評價(jià)SMILE術(shù)后視覺質(zhì)量與光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)的關(guān)系

張 旭,王 雁,徐路路，王 偉

目的:探討飛秒激光小切口角膜基質(zhì)透鏡取出術(shù)(SMILE)術(shù)后光學(xué)調(diào)制度傳遞函數(shù)(MTF)特點(diǎn)，并探究術(shù)后裸眼視力(UCVA)、對比敏感度功能(CSF)與MTF的關(guān)系。

方法：橫斷面選取2015-06/ 11在天津市眼科醫(yī)院行SMILE手術(shù)矯正近視患者34例68眼，術(shù)后眼部情況穩(wěn)定3mo以上且術(shù)后殘余屈光度均小于±0.50D。在明視覺下，用國際標(biāo)準(zhǔn)視力表測量UCVA，用CSV-1000E 測量CSF。用WaveScan測量全眼的波前像差，經(jīng)Matlab編程，將像差進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換成MTF，取3、6、12、18c/d四頻區(qū)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

結(jié)果 ：在3、6、12、18c/d頻區(qū)，CSF值分別為：63.19±3.18、110.25±5.22、57.65±3.76、16.15±1.04； MTF值分別為：0.80±0.02、0.56±0.03、0.30±0.02、0.19±0.02。在6、12、18c/d頻區(qū)，UCVA與CSF具有相關(guān)性(r=0.548、0.337、0.324，P<0.01、=0.005、0.007)；而在18c/d頻區(qū)，CSF與MTF具有相關(guān)性(r=0.241，P=0.048)。

結(jié)論：SMILE手術(shù)矯正后光學(xué)質(zhì)量(MTF)的變化規(guī)律不同于視覺質(zhì)量的變化規(guī)律，不同于視力和對比敏感度，雖然屈光系統(tǒng)發(fā)生像差等變化，但最終手術(shù)對全眼CSF無影響，說明視神經(jīng)大腦通路對視覺質(zhì)量具有補(bǔ)償作用。計(jì)算MTF對評價(jià)手術(shù)后光學(xué)質(zhì)量的判斷具有一定的理論和臨床應(yīng)用價(jià)值。

0 引言

飛秒激光小切口角膜基質(zhì)透鏡取出術(shù)(small incision lenticule extraction, SMILE)是一種較新的屈光矯正手術(shù)方式，在飛秒激光的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，保持了角膜上皮層和前彈力層的連接，臨床研究已經(jīng)證實(shí)了其具有安全、有效、穩(wěn)定、可預(yù)測性好等特點(diǎn)[1-2]。并且與傳統(tǒng)的LASIK手術(shù)相比，研究顯示SMILE手術(shù)導(dǎo)致的像差明顯減小，從而顯示更好的視覺效果[3-5]。

目前國際上已經(jīng)證實(shí)并開始應(yīng)用現(xiàn)代光學(xué)理論對視覺系統(tǒng)的視功能做出更科學(xué)、更全面的評價(jià)[6-7]。調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function, MTF)是通過光學(xué)系統(tǒng)后與通過前的調(diào)制度的比值,為不同空間頻率的正弦條紋,用于評價(jià)光線在視網(wǎng)膜上所成像的對比度與原始圖像的比率，表達(dá)的是對稱性像差[8]。與像差相比，MTF描述了不同空間頻率下物像對比度和光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)系。因此，MTF能夠全面、客觀地反映眼球整個(gè)屈光系統(tǒng)的光學(xué)成像質(zhì)量[9-10]，并且排除了神經(jīng)的因素，越來越多地應(yīng)用于臨床來評價(jià)成像質(zhì)量。

通常臨床評價(jià)視覺質(zhì)量的手段主要是裸眼視力(UCVA)和對比敏感度(contrast sensitivity function, CSF)，兩者均同時(shí)反映眼的屈光系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)。UCVA和CSF兩者均考慮了視錐細(xì)胞和視覺神經(jīng)系統(tǒng)作用的，與UCVA相比，CSF提供的更多、更全面關(guān)于視功能的信息[11-12]。在臨床實(shí)踐中，不同的患者術(shù)后裸眼視力相同的情況下，卻有不同的對比敏感度，或伴有光暈、眩光、夜間視力下降，但其機(jī)制不清。本文目的在于觀察研究術(shù)后患眼的MTF，探討MTF與UCVA、CSF之間的相關(guān)性。

