波前像差簡(jiǎn)介

1、常識(shí)綜述從人類(lèi)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(lèi) 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(guān)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(guān)法和主觀(guān)法兩類(lèi) ?？陀^(guān)法根

2、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(lèi)型；主觀(guān)法即心理 物理學(xué)檢查方法?？陀^(guān)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(xiàn)，大部分還需 要散瞳；主觀(guān)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(guān)法差。無(wú)論是主觀(guān)法還是客觀(guān)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(xiàn)，將其與無(wú)像差的理想光線(xiàn)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(guān)式像差儀1 出射型像差儀基于 Schack-Hartmann 像差理論而建立，見(jiàn)圖 6-1 。Sch

3、ack-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(xiàn)從視網(wǎng)膜上反射出眼球，穿過(guò)一透鏡組，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。 基 于此原理的像差儀包括 WASC像A 差分析儀（ Zeiss 公司），Zywave像差儀（博士倫公司）， Aberrometer （愛(ài)爾康公司）等。2 視網(wǎng)膜像

4、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(xiàn)偏移而得出結(jié)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（ 532 nm）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）。由于屈光介 質(zhì)存在像差， 投射到視網(wǎng)膜上的光線(xiàn)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(guān)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，根據(jù)偏移的結(jié)果計(jì)算出相應(yīng)的波陣面像 差。 基于

5、此原理的像差儀包括 Allegretto 像差分析儀（ Wavelight 公司）和視網(wǎng)膜光線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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

6、差測(cè)量示意圖二、主觀(guān)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(xiàn)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(xiàn)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)。 基于此原理的像差儀有 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(jiàn)的有 Zernik

7、e 函數(shù)、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(jiàn)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(jiàn)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00表示各方向勻稱(chēng)、平整的波陣面，即無(wú)像差； 1階Z1-1 和 11 分別表示垂直和水平的傾斜（Tilt ）； 2 階表示離焦（ Focus shift ）

8、或散光(Astigmatism )， 2-2 和22 分別表示 45/135 和 90/180 方向散光， 20 表示 離焦；3階函數(shù)中， 3-3 和33表示三葉草形像差， 3-1 和31分別表示垂直和水平 位彗差( Coma)； 4階為球差( Spherical Aberration )和其他復(fù)雜像差， 40表示球差， 4-4 和 44表示四葉草形像差， 4-2 和42表示 45/135 和 90/180 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 5-1 和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

9、有下列幾種： 20 離焦，包括正性和負(fù)性離焦， 對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)球性屈光不正的近視和遠(yuǎn)視； 2-2 和22 即 45/135 和 90/180 方向上 的散光， 3-1 和31即彗差， 40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(chēng) Zernike 樹(shù)，如圖 6-10 所示。 為了能表達(dá)得更加直觀(guān)，可 以在以類(lèi)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(jiàn)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

10、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)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( mean sum of the square ， 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 01，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（

11、 Optical Path Difference，OPD)可表示 OPD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 Zernike 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(guān)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 2 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(xiàn)進(jìn)入眼

12、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)，隨著瞳孔的增大而增加。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)量發(fā)生變化。在晚上，瞳孔散大時(shí)，會(huì)出現(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(jiàn)圖 6-12 。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增厚，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

13、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 隨著年齡的增大 ，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增長(zhǎng)而減小，即角膜更加接近球形，因此像差明顯地增加，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(chēng)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(kāi)術(shù)（PK）

14、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，并且隨著瞳孔的增大而增大，切削越深像差變化越 明顯。 因此，近年來(lái)許多眼科專(zhuān)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

15、 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(chēng)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

16、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增進(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)

17、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，而總像差則明顯高于正常人，這可 能是因?yàn)榛鞚岬木w引起光線(xiàn)的散射和吸收從而導(dǎo)致晶體局部屈光改變所致?？梢?jiàn)在早期 白內(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增高對(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(mǎn)意的效果，還有些 患者客觀(guān)視力檢測(cè)好，而主觀(guān)感覺(jué)卻視物模糊。這些以前一直難以解釋的現(xiàn)

18、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測(cè) 結(jié)果。4 角膜接觸鏡