iTrace视功能分析仪测量青少年近视眼高阶像差的临床应用

iTrace视功能分析仪测量青少年近视眼高阶像差的研究研究生曲珺玥导师王利华教授刖言近年来，多种波前像差仪应用于临床8,9,主要有基于Hartmann-Shacki0,ii,Tscherning12,13，光路追迹(ray tracing)14等设计理论。如iTrace视功能分析仪就 是采用了光路追迹原理，不受固定光栅的限制，可适用于各种类型和大小的瞳孔， 即可在调节状态下进行波前像差的测量15。此外，iTrace还可测量双眼同时注视 时开放视野下的波前像差，从而将融合功能、调节与集合等考虑在内，使测量结 果与生理状态更加接近。像差(aberration)是指某一光学系统与理想光学系统的光学偏差7，主要包 括色像差(chromatic aberration)和单色像差(monochromatic aberration)。色像差指由于屈光间质对不同波长的可见光折射率不同，而使其形成了各自不同的聚 焦平面；单色像差，即单色光成像，是由于屈光系统几何变形产生的光学缺陷7,8， 也是大多数研究关注的焦点。波前(wavefront)垂直于光线，在理想的光学系统中，自点光源发出的光波 就以球面波前的形式传播经折射又以球面波前的形式聚合于一点9。而事实上， 由于像差的存在，波前发生变形，其与理想波前的差异即为波前像差(wavefrontaberration)7,9，这是用波前的形式来描述像差，也是普遍用于判断人眼成像质量的指标材料和方法1研究对象为山东省卫生学校学生210例(420眼)，年龄1624岁，平均(19.91.34) 岁，其中男36人(72只眼)，女174例(348只眼)，。显然验光等效球镜(spherical equivalent, SE，等效球镜屈光度=球镜屈光度+柱镜屈光度/2)范围是0一10.13D， 平均一3.982.50D。对柱镜2.00D、矫正视力N1.0、无角膜接触镜佩戴史及眼 部手术史、眼部无器质性病变者进一步行波前像差检查。2主要设备仪器iTrace视功能分析仪其2.0操作系统美国TRACEY公司（含EyeSys Vista手持式角膜地形图仪美国EyeSys Visoin公司）3检查方法波前像差检测在暗室中进行，在受试者瞳孔自然散大的情况下，由同一检查 者应用iTrace视功能分析仪分别测量其双眼的角膜地形图及波前像差。受试者取 坐位，下颌置于仪器的下颌托上，受检眼注视仪器内的红色视标,检查者用操纵 杆进行对焦后完成检测。仪器自动对入射激光点缺失多于10点、且前128点与 后128点的球镜或柱镜差值大于0.1D、散光轴向差值大于10度者进行提示，本 研究不予入选EyeSys Vista角膜地形图仪测得的角膜地形图经iTrace软件分析计算后得出 角膜像差。眼内像差可直接由全眼像差与角膜像差相减获得18：眼内像差（WAinternal）=全眼像差（WAeye）一角膜像差（WAcornea） 结果PD6mm的104右眼近视性屈光不正的球镜平均为（-3.722.36）D，柱镜平 均为（-0.77 0.62）D，等效球镜平均为（-4.10 土 2.44）D。1全眼波前像差的分布PD=6mm时，104例（104眼）的全眼高阶像差（HOA） Zernike多项式 系数值从3阶至6阶逐渐减小，但4阶球差（Z40）例外，为22项系数中最大 （0.1230.128um）。共有9项系数与0值相比有显著差异（0.002）。2角膜高阶像差的分布从角膜高阶像差的Zernike多项式系数值可以看出，3阶各项的绝对值、范 围及标准差最大，从3阶至6阶大致呈递减趋势（4阶球差Z40除外）。3高阶像差与屈光度在6mm瞳孔直径下，104例（104眼）显然验光的等效球镜与全眼HOAs的 RMS 值（r=-0.537, p0.01）、3 阶 RMS 值（r=-0.475, p0.01）、4 阶 RMS 值(尸=-0.285/0.01)、5 阶 RMS 值(尸=-0.607/0.01)、6 阶 RMS 值(r=-0.424, 0.01)、彗差 RMS 值(r=-0.278/0.01)均显著相关。