前像差檢測(cè)

4、在暗室中進(jìn)行，在受試者瞳孔自然散大的情況下，由同一檢查者應(yīng)用iTrace視功能分析儀分別測(cè)量其雙眼的角膜地形圖及波前像差。受試者取坐位，下頜置于儀器的下頜托上，受檢眼注視儀器內(nèi)的紅色視標(biāo),檢查者用操縱桿進(jìn)行對(duì)焦后完成檢測(cè)。儀器自動(dòng)對(duì)入射激光點(diǎn)缺失多于10點(diǎn)、且前128點(diǎn)與后128點(diǎn)的球鏡或柱鏡差值大于0.1D、散光軸向差值大于10度者進(jìn)行提示，本研究不予入選。EyeSysVista角膜地形圖儀測(cè)得的角膜地形圖經(jīng)iTrace軟件分析計(jì)算后得出角膜像差。眼內(nèi)像差可直接由全眼像差與角膜像差相減獲得18：眼內(nèi)像差（WAintern丿=全眼像差（WAeye）角膜像差（WAcornea）結(jié)果PD6mm的1

5、04右眼近視性屈光不正的球鏡平均為（-3.722.36）D,柱鏡平均為（-0.770.62）D，等效球鏡平均為（-4.10土2.44）D。1全眼波前像差的分布PD=6mm時(shí)，104例（104眼）的全眼高階像差（HOA）Zernike多項(xiàng)式系數(shù)值從3階至6階逐漸減小，但4階球差（Z40）例外，為22項(xiàng)系數(shù)中最大（0.1230.128口m）。共有9項(xiàng)系數(shù)與0值相比有顯著差異（pv0.002）。2角膜高階像差的分布從角膜高階像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)值可以看出，3階各項(xiàng)的絕對(duì)值、范圍及標(biāo)準(zhǔn)差最大，從3階至6階大致呈遞減趨勢(shì)（4階球差Z40除外）。3高階像差與屈光度在6mm瞳孔直徑下，104例（1

6、04眼）顯然驗(yàn)光的等效球鏡與全眼HOAs的RMS值（r=-0.537,pv0.01）、3階RMS值（r=-0.475,pv0.01）、4階RMS值(r=-0.285,pvO.Ol)、5階RMS值(r=-0.607,pvO.Ol)、6階RMS值(r=-0.424,pvO.Ol)、彗差RMS值(r=-0.278,pvO.Ol)均顯著相關(guān)。而Z40(r=-0.098,p=0.32)和球差RMS值(r=-0.035,p=0.72)不隨等效球鏡變化。22項(xiàng)Zernike系數(shù)中的6項(xiàng)與等效球鏡有相關(guān)性。兩兩比較低中高度近視組可見HOAs、5階、6階的RMS值均隨近視屈光度的增加而增加(pv0.05)。4階

7、RMS值僅在高、中度近視間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p0.05)。與其相反，3階和彗差RMS值在中、低度近視組及高、低度近視組相比較時(shí)均表現(xiàn)為增加(p0.05)。球差和彗差與其他類型的像差相比，RMS值較大，統(tǒng)計(jì)其作為最大像差在不同程度近視中的出現(xiàn)頻率(圖3)，球差在低、中、高度近視組中分別占80.0%，80.6%和78.3%，彗差則為11.1%,8.3%和13.0%。不同程度近視分組圖3在不同程度近視中角膜球差(SA)和彗差(COMA)作為最大像差的出現(xiàn)頻率()4 高階像差與瞳孔直徑總HOA的RMS值在4mm和6mm瞳孔下均隨近視屈光度的增加而增大，兩者近似線性相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.54