1 對象和方法

1.1對象 選取研究對象為2015-06/11在天津市眼科醫(yī)院接受SMILE手術(shù)治療患者，最終入選患者34例68眼，患者年齡17～40(平均23.12±5.03)歲；男24例，女10例；術(shù)前近視球鏡度為-1.75～-8.50(平均-4.98±1.58)D；散光度數(shù)為0～4.75(平均0.97±0.117)D。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)手術(shù)順利，術(shù)后堅(jiān)持隨訪3～6mo；(2)術(shù)后視力穩(wěn)定，殘余屈光度小于±0.50D；(3)術(shù)后無明顯并發(fā)癥。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)患有眼科其他疾病如角膜炎癥活動期、圓錐角膜、青光眼、白內(nèi)障，或者存在眼底病變、視神經(jīng)病變等；(2)眼部手術(shù)史、外傷史；(3)患有全身結(jié)締組織疾病或者自身免疫性疾?。?4)無法配合檢查；(5)術(shù)后出現(xiàn)并發(fā)癥，屈光度明顯欠矯或過矯。所有患者均簽署知情同意書，本研究獲得天津醫(yī)科大學(xué)眼科臨床學(xué)院倫理委員會的批準(zhǔn)，并嚴(yán)格遵守《赫爾辛基宣言》。

1.2方法 所有患者均由同一位經(jīng)驗(yàn)豐富的術(shù)者完成手術(shù)，術(shù)前常規(guī)滴0.5%左氧氟沙星滴眼液4次/d，連續(xù)應(yīng)用3d，術(shù)中用0.4%鹽酸奧布卡因滴眼液2次進(jìn)行表面麻醉。SMILE手術(shù)應(yīng)用VisuMax@飛秒激光系統(tǒng)制作角膜瓣和基質(zhì)透鏡，激光脈沖頻率為500kHz，能量為115nJ，點(diǎn)間距為3.0μm，光斑大小為1.5μm，角膜帽(cap)厚度設(shè)置為110μm，直徑7.2mm，微透鏡直徑為6.2mm，基底加厚10μm，散光過渡帶為0.1mm，在角膜上方做一寬度為2mm切口，透鏡及小切口的側(cè)切口角度均為90°。激光掃描結(jié)束后，利用顯微分離器掀開分離角膜帽邊緣，進(jìn)一步分離內(nèi)部透鏡上表面及下表面，然后用顯微鑷取出透鏡。

術(shù)后滴用0.5%左氧氟沙星滴眼液2d，4次/d；0.1%氟米龍滴眼液4次/d，每2wk遞減1次，2mo停藥。

在自然光照明下，利用國際標(biāo)準(zhǔn)視力表測試距離5m遠(yuǎn)距離，并記錄UCVA。應(yīng)用基于Hartmann-Shack原理的WaveScan波陣面測量儀(WaveScan)。文中的波陣面像差信息用Zernike系數(shù)來表示，均采用美國光學(xué)學(xué)會(Optical Society of America，OSA)標(biāo)準(zhǔn)。波陣面像差測量在暗室中自然放大狀態(tài)下進(jìn)行，每只眼睛測量3～5次，選取圖像標(biāo)準(zhǔn)：(1)虹膜紋理清晰；(2)屈光度與顯然驗(yàn)光接近；(3)重復(fù)性好；(4)瞳孔直徑6mm以上。符合以上標(biāo)準(zhǔn)的3次結(jié)果取平均值后進(jìn)行分析。利用CSV-1000E測試儀，自然光照明，測試距離8英尺(2.5m)，沿著垂直方向測出CSF，即保持空間頻率不變，而對比敏感度改變。首先選定空間頻率不變，改變其對比度，由大到小逐漸降低對比敏感度，直至觀察者不能分辨為止，找到測試者所能觀測的最小對比敏感度，然后變換空間頻率，并逐一測試，得到測試者所能觀察到的最小對比敏感度。先測高頻，再測量低頻的空間頻率。

波陣面像差的準(zhǔn)確值計(jì)算：多次測量同一眼的波陣面像差，剔除所含誤差較大的測量值，最后求剩余測量值在同一大小瞳孔下的平均值，作為所測人眼波陣面像差的準(zhǔn)確值。

