波前像差光路系統檢測IOL傾斜和偏心對光學成像質量的影響

李承霖，崔 紅，李正日，金 花，金海燕，汝新宇，鄧文慶，吳成哲，李英俊

0引言

隨著白內障手術技術的不斷提高，人工晶狀體(intraocular lens，IOL)設計和材料的日趨完善，越來越多的學者已將白內障手術納入屈光手術的范疇，這也是目前眼科學的研究熱點之一[1]。白內障手術不僅能解決白內障造成的視覺障礙，而且可通過置換功能性IOL達到最佳的視覺品質。目前可供選擇的IOL種類繁多，包括球面、非球面、多焦等多種設計理念的IOL，使個性化植入成為可能[2]。從理論上講，IOL植入術后可以獲得最佳視覺質量，但這些新興的IOL在眼內是否能真正實現其模擬生理晶狀體的功能而達到提高視覺質量的目的仍需深入研究。臨床觀察發現，術中植入的IOL在眼內會出現不同程度的傾斜和偏心[3]，可引起術后波前像差改變，視力下降，眩光、單眼復視等現象，故準確測量IOL的傾斜和偏心值，觀察術后光學成像質量的變化，對于評價手術方案及選擇植入功能性IOL的類型具有重要的指導意義。近年研究表明，在模型眼光路上對IOL的成像質量的測量結果相比于IOL在囊袋內的相關體內臨床數據更為客觀、準確[4]。本研究旨在通過實驗室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統，探討三種不同類型(球面、非球面單焦點、非球面多焦點)IOL在偏心和傾斜情況下對光學成像質量的影響，為完善白內障屈光手術及設計新一代功能性IOL提供相關的理論基礎。

1材料和方法

1.1材料本研究選用三種類型IOL進行實驗，即具有正球差的球面IOL Sensar AR40e(Abbott Medical Optics，Inc.)，具有-0.27μm球面像差的非球面單焦點IOL Tecnis ZA9003(Abbott Medical Optics，Inc.)，具有-0.27μm球面像差的非球面多焦點IOL Tecnis ZM900(Abbott Medical Optics，Inc.)。三種IOL屈光度數均為+22.0D。

1.2方法

1.2.1搭建實驗平臺實驗室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統，建立個性化光學人眼模型。在暗室環境中進行，室內溫度25℃，空氣濕度20%。高強度光纖耦合光源激光器發出單一波長氦氖激光，通過針孔形成點光源，通過透鏡后變成平面波，經偏振分光棱鏡(polarization beam splitter，PBS)分束后進入測試用IOL，反射回的光透過分束器PBS后，經過2個等焦距的?1/2英寸消色差膠合透鏡(SM05螺紋安裝，f=25mm，增透膜400～700nm)后進入Hartmann-Shack波前傳感器，可變孔徑光闌位于IOL前0.6mm處，其直徑調整為5.0mm(圖1)。

1.2.2檢測方法將待測IOL固定于X軸和Y軸線性調節的光學平移裝置的THORLABS LMR05/M固定架上，采用生理鹽水模擬房水和玻璃體液，承載于玻璃制成的水槽內，IOL前表面距玻璃水槽前表面8.0mm，分別使IOL偏中心0、0.2、0.4、0.6、0.8mm，向鼻側和顳側傾斜5°、10°、15°、20°、25°，采用ZEMAX(ZEMAX?Optical Design Program)光學設計軟件實現光線追跡的方法，將模型眼的結構參數和IOL各項參數輸入其中。選擇波長555nm，視場角0°，在5.0mm通光孔徑(模擬瞳孔直徑)下對待測IOL分別進行連續測試。

檢測過程中，激光器發出單一波長的氦氖激光，經光束提升器調整使激光處于合適高度和水平位置?？讖焦怅@位于IOL前0.6mm處，其直徑可調整，以模擬人眼瞳孔的變化。IOL固定于三維調節架上，調整前后、左右、上下、俯仰、旋轉位置，使IOL光學中心部位于光軸上，保證經IOL所成像的中心(光斑質心)與校準光屏上的校準點重合，且所成像的大小、形狀與IOL光學部完全一致(圖2)。調整位置后，使點光源經IOL折射后形成平行光，由Hartmann-Shack波前傳感器接收形成光斑點陣，CCD相機采集瞬時光斑點陣，將圖像信息輸入計算機進行數據處理，進而求解出Zernike系數，重構波前。本研究以高階像差、波前點陣模式光斑和調制傳遞函數(modulation transfer function，MTF)定量成像質量。

