波阵面像差技术在临床上的应用.pdf

文献综述波阵面像差技术在临床上的应用金红颖,王勤美温州医学院眼视光学院,浙江 温州 325027Use ofw ave2front aberration techniques inclinical proceduresJIN Hong2ying,WAN Qin2mei.Eye Hospital Wenzhou MedicalCollege,Wenzhou China,325027 Abstract:The purpose of the project is to introduce the concept of wave2front aberration and to evaluate its techniques and clinical applications.Therehas been a great deal of interest recently in wavefront aberration techniquesforuse in clinical procedures.These techniques can not only be used in refractivesurgery to evaluate postsurgical changes in aberrations,but can also be usedduring refractive surgery as a guide for performing customized ablations to im2prove visual quality after PRK and LASIK.Additionally,this technique canbe employed to evaluate changes in aberrations after wearing different typesofcontact lenses,or to evaluate changes after cataract surgery,glaucoma surgeryor other corneal surgeries.K ey words:wave2front aberration;refractive surgery;contact lens;cataract;glaucom摘 要 介绍波阵面像差技术的基本概念、评价方法及临床应用。波阵面像差技术是目前临床上较为关注的一项技术,不仅可用于检查屈光手术前后的波阵面像差的改变,还可以指导个体化切削,提高屈光手术后的眼视觉质量。此外,这一技术可用于评估配戴各种不同角膜接触镜前后的波阵面像差的改变,评估白内障、青光眼以及其他角膜手术的波阵面像差的改变等等。关键词 波阵面像差;屈光;接触镜;白内障;青光眼中图分类号R778文献标识码B文章编号1008-1801(2002)01-0057-04 近年来,由于准分子激光屈光手术切削方式已经由传统的大光斑式切削改进为目前比较理想的高斯曲线/截边高斯曲线分布的小光斑随机飞点扫描式激光切削,以及快速的主动眼球跟踪系统和波阵面像差引导的“个体化”切削,使得人们对视力的期望值愈来愈高,提出了屈光手术要达到“2.5”以上的“超视力”的目标。其中,波阵面像差理论不仅为达到这一目标提供了理论依据,还提供了检测手段和指导切削的方法。另外,屈光手术后出现的各种视觉质量问题,如暗视力下降、眩光等,已由波阵面像差理论作出解释。此外,波阵面像差理论有助于评估白内障、青光眼以及配戴角膜接触前收稿日期:2001-12-20;修回日期:2001-02-10作者简介:金红颖(1970-),女,江苏武进人,主治医师,现为眼视光学院在读研究生,原单位为江苏省徐州眼病防治研究所。后的视觉质量等,因此波阵面像差技术在临床上已受到愈来愈多的关注。已有多家公司生产出多种波阵面像差检查仪,使得临床医生可以通过简单的操作来测量眼的波阵面像差。1 波阵面像差(wave2front aberration)的概念及评价方法1.1 基本概念 像差并不是一个新概念,在几何光学和物理光学领域,人们早就关注像差对于光学仪器成像质量的影响。从几何光学角度,我们可以将像差分为色差(chromaticaberration)和单色像差(monochromatic aberration),其中单色像差又可分为球差(spherical aberration)、彗差(coma)、场曲和畸变等。从物理光学的角度出发,我们可以将像差定义为波阵面像差。所谓波阵面(wave2front),又称为波前,而波阵面像差的基本概念就是:在理想成像的情况下,点光源经过光学系统后所成的像应是一个以理想像点为中心的球面 理想波面。如果存在着几何像差,则对应的波面不再是一个以理想像点为中心的球面,理想波面和实际波面之间的光程差,即称为波阵面像差(wave2front aberration)。波前像差是衡量光学系统成像质量的一个指标。根据Rayleigh准则,最大波前像差小于1/4波长的话,则系统质量与理想光学系统没有差别1。1.2 波前像差的评价方法 评价光学系统成像质量的方法有多种,例如用几何像差、波前像差和分辨率。