波前像差儀在屈光不正檢查中的應(yīng)用

文 吳盛蘭

近年來，人眼視覺和成像質(zhì)量的評價研究逐漸受到了眼科醫(yī)生的重視。目前臨床上使用較多的視光檢查方法，包括視力檢查、主客觀屈光驗光、對比敏感度等，都是以大腦知覺為基準，通過對客觀物理刺激進行主觀評價的心理物理學方法，通常會受到被測試者的情緒、心理狀態(tài)及理解力等因素的影響。此前波前像差儀在臨床上主要用于檢測眼的高階像差，用于個性化角膜切削手術(shù)方面，因此大量的研究報道也集中于此，相比較而言，對人眼低階像差（即“眼的屈光狀態(tài)”）的測量研究則很少。本文旨在探討Visionix L80波前像差儀在屈光不正檢查中的應(yīng)用，希望通過全息鏡片技術(shù)的運用，改善低階像差屈光不正人群的視銳度。

1 波前像差儀的原理

1.1 波前像差的定義

按照光的波動學說，光線是一種波動前進的電磁波，波傳播到某一位置處時等相位面組成的曲面稱為波前。因此，波前是一個面而不是一條線。具體而言，波前像差就是當光線的矩陣軌跡形成波前，與理想的球面波相比較時兩者之間存在的偏差。

作為一種光學測量方法，波前像差最早應(yīng)用于天文學，主要用于改善遠距離攝影所面臨的像差問題。此后，隨著準分子激光角膜屈光手術(shù)的開展，波前像差的測量設(shè)備和方法得到了飛躍性的提升，使人們能夠跳出幾何光學的局限，對人眼的屈光矯正有了更新的認識。運用像差理論能夠更全面地解釋人眼屈光異常的各種問題。在幾何光學中，屈光不正是指光線通過人眼屈光介質(zhì)后將匯聚成為一個焦點或光斑。而波前像差則是從光的波動學說出發(fā)，著重考慮角膜面上每一點波前與理想波前的光程差。

1.2 波前像差儀的工作原理

目前，應(yīng)用于臨床上的波前像差儀有多種原理設(shè)計，本文主要介紹采用Hartmann-Schack原理的客觀像差儀（見圖1）。Hartmann-Schack波前感受器在波前像差的測量方法史上具有重要意義：該測量方法也稱為“外向型測量法”，其原理是通過一束直徑大約1nm的激光聚焦在人眼黃斑上，反射的光線通過人眼系統(tǒng)射出眼睛，形成波前像差，并被瞳孔入口處的波前探測器捕獲。反射出來的光線波前射入微透鏡陣列時，被分解為子波前并聚焦成像為光斑，光斑的焦點位置與理想波前的傾斜角與位移反應(yīng)了人眼整體的波前形態(tài)，顯示出不同階的像差。

圖1

1.3 波前像差儀在臨床中的應(yīng)用

近年來，波前像差技術(shù)已廣泛應(yīng)用于眼科臨床領(lǐng)域的研究。波前像差儀在臨床應(yīng)用上實現(xiàn)了像差儀與準分子激光個性化切削手術(shù)的有機結(jié)合，其技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：實現(xiàn)了波前像差儀與準分子激光治療機的直接連接，測完像差之后可以馬上在1500Hz高速跟蹤頻率下進行準分子激光個性化超小光斑飛點式切削，從而消除人眼像差，使激光矯正后的人眼視力達到理想程度。

波前像差儀既能為傳統(tǒng)的屈光不正提供良好的檢測手段，同時又能較全面地反映屈光系統(tǒng)的整體像差，而綜合驗光的結(jié)果又能作為屈光手術(shù)的主要依據(jù)，因此，兩者在屈光角膜手術(shù)中均是重要的檢查項目。采用波前像差引導的角膜屈光技術(shù)，可以進行有針對性的個體化激光切削手術(shù)，使高階像差的矯正成為可能，讓患者視網(wǎng)膜成像更完善，視覺質(zhì)量更好。

2 屈光不正的多階像差理論

2.1 傳統(tǒng)驗光

科學研究表明，正常人眼并非完美的屈光系統(tǒng)，而是存在著一定程度的像差（以低級像差為主），以往傳統(tǒng)的電腦驗光儀和綜合驗光方法只能檢查屈光偏差的規(guī)則部分（球鏡和柱鏡），而對復(fù)雜的不規(guī)則、非對稱的散光則缺乏有效的檢測方法和矯正措施。因此，一部分人在驗光配鏡后，視力達不到理想效果。這也是傳統(tǒng)驗光儀器的局限性所在。

