趙新恒 綜述 王雁 張琳 審校

天津市眼科醫(yī)院 南開大學(xué)附屬眼科醫(yī)院 天津醫(yī)科大學(xué)眼科臨床學(xué)院 天津市眼科研究所 天津市眼科學(xué)與視覺科學(xué)重點實驗室，天津 300020

通信作者：王雁，Email：wangyan7143@vip.sina.com

人眼是一個精密的光學(xué)系統(tǒng)，但其并不完美。近年來，角膜屈光手術(shù)、人工晶狀體植入術(shù)等手術(shù)日益廣泛開展，極大程度提高了視覺效果，視覺質(zhì)量更加受到重視。視覺質(zhì)量的評價分為客觀評價和主觀評價。波前像差是一種客觀視覺質(zhì)量評價手段，可以較好地反映視網(wǎng)膜成像的清晰程度。全眼像差包括角膜像差和眼內(nèi)像差。大量研究表明，角膜像差與眼內(nèi)像差之間存在相互補償，因此全眼像差通常小于角膜像差。最新研究發(fā)現(xiàn)，不同像差項之間以及人眼像差與神經(jīng)系統(tǒng)之間也存在一定的補償。人眼像差的補償特性使人眼成像自我優(yōu)化，視覺質(zhì)量可以達到較高水平。個性化的視覺矯正必須考慮人眼的像差補償特性，人眼的像差補償特性對于視覺質(zhì)量的研究至關(guān)重要。本文就人眼像差補償特性與視覺質(zhì)量關(guān)系的研究進展及意義進行綜述。

1 人眼像差

波前像差是一個物理學(xué)概念，指光學(xué)系統(tǒng)實際波陣面與理想波陣面之間的相位差。

近視人眼的低階像差占比較大，主要為離焦和像散，對于視覺質(zhì)量的影響較大，可使用框架眼鏡矯正。球差、彗差等高階像差由于占比較小，對于視覺質(zhì)量的影響較小，但在低階像差被矯正之后，高階像差占比增大，成為視覺質(zhì)量的限制因素[1]。同時矯正高階像差可以進一步提高視覺質(zhì)量。基于波前像差視覺矯正技術(shù)的發(fā)展使通過個性化矯正高階像差從而提升視覺質(zhì)量成為可能[2]。應(yīng)用框架眼鏡、角膜接觸鏡、屈光手術(shù)、人工晶狀體植入術(shù)等或可同時矯正高階像差[3]。色像差也會對視覺質(zhì)量造成一定影響[4]，但其對視覺質(zhì)量的影響一般情況下小于單色像差。

Thibos等[5]研究發(fā)現(xiàn)正常人眼高階像差的均方根在零附近呈正態(tài)分布，只有球差在一正值附近呈正態(tài)分布。通常像差的均方根值越大則視覺質(zhì)量越差[6]。Applegate等[7]研究發(fā)現(xiàn)相同均方根值的澤尼克多項式金字塔中軸區(qū)的像差對于視覺質(zhì)量影響較大，如離焦、球差。方位角越大，對于視覺質(zhì)量的影響越小。近期Young等[8]研究發(fā)現(xiàn)，像差對于字母識別以及閱讀等不同視覺任務(wù)的影響程度不同。

人眼的角膜像差主要來源于角膜形態(tài)的不規(guī)則，角膜形態(tài)的改變會造成人眼高階像差較大幅度的改變[9-10]。角膜屈光手術(shù)后，各種原因可能導(dǎo)致角膜非球面性以及高階像差的改變，如傳統(tǒng)激光手術(shù)的余弦效應(yīng)和人眼生物力學(xué)的改變等[11]。也有研究發(fā)現(xiàn)，角膜屈光手術(shù)后中央和周邊角膜上皮重塑厚度不一致，也可能導(dǎo)致術(shù)后像差改變[12]。角膜屈光手術(shù)術(shù)中精準(zhǔn)的光學(xué)中心定位對于視覺矯正效果也相當(dāng)重要。