而 Z40 (r=-0.098,=0.32) 和球差RMS值(r=-0.035/=0.72)不随等效球镜变化。22项Zernike系数中的6 项与等效球镜有相关性。两两比较低中高度近视组可见HOAs、5阶、6阶的RMS值均随近视屈光 度的增加而增加(0.05)。4阶RMS值仅在高、中度近视间有统计学差异 (0.05)。与其相反，3阶和彗差RMS值在中、低度近视组及高、低度近视 组相比较时均表现为增加(0.05)。球差和彗差与其他类型的像差相比，RMS值较大，统计其作为最大像差在 不同程度近视中的出现频率(图3)，球差在低、中、高度近视组中分别占80.0%， 80.6%和 78.3%，彗差则为 11.1%，8.3%和 13.0%。不同程度近视分组图3在不同程度近视中角膜球差(SA)和彗差(COMA)作为最大像差的出现频率(%)4高阶像差与瞳孔直径总HOA的RMS值在4mm和6mm瞳孔下均随近视屈光度的增加而增大， 两者近似线性相关，Pearson相关系数分别为0.54和0.59 (0.01)。瞳孔增大 时，波前像差(RMS)随近视屈光度增加的趋势更为明显，在4mm和6mm瞳 孔下增长的斜率分别为0.21和0.07，两者有显著差异(p0.01)。随着瞳孔直径 的增加，105眼中有93眼总HOAs的RSM值增加了 1倍，约占89%，且范围从 0.03至0.43 U m变为0.12至1.03 U m6mm瞳孔时总HOA的RMS值至少是4mm 时的130%。在研究各种像差类型的重要性时，Paquin等5提出将RMS值最大的像差称 为主导”(dominating)像差，而将RMS值最大的3种像差称为主要”(major) 像差。分析球差、彗差与瞳孔和屈光度的关系可看出，彗差成为主要像差的频率 随着屈光度的增加而略微增加(图5)。PD=4mm时，彗差在低、中、高度近视 组成为主要像差的频率百分比分别为91%、94%、95%。当瞳孔扩大至6mm，彗 差所占的比例变化不明显，在各屈光组分别为93%、97%、90%。相反，球差的 频率百分比随着瞳孔直径的增加而明显增加，由PD=4mm时的59%、33%、42%， 增加至PD=6mm时的83%、55%、48%。而当近视屈光度增加时，在两种瞳孔 直径下球差的百分比均减小。b)PD=6mm图5在不同屈光度不同PD下SA与Coma作为主要像差的频率在104眼中，大部分的主导像差即RMS值最大的像差是球差或彗差，其他 的像差如三叶草像差、高阶散光等在4mm瞳孔下作为主导像差的频率百分比仅 为35.2%。（图6）这些“不规则像差” 5的百分比随瞳孔直径的增加而减少至 25.7%（PD=6mm）。与之相伴的是球差百分比的增加，由4mm瞳孔下的13.3%， 增至6mm瞳孔下的21.9%。二者在瞳孔扩大时一增一减，此消彼长。Coma是最 重要的像差，其作为主导像差出现的频率大于50%，且不随瞳孔直径变化。图6各类像差在瞳孔直径为4mm（a）和6mm（b）时作为主导像差的频率5高阶像差在双眼间的相关性104例受试者中，双眼瞳孔直径均大于6mm者82例。分析此82例受试者6mm 瞳孔直径下双眼的高阶像差。全眼总HOAs RMS值和彗差RMS值在左右眼间中 度相关（相关系数分别为r=0.569和r=0. 418, 0.01）,而球差RMS值则在左右眼 高度相关（仁0.672/0.01）。6全眼像差与角膜像差之间的关系104只受试眼的补偿因数个体差异（范围）较大。在22项Zernike系数中， Z40的补偿因数平均值（0.60.5, 95%可信区间=0.50.6）与0值相比有显著差异，且 在91.3%受试眼中Z40的补偿因数为正值。说明绝大多数人的眼内与角膜前表面 的4阶球差互补。