個性化人眼模型及屈光手術(shù)視覺質(zhì)量評估

黃益琪 李 賓,3

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）3（上?？萍即髮W(xué) 物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 200031）

個性化人眼模型及屈光手術(shù)視覺質(zhì)量評估

黃益琪1,2李 賓1,2,3

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）
2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）
3（上海科技大學(xué) 物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 200031）

人眼是一臺精巧而復(fù)雜的光學(xué)成像系統(tǒng)，其復(fù)合結(jié)構(gòu)存在像差，它的空間極限分辨能力要小于無像差的同口徑的小孔所對應(yīng)的衍射極限。眼球也并非完美對稱的，各介質(zhì)曲面由于不規(guī)則性或位置異常等因素對視覺質(zhì)量產(chǎn)生影響，為精確修正眼球的屈光不正帶來困難。而常規(guī)的角膜手術(shù)雖然可以較好地修正以離焦為主的低階像差，但卻不能改善高階像差，在手術(shù)實(shí)施的過程中反而會因?yàn)楦淖兘悄さ拿嫘鸵蜃樱胼^大的球差，嚴(yán)重影響暗視場的視力。本文依據(jù)人眼的基本結(jié)構(gòu)及統(tǒng)計(jì)的典型人眼參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全眼球數(shù)字化模擬并考慮了個性化因子，分析影響視力的主要因素，針對眼球屈光不正設(shè)計(jì)出個性化的角膜手術(shù)方案，使術(shù)后眼球的像差得到全面修正，從而實(shí)現(xiàn)最佳的人眼成像能力。

人眼，個性化，角膜手術(shù)，高階像差

人眼是一個復(fù)雜、精密的光學(xué)成像系統(tǒng)，外界的光信號投影到視網(wǎng)膜上被轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)神經(jīng)元轉(zhuǎn)送到大腦重構(gòu)圖像。然而人眼并非完美的成像系統(tǒng)，存在一定程度的光學(xué)缺陷（像差）[1]。追求超高的視力一直是人類夢寐以求的目標(biāo)，而減小光學(xué)像差是必經(jīng)之路。早前矯正視力的辦法主要通過佩戴框架眼鏡或者隱形眼鏡。近些年準(zhǔn)分子激光技術(shù)的快速發(fā)展，在醫(yī)學(xué)臨床上的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在眼科學(xué)的屈光治療當(dāng)中。飛秒激光技術(shù)在近視矯正中取代了角膜刀切削操作，使得手術(shù)更加快速、精確和安全，病人的體驗(yàn)也更加舒適。角膜屈光手術(shù)由來已久，目前市面上的手術(shù)種類也很多，例如準(zhǔn)分子激光角膜切削術(shù)(Photorefractive Keratectomy, PRK)、準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)(Laser-assisted in situ Keratomileusis, LASIK)、全飛秒激光微小切口透鏡摘除術(shù)(Small-incision Lenticule Extraction, SMILE)[2]等。隨著人們對視覺質(zhì)量的要求越來越高，角膜屈光手術(shù)也正向個性化發(fā)展。

圖1是人眼示意圖，沿著光線傳播的方向人眼主要的結(jié)構(gòu)包括：角膜、前房液、瞳孔、晶狀體、玻璃體和視網(wǎng)膜。其中角膜和晶狀體是最主要的兩種屈光介質(zhì)，在他們前后4個表面分別會發(fā)生折射，因此這4個表面的曲率對視覺質(zhì)量的影響很大。瞳孔的孔徑會隨環(huán)境光線的明暗發(fā)生變化。視網(wǎng)膜如同光電探測器，是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的感光組織。黃斑是視網(wǎng)膜上對光最敏感的部位。視軸和光軸之間有個水平方向偏鼻側(cè)5°的Kappa角。對于正視眼而言，眼球整體的屈光度與眼球的軸長相匹配，入射的光線在經(jīng)過各光學(xué)元件后聚焦在視網(wǎng)膜上（如圖1“Emmetrope”箭頭），從而獲得良好的視力。對于近視眼而言，眼球的軸長與其屈光度之間失協(xié)，玻璃體腔擴(kuò)張?jiān)龃?，使得視網(wǎng)膜的位置向后移（如圖1“Myope”箭頭），此時到達(dá)視網(wǎng)膜的離焦光斑較大造成視力模糊[3]。角膜屈光手術(shù)矯正近視的原理是通過“切削”掉相應(yīng)量的角膜基質(zhì)使角膜前表面變平，從而使得眼球整體的屈光度與變長了的眼軸相匹配（如圖1虛線）。

圖1 正視眼和近視眼的結(jié)構(gòu)圖以及角膜屈光手術(shù)的原理Fig.1 Schematic diagram for emmetropic and myopic eye models, and the principle of refractive surgery.

