眼的高阶像差与视觉质1doc眼的高阶像差与视觉质量.docx

1、眼的高阶像差与视觉质1doc眼的高阶像差与视觉质量眼的高阶像差与视觉质量XX市中西医结合医院X峰黄永健许曼 王旭辉 冯伟审校XX瑞金医院廉井财摘要：近年来，随着准分子激光屈光手术的广泛开展，许多手 术后的并发症如眩光、光晕及夜视力下降等问题开始涌现。而波阵 面像差的提出和研究为解决上述问题提供了新思路。本文就高阶像 差的研究进展及与视觉质量的关系等作一综述。关键词髙阶像差；眼；近视High-order aberration and visual qualityRecently, with the general development of eximer laser refractive su

2、rgery, many postoperative plications such as glare, halos and decreased visual acuity at night occurred The introduce and research of wavefront aberration provide new methods to resolve the above-mentioned problems Here we review the progression of high-order aberration research and its relationship

3、 with visual qualityKey words: high-order aberration； eye； myopia1波阵面像差的描述波阵面像差的概念源于天体物理学领域，天文学家们为了使望 远镜的像质尽善尽美，从而研究如何测量并校正来自星空的光线所 产生的高阶像差或波阵面形变1。人的眼睛是一种极其复杂但也存 在缺陷的光学系统，它同样存在像差。从实际测量的角度考虑，人 眼的波阵面像差即是在出瞳孔平面时眼的实际波阵面与理想波阵面 之间的偏差。波阵面像差多釆用Zernike多项式来描述。Zernike 多项式为一正交于单位圆上的序列函数，可以将波前像差分解成多 个阶像差，从而观察每一阶

4、像差大小oZernike多项式由三部分组成: 标准化系数，半径依赖性成分(n),方位角依赖性成分(m)o常用 的Zernike多项式为6阶27项，表示为Z；()。2阶以上的像差属于 髙阶像差，不能被传统的框架眼睛或接触镜所矫正。1阶：表示棱镜的倾斜Z(l)(-DZ(1)(1)L Z(l) (-1)为Y轴的倾 斜，Z(l) (1)为X轴的倾斜。2阶：表示散光和离焦Z(2) (-2)Z(2) (2), Z(2) (-2)表示45度方 向上的规则散光,Z(2) (0)表示离焦(近视和远视)，Z(2) (2)表示180 度方向上的规则散光。3阶：Z(3)(-3)Z(3)(3), Z(-3)、Z(3)

5、(3)表示三角散光(三 叶草)，Z(3)(-l)、Z分别表示Y轴和X轴方向上的三阶慧差。4阶：表示球差Z(4)一Z(4) (-4) , Z(4) (4)、Z(4) (-4)为四叶草, Z、Z(4) (-2)为二级散光,Z(4) (0)为四阶球差。5阶：Z(5)(-5)Z(5), Z(-1)、Z(5) (1)表示次级慧差。6阶：Z(6)(-6)Z(6), Z(6) (0)表示次级球差。2影响眼高阶像差的因素：2.1瞳孔大小：瞳孔大小与视网膜成像质量密切相关2-5 o 一般认 为，当瞳孔大小为2-3mm时视网膜成像质量最佳4。小于此X围则 光线通过瞳孔边缘所产生的衍射成为限制因素，大于此X围则球差

6、 和色像差随之增加。许多研究4-7已证实，在同阶像差内，各阶 像差随瞳孔直径增大而增大，以球差和慧差增速最大。其原因可能 是角膜和晶体前表面中央部较中周部凸，晶体核的屈光指数中央也 较中周高。当瞳孔直径小时，由于瞳孔的光栅作用，高阶像差处于 一个合理的低水平。瞳孔直径增大时，从瞳孔边缘进入的光线使髙 阶像差尤其是球差随之增大。Martinez等6报道，当瞳孔直径由 3. Omrn增至7. Omm时，球面像差增加了 7倍。2.2年龄：诸多研究表明，眼的波阵面像差随年龄的增加而增加 2-3,7-10,这种增加与其他研究所发现的对比敏感度随年龄增加 而下降相一致。Amano等8最近研究发现，在自然瞳