2.2 利用波前像差函數(shù)得出的低階像差與高階像差

通過波前像差函數(shù)計算可將波前像差分解成多階成分。常用的Zemike多項式為7階35項，每一項系數(shù)代表了相應(yīng)的像差量，其中低階像差和傳統(tǒng)像差相對應(yīng)。計算以均方根（root means squares，RMS）值來表示總體像差和組成總像差的各個分階像差的大小。根據(jù)相差大小分為低階相差和高階相差，其中，低階相差包括：傾斜、離焦和散光；高階像差包括：彗差、球差、二階球差、三葉草、四葉草和不規(guī)則散光。

2.2.1 低階像差

指第1、2階像差。具體為離焦、散光等傳統(tǒng)屈光問題。第1階像差是指x、y軸的傾斜。第2階像差包括離焦和0°與45°方向的散光等3方面內(nèi)容。有關(guān)研究顯示，同階像差中，離焦相差比散光相差對視物的清晰度影響更大。

2.2.2 高階像差

指第3階及以上像差。具體為不規(guī)則散光等屈光系統(tǒng)存在的其他光學缺陷。高階像差的每一階各包括許多項，每一項代表不同的內(nèi)容。例如：高階像差第3階包括彗差、三葉草樣散光等4項內(nèi)容。第4階不僅包括球差，還涉及更多項不規(guī)則散光等內(nèi)容。位階越高，像差內(nèi)容越復(fù)雜。有關(guān)研究顯示，不同像差對人眼視覺功能的影響各不相同，但有些項的真正光學含義與視覺功能之間的關(guān)系尚需進一步研究。

2.2.3 波前像差圖

由于Zernike多項式是用數(shù)字表達人眼的波前像差，為了臨床觀察更加直觀，可通過Zernike函數(shù)重建成波前像差圖。波前像差圖既可以是二維平面圖，也可以是三維立體圖（見圖2）。不同類型的像差圖形不一，例如單純離焦形成的波前像差為拋物線形，散光形成的波前像差則如沙漏狀（不同顏色可顯示像差的程度）。

圖2

2.3 人眼波前像差的成因和影響因素

2.3.1 人眼波前像差形成的原因

實際生活中，任何人眼成像不可能絕對清晰和完全不產(chǎn)生變形。主要原因是：首先，光學系統(tǒng)必須通過一定的通光孔徑才能觀察到一定范圍內(nèi)的物體，因為入射光并非都是近軸光線，且光束間的張角存在很大差別，隨著張角增大，成像與實際物的偏差就越大。其次，實際生活中的物體是立體的，且大小不同，因此各個物點發(fā)出的傾斜光束不能保持為近軸光束，所成的像也不可能在同一平面上。第三，實際的光學系統(tǒng)對物體上各點的放大率不可能相同。上述情況導致在成像過程中會產(chǎn)生各種成像缺陷（這些成像缺陷可用若干像差來描述）。

2.3.2 影響人眼波前像差的因素

人眼是一個復(fù)雜的光學系統(tǒng)，由于年齡、瞳孔大小、調(diào)節(jié)、屈光狀態(tài)、光線波長、角膜形態(tài)等不同因素的影響，會出現(xiàn)不同的像差。

在眾多因素中，本文只介紹瞳孔大小的影響（因為在本文案例中使用的波前像差儀只能對2種瞳孔的像差進行測量）。

瞳孔大?。和字睆綖?mm時，限制人眼視覺質(zhì)量的因素主要是衍射，當瞳孔直徑較大時（≥3mm），像差成為主要因素。隨著瞳孔直徑增大，高階像差隨之成倍增長，這種情況在屈光手術(shù)后變得更加明顯。這是因為在正常情況下，由于人眼的適應(yīng)機制的作用，尤其是正常瞳孔大小時的光欄作用，都使人眼高階像差處于一個合理的低水平。隨著瞳孔的逐漸增大，越往周邊，光線經(jīng)過的眼屈光介質(zhì)越不完美，因此，瞳孔大小對像差的影響明顯。在小瞳孔下，4階及以上的高階像差對視覺質(zhì)量的影響可能不明顯，但在大瞳孔下，更高階像差的影響則變得格外顯著。

2.3.3 人眼像差的主要組成

目前，眼科學把人眼總體的波前像差分成兩個部分：角膜前表面的像差和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的像差。

