高阶像差中球面像差与近视进展的研究现状

张妮，张乐

(1.西安医学院，陕西 西安 710068；2.西北妇女儿童医院，陕西 西安 710068)

0 引言

据统计，2018年我国6-12岁儿童近视患病率约45.6%，16-18岁人群中近视患病率约90.5%[1]。近视的发病率不断升高及低龄化趋势增加了成年期病理性近视发生率[2]。近视引起总波前像差的增加加快了近视的进展，因此矫正像差非常必要。总波前像差包括低阶像差(lower order aberration，LOA)和高阶像差(higher order aberration，HOA)。近视眼中低阶像差通过验光配镜等方式矫正后，影响视觉质量的是高阶像差，高阶像差不能通过传统方式矫正。高阶像差中最重要的是三阶像差如彗形像差、三叶草差及四阶像差中球面像差(spherical aberration，SA)[3]。

有研究认为近视程度与球面像差、彗形像差、三叶草差相关，散光大小与彗形像差、三叶草相关[4]，因部分文献对样本散光值未作详细记录，因此本文研究对象为近视与球差。通过探究高阶像差中球面像差在不同屈光度近视人群中分布特点及与近视进展相关关系，为临床近视防控提供思考。

1 概述

球面像差简称球差，定义为光线通过实际光学系统后近轴光线和周边光线聚焦位置与理想光学系统光线聚焦位置间的光程差(optical path difference，OPD)。光程差也称波前像差(wavefront aberration，WF)，简称像差，定义为实际光学系统与理想光学系统之间的成像差异。波前像差为三维空间概念，美国光学学会规定用Zernike多项式表达，波前像差数值用均方根(root mean square，RMS)定量表达，单位为μm。Zernike多项式7阶35项，将波前像差分解为基本形状的组合，每一单项表示特定类型的波前像差的大小及方向，0~2阶为低阶像差(近视、远视、规则散光),3阶及以上为高阶像差。高阶像差中球差主要包括初级球差和次级球差，Zernike系数分别为Z(4，0)、Z(6，0)，初级球差(4阶第12项)是最主要的球差。

总球差根据来源分为角膜球差、眼内球差，角膜球差又分为角膜前球差和角膜后球差。据报道[5,6]角膜前球差是最主要的球差，角膜后球差与眼内球差对角膜前球差有补偿作用，角膜球差与角膜曲率半径、角膜散光、眼轴长度等因素相关。

2 球差的影响因素

球差具有波动性，与年龄、调节、瞳孔大小等因素密切相关，三因素间相互影响。

2.1 年龄

随着年龄增长，球差受晶状体、调节及瞳孔大小等因素影响发生非线性变化。Zhang等[3]收集中国西南地区3-17岁儿童共1634眼，发现球差Z(4,0)随年龄增加负向增大。有研究[7]建立模型模拟角膜球差随年龄变化，18~39岁间角膜球差变化为-0.013μm/10年，39岁以后角膜球差正向增加约0.057μm/10年。Wan等[8]分析中国北方农村的404名31~86岁成年人的像差，发现球差Z(4,0)随年龄增加正向增大。球差随年龄的增长规律变化。青少年期屈光发育正视化，晶状体调节能力强，球差随年龄增加负向增大；在中老年期，晶状体逐渐老化、调节能力减弱，球差随年龄增加正向增大，瞳孔代偿性缩小减少部分增加的球差。

2.2 调节

调节能力与年龄、屈光度等因素相关，调节引起晶状体形态、瞳孔直径大小改变影响球差变化。使用不同球镜诱发调节，初级球差、次级球差均发生改变，随着调节幅度增加球差数值分别向负向、正向增加，总球差负向增加[9]。在青年人群中使用睫状肌麻痹剂抑制调节后瞳孔直径增加，药物环喷托酯作用强引起总球差正向增加，对照组药物托吡卡胺作用较弱致总球差未见明显改变，说明调节比瞳孔直径引起的球差变化更有意义[10]。眼生物学测量[11]证实了在调节过程中睫状肌收缩、晶状体厚度增加引起晶状体形态、折射率及曲率等变化，球差正向减低或负向增大。

