眼軸長度測量方法及進展研究

王 成，董肖娜，項華中，鄭 剛，張大偉

（1．上海理工大學 生物醫(yī)學光學與視光學研究所，上海 200093；2．上海理工大學 上海市現(xiàn)代光學系統(tǒng)重點實驗室，上海 200093；3．上海理工大學 教育部光學儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093）

引 言

眼睛，是人心靈的窗戶，是人80%～90%的信息來源，是人體最為重要的器官之一。眼科光學生物測量主要通過各種眼科儀器測量患者眼睛的眼軸長度、角膜曲率、前房深度以及角膜直徑等生物參數(shù)，并對要求的擬植入眼內(nèi)人工晶體度數(shù)進行計算。眼軸長度是指角膜前表面至視網(wǎng)膜色素上皮層的距離，在臨床上白內(nèi)障、屈光不正、斜視、弱視、青光眼、硅油填充眼、黃斑水腫等多種疾病都伴隨著眼軸長度不同程度的變化[1]。因此，眼軸長度是人眼屈光狀態(tài)診斷，區(qū)別真性近視與假性近視，測算白內(nèi)障手術后人工晶體參數(shù)的重要參數(shù)之一。

人眼屈光不正，特別是近視的發(fā)病率在世界范圍內(nèi)逐年增高。2016年6月5日，北京大學中國健康發(fā)展研究中心發(fā)布全球首份視覺健康國別報告——《國民視覺健康》白皮書。在中國，每3人就有1人是近視患者，近視已經(jīng)成為“國病”。如果沒有有效的政策干預，到2020年，我國5歲以上人口的近視患病率將增長到51%左右，患病人口將達7億。我國青少年眼部屈光不正問題日益嚴峻，視力不良率居高不下[2]。學歷越高，近視的人越多，而近視與眼軸增長有正相關性[3-5]。近視低齡化直接導致高度近視風險增加，而高度近視的并發(fā)癥：夜間視力差、開角型青光眼、周邊變性區(qū)和裂孔、后玻璃體脫離牽拉黃斑區(qū)、黃斑區(qū)視網(wǎng)膜萎縮和脈絡膜新生血管等，極大影響了日后生活質(zhì)量和職業(yè)選擇。國內(nèi)外研究指出，眼軸與角膜曲率比值大于3.0，是近視發(fā)生發(fā)展的高危因素[6]。預防近視最有效的做法為每3個月或者每半年去專業(yè)眼科做視力檢查，特別是監(jiān)測屈光度、眼軸、以及角膜曲率的變化情況。

白內(nèi)障是最常見的致盲性眼病[7]，根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)盲與低視力的標準，我國目前白內(nèi)障的發(fā)病率高于5%，因白內(nèi)障喪失視力，嚴重影響了患者的生活質(zhì)量。目前針對白內(nèi)障眼，手術摘除混濁的晶狀體并植入人工晶狀體(intraocular lens，IOL)是唯一的有效方法。隨著小切口超聲乳化及人工晶狀體手術的發(fā)展，患者已經(jīng)不只是追求視力可見，而是追求術后能達到正常的屈光狀態(tài)[8-10]?，F(xiàn)階段人工晶體植入手術術后的實際屈光狀態(tài)與預期狀態(tài)還存在一定的偏差，其主要因素是人工晶體度數(shù)的計算誤差。而人工晶狀體度數(shù)預測的準確性取決于術前生物測量的準確性。在人工晶狀體度數(shù)的計算中，眼軸長度的測量值尤為重要，1 mm的測量誤差可以引起大約2.5D（1D=1m-1）屈光誤差[11]。在預測誤差大于2D的病例中，43%～67%是術前生物測量不準確的結(jié)果，白內(nèi)障術后屈光誤差54%來自眼軸長度的測量[12]。因此，眼軸長度的準確測量對于人工晶狀體屈光度的計算、屈光不正等眼病診斷和治療具有重要的臨床意義。本文以眼軸長度為主要論述目標對各眼軸長度測量方法及設備進行對比，主要論述了眼軸長度測量設備的特點及其主要發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)的眼軸長度測量

超聲測量通常采用超聲波對眼睛進行掃描，通過接收眼球結(jié)構(gòu)中各界面的超聲回波信號進而得到深度信息。所測量的眼軸長為從角膜前表面和視網(wǎng)膜內(nèi)界膜之間的距離，不包括神經(jīng)上皮層的厚度[13]。應用于眼科測量方面的超聲技術主要有A超、B超或兩者的結(jié)合。

