眼的高階像差與視覺質1doc-眼的高階像差與視覺質量

1、眼的高階像差與視覺質量常州市中西醫(yī)結合醫(yī)院 劉峰 黃永健 許曼 王旭輝 馮偉審校 上海瑞金醫(yī)院 廉井財摘要：近年來，隨隨著準分子激激光屈光手術術的廣泛開展展，許多手術術后的并發(fā)癥癥如眩光、光光暈及夜視力力下降等問題題開始涌現(xiàn)。而而波陣面像差差的提出和研研究為解決上上述問題提供供了新思路。本本文就高階像像差的研究進進展及與視覺覺質量的關系系等作一綜述述。關鍵詞 高階像像差；眼；近近視High-orrder aaberraation and vvisuall quallityRecentlly, wiith thhe genneral devellopmennt of eximeer lasser

2、 reefracttive ssurgerry, maany poostopeerativve commplicaationss suchh as gglare, haloos andd decrreasedd visuual accuity at niight ooccurrred. TThe inntroduuce annd ressearchh of wwavefrront aaberraation proviide neew metthods to reesolvee the abovee-menttionedd probblems. Heree we rrevieww the pro

3、grressioon of high-orderr aberrratioon ressearchh and its rrelatiionshiip witth vissual qqualitty. Key woords: high-orderr aberrratioon; eyye; myyopia.1波陣面像差的的描述波陣面像差的概概念源于天體體物理學領域域，天文學家家們?yōu)榱耸雇h鏡的像質質盡善盡美，從從而研究如何何測量并校正正來自星空的的光線所產生生的高階像差差或波陣面形形變1。人的的眼睛是一種種極其復雜但但也存在缺陷陷的光學系統(tǒng)統(tǒng)，它同樣存存在像差。從從實際測量的的角度考慮，人人眼的波

4、陣面面像差即是在在出瞳孔平面面時眼的實際際波陣面與理理想波陣面之之間的偏差。波波陣面像差多多采用Zerrnike多多項式來描述述。Zernnike多項項式為一正交交于單位圓上上的序列函數(shù)數(shù)，可以將波波前像差分解解成多個階像像差，從而觀觀察每一階像像差大小。ZZernikke多項式由由三部分組成成：標準化系系數(shù)，半徑依依賴性成分（n），方位角依賴性成分（m）。常用的Zernike多項式為6階27項, 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：表示棱鏡鏡的傾斜ZZ(1)(-1)Z(1)(1)，Z(1)(-1)為Y軸的傾斜，ZZ(1)(11)為X軸的傾斜

5、。2階：表示散光光和離焦ZZ(2)(-2)Z(2)(2)，Z(2)(-2)表示示45度方向上上的規(guī)則散光光，Z(2)(0)表示示離焦（近視視和遠視），Z(2)(2)表示180度方向上的規(guī)則散光。3階：Z(33)(-3)Z(3)(33)，Z(3)(-3)、Z(3)(3)表示三三角散光（三三葉草），ZZ(3)(-1)、Z(3)(1)分別表表示Y軸和X軸方向上的的三階慧差。4階：表示球差差Z(4)(4)Z(4)(-4)，Z(4)(4)、Z(4)(-4)為四四葉草，Z(4)(2)、Z(4)(-2)為二二級散光，ZZ(4)(00)為四階球球差。5階：Z(55)(-5)Z(5)(5)，Z(5)(-1)、Z

6、(5)(1)表示次次級慧差。6階：Z(66)(-6)Z(6)(6)，Z(6)(0)表示次次級球差。2影響眼高階像像差的因素：2.1 瞳孔大大小：瞳孔大大小與視網(wǎng)膜膜成像質量密密切相關22-5。一一般認為，當當瞳孔大小為為2-3mm時視視網(wǎng)膜成像質質量最佳44。小于此此范圍則光線線通過瞳孔邊邊緣所產生的的衍射成為限限制因素，大大于此范圍則則球差和色像像差隨之增加加。許多研究究4-7已證實，在在同階像差內內，各階像像差隨瞳孔直直徑增大而增增大，以球差差和慧差增速速最大。其原原因可能是角角膜和晶體前前表面中央部部較中周部凸凸，晶體核的的屈光指數(shù)中中央也較中周周高。當瞳孔孔直徑小時，由由于瞳孔的光光柵

