實(shí)測與理論瞳孔直徑下全角膜與前角膜總高階像差的比較

趙麗君，黃渝侃，程勝男，吳名鋒，李玉芷

0引言

像差是指理想光學(xué)系統(tǒng)成像與實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像的光學(xué)偏差，常用澤尼克(Zernike)多項(xiàng)式函數(shù)來描述，0～2階為低階像差，3階以上為高階像差[1]。像差理論在眼科領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如個(gè)體化角膜切削、角膜接觸鏡驗(yàn)配及人工晶狀體選擇等[2-3]。角膜HOA的準(zhǔn)確測量在多焦點(diǎn)人工晶狀體(multifocal intraocular lens, MIOL)適應(yīng)證的選擇中有重要意義，一般認(rèn)為角膜中央直徑4.0mm區(qū)域總HOA<0.3μm的患者可植入MIOL，超出此范圍的謹(jǐn)慎植入，>0.5μm不建議植入[4]。

目前有很多測量角膜HOA的儀器，如iTrace波前像差儀，光程差分析儀等，均常規(guī)默認(rèn)中央4.0mm瞳孔直徑下角膜HOA為輸出值[5-6]。瞳孔直徑是影響像差的重要因素之一，由于個(gè)體差異，不同患者明視環(huán)境下瞳孔直徑并非均為4.0mm[7]，這種差異是否導(dǎo)致像差結(jié)果偏倚以及是否具有臨床意義尚不得而知。且由于儀器測量原理的差異，部分儀器只能測量角膜前表面HOA，并以其代表全角膜HOA值，在實(shí)測和4.0mm瞳孔直徑下前角膜與全角膜HOA是否存在差異，前者是否可以代替后者應(yīng)用于臨床目前未見文獻(xiàn)報(bào)道?；诖?，本研究對不同年齡段實(shí)測瞳孔和4.0mm瞳孔直徑下全角膜和前角膜HOA進(jìn)行了分析。

1對象和方法

1.1對象本研究采用橫斷面研究，選取2019-03-31/05-31于我院就診的受試者100例200眼，按照年齡劃分為6組：20～29歲組17例34眼；30～39歲組30例60眼；40～49歲組13例26眼；50～59歲組14例28眼；60～69歲組14例28眼；70～79歲組12例24眼。其中20～29歲和30～39歲組被視為青年人群，40～49歲和50～59歲組被視為中年人群,60～69歲和70～79歲組被視為老年人群。入選標(biāo)準(zhǔn)：(1)年齡20～80歲；(2)停戴軟性角膜接觸鏡2wk以上，硬性角膜接觸鏡2mo以上。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)離焦≥±3.00D，散光≥±1.50D；(2)疑似圓錐角膜、圓錐角膜及其他角膜病變；(3)存在干眼、翼狀胬肉、嚴(yán)重角膜血管翳等眼表病變；(4)存在虹膜前、后粘連，瞳孔閉鎖及神經(jīng)麻痹等影響瞳孔正常大小的病變；(5)既往眼部手術(shù)史及眼部外傷史；(6)Sirius機(jī)測Kappa角<0.5mm；(7)其他眼科病史，如青光眼、視網(wǎng)膜疾病等。本研究遵循《赫爾辛基宣言》，并獲得華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)。所有患者均已簽署知情同意書。

1.2方法所有受試者由同一位經(jīng)驗(yàn)豐富的技師在同一臺Sirius眼前節(jié)分析儀進(jìn)行三維角膜地形圖檢測。暗室環(huán)境下，囑患者坐于設(shè)備前，平視前方，睜大雙眼，充分暴露角膜，瞬目2～3s后睜眼，待屏幕上下測量線均變?yōu)榫G色，按下拍攝鍵。再囑患者睜大雙眼，充分暴露瞳孔，拍攝擬明環(huán)境下(40Lx)的瞳孔大小，收集數(shù)據(jù)。選取采集質(zhì)量覆蓋率>90%，可信度=100%的角膜地形圖，記錄不同瞳孔直徑下(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0mm)的全角膜和前角膜總HOA值，重復(fù)3次取平均值。

