波前像差光路系统检测IOL倾斜和偏心对光学成像质量的影响

李承霖，崔 红，李正日，金 花，金海燕，汝新宇，邓文庆，吴成哲，李英俊

0引言

随着白内障手术技术的不断提高，人工晶状体(intraocular lens，IOL)设计和材料的日趋完善，越来越多的学者已将白内障手术纳入屈光手术的范畴，这也是目前眼科学的研究热点之一[1]。白内障手术不仅能解决白内障造成的视觉障碍，而且可通过置换功能性IOL达到最佳的视觉品质。目前可供选择的IOL种类繁多，包括球面、非球面、多焦等多种设计理念的IOL，使个性化植入成为可能[2]。从理论上讲，IOL植入术后可以获得最佳视觉质量，但这些新兴的IOL在眼内是否能真正实现其模拟生理晶状体的功能而达到提高视觉质量的目的仍需深入研究。临床观察发现，术中植入的IOL在眼内会出现不同程度的倾斜和偏心[3]，可引起术后波前像差改变，视力下降，眩光、单眼复视等现象，故准确测量IOL的倾斜和偏心值，观察术后光学成像质量的变化，对于评价手术方案及选择植入功能性IOL的类型具有重要的指导意义。近年研究表明，在模型眼光路上对IOL的成像质量的测量结果相比于IOL在囊袋内的相关体内临床数据更为客观、准确[4]。本研究旨在通过实验室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系统，探讨三种不同类型(球面、非球面单焦点、非球面多焦点)IOL在偏心和倾斜情况下对光学成像质量的影响，为完善白内障屈光手术及设计新一代功能性IOL提供相关的理论基础。

1材料和方法

1.1材料本研究选用三种类型IOL进行实验，即具有正球差的球面IOL Sensar AR40e(Abbott Medical Optics，Inc.)，具有-0.27μm球面像差的非球面单焦点IOL Tecnis ZA9003(Abbott Medical Optics，Inc.)，具有-0.27μm球面像差的非球面多焦点IOL Tecnis ZM900(Abbott Medical Optics，Inc.)。三种IOL屈光度数均为+22.0D。

1.2方法

1.2.1搭建实验平台实验室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系统，建立个性化光学人眼模型。在暗室环境中进行，室内温度25℃，空气湿度20%。高强度光纤耦合光源激光器发出单一波长氦氖激光，通过针孔形成点光源，通过透镜后变成平面波，经偏振分光棱镜(polarization beam splitter，PBS)分束后进入测试用IOL，反射回的光透过分束器PBS后，经过2个等焦距的Ø1/2英寸消色差胶合透镜(SM05螺纹安装，f=25mm，增透膜400～700nm)后进入Hartmann-Shack波前传感器，可变孔径光阑位于IOL前0.6mm处，其直径调整为5.0mm(图1)。

1.2.2检测方法将待测IOL固定于X轴和Y轴线性调节的光学平移装置的THORLABS LMR05/M固定架上，采用生理盐水模拟房水和玻璃体液，承载于玻璃制成的水槽内，IOL前表面距玻璃水槽前表面8.0mm，分别使IOL偏中心0、0.2、0.4、0.6、0.8mm，向鼻侧和颞侧倾斜5°、10°、15°、20°、25°，采用ZEMAX(ZEMAX®Optical Design Program)光学设计软件实现光线追迹的方法，将模型眼的结构参数和IOL各项参数输入其中。选择波长555nm，视场角0°，在5.0mm通光孔径(模拟瞳孔直径)下对待测IOL分别进行连续测试。

检测过程中，激光器发出单一波长的氦氖激光，经光束提升器调整使激光处于合适高度和水平位置。孔径光阑位于IOL前0.6mm处，其直径可调整，以模拟人眼瞳孔的变化。IOL固定于三维调节架上，调整前后、左右、上下、俯仰、旋转位置，使IOL光学中心部位于光轴上，保证经IOL所成像的中心(光斑质心)与校准光屏上的校准点重合，且所成像的大小、形状与IOL光学部完全一致(图2)。调整位置后，使点光源经IOL折射后形成平行光，由Hartmann-Shack波前传感器接收形成光斑点阵，CCD相机采集瞬时光斑点阵，将图像信息输入计算机进行数据处理，进而求解出Zernike系数，重构波前。本研究以高阶像差、波前点阵模式光斑和调制传递函数(modulation transfer function，MTF)定量成像质量。

