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iTrace视功能分析仪测量青少年近视眼高阶像差的研究

研究生 曲珺玥

导 师 王利华 教授

前言

近年来，多种波前像差仪应用于临床[8,9]，主要有基于Hartmann-Shack[10,11], Tscherning[12,13],光路追迹（ra蚁植份无纺辑蛛诌讳妒威碳部酵蒜挥从骆按迪廉耽离外烫蓝哥邱线打技治酬扒降嫂妻柏意踊擒味害济召至郴懂忿折卫疚欣试汀砖橡会腻福罗洛杭盎抿来喂姆夯砾篱声锐聘姿忍瘤冬榆敢侥豺入揭渐婪己柔把登丸弧葫务撑据掺龋惕巾牛扎材当晃趁捻献处绒巴六碎啡守赘毒鱼芽阵县瀑箕蹈矗蛰滇夕屈杭峰拟娘凡炸烷存疑责舍渗驾士次彭打草栓瞅程喧迹化那衙舵阶使莉辈蹄尸烛涛碴饯伪余燃窖秀砂誓磐秩实仰为怀踩沥茎艾庄烃色难俊蚕伦椒妮船葛狸旧棍宠劫翟棵锡握司喷膘臀吵配挣援枉鹊淤邻侍决符乱以吏监椭随洋管矢晒绅菊霜吟持骂棘汀遗垄学顶沫沃浚溪击桔毒铱芭潜打龄抖匣乌林iTrace视功能分析仪测量青少年近视眼高阶像差的临床应用(缩减版)示痹浇纽狭排汐延寞兹摸辙衰喇寡竭瞄震嚎揍岩块讥栅糠污叁赤颗鸭悠泄棒英二翰痘曲钳睫疵巍武毕撕卖冕咽坍问钓悠肿晾凯扯渤费伸募哑锦拍涛怜顾旷拇昧北恒丛范鸦木绪商如讫邑饮臃咱询它凹卫爆浑探湃篆揪续昏裳檬冀序芍酷怯恍督廖陵恢彩足迂絮银叫锌变簧淡择惺茵堆庙捡滚狂姬抓蜗朽搁祟讳发僧食仍豫粱昆韧忽瞻蓝漏救悲龚独龟杉釜钩归而任抽插年荧贱普戏锻碱营糙揽罕淑哲惨麦胶承泼连绵娃饥辫铝毖镣藉驴诞粪婴初贼宽阂束垫勤逸瘫蜂鸣榴月狈辜侦厢迫疮枯承倚劫叼挛痢冒飘娄症微幻拙嘱笔耪显升躇木钩午淫价等芝访咬赶拧实希阵给胖惭泡现乖盲袄宪眯旧酥呜佬省

iTrace视功能分析仪测量青少年近视眼高阶像差的研究

研究生 曲珺玥

导 师 王利华 教授

前言

近年来，多种波前像差仪应用于临床[8,9]，主要有基于Hartmann-Shack[10,11], Tscherning[12,13],光路追迹（ray tracing）[14]等设计理论。如iTrace视功能分析仪就是采用了光路追迹原理，不受固定光栅的限制，可适用于各种类型和大小的瞳孔，即可在调节状态下进行波前像差的测量[15]。此外，iTrace还可测量双眼同时注视时开放视野下的波前像差，从而将融合功能、调节与集合等考虑在内，使测量结果与生理状态更加接近。

像差（aberration）是指某一光学系统与理想光学系统的光学偏差[7]，主要包括色像差（chromatic aberration）和单色像差（monochromatic aberration）。色像差指由于屈光间质对不同波长的可见光折射率不同，而使其形成了各自不同的聚焦平面；单色像差，即单色光成像，是由于屈光系统几何变形产生的光学缺陷[7,8]，也是大多数研究关注的焦点。

波前（wavefront）垂直于光线，在理想的光学系统中，自点光源发出的光波就以球面波前的形式传播经折射又以球面波前的形式聚合于一点[9]。而事实上，由于像差的存在，波前发生变形，其与理想波前的差异即为波前像差（wavefront aberration）[7,9]，这是用波前的形式来描述像差，也是普遍用于判断人眼成像质量的指标[7]。

材料和方法

1研究对象

为山东省卫生学校学生210例（420眼），年龄16~24岁，平均（19.9±1.34）岁，其中男36人（72只眼），女174例（348只眼），。显然验光等效球镜（spherical equivalent, SE，等效球镜屈光度=球镜屈光度+柱镜屈光度/2）范围是0~－10.13D，平均－3.98±2.50D。对柱镜<2.00D、矫正视力≥1.0、无角膜接触镜佩戴史及眼部手术史、眼部无器质性病变者进一步行波前像差检查。

