李承霖，崔 紅，李正日，金 花，金海燕，汝新宇，鄧文慶，吳成哲，李英俊

0引言

隨著白內(nèi)障手術(shù)技術(shù)的不斷提高，人工晶狀體(intraocular lens，IOL)設(shè)計(jì)和材料的日趨完善，越來越多的學(xué)者已將白內(nèi)障手術(shù)納入屈光手術(shù)的范疇，這也是目前眼科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[1]。白內(nèi)障手術(shù)不僅能解決白內(nèi)障造成的視覺障礙，而且可通過置換功能性IOL達(dá)到最佳的視覺品質(zhì)。目前可供選擇的IOL種類繁多，包括球面、非球面、多焦等多種設(shè)計(jì)理念的IOL，使個(gè)性化植入成為可能[2]。從理論上講，IOL植入術(shù)后可以獲得最佳視覺質(zhì)量，但這些新興的IOL在眼內(nèi)是否能真正實(shí)現(xiàn)其模擬生理晶狀體的功能而達(dá)到提高視覺質(zhì)量的目的仍需深入研究。臨床觀察發(fā)現(xiàn)，術(shù)中植入的IOL在眼內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不同程度的傾斜和偏心[3]，可引起術(shù)后波前像差改變，視力下降，眩光、單眼復(fù)視等現(xiàn)象，故準(zhǔn)確測(cè)量IOL的傾斜和偏心值，觀察術(shù)后光學(xué)成像質(zhì)量的變化，對(duì)于評(píng)價(jià)手術(shù)方案及選擇植入功能性IOL的類型具有重要的指導(dǎo)意義。近年研究表明，在模型眼光路上對(duì)IOL的成像質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果相比于IOL在囊袋內(nèi)的相關(guān)體內(nèi)臨床數(shù)據(jù)更為客觀、準(zhǔn)確[4]。本研究旨在通過實(shí)驗(yàn)室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統(tǒng)，探討三種不同類型(球面、非球面單焦點(diǎn)、非球面多焦點(diǎn))IOL在偏心和傾斜情況下對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量的影響，為完善白內(nèi)障屈光手術(shù)及設(shè)計(jì)新一代功能性IOL提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

1材料和方法

1.1材料本研究選用三種類型IOL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即具有正球差的球面IOL Sensar AR40e(Abbott Medical Optics，Inc.)，具有-0.27μm球面像差的非球面單焦點(diǎn)IOL Tecnis ZA9003(Abbott Medical Optics，Inc.)，具有-0.27μm球面像差的非球面多焦點(diǎn)IOL Tecnis ZM900(Abbott Medical Optics，Inc.)。三種IOL屈光度數(shù)均為+22.0D。

1.2方法

1.2.1搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統(tǒng)，建立個(gè)性化光學(xué)人眼模型。在暗室環(huán)境中進(jìn)行，室內(nèi)溫度25℃，空氣濕度20%。高強(qiáng)度光纖耦合光源激光器發(fā)出單一波長氦氖激光，通過針孔形成點(diǎn)光源，通過透鏡后變成平面波，經(jīng)偏振分光棱鏡(polarization beam splitter，PBS)分束后進(jìn)入測(cè)試用IOL，反射回的光透過分束器PBS后，經(jīng)過2個(gè)等焦距的?1/2英寸消色差膠合透鏡(SM05螺紋安裝，f=25mm，增透膜400～700nm)后進(jìn)入Hartmann-Shack波前傳感器，可變孔徑光闌位于IOL前0.6mm處，其直徑調(diào)整為5.0mm(圖1)。

1.2.2檢測(cè)方法將待測(cè)IOL固定于X軸和Y軸線性調(diào)節(jié)的光學(xué)平移裝置的THORLABS LMR05/M固定架上，采用生理鹽水模擬房水和玻璃體液，承載于玻璃制成的水槽內(nèi)，IOL前表面距玻璃水槽前表面8.0mm，分別使IOL偏中心0、0.2、0.4、0.6、0.8mm，向鼻側(cè)和顳側(cè)傾斜5°、10°、15°、20°、25°，采用ZEMAX(ZEMAX?Optical Design Program)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)光線追跡的方法，將模型眼的結(jié)構(gòu)參數(shù)和IOL各項(xiàng)參數(shù)輸入其中。選擇波長555nm，視場角0°，在5.0mm通光孔徑(模擬瞳孔直徑)下對(duì)待測(cè)IOL分別進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。