A超測量是指基于回波時延的深度掃描，基于脈沖反射原理，根據(jù)聲波的時間與振幅的關系，接收在不同聲阻抗組織中回波的不同強度及速度來獲取組織的結(jié)構(gòu)信息。A超所形成的是一維圖像，雖然對組織病變解釋較難，但有著良好的鑒別能力。傳統(tǒng)的用于眼部A超探頭的頻率為10 MHz，其軸向測量分辨率可達200 μm，精度可達100～120 μm[14]。因此，很長一段時間內(nèi)，A超曾作為臨床上眼軸長度測量的“金標準”[15]。通常A超測量眼軸的方式有接觸式或浸潤式，所能測得的軸向參數(shù)有：整體眼軸長、前房深度、晶體厚度、玻璃體厚度，其中眼軸長度的后反射界面為內(nèi)界膜。接觸式超聲進行眼軸測量時需要用表面麻醉劑，容易對角膜表面產(chǎn)生磨損。浸潤式超聲是較為常用的一種手段，該方法在人眼與探測器之間覆蓋上生理鹽水來避免二者直接接觸。

B超是指在不同深度的超聲回波探測，回波強度在屏幕上用光點表示，通過換能器的一維運動得到二維斷層切面圖像來呈現(xiàn)出斷面結(jié)構(gòu)，通常將其應用于球內(nèi)、框內(nèi)的病變等。B超也分為接觸型和水浴型，通常采用水浴B超，測量時根據(jù)B超圖像調(diào)整眼位，選擇理想眼位采集水平軸掃描圖像并利用電子測量尺進行眼軸長度測量[16]。

A、B超測量除了精度限制的其他弊端也比較明顯：(1)通常采用仰臥式，由于重力的原因會導致測量在軸向上產(chǎn)生誤差；(2)在接觸式超聲測量過程中，探頭與角膜的接觸，需要眼部麻醉，增大了角膜磨損和感染的風險[17]，同時會壓迫前房；(3) A、B超測量易受操作者主觀因素影響，為保證測量方向與結(jié)果的準確性，對操作者要求較高；(4)對非正常眼如高度近視、眼球后壁變形等的測量精度不高。

此外，在對硅油填充眼測量眼軸長度時采用CT[18]、核磁[19-20]的方法進行測量，但這兩種方法檢查費用較高，測量值的精確度不如光學測量，CT測量還涉及到輻射的安全問題，因此較少使用。

2 基于光學原理的眼軸長度測量

由于光學測量方法采用的光源波長遠比超聲波長短，因此具有更好的軸向分辨率。光學測量手段以其非接觸、高精度、測量時間短的顯著優(yōu)勢，在臨床上的應用較為廣泛。其與超聲測量回波信號的機制類似，主要利用眼睛的“透光”特性，通過接收眼球前后表面的主要反射光實現(xiàn)測量。其中與超聲測量不同的是，光學測量技術所測得的眼軸長度為沿視軸方向從淚膜到視網(wǎng)膜色素上皮層的距離，相比于超聲的測量更接近真正意義上的視軸[21]。目前光學方法在眼軸長度測量方面已逐漸在臨床上得到認可，成為不可或缺的測量手段。

2.1 基于光干涉原理的眼軸長度測量

光學相干生物測量在1986年由Fercher和Roth提出[22]，主要利用部分相干干涉(partial coherence interferometry，PCI)技術，用780 nm波長的近紅外激光分成兩束射入人眼，經(jīng)眼球角膜前表面和視網(wǎng)膜色素上皮層反射后，與參考臂反射光形成干涉信號，再由光電探測器所接收，進而推算出反射面之間的距離，并根據(jù)眼球的折射率來計算實際的眼軸長度。

1999年Haigis等通過改良PCI技術，推出了集合眼軸長度、角膜曲率、前房深度、白到白等多參數(shù)眼生物參數(shù)測量儀器，并可根據(jù)這些生物參數(shù)結(jié)合多種人工晶體計算公式為白內(nèi)障手術治療提供人工晶體度數(shù)的參考。其測量及成像部分的光路示意圖如圖1所示[23]。

基于PCI測量眼軸長度的代表性產(chǎn)品為德國Zeiss公司的IOL Master 500，以波長為780 nm的紅外激光二極管作為邁克爾遜干涉儀的光源，通過干涉儀中的分光部件將其分為兩路，分別經(jīng)干涉儀的樣品臂和參考臂反射后合束。合束后的光束沿視軸方向進入人眼到達角膜及視網(wǎng)膜色素上皮層后反射，在一側(cè)干涉臂移動過程中使兩束激光的光程差小于相干長度時產(chǎn)生干涉，干涉信號經(jīng)APD接收并轉(zhuǎn)化為電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并呈現(xiàn)，經(jīng)眼球屈光折射率的換算即可得到眼軸長度，眼軸長度測量范圍為14～40 mm[24-25]。

