实测与理论瞳孔直径下全角膜与前角膜总高阶像差的比较

赵丽君，黄渝侃，程胜男，吴名锋，李玉芷

0引言

像差是指理想光学系统成像与实际光学系统成像的光学偏差，常用泽尼克(Zernike)多项式函数来描述，0～2阶为低阶像差，3阶以上为高阶像差[1]。像差理论在眼科领域有广泛的应用，如个体化角膜切削、角膜接触镜验配及人工晶状体选择等[2-3]。角膜HOA的准确测量在多焦点人工晶状体(multifocal intraocular lens, MIOL)适应证的选择中有重要意义，一般认为角膜中央直径4.0mm区域总HOA<0.3μm的患者可植入MIOL，超出此范围的谨慎植入，>0.5μm不建议植入[4]。

目前有很多测量角膜HOA的仪器，如iTrace波前像差仪，光程差分析仪等，均常规默认中央4.0mm瞳孔直径下角膜HOA为输出值[5-6]。瞳孔直径是影响像差的重要因素之一，由于个体差异，不同患者明视环境下瞳孔直径并非均为4.0mm[7]，这种差异是否导致像差结果偏倚以及是否具有临床意义尚不得而知。且由于仪器测量原理的差异，部分仪器只能测量角膜前表面HOA，并以其代表全角膜HOA值，在实测和4.0mm瞳孔直径下前角膜与全角膜HOA是否存在差异，前者是否可以代替后者应用于临床目前未见文献报道。基于此，本研究对不同年龄段实测瞳孔和4.0mm瞳孔直径下全角膜和前角膜HOA进行了分析。

1对象和方法

1.1对象本研究采用横断面研究，选取2019-03-31/05-31于我院就诊的受试者100例200眼，按照年龄划分为6组：20～29岁组17例34眼；30～39岁组30例60眼；40～49岁组13例26眼；50～59岁组14例28眼；60～69岁组14例28眼；70～79岁组12例24眼。其中20～29岁和30～39岁组被视为青年人群，40～49岁和50～59岁组被视为中年人群,60～69岁和70～79岁组被视为老年人群。入选标准：(1)年龄20～80岁；(2)停戴软性角膜接触镜2wk以上，硬性角膜接触镜2mo以上。排除标准：(1)离焦≥±3.00D，散光≥±1.50D；(2)疑似圆锥角膜、圆锥角膜及其他角膜病变；(3)存在干眼、翼状胬肉、严重角膜血管翳等眼表病变；(4)存在虹膜前、后粘连，瞳孔闭锁及神经麻痹等影响瞳孔正常大小的病变；(5)既往眼部手术史及眼部外伤史；(6)Sirius机测Kappa角<0.5mm；(7)其他眼科病史，如青光眼、视网膜疾病等。本研究遵循《赫尔辛基宣言》，并获得华中科技大学同济医学院医学伦理委员会批准。所有患者均已签署知情同意书。

1.2方法所有受试者由同一位经验丰富的技师在同一台Sirius眼前节分析仪进行三维角膜地形图检测。暗室环境下，嘱患者坐于设备前，平视前方，睁大双眼，充分暴露角膜，瞬目2～3s后睁眼，待屏幕上下测量线均变为绿色，按下拍摄键。再嘱患者睁大双眼，充分暴露瞳孔，拍摄拟明环境下(40Lx)的瞳孔大小，收集数据。选取采集质量覆盖率>90%，可信度=100%的角膜地形图，记录不同瞳孔直径下(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0mm)的全角膜和前角膜总HOA值，重复3次取平均值。

使用MATLAB软件对上述11个瞳孔直径下全角膜和前角膜HOA结果作拟合曲线，并计算出患者在拟明环境下实际瞳孔直径全角膜总HOA(以下简称实测全高阶)和前角膜总HOA(以下简称实测前高阶)；以4.0mm瞳孔直径下全角膜总HOA值(以下简称理论全高阶)和前角膜总HOA(以下简称理论前高阶)作为理论值。

2结果

2.1年龄与实测瞳孔直径的关系明视环境下，瞳孔直径青年人群为4.10±0.65mm，中年人群为3.31±0.81mm，老年人群为2.93±0.48mm，三组间差异有统计学意义(F=59.478，P<0.001)。瞳孔直径随年龄增大逐渐减小，二者呈强负相关(r=-0.587，P<0.001)。青年人群瞳孔直径最大，老年人群最小，两两比较均有统计学意义(P<0.001)，见图1。

