基于体外光学质量测试设备的非球面人工晶状体光学性能评价

谢丽暄 廖萱 兰长骏 谭青青 潘若琳 唐玉玲 秦苏云 王艳

1川北医学院附属医院眼科 川北医学院眼视光医学院,南充 637000;2成都东区爱尔眼科医院,成都 610056

近年来,人工晶状体(intraocular lens,IOL)材料和设计不断更新,同时IOL眼内位置对其光学性能的影响也值得关注[1-2]。IOL的理想位置是居于囊袋内且中心与视轴重合,但由于患者眼部解剖结构、IOL特性和手术操作等因素,IOL不可避免地发生偏心和倾斜。轻微的IOL偏心和倾斜不会引起患者明显的主观不适,但一定程度的偏心和倾斜可能导致近视漂移、斜向散光、彗差等高阶像差增加、最佳矫正视力下降和视觉质量下降等[1-3]。通常情况下,角膜的球差为正值且相对稳定,6.0 mm瞳孔直径下约为+0.27 μm,而晶状体的球差为负值,2个光学系统之间呈相互补偿的理想状态[4]。然而随着年龄增长,晶状体的球差逐渐从负值变为正值,导致全眼总球差增加和视觉质量下降[5-6]。目前,临床上非球面IOL应用广泛,如散光矫正型、老视矫正型IOL等,其光学性能的影响程度与非球面IOL的球差值紧密相关[7-8]。本研究团队在前期临床研究中发现,植入囊袋的单焦点非球面IOL,如SN60WF和A1-UV存在不同程度的偏心和倾斜,然而其在患者视力、对比敏感度和视觉质量方面并未显示出临床意义上的差异,这说明术后轻度的IOL偏心和倾斜对患者来说是可以良好耐受的[9-10]。既往关于IOL偏心和倾斜对视觉质量影响的研究大多为体内研究,容易受到个体差异、光学介质和患者主观感受的影响,具有一定的局限性,因此难以确切地评价偏心、倾斜和瞳孔大小等因素的影响[11];另一方面,一些体外研究依赖光学设计软件,如ZEMAX、OSLO等,得到的结果可能与真实值存在一定差异[12-13]。光学测试设备OptiSpheric IOL R&D能够根据不同研究目的来设置光学参数,对功能性IOL进行光学性能评估,能更客观、准确地评价IOL的光学性能[7-8,14]。据了解,目前已有关于不同球差IOL体外光学性能比较的研究,但不同光学设计对IOL光学性能的影响尚不清楚[7,13,15]。因此,本研究拟采用OptiSpheric IOL R&D设备比较2种具有相同负球差值但不同平台设计的非球面IOL的光学性能,旨在从光学层面为临床个性化选择IOL提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1实验IOL (1)非球面蓝光滤过型IOL AcrySof IQ SN60WF(美国Alcon公司)由疏水性丙烯酸酯制成,基于AcrySof一片式平台设计,全长13.0 mm,球差为-0.20 μm,光学区直径为6.0 mm,襻为改良型的L型。(2)非球面非蓝光滤过型IOL Proming A1-UV(北京爱博诺德医疗科技股份有限公司)由疏水性丙烯酸酯制成,可折叠一片式,全长13.0 mm,球差为-0.20 μm,光学区直径为6.0 mm,襻为改良型的L型,采用“高次”非球面设计,能够补偿球差、彗差、三叶草像差等,是全像差补偿型IOL。

1.1.2主要仪器 体外光学质量测量设备OptiSpheric IOL R&D(德国Trioptics GmbH公司),设备的设置和测量符合国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)11979-2[16]和11979-7[17]规定的指南;紫外可见分光光度计UV-3300(上海美谱达仪器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1光谱透射比的测量 设置紫外可见分光光度计UV-3300测试孔径光阑直径为3.0 mm,IOL放置在充满0.9%氯化钠溶液的石英比色皿中,确保IOL光学区与固定支架平行,将石英比色皿放入分光光度计吸收池支架中,在光检测器前面放置1个辅助积分球,以收集IOL折射的所有光,测量300～700 nm波长范围内IOL的光谱透射比,即透射光通量与入射光通量之比。