MTF的計(jì)算方法：經(jīng)Matlab編程，應(yīng)用光學(xué)常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。人眼波陣面像差用Zernike多項(xiàng)式形式可表示為：W(x，y)=ΣkCKZK(x，y)式中：x，y為坐標(biāo)軸，Zk(x，y)是Zernike多項(xiàng)式第k項(xiàng)，Ck是對應(yīng)的系數(shù)，由像差儀直接測出。由波陣面像差函數(shù)W(x，y)構(gòu)造光瞳函數(shù)P(x，y)：P(x，y)=A(x，y)exp[i W(x，y)]，瞳孔直徑取3mm。由患眼的光瞳函數(shù)P(x，y)可以求得光學(xué)傳遞函數(shù)OTF。OTF通常是復(fù)函數(shù)，由振幅部分和位相部分組成。其振幅值為MTF。取3、6、12、18c/d四頻區(qū)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.2 UCVA與CSF相關(guān)性分析 在6、12、18c/d空間頻率下，患者術(shù)后UCVA與CSF相關(guān)性分析結(jié)果：在6、12、18c/d空間頻率下，UCVA與CSF具有相關(guān)性(r=0.548、0.337、0.324，P<0.01、=0.005、0.007)，即患者視力越好其對應(yīng)的中、高頻對比敏感度視力也越好；在3c/d空間頻率下，即在低頻區(qū)，UCVA與CSF無相關(guān)性(r=-0.125，P=0.308)。

2.3 UCVA與MTF相關(guān)性分析 在3、6、12、18c/d空間頻率下,患者術(shù)后UCVA與MTF無相關(guān)性(r=0.102、0.141、0.149、0.202,P=0.408、0.251、0.224、0.099)。

2.4 MTF與CSF相關(guān)性分析 在18c/d空間頻率下，患者術(shù)后MTF與CSF有相關(guān)性(r=0.241，P=0.048)，即在高頻區(qū)成像質(zhì)量越好，相應(yīng)的對比敏感度視力也越好；在3、6、12c/d空間頻率下，患者術(shù)后MTF與CSF無相關(guān)(r=-0.023、0.150、0.102，P=0.854、0.222、0.407)。

表1 各空間頻率下CSF和MTF均值及分布范圍

指標(biāo)3c/d6c/d12c/d18c/dCSF15～120(63.19±3.18)24～193(110.25±5.22)12～99(57.65±3.76)4.5～36(16.15±1.04)MTF0.26～0.95(0.80±0.02)0.06～0.92(0.56±0.03)0.01～0.81(0.30±0.02)0.01～0.72(0.19±0.02)

圖1 各空間頻率下CSF值。

圖2 各空間頻率下MTF值。

3 討論

視覺質(zhì)量是評價(jià)手術(shù)的重要指標(biāo)，視覺質(zhì)量的提高也是手術(shù)的最終目的。一般來說，影響人眼的視覺質(zhì)量包括兩部分，一個(gè)是眼的屈光系統(tǒng)，通過它使外界的物體成像在視網(wǎng)膜上；另一個(gè)是眼的神經(jīng)系統(tǒng)，視網(wǎng)膜光感受細(xì)胞接收光線刺激轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸?shù)酱竽X中樞系統(tǒng)[13-14]。目前屈光矯正效果通常是通過視力、殘余屈光度、像差等來評估。人眼的視覺質(zhì)量的建立是物體發(fā)出的光經(jīng)人眼光學(xué)系統(tǒng)成像后，再經(jīng)視神經(jīng)傳導(dǎo)通路和大腦皮質(zhì)層視覺中樞整合后的像質(zhì)綜合。本文針對SMILE術(shù)后應(yīng)用MTF對眼屈光系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，CSF為全眼的視覺質(zhì)量，全面評價(jià)全眼的視覺質(zhì)量，而本研究重點(diǎn)MTF為屈光系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并進(jìn)一步分析SMILE術(shù)后各頻段下MTF與CSF之間的關(guān)系。

