体外光学质量测试系统对IOL光学质量评估应用的研究进展

潘若琳 综述 廖萱 兰长骏 审校

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

功能性人工晶状体(intraocular lens,IOL)的设计较普通IOL更为复杂,体外光学质量测试和体内视觉质量评价有助于加深对其光学参数和性能的认识,是临床应用前不可或缺的环节。体外光学质量测试系统主要包括光学测试平台和光学设计软件2类,可用于各种IOL研究,探索不同因素对IOL光学质量的影响[1-2]。与体内检测相比,体外光学质量测试不受患者个体差异、光学介质、主观感受和其他复杂因素的干扰,测试结果更客观和准确,获取信息更全面和充分[3-4]。近年来体外光学质量测试系统不断发展和改进,在IOL方面的研究也越来越广泛,本文对此进行综述。

1 IOL光学质量的体外评价指标

IOL光学质量的体外评价包括定量评价和定性评价。定量评价常用的指标包括点扩散函数、调制传递函数(modulation transfer function,MTF)、斯特列尔比(streh ratio,SR)、波前像差等,其中MTF最常用[1,5-7]。定性评价主要有美国空军分辨率测试图(又称USAF分辨率测试图)和Badal图像,其中前者由不同大小的横竖线和数字组成,可反映切向和矢向从低到高空间频率的成像质量,后者使用的ETDRS视力字母表最小一行与Snellen视力表的20/12行视力相对应[1,8]。2种测量指标各有其优点,定量指标更准确而定性指标更直观,综合应用这2种方法可以更全面地评估IOL的光学质量。

2 IOL体外光学质量测试系统

光学测试平台和光学设计软件可分别对IOL的光学质量进行实验测量和数值模拟。

2.1 光学测试平台

2.1.1OptiSpheric®IOL PRO OptiSpheric®IOL PRO(德国TRIOPTICS GmbH公司)是目前国际上认可度较高的一款体外光学质量测量设备,该设备包括由多色光源和光谱滤波器组成的照明系统、准直仪、测试靶标(包括十字线和USAF分辨率测试图等)、模型眼(包括不同球差设计的模型角膜和放置待测IOL的湿房),以及显微镜物镜和电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相机等组件构成的成像系统[9-10]。测量IOL光学质量时,准直仪将出射光转换为平行光,经由光阑(包括以0.5 mm为间隔的从1～5 mm的多种直径,以模拟不同瞳孔直径)到达模型眼,经显微镜在CCD相机上成像[1,11],如图1所示。其中,为保证IOL无倾斜,在放置IOL的湿房设置有一直径为11～13 mm的IOL支架。该设备可测量MTF值、USAF分辨率测试图等,在一定瞳孔直径大小和焦平面条件下,检测IOL经十字线成像的线扩散函数,通过傅里叶变换得到MTF值,MTF的测量精度为±2%;USAF分辨率测试图的测量条件与MTF相同,只是将测试靶标由十字线换成了USAF分辨率测试图。

图1 OptiSpheric® IOL PRO光学台示意图 IOL:人工晶状体

利用该设备可以分析和比较不同IOL的光学性能,并探索影响IOL光学性能的因素,有助于了解瞳孔大小、偏心量和倾斜度等因素对不同IOL光学质量的影响[1,9-15]。Tandogan等[10]利用该设备进行了一系列体外光学实验,首先测量了非球面IOL C-flex 970 C(英国Rayner公司)和球面IOL C-flex 570 C(英国Rayner公司)的MTF曲线,显示非球面IOL的光学质量优于球面IOL,并且在较大瞳孔直径时这种优势更为明显。这与以往的临床研究结论一致,验证了利用OptiSpheric®IOL PRO进行IOL体外研究结果的可靠性,也为IOL设计的改进提供了思路[16]。随后,他们又比较了德国Carl Zeiss Meditec AG公司的单焦点IOL CT ASPHINA 409 M、双焦点IOL AT LISA 809 M和三焦点IOL AT LISA Tri 839MP的体外光学质量,发现单焦点IOL在远焦点处的光学质量最好,双焦点和三焦点IOL分别在近焦点和中焦点处表现更佳。另外,瞳孔大小会影响IOL的光能利用,当瞳孔直径为3.0 mm时,三焦点IOL的光损失少于双焦点IOL,直径为4.5 mm时,则情况相反,但无论瞳孔大小,单焦点IOL的光损失在3种焦点设计的IOL中均最小[14]。了解不同焦点设计的IOL远、中、近焦点光学特性,有助于医生根据患者的生活需求个性化选择IOL。