7、作用，高高階像差處于于一個合理的的低水平。瞳瞳孔直徑增大大時，從瞳孔孔邊緣進入的的光線使高階階像差尤其是是球差隨之增增大。Marrtinezz等6報道， 當瞳孔直徑徑由3.0mmm增至7.0mmm 時，球面像像差增加了77倍。2.2 年齡：諸多研究表表明，眼的波波陣面像差隨隨年齡的增加加而增加22-3,7-10，這這種增加與其其他研究所發(fā)發(fā)現(xiàn)的對比敏敏感度隨年齡齡增加而下降降相一致。AAmano等等8最近研研究發(fā)現(xiàn)，在在自然瞳孔狀狀態(tài)下，中央央直徑6mmm范圍內眼睛睛慧差 22及角膜慧慧差的RMSS值都隨年齡齡增加而增加加，且這兩種種慧差RMSS值之間也呈呈正相關。研研究同時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，角膜球差差

8、不隨年齡變變化2,88-9，而而整個眼睛的的球差隨年齡齡增加而增加加8。Fujikkado等11進一一步研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，中央直徑徑4mm范圍內內，眼睛的慧慧差、球差及及總高階像差差皆隨年齡增增加而增加，而而角膜的慧差差、球差則不不與年齡顯著著相關。Fuujikaddo等11同時時發(fā)現(xiàn)，500歲之后眼睛睛的總高階像像差顯著增加加，究其原因因可能是老視視后晶體變化化所導致。WWang等3研究發(fā)發(fā)現(xiàn)，在瞳孔孔6.0mmm時，眼睛的的高階像差、球球差和慧差皆皆隨年齡增加加而輕度增加加，但確定系系數(shù)r2=0.11,說明年齡齡增長在眼睛睛像差的變異異中所占的因因素不足100%。2.3 屈光度度數(shù)：Paqqui

9、n等12報道道，在5.00和7.0mmm瞳孔大小時時，像差及RRMS值隨屈屈光度而呈準準線性增加，球球差隨瞳孔增增大而增加，慧慧差的增加更更多見于高度度近視。Maarcos等等13也報報道，LASSIK術后患患者總像差及及角膜像差平平均增加程度度在術前高度度近視患者更更為明顯。He等14研究發(fā)現(xiàn)，在在瞳孔自然狀狀態(tài)下（暗室室，故直徑大大于6.0mmm），近視視人群（包括括兒童和成年年人）相對于于正視人群具具有較大的波波陣面像差RRMS值，其其中2階像差相差差最大，P0.00001。在正視視成年人、正正視兒童、近近視成年人和和近視兒童四四組人群中，正正視成年人的的高階像差RRMS均值最最小。Bu

10、zzzonettti等15發(fā)現(xiàn)現(xiàn)LASIKK及LASEKK都能使角膜膜的總和高階階像差發(fā)生變變化，兩種術術式其球差的的變化都依賴賴于矯正程度度。在低至中中度矯正時，LASEK術后球差的增加較LASIK大。胡建榮等16報道，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眼的調節(jié)節(jié)：Chengg17等等對大規(guī)模年年輕成年人調調查發(fā)現(xiàn)，像像差隨著眼的的調節(jié)而變化化，但其變化化幅度即使在在高度調節(jié)(6D)時也也仍小于眼的的固有像差。在在所有像差中中球差隨調節(jié)節(jié)變化最大并并總是趨向負負值，慧差和和散光也隨調調節(jié)變化但無無規(guī)則。Niinomiyya等18發(fā)現(xiàn)現(xiàn)調節(jié)為3DD

11、時，4mm(daay vission)和和6mm(niight vvisionn)兩種瞳孔孔大小狀態(tài)下下的眼總高階階像差變化皆皆不顯著。而而球差則在調調節(jié)后發(fā)生近近視漂移，即即在兩種瞳孔孔大小狀態(tài)下下都趨向負值值，這種變化化具有顯著意意義。2.5眼部手術術：Martiinez等6報道，PRKK術后當瞳孔孔直徑由3.0mm增至至7.0mmm 時，球面像像差增加了3300倍,而術前只增增加7倍。在4mmm瞳孔大小下下，Tanaabe等19研究究發(fā)現(xiàn)，PRRK術后眼總總高階像差、3階和4階像差均顯著增加。Marcos等13報道，LASIK術后患者總像差平均增加1.92倍，角膜像差平均增加3.72倍，

