角膜地形圖測量工具的比較及其臨床應(yīng)用

1、角膜地形圖測量工具的比較及其臨床應(yīng)用        【摘要】     近年來角膜形態(tài)測量已成為眼視光學(xué)研究和臨床應(yīng)用的重要組成部分。我們重點(diǎn)分析并比較了目前常用的3種角膜地形圖測量系統(tǒng)：Placido盤為基礎(chǔ)的角膜地形圖儀，Orbscan和Pentacam眼前節(jié)測量分析系統(tǒng)，三者的測量優(yōu)勢、局限性及臨床應(yīng)用。     【關(guān)鍵詞】  角膜地形圖；Placido；Orbscan；Pentacam  &

2、#160; Comparison of corneal topography measurement tool and its clinical applicationYi Yin, YanLing Wang, YueGuo ChenDepartment of Ophthalmology, Beijing Friendship Hospital Affiliated to Capital Medical University, Beijing 100050, China; Eye Center of Beijing University, Beijing 100083, ChinaA

3、bstractRecently topography systems have played a more important role in the field of optometry. In our review, we compared the advantages, limitations and clinical applications of Placidobased corneal topography system, Orbscan, and Pentacam anterior segment analysis system.KEYWORDS：topography; Plac

4、ido; Orbscan; Pentacam0引言    近年來，隨著屈光性手術(shù)、角膜移植手術(shù)的廣泛開展，角膜地形圖為研究者提供了大量角膜形態(tài)信息，已成為眼科學(xué)和視光學(xué)必不可少的測量工具。我們根據(jù)近年來的文獻(xiàn)報(bào)道，分析比較了各種常用的角膜地形圖測量系統(tǒng)的優(yōu)勢、局限性及臨床應(yīng)用。1工作原理及測量參數(shù)1.1角膜曲率計(jì)  1856年，由Helmholtz設(shè)計(jì)的角膜曲率計(jì)測量的是相互垂直方向上的角膜曲率半徑及屈光力，測量范圍為角膜中央3mm內(nèi)。它假定角膜為圓柱球形體，應(yīng)用鏡面反射原理，計(jì)算角膜曲率值1。1.2 Placido盤  1880年問世的Pla

5、cido盤是一個(gè)黑白相間的同心圓環(huán)。檢查者需通過盤中的小孔觀察被檢者角膜上的同心環(huán)像。它用環(huán)的寬度表示角膜平坦或陡峭。臨床上Placido盤能夠發(fā)現(xiàn)較大量的角膜變形，如中度圓錐角膜、嚴(yán)重的散光、不規(guī)則散光等1。1.3計(jì)算機(jī)輔助角膜地形分析系統(tǒng)  1980年計(jì)算機(jī)輔助角膜地形分析系統(tǒng)(角膜地形圖儀)問世，它根據(jù)Placido盤原理，將角膜圖像用攝像機(jī)記錄下來，然后用計(jì)算機(jī)分析并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息后重建角膜表面形態(tài)，用顏色編碼得到角膜地形圖。這種類型的機(jī)器有：TMS角膜地形圖系統(tǒng)、Eyesys System 2000角膜地形圖系統(tǒng)等2。角膜地形圖儀同樣是根據(jù)鏡面反射原理：Plaido各環(huán)發(fā)出

6、的光線，經(jīng)過角膜表面反射后所成的虛像由攝像系統(tǒng)接收。我們可以從像的大小計(jì)算出角膜面的曲率。測量參數(shù)34：（1）表面不規(guī)則指數(shù)（SAI）：角膜中央距180°子午線相應(yīng)點(diǎn)的角膜屈光力差的總和。此值越大表示角膜表面越不規(guī)則。（2）表面規(guī)則指數(shù)（SRI）：主要表示角膜光學(xué)區(qū)的光學(xué)質(zhì)量。它與PVA有很好的相關(guān)性。（3）模擬角膜曲率值（Simk）：代表角膜中央?yún)^(qū)7，8，9三環(huán)兩相垂直的子午線角膜曲率，等同于角膜曲率計(jì)讀數(shù)。（4）角膜潛視力（PVA）：是指眼的視網(wǎng)膜、視神經(jīng)及屈光間質(zhì)正常時(shí)，角膜可獲得的視力。通過比較PVA與實(shí)際矯正視力可以分辨出患者視功能障礙是角膜源性還是非角膜源性。（5）角膜下