图1 实测瞳孔直径与年龄的关系 A：年龄与实测瞳孔直径的趋势分析；B：年龄与实测瞳孔直径的相关性分析；C：年龄与实测瞳孔直径的差异性分析。

2.2全角膜和前角膜的实测HOA和理论HOA值与年龄的相关性分析实测全高阶与实测前高阶均随着年龄的增长而减小，高阶值与年龄呈负相关(r=-0.191,P=0.002;r=-0.181,P=0.004)，见图2A、B。理论全高阶随年龄增大而升高，呈正相关(r=0.282,P<0.001)，见图2C，理论前高阶则与年龄无关(P=0.390)，见图2D。

图2 全角膜和前角膜的实测HOA和理论HOA值与年龄的相关性分析 A:实测全高阶与年龄的相关性分析；B：实测前高阶与年龄的相关性分析；C:理论全高阶与年龄的相关性分析；D：理论前高阶与年龄的相关性分析。

2.3各年龄段实测全高阶和理论全高阶的比较在40～49、60～69、70～79岁组中，实测全高阶显著低于理论全高阶，差异有统计学意义(P<0.05)，其余组间差异无统计学意义(P>0.05),见表1。

表1 各年龄段全角膜实测HOA和理论HOA的比较

2.4各年龄段实测前高阶和理论前高阶的比较在40～49、60～69、70～79岁组中，实测前高阶显著低于理论前高阶，差异有统计学意义(P<0.05)，其余组间差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表2 各年龄段前角膜实测HOA和理论HOA的比较

2.5不同年龄段实测全高阶和前高阶与理论全高阶和前高阶比较在40～49、60～69及70～79岁组实测全高阶显著高于实测前高阶，差异均有统计学意义(t=3.486,P=0.002；t=2.632,P=0.014；t=2.157,P=0.042)，其余年龄段比较差异无统计学意义(t=-3.736,P=0.054；t=1.223,P=0.226；t=1.053,P=0.302)，见图3A。在20～29岁组,理论全高阶显著低于理论前高阶，差异有统计学意义(t=-2.920,P=0.006)，在60～69岁组，理论全高阶高于理论前高阶，差异有统计学意义(t=2.168,P=0.039)，其余年龄段差异无统计学意义(t=0.417,P=0.678；t=1.552,P=0.133；t=0.902,P=0.375；t=1.318,P=0.200)，见图3B。

图3 不同年龄段实测全高阶和前高阶与理论全高阶和前高阶比较 A:不同年龄段实测全高阶和前高阶比较;B：不同年龄段理论全高阶和前高阶比较。aP<0.05 vs前角膜。

2.6不同人群中理论和实测全高阶和前高阶≥0.3μm人数比较青年人群中，理论和实测全高阶≥0.3μm分别有9眼(9.6%)和15眼(16.0%)，差异无统计学意义(χ2=1.720，P=0.190)，见图4A；理论和实测前高阶≥0.3μm分别有15眼(16.0%)和14眼(14.9%)，差异无统计学意义(χ2=0.041，P=0.840)，见图4B。中年人群中，理论和实测全高阶≥0.3μm分别有5眼(9.3%)和6眼(11.1%)，差异无统计学意义(χ2=0.101，P=0.750)，见图4C；理论和实测前高阶≥0.3μm分别有6眼(11.1%)和7眼(13.0%)，差异无统计学意义(χ2=0.087，P=0.767)，见图4D。老年人群中，理论全高阶≥0.3μm有13眼(25.0%)，显著高于实测全高阶(5眼，9.6%)，差异有统计学意义(χ2=4.300，P=0.038)，见图4E；理论前高阶和实测前高阶≥0.3μm分别有6眼(11.5%)和5眼(9.6%)，差异无统计学意义(χ2=0.102，P=0.750),见图4F。

图4 不同人群中理论和实测全高阶和前高阶≥0.3μm人数比较 A:青年人群全角膜实测与理论HOA值≥0.3μm占比分析,B：青年人群前角膜实测与理论HOA值≥0.3μm占比分析,C:中年人群全角膜实测与理论HOA值≥0.3μm占比分析,D：中年人群前角膜实测与理论HOA值≥0.3μm占比分析，E:老年人群全角膜实测与理论HOA值≥0.3μm占比分析,F：老年人群前角膜实测与理论HOA值≥0.3μm占比分析。

3讨论

人眼是一个复杂且精细的系统，之前对于无法单纯用离散、散光解释的光学质量问题，通过波前像差的分析得以细化[8-9]。波前像差分为相对容易矫正的低阶像差，包括离散、规则散光等，及无法用传统手段矫正的HOA，包括球差、彗差、三叶草差等[10-11]。在像差系统中，不规则散光与HOA相对应，不能被镜片完全矫正，并对植入MIOL造成光学干扰，故在植入此类晶状体时需要考虑角膜总HOA的影响。

