波前像差对视觉质量的影响分析

物体发出的同心光束对应的是球面波，该球面波经过光学系统的折射后曲率发生变化，如果光学系统为理想的光学系统，则会形成新的球面波。人眼并非是完美的光学系统，而是存在一定的像差，因而光线经过人眼折射后在视网膜形成一个非球面波，这个形成的非理想的波面与理想的球面波相比即为波前像差[1]。目前较多的学者在研究波前像差在不同人群中的分布、屈光手术前后人眼屈光系统波前像差的变化以及波前像差引导的屈光性手术提高视网膜的视觉质量[2-4]。

越来越多的研究者认为，高的分辨率并不是屈光系统成像的主要功能，所以像差在一定程度上有利于提高屈光系统的功能[5]。波前像差并不是独立存在的，其各种像差之间存在着一定的内在联系，共同影响人眼的视觉质量。本文通过比较不同像差对调制解调函数(modulation tranferfunction,MTF)曲线的影响，从而研究波前像差中各个像差对视觉质量的影响的重要性。

资料与方法

一、对象

选取2014年12月我院行近视激光术前检查的患者240例，选取患者右眼为研究对象，其中男性120例，女性120例，年龄19～25岁，平均年龄(21.6±1.7)岁。入选标准：(1)矫正视力≥1.0；(2)球镜度数<-8.00D；(3)柱镜度数<-3.0D；(4)具备小切口基质透镜取除术(small incision lenticule extraction,SMILE)和准分子激光原位角膜磨镶术(laser-assited situ keratimileusis,LASIK)手术指针，年龄>18岁。排除标准：(1)矫正视力<1.0；(2)3周内配戴过角膜接触镜或者眼部药物治疗史；(3)眼部病变、泪膜异常、眼位异常、眼球震颤、黄斑片中心注视；(4)斜视、弱视、圆锥角膜、其他感染性角膜疾病及眼部手术史。

二、方法

复方托吡卡胺散瞳后，用 i-trace视功能分析仪(美国Tracey公司)测量患者右眼角膜像差。在暗室中，受试者端坐于仪器前，下颌置于颌托上，额头顶在额带上，嘱测试眼注视视标，测量患者右眼，连续测量3次，每次嘱受试者眨眼，保证泪膜的完整性，收集受试者6 mm测量直径下的波前像差，用Zernike多项式表示波前像差，共测量7阶44项。其中低阶像差为Z2-Z5；高阶像差为Z6-Z44；散光Z3(C2-2)、Z5(C22)；离焦Z4(C20)；球面像差Z12(C40)；慧差Z7(C3-1)、Z8(C31)以及三叶草像差Z6(C3-3)、Z9(C33)。并用i-trace中的视觉质量分析功能分析以上像差单独存在时的MTF曲线，当研究某一像差对视觉质量影响时，选择性的消除其他像差，从而得到某像差对MTF曲线的影响。比较不同像差存在时MTF曲线的平均高度。

三、统计学方法

横断面研究，所有数据均采用SPSS16.0软件分析，年龄和像差数据用均数±标准差表示，采用单因素方差分析(0ne-way ANOVA)各波前像差单独存在时MTF曲线平均高度的总体差异，LSD-t检验进行两两MTF平均高度之间差异性比较；相关性分析用线性相关分析，P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

一、波前像差分布

6 mm测量直径下，总像差平均为(5.047±3.041)μm、高阶像差平均为(0.349±0.295)μm、低阶像差平均为(5.060±3.354)、散光平均为(0.410±0.288)μm、离焦平均为(5.031±3.362)μm、慧差平均为(0.307±0.306)μm、球面像差平均为(0.094±0.075)μm以及三叶草像差平均为(0.172±0.148)μm。

二、波前像差和其单独存在时MTF曲线平均高度线性相关性

不同的波前像差大小与MTF曲线的平均高度成负相关：离焦、散光、慧差、球面像差与三叶草像差与MTF曲线平均高度的线性相关系数分别为：-0.61、-0.44、-0.45、-0.38及-0.27。