7、方與上方平均屈光力的差值(IS值)：在距角膜中央3mm的圓周上以相同的間隔各自取5個(gè)數(shù)值求平均值，代表角膜下方與上方平均屈光力，然后求其差值。1.4根據(jù)三角測量技術(shù)的Orbscan角膜地形圖系統(tǒng)  1997年Orbtek 公司（美國）生產(chǎn)的Orbscan應(yīng)用于臨床及科研。它分別從左右兩邊發(fā)射20條裂隙光以45°投射于角膜進(jìn)行水平掃描。共拍攝到40 個(gè)裂隙切面，每個(gè)切面得到240 個(gè)數(shù)據(jù)，共9 600個(gè)數(shù)據(jù)，最后計(jì)算出全角膜前、后表面的高度、角膜前表面屈光力地形圖及全角膜厚度圖。此外，它還可檢測前房深度、晶狀體厚度等參數(shù)。這個(gè)系統(tǒng)和鏡面反射無關(guān)，它根據(jù)光線透過角膜組織發(fā)生散射

8、的圖像，通過三角測量得出相對于參考平面的角膜前后表面高度值。這個(gè)系統(tǒng)的幾何原理和rastersterography或者fringe projection（條紋投照方法）相似5。在Orbscan中，由Orbscan系統(tǒng)加Placido盤組成，同時(shí)結(jié)合了Placido盤鏡面反射測量的角膜表面坡度，得到角膜曲率。測量對象和參數(shù)：（1）高度：角膜的高度地形彩色編碼圖顯示角膜與一參考平面的相對高度。（2）Diff值： Diff值是每個(gè)角膜實(shí)際測得的后表面頂點(diǎn)距理想?yún)⒖记蛎婊鶞?zhǔn)值兩者之間的差值。（3）曲率：結(jié)合了Placido盤鏡面反射測量的角膜表面坡度，得到角膜曲率。（4）厚度：全角膜的厚度是根據(jù)角膜前

9、后表面的高度差而獲得的。軟件同時(shí)也能夠辨別角膜的最薄點(diǎn)及它的定位。（5)前房深度和晶狀體厚度。1.5 Pentacam眼前節(jié)測量及分析系統(tǒng)  德國Oculus公司生產(chǎn)的Pentacam眼前節(jié)測量分析系統(tǒng)集3D前房分析、角膜測厚、角膜地形圖、白內(nèi)障分析于一體，是世界上第一臺(tái)根據(jù)Scheimpflug成像原理進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描三維測量的眼科儀器。根據(jù)Scheimpflug定律：移動(dòng)三個(gè)平面，如被攝圖像平面、鏡頭平面和膠片平面彼此相交于一條線或一個(gè)點(diǎn)，便可獲得更大的焦深（圖1）。因此Scheimpflug相機(jī)比普通相機(jī)聚焦景深更大，圖像更清晰。Pentacam內(nèi)置的Scheimpflug攝像機(jī)，

10、在2s內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)掃描得到共軸的50幅裂隙圖像，每張圖像包含500個(gè)點(diǎn)，最終每個(gè)層面產(chǎn)生25000個(gè)真實(shí)的高度點(diǎn)，它的中心還有一臺(tái)攝像機(jī)用于監(jiān)視眼球的運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行內(nèi)部校正69。測量對象和參數(shù)：（1）角膜前后表面高度；（2）角膜厚度：由前后表面高度差得到；（3）角膜曲率：由高度圖推導(dǎo)出，結(jié)果唯一；（4）前房分析參數(shù)：前房角、前房容積、晶狀體密度等。2測量優(yōu)勢及局限性比較2.1角膜曲率計(jì)  可同時(shí)得到角膜曲率值和屈光度值。有測量快捷、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，特別適于檢查規(guī)則角膜，是臨床上測量角膜曲率的重要方法。但是有以下局限：（1）測量范圍?。航悄ぶ醒?mm內(nèi)。（2）對于正常規(guī)則的角膜，角膜曲率計(jì)

