多焦點(diǎn)人工晶體成像質(zhì)量的影響因素研究

1.中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京 100050；2. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124

多焦點(diǎn)人工晶體成像質(zhì)量的影響因素研究

郝燁1，王權(quán)1，任海萍1，馮繼宏2

1.中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京 100050；2. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124

在多焦點(diǎn)人工晶體實(shí)際使用中，影響其成像質(zhì)量的因素主要有：瞳孔直徑、后房深度以及由此引起的偏心、傾斜等。本文通過ZEMAX軟件在 Liou & Brennan 眼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，用ReZoom多焦點(diǎn)人工晶體替代眼模型原有晶體，建立多焦點(diǎn)人工晶體眼模型，模擬上述影響因素的變化，計(jì)算不同條件下MTF傳遞函數(shù)并進(jìn)行比較分析，歸納出各因素對(duì)于成像質(zhì)量的影響。主要結(jié)果如下：多焦點(diǎn)人工晶體植入人眼后，后房深度、瞳孔直徑、傾斜和偏心對(duì)成像質(zhì)量均有影響。對(duì)于后房深度7.8 mm，瞳孔直徑2 mm左右的患者，成像質(zhì)量最佳，隨著瞳孔直徑和后房深度的增加，成像質(zhì)量逐漸下降；另外，如果出現(xiàn)晶體的傾斜和偏心，都會(huì)引起成像質(zhì)量的下降，在傾斜范圍3°以內(nèi)，對(duì)成像效果的影響不大。

多焦點(diǎn)人工晶體；ZEMAX；成像質(zhì)量

植入人工晶體是治療白內(nèi)障的主要手段之一，但是普通單焦點(diǎn)人工晶體只有一個(gè)屈光度，晶體本身并無調(diào)節(jié)能力，因此患者移植后不能同時(shí)恢復(fù)遠(yuǎn)近視力，對(duì)患者術(shù)后恢復(fù)造成一定影響。多焦點(diǎn)人工晶體（Multifocal Intraocular Lens, MIOL）是近幾十年出現(xiàn)的新型人工晶體，根據(jù)設(shè)計(jì)原理不同，分為衍射型和折射型。由于其設(shè)計(jì)方式獨(dú)特，入射光通過晶體可以產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)，可以更好地改善患者的遠(yuǎn)近視力。但是相對(duì)于單焦點(diǎn)人工晶體而言，多焦點(diǎn)人工晶體在植入人眼之前需要根據(jù)病人的具體情況選擇合適類型才能提高遠(yuǎn)近視力。然而，如何針對(duì)不同患者選擇合適的多焦點(diǎn)人工晶體,至今尚無準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)措施。因此，本文希望通過對(duì)影響晶體成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析和軟件模擬，總結(jié)歸納出各種影響因素對(duì)成像質(zhì)量的影響程度和方式，為今后的多焦點(diǎn)人工晶體臨床使用提供合理的指導(dǎo)意見。

1 多焦點(diǎn)人工晶體背景介紹

多焦點(diǎn)人工晶體是通過折射和（或）衍射的光學(xué)原理，使經(jīng)過多焦點(diǎn)人工晶體的光線產(chǎn)生兩個(gè)或者多個(gè)焦點(diǎn)，期望在獲得較好的遠(yuǎn)視力的同時(shí)，對(duì)近視也有一定幫助。多焦點(diǎn)人工晶體根據(jù)設(shè)計(jì)原理不同，分為折射型和衍射型。

折射型多焦點(diǎn)人工晶體一般前表面由3～5 個(gè)非球面同心環(huán)構(gòu)成，后表面為光滑球面，光學(xué)面的不同區(qū)域有不同的屈光力，使光線經(jīng)折射后形成由遠(yuǎn)到近較廣泛的焦點(diǎn)范圍。衍射型多焦人工晶體一般前表面為光滑球面，后表面有20～30 個(gè)同心圓性質(zhì)的顯微坡環(huán)，利用光的衍射原理，形成近或遠(yuǎn)焦點(diǎn)[1-2]。

人眼實(shí)施白內(nèi)障手術(shù)后，原有的自然晶狀體被人工晶體所取代，但由于人眼睫狀肌收縮能力依然存在，這會(huì)使得植入的人工晶體在眼內(nèi)能有一定幅度的移動(dòng)距離[3]，因此，分析晶體位置移動(dòng)和瞳孔直徑對(duì)成像質(zhì)量的影響對(duì)臨床應(yīng)用具有重要意義。由于多焦點(diǎn)人工晶體的結(jié)構(gòu)特殊性，患者瞳孔大小、后房長度、中心偏差、光學(xué)傾角等使用參數(shù)對(duì)成像質(zhì)量的影響大于對(duì)單焦點(diǎn)人工晶體的影響[4-5],其選配的難度要遠(yuǎn)大于單焦點(diǎn)人工晶體，如果術(shù)后不能根據(jù)患者情況選配合適的多焦點(diǎn)人工晶體，不僅不能提高遠(yuǎn)近視力，反而會(huì)帶來對(duì)比靈敏度下降、眩光和光暈等視力并發(fā)癥，影響術(shù)后效果。因此，根據(jù)病人的實(shí)際條件合理設(shè)計(jì)和選擇多焦點(diǎn)人工晶體非常重要。