2.3 瞳孔直径

瞳孔直径大小与年龄及调节等因素相关，不同明暗环境中直径大小变化引起球差的改变。在明环境中瞳孔括约肌收缩、瞳孔直径变小，如完全矫正低阶像差，球差影响对比敏感度(contrast sensitivity function，CSF)较小；在暗环境中瞳孔开大肌收缩、瞳孔直径增加，完全矫正低阶像差后球差影响无炫光时的对比敏感度[12]。Marin等[13]报道在暗环境下观察高对比度亮点，球差可能引起屈光度变化。因此，暗环境下瞳孔直径增大引起球差增加甚至屈光度变化。

3 球差与近视

近视和球差分别属于低阶像差和高阶像差，两者与晶状体形态、调节等因素密切相关。不同程度近视人群中低阶像差、总像差不同，总高阶像差未见明显差异[14,15]。高阶像差中球差在近视程度不同的人群分布存在争议。

有研究表明球差与近视程度相关。球差随着近视引起的眼球形态改变而变化。Philip等[16]发现初阶球差Z(4，0)与等效球镜度(spherical equivalent refraction，SER)密 切 相 关，推 测 球差变化与晶状体的曲率半径、折射率等有关。Papamastorakis等[17]研究10-15岁儿童共557眼，认为球差反应了晶体折射率的差异，儿童生长发育阶段球差与近视的发生发展相关。李颖等[18]对18~50岁500例(983眼)中青年人群研究，也发现近视不同屈光度分组间球差差异，球差与等效球镜度呈负相关。Wan等[8]对中国农村31~86岁成年人群的像差统计，同样发现不同屈光度组间球差有统计学意义。随着近视等效球镜度负向增加或眼轴长度(axial length，AL)增加，球差数值向负向增加或正向减少，高度近视由于内部像差的增加球差明显高于正视眼[19]。

也有研究表明，球差与近视程度不相关。Li等[20]发现在7~13岁儿童中三个屈光组在自然调节状态的球差相似，球差与等效球镜度间无明显相关。Yazar等[21]通过对1040例(2039眼)青年(平均年龄20岁)的像差分析，发现不同屈光度分组间球差结果没有差异。黄等[22]对18~36岁共102例(204眼)青年的像差分析，球差与等效球镜度及眼轴长度无相关性。

球差与近视的关系受年龄、调节等混杂因素影响，统计学方法的差异也可能使结果不同，去除混杂因素后研究多认为球差与近视程度相关。Lau等[15]对137名香港儿童(平均年龄8.8±1.4岁)为期2年的纵向研究，通过重复测量及控制混杂因素，发现球差Z(4，0)等高阶像差可通过降低视网膜成像质量而促进眼轴生长，模型二预测球差Z(4，0)RMS值增加0.1μm眼轴增长减少0.13mm/年，支持球差在视觉发育过程中的潜在作用。Julie等[14]发现在9~10岁、15~16岁青少年中球差Z(4，0)最主要高阶像差，多元回归分析提示随着球差负向增大，眼轴长度增长，球差与近视进展相关。李婧等[23]对7~16岁120例(239眼)儿童随访发现，1年内球差Z(4，0)与屈光度增量呈负相关，但将年龄作为协变量分析，球差Z(4，0)与屈光度变化间未见相关(P=0.227)。

球差与近视程度相关关系结果差异，原因与样本量大小、受试者年龄、睫状肌麻痹药物使用、屈光度范围、眼别及统计分析等相关。多数研究为横断面研究，结论球差与近视程度相关，不能得出球差与近视因果关系。

4 球差与近视进展

儿童处于屈光发育期，更易受到视网膜图像质量下降的影响，球差在儿童近视进展中意义较大。Hiraoka等[24]研究64例6~12岁儿童2年内高阶像差与近视进展的关系，发现总角膜高阶像差较大的受试者近视进展及眼轴增长均较小，角膜高阶像差如球差、慧差等在儿童屈光和眼部发育过程中起作用。Philip等[16]在对166名的正视青少年[平均年龄(12.63±0.48)岁]随访发现，5年后屈光度近视性改变的患者球差Z(4，0)下降，屈光度未改变的者球差Z(4，0)增加，即近视进展者球差Z(4，0)负向增大。但Vasudevan等[25]观察20~26岁青年人近距离工作9个月，发现虽然等效球镜度前后变化有意义，但末次球差与基线球差数值间无差异，但因研究未使用睫状肌麻痹后屈光度数值进行分析，因此不能得到准确的等效球镜度变化进行分析。在儿童中球差Z(4，0)负向增大、近视进展增加，球差正向增大可减慢近视进展。在成年人中球差和近视进展的关系需要进一步研究。

