角膜地形圖與調(diào)制傳遞函數(shù)測量SMILE矯治近視術后有效光學區(qū)的比較

侯杰 雷玉琳 饒豐 張靜 王雁

1濟南明水眼科醫(yī)院 250200；2常州工學院光電工程學院 213002；3天津市眼科醫(yī)院 天津市眼科學與視覺科學重點實驗室 天津市眼科研究所 天津醫(yī)科大學眼科臨床學院 南開大學附屬眼科醫(yī)院 300020

角膜屈光手術后視覺質(zhì)量降低的主要原因包括較小的激光切削區(qū)及手術源性像差的引入[1]。飛秒激光小切口基質(zhì)透鏡取出術(small incision lenticule extraction，SMILE)的臨床開展使角膜屈光手術走向了微創(chuàng)時代，使手術風險降低的同時，患者術后視覺質(zhì)量也得到進一步提升，但是仍有極少部分患者未達到術后預期效果，出現(xiàn)夜間視力下降、光暈、眩光等癥狀[2-4]。光學區(qū)作為激光切削前后提供功能性視覺的角膜表面區(qū)域，其大小直接影響著術后的視覺效果[5-6]。如何獲得較好的有效光學區(qū)(effective optical zone,EOZ)是手術質(zhì)量提升的關鍵因素。以往通常使用角膜地形圖或光線追跡原理的方法對傳統(tǒng)準分子激光角膜原位磨鑲術(laser in situ keratomileusis，LASIK)或表層手術后EOZ進行定義，但不同方法使用的設備、采集的閾值以及使用的參照點不同[7-13]，因此無法進行比較。目前尚缺乏使用不同方法測量SMILE術后EOZ的研究。本研究分別使用角膜地形圖和調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function,MTF)對SMILE術后EOZ進行測量，以探討其變化特征并對2種方法進行比較。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采用回顧性系列病例觀察研究，選取2015年12月至2017年7月于濟南明水眼科醫(yī)院接受SMILE手術的近視患者62例62眼作為研究對象，其中男34例34眼，女28例28眼；年齡18～36歲，平均(20.50±3.71)歲。術前球鏡度為-1.85～-8.25 D，平均(-4.89±1.45)D；柱鏡度為0～-0.50 D，平均(-0.31±0.29)D；等效球鏡度(spherical equivalent，SE)為-1.85～-8.63 D，平均(-5.05±1.48)D；中央角膜厚度(central corneal thickness，CCT)為484～590 μm，平均(538.65±29.07)μm；角膜平均曲率值(mean keratometric value，Km)為39.3～45.6 D，平均(42.90±1.36)D。納入標準：(1)年齡>18周歲；(2)近視球鏡度≤-10.00 D，柱鏡度≤-0.50 D；(3)手術前后角膜地形圖形態(tài)規(guī)則無異常；(4)淚液功能檢測顯示無嚴重干眼；(5)角膜透明，無云翳或斑翳；(6)術前軟性角膜接觸鏡停戴2周以上，硬性角膜接觸鏡停戴1個月以上，角膜塑形鏡停戴3個月以上。排除標準：(1)角膜瘢痕及不規(guī)則散光；(2)圓錐角膜或形態(tài)可疑的不對稱角膜；(3)角膜上皮粗糙；(4)嚴重干眼及眼部活動性炎癥患者。本研究方案經(jīng)濟南明水眼科醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準[批文號：(2015)倫理審查(013)號]，所有患者均自愿接受手術，并簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1常規(guī)檢查 所有患者術前均進行常規(guī)眼科檢查，包括裸眼視力、最佳矯正視力、電腦驗光及顯然驗光、眼壓測量、裂隙燈顯微鏡檢查、淚液功能檢查等。利用傅里葉眼前節(jié)OCT(RTVue，美國Optovue公司)“Pachymetry+Cpwr”掃描模式進行檢查，獲取CCT及中央角膜上皮厚度，每眼測量3次，取平均值。利用Pentacam眼前節(jié)分析系統(tǒng)(6.07r29，德國Oculus公司)進行角膜形態(tài)測量，選擇圖像質(zhì)量參數(shù)>95%、分析直徑>9 mm、瞳孔中心偏移量<0.3 mm且術前術后偏移量差值<0.1 mm的圖像進行數(shù)據(jù)處理，每眼測量3次，選取Km及非球面參數(shù)Q值進行統(tǒng)計分析，并計算術后6個月與術前Km和Q值的差值，分別記為ΔKm和ΔQ。