傳統(tǒng)的LASIK手術(shù)是基于Munnerlyn公式的球面切削[4]，球面修正的原理就是通過球面的“切削”角膜基質(zhì)（圖2(a)），使得術(shù)后角膜前表面的曲率半徑RC*變大，從而降低了角膜的屈光度。新的角膜前表面可以表示成：

式中：nC是角膜的折射率；SE是等效球鏡度(Spherical Equivalence)，臨床中通常使用等效球鏡度來描述近視眼離焦的程度。手術(shù)中通常會先制作一個約100 mm的角膜瓣，然后再用準(zhǔn)分子激光切削，切削的厚度與橫向半徑之間的關(guān)系為：

式中：O是瞳孔的直徑（如圖2所示）；Q是手術(shù)前角膜的非球面系數(shù)。手術(shù)后角膜的Q變?yōu)榱?。球面切削可以修正離焦和部分角膜引起的散光，但球面切削破壞了角膜原有的非球面特性，使得術(shù)后球差變大影響視力。為了保持角膜原有的特性，Q值優(yōu)化的LASIK手術(shù)被提出并得到了發(fā)展[5]，對于Q值優(yōu)化的手術(shù)（圖2(b)），手術(shù)后角膜的前表面是扁橢球，扁橢球頂點(diǎn)處曲率半徑為RC*，非球面系數(shù)為QM。我們模擬中QM是通過最小化波前像差優(yōu)化而得。Q值優(yōu)化手術(shù)后的角膜前表面為式(4)，切削厚度為式(5)：

圖2 三種不同屈光手術(shù)的角膜“切削”量截面 (a) 球面修正，(b) Q值優(yōu)化，(c) 波前像差引導(dǎo)Fig.2 Sectional view of ablation depth in three different refractive surgeries. (a) Spherical correction, (b) Q-value optimized, (c) Wavefront guided

事實(shí)證明Q值優(yōu)化的LASIK手術(shù)術(shù)后球差得到了控制[6]。但許多患者在術(shù)后仍會抱怨在夜晚出現(xiàn)光暈、重影等現(xiàn)象[7]，其原因主要是在白天光線充足的情況下，瞳孔較小，此時眼球的高階像差可以被忽略。但在夜晚光線比較暗時，瞳孔較大，高階像差對視力的影響會很大不容忽視。Q 值優(yōu)化的LASIK手術(shù)對高階像差的修正無能為力。近些年波前像差的理論被引入到眼科手術(shù)中[8]，波前像差引導(dǎo)的手術(shù)也得到了快速發(fā)展，這種手術(shù)方案可以為每一位近視患者提供“量體裁衣”的服務(wù)。本次模擬中波前像差引導(dǎo)的手術(shù)方案就是基于Zernike面[9?10]的修正，是在基于Q值優(yōu)化的基礎(chǔ)上加上Zernike多項(xiàng)式的手術(shù)后角膜前表面，可以表示成：

目前波前像差引導(dǎo)的技術(shù)還處于發(fā)展階段，準(zhǔn)確的波前測量技術(shù)、精準(zhǔn)的三維角膜“切削”技術(shù)在理論和實(shí)驗(yàn)中還有很大的挑戰(zhàn)。

1 建立模型

為了建立個性化人眼模型，我們調(diào)研了許多人眼結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[9?11]，并利用這些參數(shù)建立了通用的模型。另外近幾年通過高精度的眼科測量設(shè)備可以獲得角膜前后表面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及患者的波前像差，個性化的人眼模型是基于通用模型的基礎(chǔ)上加上臨床的測量數(shù)據(jù)利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX建立并優(yōu)化而來。對于正視眼SE=0D，本文在正視眼基礎(chǔ)上又分別建立SE=?2D和SE=?5D（SE為等效球鏡度，這里分別表示近視200度和近視500度）的近視眼模型。正視眼(0D)和近視眼（?2D和?5D）模型中主要光學(xué)元件的參數(shù)見表1。