总 HOAs的补偿因数为负值：-0.10.5（95%可信区间= -0.2-0.0），但与0值相比无显著差异。90.3%受试眼的球差补偿因数为正值，其 平均值为0.50.4（95%可信区间=0.40.5），而66.3%的彗差的补偿因数为负值， 平均值为-1.02.3（95%可信区间=-1.5-0.6），2者的平均值与0值比较均有显著 差异。这说明与球差的互补相反，大部分受试眼的角膜彗差与眼内彗差相叠加。讨论1 iTrace视功能分析仪波前像差仪大致分为主观性和客观性两种类型9,20 。主观法通常耗时较长。其缺点是需要移动受检者和需要受检者配合。客观性检查法需要用成像系统分析 从视网膜上反射回的信息。然而反射回的信息是从视网膜脉络膜多层次而来，因 此参照焦点平面定义的并不像主观法那样准确。主观性检测法主要有空间解像屈 光测量法，而Tscherning检测法12,13，应用最广泛的Hartmann-Shack检测法10,11, 和iTrace视功能分析仪采用的光路追迹（ray tracing）检测法14都是客观性检测 法。有一定数量的研究表明，各种像差仪的具体设计原理和使用方法不尽相同， 但其测量结果具有一致性7,9iTrace视功能分析仪可同时进行屈光度及波前像差两部分测量。在20束激 光入射得出等效球镜之后，固视标移至被测眼的远点（等效球镜+1/2柱镜），可 测量等效球差范围为-15+15D的屈光不正。iTrace应用光路追迹（Ray Tracing） 原理，发出平行于视轴的细小的激光束，经瞳孔到达视网膜成像，再由位置探测 器通过接受返回的光线分析出光斑在视网膜的位置（图11）。图11 基于光学追迹原理的波前像差仪示意图当第一个光斑的位置确定后，激光束移动至下一个位置，重复上述过程，共 记录256个点。连续发出的激光束在视网膜上形成点阵图（图12）。对于正视眼， 256个点应全部位于黄斑中心。反之，若激光束入射时角膜和晶体存在局部像差， 则造成视网膜上相应光斑的位置偏移。iTrace发出的激光束全部经瞳孔入射，因 此在2-8mm瞳孔直径时，256个点都可以被记录。Light rays projected through th。 entrance pupil form a pattern on the macula and sophisticated iTrace software analyzes the pattern to determine visual function.The iTraces ray tracing technology projects a series of thin beams into the eye to measure forward aberrations *Jyst as the patient sees.图12 iTrace视功能分析仪发出激光束在视网膜上形成点阵图2全眼高阶像差的分布人眼并非理想光学系统，其波前像差主要由以下几种原因造成7：角膜与 晶体的表面像差，以角膜为主；角膜与晶体、玻璃体不同轴向所造成的偏差； 角膜、晶状体及玻璃体介质的折射率偏差；各种光通过人眼的折射率不同， 不可避免地产生色差。理论上说，在矫正球柱镜的基础上对高阶像差进行矫正可 以增加视网膜成像的分辨率和对比度，从而使患者提高视敏度和对比敏感度21 高阶像差通常远小于低阶像差。对于正常眼，高阶像差的平均RMS值可产生相 当于0.25D的离焦223角膜高阶像差的分布分析104例青少年近视的角膜高阶像差结果表明，36阶的22个Zernike多 项式系数中有 10 项（Z-3、Zj、Z-4、Z-2、Z0、Z2、Z -3、7 0. Z4、Z 6） 3344445666与0值相比有显著差异，而Wang L等31 的研究中仅有6项（Z3-3、Z3-1、Z4。、 Z44、Z5-1、Z64）。