非球面設(shè)計人工晶狀體的像質(zhì)評價研究

馮勤，盧紅，駱永潔，李潔，宋婷

1 浙江省醫(yī)療器械檢驗研究院，杭州市，310019

2 國家食品藥品監(jiān)督管理總局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心，北京市，100081

0 引言

目前眼科關(guān)于非球面設(shè)計人工晶狀體的研究著重于利用波前像差技術(shù)對患者進行臨床觀察，通過對植入前后的角膜像差及全眼像差的對比分析，以及患者視覺敏感度變化等臨床觀測指標(biāo)來評價非球面人工晶狀體的優(yōu)缺點。這種評價方式受手術(shù)操作、人工晶狀體植入后的位置偏差，如偏心、傾斜以及患者主觀感受等因素影響較大[1]，因此并不能客觀地反映出非球面人工晶狀體本身的成像質(zhì)量水平。而另一方面，患者眼角膜的實際像差值千差萬別，完美的角膜應(yīng)該是什么樣的，業(yè)內(nèi)也并無定論，對于植入不同球差矯正設(shè)計的非球面IOL，如何建立統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)來比較術(shù)后視覺質(zhì)量仍然是存在爭議的。本研究從非球面人工晶狀體產(chǎn)品本身出發(fā)，探討人工晶狀體成像質(zhì)量客觀評價方法，研究流程如圖1所示，該研究為臨床非球面人工晶狀體的個性化選擇提供參考，同時對行業(yè)內(nèi)非球面人工晶狀體成像質(zhì)量技術(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)的制定進行探索性研究，為人工晶狀體醫(yī)療器械產(chǎn)品的市場監(jiān)管提供客觀依據(jù)。

圖1 像質(zhì)評價研究流程Fig.1 Image quality assessment process

1 人工晶狀體（IOL）球差表述

人眼像差是影響視覺質(zhì)量的主要因素，研究證實，人眼像差主要是由角膜和晶狀體決定的，因此評價人眼像差也應(yīng)該是評價角膜和晶狀體光學(xué)組合系統(tǒng)的像差，而球面像差是影響視覺質(zhì)量的最主要像差類型[2]。與一般光學(xué)系統(tǒng)的幾何像差不同，在視光學(xué)中描述人眼像差主要采用的是出瞳處的波前像差，人眼的波前像差主要用澤尼克多項式展開，由各項系數(shù)最終確定人眼像差，其中系數(shù)c(4,0)代表球面像差系數(shù)。

已知球面像差為球面鏡片固有的旋轉(zhuǎn)對稱性的四階像差，球面像差導(dǎo)致邊緣光線聚焦點與近軸焦點偏離，從而在成像面上不能得到清晰銳利的像。隨著技術(shù)的進步，人工晶狀體的設(shè)計大多采用非球面設(shè)計以矯正球面像差，而根據(jù)不同的設(shè)計理念，人工晶狀體有的采用零球差光學(xué)設(shè)計，在一定孔闌范圍內(nèi)完全矯正球面鏡片的球面像差，有的則是采用反球差設(shè)計，用于平衡人眼角膜固有的正向球面像差，從而可以讓部分患者獲得理論上更好的術(shù)后成像質(zhì)量。