2 像差間協(xié)同效應(yīng)對視覺質(zhì)量的影響

一般認(rèn)為，降低像差到較低水平便可獲得較好的視覺質(zhì)量。但近期研究發(fā)現(xiàn)，有時候雖然像差量值不大，但視覺質(zhì)量仍然存在問題[13]。像差水平較低時，均方根與視覺質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性下降，其原因可能是個體間視覺神經(jīng)傳導(dǎo)差異，也可能是視覺功能的臨床測量方法并不能在低像差水平表現(xiàn)出相應(yīng)的敏感性[14-15]。有研究發(fā)現(xiàn)，不同的像差相互組合且相互作用可能是造成低像差水平時視覺質(zhì)量差異的原因[16-17]。一種像差可以通過補償另一種像差從而提高成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，而有些像差項間相互疊加使成像質(zhì)量下降。Applegate等[18]研究發(fā)現(xiàn)在保持像差總均方根值不變的基礎(chǔ)上，不同像差組合對人眼視功能的影響存在差異，如一定量的球差與離焦產(chǎn)生相互作用，如果兩者符號相同，像差之間會相互補償，視覺質(zhì)量提高；當(dāng)兩者符號相反時，對視覺質(zhì)量的不利作用疊加，視覺質(zhì)量較差，說明人眼各項像差之間存在較為復(fù)雜的耦合特性，呈現(xiàn)出非線性的補償或疊加效應(yīng)。屈光手術(shù)及人工晶狀體植入術(shù)等視覺矯正手術(shù)后人眼波前像差多處于較低水平，因此，對于低像差水平時像差與視覺敏感程度的關(guān)聯(lián)機制及像差間協(xié)同耦合效應(yīng)的研究或許是臨床上進一步突破視覺極限的瓶頸。

近年來，隨著人眼波前像差檢查儀器和手段的成熟，以及激光角膜屈光手術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展，臨床上不僅能夠?qū)πg(shù)前和術(shù)后的低階和高階像差進行準(zhǔn)確測量，而且手術(shù)系統(tǒng)的精度已能夠滿足對某些高階像差項進行定量去除的要求。但由于人眼是典型的離軸自由曲面成像系統(tǒng)，根據(jù)矢量像差耦合理論，引入或消除某一項像差會對其他像差產(chǎn)生耦合效應(yīng)。雖然認(rèn)識到人眼像差特性及各項波像差間的耦合機制，但許多尚不明確，需要進一步研究。

3 人眼不同結(jié)構(gòu)之間的補償關(guān)系

外界光線經(jīng)過淚膜、角膜、房水、瞳孔、晶狀體、玻璃體到達視網(wǎng)膜成像。各結(jié)構(gòu)光學(xué)平面的像差相互補償，全眼像差得以優(yōu)化。補償因子目前已被用于評估角膜前、后表面像差的補償作用以及眼內(nèi)高階像差對于角膜高階像差的補償機制[19]，其計算公式為：補償因子=1-全眼像差/角膜像差。補償因子小于0說明眼內(nèi)像差與角膜像差為疊加作用，補償因子大于0說明眼內(nèi)像差與角膜像差為補償作用。

3.1 角膜前、后表面像差的補償關(guān)系

既往限于技術(shù)，只能依靠Placido盤采集角膜前表面形態(tài)數(shù)據(jù)獲得角膜像差。最近研究發(fā)現(xiàn)角膜后表面對于前表面的補償作用不可忽視。Scheimpflug等新型攝影技術(shù)可以拍攝得到角膜前、后表面的面型，從而計算得到角膜前、后表面的像差，為角膜前、后表面像差補償機制的研究提供了技術(shù)支持。角膜前、后表面是非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面，角膜前、后表面像差會相互補償，補償關(guān)系受到分析區(qū)域、年齡、角膜屈光手術(shù)等的影響。