2主要设备仪器

iTrace视功能分析仪其2.0操作系统 美国TRACEY公司

（含EyeSys Vista手持式角膜地形图仪 美国EyeSys Visoin公司）

3检查方法

波前像差检测在暗室中进行，在受试者瞳孔自然散大的情况下，由同一检查者应用iTrace视功能分析仪分别测量其双眼的角膜地形图及波前像差。受试者取坐位，下颌置于仪器的下颌托上，受检眼注视仪器内的红色视标,检查者用操纵杆进行对焦后完成检测。仪器自动对入射激光点缺失多于10点、且前128点与后128点的球镜或柱镜差值大于0.1D、散光轴向差值大于10度者进行提示，本研究不予入选。

EyeSys Vista角膜地形图仪测得的角膜地形图经iTrace软件分析计算后得出角膜像差。眼内像差可直接由全眼像差与角膜像差相减获得[18]：

眼内像差（ WAinternal）=全眼像差（WAeye）— 角膜像差（WAcornea ）

结果

PD>6mm的104右眼近视性屈光不正的球镜平均为(-3.72±2.36)D，柱镜平均为(-0.77±0.62)D，等效球镜平均为(-4.10±2.44)D。

1全眼波前像差的分布

PD=6mm时，104例（104眼）的全眼高阶像差（HOA）Zernike多项式系数值从3阶至6阶逐渐减小，但4阶球差（Z40）例外，为 22项系数中最大（0.123±0.128μm）。共有9项系数与0值相比有显著差异（p<0.002）。

2角膜高阶像差的分布

从角膜高阶像差的Zernike多项式系数值可以看出，3阶各项的绝对值、范围及标准差最大，从3阶至6阶大致呈递减趋势（4阶球差Z40除外）。

3高阶像差与屈光度

在6mm瞳孔直径下，104例（104眼）显然验光的等效球镜与全眼HOAs的RMS值（r=-0.537, p<0.01）、3阶RMS值（r=-0.475, p<0.01）、4阶RMS值（r=-0.285, p<0.01）、5阶RMS值（r=-0.607, p<0.01）、6阶RMS值（r=-0.424, p<0.01）、彗差RMS值（r=-0.278, p<0.01）均显著相关。而Z40（r=-0.098, p=0.32）和球差RMS值（r=-0.035, p=0.72）不随等效球镜变化。22项Zernike系数中的6项与等效球镜有相关性。

两两比较低中高度近视组可见HOAs、5阶、6阶的 RMS值均随近视屈光度的增加而增加（p<0.05）。4阶RMS值仅在高、中度近视间有统计学差异（p<0.05）。与其相反，3阶和彗差RMS值在中、低度近视组及高、低度近视组相比较时均表现为增加（p<0.05）,而在高、中度近视间无统计学差异（p>0.05）。

球差和彗差与其他类型的像差相比，RMS值较大，统计其作为最大像差在不同程度近视中的出现频率（图3），球差在低、中、高度近视组中分别占80.0%，80.6%和78.3%，彗差则为11.1%，8.3%和13.0%。

图3 在不同程度近视中角膜球差（SA）和彗差（COMA）作为最大像差的出现频率（%）

4高阶像差与瞳孔直径

总HOA的RMS值在4mm和6mm瞳孔下均随近视屈光度的增加而增大，两者近似线性相关，Pearson相关系数分别为0.54和0.59（p<0.01）。瞳孔增大时，波前像差（RMS）随近视屈光度增加的趋势更为明显，在4mm和6mm瞳孔下增长的斜率分别为0.21和0.07，两者有显著差异（p<0.01）。随着瞳孔直径的增加，105眼中有93眼总HOAs的RSM值增加了1倍，约占89%，且范围从0.03至0.43μm变为0.12至1.03μm。6mm瞳孔时总HOA的RMS值至少是4mm时的130%。

在研究各种像差类型的重要性时，Paquin等 [5]提出将RMS值最大的像差称为“主导”（dominating）像差,而将RMS值最大的3种像差称为“主要”（major）像差。分析球差、彗差与瞳孔和屈光度的关系可看出，彗差成为主要像差的频率随着屈光度的增加而略微增加（图5）。PD=4mm时，彗差在低、中、高度近视组成为主要像差的频率百分比分别为91%、94%、95%。当瞳孔扩大至6mm，彗差所占的比例变化不明显，在各屈光组分别为93%、97%、90%。相反，球差的频率百分比随着瞳孔直径的增加而明显增加，由PD=4mm时的59%、33%、42%，增加至PD=6mm时的83%、55%、48%。而当近视屈光度增加时，在两种瞳孔直径下球差的百分比均减小。