该设备还可与含有荧光素和绿色激光的实验装置联用,在测量IOL的光学质量时实现射线可视化。Son等[17]利用这种联合装置比较了2种连续视程型 IOL AT LARA 829MP(德国Carl Zeiss Meditec公司)和AM2UX(中国Eyebright公司)的光学性能,结果表明在单色光照射且模型角膜零球差的测试条件下,AM2UX表现为低附加度的双焦透镜;在低离焦度(2 D以下)时,AT LARA 829MP的图像质量优于AM2UX,而当离焦度为2～3 D时,AM2UX的图像质量更好。射线可视化技术的应用使体外光学测试的结果更加直观,便于比较不同类型IOL的光学质量,也为体外研究方法的改进提供了新思路。

另外,Liu等[18]利用该设备测量不同方向的偏心和倾斜对旋转非对称区域多焦点IOL SBL-3(美国Lenstec公司)光学性能的影响,研究结果表明偏心和倾斜的方向、大小以及瞳孔直径都会影响旋转非对称多焦点IOL的光学质量。当SBL-3居中时,大瞳孔直径(4.5 mm)下的光学质量更好;向视近区偏心时,近焦点处的光学质量提高,但远焦点处光学质量下降,而向视远区偏心时,则结果相反。这种影响在小瞳孔直径(3.0 mm)状态比大瞳孔直径(4.5 mm)时更明显。当SBL-3向视近区倾斜时,近焦点处光学质量较远焦点处下降更明显;而向视远区倾斜时,则结果相反。这种影响在大瞳孔直径(4.5 mm)状态比小瞳孔直径(3.0 mm)状态更明显。研究提示,非对称设计的区域多焦IOL偏心和倾斜对光学质量的影响更为复杂,此类IOL植入后居中性和倾斜度控制更为重要。

2.1.2Badal Optometer Badal Optometer(英国Image Science公司)是一个含模型眼的MTF工作台。该光学测试平台包括光纤照明器、滤光片和扩散器组成的照明系统、投射透镜、靶标(十字线和ETDRS视力字母表等)、Badal透镜(焦距100 mm)、模型眼(模型角膜和放置待测IOL的湿房)和CCD相机等[19],光路图如图2所示。该平台可测量MTF值等定量指标,靶标为十字线,算法与傅里叶变换相关;其测量的定性指标为Badal图像,测量条件同MTF,只是通过将靶标转换为ETDRS视力字母表[20-21]。

图2 Badal Optometer示意图 IOL:人工晶状体

Badal Optometer可用于评估IOL的光学质量[8,19-21]。Carson[8]等利用该仪器测量了Acrysof IQ Panoptix TFNT00(美国Alcon公司)、AT LISA Tri 839MP(德国Carl Zeiss Meditec AG公司)和Finevision Micro F(比利时PhysIOL公司)3种三焦点IOL的体外光学质量,发现AT LISA Tri 839MP和Finevision Micro F的最佳中视力焦点在80 cm处,而Acrysof IQ Panoptix TFNT00在60 cm处。该研究提示,不同三焦点IOL的最佳中视力焦点位置不同,医生需根据患者的中距用眼习惯选择合适的IOL,大部分亚洲人可能更适合Panoptix。该团队还比较了三焦点IOL AcrySof IQ PanOptix TFNT00(美国Alcon公司)和近附加为+3.0 D的双焦点IOL AcrySof IQ ReSTOR SN6AD1(美国Alcon公司)的光学质量,发现在远、近焦点处,二者光学质量相当;而在最佳中视力焦点处,PanOptix的光学性能则要优于后者[21]。由此可见相比于双焦点IOL,三焦点IOL提供的清晰视程更广,也更适合日常生活中有读书写字、电脑办公以及开车等中距离视物需要的患者。另外,该仪器与全角度散射仪联合应用时,可用于评估离体IOL的前散射、杂散光和其他光学质量指标,有助于了解不同材质IOL植入人眼一定时间后视觉质量的变化[20,22]。

2.1.3PMTF PMTF光学测试平台(比利时Lambda-X公司)使用基于相移原理的专利定量偏转技术测量,能够根据光束的偏差值精确测量波前像差,从而评估IOL的光学质量[23]。其构成与上述光学平台类似,尤其是OptiSpheric®IOL PRO,包括照明系统、测试靶标(十字线和USAF分辨率测试图等)、准直透镜(由L1、L2和L3组成)、光阑、放置待测IOL的模型眼,以及成像系统(由显微镜物镜和CCD相机组成)等。其中照明系统配备了480 nm、546 nm和650 nm这3种不同波长的单色光源[24],光路图如图3所示。该平台可测量MTF值、MTF曲线、SR值和USAF分辨率测试图等指标[23,25]。MTF值的测量在一定瞳孔大小和焦平面下进行,测量靶标是十字线,允差范围小于5%,测量USAF时的设置与测量MTF时相同,只是将十字线替换为USAF分辨率测试图[26-27]。