2.3.3.1 角膜前表面像差

研究表明，角膜前表面的波前像差被內(nèi)部結(jié)構(gòu)代償，導致眼睛總體的像差減小，進而產(chǎn)生良好的視覺質(zhì)量。因此，僅僅測量角膜前表面的像差不能充分評估眼睛的視覺質(zhì)量，但是角膜前表面作為人眼主要的屈光結(jié)構(gòu)，很有可能是造成人眼像差的主要組織結(jié)構(gòu)。

除了散光，球差過去被認為是角膜的主要像差，但是隨著角膜地形圖的開發(fā)利用和對角膜前表面的像差研究不斷深入，彗差和其他高階像差的重要性得到了人們的充分認識。通過對角膜地形圖高度值的換算，得到角膜前表面的波前像差值，就可以更加精確地描繪出波前像差圖。

從各項研究來看，整個人眼波前像差個體差異很大，研究結(jié)果顯示，對應(yīng)波前像差的各階而言，前4階像差的值相對較大，變化的幅度也較大，第5、6階像差的值相對較小，變化的幅度也相應(yīng)減小。

2.3.3.2 人眼像差的補償

在人眼中，角膜前表面是主要屈光結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的屈光作用大概占人眼整體的70%，但是角膜前表面像差在人眼整體中所占的比重因人而異，甚至因眼而異：即同一個人的左右眼像差也存在較大差異。對于一部分人眼，角膜前表面的像差大概與眼睛總體像差相同，對于另外一些人眼，角膜前表面的像差大概占眼睛整體波前像差的90%（有一部分被內(nèi)部結(jié)構(gòu)所補償，才使得眼睛總體像差值較?。?/p>

以往的研究表明，在球差和總體像差上，角膜前表面的波前像差被內(nèi)部結(jié)構(gòu)補償?shù)淖饔梅浅Ｃ黠@。但是相對于一些人眼，角膜前表面的像差比眼睛整體像差小很多，這意味著對于眼睛整體像差來說，角膜前表面僅貢獻了很少的部分，在這種情況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加了眼睛整體像差的一部分。另一方面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對角膜前表面像差的作用因人而異，有時候表現(xiàn)為代償作用，有時候則表現(xiàn)為在角膜前表面像差的基礎(chǔ)上增加了整體的像差。

科學研究證明，存在輕度屈光不正的人群中，不論是年輕人或是老年人，加上散光時，角膜的像差RMS值大多數(shù)情況下大于眼睛整體或是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的RMS值，這說明在我國的普通人群中，角膜前表面是造成眼睛整體波前像差的主要因素。值得注意的是，在不加散光時，角膜前表面的像差明顯小于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的像差，這就意味著內(nèi)部結(jié)構(gòu)對更高階的像差的貢獻大于角膜前表面，角膜前、后表面之間的像差也存在補償關(guān)系。實際上，人眼對像差的補償現(xiàn)象不僅存在于光學系統(tǒng)，還包括神經(jīng)性補償，即大腦可能會通過一系列神經(jīng)調(diào)整產(chǎn)生補償作用，使視覺功能得到改善。

3 波前像差儀的具體應(yīng)用

本文采用以色列的Visionix L80波前像差儀，并利用其檢查結(jié)果，對屈光不正人眼的實際矯正案例進行分析。

3.1 Visionix L80波前像差儀簡介

Visionix L80波前像差儀是根據(jù)Tracey技術(shù)光路追跡原理，將一束0.3mm直徑的紅外激光束（波長785nm）投射進人眼瞳孔區(qū)，激光束經(jīng)眼球屈光系統(tǒng)折射和視網(wǎng)膜反射后，穿過一個透鏡聚焦在外界傳感器上，通過測量位置傳感器上激光束的位置，就可以間接測量激光束在視網(wǎng)膜上的位置。此過程需持續(xù)發(fā)射1500個獨立的點，點越多就越能保證數(shù)據(jù)的準確。

該設(shè)備內(nèi)包含一套用于患者固視的自動視標系統(tǒng)，在波前像差和驗光模式下，固視視標用于自動霧視，以減小患者在測量時調(diào)節(jié)產(chǎn)生的影響。在調(diào)節(jié)力測量模式下，視標先移動到自動霧視的位置，然后慢慢靠近患者，患者為了看清這個視標，會主動進行人眼調(diào)節(jié)，此時設(shè)備會記錄下患者的調(diào)節(jié)力數(shù)值。設(shè)備可自動監(jiān)測患者不能調(diào)節(jié)（放棄調(diào)節(jié)）的那個點，并結(jié)束測量，最后屏幕上就會出現(xiàn)測量結(jié)果圖表（圖表顯示出不同視標位置對應(yīng)的人眼屈光度的變化），數(shù)據(jù)表里也會顯示針對不同年齡的典型調(diào)節(jié)力以作比較。