現(xiàn)有人工晶狀體強制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0290.2中僅針對球面設(shè)計人工晶狀體給出了像質(zhì)要求，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一種角膜鏡片基本無像差的模擬眼，在單色光（546 nm±5 nm）條件下，利用該模擬眼測量人工晶狀體在空間頻率100 lp/mm下的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，要求MTF值應(yīng)不小于0.43，或不小于人工晶狀體在模型眼系統(tǒng)中設(shè)計和分析給出的計算最大可達值的 70%，但任何情況時，都應(yīng)不小于0.28[3]。利用模型眼獲得MTF測量結(jié)果直接反應(yīng)了球面人工晶狀體的成像質(zhì)量水平，即MTF值越高，則成像越好。但從臨床上說，這種高MTF水平并不應(yīng)該被完全理解成給患者帶來較高的視覺質(zhì)量，而實測結(jié)果相對較低的MTF值也不一定代表較低的視覺質(zhì)量。例如，負球差設(shè)計的人工晶狀體在上述標(biāo)準(zhǔn)模擬眼中測量MTF，由于引入了負球面像差，測量結(jié)果有可能得到相對于球面人工晶狀體更低的調(diào)制效果，反映出較低的成像質(zhì)量。但是這種負球差設(shè)計的人工晶狀體植入到帶有正向角膜球差的患者眼內(nèi)，排除手術(shù)操作等外部因素，植入負球差設(shè)計人工晶狀體可能比植入普通球面人工晶狀體給患者帶來更佳的視覺感受。因此評價非球面人工晶狀體的成像質(zhì)量，應(yīng)建立接近人眼實際角膜球差特征的模擬眼，測試方法更客觀，評價結(jié)果也更具有實際意義。

2 模擬眼建立

2.1 人眼角膜c(4,0)系數(shù)

關(guān)于實際人眼角膜的球差特征的研究已經(jīng)很多，結(jié)合近幾年國內(nèi)外不同人群、不同年齡段人眼角膜像差的研究數(shù)據(jù)（見表1），我們大致分析了人眼角膜球差情況。由表1可以看出，人眼角膜球差c(4,0)系數(shù)均值在0.264 μm左右，即人眼角膜普遍具有正向球面像差，不同人群球差略有差異，年輕人群角膜球差系數(shù)0.20 μm左右，而老齡人群（＞70歲）的角膜球差系數(shù)達到了0.30 μm甚至更高。實際測量影響人眼角膜球差系數(shù)的因素有很多，如患者年齡、測試瞳孔的大小，以及不同研究機構(gòu)可能使用的測量儀器不同也會帶來結(jié)果的差異。因此，若僅選擇中值或者某個單一的角膜球差系數(shù)來模擬實際人眼角膜特征都是不合適的，根據(jù)現(xiàn)有的角膜球差研究數(shù)據(jù)，可以考慮選擇具有代表性的幾個角膜球差系數(shù)作為非球面人工晶狀體的參考評價依據(jù)。

表1 不同人群角膜球差系數(shù)Tab.1 Corneal spherical aberration coeきcient of diあerent population

2.2 ZEMAX模型建立

目前非球面人工晶狀體大部分為負球面像差設(shè)計，目的是使白內(nèi)障病人恢復(fù)年輕眼球的球面像差即達到近似年輕眼球的c(4,0)系數(shù)值。另有研究認為，當(dāng)人眼全眼球差為+0.10 μm左右時，植入人工晶狀體眼的視覺質(zhì)量最好[8]。人工晶狀體完全補償角膜的正向角膜像差反而降低景深，并不能給患者帶來良好的視覺體驗，這涉及到的是臨床上非球面人工晶狀體個性化選擇，而我們研究的內(nèi)容主要考慮人工晶狀體成像質(zhì)量客觀評價方法，即實際人工晶狀體對角膜球差的補償，以獲得最佳的成像質(zhì)量。結(jié)合人眼角膜球差研究數(shù)據(jù)以及各廠家人工晶狀體設(shè)計理念，在擬修訂的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中增加帶正向球面像差的模擬眼，模型眼的眼角膜具有不同的球差系數(shù)，以滿足不同設(shè)計理念的非球面人工晶狀體的MTF成像質(zhì)量評價需要。擬建立的模型眼角膜球差系數(shù)如表2所示。

表2 模擬角膜澤尼克c(4, 0)系數(shù)Tab.2 Simulated corneal Zernike c(4, 0) coeきcient

利用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX模擬建立上述四個模擬眼裝置，軟件中采用澤尼克標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，其中Z11表示的即為光學(xué)系統(tǒng)的球面像差，與眼科系統(tǒng)常用的澤尼克c(4,0)系數(shù)存在1個波長的倍數(shù)關(guān)系。建立的4種模擬角膜均采用PMMA材料，中心曲率半徑19.332 mm，采用不同的圓錐系數(shù)，平行光入射。改進的帶像差模擬眼模型及設(shè)計參數(shù)見圖2。