20世纪40年代,傅里叶分析的方法被应用于光学系统的评价,并在使用了电子计算机后,引入了光学传递函数(OTF2optical transferfunctions)的概念,即把物面图形分解成余弦基元来研究光学系统的成像性质及图像对比度的丢失,包括振幅传递函数(MTF2modulation transfer functions)和位相传递函数(PTF2phasetransfer functions),此外还有点扩散函数(PSF2point spread func2tion)、线扩散函数(LSF2line spread function)等等。但是目前在临床上,比较易于理解且可以定量表达像差的方法是用Zernike多项式以及波前像差图来描述。1.2.1Zernike多项式(Zernike polynomials):Zernike函数2,3为一正交于单位圆上的序列函数,可将波阵面像差分解成一个阶像,从而观察每一阶像差的大小。其表达式为:W(x,y)=An,m,n,mZn,m(x,y)。Zn,m代表Zernike多项式,An,m代表系数,W(x,y)为经过瞳孔的波阵面像差(坐标为x,y),其单位为波长(nm)。系数的值代表了相应的像差量,某些可以转换为传统的屈光度单位。常用的Zernike多项式为7阶35项。低阶像差与传统的像差相对应,而高阶像差则对应于一些非经典的像差。如Z1表示X轴的倾斜,Z2表示Y轴的倾斜,Z4表示离焦,Z3表75第4卷第1期2002年3月眼 视 光 学 杂 志Chinese Journal of Optometry&OphthalmologyVol.4 No.1Mar.2002示0度(90度)方向上的散光,Z5表示45度方向的散光,Z7表示X轴上的三阶彗差,Z8表示Y轴上的三阶彗差,Z12表示三阶球差,其余各项均超出了常规的光学像差的研究范围。我们可以将Zernkike多项式用金字塔形式表示如下4:-7-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6+70Z0无像差1Z1Z2倾斜2Z3Z4Z5散光、离焦3Z6Z7Z8Z9彗差,等4Z10Z11Z12Z13Z14球差,等5Z15Z16Z17Z18Z19Z20二次彗差,等6Z21Z22Z23Z24Z25Z26Z27 二次球差,等7Z28Z29Z30Z31Z32Z33Z34Z35 其中,12阶为低阶像差,3阶以上为高阶像差。由于Zernike多项式是用数字表达眼的波前像差,为了便于临床上更直观的观察,可以将Zernike函数重建成眼的波前像差图。1.2.2 波阵面像差图:从临床角度看,波前像差更直观的表达是波前像差图。从一个点光源发出的光线可向各个方向传播,从一点到另外一点的光线行经路线称为光路路径长度(OPL,optical path length)。如果每条光线的OPL是相等的,则不存在光程差(OPD,optical path difference,单位为mm)。在一个完美的光学系统中,OPD等于0。而在一个有像差的光学系统中,经过瞳孔不同位置的光线与经过瞳孔中心的光线相比较,是存在光程差的4,可以用伪彩色将这种差异表达出来,即是波前像差图。2 波阵面像差检查技术的临床应用 波前像差检查技术在很多文章中已有描述3538。目前基于Hartmann2Shack原理的波前像差镜,有博士伦公司的Zyoptics系统、Alcon Summit的自动角膜个性化测量仪及Aes2culap Meditec的WASCA系统。基于Tsherning原理的像差仪,有Wavelight的Allegretto、Tracy公司的视网膜光线追踪仪以及基于屈光计原理的Emory视觉矫正系统和日本尼德克的OPD2Scan系统5。此外还有苏州医疗仪器厂国产的WaveFront Refractometer。2.1 屈光手术中的应用2.1.1 屈光手术后波阵面像差的改变及其原因:屈光手术有多种,包括早些年做得较多的放射状角膜切开术(RK),和近年来做的准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)和准分子激光角膜削融术(PRK),它们均通过改变角膜表面的曲率使平行光线重新聚焦在视网膜上,从而达到屈光矫正的目的。然而,其在改善视力的同时,也带来了一系列的问题,比如对比敏感度的降低,眩光、暗视力的降低等等。已有多篇文章报道,在RK611、PRK1217、LASIK14,18术后波阵面像差有增大,特别是随高阶像差的增大以及暗环境下随着瞳孔的增大,像差明显增大8,13。在大瞳孔条件下,像差的影响因素增加约1020倍12,14,15。准分子激光屈光手术后像差增大的原因在于:一是由于术前的屈光度与球差高度相关12,19,因而术后屈光度的改变,使得球差明显增大。这与目前使用的切削模型的数学公式有关18。二是在偏中心切削时,彗差与偏中心切削直接有关。在用有主动跟踪系统的激光机治疗的患者中,其彗差比用没有主动跟踪系统的激光机治疗的患者明显要小18。三是角膜的不规则和角膜的雾浊使得角膜的散射增大,这也是导致术后高阶像差增大的原因之一18。