通過波前像差儀與綜合驗光對屈光狀態(tài)的檢查結(jié)果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)近視球鏡（輕度、中度、高度）、近視柱鏡、散光軸向差異均無統(tǒng)計學意義，這一結(jié)果說明，通過波前像差儀在暗室環(huán)境下對低階像差的測量同樣能夠準確反映人眼的屈光狀態(tài)。同時，眼睛像差圖可以顯示全部的像差或僅是高階像差。

3.2 波前像差數(shù)據(jù)與其他檢測數(shù)據(jù)的綜合分析

圖3

表1 L80波前測量模式選項

在設(shè)備檢測出高階像差和低階像差數(shù)據(jù)后，結(jié)合角膜地形圖分析整個人眼的全部數(shù)據(jù)：例如一個患者在角度45°處有1μm慧差和-0.5μm的球差，角膜地形圖會顯示相應(yīng)瞳孔區(qū)域上這兩個像差的聯(lián)合。角膜地形圖計算可以利用整個瞳孔區(qū)域內(nèi)的哈德曼點陣，局部地形圖取決于不同的計算，每一塊區(qū)域都計算球差、柱鏡、棱鏡和慧差，基于這些計算的位置就會在地形圖上顯示出來，眼睛內(nèi)的局部缺陷就能很清楚地看到。

3.3 波前像差儀檢測結(jié)果在屈光矯正中的應(yīng)用

波前像差儀的檢測數(shù)據(jù)除了可用于角膜激光手術(shù)，還可以通過最新全息鏡片進行屈光矯正。其原理是通過納米級激光雕刻工藝，根據(jù)個人波前像差和角膜地形圖數(shù)據(jù)，在鏡片表面制成像素級的精密對焦，使患者在配戴后能夠?qū)崿F(xiàn)全視網(wǎng)膜多焦點對焦。全息鏡片的主要優(yōu)點包括全方位貼合角膜曲線、像素級對焦，鏡片最高能達到1500個焦點，能消除不規(guī)則光波，接近無失真圖像，并進行像差彌合，實現(xiàn)全視角自由視。在目前已知的案例中，全息鏡片能較好地改善相同屈光不正度數(shù)下的人眼視銳度，使患者的視覺質(zhì)量明顯提高，這也是框架眼鏡新的發(fā)展方向。

4 總結(jié)

波前像差儀在測量操作中，只需要具備暗室環(huán)境，不需要藥物散瞳，而且在進行高階像差檢查的同時，還能提供可靠、準確的屈光檢查結(jié)果。這就為一些不想進行擴瞳驗光但又想準確知曉其屈光度的患者提供了便捷，對兒童早期近視的防治具有重要意義。

總體來看，波前像差技術(shù)是近年來用于評價光學矯正質(zhì)量的一種先進方法，但仍有許多問題需要解決，例如調(diào)節(jié)對像差測量的影響、像差儀的精確性與可重復(fù)性、視錐細胞與像差的方向性選擇等。此外，人眼組織究竟如何產(chǎn)生像差以及哪些因素可引起像差的改變等，尚不十分確定。特別是基于波前像差檢測結(jié)果加工的全息鏡片，目前還沒有累積到足夠多的臨床經(jīng)驗與案例，還需進一步探索和實踐。但不可否認的是，波前像差技術(shù)的應(yīng)用為人眼視覺質(zhì)量的提高提供了新的方法和手段。可以預(yù)見，波前像差技術(shù)在眼科及視光學領(lǐng)域中具有十分重要的臨床應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

5 展望

從科學角度而言，運用波前像差技術(shù)可以得到一種獨特的“眼睛指紋”，能夠測量眼睛視路范圍內(nèi)的像差變化情況。了解并掌握人眼像差對視力的影響，不僅能夠進一步提高眼鏡驗配質(zhì)量，而且從未來的發(fā)展趨勢來看，波前像差儀有可能成為新一代的常規(guī)驗光設(shè)備。特別是近年來，波前像差儀和角膜地形圖儀的結(jié)合，使專業(yè)人員能夠準確判斷全眼球像差主要是源于角膜像差還是眼內(nèi)像差，大大提升了視功能檢查的準確性。而隨著全息鏡片的出現(xiàn)，波前像差儀在屈光矯正中將發(fā)揮更大的作用。