11、具有高度準(zhǔn)確性和可重復(fù)性1。但人的角膜并不是完全規(guī)則的球面。（3）它只能測量角膜中央相互垂直的子午線變陡和變平度數(shù)，但角膜變陡既可提示圓錐角膜，也可由高度規(guī)則散光造成，有些不規(guī)則散光并沒有角膜中央的明顯變陡。所以它并不能測量出更細(xì)微的角膜變化及全角膜形態(tài)，因此在臨床工作中受到限制。2.2以Placido盤為基礎(chǔ)的角膜地形圖儀  Placido盤相比角膜曲率計(jì)測量范圍大，更能全面的表現(xiàn)角膜形態(tài)。局限性：（1）不能發(fā)現(xiàn)角膜細(xì)小變化，只能對角膜形態(tài)進(jìn)行粗略的定性描述。如，大致看到圓錐角膜的局部解剖變化；（2）測量范圍受限：在檢查時(shí)要將Placido盤移近角膜或增加盤的直徑才能顯示出角膜周邊

12、部，但這樣會(huì)使鼻、眼瞼在角膜表面形成陰影，遮擋影像。由于光軸處光線不反射，因此缺乏中央角膜信息。相比，Orbscan和Pentacam則可測量包括角膜緣的全角膜范圍；（3）當(dāng)角膜上皮缺損、基質(zhì)潰瘍時(shí)不能成像；（4）當(dāng)角膜存在高度不規(guī)則改變時(shí)，Placido盤的影像經(jīng)常交織在一起，難以從量上進(jìn)行描述；（5）Placido盤檢查的可重復(fù)性較差10。以Placido盤為基礎(chǔ)的角膜地形圖儀是用計(jì)算機(jī)分析Placido盤的反射圖像并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，它可以定量分析角膜表面，比Placido盤的定性分析有著質(zhì)的飛躍，但是它們都是基于Placido盤反射原理，有著相似的局限性。另外，Placido盤鏡面反射方

13、法假設(shè)角膜的光軸和成像系統(tǒng)的光軸在一條直線上，它對光軸上的移位非常敏感，因此容易產(chǎn)生誤差11，12。Orbscan和Pentacam則不需要非常精確的對位于角膜中心，在測量角膜高度時(shí)也不會(huì)造成錯(cuò)位誤差5。更重要是，角膜地形圖儀是通過拍攝Placido盤的反射圖像后，測量每一環(huán)上各點(diǎn)的角度并進(jìn)行數(shù)學(xué)重建，因此得到的角膜地形圖只是角膜表面屈光力圖，不是真正的角膜地形4。屈光手術(shù)的進(jìn)步，將更多地有賴于真實(shí)角膜形態(tài)的精確分析，不能通過曲率分析確定真實(shí)的角膜形態(tài)。另外，基于Placido盤的角膜地形圖測量的曲率大小也取決于參照面，參照點(diǎn)或觀察角度的改變將導(dǎo)致曲率改變（圖2）。任何角膜手術(shù)后或角膜形狀的改