四是角膜伤口愈合过程同样与像差相关18。在了解了屈光手术后像差增大的原因,以及目前波阵面像差检查技术的发展后,人们开始考虑如何针对不同的个体对角膜进行“个体化”切削,从而获得理想的视力。2.1.2在 屈 光 手 术 中 的 临 床 应 用:在 受 到Liang和Williams20的波阵面分析和可调整光斑切削的启示下,TheoSeiler于1999年7月进行了第一例的波阵面像差引导下的“个体化”角膜切削,最佳戴镜矫正视力(BCVA)从20/12提高至术后的20/10。4个月后,McDonald进行了另一组患者的个体化切削21。随后又有陆续的关于个体化切削的报道2224。所谓“个体化”角膜切削是指根据不同个体的屈光特性和解剖特性,通过各种球镜、柱镜、非球镜及非对称的切削来矫正个体的球镜和柱镜并减少高阶像差,从而提高视网膜的成像质量,满足患者的需求5。完成角膜个体化切削可在角膜地形图的引导下进行,也可在波阵面像差的引导下进行。所谓波阵面像差引导的激光切削就是“使用一个波阵面像差分析仪测量波阵面像差,将所获得的波阵面像差数学转换成适当的切削图案以便使用飞点扫描准分子激光进行角膜切削”。与传统的准分子激光屈光手术后波阵面像差增大10倍以上相比,波阵面像差引导的激光手术可减少40%的像差25。由于其切削面光滑、节省角膜组织,并且存在切削过渡区,从理论上讲,所获得的视力结果可以达到“超视力”,并且不存在眩光、暗视力下降、对比敏感度下降等的问题,因而目前给人感觉是有美好的“超视力”前景。此外,波阵面像差分析仪可对一些屈光手术后存在并发症的患者进行波阵面像差的检查,比如中央岛、偏中心切削、角膜不规则散光等等的检查。并将检查的结果与准分子激光机相连,通过飞点扫描激光对角膜表面进一步进行精确的亚微结构塑型,从而对这些患者的像差进行修正,减少高阶像差,达到提高视力的目的。但是,目前临床上所有的客观像差分析仪对于这些存有角膜并发症的患者的像差检查结果是否准确,能否作为引导像差修正的精确数据,还有待于研究。2.2 在角膜接触镜中的应用 已知眼的波阵面像差的产生与角膜、晶体、视网膜有关。其中,角膜前表面对于像差的影响是最主要的。而角膜接触镜就是配戴在角膜表面,通过改变眼前表面的曲率而矫正屈光不正。由于眼球不是一个真正旋转对称的系统,相对于视轴的位置可存在彗差的影响26,27,而角膜接触镜随眼球转动而转动,会受到这些像差的影响28。此外有文献表明,配戴软性角膜接触镜后眼波阵面高阶像差明显大于不戴镜者29,30,而RGP配戴者的眼波阵面像差与个体眼的像差明显相关。也就是说,如果配戴RGP前患者的眼波前像差较小,则配戴RGP后他的波前像差有轻度增加;如配戴RGP前的波前像差较大,则配戴后的波前像差会有所降低29。因此,随着主观和客观波阵面像差分析仪的问世,我们不仅可以快速地检测配戴软、硬性角膜接触镜的波阵面像85第4卷 眼视光学杂志第1期差,还可以改进角膜接触镜片的设计,使患者配戴得更舒适,并获得更清晰的视力,甚至可以对不同的角膜接触镜配戴者进行波阵面像差指导的“个体化”镜片验配,提高视网膜的成像质量。2.3 在白内障中的应用 我们知道眼的波阵面像差除与角膜有关外,与晶状体的关系也很密切31。随着年龄的增大,晶状体的屈光指数、晶状体的弹性都会有所改变,这些变化对眼的波阵面像差都有影响。通过波阵面像差分析仪,我们可以对一些早期白内障患者的眼波阵面像差进行分析。此外,对于白内障术后的患者,也可检查其波前像差的改变,分析视力的影响因素,指导我们改进手术设计和手术方法。另据文献报道33,在人工晶状体眼中,球差和彗差的变化较大,在较小的中央区域内,像差会随着人工晶状体的形状而改变。此外,非球面设计的人工晶状体,可以减少像差,提高视网膜的成像质量33。因此,对于不同品牌、不同材料、不同设计的人工晶状体,可以通过研究其对人眼的波阵面像差的影响,来选择更合适的人工晶体。2.4 在青光眼中的应用 对于接受不同青光眼手术方式的患者,可以通过研究其术前、术后眼波阵面像差的不同,使其更合理地结合临床实际进行眼压控制,以改善术后患者的视觉质量。文献表明,小梁切除术后,眼波前像差的改变主要是球差和Y轴的彗差的变化34。2.5 在弱视研究中的应用 通过对弱视患者的眼波阵面像差的分析,并且通过检查接受弱视训练患者的眼波阵面像差的改变,可以分析哪一种弱视对眼波阵面像差的影响更大,并评估哪一种弱视训练更有利于改善眼部的波前像差。2.6 其他应用 包括对角膜移植术前术后眼波前像差的测量,翼状胬肉对眼波前像差的影响及其他角膜不规则散光对眼波前像差的影响等等。总而言之,波阵面像差分析仪在临床上是一种快速评估眼成像质量的方法。根据不同的原理而设计不同的仪器,目前在临床上的应用尚未积累到很多的临床经验。并且,对于不同疾病的患者,我们需使用何种波前像差分析仪更简单快捷,而且重复性、可靠性更佳,目前仍在研究和探索阶段。许多仪器和软件设计仍需较多的改进和完善。参考文献:1 安连生.应用光学M.