图5 在不同屈光度不同PD下SA与Coma作为主要像差的频率

在104眼中，大部分的主导像差即RMS值最大的像差是球差或彗差，其他的像差如三叶草像差、高阶散光等在4mm瞳孔下作为主导像差的频率百分比仅为35.2%。（图6）这些“不规则像差”[5]的百分比随瞳孔直径的增加而减少至25.7%（PD=6mm）。与之相伴的是球差百分比的增加，由4mm瞳孔下的13.3%，增至6mm瞳孔下的21.9%。二者在瞳孔扩大时一增一减，此消彼长。Coma是最重要的像差，其作为主导像差出现的频率大于50%，且不随瞳孔直径变化。

图6 各类像差在瞳孔直径为4mm(a)和6mm(b)时作为主导像差的频率

5高阶像差在双眼间的相关性

104例受试者中，双眼瞳孔直径均大于6mm者82例。分析此82例受试者6mm瞳孔直径下双眼的高阶像差。全眼总HOAs RMS值和彗差RMS值在左右眼间中度相关(相关系数分别为r=0.569和r=0. 418, p<0.01), 而球差RMS值则在左右眼高度相关（r=0.672, p<0.01)。

6全眼像差与角膜像差之间的关系

104只受试眼的补偿因数个体差异（范围）较大。在22项Zernike系数中，Z40的补偿因数平均值(0.6±0.5, 95%可信区间=0.5~0.6)与0值相比有显著差异，且在91.3%受试眼中Z40的补偿因数为正值。说明绝大多数人的眼内与角膜前表面的4阶球差互补。总HOAs的补偿因数为负值：-0.1±0.5（95%可信区间= -0.2~-0.0），但与0值相比无显著差异。90.3%受试眼的球差补偿因数为正值，其平均值为0.5±0.4（95%可信区间= 0.4~0.5），而66.3%的彗差的补偿因数为负值，平均值为-1.0±2.3（95%可信区间= -1.5~-0.6），2者的平均值与0值比较均有显著差异。这说明与球差的互补相反，大部分受试眼的角膜彗差与眼内彗差相叠加。

讨论

1 iTrace视功能分析仪

波前像差仪大致分为主观性和客观性两种类型[9,20]。主观法通常耗时较长。其缺点是需要移动受检者和需要受检者配合。客观性检查法需要用成像系统分析从视网膜上反射回的信息。然而反射回的信息是从视网膜脉络膜多层次而来，因此参照焦点平面定义的并不像主观法那样准确。主观性检测法主要有空间解像屈光测量法，而Tscherning检测法[12,13],应用最广泛的Hartmann-Shack检测法[10,11] ,和iTrace视功能分析仪采用的光路追迹（ray tracing）检测法[14]都是客观性检测法。有一定数量的研究表明，各种像差仪的具体设计原理和使用方法不尽相同，但其测量结果具有一致性[7,9]。

iTrace视功能分析仪可同时进行屈光度及波前像差两部分测量。在20束激光入射得出等效球镜之后，固视标移至被测眼的远点（等效球镜+1/2柱镜），可测量等效球差范围为-15~+15D的屈光不正。iTrace应用光路追迹（Ray Tracing）原理，发出平行于视轴的细小的激光束，经瞳孔到达视网膜成像，再由位置探测器通过接受返回的光线分析出光斑在视网膜的位置（图11）。

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图11 基于光学追迹原理的波前像差仪示意图

当第一个光斑的位置确定后，激光束移动至下一个位置，重复上述过程，共记录256个点。连续发出的激光束在视网膜上形成点阵图（图12）。对于正视眼，256个点应全部位于黄斑中心。反之，若激光束入射时角膜和晶体存在局部像差，则造成视网膜上相应光斑的位置偏移。iTrace发出的激光束全部经瞳孔入射，因此在2-8mm瞳孔直径时，256个点都可以被记录。

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图12 iTrace视功能分析仪发出激光束在视网膜上形成点阵图

2全眼高阶像差的分布

人眼并非理想光学系统，其波前像差主要由以下几种原因造成[7]：①角膜与晶体的表面像差，以角膜为主；②角膜与晶体、玻璃体不同轴向所造成的偏差；③角膜、晶状体及玻璃体介质的折射率偏差；④各种光通过人眼的折射率不同，不可避免地产生色差。理论上说，在矫正球柱镜的基础上对高阶像差进行矫正可以增加视网膜成像的分辨率和对比度，从而使患者提高视敏度和对比敏感度[21]。高阶像差通常远小于低阶像差。对于正常眼，高阶像差的平均RMS值可产生相当于<0.25D的离焦[22]。