这种差别可能是由于Wang L等的受试者平均年龄较大（50 + 17岁），屈光度范围（-3.00+3.00D）与本研究不同，且对受试者双眼均进行分 析。根据Wang等的研究，左右眼角膜之间存在着中至高度的镜像对称，系数 ZJ、 Z-4、Z4-2、ZJ、农、Z、Z6、Z-4、Z-2 在两眼间呈负相关， 3344555666即关于y轴对称而正负相反。4高阶像差与屈光度本研究亦对角膜波前像差与近视屈光度的关系进行了分析，表明近视屈光度 大小与总高阶像差、各阶像差、球差及彗差均无相关性Llorente等35通过对比 近视和远视眼之间的波前像差认为，近视眼角膜的3阶像差及球差均显著小于远 视眼。Applegate等37认为，各种波前像差对视觉成像的影响有不同，对于等量 的RMS值，其内含的Zernike多项式系数不同会导致不等量的视功能丧失。因 此，高阶像差的RMS值并不能很好的反映视觉质量。本研究逐项分析36阶 Zernike多项式系数结果表明：角膜水平彗差（Z31）与等效球镜显著负相关。5高阶像差与瞳孔直径球差与彗差是最重要的像差类型。球差是由于周边光线在视网膜上的离焦而 形成，构成球差的Zernike系数旋转对称，其表现为视轴旁的对称性模糊成像5 与之相反，彗差表现为不对称的模糊成像，构成彗差的Zernike系数也为非对称 性。若有彗差存在，则点光源在视网膜上的成像形似彗星。彗差通常由两个原因 造成：1.屈光成分不同轴。2.瞳孔偏心（即视轴未经过瞳孔的几何中心）。其中 后者多发生于扩瞳后38。Awwad ST等39认为，药物扩瞳可影响调节或改变瞳 孔中心（瞳孔偏心可达0.4mm），从而影响高阶像差。本研究结果表明，在大瞳 孔下（6mm），近22%的受检者最大像差为球差，比PD=4mm时增加了 10%。 彗差尽管在不同瞳孔下变化不大，但仍是大于1/2的受检者的最大像差。6高阶像差在双眼间的相关性中度至高度相关，4阶球差（Z40）的相关性最强，这与Wang L等40、Porter J等23和CastejoP-MochoP JF等24的结果相同，其次为3阶垂直彗差（Z3-1）； 6 阶球差（Z60）在双眼间中度相关。7全眼像差与角膜像差之间的关系本研究对全眼像差及角膜像差间的补偿因数进行分析，4阶球差（Z40）和球 差的补偿因数均为正值，即眼内的负值球差与角膜前表面的正球差互补，与Artal P等的、G. Smith等43的结果一致。He JC等41认为这可能与双眼的解剖发育因 素对像差的调控有关。在104例受试者中全眼高阶像差较小者，其角膜高阶像差 通常较大，而全眼高阶像差较大者，角膜HOAs则较小，因此He JC等41 认为 眼内因素对高阶像差的影响较大。总之，角膜前表面和眼内因素对全眼像差的影 响是一个复杂的过程，包括有补偿和叠加，且个体差异大。结论（1）青少年近视眼的全眼及角膜总高阶像差个体差异较大，当瞳孔直径（PD） 为6mm时，RMS值分别为0.4330.176 u m和0.413 0.134 u m, 3阶至6阶的各项Zernike系数大致呈递减趋势（4阶球差Z40除外），所有角膜的Z40 （4阶球差） 值均为正值，平均为0.272.086um。（2）全眼总高阶像差RMS值、36阶各阶RMS值和彗差RMS值均与近视程度 显著相关侦0.01），而球差和240值不随屈光度变化；角膜高阶像差各项参数与 屈光度不相关，仅Z31（水平彗差）与等效球镜近视屈光度值显著负相关侦0.01）。（3）与PD=4mm时相比，瞳孔直径增加至6mm时约89%的受试者总高阶像差 的RMS值增加了 1倍，且随近视屈光度增加的趋势更为明显，而球差的频率百 分比也随着瞳孔直径的增加明显增加，彗差则变化不明显。（4）左右眼间镜像对称，总高阶像差RMS值，球差RMS值和彗差RMS值呈中到 高度相关，相关系数分别为0.569,0.672和0.418侦0.01）。在22个Zernike系 数中有9个在左右眼间显著相关，其中Z40的相关性最强（尸=0.72/0.002）。