北京:北京理工大学出版社,2000.2WangJY,Sliva DE.Wave2front interpretation with zernike polynomialsJ.Appl Optics,1980,19:1510-1518.3Zhu LZ,Bartsch DU,Freeman WR,et al.Modeling human eye aberra2tions and their compensation for high2resolution retinal imagingJ.Optom and Vis Sic,1998,75:827-839.4Applegate RA,Thibos LN,Hilmantel G.Optics of aberroscopy and su2per visionJ.J Cataract Ref Surg,2001,27:1093-1107.5 江扬子,王勤美.波前像差技术及其在屈光手术中的应用J.眼视光学杂志,2001,3:250-252.6Applegate RA,Johnson CA,Howland HC,et al.Monochromatic wave2front aberrations following radial keratotomyJ.Noninv Assess Vissystem Tech Digest(OSA),1989,7:98-102.7Hemenger RP,T omlinson A,Caroline PJ.Role of spherical aberrationin contrast sensitivity loss with radial keratotomyJ.Invest Ophthal2mol Vis 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SocAm,1998,15:2449-2456.(编辑:徐晓泉,郑俊海)(上接第53页)其中16名入学时已获得医学博士,4名已获得科研博士学位。第一位通过POD项目获得OD学位的中国人是王光霁博士,他还在美国视光医师执业考试中考取全美最高分。在完成学业之后,王光霁博士作为重要成员,参与发起了以温州医学院和新英格兰视光学院为代表的中美视光学交流与合作。其他众多自该项目毕业的中国学生在各自的视光学临床中都取得了卓有成效的业绩,其中不乏在视光学院担任临床指导老师者。需要向大家提醒的是,本院对申请参加POD项目的学员的要求很严格。虽然许多参加该项目的中国学生在临床技能和对待学习的艰辛方面已经有很好的准备,但是还必须很好地掌握英语。申请者必须通过托福(TOEFL)和英语口语考试(TSE),作为英语书写和口头交流能力达标的证明。最后必须说明的是,正如美国许多著名的高等院校,新英格兰视光学院也是一所私立学校。在美国,私立学校不能够从政府获得教育项目的财政支持,因此学费比较昂贵。在新英格兰视光学院,完成全部27个月的POD项目的学费现在是64,000美元。但外国学生可以申请部分贷款。新英格兰视光学院的最终目标是为全世界的人们提供良好的视光学保健和医疗服务。新英格兰视光学院欢迎海外有志者加入到这个项目中,尤其重视来自中国的学生,因为新生力量的注入会为视光学带来更多的知识和体验。在视光学研究和其他学术领域已经颇具建树的优秀人才则在特别受瞩目、受欢迎之列。不过本项目极具挑战性,而且收费昂贵,在决定正式进入之前,大家必须三思而行。如想了解更多的有关信息,请参阅有关文章:Chauncey,D.M.(1998)The accelerated doctor of optometry program:out2comes assessment,Journal of Optometric Education,23,108-113。还可以直接跟王光霁医生联系(电话:[phone],电子信箱:wangg ne-optometry.edu)。要了解申请详情,可与Audrey Burgess联系(电话:[phone]或burges2sa neoptometry.edu)。(陈浩译)深圳市科以康电子仪器设备有限公司简介本公司是一家专业经营ZEISS、LEICA、SHIN NIPPON、TOMEY、SONOMED、MEDMONT、SURGICON、LIGHTMED眼科设备及FRASTEMA、INDO视光设备、E&E角膜接触镜、奥斯美人工晶状体的公司。作为国内主要的眼科、视光设备大型供应商之一,与国外眼科设备知名品牌公司形成紧密合作,引进技术领先、质量一流、价格性能比最优的产品,并提供专业培训、专业服务。本公司具有专业素质人才及诚实、敬业的公司风格;以科学为基础,以健康为根本是我们公司的宗旨。专业代理美国E&E角膜接触镜 专业代理美国奥斯美人工晶体 地址:深圳市南山区桂庙路鹏都大厦A座3102室 华南办事处:0755-6523852,13603004556 电话:[phone]郑州办事处:0371-3756306,13937116951 传真:[phone]上海办事处:021-64055657,13061612119E-mail:SZKandK杭州联络处:0571-87819335,13957191264http:/ 联系人:詹杰云深圳维修站:0755-6523874,1305813045206第4卷 眼视光学杂志第1期