波前像差簡(jiǎn)介

1、波前像差簡(jiǎn)介SANY GROUP system office room SANYUA16H-常識(shí)綜述從人類視網(wǎng)膜感光細(xì)胞的密度推算出人眼的極限視力可達(dá)3.0甚至更高，但 由于人類進(jìn)化過(guò)程中對(duì)遠(yuǎn)視力的需要逐漸下降，以及角膜和晶狀體等器官的光 學(xué)性能退化等原因，導(dǎo)致出現(xiàn)各種像差，因此人眼的理想視力只有1.5或更 差，并且這些像差不能被現(xiàn)有的眼鏡和隱形眼鏡矯正。波陣面像差（波前像差）原本是一項(xiàng)天文學(xué)技術(shù)，其發(fā)展由來(lái)已久，主要 用來(lái)糾正天文望遠(yuǎn)鏡等的像差，以便能更清晰地觀測(cè)到更遠(yuǎn)距離的天體。像差 理論做為研究非理想光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)早已廣泛地應(yīng)用于制造光學(xué)精密儀器，當(dāng) 波前像差技術(shù)應(yīng)用于眼科后，才與我們的

2、生活變得更加關(guān)系密切。目前波前像差儀有很多種，可分為客觀法和主觀法兩類。客觀法根據(jù)其設(shè) 計(jì)原理，又可分為：出射型像差儀、視網(wǎng)膜像型像差儀和入射可調(diào)式屈光計(jì)三 種類型；主觀法即心理物理學(xué)檢查方法?？陀^法的優(yōu)點(diǎn)是快速、可重復(fù)性及可靠性好，但需使用較亮的照明光線， 大部分還需要散瞳；主觀法無(wú)需散瞳，可在眼睛存在調(diào)節(jié)的狀態(tài)下檢查眼的像 差，但需對(duì)患者進(jìn)行訓(xùn)練，檢查較慢，可重復(fù)性較客觀法差。無(wú)論是主觀法還 是客觀法像差儀，其基本原理是一樣的，即選擇性地監(jiān)測(cè)通過(guò)瞳孔的部分光 線，將其與無(wú)像差的理想光線進(jìn)行比較，通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)將像差以量化形式表達(dá) 出來(lái)。下面根據(jù)其設(shè)計(jì)原理來(lái)逐一介紹。一、客觀式像差儀1出射型像

3、差儀基于Schack-Hartmann像差理論而建立，見圖6-1 o Schack-Hartmann波陣面 感受器通過(guò)測(cè)量眼底的點(diǎn)光源反射出眼球的視網(wǎng)膜像來(lái)測(cè)量波陣面像差。即， 使一條細(xì)窄光束進(jìn)入眼球，聚焦視網(wǎng)膜上，光線從視網(wǎng)膜上反射出眼球，穿過(guò) 透鏡組，聚焦在一個(gè)CCD上。如受檢眼無(wú)像差，則反射的平面波聚成一個(gè)整 齊的點(diǎn)陣格子圖，每一個(gè)點(diǎn)的圖像準(zhǔn)確地落在相應(yīng)透鏡組的光軸上。而當(dāng)受檢 眼有像差時(shí)，則生成扭曲的波陣面，從而出現(xiàn)扭曲的點(diǎn)圖像。通過(guò)測(cè)量每一個(gè) 點(diǎn)與其相應(yīng)透鏡組光軸的偏離，就可計(jì)算出相應(yīng)的波陣面像差?；诖嗽淼?像差儀包括WASCA像差分析儀（Zeiss公司）.Zywave像差儀（博