由表1，角膜前表面曲率半徑(RC)與近視眼術(shù)前SE成正比，RC=7.77+0.022×SE，這里SE為?2D、?5D；玻璃體腔長(LV)也與SE相關(guān)，LV=16.28?0.299×SE；晶狀體被分為前后兩部分：前面部分是厚度1.44mm的凸-平面，后面部分是厚度為2.16 mm的平-凹面，這兩部分在555 nm光下的折射率隨位置分布為：

式中：r、z、q分別為眼球的軸向、徑向及旋轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)。

表1 正視眼(0D)和近視眼(?2D、?5D)模型的參數(shù)Table 1 Parameters of emmetropic (0D) and myopic eye models (?2D and ?5D).

視網(wǎng)膜子午(X)方向和弧矢(Y)方向的曲率半徑及相應(yīng)的非球面系數(shù)Q為：

為了建立一個自定義的個性化人眼模型，在晶狀體后表面加了一層很薄、厚度不均勻的介質(zhì)使得眼球的波前像差產(chǎn)生不均勻的分布。然后將眼模型的波前像差的各階像差系數(shù)擬合到與臨床測量值相同的結(jié)果。晶狀體后面部分的縱向厚度(ZPL)可以橫向極坐標(biāo)(r, q)表示為：

式中：f(r,q)是一個任意的方程用來模擬患者個性化的眼球模型。

由于視網(wǎng)膜對綠光比較敏感，表1中各光學(xué)元件的折射率值是取在555 nm。然而可見光的跨度是400?700 nm，我們的模型同樣考慮到色散的效應(yīng)，折射率隨波長的分布為n(l)=n(lg)+0.0512?0.1455×l+0.0961×l2，其中：l代表任意的波長；lg是綠光的波長，555 nm。

表示為：

式中：階n用來表示像差的階次；m代表方位角頻率。n=0和n=1分別是波前的平移和水平、垂直方向的傾斜，對視覺質(zhì)量無影響。當(dāng)n=2[m=?2,0,2]時多項(xiàng)式組代表低階像差，主要包括離焦和像散，這些低階像差可以通過佩戴眼鏡或者隱形眼鏡進(jìn)行矯正。當(dāng)n>2時，代表高階像差，主要包括球差、彗差、三葉草、四葉草像差等，這些高階像差都是比較復(fù)雜且不對稱的，佩戴眼鏡、隱形眼鏡或者常規(guī)的LASIK手術(shù)無法矯正。

圖3中顯示的條形圖是?2D（純色填充）和?5D（斜劃線填充）近視眼模型術(shù)前各階波前像差系數(shù)，以波長(555 nm)為單位?？梢钥闯鍪中g(shù)前的像差以離焦Z(2,0)為主，其次是散光Z(2,?2)和Z(2,2)、彗差Z(3,?1)和Z(3,1)、球差Z(4,0)、三葉草像差Z(3,?3)和Z(3,3)，其他高階像差相對較小。其中散光不僅存在于角膜的前表面，晶狀體的前后表面曲率半徑或折射率的分布對散光的影響也很大。為了更加準(zhǔn)確地反映真實(shí)的近視人眼，模型中的散光是來源于角膜和晶狀體，而其他高階像差主要是晶狀體后表面的厚度分布決定的。對于?2D的模型手術(shù)前總的散光的等效柱鏡度為0.42D，散光角76.2°，其中角膜的散光占總散光的92%左右。

在對真實(shí)人眼的光學(xué)特性以及屈光手術(shù)的原理有了系統(tǒng)的研究后，我們利用個性化的模型對傳統(tǒng)的球面“切削”、Q值優(yōu)化以及波前像差引導(dǎo)的手術(shù)進(jìn)行研究、分析和對比。利用光線追跡軟件ZEMAX和自主研發(fā)的一些腳本文件來分析手術(shù)前后視網(wǎng)膜上的光斑分布及點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function, PSF)。將PSF做歸一化的空間傅里葉變換取模后得到調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function, MTF)來反映視網(wǎng)膜黃斑上的光學(xué)空間分辨率[12]。最后利用波前像差圖（單色光555 nm）來直觀的反映不同手術(shù)前后視覺質(zhì)量的變化。因?yàn)橛性S多關(guān)于術(shù)后夜視力下降的報(bào)道，在白天的視力都很正常，所以本次模擬主要評估手術(shù)前后大瞳孔直徑(6 mm)下的視覺質(zhì)量。

圖3 ?2D和?5D近視模型(6 mm)手術(shù)前波前像差系數(shù)Fig.3 Wavefront aberration cofficients for ?2D and ?5D model (6 mm) before surgery.