14、變，參照點(diǎn)均可發(fā)生改變。2.3根據(jù)三角測量技術(shù)的Orbscan角膜地形圖系統(tǒng)   Orbscan的優(yōu)勢是根據(jù)三角測量技術(shù)得到包括角膜厚度和角膜前后表面高度的地形圖。但是其角膜前表面曲率不是由高度推算出的，仍根據(jù)Placido盤鏡面反射像計(jì)算出角膜曲率圖。圖1  A:普通照相機(jī)，缺點(diǎn)：被攝平面、鏡頭平面及膠片平面平行，焦深有限；B:Scheimpflug 照相機(jī)，優(yōu)點(diǎn)：被攝平面、鏡頭平面及膠片平面相交于一點(diǎn)可獲得較大焦深。（略）圖2參照點(diǎn)不同或者觀察角度不同導(dǎo)致曲率改變。（略）2.3.1角膜地形及角膜屈光力方面  劉祖國等13研究用Orbscan獲取Sim

15、 K值與Bogan等14報(bào)道的應(yīng)用TMS1角膜地形圖儀的結(jié)果相符，散光度數(shù)也與Bogan等14及Naufal等15(應(yīng)用PAR系統(tǒng)) 的結(jié)果相符，所得的角膜高度地形圖圖形及角膜曲率圖圖形構(gòu)成比與應(yīng)用PAR及TMS1系統(tǒng)所得結(jié)果相似，說明Orbscan在檢測角膜曲率及地形圖圖形方面，其精確性及準(zhǔn)確度與PAR及TMS1角膜地形圖儀基本相同。目前用于研究角膜地形及屈光力方面的方法及儀器很多，比如:角膜地形圖儀、角膜曲率計(jì)等，但各自的應(yīng)用局限性也是非常顯著的，它們只能對角膜前表面地形圖及屈光力進(jìn)行分析，表達(dá)也并不是真正的角膜地形。研究已證實(shí)角膜后表面地形同前表面一樣對角膜屈光力的影響較大。Orbsca

16、n可以測量整個(gè)角膜前后表面的地形，因此具有較高的臨床實(shí)用價(jià)值。2.3.2角膜厚度方面  當(dāng)前測量角膜厚度較常用的有裂隙燈光學(xué)測厚儀、超聲測厚儀、超聲生物顯微鏡（UBM)、共焦顯微鏡測量法等16。臨床上這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。Orbscan測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與較常用的超聲方法相當(dāng)，其優(yōu)勢在于：可以獲得全角膜的厚度、非接觸性、測量時(shí)間短、不受組織水合作用影響、可測量角膜任意點(diǎn)、不對角膜造成壓力。而超聲的準(zhǔn)確性受探頭是否垂直角膜表面影響，定位點(diǎn)不易標(biāo)準(zhǔn)化。有報(bào)道1718，兩者對角膜測厚結(jié)果有一定差異。Yayali等17認(rèn)為Orbscan測量角膜厚度更有價(jià)值，其測量值大于超聲測量值2328m。差

17、異的原因可能是超聲波測定法探頭接觸角膜，而Orbscan測量的角膜厚度還包括覆蓋角膜表面的一層740m厚的淚膜19，在臨床應(yīng)用時(shí)應(yīng)予注意。2.3.3 Orbscan還可以測量前房深度和晶狀體厚度2.3.4測量范圍  比起角膜曲率計(jì)只能測量角膜中心3mm，角膜地形儀測量角膜中心7mm來講，Orbscan可以測量包括角膜緣范圍的全角膜表面形態(tài)。2.3.5測量軸位  不像Placido盤，要求角膜光軸和成像系統(tǒng)光軸在一條直線上，對光軸上的移位非常敏感。Orbscan通過三角測量方法不需要非常精確的對位于角膜中心，因此在測量時(shí)也不會(huì)造成錯(cuò)位誤差。比Placido盤重復(fù)性和精確度要高