2 研究思路設(shè)計(jì)

本文選用臨床中具有代表性的折射型多焦點(diǎn)后房人工晶體ReZoom MIOL作為試驗(yàn)對(duì)象。該晶體為AMO公司產(chǎn)品，臨床應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于白內(nèi)障摘除后患者的視力矯正，它由聚丙烯酸酯類材料制成三片式結(jié)構(gòu)，全長13 mm，光學(xué)區(qū)直徑6 mm。首先，通過三維掃描技術(shù)取得其三維信息，在ZEMAX軟件中，將ReZoom MIOL的數(shù)據(jù)代入Liou & Brennan人眼模型替換原有的晶體數(shù)據(jù)，建立起新的MIOL模型。針對(duì)影響光學(xué)成像質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，在ZEMAX軟件中采用光線追跡的方法對(duì)瞳孔直徑、偏心、后房深度和植入角度等參數(shù)變化進(jìn)行模擬和計(jì)算，獲得理論的MTF。研究思路，見圖1。

圖1 研究思路設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

本文選用Liou & Brennan 人眼模型作為基礎(chǔ)模型。主要是該模型是根據(jù)較新的生理解剖數(shù)據(jù)建立的，使用范圍廣泛，較為接近眼睛的解剖結(jié)構(gòu)。該模型可以簡(jiǎn)單描述為：角膜前后面的曲率半徑為7.8 mm和6.7 mm，折射率1.363，厚度0.52 mm；房水前后面的曲率半徑為6.7 mm和10.0 mm，折射率1.321，厚度3.2 mm；瞳孔半徑為1.5 mm、厚度0.1 mm，沿著X方向偏心-0.5 mm；為了簡(jiǎn)化計(jì)算，晶狀體被看成為后面的曲率半徑為10.0 mm和-6.0 mm，折射率1.401，厚度3.7 mm的簡(jiǎn)單透鏡；玻璃體后面的曲率半徑為-6.0 mm和-11.0 mm，折射率1.322，厚度16.58 mm；視網(wǎng)膜的曲率半徑為-11.0 mm。

根據(jù)三維掃描結(jié)果分析，ReZoom折射型MIOL基本結(jié)構(gòu)為5個(gè)同心圓折射區(qū)帶。由于掃描設(shè)備精度有限，忽略最邊緣同心圓的檢測(cè)結(jié)果，其余4個(gè)同心圓的組成，見圖2。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：① 位置0～1.05 mm，半徑R=5.8014 mm；②位置1.05～1.7 mm，半徑R=6.2042 mm；③ 位置1.7～2.2 mm，半徑R=6.5449 mm；④ 位置2.2～2.5 mm，半徑R=3.2265 mm。將上述結(jié)果帶入Liou & Brennan 人眼模型，建立起新的MIOL眼模型。在此模型基礎(chǔ)上，利用光學(xué)原理，繪制人眼在植入多焦點(diǎn)人工晶體后的光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線，并分析后房深度、瞳孔直徑、偏心和傾斜等參數(shù)變化對(duì)MTF的影響。

圖2 30．0D 多焦點(diǎn)人工晶體掃描圖

3.1 后房深度對(duì)成像質(zhì)量的影響

患者的后房深度很大程度上會(huì)影響人工晶體植入人眼后的位置，因此，研究不同后房深度下的成像質(zhì)量對(duì)臨床應(yīng)用具有重要意義。模擬多焦點(diǎn)人工晶體植入人眼后，在后房深度不同的情況下，計(jì)算MTF曲線。在本模型中，將后房深度簡(jiǎn)化定義為人工晶體對(duì)于角膜的距離，多焦點(diǎn)人工晶體在后房深度分別為7.6、7.7、7.75、7.8、7.85、7.9、8.0 mm時(shí)，理論計(jì)算MTF的結(jié)果，見圖3。從圖3可以看出，MTF值隨著空間頻率的增加而減小，并且植入人眼后,在后房深度7.8 mm時(shí)MTF值在所有曲線的最上方，MTF值最大，成像效果最佳；偏離后，在偏離值一定時(shí)，在低頻段向前偏離（向角膜方向移動(dòng)）時(shí)MTF的值明顯大于向后偏離的情況。也就是說，針對(duì)后房深度較小的患者來說，植入MIOL后，其對(duì)物象輪廓的感知能力要好于后房深度較大的患者。