8、和0.59(p0.01)。瞳孔增大時(shí)，波前像差(RMS)隨近視屈光度增加的趨勢(shì)更為明顯，在4mm和6mm瞳孔下增長的斜率分別為0.21和0.07，兩者有顯著差異（pvO.Ol）。隨著瞳孔直徑的增加，105眼中有93眼總HOAs的RSM值增加了1倍，約占89%，且范圍從0.03至0.43口m變?yōu)?.12至1.03口m6mm瞳孔時(shí)總HOA的RMS值至少是4mm時(shí)的130%。在研究各種像差類型的重要性時(shí)，Paquin等提出將RMS值最大的像差稱為“主導(dǎo)（dominating）像差，而將RMS值最大的3種像差稱為“主要（major）像差。分析球差、彗差與瞳孔和屈光度的關(guān)系可看出，彗差成為主要像差的頻率

9、隨著屈光度的增加而略微增加（圖5）。PD=4mm時(shí)，彗差在低、中、高度近視組成為主要像差的頻率百分比分別為91%、94%、95%。當(dāng)瞳孔擴(kuò)大至6mm,彗差所占的比例變化不明顯，在各屈光組分別為93%、97%、90%。相反，球差的頻率百分比隨著瞳孔直徑的增加而明顯增加，由PD=4mm時(shí)的59%、33%、42%,增加至PD=6mm時(shí)的83%、55%、48%。而當(dāng)近視屈光度增加時(shí)，在兩種瞳孔直徑下球差的百分比均減小。a)PD=4mmSAComab)PD=6mmSAComa圖5在不同屈光度不同PD下SA與Coma作為主要像差的頻率在104眼中，大部分的主導(dǎo)像差即RMS值最大的像差是球差或彗差，其他的像

10、差如三葉草像差、高階散光等在4mm瞳孔下作為主導(dǎo)像差的頻率百分比僅為35.2%。(圖6)這些“不規(guī)則像差”5的百分比隨瞳孔直徑的增加而減少至25.7%(PD=6mm)。與之相伴的是球差百分比的增加，由4mm瞳孔下的13.3%,增至6mm瞳孔下的21.9%。二者在瞳孔擴(kuò)大時(shí)一增一減，此消彼長。Coma是最重要的像差,其作為主導(dǎo)像差出現(xiàn)的頻率大于50%,且不隨瞳孔直徑變化。圖6各類像差在瞳孔直徑為4mm（a）和6mm（b）時(shí)作為主導(dǎo)像差的頻率5高階像差在雙眼間的相關(guān)性104例受試者中,雙眼瞳孔直徑均大于6mm者82例。分析此82例受試者6mm瞳孔直徑下雙眼的高階像差。全眼總HOAsRMS值和彗差R

11、MS值在左右眼間中度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為r=0.569和r=0.41&pvO.Ol）,而球差RMS值則在左右眼高度相關(guān)（r=0.672,pvO.Ol）。6全眼像差與角膜像差之間的關(guān)系104只受試眼的補(bǔ)償因數(shù)個(gè)體差異（范圍）較大。在22項(xiàng)Zernike系數(shù)中，Z4o的補(bǔ)償因數(shù)平均值（0.60.5,95%可信區(qū)間=0.50.6）與0值相比有顯著差異，且在91.3%受試眼中Z4o的補(bǔ)償因數(shù)為正值。說明絕大多數(shù)人的眼內(nèi)與角膜前表面的4階球差互補(bǔ)?？侶OAs的補(bǔ)償因數(shù)為負(fù)值：-0.10.5（95%可信區(qū)間=-0.2-0.0），但與0值相比無顯著差異。90.3%受試眼的球差補(bǔ)償因數(shù)為正值，其平均值為0.5