使用MATLAB軟件對上述11個(gè)瞳孔直徑下全角膜和前角膜HOA結(jié)果作擬合曲線，并計(jì)算出患者在擬明環(huán)境下實(shí)際瞳孔直徑全角膜總HOA(以下簡稱實(shí)測全高階)和前角膜總HOA(以下簡稱實(shí)測前高階)；以4.0mm瞳孔直徑下全角膜總HOA值(以下簡稱理論全高階)和前角膜總HOA(以下簡稱理論前高階)作為理論值。

2結(jié)果

2.1年齡與實(shí)測瞳孔直徑的關(guān)系明視環(huán)境下，瞳孔直徑青年人群為4.10±0.65mm，中年人群為3.31±0.81mm，老年人群為2.93±0.48mm，三組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=59.478，P<0.001)。瞳孔直徑隨年齡增大逐漸減小，二者呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)(r=-0.587，P<0.001)。青年人群瞳孔直徑最大，老年人群最小，兩兩比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)，見圖1。

圖1 實(shí)測瞳孔直徑與年齡的關(guān)系 A：年齡與實(shí)測瞳孔直徑的趨勢分析；B：年齡與實(shí)測瞳孔直徑的相關(guān)性分析；C：年齡與實(shí)測瞳孔直徑的差異性分析。

2.2全角膜和前角膜的實(shí)測HOA和理論HOA值與年齡的相關(guān)性分析實(shí)測全高階與實(shí)測前高階均隨著年齡的增長而減小，高階值與年齡呈負(fù)相關(guān)(r=-0.191,P=0.002;r=-0.181,P=0.004)，見圖2A、B。理論全高階隨年齡增大而升高，呈正相關(guān)(r=0.282,P<0.001)，見圖2C，理論前高階則與年齡無關(guān)(P=0.390)，見圖2D。

圖2 全角膜和前角膜的實(shí)測HOA和理論HOA值與年齡的相關(guān)性分析 A:實(shí)測全高階與年齡的相關(guān)性分析；B：實(shí)測前高階與年齡的相關(guān)性分析；C:理論全高階與年齡的相關(guān)性分析；D：理論前高階與年齡的相關(guān)性分析。

2.3各年齡段實(shí)測全高階和理論全高階的比較在40～49、60～69、70～79歲組中，實(shí)測全高階顯著低于理論全高階，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其余組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見表1。

表1 各年齡段全角膜實(shí)測HOA和理論HOA的比較

2.4各年齡段實(shí)測前高階和理論前高階的比較在40～49、60～69、70～79歲組中，實(shí)測前高階顯著低于理論前高階，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其余組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表2。

表2 各年齡段前角膜實(shí)測HOA和理論HOA的比較

2.5不同年齡段實(shí)測全高階和前高階與理論全高階和前高階比較在40～49、60～69及70～79歲組實(shí)測全高階顯著高于實(shí)測前高階，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.486,P=0.002；t=2.632,P=0.014；t=2.157,P=0.042)，其余年齡段比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-3.736,P=0.054；t=1.223,P=0.226；t=1.053,P=0.302)，見圖3A。在20～29歲組,理論全高階顯著低于理論前高階，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-2.920,P=0.006)，在60～69歲組，理論全高階高于理論前高階，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.168,P=0.039)，其余年齡段差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.417,P=0.678；t=1.552,P=0.133；t=0.902,P=0.375；t=1.318,P=0.200)，見圖3B。

圖3 不同年齡段實(shí)測全高階和前高階與理論全高階和前高階比較 A:不同年齡段實(shí)測全高階和前高階比較;B：不同年齡段理論全高階和前高階比較。aP<0.05 vs前角膜。