统计学分析：采用SPSS 21.0统计软件进行数据分析。符合正态分布的计量资料采用均数±标准差表示，多组间比较采用单因素方差分析，当差异具有统计学意义时，使用LSD-t检验进行组间两两比较。相关性分析采用Pearson相关分析法。P<0.05时差异具有统计学意义。

2结果

2.1三种IOL在不同倾斜角度下MTF值的比较在5.0mm通光孔径下，三种IOL倾斜0°～25°时，MTF值均随着倾斜度数的增加而减小，其中倾斜5°、10°、15°、20°时三种IOL MTF值差异有统计学意义(均P<0.05)，而倾斜0°、25°时差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。倾斜5°时，Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900(P=0.04)；倾斜10°时，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P=0.002)和Tecnis ZM900(P<0.001)；倾斜15°时，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P=0.005)和Tecnis ZM900(P=0.007)；倾斜20°时，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)，差异均有统计学意义(P<0.05)。

2.2不同模拟瞳孔直径下IOL MTF值的变化Tecnis ZA9003倾斜5°、10°、15°、20°、25°时，模拟瞳孔直径3.0mm时测得MTF值分别为0.59、0.35、0.25、0.19、0.13，模拟瞳孔直径5.0mm时测得MTF值分别为0.45、0.27、0.21、0.15、0.08，见图3。Pearson相关分析结果显示，模拟瞳孔直径5.0mm时，Tecnis ZA9003的倾斜度数与彗差呈显著正相关(r=0.842，P<0.001)，与球面像差无显著相关性(r=0.229，P=0.241)，见图4。

2.3三种IOL在不同偏心程度下MTF值的比较在5.0mm通光孔径下，向鼻侧和颞侧倾斜3°，偏心0～0.4mm时，三种IOL MTF值差异无统计学意义(均P>0.05)，但偏心0.6～0.8mm时，三种IOL MTF值差异有统计学意义(均P<0.001)，见表2。偏心0.6mm时，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900，且Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900；偏心0.8mm时，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900，差异均有统计学意义(P<0.001)。图5所示为IOL光学测试系统测量的三种IOL 1951 USAF测试靶的成像质量，结果显示，随着偏心值的增加成像质量逐渐下降，Tecnis ZM900偏心大于0.4mm时成像质量明显下降，而偏心值大于0.6mm时AR40e较Tecnis ZA9003成像质量清晰。

图1Hartmann-Shack IOL波前像差光路系统光路图。

图2后房型IOL的置入示意图。 图3不同瞳孔直径下Tecnis ZA9003MTF值随倾斜角度的变化趋势。

IOL类型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类型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讨论

目前市场上可供选择的非球面IOL种类繁多，包括-0.27、-0.20、-0.18、0μm等多种设计理念的非球面IOL，使个性化植入成为可能[5]。从理论上讲，植入非球面IOL后，角膜和IOL的像差可以得到相互补偿，从而获得最佳视觉质量[6]。临床观察发现，白内障术后IOL的稳定性可发生变化，如术后晶状体囊袋收缩、手术因素、IOL的不对称植入、后囊破裂等引起的IOL倾斜和偏心，均可对IOL的稳定性造成不可忽视的影响[7]。目前测量IOL偏心多采用Scheimpflug像法[8]和Purkinje像法[9]，但两者的准确性和一致性较差。此外，临床试验中倾斜和偏心值是相对于视轴，由于kappa角等因素的存在，视轴并不一定是从瞳孔中心通过，结果与实际情况存在差异，因此如何客观地评价不同类型IOL离体状态下倾斜和偏心引起的光学成像质量也是一个关键问题。

