自适应光学视觉模拟器测量波前像差的重复性及与OPD-Scan Ⅲ的一致性研究

王 艳,廖 萱,兰长骏,李 彪,苗 壮,谭青青,秦苏云 ,黄 欢

0 引言

人眼波前像差包括低阶像差(离焦、散光)和高阶像差。高阶像差源于人眼本身光学系统微小不规则或缺陷,无法用框架眼镜矫正[1]。目前高阶像差的测量已在临床上用于波前像差引导个性化准分子激光手术、功能性人工晶状体植入手术、视觉质量评价和接触镜验配等方面[2-5]。波前像差的测量设备主要以客观测量为主,主要包括Hartmann-Shack原理、光路追迹Ray-tracing原理、Tscherning原理和视网膜检影镜双程技术原理等。自适应光学技术(adaptive optics,AO)[6]能够实时测量和校正波前像差,使光学系统能适应外界条件变化,保持良好光学性能,在眼科领域逐渐受到关注,该技术可以根据波前像差进行主客观验光、消除人眼像差对视网膜成像的影响使眼底检查设备清晰度更高、为视神经功能评价提供更精准的数据、改善视知觉学习训练的效果、模拟和预测术后视觉效果等[7]。本研究评价的自适应光学视觉模拟器(adaptive optics visual simulator,VAO)[8]采用Hartmann-Shack原理测量波前像差,可测得3-6 mm瞳孔直径下的全眼3-6阶像差值,并通过测得的像差数据转换为客观验光度数,同时结合自适应光学技术[9]进行球镜或柱镜的转换实现客观验光与主觉验光一体化。VAO不仅用于校正离焦和散光,还可以校正和/或诱导所有光学像差,因此可以针对不同的视觉任务和条件优化光学校正[10],同时解释夜间近视[11]的可能原因以及球差和色差对视觉质量的综合影响[12]。前期我们比较VAO主客观验光与传统验光,结果显示具有较好一致性,测量差值可以接受[13]。目前该设备还没有进入国内临床,相关研究也很少,需要评价其重复性。OPD-Scan Ⅲ视觉质量分析仪采用视网膜检影镜双程技术原理和Placido 盘原理的组合,可以测量全眼、角膜、眼内的像差、客观验光值、角膜曲率值、角膜地形图、Kappa角和Alpha角等数值,目前已广泛应用于临床。本研究通过3次重复测量评价VAO测量波前像差的重复性以及比较VAO与OPD-Scan Ⅲ测量全眼像差值的一致性,以评估VAO测量波前像差应用于临床的可行性。

1 对象和方法

1.1对象采用横断面研究方法,纳入2023-08/09在成都东区爱尔眼科医院屈光科就诊的近视患者204例204眼(均取右眼数据)。纳入标准:(1)等效球镜度≤-9.00 D,柱镜度数≤-5.00 D,最佳矫正视力(LogMAR视力)优于0;(2)泪膜功能正常,认知能力正常,能积极配合检查者;(3)4 wk内未戴硬性接触镜,2 wk内未戴软性接触镜;(4)测量前未进行过眼部创伤性检查;(5)无眼部手术和外伤史。排除标准:(1)角结膜病变者(如圆锥角膜、角膜瘢痕、翼状胬肉等);(2)葡萄膜炎、青光眼病史者;(3)晶状体混浊、眼底黄斑和视网膜病变者。本研究遵循《赫尔辛基宣言》,本研究方案经成都东区爱尔眼科医院伦理委员会批准(No.DQAIER202308006),所有患者纳入研究前均签署知情同意书。

1.2方法检查前用0.5%复方托吡卡胺滴眼液将双眼散瞳至≥7 mm,由同一位检查者在同一间检查室在暗室条件下首先利用VAO进行全眼像差测量,采用快速模式进行像差测量,患者瞬目数次后充分睁眼暴露角膜,注视探测头内视标,检查者调整VAO使其对准受检眼,待屏幕上出现的Hartmann-Shack图像各点均清晰可见且角膜反射最小化时进行测量,测量3次后屏幕显示全眼像差的平均值,保存患者全眼像差数据。若测量结果显示包含错误点,表明结果不可靠,需重新测量。随后同一条件下,采用OPD-Scan Ⅲ测量患者的波前像差值,嘱患者瞬目数次后充分睁眼注视固视目标,检查者操作使屏幕上的交叉点位于瞳孔中心并调整焦距,使显示幕上的Placido盘同心环影像清晰,自动采集3次生成客观验光数据及全眼像差数值,再嘱患者瞬目充分睁眼,图像清晰时再次采集角膜地形图生成角膜像差数值。记录瞳孔直径为3、4、5和6 mm的全眼像差值。若结果显示Placido环数低于20环说明角膜未暴露完全,需重新测量。