2 結(jié)果與分析

圖4顯示了手術(shù)前后視網(wǎng)膜黃斑處的光斑。模擬中選擇的入射波段橫跨可見光區(qū)域（紅光700nm，綠光555 nm，藍(lán)光400 nm）。對于?2D瞳孔6 mm的近視的模型，手術(shù)前均方根(Root Mean Square, RMS)半徑約78.2 mm，而典型的視網(wǎng)膜細(xì)胞的大小只有2?4mm[13]，因此會造成視力的嚴(yán)重模糊。在接受球面“切削”或Q值優(yōu)化的矯正后，RMS半徑分別顯著下降到19.3 mm和11.5 mm，這兩種方案對于離焦都基本上得到了修正。波前像差引導(dǎo)的（Zernike面）[14?15]修正術(shù)后光斑RMS半徑最小約9.5mm（瞳孔大小6 mm），并且Zernike修正后在明視場（瞳孔大小3 mm）時RMS半徑達(dá)到5 mm，非常接近視網(wǎng)膜的分辨率。從對稱性也可以很明顯看出Zernike修正后的光斑更好，球面修正和Q值優(yōu)化修正只矯正了部分角膜散光，眼內(nèi)散光及其他高階像差并沒有消除（散光和這些高階像差是非對稱的），所以對稱性很差。球面修正和Q值修正后的光斑圖輪廓很相似，但Q值優(yōu)化的RMS半徑值會更小一點(diǎn)，主要是因?yàn)镼值優(yōu)化減小了術(shù)后球差的增加。

圖4 ?2D和?5D近視模型手術(shù)前后視網(wǎng)膜光斑分布(a) ?2D模型手術(shù)前，(b) ?2D模型球面修正，(c) ?2D模型Q值優(yōu)化修正，(d) ?2D模型波前像差引導(dǎo)修正，(e) ?5D模型手術(shù)前，(f) ?5D模型球面修正，(g) ?5D模型Q值優(yōu)化修正，(h) ?5D模型波前像差引導(dǎo)修正Fig.4 Spot diagram at fovea zone on the retina for the myopic eye model of ?2D and ?5D before and after surgery. (a) ?2D model before surgery, (b) ?2D model spherical correction, (c) ?2D model optimized-Q correction, (d) ?2D model wavefront guided, (e) ?5D model before surgery, (f) ?5D model spherical correction, (g) ?5D model optimized-Q correction, (h) ?5D model wavefront guided

圖5 展示了?2D和?5D近視眼模型手術(shù)前后整個眼球的波前像差。圖5(a)、(e)分別是?2D和?5D近視手術(shù)前的波前像差，因?yàn)槭中g(shù)前的像差中以離焦為主（見圖3），其數(shù)值上遠(yuǎn)高于其它的波前像差因子，并且離焦是對稱的，所以手術(shù)前的波前像差的對稱性相對較好。?2D的模型由于近視度數(shù)不是很高，散光對其的影響相對會比較明顯，因而它的對稱性相比?5D模型會差一些。圖5(b)、(c)、(f)、(g)分別是球面“切削”和Q值優(yōu)化修正的波前像差圖，首先從數(shù)字上可以看出，兩者對離焦都有很好的修正，但對稱性都不是很理想，特別是這4張圖都呈現(xiàn)了特定角度的馬鞍形分布，說明這兩種矯正方案對眼內(nèi)的散光沒有修正。對于球面修正波前像差中出現(xiàn)了負(fù)值，主要是由于球面修正引入了很大的正球差。圖5(d)、(h)是采用波前像差引導(dǎo)的手術(shù)方案（Zernike修正），無論從數(shù)值還是對稱性上，波前像差引導(dǎo)的技術(shù)都比其他手術(shù)方案顯示很大的優(yōu)越性。不僅修正了離焦和角膜散光，對眼內(nèi)的散光和其他高階像差都能有很好的修正。目前對于眼內(nèi)的大散光問題，角膜屈光手術(shù)還不能解決，只能通過晶狀體手術(shù)矯正，而波前像差引導(dǎo)的手術(shù)可以根據(jù)每個人特有的視力特征提供個性化的角膜“切削”，從而達(dá)到超高視力的要求。