12、且這種增加在術前高度近視患者更為明顯。Mohrenfels21對傳統(tǒng)LASEK術后的患者實施波陣面像差引導下的LASEK術，結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。Pallikaris等20研究有晶體眼屈光性晶體(Pakic refractive lens PRL)植入術后1年眼高階像差的變化，結果發(fā)現(xiàn)在3mm和5mm瞳孔大小時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，球面像差（Z4-0）顯著降低，這對暗視力(mesopic vision)有益。同時發(fā)現(xiàn)與視網(wǎng)膜成像質量有關的調制傳遞函數(shù)(modulation

13、 transfer function MTF)也下降。Montes-Mico等22報道，AK(Astigmatic keratotomy)可導致角膜高階像差增加，然而AK后再實施LASIK可增加球差但減少慧差。Buzzonetti等15對LASIK及LASEK術后3個月的病人進行研究發(fā)現(xiàn)，在7.0mm瞳孔大小時，兩種術式后的角膜總像差增加相似；但在3.0mm瞳孔大小時，兩者術式后的角膜總像差皆無顯著變化，而球差在LASEK術后增大。Holladay等23報道，前表面扁平型人工晶體可以部分抵消角膜所產生的球差，從而改善眼的光學質量。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

14、人工晶體更好的對比敏感度。2.6眼別：WWang等2-3,25研究究發(fā)現(xiàn)， 眼睛和角膜膜前表面的總總高階像差、球球差及慧差在在左右眼之間間都具有輕至至中度鏡面對對稱。在222項高階像差差zerniike多項式式中，角膜前前表面的有99項（41%）、整整個眼睛有113項（59%）在左左右眼之間具具有顯著相關關性，其中44階球差左右右眼相關性最最高，其次為為三階垂直慧慧差和6階球差。眼眼睛高階像差差中，3階像差4項中有3項、4階像差5項中有4項在左右眼眼之間顯著相相關。2.7淚膜：淚淚膜的破壞或或不規(guī)則也可可使高階像差差增加。Moontes-Mico等等26發(fā)現(xiàn)現(xiàn)干眼癥患者者較正常人其其眼總像差、

15、慧慧差、球差均均顯著增加，這這種增加是由由淚膜的不規(guī)規(guī)則所導致。2.8 屈光間間質的清晰度度：Sachddev等27發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，不同類型型的白內障可可以導致不同同的波陣面像像差。皮質的的混濁可導致致慧差增加，核核的混濁則導導致球差增加加，兩種混濁濁均可導致四四葉草增加。2.9角膜矯形形鏡：毛欣杰杰28等報報道，配戴角角膜矯形鏡990天后單色色光波陣面像像差zernnike函數(shù)數(shù)值的均方根根RMS值由0.57766047711um增至1.377310.80339um，兩兩者比較差異異有顯著意義義，與各階像像差相關的zzernikke函數(shù)值的的均方根RMMS值均增加加。這可能是是引起視覺質質量降低的主

16、主要原因之一一。2.10其他因因素：最新研研究發(fā)現(xiàn)229，高階階像差可能還還與脈搏及心心率有關。有有人報道，角角膜透明邊緣緣變性的病人人其角膜慧差差逐漸增加而而球差幾乎保保持不變。3高階像差與視視覺質量自波陣面像差傳傳感技術用于于視覺研究以以來，關于人人眼像差的測測量及矯正研研究如雨后春春筍。通過對對大規(guī)模正常常人群的波陣陣面像差測量量，Portter等30-332發(fā)現(xiàn)一一定量的波陣陣面像差會降降低人類的視視覺質量。GGuiraoo5和Yoon333等對高高階像差被完完全矯正情況況下的理論視視覺改善進行行計算，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)矯正高階像像差后即使在在正常人群也也會改善視覺覺質量，而當當人群為異常常角膜如

17、圓錐錐角膜或角膜膜移植術后，這這種改善則更更為顯著。為抵消高階像差差的影響，一一系列光學和和臨床方法如如自適應光學學系統(tǒng)、相位位板(phaase pllate)、個個體化接觸鏡鏡及個性化屈屈光手術被提提出并證實有有效。Liaang第一次次應用自適應應光學系統(tǒng)在在單色光下通通過矯正高階階像差來提高高視力。Yooon33等則在在白光下證實實了應用自適適應光學系統(tǒng)統(tǒng)能夠改善對對比敏感度和和視力。3.1 高階像像差與對比敏敏感度Yamane等等34研究究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)統(tǒng)LASIKK術可以顯著著增加總高階階像差、慧差差和球差，同同時顯著降低低對比敏感度度對數(shù)函數(shù)下下面積(AUULCSF)及低對比度度視力，且