1.2.2不同偏心和倾斜程度下的调制传递函数和USAF分辨率测试图测量 通过OptiSpheric IOL R&D自检校正后开始测量,35 ℃下将IOL置于折射率为1.336(接近房水和玻璃体液的折射率)的0.9%氯化钠溶液中平衡至少30分钟。设置OptiSpheric IOL R&D孔径大小为3.0 mm和4.5 mm,分别模拟60岁以上患者明视和暗视条件下的瞳孔大小[18];分别在居中,偏心0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 mm,倾斜3°、5°、7°、9°和11°条件下测试IOL 0～150 lp/mm空间频率下的调制传递函数(modulation transfer function,MTF)值并拍摄最佳远焦点处的USAF图像。通过测量探测器(由物镜显微镜镜头和集成自动对焦的高分辨率电荷耦合设备相机组成)捕获测试IOL所投射目标的焦点平面,将捕获的图像生成线扩散函数,以反映光学系统重现无限小细缝图像的能力;通过傅里叶变换技术将细缝图像的截面强度分布计算成MTF值。同一特定条件下重复测量3次,取平均值。本实验采用的IOL均为旋转对称性IOL,故取矢向MTF值和切向MTF值进行分析。

1.3 评价指标

1.3.1光谱透射比 光谱透射比越大,表明物质对光的吸收越弱;反之,光谱透射比越小,表明物质对光的吸收越强。

1.3.2MTF MTF反映光学系统对不同空间频率的响应能力,MTF值越高,透镜的光学质量越好。50和100 lp/mm空间频率下的MTF值分别相当于20/40(Snellen)和20/20(Snellen)的视力[19]。

1.3.3USAF分辨率测试图 用于测试光学成像系统的分辨能力,可定性地比较不同光学系统的光学性能。

1.3.4离焦曲线 通过MTF随焦距响应试验得到,以反映IOL焦深范围。

2 结果

2.1 SN60WF IOL与A1-UV IOL的光谱透射比比较

SN60WF和A1-UV对400 nm波长光的光谱透射比分别为7.01%和95.09%,对440 nm波长光的光谱透射比分别为43.76%和97.62%,对480 nm波长光的光谱透射比分别为78.51%和97.84%;2种IOL对600 nm及以上波长光的光谱透射比相一致。与A1-UV比较,SN60WF能明显减少400～500 nm波长的蓝光透过(图1)。

图1 SN60WF IOL和A1-UV IOL的光谱透射比曲线

2.2 SN60WF IOL与A1-UV IOL在不同空间频率下MTF值比较

当孔径为3.0 mm时,ISO-1角膜测量条件下,居中位置A1-UV IOL 100 lp/mm空间频率的MTF值大于SN60WF IOL,而在ISO-2角膜测量条件下2种IOL 100 lp/mm频率MTF值接近;4.5 mm孔径各角膜条件下2种IOL 0～150 lp/mm空间频率MTF值较3.0 mm孔径均有不同程度下降。当IOL发生偏心和倾斜时,ISO-1和ISO-2角膜测量条件下2种IOL各空间频率的MTF值均下降;随着偏心和倾斜量的增加,MTF降幅增大。在3.0 mm孔径ISO-1角膜测量条件下,A1-UV偏心0.3 mm时MTF曲线较居中时变化很小,100 lp/mm空间频率时A1-UV的MTF值由居中位置的0.598降为偏心0.3 mm的0.571,倾斜3°时的MTF曲线与居中位置的MTF曲线基本保持一致;而SN60WF出现0.3 mm偏心和3°倾斜时MTF曲线发生较明显改变。除4.5 mm孔径ISO-1角膜测量条件外,A1-UV发生相同程度偏心和倾斜后各空间频率的MTF值下降较SN60WF更为缓慢。随着孔径的增大,IOL偏心和倾斜后MTF值和MTF 曲线下降更为显著(图2,3,表1,2)。

