波前像差仪在屈光不正检查中的应用

文 吴盛兰

近年来，人眼视觉和成像质量的评价研究逐渐受到了眼科医生的重视。目前临床上使用较多的视光检查方法，包括视力检查、主客观屈光验光、对比敏感度等，都是以大脑知觉为基准，通过对客观物理刺激进行主观评价的心理物理学方法，通常会受到被测试者的情绪、心理状态及理解力等因素的影响。此前波前像差仪在临床上主要用于检测眼的高阶像差，用于个性化角膜切削手术方面，因此大量的研究报道也集中于此，相比较而言，对人眼低阶像差（即“眼的屈光状态”）的测量研究则很少。本文旨在探讨Visionix L80波前像差仪在屈光不正检查中的应用，希望通过全息镜片技术的运用，改善低阶像差屈光不正人群的视锐度。

1 波前像差仪的原理

1.1 波前像差的定义

按照光的波动学说，光线是一种波动前进的电磁波，波传播到某一位置处时等相位面组成的曲面称为波前。因此，波前是一个面而不是一条线。具体而言，波前像差就是当光线的矩阵轨迹形成波前，与理想的球面波相比较时两者之间存在的偏差。

作为一种光学测量方法，波前像差最早应用于天文学，主要用于改善远距离摄影所面临的像差问题。此后，随着准分子激光角膜屈光手术的开展，波前像差的测量设备和方法得到了飞跃性的提升，使人们能够跳出几何光学的局限，对人眼的屈光矫正有了更新的认识。运用像差理论能够更全面地解释人眼屈光异常的各种问题。在几何光学中，屈光不正是指光线通过人眼屈光介质后将汇聚成为一个焦点或光斑。而波前像差则是从光的波动学说出发，着重考虑角膜面上每一点波前与理想波前的光程差。

1.2 波前像差仪的工作原理

目前，应用于临床上的波前像差仪有多种原理设计，本文主要介绍采用Hartmann-Schack原理的客观像差仪（见图1）。Hartmann-Schack波前感受器在波前像差的测量方法史上具有重要意义：该测量方法也称为“外向型测量法”，其原理是通过一束直径大约1nm的激光聚焦在人眼黄斑上，反射的光线通过人眼系统射出眼睛，形成波前像差，并被瞳孔入口处的波前探测器捕获。反射出来的光线波前射入微透镜阵列时，被分解为子波前并聚焦成像为光斑，光斑的焦点位置与理想波前的倾斜角与位移反应了人眼整体的波前形态，显示出不同阶的像差。

图1

1.3 波前像差仪在临床中的应用

近年来，波前像差技术已广泛应用于眼科临床领域的研究。波前像差仪在临床应用上实现了像差仪与准分子激光个性化切削手术的有机结合，其技术创新主要体现在：实现了波前像差仪与准分子激光治疗机的直接连接，测完像差之后可以马上在1500Hz高速跟踪频率下进行准分子激光个性化超小光斑飞点式切削，从而消除人眼像差，使激光矫正后的人眼视力达到理想程度。

波前像差仪既能为传统的屈光不正提供良好的检测手段，同时又能较全面地反映屈光系统的整体像差，而综合验光的结果又能作为屈光手术的主要依据，因此，两者在屈光角膜手术中均是重要的检查项目。采用波前像差引导的角膜屈光技术，可以进行有针对性的个体化激光切削手术，使高阶像差的矫正成为可能，让患者视网膜成像更完善，视觉质量更好。

2 屈光不正的多阶像差理论

2.1 传统验光

科学研究表明，正常人眼并非完美的屈光系统，而是存在着一定程度的像差（以低级像差为主），以往传统的电脑验光仪和综合验光方法只能检查屈光偏差的规则部分（球镜和柱镜），而对复杂的不规则、非对称的散光则缺乏有效的检测方法和矫正措施。因此，一部分人在验光配镜后，视力达不到理想效果。这也是传统验光仪器的局限性所在。

2.2 利用波前像差函数得出的低阶像差与高阶像差

通过波前像差函数计算可将波前像差分解成多阶成分。常用的Zemike多项式为7阶35项，每一项系数代表了相应的像差量，其中低阶像差和传统像差相对应。计算以均方根（root means squares，RMS）值来表示总体像差和组成总像差的各个分阶像差的大小。根据相差大小分为低阶相差和高阶相差，其中，低阶相差包括：倾斜、离焦和散光；高阶像差包括：彗差、球差、二阶球差、三叶草、四叶草和不规则散光。

2.2.1 低阶像差

指第1、2阶像差。具体为离焦、散光等传统屈光问题。第1阶像差是指x、y轴的倾斜。第2阶像差包括离焦和0°与45°方向的散光等3方面内容。有关研究显示，同阶像差中，离焦相差比散光相差对视物的清晰度影响更大。