图3 PMTF光学工作台示意图 IOL:人工晶状体

该光学测试平台可用于探索不同因素对IOL光学质量的影响[25-26],Can等[25]利用该设备证实,IOL的折射和衍射光学元件产生了相反的色差效应,并且二者产生的色差效应可以部分或完全补偿。另外,该设备还可与光学设计软件联合应用,评估偏心和倾斜对所设计的各IOL光学质量的影响,Perez-Gracia等[28]利用商业光学设计软件OSLO和PMTF光学测试平台分别对IOL偏心和倾斜时的光学质量进行数值模拟和实验测量。先由光学设计软件OSLO设计4种IOL:球面IOL和非球面IOL A、B、C,其中球面IOL为正球差,非球面IOL A和C为负球差,A的负球差值高于C,B为零球差。经数值模拟发现,非球面IOL对偏心和倾斜的敏感性高于球面IOL,偏心引起的光学质量下降对具有较高负球差设计的IOL影响更大,而不同球差值的IOL倾斜时光学质量下降差异不明显,较大负球差且较低度数的IOL对倾斜的耐受更好。实验测量仅比较了+20 D的各IOL的光学质量,结果与数值模拟相似。该研究表明,相比于较小负球差设计的IOL,较大负球差设计的IOL抗偏心能力更差,IOL复杂的光学特性提示,在研究其光学性能时应进行多方面综合分析,也为IOL的球差设计提供了参考。综上,PMTF光学测试平台不仅可用于比较各种IOL的光学性能,还可用于研究IOL的偏心量和倾斜度等对光学质量的影响。

2.1.4NIMO NIMO光学测试平台(比利时Lambda-X公司)采用相移纹影技术,该技术也是通过测量光束偏差值得到波前像差数据,以分析IOL等的光学特性[29-30]。该光学测试平台包括由光源、扩散器和±10 nm带宽的滤光片组成的照明系统、准直透镜L1、放置待测IOL的湿房、透镜L2和L3、光阑、CCD相机等[6,31],如图4所示。其中,出射光波长为546 nm,瞳孔直径大小由计算机输入控制,最大至8 mm。该设备无法测量定性指标,但可测量定量指标MTF值等,MTF值由基于Matlab的定制应用程序(美国Mathworks公司)从实验波前数据中计算得到[5]。

图4 NIMO光路示意图

该设备可对不同光学设计的IOL和角膜接触镜的Zernike系数进行精确测量,评估其是否符合设计规范等[5,29,32]。

Madrid-Costa等[6]利用该设备比较了新型零球差设计IOL EnVista(美国Bausch&Lomb公司)和负球差设计IOL AcrySof IQ SN60WF(美国Alcon公司)的光学质量,发现当存在角膜像差时,后者的光学性能更佳。该研究提示,为使更广泛患者群体获得更好的术后视觉质量,可考虑开发不同球差设计的EnVista,也为其他IOL的球差设计提供了参考。Ferrer-Blasco等[29]利用该设备探讨单焦点非球面散光矫正型IOL的体外光学质量随散光度数变化的规律,通过测量AcrySof IQ Toric IOL SN6A T2、SN6A T3、SN6A T4、SN6A T5和SN6A T6(美国Alcon公司)的光学质量,发现AcrySof IQ Toric的光学性能不受柱镜度数大小的影响。Perez-Vives等[33]的实验利用该设备首次测量了球面散光矫正型IOL AcrySof Toric(美国Alcon公司)和非球面散光矫正型IOL IQ Toric(美国Alcon公司)的光学质量,发现当应用零球差的模型角膜测量IOL光学质量时,在小瞳孔直径(3 mm)下,2种设计的IOL光学质量相当,而在大瞳孔直径(5 mm)下,球面散光矫正型IOL的光学质量优于非球面散光矫正型IOL;然而,当应用有正球差的模型角膜测量IOL的光学质量时,由于非球面散光矫正型IOL具有的负球面像差可以补偿一部分角膜的正球面像差,其光学质量优于球面散光矫正型IOL。综上所述,该设备测量光学质量的重复性高、稳定性良好,不仅可以测量IOL的光学质量,还可以测量角膜接触镜的光学质量,相比于其他光学测试平台应用面更为广泛。