18、5。2.4 Pentacam眼前節(jié)測量及分析系統(tǒng)  Pentacam和Orbscan同樣都可以測量角膜前后表面高度及角膜厚度，都是角膜地形圖測量上的飛躍。Pentacam是以Scheimpflug光學(xué)原理為基礎(chǔ)，不但比傳統(tǒng)角膜地形圖測量儀精確性更高20，在篩查臨床前期圓錐角膜時(shí)，還可以補(bǔ)充更有意義的角膜后表面參數(shù)21,22。其優(yōu)勢表現(xiàn)有以下幾點(diǎn)。2.4.1測量范圍  可以完整描述從角膜緣到角膜緣的全角膜形態(tài)。2.4.2角膜曲率和角膜前后表面高度  Pentacam的測量方向和參考點(diǎn)的軸位無關(guān)，得到的曲率更加精確。Placido盤原理的角膜地形圖儀得到的曲率大小取決

19、于參照面，同一位點(diǎn)角膜曲率可能由于測量方向和參考點(diǎn)的位置不同而不同，導(dǎo)致曲率地形圖不是唯一（如2.2述），Obscan前表面曲率圖也不是從高度圖推導(dǎo)的，具有相同局限性。而Pentacam測量的角膜表面高度圖表示角膜真實(shí)形態(tài)，與軸、方位無關(guān)，其他所有圖形（包括曲率圖）均可從精確的高度數(shù)據(jù)推導(dǎo)出。其曲率是從屬的，是高度的推導(dǎo)值。一個(gè)精確的高度數(shù)據(jù)僅產(chǎn)生一個(gè)曲率圖。相反，具有相同“曲率”的兩個(gè)物體，“高度”卻可以不同。根據(jù)Pentacam測量的角膜后表面高度，可以在屈光手術(shù)前有效地篩查臨床前期圓錐角膜及確診臨床期圓錐角膜23。2.4.3角膜中心  Pentacam的旋轉(zhuǎn)掃描在角膜中心點(diǎn)得到

20、更多數(shù)據(jù)。Placido攝像機(jī)在中心，中心點(diǎn)反光最弱，中央測量值是推測出來的，可能為旁中心測量7。2.4.4對位  Pentacam實(shí)時(shí)監(jiān)視眼球運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行內(nèi)部校正，定位準(zhǔn)確。Orbscan不能監(jiān)測被檢眼是否追蹤裂隙燈光，因此角膜后表面的測量常不夠準(zhǔn)確24,25。2.4.5共軸圖像獲取  Pentacam旋轉(zhuǎn)掃描角膜，每個(gè)層面產(chǎn)生25000個(gè)真實(shí)的高度點(diǎn)，這種共軸圖像獲取的方法更精確。而Orbscan則為水平掃描，每個(gè)角膜獲取9600個(gè)數(shù)據(jù)。由于Orbscan從一個(gè)方位獲圖像且均勻分布測量點(diǎn)，因此一個(gè)方向的一張圖像錯(cuò)誤可能會(huì)影響整個(gè)的三維模型26。2.4.6角膜厚度 

21、; 定位準(zhǔn)確，可重復(fù)性好。有人認(rèn)為：Pentacam與超聲測厚相當(dāng)，因?yàn)閼?yīng)用Scheimpflug圖像，Pentacam比其它裂隙圖像系統(tǒng)有和超聲測厚更好的相關(guān)性，但還需進(jìn)一步證實(shí)27。2.4.7景深  Pentacam的Scheimpflug圖像景深大，圖像非常清晰。Orbscan受景深限制，掃描不出高質(zhì)量的圖像，結(jié)果有時(shí)有問題，所以需聯(lián)合使用Placido系統(tǒng)。2.4.8其他臨床應(yīng)用  Pentacam三維眼前節(jié)分析可測量并顯示前房角，計(jì)算前房容量、前房深度、瞳孔直徑和晶狀體厚度，同時(shí)具有手動(dòng)測量功能，也可以進(jìn)行白內(nèi)障分析。Orbscan只計(jì)算前房深度不能產(chǎn)生前房深度圖