12、0.4（95%可信區(qū)間=0.40.5），而66.3%的彗差的補(bǔ)償因數(shù)為負(fù)值，平均值為-1.02.3（95%可信區(qū)間=-1.5-0.6），2者的平均值與0值比較均有顯著差異。這說明與球差的互補(bǔ)相反，大部分受試眼的角膜彗差與眼內(nèi)彗差相疊加。討論1iTrace視功能分析儀波前像差儀大致分為主觀性和客觀性兩種類型9,20。主觀法通常耗時(shí)較長。其缺點(diǎn)是需要移動(dòng)受檢者和需要受檢者配合?？陀^性檢查法需要用成像系統(tǒng)分析從視網(wǎng)膜上反射回的信息。然而反射回的信息是從視網(wǎng)膜脈絡(luò)膜多層次而來，因此參照焦點(diǎn)平面定義的并不像主觀法那樣準(zhǔn)確。主觀性檢測(cè)法主要有空間解像屈光測(cè)量法，而Tscherning檢測(cè)法12,13,應(yīng)用

13、最廣泛的Hartmann-Shack檢測(cè)法10,11,和iTrace視功能分析儀采用的光路追跡（raytracing）檢測(cè)法14都是客觀性檢測(cè)法。有一定數(shù)量的研究表明，各種像差儀的具體設(shè)計(jì)原理和使用方法不盡相同，但其測(cè)量結(jié)果具有一致性7,9。iTrace視功能分析儀可同時(shí)進(jìn)行屈光度及波前像差兩部分測(cè)量。在20束激光入射得出等效球鏡之后，固視標(biāo)移至被測(cè)眼的遠(yuǎn)點(diǎn)（等效球鏡+1/2柱鏡），可測(cè)量等效球差范圍為-15+15D的屈光不正。iTrace應(yīng)用光路追跡（RayTracing）原理，發(fā)出平行于視軸的細(xì)小的激光束，經(jīng)瞳孔到達(dá)視網(wǎng)膜成像，再由位置探測(cè)器通過接受返回的光線分析出光斑在視網(wǎng)膜的位置（圖1

14、1）。ReflectedBeamsScanningIPositionSensitiveDetector(PSD)Inputbeam150Mn(1mWX1.5msec)IDataProcessing&DisplayLateraldisplacementofretinalspotissensedatthePSD圖11基于光學(xué)追跡原理的波前像差儀示意圖當(dāng)?shù)谝粋€(gè)光斑的位置確定后，激光束移動(dòng)至下一個(gè)位置，重復(fù)上述過程，共記錄256個(gè)點(diǎn)。連續(xù)發(fā)出的激光束在視網(wǎng)膜上形成點(diǎn)陣圖（圖12）。對(duì)于正視眼，256個(gè)點(diǎn)應(yīng)全部位于黃斑中心。反之，若激光束入射時(shí)角膜和晶體存在局部像差，則造成視網(wǎng)膜上相應(yīng)光斑的位置偏移。i

15、Trace發(fā)出的激光束全部經(jīng)瞳孔入射，因此在2-8mm瞳孔直徑時(shí)，256個(gè)點(diǎn)都可以被記錄。LightraysprojectedthroughthentrancepupilformapatternonthemaculaandsophisticatediTracesoftwareanalyzesthepatterntodeterminevisualfunction.TheiTracesraytracingtechnologyprojectsaseriesofthinbeamsintotheeyetomeasureforwardaberrations*Jystasthepatientsees.圖12

16、iTrace視功能分析儀發(fā)出激光束在視網(wǎng)膜上形成點(diǎn)陣圖2全眼高階像差的分布人眼并非理想光學(xué)系統(tǒng)，其波前像差主要由以下幾種原因造成：角膜與晶體的表面像差，以角膜為主；角膜與晶體、玻璃體不同軸向所造成的偏差；角膜、晶狀體及玻璃體介質(zhì)的折射率偏差；各種光通過人眼的折射率不同，不可避免地產(chǎn)生色差。理論上說，在矯正球柱鏡的基礎(chǔ)上對(duì)高階像差進(jìn)行矯正可以增加視網(wǎng)膜成像的分辨率和對(duì)比度，從而使患者提高視敏度和對(duì)比敏感度21。高階像差通常遠(yuǎn)小于低階像差。對(duì)于正常眼，高階像差的平均RMS值可產(chǎn)生相當(dāng)于0.25D的離焦223角膜高階像差的分布分析104例青少年近視的角膜高階像差結(jié)果表明，36階的22個(gè)Zernike