2.6不同人群中理論和實(shí)測全高階和前高階≥0.3μm人數(shù)比較青年人群中，理論和實(shí)測全高階≥0.3μm分別有9眼(9.6%)和15眼(16.0%)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=1.720，P=0.190)，見圖4A；理論和實(shí)測前高階≥0.3μm分別有15眼(16.0%)和14眼(14.9%)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.041，P=0.840)，見圖4B。中年人群中，理論和實(shí)測全高階≥0.3μm分別有5眼(9.3%)和6眼(11.1%)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.101，P=0.750)，見圖4C；理論和實(shí)測前高階≥0.3μm分別有6眼(11.1%)和7眼(13.0%)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.087，P=0.767)，見圖4D。老年人群中，理論全高階≥0.3μm有13眼(25.0%)，顯著高于實(shí)測全高階(5眼，9.6%)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=4.300，P=0.038)，見圖4E；理論前高階和實(shí)測前高階≥0.3μm分別有6眼(11.5%)和5眼(9.6%)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.102，P=0.750),見圖4F。

圖4 不同人群中理論和實(shí)測全高階和前高階≥0.3μm人數(shù)比較 A:青年人群全角膜實(shí)測與理論HOA值≥0.3μm占比分析,B：青年人群前角膜實(shí)測與理論HOA值≥0.3μm占比分析,C:中年人群全角膜實(shí)測與理論HOA值≥0.3μm占比分析,D：中年人群前角膜實(shí)測與理論HOA值≥0.3μm占比分析，E:老年人群全角膜實(shí)測與理論HOA值≥0.3μm占比分析,F：老年人群前角膜實(shí)測與理論HOA值≥0.3μm占比分析。

3討論

人眼是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的系統(tǒng)，之前對于無法單純用離散、散光解釋的光學(xué)質(zhì)量問題，通過波前像差的分析得以細(xì)化[8-9]。波前像差分為相對容易矯正的低階像差，包括離散、規(guī)則散光等，及無法用傳統(tǒng)手段矯正的HOA，包括球差、彗差、三葉草差等[10-11]。在像差系統(tǒng)中，不規(guī)則散光與HOA相對應(yīng)，不能被鏡片完全矯正，并對植入MIOL造成光學(xué)干擾，故在植入此類晶狀體時(shí)需要考慮角膜總HOA的影響。

瞳孔直徑是影響HOA的重要因素之一。角膜周邊屈光力較中央角膜屈光力強(qiáng)，瞳孔直徑范圍增大，HOA值增加。各項(xiàng)HOA可以通過均方根(root mean squar,RMS)值來量化總HOA的程度[12]，一般認(rèn)為角膜中央直徑4.0mm區(qū)域總HOA(total HOA)<0.3μm的患者可推薦植入MIOL。本研究發(fā)現(xiàn)瞳孔直徑隨年齡的增長而減小，呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，且40歲以上受試者明環(huán)境下瞳孔直徑均小于4.0mm，故固定以4.0mm作為影響范圍與實(shí)際情況并不相符。目前有很多設(shè)備可檢測HOA，如基于Placido環(huán)原理的OPD光程差分析儀、iTrace等，只能測量角膜前表面HOA，而基于Scheimpflug立體斷層掃描技術(shù)的Pentacam三維眼前節(jié)分析儀(OCULUS,Ltd.Germany)，可分析全角膜HOA[13]。上述設(shè)備均以中央4.0mm全角膜HOAs設(shè)定為默認(rèn)輸出值。Sirius眼前節(jié)分析系統(tǒng)同時(shí)具備Placido環(huán)和Scheimpflug照相技術(shù)，互相彌補(bǔ)，可準(zhǔn)確測量2.0～8.0mm(以0.5mm為間隔)范圍內(nèi)的前和全角膜像差，并可以模擬白天、黃昏和晚上3種不同照明環(huán)境,同時(shí)測量該背景光強(qiáng)度下的瞳孔直徑[14-15]，適合用于本項(xiàng)研究。