檢測(cè)過程中，激光器發(fā)出單一波長的氦氖激光，經(jīng)光束提升器調(diào)整使激光處于合適高度和水平位置?？讖焦怅@位于IOL前0.6mm處，其直徑可調(diào)整，以模擬人眼瞳孔的變化。IOL固定于三維調(diào)節(jié)架上，調(diào)整前后、左右、上下、俯仰、旋轉(zhuǎn)位置，使IOL光學(xué)中心部位于光軸上，保證經(jīng)IOL所成像的中心(光斑質(zhì)心)與校準(zhǔn)光屏上的校準(zhǔn)點(diǎn)重合，且所成像的大小、形狀與IOL光學(xué)部完全一致(圖2)。調(diào)整位置后，使點(diǎn)光源經(jīng)IOL折射后形成平行光，由Hartmann-Shack波前傳感器接收形成光斑點(diǎn)陣，CCD相機(jī)采集瞬時(shí)光斑點(diǎn)陣，將圖像信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而求解出Zernike系數(shù)，重構(gòu)波前。本研究以高階像差、波前點(diǎn)陣模式光斑和調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)定量成像質(zhì)量。

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，多組間比較采用單因素方差分析，當(dāng)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義時(shí)，使用LSD-t檢驗(yàn)進(jìn)行組間兩兩比較。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)分析法。P<0.05時(shí)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

2.1三種IOL在不同傾斜角度下MTF值的比較在5.0mm通光孔徑下，三種IOL傾斜0°～25°時(shí)，MTF值均隨著傾斜度數(shù)的增加而減小，其中傾斜5°、10°、15°、20°時(shí)三種IOL MTF值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)，而傾斜0°、25°時(shí)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表1。傾斜5°時(shí)，Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900(P=0.04)；傾斜10°時(shí)，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P=0.002)和Tecnis ZM900(P<0.001)；傾斜15°時(shí)，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P=0.005)和Tecnis ZM900(P=0.007)；傾斜20°時(shí)，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003(P<0.001)和Tecnis ZM900(P<0.001)，且Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900(P<0.001)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.2不同模擬瞳孔直徑下IOL MTF值的變化Tecnis ZA9003傾斜5°、10°、15°、20°、25°時(shí)，模擬瞳孔直徑3.0mm時(shí)測(cè)得MTF值分別為0.59、0.35、0.25、0.19、0.13，模擬瞳孔直徑5.0mm時(shí)測(cè)得MTF值分別為0.45、0.27、0.21、0.15、0.08，見圖3。Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示，模擬瞳孔直徑5.0mm時(shí)，Tecnis ZA9003的傾斜度數(shù)與彗差呈顯著正相關(guān)(r=0.842，P<0.001)，與球面像差無顯著相關(guān)性(r=0.229，P=0.241)，見圖4。

2.3三種IOL在不同偏心程度下MTF值的比較在5.0mm通光孔徑下，向鼻側(cè)和顳側(cè)傾斜3°，偏心0～0.4mm時(shí)，三種IOL MTF值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)，但偏心0.6～0.8mm時(shí)，三種IOL MTF值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.001)，見表2。偏心0.6mm時(shí)，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900，且Tecnis ZA9003 MTF值大于Tecnis ZM900；偏心0.8mm時(shí)，AR40e MTF值大于Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。圖5所示為IOL光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的三種IOL 1951 USAF測(cè)試靶的成像質(zhì)量，結(jié)果顯示，隨著偏心值的增加成像質(zhì)量逐漸下降，Tecnis ZM900偏心大于0.4mm時(shí)成像質(zhì)量明顯下降，而偏心值大于0.6mm時(shí)AR40e較Tecnis ZA9003成像質(zhì)量清晰。