7、孔状态下，中 央直径6mmX围内眼睛慧差2及角膜慧差的RMS值都随年龄增加而 增加，且这两种慧差RMS值之间也呈正相关。研究同时发现，角膜 球差不随年龄变化2,8-9,而整个眼睛的球差随年龄增加而增加 8o Fujikado等11进一步研究发现，中央直径4imnX围内，眼睛 的慧差、球差及总高阶像差皆随年龄增加而增加，而角膜的慧差、 球差则不与年龄显著相关。Fujikado等11同时发现，50岁之后眼 睛的总高阶像差显著增加，究其原因可能是老视后晶体变化所导致。 Wang等3研究发现，在瞳孔6. Omni时，眼睛的高阶像差、球差和慧 差皆随年龄增加而轻度增加，但确定系数r2=0. 1,说明年龄

8、增长在 眼睛像差的变异中所占的因素不足10%。2.3屈光度数:Paquin等12报道，在5. 0和7. Omni瞳孔大小时， 像差及RMS值随屈光度而呈准线性增加，球差随瞳孔增大而增加， 慧差的增加更多见于高度近视。Marcos等13也报道，LASIK术后 患者总像差及角膜像差平均增加程度在术前髙度近视患者更为明 显。He等14研究发现，在瞳孔自然状态下（暗室，故直径大于6. Omm）,近视人群（包括儿童和成年人）相对于正视人群具有较大 的波阵面像差RMS值，其中2阶像差相差最大，P0. 0001 o在正视 成年人、正视儿童、近视成年人和近视儿童四组人群中，正视成年 人的高阶像差RMS均值最小

9、oBuzzonetti等15发现LASIK及LASEK 都能使角膜的总和髙阶像差发生变化，两种术式其球差的变化都依 赖于矫正程度。在低至中度矫正时，LASEK术后球差的增加较LAS1K 大。胡建荣等16报道，散光度数在任何瞳孔大小下都不影响球差 和次级球差，只对慧差或次级慧差有影响。2.4眼的调节：Cheng17等对大规模年轻成年人调查发现，像差随 着眼的调节而变化，但其变化幅度即使在高度调节（6D）时也仍小于 眼的固有像差。在所有像差中球差随调节变化最大并总是趋向负值， 慧差和散光也随调节变化但无规则。Ninomiya等18发现调节为3D 时，4mm（day vision）和6mm（nigh

10、t vision）两种瞳孔大小状态下的 眼总髙阶像差变化皆不显著。而球差则在调节后发生近视漂移，即 在两种瞳孔大小状态下都趋向负值，这种变化具有显著意义。2.5眼部手术：Martinez等6报道,PRK术后当瞳孔直径由3. 0mm 增至7. 0mm时，球面像差增加了 300倍，而术前只增加7倍。在4min 瞳孔大小下，Tanabe等19研究发现，PRK术后眼总高阶像差、3 阶和4阶像差均显著增加o Marcos等13报道,LASIK术后患者总 像差平均增加1.92倍，角膜像差平均增加3.72倍，且这种增加在 术前高度近视患者更为明显。Mohrenfels21对传统LASER术后的 患者实施波阵

11、面像差引导下的LASEK术，结果获得髙阶像差的显著 降低和更好的对比视力，大多数的Zernike系数特别是散光、球差 和慧差的系数明显增大。Pallikaris等20研究有晶体眼屈光性晶 体(Pakic refractive lens PRL)植入术后1年眼髙阶像差的变化， 结果发现在3mm和5mm瞳孔大小时眼总髙阶像差均有增加，但无显 著性意义；而在5nun瞳孔大小时，球面像差(Z4-0)显著降低，这 对暗视力(mesopic vision)有益。同时发现与视网膜成像质量有关 的调制传递函数(modulation transfer function MTF)也下降。Montes-Mico 等