4、士倫公 司）,Aberrometer （愛爾康公司）等。2視網(wǎng)膜像型像差儀以Tscherning像差理論為基礎(chǔ).通過(guò)計(jì)算投射到視網(wǎng)膜上的光線偏移而得 出纟吉果。圖6-2基于Tscherning原理的像差測(cè)量示意圖它是由倍頻Nd ： YAG激光（532nm）發(fā)出的有168單點(diǎn)矩陣的平行激光光束經(jīng) 瞳孔進(jìn)入眼底（彩圖10）,由連接計(jì)算機(jī)的高敏感度的CCD采集視網(wǎng)膜圖像（彩圖11） o由于屈光介質(zhì)存在像差，投射到視網(wǎng)膜上的光線達(dá)到視網(wǎng)膜后生 偏移，其偏移可以通過(guò)投射在視網(wǎng)膜上的格柵觀察到，通過(guò)視網(wǎng)膜圖像分析受 檢眼的光學(xué)像差，即，將視網(wǎng)膜圖像上的每個(gè)點(diǎn)的位置與它們?cè)诶硐霠顟B(tài)下的 相應(yīng)位置進(jìn)行比較，根

5、據(jù)偏移的結(jié)果計(jì)算出相應(yīng)的波陣面像差?；诖嗽淼?像差儀包括Allegretto像差分析儀（Wavelight公司）和視網(wǎng)膜光線追蹤儀（Tracy公司）等。3 入射可調(diào)式屈光計(jì)以Smirnov-Scheiner理論為基礎(chǔ)，其方法是通過(guò)對(duì)進(jìn)入中心凹的每一光線進(jìn) 行補(bǔ)償調(diào)整使之在視網(wǎng)膜成像完善。其原理與臨床應(yīng)用的屈光計(jì)、檢影鏡很相 似，所有進(jìn)入視網(wǎng)膜的光線都向中央一點(diǎn)會(huì)聚，通過(guò)在各軸向上對(duì)瞳孔的快速 裂隙掃描而實(shí)現(xiàn)，眼底反光被CCD捕捉從而得到眼的波陣面像差，基于此原理 的像差儀包括Emory視覺(jué)矯正系統(tǒng)和OPD掃描系統(tǒng)（Nidek公司）等。圖6-3基于Smirnov-Scheiner原理的像差測(cè)

6、量示意圖二、主觀式像差儀根據(jù)光路追蹤原理設(shè)計(jì)，利用空間分辨折射儀以心理物理方法測(cè)量人眼像 差。假設(shè)眼處于衍射的極限時(shí)，聚焦在無(wú)窮遠(yuǎn)，因而無(wú)窮遠(yuǎn)的點(diǎn)光源通過(guò)瞳孔 不同區(qū)域進(jìn)入眼內(nèi)，將會(huì)聚焦在視網(wǎng)膜上的一點(diǎn)。當(dāng)眼存在像差時(shí)，進(jìn)入眼內(nèi) 的光線將不會(huì)聚焦在同一點(diǎn)上，點(diǎn)光源的像將是一個(gè)模糊像，該像點(diǎn)與中心發(fā) 生了偏移，導(dǎo)致波陣面平面的光線射入眼球后由理論上的球面波變成了不規(guī)則 的曲面波，通過(guò)數(shù)學(xué)換算，得到放大在瞳孔面上的眼底點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)?；诖嗽?理的像差儀有WFA-1000人眼像差儀（蘇州亮睛公司）。參數(shù)分析及臨床應(yīng)用一、參數(shù)分析波陣面像差的表達(dá)方法有很多種。在臨床上，我們常見的有Zernike函數(shù)、

7、均方根、調(diào)制傳遞函數(shù)、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等，其中最常見且便于理解的是Zernike函 數(shù)。1 Zernike函數(shù)是最常用的波陣面像差定量表達(dá)方法，是描述眼光學(xué)系統(tǒng)波陣 面像差的理想的數(shù)學(xué)模型之一，它是交于單位圓上的序列函數(shù)。通過(guò)Zernike函數(shù)可以將像差量化并分級(jí)，可以表達(dá)總體像差和組成總像差 的各個(gè)像差。Zernike函數(shù)常見的表達(dá)形式為8階45項(xiàng)，可以分成低階和高 階 其中0到2階為低階，3階以上是高階。0階Z00表示各方向勻稱、平整 的波陣面，即無(wú)像差；1階Z1-1和Z11分別表示垂直和水平的傾斜（Tilt） ； 2 階表示離焦(Focusshift)或散光:Astigmatism) , Z2