以上是几种较为常用的光学测试平台,从测量的定性指标看,OptiSpheric®IOL PRO、PMTF光学测试平台可测量USAF分辨率测试图,便于直接观察各种因素对IOL整体空间频率的切向和矢向成像质量的影响。其中,OptiSpheric®IOL PRO测量MTF值时精度优于PMTF光学测试平台。Badal Optometer可测量Badal图像,便于观察研究因素对视力的影响。NIMO无法测量定性指标,是该设备的一个缺陷,但它能够测量轴截面屈光度,除用于研究IOL外,还可以用于测量角膜接触镜的光学质量,同时还可以调控瞳孔直径大小,相比于其他光学台更便于探索瞳孔直径对IOL和角膜接触镜的光学质量影响。以上各种光学平台各有优点,研究者可根据需要选择合适的光学测试平台(表1)。新的平台也在不断的研发和探索,如Calatayud等[34]设计了一种精确、稳定的IOL体外光学质量测试系统,通过多焦点IOL测试其性能和灵敏度,并与OSLO光学设计软件的数值模拟结果进行比较,发现该自制光学台对IOL评价过程更加灵活、高效和可靠。

表1 各光学测试平台对比OptiSpheric® IOL PROBadal OptometerPMTFNIMO优点MTF测量精度高。可测定量和定性指标,便于观察研究因素对不同方向图像质量的影响可测定量和定性指标,便于直接观察研究因素对视力影响同OptiSpheric® IOL PRO可测定量指标、轴截面屈光度。可计算机输入控制瞳孔直径。适用范围广,可测量IOL和角膜接触镜缺点--MTF测量精度低于Opti-Spheric® IOL PRO无法测量定性指标适用范围探索各种因素对IOL光学质量的影响同OptiSpheric® IOL PRO同OptiSpheric® IOL PRO同OptiSpheric® IOL PRO,还可评估角膜接触镜的光学性能

2.2 光学设计软件

光学设计软件的测量原理可分为基于几何光学的光线追迹法和基于波动光学的场追迹法。

2.2.1运用光线追迹技术的光学设计软件 此类光学设计软件利用光线追迹技术通过计算机建立模型眼,以IOL具体参数替代模型眼中晶状体的相关数据,模拟不同设置的光线通过模型眼在视网膜的成像过程。可对IOL在不同瞳孔直径大小、偏心量、倾斜度和旋转度等状态下进行数值模拟,以评估其光学质量、优化IOL的光学设计,以及探索可能的新设计等[35-37]。

2.2.1.1ZEMAX ZEMAX光学设计软件(美国ZEMAX Development Corporation公司)运用光线追迹技术构建模型眼,可对IOL进行上述研究,还可用于探索阿贝数、散光对IOL的纵向色差的影响[7,38]。张斌团队运用该光学设计软件进行了一系列体外光学实验,探索了旋转对不同散光度数的Toric IOL成像质量、波前像差的影响,发现旋转会导致Toric IOL的成像质量下降,并且散光度数越高影响越明显,而Toric IOL的旋转主要造成了柱镜和正球镜度数的增加,高阶像差不受影响[7]。该团队还研究了旋转和偏心对Toric IOL的成像质量和波前像差的影响,发现Toric IOL对偏心的耐受性与球面IOL非常接近,其在偏心时的成像质量只受偏心量的影响,偏心主要造成了彗差的增加,散光和三叶草像差增加较少,并且与先前的研究一致,Toric IOL旋转主要引起散光的增加,高阶像差并未发生改变[39]。这些IOL位置的体外研究,解释了Toric IOL偏心和旋转后成像质量下降的光学原理,为临床中这些问题的改善带来启示。此外,他们还探索了不同球差设计的Toric IOL对旋转、偏心的耐受性及成像规律,发现-0.26 μm球差的Toric IOL居中时成像质量良好,但对偏心的耐受性较差。利用ZEMAX光学设计软件对其球差进行适量优化,可以在保持对偏心和旋转的耐受性的同时提高Toric IOL的成像质量,使其光学性能更佳[38]。利用该光学设计软件可设计新型IOL并检测其光学性能[40-41]。如周晓红[41]等利用ZEMAX软件设计了一种新的双元件可调节IOL,并对其成像结果进行数值模拟评估,发现本研究设计的双元件可调节IOL仿真结果,可以满足IOL植入光学特性和测试标准要求。综上所述,ZEMAX光学设计软件可以快速、方便地测量IOL的光学质量,相比于光学测试平台其可应用范围更广,如可用于设计新型IOL、优化IOL设计等,而与其他光学设计软件相比,其在国内的应用相对较多。