从物理光学的角度出发，实际波前与理想波前的差异即为波前像差(wavefront aberration)[10]，其已成为研究人眼视网膜成像质量诊断和评价的有效手段。波前像差信息的输出有多种方式，如视网膜点扩展函数(point spread function，PSF)、相位传递函数(phase transfer function，PTF)、波前像差图、MTF和Zernike多项式等，其中后两者最为常用[11-12]。MTF值描述的是MTF曲线在空间频率到达该频率值时，就会到达分辨率极限，是评价光学成像质量的客观指标，不受主观因素(对比敏感度)的干扰。MTF值越大，成像质量越清晰，视网膜成像质量越好，能够客观地反映IOL眼整个屈光系统的光学成像质量[13]。PSF反映一个光点投射到视网膜上后发生的光强度和位置的偏差，是通过形成的光斑面积大小和光斑光强度对成像质量进行评估[14]。本研究采用MTF值客观评价光学成像质量，发现MTF值随着倾斜度数的增加而减小，倾斜5°以内，Tecnis ZA9003的MTF值高于AR40e，但是倾斜10°、15°、20°时Tecnis ZA9003的MTF值明显低于AR40e。偏心0～0.4mm时三种IOL的MTF值无统计学差异，而偏心0.6～0.8mm时三种IOL的MTF值有显著差异。IOL光学测试系统测量的1951 USAF测试靶的成像质量结果显示，随着偏心值增加成像质量逐渐下降，Tecnis ZM900偏心大于0.4mm时成像质量明显下降，而偏心大于0.6mm时AR40e较Tecnis ZA9003成像质量清晰。Holladay等[15]研究表明，非球面IOL的倾斜度需小于7°，而偏心量小于0.4mm状态下可获得比传统球面IOL更好的视觉质量。Piers等[16]采用接近生理的人眼模型研究发现，倾斜和偏心值分别为10°和0.8mm，Tecnis ZA9003非球面IOL的视觉质量低于球面IOL。而本研究结果显示，倾斜度需小于5°，而偏心量应小于0.4mm时非球面IOL才能获得比球面IOL更好的光学成像质量。

图4Tecnis ZA9003IOL倾斜度数与高阶像差的相关性A：倾斜度与彗差的相关性；B：倾斜度与球面像差的相关性。

图5三种IOL在不同偏心程度下的成像质量。

Oshika等[17]研究表明，IOL倾斜程度与彗差呈正相关。Atchison[18]也指出，非球面IOL发生倾斜或偏心，人眼彗差和散光会增大，导致视觉质量下降。本研究结果显示，Tecnis ZA9003 IOL的倾斜角与彗差之间呈显著正相关，与球面像差无显著相关性，与上述研究结果基本一致。Tecnis ZA9003具有-0.27μm负球差，倾斜后更容易影响视觉质量，可能原因是负球差IOL倾斜和偏心可引入新的像差导致眼内总高阶像差增加。本研究选择的三种IOL全长、折射率和材料等较为相近。AR40e是球面IOL，而Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900是负球差-0.27μm非球面单焦点和衍射型多焦点IOL，可排除倾斜和偏心以外的相关因素。有研究利用光学人眼模型眼研究IOL倾斜与偏心对高阶像差的影响，实验表明瞳孔大小为最大的影响因素(54.9%)，其次为IOL偏心(22.7%)、模型眼自身因素(16.6%)、IOL倾斜角度(5.7%)[3]。Pieh等[19]体外研究表明，当瞳孔直径较小时(3.0mm)，IOL倾斜和偏心对视觉质量影响不大。因此本研究设定5.0mm的人工瞳孔，发现三种IOL倾斜和偏心与光学成像质量各指标之间具有一定的相关性，非球面IOL一定范围内的倾斜和偏心不会显著降低光学成像质量。

综上，本研究表明，具有-0.27μm球差的非球面IOL倾斜度小于5°，偏心小于0.4mm内会获得比球面IOL更好的光学成像质量。Tecnis ZM900 IOL偏心大于0.4mm时较球面和非球面单焦点IOL的光学成像质量降低。本研究首次于实验室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系统离体测试和分析不同类型IOL偏心和倾斜对光学成像质量的影响，无需受试者主观参与，实验结果客观，具有较高的重复性、稳定性和创新性。但本研究仅初步离体测试和分析不同类型IOL在倾斜和偏心下的光学成像质量，还有待进一步深入研究。在以后的研究中，我们考虑综合手术、个体变异性、后房深度偏差、瞳孔等各种因素以及联合主观问卷调查、波前像差仪、对比敏感度等检查结果，对各种IOL的成像质量和光学特性做出更加精确、客观的研究和整合评价。