22、，也不能對白內(nèi)障進(jìn)行評估和重現(xiàn)。局限性：Pentacam不能測量眼軸，不能透過角膜白斑或角膜云翳進(jìn)行測量，由于虹膜遮擋無法測量睫狀溝到睫狀溝的距離。但由于多角度拍攝圖像，通常可獲取不透明組織后的部分?jǐn)?shù)據(jù)。    綜上所述，角膜地形圖作為眼科必不可少的測量工具應(yīng)受到廣大臨床科研工作者的重視，在臨床工作中應(yīng)根據(jù)需要選擇應(yīng)用不同類型的角膜地形圖工具。    【參考文獻(xiàn)】  1陳潔,瞿佳.角膜地形圖的應(yīng)用和分析.第1講.眼視光學(xué)雜志2000;2(1):56582 Bogan SJ, Waring GO 3d, Ibrahi

23、m O, et al. Classification of normal corneal topography based on computerassisted videokeratography. Arch Ophthalmol1990;108:9459493周躍華,李志輝,安偉麗.圓錐角膜與近視眼角膜地形圖比較.中國實(shí)用眼科雜志 1997;15(5):2972994 劉祖國,林躍生.角膜地形圖學(xué).廣東:廣東科技出版社20015 MejíaBarbosa Y, MalacaraHernández D. A review of methods for measuring

24、corneal topography. Optom Vis Sci 2001;78(4):2402536 Lackner B, Schmidinger G,Skorpik C.Validity and repeatability of anterior chamber depth measurements with Pentacam and Orbscan. Optom Vis Sci2005;82（9）:8588617 Holladay JT, Belin MW, Chayet AS, et al. Nextgeneration technology for the cataract and

25、 refractive surgery. Cat Ref Surg Today Suppl 2005;1:1118 Kent C.The anterior chamber from every angle. Rev Ophthalmol 2005;12（6）:33389 Gardner BG, Taub MB.New diagnostic devices in Eye care. Rev Optom 2004;15：798510張麗云,鄒留河.圓錐角膜的研究進(jìn)展.中華眼科雜志 2003;39(10): 63463711 Roberts C. Characterization of the in

26、herent error in a sphericallybiased corneal topography system in mapping a radially aspheric surface. J Refract Corneal Surg1994;10（2）:10311112 Belin MW, Khachikian SS. Highlights of Ophthalmology, City of Knowledge. Am J Ophthalmol 2007;143（3）:50050313劉祖國,謝玉環(huán),張梅,等.正常人角膜前后表面地形及全角膜厚度的研究.眼科雜志 2001;37(

27、2):12512814 Bogan SJ, Waring GO 3d, Ibrahim O, et al.Classification of normal corneal topography based on computerassisted videokeratography. Arch Ophthalmol1990;108（7）:94594915 Naufal SC, Hess JS, Friedlander MH, et al.Rasterstereographybased classification of normal corneas. J Cataract Refract Sur

28、g1997;23（2）:22223016 Hitzenberger CK, Baumgartner A, Drexler W, et al. Interferometricmeasurement of corneal thickness with micrometer precision. Am J Ophthalmol1994;118（4）:46847617 Yayali V, Kaufman SC, Thompson HW.Corneal thickness measurements with the Orbscan Topography System and ultrasonic pac

29、hymetry. J Cataract Refrat Surg1997;23(9)1345135018 張莉,克麥爾·艾則孜,姚巧蓮.OrbscanII角膜地形圖儀與超聲角膜測厚儀角膜測厚結(jié)果的對比分析.國際眼科雜志2008；8（5）：1027102819 Prydal JI, Artal P, WoonH, et al.Study of human precorneal tear filmthickness and structure using laser interferometry. Invest Ophthalmol Vis Sci1992;33（6）:2006201120

30、 MejiaBarbosa, Yobani, MalacaraHernandez, et al.A review of methods for measuring corneal topography. Optom Vis Sci 2001;78:24025321 Fam HB, Lim KL.Corneal elevation indices in normal and keratoconic eyes. J Cataract Refract Surg2006;32(8):1281128722 Sonmez B, Doan MP, Hamilton DR.Identification of scanning slitbeam topographic parameters important in distinguishing normal from keratoconi