3.1.1分析區(qū)域?qū)悄で啊⒑蟊砻嫜a償關(guān)系的影響 角膜中央部的像差補償機制較明顯，而角膜周邊部前、后表面像差補償效果較弱[19]。每種像差前、后表面補償效果不一致，同一種像差在不同的分析區(qū)域下前、后表面補償效果也不同。李曉晶等[19]研究發(fā)現(xiàn)，2 mm直徑范圍內(nèi)角膜前、后表面的球差會發(fā)生疊加，而在6 mm直徑下分析，角膜前、后表面像差又表現(xiàn)為補償作用，這可能與角膜的非球面性有關(guān)[20]。2 mm直徑下角膜前、后表面彗差表現(xiàn)為補償作用，在大瞳孔時角膜前、后表面又表現(xiàn)為疊加作用。

3.1.2年齡對角膜前、后表面像差補償關(guān)系的影響 隨著年齡的增加，角膜形態(tài)會發(fā)生改變，角膜前、后表面的像差補償作用會減弱。Dubbelman等[21-22]研究發(fā)現(xiàn)，角膜前、后表面的非球面性會隨年齡發(fā)生明顯改變，20歲人角膜后表面彗差對前表面補償作用約為6%，隨年齡增加補償作用逐漸消失。球差的角膜前、后表面像差補償作用較明顯，白內(nèi)障摘除聯(lián)合人工晶狀體植入術(shù)晶狀體非球面性的選擇需考慮年齡對角膜前、后表面像差補償關(guān)系的影響。

3.1.3角膜屈光手術(shù)對角膜前、后表面像差補償關(guān)系的影響 由于角膜屈光手術(shù)對角膜進行切削，角膜形態(tài)會發(fā)生改變，角膜前、后表面像差補償?shù)钠胶怅P(guān)系會受到影響，所以屈光手術(shù)容易給人眼引入高階像差[23]。對角膜前、后表面像差補償機制的深入研究有助于我們進一步了解術(shù)后像差增加的機制，從而盡量避免像差引入，優(yōu)化人眼像差，使患者術(shù)后獲得更佳的視覺質(zhì)量。

3.2 角膜像差與眼內(nèi)像差的補償關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，全眼像差的均方根通常會小于角膜像差的均方根，因為眼內(nèi)像差會對角膜像差做出補償[24]。由于眼內(nèi)像差對于角膜像差補償?shù)拇嬖?，使人眼光學(xué)成像效果得到優(yōu)化，從而保證良好的視網(wǎng)膜成像質(zhì)量。

人眼角膜與眼內(nèi)像差的補償在不同項的像差表現(xiàn)不同。Kelly等[25]研究發(fā)現(xiàn)，人眼眼內(nèi)球差對角膜的正球差大多可以很好地補償[26]，但是彗差會由于人眼各光學(xué)元件相對位置的差異存在不同的補償關(guān)系。25～45歲人的晶狀體可以對角膜前表面像差起到較好的補償作用[27]，但是隨著年齡增長，角膜前表面形態(tài)改變以及晶狀體的改變使像差的補償作用減弱，全眼像差增加，視覺質(zhì)量下降[28-29]。調(diào)節(jié)對于角膜像差和眼內(nèi)像差補償機制的影響仍需進一步研究。

角膜接觸鏡、屈光手術(shù)以及人工晶狀體植入術(shù)均會改變眼內(nèi)像差與角膜像差之間的補償關(guān)系[30]。角膜地形圖和全眼波前像差引導(dǎo)的屈光手術(shù)目前均有開展，但2種術(shù)式的選擇與優(yōu)勢存在爭議[31-33]。有研究認(rèn)為角膜形態(tài)存在較大的不規(guī)則性從而影響視覺質(zhì)量時可以選擇角膜地形圖引導(dǎo)的屈光手術(shù)[32,34]，全眼像差較大時可以考慮全眼波前像差引導(dǎo)的屈光手術(shù)，但要結(jié)合具體情況進一步分析。人工晶狀體植入術(shù)必須考慮眼內(nèi)像差和角膜像差的補償關(guān)系，通常用帶有負(fù)球差的人工晶狀體補償角膜的正球差。目前普遍認(rèn)為，人群中角膜像差的個體差異較大[35]，應(yīng)根據(jù)角膜球差量值個性化選擇人工晶狀體的非球面性。角膜接觸鏡可以通過淚液透鏡較好地矯正角膜前表面像差[36]，而對眼內(nèi)像差不起作用。了解角膜像差與全眼像差的補償關(guān)系對于角膜接觸鏡的驗配也具有指導(dǎo)意義。