圖6是?2D和?5D模型手術(shù)前后的MTF函數(shù)曲線。細(xì)實(shí)線代表著沒有像差的衍射極限，對于6mm的瞳孔其截止頻率為每毫米700線對（可反映其空間分辨能力）。圖6中帶星號的虛線是手術(shù)前的MTF，手術(shù)前的MTF隨著空間頻率的增長迅速下降，也就意味著手術(shù)前的視覺質(zhì)量很差。三角形、圓形虛線和加粗實(shí)線分別代表球面修正、Q值優(yōu)化修正和波前像差修正的MTF曲線，與手術(shù)之前的相比有了很明顯的改善。同樣的Zernike修正后（粗實(shí)線）獲得最好的MTF值。MTF曲線是與人眼像差相關(guān)的（像差越小MTF值越高），所以Zernike修正比其他手術(shù)方案帶來了更好的術(shù)后視力。

這就意味著，韓妝的市場份額被這些新興進(jìn)口品所瓜分已是必然。不過，在上述專業(yè)人士看來，新的市場格局也給了韓妝新的機(jī)會，“特別是有創(chuàng)新能力的中小品牌。”

圖5 ?2D和?5D模型手術(shù)前后波前像差的比較(a) ?2D模型手術(shù)前，(b) ?2D模型球面修正，(c) ?2D模型Q值優(yōu)化修正，(d) ?2D模型波前像差引導(dǎo)修正，(e) ?5D模型手術(shù)前，(f) ?5D模型球面修正，(g) ?5D模型Q值優(yōu)化修正，(h) ?5D模型波前像差引導(dǎo)修正Fig.5 Simulated wave-front aberration distribution maps of ?2D and ?5D before and after the laser surgery. (a) ?2D model before surgery, (b) ?2D model spherical correction, (c) ?2D model optimized-Q correction, (d) ?2D model wavefront guided, (e) ?5D model before surgery, (f) ?5D model spherical correction, (g) ?5D model optimized-Q correction, (h) ?5D model wavefront guided

圖6 ?2D (a)和?5D (b)模型手術(shù)前后MTF曲線的對比Fig.6 MTF curves of ?2D (a) and ?5D (b) models before and after surgery.

圖7 展示了?2D模型手術(shù)前后低階和部分主要高階像差系數(shù)的變化。Z(2,0)是離焦項(xiàng)，手術(shù)前（斜線填充）離焦量約4.7l (555 nm)，三種手術(shù)方案對離焦的修正都可以減小到0.3l左右。也就是每種手術(shù)都可以很好地矯正近視。Z(2,2)和Z(2,?2)分別是傾斜和垂直方向上的散光，球面修正（點(diǎn)線填充）和Q值優(yōu)化修正（豎線填充）相比手術(shù)前（純色填充）的散光都有所減小，但并沒有完全修正。主要是因?yàn)榻悄ど系纳⒐獬C正了，而晶狀體內(nèi)的散光沒有修正，而Zernike修正了所有的散光項(xiàng)。Z(3,?1)和Z(3,1)分別是水平和垂直方向的彗差，三種手術(shù)方案較手術(shù)前都有所減小，其中以Zernike修正尤為突出。最后一項(xiàng)Z(4,0)是球差項(xiàng)，明顯看出球面修正（點(diǎn)線）后的球差比手術(shù)前增長了兩倍多（從0.17l→0.36l），Q值優(yōu)化修正（斜線填充）對球差的抑制有很明顯的作用，Zernike修正后的球差仍然是最好的?？偟膩碚f，波前像差引導(dǎo)的手術(shù)術(shù)后離焦與其他手術(shù)相近，但在散光和其他高階像差上相比的優(yōu)勢非常明顯，可以解決當(dāng)前主流LASIK手術(shù)后造成夜視力下降的問題。

圖7 ?2D模型(6 mm)不同手術(shù)前后各階像差的變化Fig.7 Absolute values of various orders of the optical aberrations for the ?2D model (6 mm) before and after surgery.