2.2.2 高阶像差

指第3阶及以上像差。具体为不规则散光等屈光系统存在的其他光学缺陷。高阶像差的每一阶各包括许多项，每一项代表不同的内容。例如：高阶像差第3阶包括彗差、三叶草样散光等4项内容。第4阶不仅包括球差，还涉及更多项不规则散光等内容。位阶越高，像差内容越复杂。有关研究显示，不同像差对人眼视觉功能的影响各不相同，但有些项的真正光学含义与视觉功能之间的关系尚需进一步研究。

2.2.3 波前像差图

由于Zernike多项式是用数字表达人眼的波前像差，为了临床观察更加直观，可通过Zernike函数重建成波前像差图。波前像差图既可以是二维平面图，也可以是三维立体图（见图2）。不同类型的像差图形不一，例如单纯离焦形成的波前像差为抛物线形，散光形成的波前像差则如沙漏状（不同颜色可显示像差的程度）。

图2

2.3 人眼波前像差的成因和影响因素

2.3.1 人眼波前像差形成的原因

实际生活中，任何人眼成像不可能绝对清晰和完全不产生变形。主要原因是：首先，光学系统必须通过一定的通光孔径才能观察到一定范围内的物体，因为入射光并非都是近轴光线，且光束间的张角存在很大差别，随着张角增大，成像与实际物的偏差就越大。其次，实际生活中的物体是立体的，且大小不同，因此各个物点发出的倾斜光束不能保持为近轴光束，所成的像也不可能在同一平面上。第三，实际的光学系统对物体上各点的放大率不可能相同。上述情况导致在成像过程中会产生各种成像缺陷（这些成像缺陷可用若干像差来描述）。

2.3.2 影响人眼波前像差的因素

人眼是一个复杂的光学系统，由于年龄、瞳孔大小、调节、屈光状态、光线波长、角膜形态等不同因素的影响，会出现不同的像差。

在众多因素中，本文只介绍瞳孔大小的影响（因为在本文案例中使用的波前像差仪只能对2种瞳孔的像差进行测量）。

瞳孔大小：瞳孔直径为2mm时，限制人眼视觉质量的因素主要是衍射，当瞳孔直径较大时（≥3mm），像差成为主要因素。随着瞳孔直径增大，高阶像差随之成倍增长，这种情况在屈光手术后变得更加明显。这是因为在正常情况下，由于人眼的适应机制的作用，尤其是正常瞳孔大小时的光栏作用，都使人眼高阶像差处于一个合理的低水平。随着瞳孔的逐渐增大，越往周边，光线经过的眼屈光介质越不完美，因此，瞳孔大小对像差的影响明显。在小瞳孔下，4阶及以上的高阶像差对视觉质量的影响可能不明显，但在大瞳孔下，更高阶像差的影响则变得格外显著。

2.3.3 人眼像差的主要组成

目前，眼科学把人眼总体的波前像差分成两个部分：角膜前表面的像差和内部结构的像差。

2.3.3.1 角膜前表面像差

研究表明，角膜前表面的波前像差被内部结构代偿，导致眼睛总体的像差减小，进而产生良好的视觉质量。因此，仅仅测量角膜前表面的像差不能充分评估眼睛的视觉质量，但是角膜前表面作为人眼主要的屈光结构，很有可能是造成人眼像差的主要组织结构。

除了散光，球差过去被认为是角膜的主要像差，但是随着角膜地形图的开发利用和对角膜前表面的像差研究不断深入，彗差和其他高阶像差的重要性得到了人们的充分认识。通过对角膜地形图高度值的换算，得到角膜前表面的波前像差值，就可以更加精确地描绘出波前像差图。

从各项研究来看，整个人眼波前像差个体差异很大，研究结果显示，对应波前像差的各阶而言，前4阶像差的值相对较大，变化的幅度也较大，第5、6阶像差的值相对较小，变化的幅度也相应减小。

2.3.3.2 人眼像差的补偿

在人眼中，角膜前表面是主要屈光结构，其产生的屈光作用大概占人眼整体的70%，但是角膜前表面像差在人眼整体中所占的比重因人而异，甚至因眼而异：即同一个人的左右眼像差也存在较大差异。对于一部分人眼，角膜前表面的像差大概与眼睛总体像差相同，对于另外一些人眼，角膜前表面的像差大概占眼睛整体波前像差的90%（有一部分被内部结构所补偿，才使得眼睛总体像差值较小）。

以往的研究表明，在球差和总体像差上，角膜前表面的波前像差被内部结构补偿的作用非常明显。但是相对于一些人眼，角膜前表面的像差比眼睛整体像差小很多，这意味着对于眼睛整体像差来说，角膜前表面仅贡献了很少的部分，在这种情况下，内部结构增加了眼睛整体像差的一部分。另一方面，内部结构对角膜前表面像差的作用因人而异，有时候表现为代偿作用，有时候则表现为在角膜前表面像差的基础上增加了整体的像差。