圖1 IOL Master 500 的眼軸長度測量光路系統(tǒng)示意圖Fig.1 IOL Master 500 eye axial length measuring optical path system schematic diagram

日本Nidek公司的AL-Scan光學測量儀，主要采用830 nm的近紅外激光二極管作為探測光源，利用PCI技術進行眼軸長度的測量，眼軸長度測量范圍為14～40 mm，并可實現(xiàn)三維自動跟蹤和拍攝的功能[26-27]。此外該儀器通過提高算法信噪比實現(xiàn)對嚴重白內(nèi)障眼睛的眼軸長度測量，但對極其渾濁的白內(nèi)障無法屈光的眼睛，該儀器附帶一內(nèi)置超聲生物測量模塊來彌補光學測量的不足。

此外，基于低相干原理的眼軸長度測量，主要利用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的低相干反射(optical low coherence reflectometry，OLCR)原理設計，采用低相干光源如超輻射發(fā)光二極管(superluminescent diode，SLD)，使其在眼軸長度測量上擁有更高的分辨率和準確性[28-29]。與PCI原理不同的是，OLCR技術在光源上采用寬譜帶超連續(xù)光源，采用光纖傳導，可降低光源的強度，減少對患者眼睛的影響，且各散射光返回時不重疊，易區(qū)分得到多層結(jié)構(gòu)的信息[30]。其眼軸長度測量主要利用眼球結(jié)構(gòu)各界面的反射與參考臂的反射光形成的干涉信號，從而得到眼球內(nèi)部一系列的軸向參數(shù)，包括：角膜厚度、前房深度(角膜后表面至晶體前表面)、晶體厚度、眼軸長度。

基于OLCR測量眼軸長度的代表性產(chǎn)品有美國Haag-Streit公司的Lenstar LS900，該儀器采用820 nm相干長度約30 μm的SLD激光作為光源[28]。激光配合旋轉(zhuǎn)立方體以一定的重復率和速度發(fā)出縱向掃描光線，經(jīng)耦合器分為掃描光和參考光，通過旋轉(zhuǎn)立方體改變參考臂的光程長，掃描光通過被測物分辨出屈光指數(shù)相近的組織，再與反射界面垂直的光束形成干涉信號進行分析處理。結(jié)果顯示，眼軸的測量范圍為14～32 mm，分辨率可達10 μm。

天津索維公司的光學生物測量儀SW-9000作為國產(chǎn)的新興產(chǎn)品在近兩年進入市場，該儀器主要利用點光源820 nm的SLD通過低相干度光學反射測量技術，可在5 s內(nèi)完成單眼多參數(shù)測量，其原理圖如圖2所示[30]。主要利用標尺光源作為內(nèi)源標尺，利用標尺光源樣品臂與標尺光源參考臂的干涉波形，信號光源參考臂與信號光源零點臂的干涉波形，信號光源參考臂與信號光源樣品臂的干涉波形及照明板成像光路的成像一次精確的計算出眼球的全部生物參數(shù)。其獨特的光學延遲結(jié)構(gòu)使測量信號信噪比更高，速度更快，精度更高。該設備的眼軸長度測量范圍為12～34 mm，精度可達 10 μm[31]。

日本Tomey公司的OA-2000[32]和日本Topcon公司的Aladdin[33]，這兩套儀器的測量原理相同都是基于低相干式反射，所采用的激光光源是波長為820 nm的SLD。

綜上所述，目前基于光干涉技術的眼軸長度測量大致分為兩類：一類是基于PCI技術；一類是基于OLCR技術。兩者的區(qū)別主要在于光源的不同以及干涉儀的光路搭建[34]。其中光源的區(qū)別： IOL Master500的光源為多模激光二極管(multimode laser diode，MMLD)，其光譜曲線是離散的，相干距離約為150 μm；而Lenstar LS900的光源則是連續(xù)的SLD，相干長度約為30 μm[35]，兩者光譜如圖 3所示[34]。測量過程中，光源的不同導致測量結(jié)果精度不同。對于MMLD，在組織界面的前后會產(chǎn)生一系列旁瓣次峰，而OLCR測量只是在組織的前后界面處產(chǎn)生單個峰值。如圖4所示，PCI技術只能得到視網(wǎng)膜RPE層的反射以及旁瓣；而OLCR技術可得到多個峰值，角膜前后面反射峰之間的距離即為角膜中心光學厚度，角膜后表面至晶體前表面的距離為前房光學深度，晶體前后面反射峰的距離為晶體中心光學厚度，而從角膜前表面至視網(wǎng)膜RPE反射面的距離為眼軸光學長度。因此PCI技術只能在一次測量中獲得眼軸長度，而OLCR技術則可以一次測量眼睛軸向的所有距離。