8、2和Z22分別表示457135和90。/180。方向散光Z 20表示離焦；3階函數(shù)中，Z 3-3和Z 33表示 三葉草形像差，Z 34和Z 32分別表示垂直和水平位彗差(Coma) ； 4階為球 差(SphericalAberration)和其他復(fù)雜像差，Z 40表示球差，Z 4-4和Z 44表示 四葉草形像差，Z4-2和Z 42表示457135和907180方向二次散光性像差；5 至8階是其他一些不規(guī)則像差.如5階中Z 5-1和Z 51分別表示垂直和水平位 二次彗差等，只有在瞳孔非常大時(shí)才顯露出來(lái)。其中影響人眼視覺(jué)質(zhì)量較大的主要像差有下列幾種：Z 20離焦，包括正性和負(fù)性離焦，對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)球性

9、屈光不正的近視和遠(yuǎn)視；Z 2-2和Z 22即457135和90。/180。方向上的散光，Z3-1和Z31即彗差，Z40球差。Zernike 函數(shù)可以表示為以n行數(shù)(階),m列數(shù)的金字塔形數(shù)字?jǐn)?shù)組，稱Zernike 樹，如圖6-10所示。為了能表達(dá)得更加直觀，可以在以類似于角膜和瞳孔的圓 形為基礎(chǔ)，將Zernike函數(shù)重建成眼的波陣面像差圖，形象地描述各種像差的形 態(tài)，見圖6-11。低階像差與傳統(tǒng)的幾何像差相對(duì)應(yīng)，可用框架眼鏡、隱形眼鏡或傳統(tǒng)的屈 光手術(shù)矯正；高階像差包括一些非經(jīng)典的像差，需要進(jìn)行像差引導(dǎo)的個(gè)性化切 削才能矯正。對(duì)于人眼，6階以上的高階像差對(duì)視覺(jué)影響很小，可以忽略不 計(jì)。臨床上進(jìn)

10、行像差引導(dǎo)的個(gè)性化切削時(shí)考慮最多的是第3、4和5階像差。2 均方根(meansumofthesquare, RMS)均方根是檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的一種方 法，它是通過(guò)計(jì)算檢測(cè)面上的各點(diǎn)相對(duì)于參考面的高度而得出的標(biāo)準(zhǔn)偏差，表 示檢測(cè)面與參考面的偏離程度，是Zernike函數(shù)的系數(shù)平方和的方根，可將不規(guī) 則散光和球性屈光不正量化。進(jìn)行波陣面像差分析時(shí)，參考面一個(gè)無(wú)像差的球 面波。RMS值通常為0匕 若RMS值較小，表示高階像差所占比例少，接近 球-柱鏡參數(shù)。3 光程差(OpticalPathDifference, OPD)可表示0卩。=理想波陣面-實(shí)際波陣 面。OPD為正值，表示這部分光速較慢，在Ze

11、rnike函數(shù)中表現(xiàn)為峰；OPD為負(fù)值，表示這部分光速較快，在Zernike函數(shù)中表現(xiàn)為谷。二、影響因素影響像差的因素很多，如瞳孔直徑、調(diào)節(jié)、年齡、淚膜厚度、觀察距離和 眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)等均可在很大程度上影響結(jié)果，與角膜、晶狀體和玻璃體有關(guān)的解 剖和功能上的改變及視網(wǎng)膜的形態(tài)也可影響結(jié)果。另外，還可能受其他尚不清 楚的因素的影響。1瞳孔直徑相對(duì)較小時(shí)(小于或等于2mm時(shí))，限制人眼視覺(jué)質(zhì)量的因素主 要是衍射，當(dāng)瞳孔直徑較大時(shí)，大量的軸外光線進(jìn)入眼中，這時(shí)像差成為限制 人眼視覺(jué)質(zhì)量的主要因素。人眼的視覺(jué)像差與瞳孔大小密切相關(guān)，隨著瞳孔的増大而増加。環(huán)境光亮度的 改變，會(huì)引起瞳孔大小的改變，從而使視覺(jué)質(zhì)