科学研究证明，存在轻度屈光不正的人群中，不论是年轻人或是老年人，加上散光时，角膜的像差RMS值大多数情况下大于眼睛整体或是内部结构的RMS值，这说明在我国的普通人群中，角膜前表面是造成眼睛整体波前像差的主要因素。值得注意的是，在不加散光时，角膜前表面的像差明显小于内部结构的像差，这就意味着内部结构对更高阶的像差的贡献大于角膜前表面，角膜前、后表面之间的像差也存在补偿关系。实际上，人眼对像差的补偿现象不仅存在于光学系统，还包括神经性补偿，即大脑可能会通过一系列神经调整产生补偿作用，使视觉功能得到改善。

3 波前像差仪的具体应用

本文采用以色列的Visionix L80波前像差仪，并利用其检查结果，对屈光不正人眼的实际矫正案例进行分析。

3.1 Visionix L80波前像差仪简介

Visionix L80波前像差仪是根据Tracey技术光路追迹原理，将一束0.3mm直径的红外激光束（波长785nm）投射进人眼瞳孔区，激光束经眼球屈光系统折射和视网膜反射后，穿过一个透镜聚焦在外界传感器上，通过测量位置传感器上激光束的位置，就可以间接测量激光束在视网膜上的位置。此过程需持续发射1500个独立的点，点越多就越能保证数据的准确。

该设备内包含一套用于患者固视的自动视标系统，在波前像差和验光模式下，固视视标用于自动雾视，以减小患者在测量时调节产生的影响。在调节力测量模式下，视标先移动到自动雾视的位置，然后慢慢靠近患者，患者为了看清这个视标，会主动进行人眼调节，此时设备会记录下患者的调节力数值。设备可自动监测患者不能调节（放弃调节）的那个点，并结束测量，最后屏幕上就会出现测量结果图表（图表显示出不同视标位置对应的人眼屈光度的变化），数据表里也会显示针对不同年龄的典型调节力以作比较。

通过波前像差仪与综合验光对屈光状态的检查结果进行分析，可以发现近视球镜（轻度、中度、高度）、近视柱镜、散光轴向差异均无统计学意义，这一结果说明，通过波前像差仪在暗室环境下对低阶像差的测量同样能够准确反映人眼的屈光状态。同时，眼睛像差图可以显示全部的像差或仅是高阶像差。

3.2 波前像差数据与其他检测数据的综合分析

图3

表1 L80波前测量模式选项

在设备检测出高阶像差和低阶像差数据后，结合角膜地形图分析整个人眼的全部数据：例如一个患者在角度45°处有1μm慧差和-0.5μm的球差，角膜地形图会显示相应瞳孔区域上这两个像差的联合。角膜地形图计算可以利用整个瞳孔区域内的哈德曼点阵，局部地形图取决于不同的计算，每一块区域都计算球差、柱镜、棱镜和慧差，基于这些计算的位置就会在地形图上显示出来，眼睛内的局部缺陷就能很清楚地看到。

3.3 波前像差仪检测结果在屈光矫正中的应用

波前像差仪的检测数据除了可用于角膜激光手术，还可以通过最新全息镜片进行屈光矫正。其原理是通过纳米级激光雕刻工艺，根据个人波前像差和角膜地形图数据，在镜片表面制成像素级的精密对焦，使患者在配戴后能够实现全视网膜多焦点对焦。全息镜片的主要优点包括全方位贴合角膜曲线、像素级对焦，镜片最高能达到1500个焦点，能消除不规则光波，接近无失真图像，并进行像差弥合，实现全视角自由视。在目前已知的案例中，全息镜片能较好地改善相同屈光不正度数下的人眼视锐度，使患者的视觉质量明显提高，这也是框架眼镜新的发展方向。

4 总结

波前像差仪在测量操作中，只需要具备暗室环境，不需要药物散瞳，而且在进行高阶像差检查的同时，还能提供可靠、准确的屈光检查结果。这就为一些不想进行扩瞳验光但又想准确知晓其屈光度的患者提供了便捷，对儿童早期近视的防治具有重要意义。

总体来看，波前像差技术是近年来用于评价光学矫正质量的一种先进方法，但仍有许多问题需要解决，例如调节对像差测量的影响、像差仪的精确性与可重复性、视锥细胞与像差的方向性选择等。此外，人眼组织究竟如何产生像差以及哪些因素可引起像差的改变等，尚不十分确定。特别是基于波前像差检测结果加工的全息镜片，目前还没有累积到足够多的临床经验与案例，还需进一步探索和实践。但不可否认的是，波前像差技术的应用为人眼视觉质量的提高提供了新的方法和手段。可以预见，波前像差技术在眼科及视光学领域中具有十分重要的临床应用价值和广阔的发展前景。

5 展望

从科学角度而言，运用波前像差技术可以得到一种独特的“眼睛指纹”，能够测量眼睛视路范围内的像差变化情况。了解并掌握人眼像差对视力的影响，不仅能够进一步提高眼镜验配质量，而且从未来的发展趋势来看，波前像差仪有可能成为新一代的常规验光设备。特别是近年来，波前像差仪和角膜地形图仪的结合，使专业人员能够准确判断全眼球像差主要是源于角膜像差还是眼内像差，大大提升了视功能检查的准确性。而随着全息镜片的出现，波前像差仪在屈光矫正中将发挥更大的作用。