12、22报道,AK(Astigmatic keratotomy)可导致角膜 髙阶像差增加，然而AK后再实施LASIK可增加球差但减少慧差。Buzzonetti等15对LASIK及LASEK术后3个月的病人进行研究发 现，在7. 0mm瞳孔大小时，两种术式后的角膜总像差增加相似；但 在3. 0mm瞳孔大小时，两者术式后的角膜总像差皆无显著变化，而 球差在LASEK术后增大。Holladay等23报道，前表面扁平型人工 晶体可以部分抵消角膜所产生的球差，从而改善眼的光学质量。Mester等24研究发现，植入非球面人工晶体可以得到比传统球面 人工晶体更好的对比敏感度。2.6眼别:Wang等2-3,25研

13、究发现,眼睛和角膜前表面的总高阶 像差、球差及慧差在左右眼之间都具有轻至中度镜面对称。在22项 髙阶像差zernike多项式中，角膜前表面的有9项(41%)、整个眼 睛有13项(59%)在左右眼之间具有显著相关性，其中4阶球差左 右眼相关性最高，其次为三阶垂直慧差和6阶球差。眼睛髙阶像差 中，3阶像差4项中有3项、4阶像差5项中有4项在左右眼之间显 著相关。2. 7泪膜：泪膜的破坏或不规则也可使髙阶像差增加。Montes-Mico 等26发现干眼症患者较正常人其眼总像差、慧差、球差均显著增 加，这种增加是由泪膜的不规则所导致。2.8屈光间质的清晰度：Sachdev等27发现，不同类型的白内障可

14、 以导致不同的波阵面像差。皮质的混浊可导致慧差增加，核的混浊 则导致球差增加，两种混浊均可导致四叶草增加。2.9角膜矫形镜：毛欣杰28等报道，配戴角膜矫形镜90天后单色 光波阵面像差zernike函数值的均方根RMS值由0. 576604771um 增至1.37310. 8039um,两者比较差异有显著意义，与各阶像差相 关的zernike函数值的均方根RMS值均增加。这可能是引起视觉质 量降低的主要原因之一。2. 10其他因素：最新研究发现29,高阶像差可能还与脉搏及心率 有关。有人报道，角膜透明边缘变性的病人其角膜慧差逐渐增加而 球差几乎保持不变。3高阶像差与视觉质量自波阵面像差传感技术用

15、于视觉研究以来，关于人眼像差的测 量及矫正研究如雨后春笋。通过对大规模正常人群的波阵面像差测 量,Porter等30-32发现一定量的波阵面像差会降低人类的视觉质 量oGuirao5和Yoon33等对髙阶像差被完全矫正情况下的理论视 觉改善进行计算，发现矫正高阶像差后即使在正常人群也会改善视 觉质量，而当人群为异常角膜如圆锥角膜或角膜移植术后，这种改 善则更为显著。为抵消髙阶像差的影响，一系列光学和临床方法如自适应光学 系统、相位板(phase plate).个体化接触镜及个性化屈光手术被提 出并证实有效oLiang第一次应用自适应光学系统在单色光下通过矫 正高阶像差来提高视力。Yoon 33

16、等则在白光下证实了应用自适应 光学系统能够改善对比敏感度和视力。3.1高阶像差与对比敏感度Yamane等34研究发现，传统LASIK术可以显著增加总髙阶像 差、慧差和球差，同时显著降低对比敏感度对数函数下面积(AULCSF) 及低对比度视力，且两种降低分别与三种像差的增加显著相关。同 时发现，近视矫正程度越大，对比敏感度和眼髙阶像差的变化也越 大。Yoon等35发现，用相位板有效矫正正常人眼的髙阶像差后其 视网膜成像质量和视力提高，尤其在低对比度情况下。在6mm瞳孔 大小下，波阵面像差的RMS值由0. 390. 09降至0. 150. 02o高对 比度字母视力表平均增加了 0.23行，低对比度