圖3 多焦點(diǎn)人工晶體在后房深度不同時(shí)的MTF變化

3.2 瞳孔直徑對(duì)成像質(zhì)量的影響

瞳孔是調(diào)節(jié)人眼通光量的重要結(jié)構(gòu)，普通人瞳孔的調(diào)節(jié)范圍為2（強(qiáng)光下）～8 mm（黑暗條件下）之間，此外，瞳孔大小還與年齡、屈光狀態(tài)、精神狀態(tài)等有關(guān)。模擬多焦點(diǎn)人工晶體模型植入人眼后，患者瞳孔直徑不同時(shí)，計(jì)算MTF曲線。對(duì)于瞳孔直徑分別為2、3、4、5、6、7、8 mm時(shí)，理論計(jì)算MTF的結(jié)果，見圖4。從圖4可以看出，MTF值總體趨勢(shì)是隨著空間頻率的增加而減小，其中瞳孔直徑為2、3、4 mm時(shí)，隨著空間頻率的增加而減??；瞳孔直徑分別為5、6、7、8 mm時(shí)，在頻率約25～50 c/mm區(qū)間隨著空間頻率的增加而增加；并且瞳孔直徑分別為2 mm的MTF曲線處于所有曲線的最上方， MTF值最大，成像效果最佳；偏離后，隨著瞳孔直徑的增加MTF變小，直到6 mm后，在0～30 c/mm范圍內(nèi)，隨著瞳孔直徑的增加，MTF增大。

圖4 瞳孔直徑不同時(shí)的MTF變化曲線

3.3 偏心對(duì)成像質(zhì)量的影響

MIOL在理想狀況下植入人眼后，相對(duì)人眼視軸不會(huì)產(chǎn)生傾斜和偏心。但是實(shí)際中，由于手術(shù)及睫狀肌收縮等原因，植入的MIOL在人眼內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏心和傾斜，如Hayashi等[6]認(rèn)為，即使在正常情況下，植入的人工晶體在人眼內(nèi)也會(huì)有3°的傾斜和0.3 mm的偏心。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，偏心1.02 mm，傾斜9.65°可引起患者明顯視覺不適[7],因此，本文選擇在0.1～1.1 mm偏心范圍和1°～15°傾斜角度范圍內(nèi)模擬多焦點(diǎn)人工晶體模型植入人眼后的狀況。對(duì)于不同程度的偏心，計(jì)算MTF曲線如下。對(duì)于單一方向偏心分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1 mm時(shí)，理論計(jì)算MTF的一系列結(jié)果，見圖5。從圖5可以看出多焦點(diǎn)人工晶體植入人眼后單一方向偏心不同時(shí)，MTF值總體上的趨勢(shì)是隨著空間頻率的增加而減小，其中偏心分別為0.1、0.2、0.3 mm時(shí)，隨著空間頻率的增加而減小，而偏心分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1 mm時(shí)，在頻率＜7 c/mm的區(qū)間內(nèi)隨頻率增加迅速減小，約7～20 c/mm區(qū)間隨著空間頻率的增加而增加，進(jìn)一步證實(shí)了偏心0.3 mm以內(nèi)可以基本認(rèn)為是手術(shù)比較成功的情況，不會(huì)引起患者明顯不適；偏心為0.1 mm時(shí)的MTF曲線處于所有曲線的最上方，MTF值最大，效果最佳；隨著偏心程度的增加而MTF的值變小。

3.4 傾斜對(duì)成像質(zhì)量的影響

如上所述，即便在比較成功的白內(nèi)障手術(shù)后，人工晶體在人眼內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生一定程度的傾斜。多焦點(diǎn)人工晶體模型植入人眼后，模擬光軸方向即Z方向不同程度傾斜的狀況，計(jì)算MTF曲線。對(duì)于光軸方向傾斜夾角分別為1、5、10、15、20、30°時(shí)，理論計(jì)算MTF的一系列結(jié)果，見圖6。從圖6可以看出MTF值總體上的趨勢(shì)是隨著空間頻率的增加而減小，但是在30°以內(nèi)，不同植入角度的曲線基本重疊。可見，在光軸方向的單一傾斜對(duì)成像質(zhì)量影響不大。為此進(jìn)一步研究植入多焦點(diǎn)人工晶體在兩個(gè)方向傾斜時(shí)的情況。