圖1Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統(tǒng)光路圖。

圖2后房型IOL的置入示意圖。 圖3不同瞳孔直徑下Tecnis ZA9003MTF值隨傾斜角度的變化趨勢(shì)。

IOL類型0°5°10°15°20°25°AR40e0.65±0.030.54±0.040.49±0.020.41±0.040.35±0.050.22±0.01Tecnis ZA90030.66±0.030.55±0.030.48±0.010.39±0.010.25±0.020.22±0.02Tecnis ZM9000.65±0.030.53±0.020.47±0.020.39±0.010.21±0.010.22±0.01 F1.5484.3838.5825.357153.1980.616P0.2190.016<0.0010.007<0.0010.543

IOL類型0mm0.2mm0.4mm0.6mm0.8mmAR40e0.64±0.040.52±0.040.53±0.020.45±0.020.29±0.01Tecnis ZA90030.65±0.030.53±0.030.53±0.020.39±0.020.24±0.01Tecnis ZM9000.64±0.030.53±0.020.52±0.010.32±0.010.24±0.01F1.0380.9961.939394.168201.759P0.3590.3740.150<0.001<0.001

3討論

目前市場上可供選擇的非球面IOL種類繁多，包括-0.27、-0.20、-0.18、0μm等多種設(shè)計(jì)理念的非球面IOL，使個(gè)性化植入成為可能[5]。從理論上講，植入非球面IOL后，角膜和IOL的像差可以得到相互補(bǔ)償，從而獲得最佳視覺質(zhì)量[6]。臨床觀察發(fā)現(xiàn)，白內(nèi)障術(shù)后IOL的穩(wěn)定性可發(fā)生變化，如術(shù)后晶狀體囊袋收縮、手術(shù)因素、IOL的不對(duì)稱植入、后囊破裂等引起的IOL傾斜和偏心，均可對(duì)IOL的穩(wěn)定性造成不可忽視的影響[7]。目前測(cè)量IOL偏心多采用Scheimpflug像法[8]和Purkinje像法[9]，但兩者的準(zhǔn)確性和一致性較差。此外，臨床試驗(yàn)中傾斜和偏心值是相對(duì)于視軸，由于kappa角等因素的存在，視軸并不一定是從瞳孔中心通過，結(jié)果與實(shí)際情況存在差異，因此如何客觀地評(píng)價(jià)不同類型IOL離體狀態(tài)下傾斜和偏心引起的光學(xué)成像質(zhì)量也是一個(gè)關(guān)鍵問題。

從物理光學(xué)的角度出發(fā)，實(shí)際波前與理想波前的差異即為波前像差(wavefront aberration)[10]，其已成為研究人眼視網(wǎng)膜成像質(zhì)量診斷和評(píng)價(jià)的有效手段。波前像差信息的輸出有多種方式，如視網(wǎng)膜點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(point spread function，PSF)、相位傳遞函數(shù)(phase transfer function，PTF)、波前像差圖、MTF和Zernike多項(xiàng)式等，其中后兩者最為常用[11-12]。MTF值描述的是MTF曲線在空間頻率到達(dá)該頻率值時(shí)，就會(huì)到達(dá)分辨率極限，是評(píng)價(jià)光學(xué)成像質(zhì)量的客觀指標(biāo)，不受主觀因素(對(duì)比敏感度)的干擾。MTF值越大，成像質(zhì)量越清晰，視網(wǎng)膜成像質(zhì)量越好，能夠客觀地反映IOL眼整個(gè)屈光系統(tǒng)的光學(xué)成像質(zhì)量[13]。PSF反映一個(gè)光點(diǎn)投射到視網(wǎng)膜上后發(fā)生的光強(qiáng)度和位置的偏差，是通過形成的光斑面積大小和光斑光強(qiáng)度對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估[14]。本研究采用MTF值客觀評(píng)價(jià)光學(xué)成像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)MTF值隨著傾斜度數(shù)的增加而減小，傾斜5°以內(nèi)，Tecnis ZA9003的MTF值高于AR40e，但是傾斜10°、15°、20°時(shí)Tecnis ZA9003的MTF值明顯低于AR40e。偏心0～0.4mm時(shí)三種IOL的MTF值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而偏心0.6～0.8mm時(shí)三種IOL的MTF值有顯著差異。IOL光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的1951 USAF測(cè)試靶的成像質(zhì)量結(jié)果顯示，隨著偏心值增加成像質(zhì)量逐漸下降，Tecnis ZM900偏心大于0.4mm時(shí)成像質(zhì)量明顯下降，而偏心大于0.6mm時(shí)AR40e較Tecnis ZA9003成像質(zhì)量清晰。Holladay等[15]研究表明，非球面IOL的傾斜度需小于7°，而偏心量小于0.4mm狀態(tài)下可獲得比傳統(tǒng)球面IOL更好的視覺質(zhì)量。Piers等[16]采用接近生理的人眼模型研究發(fā)現(xiàn)，傾斜和偏心值分別為10°和0.8mm，Tecnis ZA9003非球面IOL的視覺質(zhì)量低于球面IOL。而本研究結(jié)果顯示，傾斜度需小于5°，而偏心量應(yīng)小于0.4mm時(shí)非球面IOL才能獲得比球面IOL更好的光學(xué)成像質(zhì)量。