4 全眼像差與神經(jīng)系統(tǒng)的補償關(guān)系

主觀視覺質(zhì)量與視網(wǎng)膜成像質(zhì)量并不完全一致。Chen等[37]研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)系統(tǒng)可以對光學(xué)系統(tǒng)的視網(wǎng)膜成像做出補償和處理，從而使視覺感受取得最佳效果。Artal等[38]研究發(fā)現(xiàn)，僅將像差面旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致視覺質(zhì)量的改變，一定程度上證明了神經(jīng)系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)的補償關(guān)系。Sabesan等[39]研究證明了圓錐角膜患者可以通過神經(jīng)系統(tǒng)補償長期存在的像差，從而減少角膜形態(tài)不規(guī)則對于主觀視覺質(zhì)量的影響。Rouger等[40]近期研究發(fā)現(xiàn)，圓錐角膜患者的神經(jīng)系統(tǒng)補償可提高完成日常需要的視覺任務(wù)的能力，如精細閱讀的能力。Sabesan等[41]研究發(fā)現(xiàn)，矯正圓錐角膜患者的高階像差后并不能立即使患者獲得較高的主觀視覺質(zhì)量，原因可能是神經(jīng)系統(tǒng)對長期存在的像差產(chǎn)生補償適應(yīng)。

神經(jīng)系統(tǒng)會對光學(xué)系統(tǒng)成像的光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為生物電信號并在大腦視覺中樞進行分析處理，最終人腦產(chǎn)生對外界的主觀視覺感受，神經(jīng)系統(tǒng)對于視網(wǎng)膜像的處理能力所產(chǎn)生的對主觀視覺質(zhì)量的影響不可忽略。通過對比敏感度與調(diào)制傳遞函數(shù)計算得到的神經(jīng)對比敏感度可以較好地描述神經(jīng)系統(tǒng)對于主觀視覺質(zhì)量的作用[42]。單一的評價指標(biāo)難以評價不同視覺環(huán)境下的視覺表現(xiàn)，不同視覺任務(wù)需要不同的評價指標(biāo)。

Charman等[43]研究發(fā)現(xiàn)，對全眼像差進行矯正后，雖然高階像差維持在一個較低水平，但是仍然難以使其達到較好的自然人眼水平。由于神經(jīng)系統(tǒng)對于人眼光學(xué)系統(tǒng)的補償作用，我們需要一種新的評價指標(biāo)來評估視覺質(zhì)量[44]，不宜僅單純地用物理光學(xué)中光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評價指標(biāo)來表示[38]。在進行屈光手術(shù)優(yōu)化設(shè)計以及用角膜接觸鏡矯正高階像差時需要考慮神經(jīng)系統(tǒng)的補償作用[30,41]。

隨著近些年對于視覺神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)識的不斷加深，通過訓(xùn)練神經(jīng)系統(tǒng)來提高視覺質(zhì)量有著較大的應(yīng)用潛力。人腦視覺神經(jīng)系統(tǒng)對于視網(wǎng)膜圖像的感知處理能力尚不明確，需要進一步研究視覺神經(jīng)系統(tǒng)對于像差的補償作用，以及眩光、光暈、低對比度視力下降等視覺缺陷與神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系，從而對臨床視覺矯正做出指導(dǎo)。

5 展望

隨著對人眼像差認(rèn)識的深入，光學(xué)矯正的理念不斷更新。未來在深入研究及大量循證醫(yī)學(xué)證實之后或許可以根據(jù)各像差之間、人眼不同結(jié)構(gòu)之間以及神經(jīng)系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)之間的補償特性對像差進行更加個性化地矯正，通過矯正設(shè)計的優(yōu)化使患者獲得最佳的視覺質(zhì)量。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突