統計學分析：采用SPSS 21.0統計軟件進行數據分析。符合正態分布的計量資料采用均數±標準差表示，多組間比較采用單因素方差分析，當差異具有統計學意義時，使用LSD-t檢驗進行組間兩兩比較。相關性分析采用Pearson相關分析法。P<0.05時差異具有統計學意義。

2結果

2.1三種IOL在不同傾斜角度下MTF值的比較在5.0mm通光孔徑下，三種IOL傾斜0°～25°時，MTF值均隨著傾斜度數的增加而減小，其中傾斜5°、10°、15°、20°時三種IOL MTF值差異有統計學意義(均P<0.05)，而傾斜0°、25°時差異無統計學意義(P>0.05)，見表1。傾斜5°時，Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900(P=0.04)；傾斜10°時，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P=0.002)和Tecnis ZM900(P<0.001)；傾斜15°時，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P=0.005)和Tecnis ZM900(P=0.007)；傾斜20°時，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P<0.001)和Tecnis ZM900(P<0.001)，且Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900(P<0.001)，差異均有統計學意義(P<0.05)。

2.2不同模擬瞳孔直徑下IOL MTF值的變化Tecnis ZA9003傾斜5°、10°、15°、20°、25°時，模擬瞳孔直徑3.0mm時測得MTF值分別為0.59、0.35、0.25、0.19、0.13，模擬瞳孔直徑5.0mm時測得MTF值分別為0.45、0.27、0.21、0.15、0.08，見圖3。Pearson相關分析結果顯示，模擬瞳孔直徑5.0mm時，Tecnis ZA9003的傾斜度數與彗差呈顯著正相關(r=0.842，P<0.001)，與球面像差無顯著相關性(r=0.229，P=0.241)，見圖4。

2.3三種IOL在不同偏心程度下MTF值的比較在5.0mm通光孔徑下，向鼻側和顳側傾斜3°，偏心0～0.4mm時，三種IOL MTF值差異無統計學意義(均P>0.05)，但偏心0.6～0.8mm時，三種IOL MTF值差異有統計學意義(均P<0.001)，見表2。偏心0.6mm時，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900，且Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900；偏心0.8mm時，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900，差異均有統計學意義(P<0.001)。圖5所示為IOL光學測試系統測量的三種IOL 1951 USAF測試靶的成像質量，結果顯示，隨著偏心值的增加成像質量逐漸下降，Tecnis ZM900偏心大于0.4mm時成像質量明顯下降，而偏心值大于0.6mm時AR40e較Tecnis ZA9003成像質量清晰。

圖1Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統光路圖。

圖2后房型IOL的置入示意圖。 圖3不同瞳孔直徑下Tecnis ZA9003MTF值隨傾斜角度的變化趨勢。

IOL類型0°5°10°15°20°25°AR40e0.65±0.030.54±0.040.49±0.020.41±0.040.35±0.050.22±0.01Tecnis ZA90030.66±0.030.55±0.030.48±0.010.39±0.010.25±0.020.22±0.02Tecnis ZM9000.65±0.030.53±0.020.47±0.020.39±0.010.21±0.010.22±0.01 F1.5484.3838.5825.357153.1980.616P0.2190.016<0.0010.007<0.0010.543

IOL類型0mm0.2mm0.4mm0.6mm0.8mmAR40e0.64±0.040.52±0.040.53±0.020.45±0.020.29±0.01Tecnis ZA90030.65±0.030.53±0.030.53±0.020.39±0.020.24±0.01Tecnis ZM9000.64±0.030.53±0.020.52±0.010.32±0.010.24±0.01F1.0380.9961.939394.168201.759P0.3590.3740.150<0.001<0.001

3討論

目前市場上可供選擇的非球面IOL種類繁多，包括-0.27、-0.20、-0.18、0μm等多種設計理念的非球面IOL，使個性化植入成為可能[5]。從理論上講，植入非球面IOL后，角膜和IOL的像差可以得到相互補償，從而獲得最佳視覺質量[6]。臨床觀察發現，白內障術后IOL的穩定性可發生變化，如術后晶狀體囊袋收縮、手術因素、IOL的不對稱植入、后囊破裂等引起的IOL傾斜和偏心，均可對IOL的穩定性造成不可忽視的影響[7]。目前測量IOL偏心多采用Scheimpflug像法[8]和Purkinje像法[9]，但兩者的準確性和一致性較差。此外，臨床試驗中傾斜和偏心值是相對于視軸，由于kappa角等因素的存在，視軸并不一定是從瞳孔中心通過，結果與實際情況存在差異，因此如何客觀地評價不同類型IOL離體狀態下傾斜和偏心引起的光學成像質量也是一個關鍵問題。