圖2 索維 SW-9000 的光路系統(tǒng)圖Fig.2 The optical path system diagram of SW -9000

圖3 兩種激光的理想光譜曲線Fig.3 The light spectrum of two ideal lasers

圖4 基于PCI和OLCR原理測量眼軸長度測量的峰值顯示[34]Fig.4 The peak value of axial length measurement based on PCI and OLCR[34]

2.2 基于 OCT 成像原理的眼軸長度測量

基于相干技術測量眼軸長度的方法是基于單軸線掃描，而OCT是涉及面掃描得到圖像來獲取眼球參數(shù)信息，受技術限制，OCT可以在mm量級厚度上進行高分辨的成像，但是不能實現(xiàn)較大Z軸的掃描范圍，一般的OCT技術可能會受深度掃描的限制。

有研究使用超長掃描深度OCT對眼球結(jié)構(gòu)進行成像，采用840 nm的SLD，其分辨率為7.7 μm，但對視網(wǎng)膜部分成像并不夠清晰，且成像長度較短[36]。

Fan等在先前的雙通道雙焦點系統(tǒng)[37]的基礎上做出相應的改進，并采用雙中心帶寬為840 nm及1050 nm來實現(xiàn)對眼睛前后節(jié)分別進行成像。減少了樣品中散射光信號的損失，通過分離兩掃描光束的同時也擴展了掃描范圍，并實現(xiàn)眼睛前后節(jié)同時成像[38]。

Grulkowski等使用掃頻OCT對眼球進行成像測量，采用中心波長為1065 nm的掃頻光源利用垂直腔面發(fā)射激光，可以實現(xiàn)對眼睛后半部分結(jié)構(gòu)清晰成像，但該系統(tǒng)對光源要求非常高[39-40]。

IOL Master700是德國Zeiss公司的新款眼科生物測量儀器，其主要基于掃頻OCT(sweptsource optical coherence tomography，SS-OCT)技術，使用不同的頻率掃描眼睛不同深度的光截面圖像來得到眼參數(shù)信息[41-42]，該儀器的眼軸測量范圍為14～38 mm。在對特殊眼(如晶狀體分散或傾斜等)檢測時，可以更及時地被發(fā)現(xiàn)，相比于PCI及OLCR技術可以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)采集。由于可以通過對黃斑區(qū)中心凹進行成像，因此降低由于固視不正所導致測量不準確的風險[43-44]。

3 總 結(jié)

眼睛擔負著人80%信息獲取的來源，直接影響著人的日常生活，而隨著電子產(chǎn)品的普及，特別是青少年兒童過早地接觸了包括手機、平板、電腦等電子產(chǎn)品，極大影響了視力發(fā)育，形成了大量的屈光不正，特別是近視問題。此外，由于戶外活動減少等問題，青少年眼病也逐年增加，盡早地監(jiān)測眼生物參數(shù)，能有效預防視力的減退。而中國也逐漸步入老年社會，白內(nèi)障等眼病也呈高發(fā)態(tài)勢，白內(nèi)障最理想的治療方案就是人工晶體替換，這些日?；蚺R床眼病的防治，都對眼軸長度測量的精確度提出更高的要求。傳統(tǒng)的超聲測量技術由于接觸測量、精度低、速度慢等種種弊端已逐漸被光學手段所替代。然而，針對晶體高度混濁的臨床病人，光學手段因為透過率不良，眼軸長度很難獲得，超聲手段依舊是晶體混濁眼眼軸長度測量的備選方案。在未來的眼生物參數(shù)測量方面，將有可能將OCT的斷層掃面與眼軸長測量結(jié)合，實現(xiàn)全眼高精度的眼生物參數(shù)測量，即實現(xiàn)眼前節(jié)OCT和眼后節(jié)OCT的組合，一次掃描實現(xiàn)角膜曲率、角膜厚度、前房深度、晶體厚度和眼軸長度等的參數(shù)獲取，同時實現(xiàn)眼底斷面的圖像。