2 结果

2.1纳入患者一般资料本研究共纳入近视患者204例204眼(为避免双眼同源性的影响,双眼患者均取右眼数据进行比较),其中男101例,女103例;年龄18-41(平均25.34±16.32)岁;球镜度数-0.75--9.00(平均-4.65±1.65)D;柱镜度数0--4.75(平均-1.06±0.79)D。

2.2VAO测量全眼高阶像差的重复性VAO测量的4.5 mm瞳孔直径下全眼高阶像差均具有良好的重复性,ICC均大于0.76,其中4.5 mm瞳孔直径下球差(SA)的ICC大于0.9。Sw与TRT均小于0.01 μm(表1)。

表1 VAO测量全眼高阶像差及重复性

2.3VAO与OPD-ScanⅢ测量不同瞳孔直径下全眼高阶像差的一致性VAO和OPD-Scan Ⅲ在3-6 mm瞳孔直径下测量全眼的总高阶像差(tHOA)、SA和三叶草像差(Trefoil)值,差异均有统计学意义(P<0.05),3 mm瞳孔直径下测量的彗差(Coma)值,差异均有统计学意义(P<0.05),4-6 mm瞳孔直径下测量的Coma值,差异无统计学意义(P>0.05)。3-6 mm瞳孔直径下两种设备之间全眼高阶像差测量值均具有相关性(P<0.01),但相关程度有一定差异(表2)。

表2 3-6 mm瞳孔直径下VAO与OPD-Scan Ⅲ测量全眼高阶像差一致性

3 mm瞳孔直径下,全眼高阶像差测量值的95%LoA范围均较窄,小于0.1 μm,显示一致性较好。Bland-Altman散点图,分别有4.4%(9/204)、3.4%(7/204)、3.9%(8/204)、3.4%(7/204)位于95%LoA以外(图1)。4 mm瞳孔直径下,全眼高阶像差测量值SA、Coma的95%LoA范围较窄,小于0.1 μm,显示一致性较好,tHOA、Trefoil的95%LoA范围较宽,大于0.1 μm,显示一致性较差。Bland-Altman散点图,分别有3.4%(7/204)、3.4%(7/204)、4.9%(10/204)、2.9%(6/204)位于95%LoA以外(图2)。5 mm瞳孔直径下,全眼高阶像差测量值的95%LoA范围除SA以外均较宽,大于0.1 μm,显示一致性较差。Bland-Altman散点图,分别有4.9%(10/204)、4.4%(9/204)、5.3%(11/204)、3.9%(8/204)、位于95%LoA以外(图3)。6 mm瞳孔直径下,全眼高阶像差测量值的95%LoA范围均较宽,大于0.1 μm,显示一致性较差。Bland-Altman散点图,分别有4.9%(10/204)、5.3%(11/204)、4.9%(10/204)、5.8%(12/204)位于95%LoA以外(图4)。

图1 3 mm瞳孔直径下两台设备测量全眼高阶像差的Bland-Altman散点图 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

图2 4 mm瞳孔直径下两台设备测量全眼高阶像差的Bland-Altman散点图 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

图3 5 mm瞳孔直径下两台设备测量全眼高阶像差的Bland-Altman散点图 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

图4 6 mm瞳孔直径下两台设备测量全眼高阶像差的Bland-Altman散点图 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

3 讨论

人眼独特的波前像差轮廓是定义该眼所达到的视觉质量的重要因素[18]。波前像差的减少改善了眼球的光学质量,改善了在视网膜上形成的图像的对比度,从而改善了空间视觉[19]。近年来,在视觉科学和眼科学领域,通过减少高阶眼波前像差(散光和离焦以外的像差)来提高视觉性能受到了极大的关注[20]。在本研究中,评价了基于 Hartmann-Shack 传感器的新型仪器自适应光学视觉模拟器(VAO)测量全眼高阶像差的可重复性,结果显示出良好的重复性,而VAO与OPD-Scan Ⅲ波前像差仪测量全眼高阶像差的一致性较差。

本研究中VAO测量全眼高阶像差的重复性,数据显示ICC均大于0.76,其中4.5 mm瞳孔直径下SA的ICC大于0.9,Sw与TRT均小于0.01 μm,表示有较高的重复性,与先前VAO测量正常眼[21]以及圆锥角膜[22]全眼高阶像差有相似的研究结果。另外本研究中VAO测量的全眼高阶像差均为近视患者,先前鲜有报道,根据本研究以及以往研究表明VAO测量正常眼、近视眼以及圆锥角膜全高阶像差均具有良好重复性。