3 結(jié)語

為了理解和解決近期頻繁的報(bào)道在成功接受傳統(tǒng)角膜屈光手術(shù)后，患者仍有夜視力下降的問題，我們系統(tǒng)地研究了人眼的光學(xué)特性和屈光手術(shù)的原理。在基于Atchison和其他研究工作者的研究成果基礎(chǔ)上[9?10]，分別建立了?2D和?5D的個性化近視眼模型，并利用三種不同的角膜手術(shù)方案（球面、Q值優(yōu)化、Zernike修正）對其進(jìn)行修正。然后用三種不同的評價方法對不同手術(shù)方案手術(shù)前后成像質(zhì)量進(jìn)行了比較。我們發(fā)現(xiàn)球面修正可以矯正基本的近視（即離焦像差）問題，但會引入很高的球差。Q值優(yōu)化可以減小球差，但對眼內(nèi)散光及其他高階像差沒有作用。這也正是傳統(tǒng)的角膜手術(shù)后，白天視力正常而夜晚瞳孔較大時，高階像差沒有消除帶來的夜視力下降問題的根源。波前像差引導(dǎo)的方案不僅可以修正離焦、散光等低階像差，對高階像差也有很好的抑制作用，使得矯正后即使在夜晚大瞳孔情況下的整個眼球的波前像差也很小，因此夜視力得到了了很大的改善。

值得提出來的是，我們的眼模型是普遍適用的，可以根據(jù)臨床或?qū)嶒?yàn)測得的數(shù)據(jù)再現(xiàn)真實(shí)人眼的模型，對手術(shù)方案的選擇，以及術(shù)后視覺質(zhì)量客觀的評判有著很大的幫助。最后需要指出的是，波前像差引導(dǎo)的手術(shù)對術(shù)前精確的波前測量、眼球追蹤、中心定位技術(shù)、激光“切削”技術(shù)的要求都非常高，很多問題有待我們更深入地研究和探索。

1 Millodot M. Dictionary of optometry and visual science[M]. Elsevier Health Sciences, 2014.

2 Reinstein D Z, Archer T J, Gobbe M. The historyof LASIK[J]. Journal of Refractive Surgery, 2012, 28(4): 291?298. DOI: 10.3928/1081597X-20120229-01.

3 Scott R, Grosvenor T. Structural model for emmetropic and myopic eyes[J]. Ophthalmic & Physiological Optics, 1993, 13(1): 41?47.

4 Munnerlyn C R, Koons S J, Marshall J. Photorefractive keratectomy: a technique for laser refractive surgery[J]. Journal of Cataract & Refractive Surgery, 1988, 14(1): 46?52.

5 Tawfik A, Eid A M, Hasanen R, et al. Q-value customized ablation (custom-Q) versus wavefront optimized ablation for primary myopia and myopic astigmatism[J]. International Ophthalmology, 2014, 34(2): 259?262. DOI: 10.1007/s10792-013-9828-1.

6 于秋菊, 張海東, 張永紅. 飛秒激光輔助Q值調(diào)整的非球面?zhèn)€性化LASIK與常規(guī)LASIK術(shù)后視覺質(zhì)量對比研究[J]. 中國實(shí)用眼科雜志, 2016, 34(3): 258?262. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1006-4443.2016.03.013.

YU Qiuju, ZHANG Haidong, ZHANG Yonghong. Postoperative visual quality research of femtosecond laser assisted the Q value adjustment of aspheric personalized LASIK compared with conventional LASIK[J]. Chinese Journal of Practical Ophthalmology, 2016, 34(3): 258?262. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1006-4443.2016.03.013.

7 Villa C, Gutierrez R, Jimenez J, et al. Night vision disturbances after successful LASIK surgery[J]. British Journal of Ophthalmology, 2007, 91(8): 1031?1037. DOI: 10.1136/bjo.2006.110874.