17、字母视力表平均增加 了 1.12行。在空间频率为60cyc/deg时矫正各种像差后，视网膜成 像质量较仅矫正球柱性屈光不正提高了约1. 8倍。Guirao等5报 道，在空间频率为16cyc/deg下矫正髙阶单色像差后，4. 4nun瞳孔大 小下所能获得最大视觉改善约1. 7倍，5. 7mm瞳孔大小下为2. 5倍。 Tanabe等19最近研究发现，当PRK术后发生轻至中度角膜上皮下 混浊时，低对比视力与角膜上皮下混浊程度无相关性，却随着总髙 阶像差、3阶和4阶像差的增加而逐渐下降。由此可见，高阶像差的增加可能是影响屈光手术后视觉功能尤 其是低对比度视力的主要因素。屈光矫正的程度越大，高阶像差的

18、增加及对比敏感度的降低也越显著，而且这两种变化显著相关。3.2高阶像差与视觉症状Chalita等36对LASIK术后的患者进行研究发现，在暗视瞳孔 直径(Scotopic pupil size)下，眩光与球差及总像差具有显著相 关性，色圈(halos)和球差具有相关趋势，但在5.0和7. 0mm瞳孔时 却不具有这些关系。星暴(Starburst)在暗视瞳孔直径下与球差和总 像差显著相关，在7. 0mm瞳孔时与总慧差呈负相关。复视和任何瞳 孔大小下的水平慧差之间都为正相关，与5. 0和7. 0mm瞳孔下的总慧 差为正相关，与垂直慧差则不存相关。这说明人类对水平定向的多 焦具有更强的敏感性，对指导

19、波阵面像差引导下的角膜切削具有重 要意义。3.3高阶像差与视觉功效Applegate等37报道，各种波阵面像差并非对视觉功效产生 等效影响。在髙和低对比logMAR ( the log minimum angle of resolution）视力情况下，对于等量的RMS值，各个Zernike多项 式系数会导致不等量的视功能丧失。波阵面像差越接近瞳孔中心则 其对视觉功效的影响也越大。也就是说，低水平方位角频率较髙水 平方位角频率更易影响视觉功效。从Zernike多项式来看，即 Zernike金字塔中心的像差模式较金字塔边缘的像差模式更易影响 视觉功效，既使它们具有相同的RMS值。比如，离焦相比散

20、光更易降 低视力，慧差相比三叶草更易降低视力，二级散光相比四叶草和球 差更易降低视力。4展望：总之，随着个性化激光切削的发展，理想的屈光手术应该可 以使患者能够识别所有距离、所有光照情况、高和低对比度下的不 同大小物体，或仅受单一波长下衍射及可见光谱下色像差的影响。 如今的屈光手术仅能矫正单色像差，尚不能矫正不同波长下的色像 差。因此，在行激光切削时，眼睛的瞳孔大小、调节状况、屈光度、 年龄和泪膜等因素，激光切削的精确度、术后愈合反应、角膜的生 物化学变化等都会影响术后髙阶像差的变化。而在波阵面引导的激 光切削时，对髙阶像差的有效定量准确描述，对各种不同髙阶像差 模式的切削种类、量及相互影响等

21、尚待进一步研究阐明。参考文献lLiang J, Grimm B, Goelz S, Bille JF. Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of aHartmann-Shack wave-front sensor. J Opt Soc Am A 1994；11：1949 - 1957.2Wang LtDai E, Douglas DK,Nathoo A, Optical aberrations of the human anterior corneaJ Cataract Refract

22、Surg 2003； 29：1514 - 1521.3Wang L,Douglas DK,Ocular higher-order aberrations in individuals screened for refractive surgery , J Cataract Refract Surg 2003； 29：1896 - 1903.4Doane, John F , An Introduction to Wavefront-Guided Refractive Surgery 2003,43(2):101-1175Guirao A, Porter J, Williams DR, Cox I