圖5 MIOL模型植入人眼后x方向偏心不同時(shí)的MTF變化曲線

圖6 MIOL模型植入人眼后不同植入角度時(shí)的MTF變化曲線

模擬多焦點(diǎn)人工晶體模型植入人眼后在兩個(gè)方向傾斜，即沿著z和x軸傾斜的情況，計(jì)算MTF曲線。對(duì)于沿著z和x軸傾斜角分別為（1，1）、（3，3）、（5，5）、（7，7）、（9，9）、（11，11）、（13，13）、（15，15）°時(shí)，理論計(jì)算MTF的一系列結(jié)果，見圖7。從圖7可以看出多焦點(diǎn)人工晶體模型植入人眼后沿著z和x軸不同程度傾斜時(shí)，MTF值是隨著空間頻率的增加而減小，并且傾斜角度越大MTF值越小；傾斜角度在3°以內(nèi)，傾斜對(duì)成像質(zhì)量的影響基本可以忽略，根據(jù)Hayashi、Auran和Uozato等人對(duì)人工晶體在眼內(nèi)傾斜和偏心的測(cè)定結(jié)果，IOL傾斜3°可作為白內(nèi)障術(shù)后較為成功的情況[8]，與此次模擬結(jié)果基本吻合。

圖7 MIOL模型植入人眼后沿著z和x軸傾斜時(shí)的MTF變化曲線

4 結(jié)語

本文主要基于光學(xué)成像理論，結(jié)合多焦點(diǎn)人工晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對(duì)影響多焦點(diǎn)人工晶體成像質(zhì)量的幾個(gè)主要因素進(jìn)行軟件模擬，在ZEMAX軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)后房深度、瞳孔直徑、偏心、傾斜等關(guān)鍵參數(shù)變化情況的模擬，計(jì)算理論光學(xué)傳遞函數(shù)MTF，分析參數(shù)對(duì)成像質(zhì)量的影響狀況。

根據(jù)軟件模擬及分析，結(jié)果主要如下：ReZoom折射型多焦點(diǎn)人工晶體植入人眼后，后房深度、瞳孔、傾斜和偏心對(duì)成像質(zhì)量均有一定程度的影響，其中對(duì)于后房深度7.8 mm、瞳孔直徑2 mm左右的患者，佩戴效果最佳，隨著瞳孔直徑和后房深度的增加，成像質(zhì)量逐漸下降。由于臨床難免在選擇人工晶體時(shí)存在偏差，在后房深度偏差值一定時(shí)，后房深度較小的患者佩戴效果優(yōu)于深度較大的患者。另外，由于手術(shù)及患者自身?xiàng)l件的各種影響，術(shù)后出現(xiàn)的晶體傾斜和偏心，理論上都會(huì)引起成像質(zhì)量的下降，但是在傾斜范圍3°、偏心0.3 mm以內(nèi)，對(duì)成像效果的影響不大，不會(huì)引起患者視覺上的不適。此外，在單一光軸方向上的傾斜與在空間內(nèi)的傾斜相比，前者對(duì)成像質(zhì)量影響較小，基本可以忽略。這些研究結(jié)果對(duì)多焦點(diǎn)人工晶體的臨床選配和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)臨床中比較關(guān)注的瞳孔直徑和后房深度等條件，本課題計(jì)劃進(jìn)一步深入研究，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬和臨床比對(duì)等分析，以期獲得更加全面豐富的結(jié)果，為今后的多焦點(diǎn)人工晶體研究和臨床使用提供更全面的參考和支持。

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study on Influencing Factors of Multifocal Intraocular Lens Image Quality

HAO Ye1, WANG Quan1, REN Hai-ping1, FENG Ji-hong2
1.Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China; 2. Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

In the use of MIOL (Multifocal Intraocular Lens), there are three main influencing factors of imaging quality, which are the pupil diameter, posterior chamber depth, and the related eccentricity and tilt. This paper uses the ZEMAX to establish a MIOL eye model by replacing Liou & Brennan eye model’s former lens with ReZoom MIOL, simulate changes in factors, calculate the MTF, dissertates the four factors in theory and analyzes the degree of influence. The main results are as follows: after the MIOL implantation in the human eye, the posterior chamber depth, pupil diameter, tilt and eccentricity all have influence on the imaging quality. The patient who has pupil diameter of 2 mm and posterior chamber depth of 7.8 mm has the best image quality. As the pupil diameter and posterior chamber depth increases, the image quality decreased. In addition, lens tilt and eccentricity will cause a decline in image quality, but less than 3 degrees tilt has little effect on the imaging results.

multifocal intraocular lens; ZEMAX; image quality

TH786

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.08.002

1674-1633(2013)08-0005-04

2013-06-03

2013-06-06

國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目號(hào)：61108085）；中國食品藥品檢定研究院中青年發(fā)展研究基金（課題號(hào)：2011C1）。

馮繼宏，副研究員。

通訊作者郵箱：jhfeng@bjut．edu．cn