5 球差与近视防控

用于近视防控的多焦点软性角膜接触镜、角膜塑形镜具有良好的近视防控效果，不同屈光矫正方式矫正后像差不同，角膜接触镜配戴后球差大小改变。

5.1 引入球差的软性角膜接触镜

软性角膜接触镜中球差的引入，可改善视敏度(visual acuity，VA)和聚焦深度(depth of focus，DOF)获得更好的视觉质量，调节反应及视网膜周边离焦状态发生变化。有报道球差在0.07~0.10μm间主观聚焦深度和客观对比敏感度达到平衡[26]。

传统的球面或非球面设计的角膜接触镜，配戴后角膜球差负向增大，诱发调节反应使球差再次负向增大[27]。Moore等[28]通过对中心及沿水平子午线的方向屈光度及像差测量，发现球面软性角膜接触镜引起球差发生负向变化，影响视网膜周边远视离焦。Cheng等[29,30]对109名8~11岁儿童观察1年，发现正球差软性角膜接触镜配戴后降低了调节反应，在球差正向增大的眼球中相对周边远视离焦减小，可延缓近视发展，但大部分治疗效果发生于前6个月内。正球差引入可能使角膜接触镜短期内有防控近视的效果，由于球差具有可变性，镜片的设计及更换不及时可能导致结论并不准确。

5.2 多焦点软性角膜接触镜

多焦点软性角膜接触镜(multifocal contact lenses，MFCLs) 配戴后总高阶像差及球差增加，角膜球差正向增加，内部球差负值增大。青年人群配戴多焦点接触镜后中心镜片球差为正、中心轴上较小的调节需求，近中心球差为负形成视网膜周边近视离焦，减慢眼轴增长[31]。多焦点软性接触镜的近视防控与球差分布、视网膜周边离焦状态密切相关[32]。

5.3 角膜塑形镜

角膜塑形镜(Orthokeratology，Ortho-k)是目前最有效的控制近视进展的光学方法。角膜塑形镜配戴后角膜中央上皮厚度及中周厚度变化，角膜球差增加，提高裸眼视力(uncorrected visual acuity，UCVA)和高空间频率对比敏感度，调节功能也得到改善[33]。

配戴角膜塑形镜前后高阶像差发生明显改变，但与延缓眼轴增长的像差改变尚存在争议。近视防控效果更佳的受试者中，球差、垂直慧差、三叶草差有明显改变[34,35]。有研究发现[36]受试者配戴角膜塑形镜后高阶像差、球差、慧差分别较基础值增加了3倍、9倍、2倍，并推测近视眼中球差增加可能是减慢眼轴增长的机制。Batres等[37]进行了前瞻性研究，发现角膜塑形镜组中角膜正球差增加，晶状体负球差增加。Faria等[38]报道了17-30岁人群配戴角膜塑形镜后初级球差及次级球差系数分别增加3.68和19倍，且球差与光学治疗区有强相关。Lau等[39]发现角膜塑形镜中增加压缩因子后初级球差等像差增加，初级球差的增加与等效球镜度的降低相关，侧面印证了球差与近视进展间关系。Santodomingo等[40]发现球差与眼轴增长无明显相关，提出角膜正球差增加可能为近视进展减慢的部分原因。球差在角膜塑形镜配戴前后有较大变化，目前研究认为在角膜塑形镜的配戴过程中球差增加可能与延缓近视进展有关。

6 小结

不同程度近视人群中高阶像差无统计学差异。较多研究表明在不同年龄、屈光度人群中球差存在差异，球差与近视程度或眼轴长度相关。目前研究多为横断面观察性研究，需进一步大样本的纵向研究，探究球差与近视进展因果关系及矫正球差进行近视防控的必要性。