三、MTF平均曲线

只有高阶像差存在时的MTF平均曲线要优于低阶像差和总像差的平均MTF曲线，球面像差、慧差、三叶草像差单独存在时的MTF平均曲线要优于离焦和散光曲线，总像差的MTF曲线要优于低阶像差单独存在时的MTF曲线。见图1。

四、同波前像差单独存在时MTF平均高度之间的差异

MTF的平均高度由高到底依次为：单因素方差分析(LSD-t检验)不同波前像差单独存在时MTF平均高度之间具有明显的差异性(F=29.69，P=0.00<0.05)。三叶草像差(0.592±0.055)与球面像差(0.556±0.035)单独存在时的MTF平均高度无明显差异(P>0.05)；球面像差与慧差(0.518±0.06)单独存在时的MTF平均高度有明显差异(P<0.05)；散光(0.412±0.067)与高阶像差(0.389±0.052)单独存在时的MTF平均高度有明显差异(P<0.05)；总像差(0.060±0.010)与低阶像差(0.045±0.008)单独存在时的MTF平均高度有明显差异(P<0.05)。总像差单独存在时的MTF曲线平均高度要高于低阶像差单独存在时(t=2.548，P﹤0.05)。

讨 论

目前通常将波前像差分为低阶像差和高阶像差[6]。其中低阶像差是指离焦、散光等传统屈光问题；高阶像差包括不规则散光、球面像差、慧差、三叶草等屈光系统存在的其他光学缺陷[7]。以往的屈光性手术多注重低阶像差的矫正，但是术后患者的高阶像差却进一步增加，其中又以球面像差和慧差为主[8，9]。近年来，越来越多的研究者期望用一种新的方法去改变高阶像差而不是以往的通过角膜接触镜或者是角膜切削。

MTF可以很直观的评价视觉质量[10]。指的是物体经光学系统传递后，其传递频率是不变的，但其对比度下降，相位发生偏移，并在某一频率截止，即对比度为零，这种对比度的降低和相位推移随频率的不同而不同，其函数关系我们称为调制解调函数[11]。本文以MTF的一维曲线为研究对象。视觉质量随着MTF曲线下的面积增大而增强，也随着曲线的平均高度的增高而增强。

本研究发现波前像差主要以低阶的散光与离焦为主，这两种像差是可以用接触镜等矫正的像差。高阶像差虽然占全部像差的10%，但是对视网膜成像质量有较大的影响[12]。其中随Zernike多项式项数的增加像差是不断减小的。MTF曲线的平均高度与波前像差呈负相关，均随波前像差的增大而降低，其中MTF曲线的平均高度随三叶草像差、慧差、散光的增大下降的更明显。可见屈光性手术术后增大的高阶像差，尤其是球面像差和慧差会对视觉质量产生较大的影响。

通过(图1)可以看出在只有三叶草像差存在时的MTF曲线优于只有球面像差存在时的MTF曲线，其中球面像差存在时的MTF曲线优于慧差存在时的MTF曲线，可以看出慧差对视觉质量的影响要大于球面像差和三叶草像差。在屈光手术设计时要注意彗差的矫正。低阶像差单独存在时的MTF曲线较总像差、高阶像差时的MTF曲线差。由此可以看出低阶像差对视觉质量的影响远远大于高阶像差，也是我们在进行屈光性手术时首先要考虑矫正的像差。其中总像差存在时的MTF平均高度要高于低阶像差单独存在时(P<0.05)，但是低于高阶像差单独存在时(P<0.05)(如图2)。由此可以看出，总的像差对应的MTF曲线并不是最差的，而是要优于低阶像差单独存在时。低阶像差和高阶像差之间有一定的内在的联系，在一定程度上可以相互影响的，对提高视觉质量有一定的好处。

本研究认为，Zernike多项式表示人眼的波前像差并不是完全独立的，其内在具有一定的联系来共同的提高人眼的MTF曲线，各阶像差在维持视觉质量上起到不同的作用，其中又有着一定的内在联系，来共同维持人眼的视觉质量。在屈光性手术时在矫正低阶像差的同时也要充分考虑到各像差之间的内在联系，通过一定的方法来综合设计手术方案，使患者获得更加完美的视觉效果。