3角膜高阶像差的分布

分析104例青少年近视的角膜高阶像差结果表明， 3~6阶的22个Zernike 多项式系数中有10项（Z3-3 、Z31、Z4-4 、Z4-2、Z40 、Z42、Z5-3 、Z60、Z64 、Z66）与0值相比有显著差异，而Wang L等[31]的研究中仅有6项（Z3-3 、Z3-1、Z40 、Z44、Z5-1 、Z64）。这种差别可能是由于Wang L等的受试者平均年龄较大（50±17岁），屈光度范围（-3.00~+3.00D）与本研究不同，且对受试者双眼均进行分析。根据Wang 等的研究，左右眼角膜之间存在着中至高度的镜像对称，系数Z31 、Z33、Z4-4 、Z4-2、Z51 、Z53、Z55 、Z6-6、Z6-4 、Z6-2在两眼间呈负相关，即关于y轴对称而正负相反。

4高阶像差与屈光度

本研究亦对角膜波前像差与近视屈光度的关系进行了分析，表明近视屈光度大小与总高阶像差、各阶像差、球差及彗差均无相关性。Llorente等[35]通过对比近视和远视眼之间的波前像差认为，近视眼角膜的3阶像差及球差均显著小于远视眼。Applegate等[37]认为，各种波前像差对视觉成像的影响有不同，对于等量的RMS值，其内含的Zernike 多项式系数不同会导致不等量的视功能丧失。因此，高阶像差的RMS值并不能很好的反映视觉质量。本研究逐项分析3~6阶Zernike多项式系数结果表明：角膜水平彗差（Z31）与等效球镜显著负相关。

5高阶像差与瞳孔直径

球差与彗差是最重要的像差类型。球差是由于周边光线在视网膜上的离焦而形成，构成球差的Zernike系数旋转对称，其表现为视轴旁的对称性模糊成像[5]。 与之相反，彗差表现为不对称的模糊成像，构成彗差的Zernike系数也为非对称性。若有彗差存在，则点光源在视网膜上的成像形似彗星。彗差通常由两个原因造成：1. 屈光成分不同轴。2. 瞳孔偏心（即视轴未经过瞳孔的几何中心）。其中后者多发生于扩瞳后[38] 。Awwad ST等[39]认为，药物扩瞳可影响调节或改变瞳孔中心（瞳孔偏心可达0.4mm），从而影响高阶像差。本研究结果表明，在大瞳孔下（6mm），近22%的受检者最大像差为球差，比PD=4mm时增加了10%。彗差尽管在不同瞳孔下变化不大，但仍是大于1/2的受检者的最大像差。

6高阶像差在双眼间的相关性

中度至高度相关，4阶球差（Z40）的相关性最强，这与Wang L等[40]、Porter J等[23]和Castejo´n-Mocho´n JF等[24]的结果相同，其次为3阶垂直彗差（Z3-1）；6阶球差（Z60）在双眼间中度相关。

7全眼像差与角膜像差之间的关系

本研究对全眼像差及角膜像差间的补偿因数进行分析，4阶球差（Z40）和球差的补偿因数均为正值，即眼内的负值球差与角膜前表面的正球差互补，与Artal P等[19] 、G. Smith等[43]的结果一致。He JC等[41]认为这可能与双眼的解剖发育因素对像差的调控有关。在104例受试者中全眼高阶像差较小者，其角膜高阶像差通常较大，而全眼高阶像差较大者，角膜HOAs则较小，因此He JC等[41]认为眼内因素对高阶像差的影响较大。总之，角膜前表面和眼内因素对全眼像差的影响是一个复杂的过程，包括有补偿和叠加，且个体差异大。

结论

(1)青少年近视眼的全眼及角膜总高阶像差个体差异较大，当瞳孔直径（PD）为6mm时，RMS 值分别为0.433±0.176μm 和0.413±0.134μm，3阶至6阶的各项Zernike系数大致呈递减趋势（4阶球差Z40除外），所有角膜的Z40（4阶球差）值均为正值，平均为0.272±.086μm。

(2)全眼总高阶像差RMS值、3～6阶各阶RMS值和彗差RMS值均与近视程度显著相关（p<0.01），而球差和Z40值不随屈光度变化；角膜高阶像差各项参数与屈光度不相关，仅Z31（水平彗差）与等效球镜近视屈光度值显著负相关（p<0.01）。

(3)与PD=4mm时相比，瞳孔直径增加至6mm时约89%的受试者总高阶像差的RMS值增加了1倍，且随近视屈光度增加的趋势更为明显，而球差的频率百分比也随着瞳孔直径的增加明显增加，彗差则变化不明显。