瞳孔直径是影响HOA的重要因素之一。角膜周边屈光力较中央角膜屈光力强，瞳孔直径范围增大，HOA值增加。各项HOA可以通过均方根(root mean squar,RMS)值来量化总HOA的程度[12]，一般认为角膜中央直径4.0mm区域总HOA(total HOA)<0.3μm的患者可推荐植入MIOL。本研究发现瞳孔直径随年龄的增长而减小，呈强负相关关系，且40岁以上受试者明环境下瞳孔直径均小于4.0mm，故固定以4.0mm作为影响范围与实际情况并不相符。目前有很多设备可检测HOA，如基于Placido环原理的OPD光程差分析仪、iTrace等，只能测量角膜前表面HOA，而基于Scheimpflug立体断层扫描技术的Pentacam三维眼前节分析仪(OCULUS,Ltd.Germany)，可分析全角膜HOA[13]。上述设备均以中央4.0mm全角膜HOAs设定为默认输出值。Sirius眼前节分析系统同时具备Placido环和Scheimpflug照相技术，互相弥补，可准确测量2.0～8.0mm(以0.5mm为间隔)范围内的前和全角膜像差，并可以模拟白天、黄昏和晚上3种不同照明环境,同时测量该背景光强度下的瞳孔直径[14-15]，适合用于本项研究。

Namba等[16]认为4.0mm瞳孔直径下全角膜与前角膜HOA均与年龄无线性关系。在本研究中，4.0mm瞳孔直径下，理论前高阶与年龄无线性关系，与之前研究一致，而理论全高阶则随年龄增长呈升高趋势；在实际瞳孔直径下，全角膜和前角膜实测HOA值趋势一致，均随年龄的增长而减小。若对所有患者均使用4.0mm固定值来评估HOA存在误差，会影响到人工晶状体选择方案的制订。Kemraz等[17]认为基于Pentacam三维眼前节分析仪测得的HOAs在4.0mm瞳孔区域下均值为+0.141±0.075μm，且年龄越大，4.0mm-HOAs值也越大。而我们发现各年龄段4.0mm理论HOAs均高于其测得均值，可能与设备工作原理不同有关，无论是全角膜HOA还是前角膜HOA，在60岁以上人群，根据实际瞳孔直径所得实测HOA值显著低于4.0mm瞳孔直径所得理论HOA值，年龄越大，其实测高阶值越小，这与高年龄人群拟明环境下实测瞳孔<4.0mm有关。进一步说明针对这些人群若仍使用4.0mm瞳孔直径下HOA值选择MIOL类型，将造成最终术后全眼像差与预期不符。

角膜前表面生物参数的测量是将角膜表面模拟为一个二维面薄透镜进行分析，而真实的角膜是呈前、后表面双曲面形态并有一定厚度，是作为一个厚透镜存在。不仅仅角膜前表面会影响光学折射，后表面同样也会对折射产生影响，继而对像差产生影响，故采用全角膜参数比单纯使用前表面参数更接近真实状态。既往认为大多数情况下角膜前表面像差可以代表角膜全表面像差。而我们发现在老年人群，实测全高阶显著高于实测前高阶，即使在4.0mm瞳孔直径下，全角膜高阶与前角膜高阶在部分年龄段也存在差异。故在临床实践中，前角膜HOA不能代替全角膜HOA，在白内障高发的老年人群中尤其如此。

Kemraz等[17]发现绝大多数人(96.13%)4.0mm-HOAs值≤0.3μm，我们的结果与之类似。在青年和中年人群中，全、前角膜实测高阶≥0.3μm的占比均略高于理论高阶的占比，但两者无差异，在老年人群中，虽然实测HOA≥0.3μm的占比显著低于理论HOA值的占比，但两者在全角膜有显著差异，在前角膜则无差异。这些结果提示在全角膜实测数据下原本有部分被认为需要慎重选择植入MIOL的年龄相关性白内障患者是可以符合选择条件的，前角膜高阶不能代替全角膜高阶，应以实测全角膜HOA值为参考值。

综上，因实测和理论瞳孔差异造成的全角膜高阶、前角膜像差差异主要存在60～79岁，其正是白内障的高发人群，此年龄段样本人群实际瞳孔直径均小于4.0mm，瞳孔差异会造成部分原本可以选择MIOL的患者被排除出适应范围，故不适合以4.0mm作为默认瞳孔直径参数。即使在相同的瞳孔直径下，全角膜高阶和前角膜HOA数据也存在差异。故我们推荐使用实测瞳孔直径下的全角膜HOA值作为选择MIOL的类型的依据。当然，在HOA检测中可能还存在Kappa角、瞳孔中心位移、瞳孔规则性等因素的影响，这些尚需进一步的研究来明确。