Namba等[16]認(rèn)為4.0mm瞳孔直徑下全角膜與前角膜HOA均與年齡無線性關(guān)系。在本研究中，4.0mm瞳孔直徑下，理論前高階與年齡無線性關(guān)系，與之前研究一致，而理論全高階則隨年齡增長呈升高趨勢；在實(shí)際瞳孔直徑下，全角膜和前角膜實(shí)測HOA值趨勢一致，均隨年齡的增長而減小。若對所有患者均使用4.0mm固定值來評估HOA存在誤差，會影響到人工晶狀體選擇方案的制訂。Kemraz等[17]認(rèn)為基于Pentacam三維眼前節(jié)分析儀測得的HOAs在4.0mm瞳孔區(qū)域下均值為+0.141±0.075μm，且年齡越大，4.0mm-HOAs值也越大。而我們發(fā)現(xiàn)各年齡段4.0mm理論HOAs均高于其測得均值，可能與設(shè)備工作原理不同有關(guān)，無論是全角膜HOA還是前角膜HOA，在60歲以上人群，根據(jù)實(shí)際瞳孔直徑所得實(shí)測HOA值顯著低于4.0mm瞳孔直徑所得理論HOA值，年齡越大，其實(shí)測高階值越小，這與高年齡人群擬明環(huán)境下實(shí)測瞳孔<4.0mm有關(guān)。進(jìn)一步說明針對這些人群若仍使用4.0mm瞳孔直徑下HOA值選擇MIOL類型，將造成最終術(shù)后全眼像差與預(yù)期不符。

角膜前表面生物參數(shù)的測量是將角膜表面模擬為一個(gè)二維面薄透鏡進(jìn)行分析，而真實(shí)的角膜是呈前、后表面雙曲面形態(tài)并有一定厚度，是作為一個(gè)厚透鏡存在。不僅僅角膜前表面會影響光學(xué)折射，后表面同樣也會對折射產(chǎn)生影響，繼而對像差產(chǎn)生影響，故采用全角膜參數(shù)比單純使用前表面參數(shù)更接近真實(shí)狀態(tài)。既往認(rèn)為大多數(shù)情況下角膜前表面像差可以代表角膜全表面像差。而我們發(fā)現(xiàn)在老年人群，實(shí)測全高階顯著高于實(shí)測前高階，即使在4.0mm瞳孔直徑下，全角膜高階與前角膜高階在部分年齡段也存在差異。故在臨床實(shí)踐中，前角膜HOA不能代替全角膜HOA，在白內(nèi)障高發(fā)的老年人群中尤其如此。

Kemraz等[17]發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)人(96.13%)4.0mm-HOAs值≤0.3μm，我們的結(jié)果與之類似。在青年和中年人群中，全、前角膜實(shí)測高階≥0.3μm的占比均略高于理論高階的占比，但兩者無差異，在老年人群中，雖然實(shí)測HOA≥0.3μm的占比顯著低于理論HOA值的占比，但兩者在全角膜有顯著差異，在前角膜則無差異。這些結(jié)果提示在全角膜實(shí)測數(shù)據(jù)下原本有部分被認(rèn)為需要慎重選擇植入MIOL的年齡相關(guān)性白內(nèi)障患者是可以符合選擇條件的，前角膜高階不能代替全角膜高階，應(yīng)以實(shí)測全角膜HOA值為參考值。

綜上，因?qū)崪y和理論瞳孔差異造成的全角膜高階、前角膜像差差異主要存在60～79歲，其正是白內(nèi)障的高發(fā)人群，此年齡段樣本人群實(shí)際瞳孔直徑均小于4.0mm，瞳孔差異會造成部分原本可以選擇MIOL的患者被排除出適應(yīng)范圍，故不適合以4.0mm作為默認(rèn)瞳孔直徑參數(shù)。即使在相同的瞳孔直徑下，全角膜高階和前角膜HOA數(shù)據(jù)也存在差異。故我們推薦使用實(shí)測瞳孔直徑下的全角膜HOA值作為選擇MIOL的類型的依據(jù)。當(dāng)然，在HOA檢測中可能還存在Kappa角、瞳孔中心位移、瞳孔規(guī)則性等因素的影響，這些尚需進(jìn)一步的研究來明確。