23、G, Calculated impact of higher-order monochromatic aberrations on retinal image quality in a population of human eyes. J Opt Soc Am A2002；19：l-9.6Martinez CE, Raymond A, Applegate OD, Effect of papillary dilation on corneal optical aberrations after photorefrective keratectomy. Arch Ophthalmol 1998(

24、116):1053-1062.7Buzzonetti L, Iarossi G, Valente P, Volpi M, Petrocelli G, Scullica L. parison of wavefront aberration changes in the anterior corneal surface after laser-assisted subepithelial keratectomy and laser in situ keratomileusis： preliminary study.J Cataract Refract Surg. 2004 Sep；30(9):19

25、29-33.8Amano StAmano YtYAMAGAMI S,et al. Age-related Changes in Corneal and OcularHigher-order Wavefront Aberrations Am J Oph-thalmol2004;137:988 -992.9()shika T, Klyce SD, Applegate RA, How la nd HC. Cha nges in corneal wavefront aberrations with aging In-vest Ophthalmol Vis Sci 1999； 40:1351 - 135

26、5.10Guirao A, Redondo M, Artal P Optical aberrations of the human cornea as a function of age J Opt Soc Am AOpt Image Sci Vis 2000； 17：1697 - 1702.11Fujikado T, Kuroda T, Ninomiya S,et al, Age-related Changes in Ocular and Corneal Aberrations. Am J Ophthalmol 2004；138：143 - 146.12Paquin MP, Hamam H,

27、 Simonet P.Objective measurement of optical aberrations in myopic eyes Optoin Vis Sci. 2002 May； 79 (5)： 285-91.13Marcos S, Barbero S, Llorente L, Merayo-Lloves J. ()ptical response to LASIK surgery for myopia from total and corneal aberration measurements Invest Ophthalmol Vis Sci 2001 Dec；42(13)：3

28、349-56.14He J, Sun P, Held R, et al, Wavefront aberrations in eyes of emmetropic and moderately myopic school children and young adults. Vision Research 42 (2002) 1063 - 1070.15Buzzonetti L, Iarossi G, Valente P, Volpi M, Petrocelli G, Scullica L pari so n of wavefr ont aberrati on changes in the an

29、terior corneal surface after laser-assisted subepithelial keratectomy and laser in situ keratomileusis： preliminary study. J Cataract Refract Surg. 2004 Sep；30(9):1929-33.16胡建荣，严宗辉，X春风，黄丽那，近视散光患者眼球髙阶像 差的研究，中华眼科杂志2004(40):13-16.17Cheng H, Barnett JK, Vilupuru AS, Marsack JD, Kasthurirangan S, Applega

30、te RA, Roorda A.A population study on changes in wave aberrations with acmodation. J Vis. 2004 Apr 16；4(4):272-80.18Ninomiya S, Fujikado T, Kuroda T, et al, Changes of Ocular Aberrtion WithAcmodation. Am J Ophthalmol 2002；134：924-926.19Tanabe T, Miyata K, Samejima T, Influenee of Wavefront Aberratio

31、n and Corneal Subepithelial Haze on Low-contrast Visual Acuity After Photorefractive Keratectomy Am J Ophthalmol 2004；138：620 - 624.20Pallikaris I,Kalyvianaki M,et al, Phakic refractive lens implantation in high myopic patients： One-year resultsJ Cataract Refract Surg 2004； 30：1190 - 1197.21Mohrenfe

32、ls W,Huber A,Gabler B,et al, Wavefront-guidedlaser epithelial keratomileusis with the wavelight concept system 500. Refract Surg. 2004 Sep-Oct；20(5):S565-9.22Montes-Mico R, Munoz G, Albarran-Diego Ct Rodriguez-Galietero A, Alio JL. Corneal aberrations after astigmatic keratotomy bined with laser in situ keratomileusis J Cataract Refract Surg 2004 Jul；30(7)：1418-24.23