12、量發(fā)生變化。在晚上，瞳孔散大 時(shí)，會(huì)岀現(xiàn)眩光、光暈、雙影和鬼影等現(xiàn)象，導(dǎo)致視覺(jué)質(zhì)量下降。由于藥物作 用而使瞳孔散大也可使像差發(fā)生變化，見圖6-120圖6-12瞳孔直徑與像差的關(guān)系2 調(diào)節(jié)人眼作為一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，為了能看清近距離目標(biāo)，需要?jiǎng)佑谜{(diào)節(jié)機(jī)制 來(lái)改變屈光力。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，晶體因睫狀肌收縮而快速増厚，表面曲率發(fā)生 變化，晶體和角膜之間相對(duì)位置改變，軸位也發(fā)生變化，這使得人眼像差發(fā)生 改變。隨著調(diào)節(jié)的增強(qiáng)，晶狀體的位置前移，球差減少（從正值向零改變），彗 差也發(fā)生顯著的變化。隨著調(diào)節(jié)幅度的改變，像差也發(fā)生了變化，看遠(yuǎn)和看近 時(shí)的像差表現(xiàn)是不同。因此，像差測(cè)量時(shí)需評(píng)估注視條件所引起的調(diào)節(jié)。3隨著

13、年齡的増大，晶狀體密度不斷增加，晶狀體內(nèi)各成份折射率梯度發(fā)生 變化，而且角膜曲率半徑隨年齡増長(zhǎng)而減小，即角膜更加接近球形，因此像差 明顯地増加，特別是球差。4 淚膜的破壞可導(dǎo)致的角膜表面不規(guī)則性改變，使像差明顯增加。干眼癥患 者淚膜不穩(wěn)定，可出現(xiàn)角膜表面呈不規(guī)則性改變，角膜表面規(guī)則性指數(shù)（SRI） 及表面不對(duì)稱指數(shù)（SAI）明顯升高。三、臨床應(yīng)用1屈光手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)有的屈光手術(shù)，包括早年的放射狀角膜切開術(shù)（PK） 和現(xiàn)行的準(zhǔn)分子激光角膜屈光手術(shù)（PRK, LASIK, LASEK和Epi-LASIK）雖然矯正 了屈光力，改善了中央視力，但也帶來(lái)了對(duì)比敏感度下降、眩光和光暈等一系 列問(wèn)題。臨床研

14、究表明手術(shù)改變了角膜的像差，使其術(shù)后的像差變大，并且隨 著瞳孔的増大而増大，切削越深像差變化越明顯。因此，近年來(lái)許多眼科專家 致力于改善屈光手術(shù)治療方法，發(fā)展像差引導(dǎo)的個(gè)性化切削，即根據(jù)每位患者 不同的眼球屈光資料，設(shè)計(jì)出最佳切削方案，術(shù)中將從眼球像差儀獲得的像差 數(shù)據(jù)輸入準(zhǔn)分子激光機(jī)治療系統(tǒng)引導(dǎo)激光進(jìn)行切削，消除或減少那些可能導(dǎo)致 視力不佳的高階像差，重塑一個(gè)全新的角膜形態(tài)，從而顯著提高術(shù)后裸眼視力 和視覺(jué)敏感度，改善夜間視力，降低眩光和光暈的發(fā)生率，達(dá)到提高視覺(jué)質(zhì)量 的最終目的。2角膜接觸鏡中的應(yīng)用（1）軟性接觸鏡：現(xiàn)在多數(shù)人認(rèn)為人眼的平均球差是正性的，因此，從理論上 講，消除了球面像差的