表1 不同空间频率下SN60WF IOL和 A1-UV IOL各偏心程度下的MTF值Table 1 MTF values of SN60WF IOL and A1-UV IOL under different degrees of decentration at different spatial frequencies空间频率角膜条件IOL3.0 mm孔径下MTF值4.5 mm孔径下MTF值居中偏心0.3 mm偏心0.5 mm偏心0.7 mm偏心0.9 mm偏心1.1 mm居中偏心0.3 mm偏心0.5 mm偏心0.7 mm偏心0.9 mm偏心1.1 mm50 lp/mmISO-1A1-UV0.7800.7650.6990.5960.4760.3040.7050.6020.4870.3930.3430.313SN60WF0.7840.6980.5840.5110.4670.3560.5710.5160.4500.3990.3550.319ISO-2A1-UV0.7640.7260.6660.5200.3620.2750.5960.4480.3450.2420.1750.143SN60WF0.7720.6960.5600.3640.2000.1330.6680.3680.2200.1160.0800.072100 lp/mmISO-1A1-UV0.5980.5710.4490.2980.1720.0940.4040.2480.1650.0940.0670.056SN60WF0.5760.4140.2640.2390.2070.1450.2380.2470.2590.2400.2020.174ISO-2A1-UV0.5630.5120.4370.2810.1880.1470.3390.2470.1590.0880.0550.041SN60WF0.5640.4380.2760.1410.0670.0430.4380.1990.0920.0420.0250.022 注:IOL:人工晶状体;MTF:调制传递函数;ISO:国际标准化组织;ISO-1:模型角膜球差为0 μm;ISO-2:模型角膜球差为+0.28 μm Note:IOL:intraocular lens;MTF:modulation transfer function;ISO:International Organization for Standardization;ISO-1:model corneal spherical aberration of 0 μm;ISO-2:model corneal spherical aberration of +0.28 μm

表2 不同空间频率下SN60WF IOL和A1-UV IOL各倾斜程度下的MTF值Table 2 MTF values of SN60WF IOL and A1-UV IOL under different degrees of tilt at different spatial frequencies空间频率角膜条件IOL3.0 mm孔径下MTF值4.5 mm孔径下MTF值无倾斜倾斜3°倾斜5°倾斜7°倾斜9°倾斜11°无倾斜倾斜3°倾斜5°倾斜7°倾斜9°倾斜11°50 lp/mmISO-1A1-UV0.7800.7810.7440.6410.5130.4490.7050.5500.3550.3220.2470.194SN60WF0.7840.7570.6840.5420.4940.4530.5710.5140.3860.2960.2600.207ISO-2A1-UV0.7640.7410.6820.5800.5390.4860.5960.5370.4700.4450.3920.344SN60WF0.7720.7530.6720.5250.4650.4070.6680.5720.4910.3700.3160.272100 lp/mmISO-1A1-UV0.5980.5970.5380.3740.2680.2030.4040.2110.1380.1170.1240.091SN60WF0.5760.5220.4100.3270.2630.2160.2380.2100.1290.1020.1310.106ISO-2A1-UV0.5630.5310.4540.3640.3130.2710.3390.3360.2940.2710.2270.194SN60WF0.5640.5320.4340.3040.2390.1910.4380.3280.2480.2010.1660.136 注:IOL:人工晶状体;MTF:调制传递函数;ISO:国际标准化组织;ISO-1:模型角膜球差为0 μm;ISO-2:模型角膜球差为+0.28 μm Note:IOL:intraocular lens;MTF:modulation transfer function;ISO:International Organization for Standardization;ISO-1:model corneal spherical aberration of 0 μm;ISO-2:model corneal spherical aberration of +0.28 μm

图2 各孔径及角膜条件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同偏心程度的空间频率MTF变化曲线 A:3.0 mm孔径ISO-1角膜条件下 B:4.5 mm孔径ISO-1角膜条件下 C:3.0 mm孔径ISO-2角膜条件下 D:4.5 mm孔径ISO-2角膜条件下 MTF:调制传递函数

图3 各孔径及角膜条件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同倾斜程度的空间频率MTF变化曲线 A:3.0 mm孔径ISO-1角膜条件下 B:4.5 mm孔径ISO-1角膜条件下 C:3.0 mm孔径ISO-2角膜条件下 D:4.5 mm孔径ISO-2角膜条件下 MTF:调制传递函数

2.3 SN60WF IOL与A1-UV IOL的USAF分辨率测试图成像质量比较

在3.0 mm孔径下,偏心0.3 mm或倾斜3°范围内,2种IOL在ISO-1和ISO-2角膜测量条件下的USAF分辨率测试图均能保持较清晰的成像质量,而当偏心达0.5 mm或倾斜达5°以上时,2种IOL的成像质量逐渐衰减,在ISO-1角膜测量条件下所得的各IOL分辨率测试图均优于ISO-2角膜条件,与相同条件下SN60WF相比,A1-UV的分辨率测试图更佳;在4.5 mm孔径下,偏心0.3 mm或倾斜3°时SN60WF的成像质量即开始下降,而A1-UV的分辨率测试图优于SN60WF(图4,5)。