圖4Tecnis ZA9003IOL傾斜度數(shù)與高階像差的相關(guān)性A：傾斜度與彗差的相關(guān)性；B：傾斜度與球面像差的相關(guān)性。

圖5三種IOL在不同偏心程度下的成像質(zhì)量。

Oshika等[17]研究表明，IOL傾斜程度與彗差呈正相關(guān)。Atchison[18]也指出，非球面IOL發(fā)生傾斜或偏心，人眼彗差和散光會(huì)增大，導(dǎo)致視覺質(zhì)量下降。本研究結(jié)果顯示，Tecnis ZA9003 IOL的傾斜角與彗差之間呈顯著正相關(guān)，與球面像差無顯著相關(guān)性，與上述研究結(jié)果基本一致。Tecnis ZA9003具有-0.27μm負(fù)球差，傾斜后更容易影響視覺質(zhì)量，可能原因是負(fù)球差I(lǐng)OL傾斜和偏心可引入新的像差導(dǎo)致眼內(nèi)總高階像差增加。本研究選擇的三種IOL全長、折射率和材料等較為相近。AR40e是球面IOL，而Tecnis ZA9003和Tecnis ZM900是負(fù)球差-0.27μm非球面單焦點(diǎn)和衍射型多焦點(diǎn)IOL，可排除傾斜和偏心以外的相關(guān)因素。有研究利用光學(xué)人眼模型眼研究IOL傾斜與偏心對(duì)高階像差的影響，實(shí)驗(yàn)表明瞳孔大小為最大的影響因素(54.9%)，其次為IOL偏心(22.7%)、模型眼自身因素(16.6%)、IOL傾斜角度(5.7%)[3]。Pieh等[19]體外研究表明，當(dāng)瞳孔直徑較小時(shí)(3.0mm)，IOL傾斜和偏心對(duì)視覺質(zhì)量影響不大。因此本研究設(shè)定5.0mm的人工瞳孔，發(fā)現(xiàn)三種IOL傾斜和偏心與光學(xué)成像質(zhì)量各指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性，非球面IOL一定范圍內(nèi)的傾斜和偏心不會(huì)顯著降低光學(xué)成像質(zhì)量。

綜上，本研究表明，具有-0.27μm球差的非球面IOL傾斜度小于5°，偏心小于0.4mm內(nèi)會(huì)獲得比球面IOL更好的光學(xué)成像質(zhì)量。Tecnis ZM900 IOL偏心大于0.4mm時(shí)較球面和非球面單焦點(diǎn)IOL的光學(xué)成像質(zhì)量降低。本研究首次于實(shí)驗(yàn)室搭建Hartmann-Shack IOL波前像差光路系統(tǒng)離體測(cè)試和分析不同類型IOL偏心和傾斜對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量的影響，無需受試者主觀參與，實(shí)驗(yàn)結(jié)果客觀，具有較高的重復(fù)性、穩(wěn)定性和創(chuàng)新性。但本研究僅初步離體測(cè)試和分析不同類型IOL在傾斜和偏心下的光學(xué)成像質(zhì)量，還有待進(jìn)一步深入研究。在以后的研究中，我們考慮綜合手術(shù)、個(gè)體變異性、后房深度偏差、瞳孔等各種因素以及聯(lián)合主觀問卷調(diào)查、波前像差儀、對(duì)比敏感度等檢查結(jié)果，對(duì)各種IOL的成像質(zhì)量和光學(xué)特性做出更加精確、客觀的研究和整合評(píng)價(jià)。