ZEMAX軟件參數(shù)構(gòu)建的角膜鏡片模型眼獲得了和表2極為接近的c(4,0)系數(shù)。我們分別根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計加工了四種不同球差的模型眼角膜鏡片，通過ZYGO干涉測量系統(tǒng)對加工鏡片表面質(zhì)量進行了非接觸測量，分析其面型是否存在顯著的加工誤差，之后再利用已驗證準(zhǔn)確的MTF測量系統(tǒng)進行實際像質(zhì)測量，實測模擬鏡片的光學(xué)質(zhì)量基本達到理論設(shè)計效果，實測MTF值與理論設(shè)計值偏差與MTF測試重復(fù)性相當(dāng)（不大于0.09 MTF單位）[3]。

圖2 改進的帶像差模擬眼模型Fig.2 Modified model eye with aberration

2.3 結(jié)果分析

選取同一組非球面設(shè)計單焦人工晶狀體低、中、高光焦度各一枚，分別在2 mm，3 mm，4.5 mm孔闌條件下利用上述設(shè)計的模擬眼中進行成像質(zhì)量測量，取空間頻率50 lp/mm和100 lp/mm下的兩組數(shù)據(jù)進行對比評價。實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果如圖3所示。

圖3 非球面人工晶狀體在不同模擬眼測量條件下的數(shù)據(jù)對比Fig.3 Data comparison of aspheric intraocular lenses under diあerent model eye conditions

通過對以上數(shù)據(jù)對比分析，可以看出孔闌大?。赐状笮。┑牟煌瑢θ斯ぞ铙w成像質(zhì)量的影響較大，同種模擬眼設(shè)置下進行測量，小孔闌（2 mm、3 mm）條件下MTF成像質(zhì)量明顯高于大孔闌條件（4.5 mm），這也從實驗角度驗證了球差影響主要體現(xiàn)在大孔闌（大瞳孔）條件。另一方面，小孔闌（2 mm、3 mm）條件下不同光焦度的人工晶狀體在不同模擬眼球差設(shè)置下的MTF值差異性不明顯，且均能滿足現(xiàn)有行標(biāo)100 lp/mm不小于0.43的要求，而對于大孔闌條件，在不同球差設(shè)計的模擬眼中測量數(shù)據(jù)有所差別，由以上數(shù)據(jù)對比可以看出，試驗用非球面人工晶狀體在c(4,0) = 0.28 μm 的模型眼中測量，其MTF值分別在50 lp/mm 、100 lp/mm空間頻率獲得比在其他模擬眼中更好的表現(xiàn)，因此可以認為，該非球面人工晶狀體更適合在c(4,0)= 0.28 μm的模擬眼中進行像質(zhì)評價，同時也論證了之前提出的負球差設(shè)計人工晶狀體在標(biāo)準(zhǔn)模擬眼中測量反而得到相對較差的調(diào)制效果。

3 結(jié)論

人工晶狀體非球面設(shè)計與傳統(tǒng)球面設(shè)計相比，在大孔闌條件下能降低球面像差、提高對比敏感度，改善患者的功能視覺，但對其效果的評價方法應(yīng)考慮建立接近人眼實際角膜球差特征的模擬眼，測試方法更客觀，評價結(jié)果更具有實際意義。但同時，我們也應(yīng)該了解真實術(shù)后人眼像差的評價涉及很多方面，人工晶狀體非球面設(shè)計可能產(chǎn)生很多新問題，如慧差、降低景深、色差、偏心或傾斜的敏感性等。因此本研究建立的評價方法是從質(zhì)量控制角度，對人工晶狀體產(chǎn)品本身的設(shè)計加工質(zhì)量建立評價手段，建立多種c(4,0)系數(shù)模型眼，能夠提供非常有用的信息，是人工晶狀體開發(fā)和特性描述過程中不可缺少的工具。