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本研究中VAO与OPD-Scan Ⅲ在3-6 mm瞳孔直径下测量的全眼tHOA、SA、Trefoil值,差异有统计学意义(P<0.05),4-6 mm瞳孔直径下Coma值差异无统计学意义(P>0.05)。VAO与OPD-Scan Ⅲ测量在3 mm瞳孔直径下全眼高阶像差测量值的95%LoA较窄,小于0.1 μm,显示一致性较好,4-6 mm瞳孔直径下全眼高阶像差测量值(除4-5 mm的SA、4 mm的Coma)的95%LoA较宽,大于0.1 μm,显示一致性较差。VAO与OPD-Scan Ⅲ全眼高阶像差测量值ICC相关系数除5 mm瞳孔直径下Coma、Trefoil以外,其余均具有显著相关性(P<0.01)。Wan等[23]研究中Pentacam AXL Wave (Hartmann-Shack原理)和 OPD-Scan Ⅲ 设备间全眼高阶像差测量值一致性较差,并且即使测量值存在一致的偏差,设备之间的比较也可以显著相关。Visser等[24]研究中Irx3、Keratron(Hartmann-Shack原理)和OPD-Scan在5 mm瞳孔直径下均显示出所有总眼部像差的显着相关性(P<0.01),总眼高阶像差显示,三叶草像差 Z(3, -3) 和球差Z(4,0)存在显著差异(P<0.001) 且高阶像差的 95% LoA 相对较宽。Cervio等[25]采用Hartmann-Shack原理像差仪和自动视网膜检影法原理的像差仪测量正常人群高阶像差结果中显示垂直三叶草像差、彗差、球差等差异具有统计学意义(P<0.05)。以上Hartmann-Shack原理与自动视网膜检影法原理的像差仪的一致性研究结果与本研究一致。邹华鲜等[26]对于OPD-Scan Ⅲ与其他Hartmann-Shack原理的像差仪进行了测量角膜像差的一致性比较,本研究对基于Hartmann-Shack原理的VAO与OPD-Scan Ⅲ测量全眼像差的一致性进行了对比分析,此前无相关研究。

与以往研究不同的是本研究中瞳孔均为散大状态测得,不同瞳孔大小的像差值均为真实,无需进行算法推算,避免了推算及调节[27-28]引起的像差测量误差,但检查过程中,眼球轻微运动、泪膜的不稳定都会引起像差测量误差,其中泪膜的不稳定对OPD-Scan Ⅲ的影响更大[29]。另外本研究中两台设备一致性较差可能有多种原因导致:(1)VAO采用Hartmann-Shack原理光源波长为780 nm,OPD-Scan Ⅲ采用视网膜检影镜双程技术原理光源波长为880 nm,不同单色波长引起不同的纵向色差[30],所以不同单色波长也可能导致一致性差;(2)两台设备测量像差原理完全不同、采样点数也不同也会导致一致性差。另外,数学计算、传感器架构、每个像差仪采用的波前分解算法的差异以及用于定位主光线的算法的差异每个小透镜图像或瞳孔中心都可能进一步导致测量结果的差异[31];(3)测量值随时间的变化可能不仅归因于仪器及其精度,还归因于从视网膜反射的光特性的变化以及测量期间眼睛中发生的变化。综上所述人眼像差是动态的,调节的微波动、泪膜的不稳定性和眼睛的固视微运动以及像差仪本身设计不同等原因会直接影响其测量结果,所以两种设备测量像差结果存在差异性的原因较多。

VAO是一种非侵入性工具,用于评估理论眼波阵面对视觉性能的影响,该模拟器包括一个Hartmann-Shack波前传感器[8]来测量眼球的像差,一个主动元件来操纵这个波前像差,和视觉测试路径,以确定结果的空间视觉[32]。相比较于OPD-ScanⅢ对于视觉质量相关方面的评价VAO也有些不足,如不能提供角膜和眼内波前像差、未提供Kappa角、Alpha角具体数值等[33-34]。这些方面可以加以改进,使该设备在临床应用的范围更广。最后,本次研究也有其局限性,由于受限于传感器的探测精度和变形镜的校正能力,VAO尚无法测量以及后续矫正全部的波前像差,残余像差仍然会影响测量和后续矫正结果。另外,本研究纳入成年近视患者作为研究对象,后期准备进一步评估圆锥角膜或屈光手术后等角膜疾病两设备测量像差的一致性。

本研究在国内首次对VAO的全眼像差测量功能进行了全面评价,研究结果表明VAO测量全眼高阶像差具有良好的重复性,可作为临床像差的测量以及下一步视觉模拟;VAO与与OPD-Scan Ⅲ波前像差仪测量全眼高阶像差一致性较差,临床中不可互相替代,关于VAO其他功能的评价仍需进一步探索。