像差是較屈光度更高級的屈光系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)。20世紀(jì)末Liang等[15]利用Hartmann-Shack(H-S)波前傳感技術(shù)比較精確地測量了人眼波前像差，提供了一種有效地分析人眼光學(xué)系統(tǒng)對視覺影響的方法。本研究結(jié)果顯示主要高階像差結(jié)果與之前研究一致[4]。SMILE手術(shù)應(yīng)用飛秒技術(shù)制作一個(gè)基質(zhì)透鏡，通過一個(gè)弧長2mm的周切口，將基質(zhì)透鏡取出，避免以往屈光手術(shù)中角膜瓣的丟失和移位，并提高了可預(yù)測性。高階像差主要來源于激光切削，基質(zhì)床表面越光滑，越能減少術(shù)后高階像差的產(chǎn)生[4]。SMILE引入的球差較傳統(tǒng)術(shù)式要小，還可能與其避免了準(zhǔn)分子激光在切削周邊角膜時(shí)，由于入射角改變導(dǎo)致切削效能下降有關(guān)，即余弦效應(yīng)，從而避免引入過多球差等高階像差[16-18]。

本研究應(yīng)用計(jì)算法得到各個(gè)空間頻率下的MTF值。與之前研究結(jié)果趨勢一致[9-10,12]，但之前的研究對象是針對正常人或LASIK術(shù)后的患者，還沒有針對SMILE術(shù)后患者的研究。SMILE術(shù)后MTF變化曲線仍然呈現(xiàn)隨著頻率增加數(shù)值降低的趨勢。光學(xué)傳遞函數(shù)(optical transfer function, OTF)是對于非相干光照明下的衍射受限系統(tǒng)、表征系統(tǒng)成像質(zhì)量的指標(biāo)。MTF是OTF的模，即振幅，相位傳遞函數(shù)(phase transfer function，PTF)是OTF的相位[16]。MTF是不同空間頻率的正弦條紋,通過光學(xué)系統(tǒng)后與通過前的調(diào)制度的比值,即評價(jià)光線在視網(wǎng)膜上所成像的對比度與原始圖像的比率。用Zernike多項(xiàng)式來表達(dá)像差，再根據(jù)光瞳函數(shù)，可以計(jì)算出不同空間頻率下的MTF。像差項(xiàng)之間組合會產(chǎn)生補(bǔ)償、抵消、加強(qiáng)等作用，即在Zernike多項(xiàng)式表達(dá)中， 2個(gè)不同階的同一頻角符號相同會使視覺質(zhì)量提升，反正會使視覺質(zhì)量下降[17]。因此，MTF能夠全面、客觀地反映眼球整個(gè)屈光系統(tǒng)的光學(xué)成像質(zhì)量，MTF值越大，視覺質(zhì)量越好。研究結(jié)果顯示，MTF與彗差、球差等無明顯相關(guān)性，MTF反映的是總體像差，與每個(gè)像差項(xiàng)無關(guān)。與傳統(tǒng)屈光術(shù)式相比，SMILE術(shù)后MTF受高階像差的影響相對較小。

研究結(jié)果中CSF呈現(xiàn)出倒“U”字型趨勢，低頻區(qū)數(shù)值低，到中高頻區(qū)數(shù)值高，在高頻區(qū)回落，這與人眼的神經(jīng)敏感性特點(diǎn)有關(guān)，對低頻不敏感，對中高頻敏感[12]。SMILE術(shù)后MTF值從低頻到高頻的變化不同于CSF，反映兩者變化規(guī)律是不一致的。但即使MTF在中、 高頻區(qū)有降低的趨勢，CSF還是回到了倒“U”字型，說明神經(jīng)大腦對視覺質(zhì)量的補(bǔ)償。