17、多項(xiàng)式系數(shù)中有10項(xiàng)（Z3-3、Z3I、Z4-4、Z4-2、Z4O、Z42、Z5-3、Z60、Z64、Z66）與0值相比有顯著差異，而WangL等31啲研究中僅有6項(xiàng)（Z3-3、Z3-1、Z40、Z44、Z5-1、Z64）。這種差別可能是由于WangL等的受試者平均年齡較大（5017歲），屈光度范圍（-3.00+3.00D）與本研究不同，且對(duì)受試者雙眼均進(jìn)行分析。根據(jù)Wang等的研究，左右眼角膜之間存在著中至高度的鏡像對(duì)稱，系數(shù)Z31、Z33、Z4-4、Z4-2、Z51、Z53、Z55、Z6-6、Z6-4、Z6-2在兩眼間呈負(fù)相關(guān)，即關(guān)于y軸對(duì)稱而正負(fù)相反。4高階像差與屈光度本研究亦對(duì)角膜波前

18、像差與近視屈光度的關(guān)系進(jìn)行了分析，表明近視屈光度大小與總咼階像差、各階像差、球差及彗差均無相關(guān)性。Llorente等35通過對(duì)比近視和遠(yuǎn)視眼之間的波前像差認(rèn)為，近視眼角膜的3階像差及球差均顯著小于遠(yuǎn)視眼。Applegate等37認(rèn)為，各種波前像差對(duì)視覺成像的影響有不同，對(duì)于等量的RMS值，其內(nèi)含的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)不同會(huì)導(dǎo)致不等量的視功能喪失。因此，咼階像差的RMS值并不能很好的反映視覺質(zhì)量。本研究逐項(xiàng)分析36階Zernike多項(xiàng)式系數(shù)結(jié)果表明：角膜水平彗差（Z31）與等效球鏡顯著負(fù)相關(guān)。5 咼階像差與瞳孔直徑球差與彗差是最重要的像差類型。球差是由于周邊光線在視網(wǎng)膜上的離焦而形成，構(gòu)成球

19、差的Zernike系數(shù)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，其表現(xiàn)為視軸旁的對(duì)稱性模糊成像5。與之相反，彗差表現(xiàn)為不對(duì)稱的模糊成像，構(gòu)成彗差的Zernike系數(shù)也為非對(duì)稱性。若有彗差存在，則點(diǎn)光源在視網(wǎng)膜上的成像形似彗星。彗差通常由兩個(gè)原因造成：1.屈光成分不同軸。2.瞳孔偏心（即視軸未經(jīng)過瞳孔的幾何中心）。其中后者多發(fā)生于擴(kuò)瞳后38。AwwadST等39認(rèn)為，藥物擴(kuò)瞳可影響調(diào)節(jié)或改變瞳孔中心（瞳孔偏心可達(dá)0.4mm），從而影響高階像差。本研究結(jié)果表明，在大瞳孔下（6mm）,近22%的受檢者最大像差為球差，比PD=4mm時(shí)增加了10%。彗差盡管在不同瞳孔下變化不大，但仍是大于1/2的受檢者的最大像差。6高階像差在雙眼間的相關(guān)性中度至高度相關(guān)，4階球差（Z40）的相關(guān)性最強(qiáng)，這與WangL等40、PorterJ等和CastejoP-MochoPJF等的結(jié)果相同，其次為3階垂直彗差（Z3-1）；6階球差（Z6o）在雙眼間中度相關(guān)。7全眼像差與角膜像差之間的關(guān)系本研究對(duì)全眼像差及角膜像差間的補(bǔ)償因數(shù)進(jìn)行分析，4階球差（Z4o）和球差的補(bǔ)償因數(shù)均為正值，即眼內(nèi)的負(fù)值球差與角膜前表面的正球差互補(bǔ)，與ArtalP等19、G.Smith等43啲結(jié)果一