從物理光學的角度出發，實際波前與理想波前的差異即為波前像差(wavefront aberration)[10]，其已成為研究人眼視網膜成像質量診斷和評價的有效手段。波前像差信息的輸出有多種方式，如視網膜點擴展函數(point spread function，PSF)、相位傳遞函數(phase transfer function，PTF)、波前像差圖、MTF和Zernike多項式等，其中后兩者最為常用[11-12]。MTF值描述的是MTF曲線在空間頻率到達該頻率值時，就會到達分辨率極限，是評價光學成像質量的客觀指標，不受主觀因素(對比敏感度)的干擾。MTF值越大，成像質量越清晰，視網膜成像質量越好，能夠客觀地反映IOL眼整個屈光系統的光學成像質量[13]。PSF反映一個光點投射到視網膜上后發生的光強度和位置的偏差，是通過形成的光斑面積大小和光斑光強度對成像質量進行評估[14]。本研究采用MTF值客觀評價光學成像質量，發現MTF值隨著傾斜度數的增加而減小，傾斜5°以內，Tecnis ZA9003的MTF值高于AR40e，但是傾斜10°、15°、20°時Tecnis ZA9003的MTF值明顯低于AR40e。偏心0～0.4mm時三種IOL的MTF值無統計學差異，而偏心0.6～0.8mm時三種IOL的MTF值有顯著差異。IOL光學測試系統測量的1951 USAF測試靶的成像質量結果顯示，隨著偏心值增加成像質量逐漸下降，Tecnis ZM900偏心大于0.4mm時成像質量明顯下降，而偏心大于0.6mm時AR40e較Tecnis ZA9003成像質量清晰。Holladay等[15]研究表明，非球面IOL的傾斜度需小于7°，而偏心量小于0.4mm狀態下可獲得比傳統球面IOL更好的視覺質量。Piers等[16]采用接近生理的人眼模型研究發現，傾斜和偏心值分別為10°和0.8mm，Tecnis ZA9003非球面IOL的視覺質量低于球面IOL。而本研究結果顯示，傾斜度需小于5°，而偏心量應小于0.4mm時非球面IOL才能獲得比球面IOL更好的光學成像質量。

圖4Tecnis ZA9003IOL傾斜度數與高階像差的相關性A：傾斜度與彗差的相關性；B：傾斜度與球面像差的相關性。

圖5三種IOL在不同偏心程度下的成像質量。

Oshika等[17]研究表明，IOL傾斜程度與彗差呈正相關。Atchison[18]也指出，非球面IOL發生傾斜或偏心，人眼彗差和散光會增大，導致視覺質量下降。本研究結果顯示，Tecnis ZA9003 IOL的傾斜角與彗差之間呈顯著正相關，與球面像差無顯著相關性，與上述研究結果基本一致。Tecnis ZA9003具有-0.27μm負球差，傾斜后更容易影響視覺質量，可能原因是負球差IOL傾斜和偏心可引入新的像差導致眼內總高階像差增加。本研究選擇的三種IOL全長、折射率和材料等較為相近。AR40e是球面IOL，而Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900是負球差-0.27μm非球面單焦點和衍射型多焦點IOL，可排除傾斜和偏心以外的相關因素。有研究利用光學人眼模型眼研究IOL傾斜與偏心對高階像差的影響，實驗表明瞳孔大小為最大的影響因素(54.9%)，其次為IOL偏心(22.7%)、模型眼自身因素(16.6%)、IOL傾斜角度(5.7%)[3]。Pieh等[19]體外研究表明，當瞳孔直徑較小時(3.0mm)，IOL傾斜和偏心對視覺質量影響不大。因此本研究設定5.0mm的人工瞳孔，發現三種IOL傾斜和偏心與光學成像質量各指標之間具有一定的相關性，非球面IOL一定范圍內的傾斜和偏心不會顯著降低光學成像質量。

綜上，本研究表明，具有-0.27μm球差的非球面IOL傾斜度小于5°，偏心小于0.4mm內會獲得比球面IOL更好的光學成像質量。Tecnis ZM900 IOL偏心大于0.4mm時較球面和非球面單焦點IOL的光學成像質量降低。本研究首次于實驗室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統離體測試和分析不同類型IOL偏心和傾斜對光學成像質量的影響，無需受試者主觀參與，實驗結果客觀，具有較高的重復性、穩定性和創新性。但本研究僅初步離體測試和分析不同類型IOL在傾斜和偏心下的光學成像質量，還有待進一步深入研究。在以后的研究中，我們考慮綜合手術、個體變異性、后房深度偏差、瞳孔等各種因素以及聯合主觀問卷調查、波前像差儀、對比敏感度等檢查結果，對各種IOL的成像質量和光學特性做出更加精確、客觀的研究和整合評價。