图4 不同孔径和角膜条件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同程度偏心的USAF分辨率测试图 A:3.0 mm孔径 B:4.5 mm孔径 USAF分辨率测试图于最佳远焦点处拍摄 ISO:国际标准化组织;ISO-1:模型角膜球差为0 μm;ISO-2:模型角膜球差为+0.28 μm

图5 各孔径和角膜条件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同程度倾斜的USAF分辨率测试图 A:3.0 mm孔径 B:4.5 mm孔径 USAF分辨率测试图于最佳远焦点处拍摄 ISO:国际标准化组织;ISO-1:模型角膜球差为0 μm;ISO-2:模型角膜球差为+0.28 μm

图6 不同孔径及角膜条件下SN60WF IOL和A1-UV IOL的离焦曲线 A:3.0 mm孔径 B:4.5 mm孔径 MTF:调制传递函数;ISO:国际标准化组织;ISO-1:模型角膜球差为0 μm;ISO-2:模型角膜球差为+0.28 μm

2.4 SN60WF IOL和A1-UV IOL离焦曲线比较

当孔径为3.0 mm时,SN60WF和A1-UV在离焦为0的情况下均有较好的MTF,焦深范围基本相同,离焦曲线在正负方向对称,在ISO-2角膜测量条件下的焦深范围较ISO-1角膜略减小,离焦MTF降低;4.5 mm孔径时ISO-1和ISO-2测量条件下SN60WF和A1-UV的离焦MTF较3.0 mm孔径时均降低;ISO-1角膜测量条件下,A1-UV的离焦MTF大于SN60WF,而ISO-2测量条件下则相反;A1-UV和SN60WF的离焦曲线均未因孔径的增大而出现明显偏移,最佳MTF出现在-0.25～+0.25 D(图 6)。

3 讨论

蓝光是一种高能量可见光,分为400～440 nm的紫色光谱和440～500 nm的蓝色光谱[20-21]。研究表明蓝光可通过影响松果体的褪黑素分泌,在人类昼夜节律中发挥重要作用,和紫外线一样也可能对视网膜光感受器和色素上皮细胞产生光毒性[22-23]。本实验结果表明相较于非蓝光滤过型IOL A1-UV,蓝光滤过型IOL SN60WF能有效滤过波长在400～500 nm的蓝光。

本研究采用光学质量测试设备OptiSpheric IOL R&D球差分别为0 μm(ISO-1)和+0.28 μm(ISO-2)的模型角膜对2种相同负球差值的非球面IOL进行测试,评估其在不同程度偏心和倾斜状态下的成像质量。根据ISO 11979-2的规定[16],对于单焦点IOL,本研究着重对100 lp/mm空间频率下的MTF值进行分析。本研究结果显示,在光学实验台上不同角膜测量条件下IOL的光学性能不同。3.0 mm孔径下,ISO-1角膜测量条件A1-UV和SN60WF居中位置50 lp/mm和100 lp/mm空间频率时的MTF值均较ISO-2角膜测量条件下升高。不考虑人眼角膜球差时,在50 lp/mm空间频率时2种IOL光学质量非常接近,而在100 lp/mm空间频率时A1-UV相较于SN60WF展现出更优越的细节分辨率;当考虑人眼角膜球差时,明视条件下100 lp/mm空间频率时A1-UV和SN60WF在居中位置展现出相似的光学特性,当发生相同程度的偏心或倾斜时,相比于SN60WF,A1-UV在各空间频率的MTF值下降较为缓慢。随着孔径的增大,IOL偏心或倾斜对光学质量的影响更加显著。近期的一项研究比较了AcrySof IQ Vivity IOL(美国Alcon公司)与其同平台单焦点IOL(球差值均为-0.20 μm)在+0.135、+0.290和+0.540 μm角膜球差下的光学质量和光晕,结果表明在4.5 mm孔径下,随着角膜球差的增加,景深延长型和单焦点IOL MTF曲线峰值均降低,诱导的光晕增大,IOL光学质量下降,而在3.0 mm孔径下角膜球差的增加似乎未明显改变IOL的光学质量[24],这与本研究结论相似。此外,本研究发现当2种IOL偏心0.3 mm或倾斜3°时,尽管100 lp/mm空间频率时的MTF值下降,但是USAF分辨率测试图均能保持清晰的成像质量。在4.5 mm孔径时,尽管ISO-1测量条件下SN60WF偏心0.7 mm以内和ISO-2测量条件下A1-UV倾斜3°以内在100 lp/mm空间频率时的MTF值与居中位置相比变化较小,但其在0～50 lp/mm空间频率的MTF值较居中位置却大幅度下降,USAF分辨率测试图成像质量也发生衰减,这是因为100 lp/mm仅为空间频率的1个点并不能说明整体变化趋势,因此总体上IOL最佳远焦点的MTF曲线与USAF分辨率测试图的变化结果一致。