18、兩兩種降低分別別與三種像差差的增加顯著著相關。同時時發(fā)現(xiàn)，近視視矯正程度越越大，對比敏敏感度和眼高高階像差的變變化也越大。 Yoon等335發(fā)現(xiàn)，用用相位板有效效矯正正常人人眼的高階像像差后其視網(wǎng)網(wǎng)膜成像質量量和視力提高高，尤其在低低對比度情況況下。在6mmm瞳孔大小小下，波陣面面像差的RMMS值由0.3990.09降至至0.150.02。高高對比度字母母視力表平均均增加了0.23行，低低對比度字母母視力表平均均增加了1.12行。在在空間頻率為為60cycc/deg時時矯正各種像像差后，視網(wǎng)網(wǎng)膜成像質量量較僅矯正球球柱性屈光不不正提高了約約1.8倍。Guirrao等5報道，在在空間頻率為為16

19、cycc/deg下下矯正高階單單色像差后，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PRK術后發(fā)生輕至中度角膜上皮下混濁時，低對比視力與角膜上皮下混濁程度無相關性，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，高階階像差的增加加可能是影響響屈光手術后后視覺功能尤尤其是低對比比度視力的主主要因素。屈屈光矯正的程程度越大，高高階像差的增增加及對比敏敏感度的降低低也越顯著，而而且這兩種變變化顯著相關關。3.2 高階像像差與視覺癥癥狀Chalitaa等36對LASIKK術后的患者者進行研究發(fā)發(fā)現(xiàn)，在暗視視瞳孔直徑

20、（Scotopic pupil size）下，眩光與球差及總像差具有顯著相關性，色圈(halos)和球差具有相關趨勢，但在5.0和7.0mm瞳孔時卻不具有這些關系。星暴(Starburst)在暗視瞳孔直徑下與球差和總像差顯著相關，在7.0mm瞳孔時與總慧差呈負相關。復視和任何瞳孔大小下的水平慧差之間都為正相關,與5.0和7.0mm瞳孔下的總慧差為正相關，與垂直慧差則不存相關。這說明人類對水平定向的多焦具有更強的敏感性，對指導波陣面像差引導下的角膜切削具有重要意義。3.3 高階像像差與視覺功功效Applegaate等37報道道，各種波陣陣面像差并非非對視覺功效效產生等效影影響。在高和和低對比lo

21、ogMAR（the llog miinimumm anglle of resollutionn）視力情況況下，對于等等量的RMSS值，各個Zeernikee多項式系數(shù)數(shù)會導致不等等量的視功能能喪失。波陣陣面像差越接接近瞳孔中心心則其對視覺覺功效的影響響也越大。也也就是說，低低水平方位角角頻率較高水水平方位角頻頻率更易影響響視覺功效。從從Zerniike多項式式來看，即ZZernikke金字塔中中心的像差模模式較金字塔塔邊緣的像差差模式更易影影響視覺功效效,既使它們具具有相同的RRMS值。比比如，離焦相相比散光更易易降低視力，慧慧差相比三葉葉草更易降低低視力，二級級散光相比四四葉草和球差差更易降

22、低視視力。4展望：總之，隨著個性性化激光切削削的發(fā)展，理理想的屈光手手術應該可以以使患者能夠夠識別所有距距離、所有光光照情況、高高和低對比度度下的不同大大小物體，或或僅受單一波波長下衍射及及可見光譜下下色像差的影影響。如今的的屈光手術僅僅能矯正單色色像差，尚不不能矯正不同同波長下的色色像差。因此此，在行激光光切削時，眼眼睛的瞳孔大大小、調節(jié)狀狀況、屈光度度、年齡和淚淚膜等因素，激激光切削的精精確度、術后后愈合反應、角角膜的生物化化學變化等都都會影響術后后高階像差的的變化。而在在波陣面引導導的激光切削削時，對高階階像差的有效效定量準確描描述，對各種種不同高階像像差模式的切切削種類、量量及相互影響

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