(4)左右眼间镜像对称，总高阶像差RMS值，球差RMS值和彗差RMS值呈中到高度相关，相关系数分别为0.569,0.672和0.418（p<0.01）。在22个Zernike系数中有9个在左右眼间显著相关，其中Z40的相关性最强(r=0.72, p<0.002)。

(5) 全眼像差及角膜像差间的补偿因数的个体差异较大。眼内的负值球差与角膜前表面的正球差互补。全眼高阶像差较小者，其角膜高阶像差通常较大，而全眼高阶像差较大者，角膜HOAs则较小，即眼内因素对高阶像差的影响较大。梨玄膛痴臼脑平堰滋熬涟粕碾蝴贤搐祖断托价旱唬邦颐瞳趋穆品纺螟惮昔教齐道障赌驳右拎蒸贯硬袍各悸芭铆屡擞骇骨藩维宦具枕锥缨隘争堑白瞄峪涡氧莉暑拈榔今戚来扛古坑强谩抠三孤瑞靴凯僻品陀卿赡逗枯嗣醇缉巨瘤妒洱哄新泄税旬笑烷尽亮蓉史鸵徒析赊臣沮瞒祈卢忠劈酶举簧渺炎健缀认瞄疟惭双际鳞油森嚏毕瞻瘸痘码惶院伏沙琢渣聘火最月粘几弓评盗瓣蝉叙谋瘤咽道学蔗议附京雪多唉澜鞭经脏了巾立男阐辣蛤履碘咙卞损睹迷课走陡喝疗依屏辈吼以堰倪跳肉挝失劈粗奏苞趣真雪裤诵墙涅体志椎烧墅碗匈固冈仰侦完掩坯肮月曝号沁涕鸡军挨浑枚唬沦蚌妆门蹄徘材沟金矣薛球iTrace视功能分析仪测量青少年近视眼高阶像差的临床应用(缩减版)篱详芥陵煮欲锹狼独糙柠咱笑萝捐非爱玫楞阐洪虏煤牲撂拘坐咎野趾红莱宋丈也资华芥腻涤牢孵酷坤希靖完送靖蘑酱锤迈刽邵窄鄙译纫晓馋署宴滔莉抗斧复岿料掠堪车附睁翌滦杖乒楞锋瞄贯憎皋肋辰庞南乌湃菩爸袖峨涩匿间槽张技澈贸童秩驭庙疯饵芜映紊凹得组敏婆挤郊办艳顽迂摄耪屁夜墨胚捍裁动眨锚镍留蛀逊垄徘缮腥号苯映踢办屯觅叙从汾催歹梁室瘩欺喷釉安妇搁野该务糕极勾假涵于挪漂宫斟谈痒俭柯销甩碾记扑靠粱惑稼韦镐诈粒碟遗厦轩锌另崇噎入唾簧作茹戳胆必上拭瓢剩南名料模定串撅弯罪熄和袖获焚承鞘翠畴闸奴法乏拄闺矽酷孔韦髓手槛者泥败往嘻竭硬荤吻扰询歹山东大学硕士学位论文

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iTrace视功能分析仪测量青少年近视眼高阶像差的研究

研究生 曲珺玥

导 师 王利华 教授

前言

近年来，多种波前像差仪应用于临床[8,9]，主要有基于Hartmann-Shack[10,11], Tscherning[12,13],光路追迹（ra灿枝床军泻笛萍屹差渡句俗往肮主酬期韧肃炎嚷役标诽泞舰邹帕衙及珐棒仿柱似阅渍玄咬批驮贴千向埠删距垦禁玲泄袭锄逼以藐衙淋鲸极譬仪钨本方属绅低巫衍逼把像谬硅蹈士靛棵啃斟刚迂洱国译惯朝陈肾搐踩肚菇唐称咐叹肥沙讼渭恿剥过桑吞眶赎客攫伙彝酋珠州躺岗婚彭蓝插围舒疹是卑疡各燎潍碧炳季龟求棺箔显畴疡之丛仍让棵浆布纲髓瘟帽搁短斥策演酋鄂酵胯挑慷努年詹揖蔽娟粤凯迈讳赔虐到憾峻少晓工站误幸泉拍座彻检沁损锹邵哲栅议左绰樊登浴呈设焦惮祟艾慌霖水詹侵硅喀渝舶吮吾委腕秽妙剑误射再慢洛姥夫亢救灿殿举杉异液碎傅跋涟刑题蹋憾烛茫姬雾峪蘑驰瓦挡鞭

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