本研究结果显示,与SN60WF相比,A1-UV在抗偏心和倾斜性能方面具有一定优势,这与曹广梁等[25]的研究结果一致,推测这可能与A1-UV的高次非球面设计有关,其可以补偿角膜球差和各类非对称像差,从而改善IOL偏心或倾斜后的视觉质量。需要注意的是,相较于倾斜,偏心对IOL光学质量的下降影响更为显著。Lacort等[13]基于Atchison模型眼(角膜球差为+0.242 μm)使用光学设计软件(OSLO 2022 EDU Edition 22.1,美国Lambda Research 公司)评估不同球差IOL的光学性能,结果显示球差为-0.214 μm的IOL发生倾斜对成像质量影响较偏心小且倾斜产生的离焦、散光和彗差较少受到IOL设计的影响。Borkenstein等[8]在比较不同球差设计的单焦点IOL的光学性能时也指出,当使用球差为+0.28 μm(ISO-2)的人工角膜时,负球差单焦点IOL较球面单焦点IOL对偏心和倾斜更敏感,这取决于IOL的球差,与本研究结果基本一致。光学实验台可以根据研究目的设置不同参数以消除可能混淆在体测量的受试者之间的变异性和生理变量。

本研究仍存在一定局限性:(1)本研究结果仅描述了IOL的体外光学性能,而不同的眼部条件和神经适应也会影响最终的成像质量;(2)本研究仅使用单色光研究了光学质量,未考虑纵向和横向色差的影响,也未考虑Kappa角引起的几何像差的影响,获得的数据适用于最佳聚焦条件,不一定反映IOL在一系列聚散度上的性能;(3)受限于OptiSpheric IOL R&D体外测试设备,仅能通过MTF值(定量指标)和USAF分辨率测试图(定性指标)来评价3.0 mm和4.5 mm孔径下IOL的光学性能,该设备目前尚无法测得IOL的点扩散函数,不能反映IOL在大孔径条件下产生的眩光。

目前,不同制造商设计的IOL具有各自的优点和局限性,角膜球差的改变会影响IOL的光学特性,这也为角膜屈光术后白内障超声乳化吸除联合IOL植入提供了一定参考。临床医生可综合考虑IOL体内和体外研究结果,为术后可能出现IOL偏心和倾斜的患者选择具有特殊设计抗偏心和倾斜能力的IOL,以提升视觉质量。体外实验研究需考虑真实的人眼环境,不可忽略温度和角膜球差对IOL光学性能的影响,未来的研究可以呼吁制造商提供大于6.0 mm孔径的配套条件,并使用OptiSpheric IOL R&D的升级设备OptiSpheric IOL Pro Ⅱ得到复色光条件下的点扩散函数、眩光状态下的MTF等相关数据亦或者通过连接WaveMaster波前像差测量仪,对IOL的点扩散函数和泽尼克系数进行测量,进一步评估大孔径下偏心和倾斜对IOL光学性能的影响,这将有助于预测IOL在真实人眼环境中的视觉质量。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明谢丽暄:参与选题与研究设计、数据采集、分析/解释数据、文章撰写;廖萱、谭青青:审阅和修改论文;兰长骏:研究设计、数据分析、论文修改、对文章知识性内容作批评性审阅及定稿;潘若琳、唐玉玲、秦苏云、王艳:参与选题与研究设计、资料分析和解释