2.2.1.2OSLO OSLO光学设计软件(美国Lambda Research公司)可用于测量IOL的光学质量、探索各种客观因素对IOL成像质量的影响[28,42],还能用于验证设计IOL的光学性能。Alarcon等[43]利用OSLO光学设计软件和光学测试平台对基于高阶非球面设计的新型单焦点IOL进行光学数值模拟和实验测量,发现新型IOL不仅可以提供与传统单焦点IOL相当的远距离图像质量,还可带来更好的中距离视力,该实验提供了可供参考的临床前数据。

此外,还有光学设计软件Code V(美国Synopsis公司)和Lighttools(美国Synopsis公司)也是通过光线追迹法构建模型眼对IOL进行体外光学研究[44-45]。

2.2.2运用场追迹技术的光学设计软件 基于场追迹技术的光学设计软件包括光学波动模拟软件场追迹程序VirtualLab (德国Wyrowski Photonics GmbH公司)等。该软件建模灵活,可以更精确地描述各种光学效应,如可对具有小的衍射结构的IOL进行准确建模,同时考虑到光的波动性和干涉性,从而提供更真实的视网膜图像质量[46-47]。Song等[46]运用该光学模拟软件对IOL成像质量进行评价,并与传统的光追迹模拟技术进行比较,发现场追迹光学模拟技术是评估IOL在偏心和倾斜情况下视觉质量的可靠方法。

2.2.3光线追迹技术和场追迹技术光学设计软件的对比 相比于运用光线追迹技术的光学设计软件,运用场追迹技术的光学设计软件进行模型眼和IOL建模时更加灵活、精确,尤其在对复杂光学设计的IOL进行建模时优点更为突出。另外,运用光线追迹技术的光学设计软件测量速度更快,且对计算能力要求不高,场追迹技术则对于CPU和内存的要求较高,而随着近年来强大运算能力计算机的普及,运用场追迹技术的光学设计软件应用越来越多[47-50](表2)。

表2 各光学设计软件对比ZEMAXOSALVirtualLab优点测量快同ZEMAX建模灵活且准确缺点对复杂光学设计的IOL建模不够准确同ZEMAX对计算机运算能力要求高适用范围可进行与光学测试平台相同的体外研究,还可设计、优化IOL同ZEMAX同ZEMAX,且可准确模拟评估复杂光学设计IOL的光学性能

2.3 光学测试平台和光学设计软件的应用

近年来,光学测试平台的研究和应用备受关注,其中以光学台OptiSpheric®IOL PRO较为广泛。在光学设计软件方面,虽然ZEMAX被广泛使用,但在对设计复杂的IOL进行光学质量测量时,VirtualLab的结果更贴近真实。此外,光学设计软件无需真实的IOL,仅需其光学数据就可进行相关研究,相比于光学测试平台,其更加方便、经济,并且模拟得到的MTF数值一般略高于光学测试平台实际测量所得的MTF值,这可能是因为它排除了更多的客观因素干扰[28]。

3 体外光学测试的局限性

虽然体外测试具有众多优点,但也有一定的局限性,不同测试平台运用的光学测量原理不同,可能导致测试同一IOL时得出不同的结果。与体内测试相比,体外测试的结果可能存在某些差异,如Barbero等[37]的研究表明,除球差外,大多数情况下体内研究中IOL的像差(尤其是三阶像差)高于体外研究。另外,体内外光学介质的不同也可能造成结果的差异。但体内外测试的结论往往具有一致性,如球面IOL与非球面IOL的体内外研究,以及IOL偏心方面的研究等[10,16,51-52]。另外,模型眼各项参数与人眼存在差异,光学测试平台接收的图像以及光学设计软件模拟的视网膜图像与被检者所感知的图像并不完全相同,例如Badal Optometer图像没有考虑到双眼的影响[19]。

4 小结

IOL的体外光学研究有助于医生深入了解各种IOL的光学性能,明确各种因素对IOL光学质量的影响,为解决临床相关问题提供启示,推动精准医疗的实现。与体内实验相比,体外光学质量测试系统具有功能多样、测试结果客观性强等优点。虽然其本身存在一定的局限性,但也为其改进提供了思路。例如,通过改进模型眼的设计,使其更加接近人眼生理状态,包括人工角膜的设计等。此外,设备中的其他参数设置也应更加接近人眼,以缩小体外实验装置的测试环境与体内环境的差异。同时,还可以改进测量技术以保证测量不同设计的IOL时结果的准确性、改进光学测试平台的设计使得在测量时考虑双眼的影响等。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突