8 Kung J S, Manche E E. Quality of vision after wavefront-guided or wavefront-optimized LASIK: a prospective randomized contralateral eye study[J]. Journal of Refractive Surgery, 2016, 32(4): 230?236. DOI: 10.3928/1081597X-20151230-01.

9 Liou H L, Brennan N A. Anatomically accurate, finite model eye for optical modeling[J]. Journal of the Optical Society of America A, 1997, 14(8): 1684?1695.

10 Atchison D A. Optical models for human myopic eyes[J]. Vision Research, 2006, 46(14): 2236?2250. DOI: 10.1016/j.visres.2006.01.004.

11 Navarro R, Santamaría J, Bescós J. Accommodationdependent model of the human eye with aspherics[J]. Journal of the Optical Society of America A, 1985, 2(8): 1273?1280.

12 Masalehdan H, Lotfi E, Lotfi A, et al. Modeling of Zernike optical aberrations by MTF and PSF[J]. Biomedical Optics Express, 2010, 18(5): 5245?5248.

13 Atchison D A, George S B. Optics of the human eye[M]. Oxford: Butterworth, 2000.

14 王雁. 波前像差與臨床視覺矯正[M]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2011.

WANG Yan. Wavefront aberration and clinical vision correction[M]. Beijing: People’s Education Press, 2011.

15 王潔梅. 基于Zernike多項(xiàng)式的波前像差研究[J]. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī), 2014, (2): 46?49. DOI: 10.3969/j.issn.1007-1423(z).2014.02.012.

WANG Jiemei. Research on wavefront aberration based on Zernike polynomials[J]. Modern Computer, 2014, (2): 46?49. DOI: 10.3969/j.issn.1007-1423(z).2014.02.012.

Customized human eye modelling and refractive surgery along with vision quality assessment

HUANG Yiqi1,2LI Bin1,2,3
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(School of Physical Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 200031, China)

Background: Human eye is a complex and delicate imaging system, whose intrinsic optical aberrations limit the ultimate spatial resolution, making it worse than the diffraction limit of an aberration-free aperture in equal-size. Especially the asymmetry and irregularity presence in various components of eyeball would prevent the precise eye-surgery from achieving superb imaging quality. The conventional eye surgery could well correct the low-order optical aberrations dominant by “defocus”, however make no rectification for the high-order aberrations. Meanwhile it would modify the original corneal a-sphericity to introduce significant “spherical aberration” to the eye-ball, which causes the severe reduction of vision acuity, especially at the dark environment. Purpose: In order to rectify the post-surgery visual quality reduction due to dimer environment, as well as the side-effects e.g. halo, dizziness, we proposed a personalized eye-modelling and surgery scheme, and compared the post-surgery outcomes to the conventional ones. Methods: We established a personalized eye model at the regular myopia of (?2D or ?5D), and compared the post-surgery imaging quality of the conventional or customized corneal ablation schemes implementing three typical techniques in optometry: the ray-tracing spot diagrams at fovea, the modulation transfer

國家自然科學(xué)基金(No.11475249)、中組部青年“千人計(jì)劃”專項(xiàng)基金(No.Y326021061)資助

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11475249), Youth 1000-Talent Program in China (No.Y326021061)

HUANG Yiqi, male, born in 1991, graduated from Changshu Institution of Technology in 2013, master student, focusing on vision science Corresponding author: LI Bin, E-mail: libin1995@sinap.ac.cn

date: 2017-02-28, accepted date: 2017-03-22function of the spot diagrams, and the wave-front aberration distributions of the eye-ball. Results: We find out that the traditional refractive surgery has many limitations, it can’t correct the intraocular astigmatism and the high order aberrations either, while the customized eye surgery is able to reduce the various orders of the optical aberrations in general nicely to achieve the much better imaging quality. Conclusion: The techniques we use for assessing the imaging quality and spatial resolution at retina are objective, which clearly demonstrate the personalized eye-modelling and the ablation surgery schemes based on that achieved remarkable advantages to approach the retina resolution.

Human eye, Personalized eye-modelling, Corneal surgery, High-order aberration

R778.1

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.060501

黃益琪，男，1991年出生，2013年畢業(yè)于常熟理工學(xué)院，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)橐曈X光學(xué)

李賓，E-mail: libin1995@sinap.ac.cn

2017-02-28，

2017-03-22