從SMILE術(shù)后CSF與UCVA的相關(guān)性分析結(jié)果來看，除低頻區(qū)外，中頻區(qū)、高頻區(qū)，CSF與UCVA存在一定的相關(guān)性，證明視力與中、高頻對比敏感度兩者存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。臨床綜合評價(jià)視覺質(zhì)量的常用手段主要是測量視力和對比敏感度，兩者均同時(shí)反映眼的屈光系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)。視力和對比敏感度兩者均考慮了視錐細(xì)胞和視覺神經(jīng)系統(tǒng)作用的，與視力相比，對比敏感度提供的更多、更全面關(guān)于視功能的信息[11-12]。不同頻段的對比敏感度，反映的視功能存在差異：低頻段反映的是對輪廓的分辨能力，中頻段既反映了視敏度，又反映視覺對比敏感度，即物體的層次傳遞情況，高頻部分反映物體的細(xì)節(jié)傳遞情況。這些是由于不同頻段對應(yīng)感光細(xì)胞的功能是有區(qū)別的。感光細(xì)胞對圖像信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，經(jīng)雙極細(xì)胞傳遞給神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ganglion cell，GC)，其中有X型GC和Y型GC，X型GC與外側(cè)膝狀體的X神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系，Y型GC與外側(cè)膝狀體的Y神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系。一般認(rèn)為，X型GC對高空間頻率敏感，Y型GC對低空間頻率敏感。Y型GC受到光亮下降的影響較小。這提示X型GC對周圍光亮變化更敏感[14]。UCVA反映的中、高頻段的視功能，SMILE術(shù)提高了中、高頻段的視功能。

本研究中，SMILE術(shù)后UCVA與MTF無明顯相關(guān)性。視力是綜合屈光系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的高頻視覺?？紤]所有患者均成功進(jìn)行了SMILE屈光矯正術(shù)，手術(shù)改變了角膜表面形態(tài)，引起人眼的屈光狀態(tài)的改變，但視網(wǎng)膜及視神經(jīng)傳導(dǎo)并未改變，甚至存在神經(jīng)大腦的補(bǔ)償功能。

SMILE術(shù)后MTF與CSF相關(guān)性分析結(jié)果顯示：在18c/d頻區(qū)MTF與CSF有一定弱相關(guān)性，在中、低頻段下MTF均與CSF無明顯相關(guān)性。球差和彗差是最主要的高階像差，SMILE術(shù)后球差、彗差與MTF、CSF相關(guān)性分析結(jié)果顯示，高階像差與MTF、CSF均無明顯相關(guān)性。MTF是由像差計(jì)算得來的，反應(yīng)了像差的總和，像差是更高級的人眼屈光系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)，對比敏感度是綜合屈光系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的各頻區(qū)視覺功能。SMILE手術(shù)有效降低了患眼光學(xué)系統(tǒng)的像差(低階像差為主)，改善了成像質(zhì)量，特別是明視覺狀態(tài)下，即瞳孔直徑為3mm狀態(tài)下的MTF。人眼像差隨瞳孔直徑增大而明顯增大。隨著瞳孔直徑縮小，像差對視網(wǎng)膜成像質(zhì)量的影響作用減少。因此在明視覺狀態(tài)下，SMILE術(shù)使像差減小，成像質(zhì)量顯著提高，在高頻區(qū)MTF對CSF有一定影響，而中、低頻區(qū)對CSF、視力影響甚微。在飛秒激光的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的SMILE手術(shù)作為一種較新的手術(shù)方式，與傳統(tǒng)的LASIK手術(shù)相比，SMILE手術(shù)導(dǎo)致的像差明顯減小，從而顯示更好的視覺效果[3-5]。手術(shù)雖然未涉及視網(wǎng)膜及其神經(jīng)傳導(dǎo)通路，但對于不同的新像差視網(wǎng)膜及神經(jīng)傳導(dǎo)通路處理作用會不相同，產(chǎn)生不同程度的適應(yīng)性，視覺的神經(jīng)系統(tǒng)也是影響整體視功能的重要因素，其反映視網(wǎng)膜、視神經(jīng)和大腦中樞對圖像信號進(jìn)行處理傳遞解析的能力，也具有可塑性[19]。

綜上所述，SMILE手術(shù)可以有效地矯正屈光不正患眼，其經(jīng)其矯正以后，手術(shù)眼的視力和對比敏感度的生理規(guī)律沒有改變，即雖然矯正后的屈光間質(zhì)像差發(fā)生了改變，但通過補(bǔ)償?shù)茸兓罱K對視力、對比敏感度均無明顯影響，說明視神經(jīng)大腦通路對視覺質(zhì)量具有補(bǔ)償作用。計(jì)算法可以獲得不同空間頻率的MTF，對評價(jià)手術(shù)后光學(xué)質(zhì)量的判斷具有一定的理論和臨床應(yīng)用價(jià)值。