15、鏡片會(huì)提高人眼整體的成像質(zhì)量。但人眼是一種處于不 斷變化的動(dòng)態(tài)的屈光系統(tǒng)，像差也會(huì)隨著眼的調(diào)節(jié)及年齡的增大等因素而變 化。因此，消除了球面像差的軟性接觸鏡只在特定條件下對(duì)特定個(gè)體有良好作 用。為克服以上不足，現(xiàn)已研制出一種可以個(gè)體化矯正不同個(gè)體像差的接觸 鏡。這種鏡片的前表面是根據(jù)不同個(gè)體的實(shí)際像差切削的非球面非對(duì)稱表面， 后表面仍為球面，可按照預(yù)定產(chǎn)生與個(gè)體眼睛相匹配的離焦、散光、球差等， 以達(dá)到矯正眼睛總體像差的目的。（2）硬性角膜接觸鏡（RGP）: RGP可以在一定程度上糾正眼睛的像差，這種 改進(jìn)不僅限于散光，一些不規(guī)則的高階像差也有明顯的降低。由于它的前表面 是一接近完美的規(guī)則表面，并

16、由淚液填充所有角膜的不規(guī)則表面，由于淚膜的 屈光指數(shù)接近角膜屈光指數(shù)，大大減少了角膜散光和像差的影響。但常規(guī)RGP 矯正像差存在局限，因?yàn)樗荒艹C正角膜前表面像差，且其矯正像差量還受眼 內(nèi)散光和角膜散光的影響。應(yīng)用像差分析儀可以從多方面多角度評(píng)估RGP鏡片的配戴質(zhì)量.提供更加個(gè)體 化的配戴建議，并且可以通過(guò)非球面的鏡片設(shè)計(jì)，在一定程度上降低總體像差 而起到増進(jìn)視覺(jué)質(zhì)量的效果。3在白內(nèi)障診斷中的應(yīng)用對(duì)白內(nèi)障患者傳統(tǒng)上也只是用視力來(lái)衡量視覺(jué)質(zhì)量的，但臨床上經(jīng)常會(huì)遇到病人視力與其晶體混濁度不相一致的現(xiàn)象。可通過(guò)像 差儀的檢查發(fā)現(xiàn)輕度白內(nèi)障患者的角膜像差與正常人群的角膜像差基本相同， 而總像差則明顯高

17、于正常人，這可能是因?yàn)榛鞚岬木w引起光線的散射和吸收 從而導(dǎo)致晶體局部屈光改變所致?？梢娫谠缙诎變?nèi)障患者中，像差引起視覺(jué)質(zhì) 量的下降不亞于晶體密度増高對(duì)視覺(jué)質(zhì)量的影響。4在人工晶狀體（IOL）中的應(yīng)用隨著現(xiàn)代超聲乳化技術(shù)的發(fā)展及人工晶狀體 材料和設(shè)計(jì)的改進(jìn)，白內(nèi)障患者術(shù)后視力已大為提高，但仍有部分患者不能達(dá) 到滿意的效果，還有些患者客觀視力檢測(cè)好，而主觀感覺(jué)卻視物模糊。這些以 前一直難以解釋的現(xiàn)象，隨著像差儀的出現(xiàn)都迎刃而解了。正常生理情況下， 人眼角膜具有正性的球差，而晶體有負(fù)性球差，這在一定程度上起到互相彌補(bǔ) 的作用。而一般人工晶狀體的球面設(shè)計(jì)，以及其在眼睛調(diào)節(jié)時(shí)發(fā)生的前后移位 元和偏軸，使植入后術(shù)眼的像差明顯增大，尤其是球差?，F(xiàn)在已應(yīng)用非球面或 消像差的人工晶狀體來(lái)消除這一現(xiàn)象，進(jìn)一步改善了成像質(zhì)量，使植入后術(shù)眼 的像差比植入以往晶狀體的要低，視覺(jué)質(zhì)量明顯改善。四、注意事項(xiàng)波陣面像差（波前像差）用于檢測(cè)眼光學(xué)系統(tǒng)的細(xì)微改變，任何外界因素的輕 微干擾，都會(huì)極大地影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，可謂“失之毫厘，謬以千里。因此， 在進(jìn)行像差儀檢測(cè)時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn)：1被檢查者頭位、眼位要正確。2雙眼睜大，充分暴露角膜，但避免壓迫角膜。3囑患者每次測(cè)量前眨眼，以保持測(cè)量瞬間角膜表面濕潤(rùn)，避免因角膜干燥 而影響檢