圖1 Pentacam術前及術后6個月切向曲率差異圖Figure 1 The tangential curvature gradient tomographic map by Pentacam before and 6 months after SMILE

圖2 角膜地形圖EOZ獲取示意圖 A：曲率差值圖上沿子午線獲取EOZ B：EOZ模式圖，(x，y)表示曲率差等于0 D時的坐標值Figure 2 The schematic image of the corneal tomographic EOZ A:EOZ measurement at different corneal meridians on the tangential curvature gradient tomographic map B:A concept image of the EOZ was showed,and the coordinates (x,y) represented the region where the curvature difference was equal to 0 D

圖3 角膜波前像差及不同瞳孔直徑下MTF值 A：角膜中央6 mm直徑范圍的波前像差 B：不同瞳孔直徑下的MTF值 MTF：調(diào)制傳遞函數(shù)Figure 3 Corneal wavefront aberration and MTF value at different pupil diametersA:Corneal wavefront aberrations at 6 mm pupil diameter B:MTF values at various pupil sizes MTF:modulation transfer function

圖4 MTF法EOZ的獲取 MTF閾值在0.2時對應的瞳孔直徑為該眼的EOZ MTF：調(diào)制傳遞函數(shù);*：有效光學區(qū)Figure 4 MTF method to determine EOZ The EOZ was defined as the pupil diameter corresponding to MTF value with a threshold of 0.2MTF:modulation transfer function;*:effective optical zone

1.2.3手術方法 所有手術均由同一手術經(jīng)驗豐富的醫(yī)師完成。術中常規(guī)消毒、鋪巾，鹽酸丙美卡因滴眼液(美國Alcon公司)進行表面麻醉，開瞼器開瞼，平衡鹽溶液沖洗結膜囊，并用三角海綿擦干角膜。應用VisuMax飛秒激光系統(tǒng)(德國Carl Zeiss公司)進行激光掃描。激光掃描頻率為500 kHz，能量為145 nJ，光學區(qū)為6.5 mm，角膜帽厚度為110 μm，直徑為7.5 mm，切口大小設置為3 mm，位于角膜上方，透鏡掃描點間距為3.0 μm，側切掃描點間距為2.5 μm。手術時囑患者注視指示燈，根據(jù)術眼角膜頂點進行準確中心定位后啟動負壓吸引，開始激光掃描，掃描順序為：(1)微透鏡下表面的掃描；(2)微透鏡側面切開掃描，即透鏡側切；(3)微透鏡上表面的掃描形成角膜帽；(4)角膜近周邊弧形掃描制作微切口。掃描完成后釋放負壓，轉至手術顯微鏡下使用分離器鈍性分離透鏡，并從切口處小心取出透鏡，結束手術。術后第1天起點用質(zhì)量分數(shù)0.5%左氧氟沙星滴眼液(日本參天制藥公司)每天4次，共7 d，點用質(zhì)量分數(shù)0.1%氟米龍滴眼液(日本參天制藥公司)每天4次，每周遞減1次，用藥共1個月后停藥。

1.3 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料的數(shù)據(jù)經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗證實呈正態(tài)分布，以mean±SD表示。采用克隆巴赫系數(shù)和組內(nèi)相關系數(shù)(intractass correlation coefficient，ICC)評估角膜地形圖曲率法測量數(shù)據(jù)的可重復性，采用Bland-Altman法分析2種方法測量值的一致性，采用配對t檢驗對2種方法測量的EOZ直徑差異、術后EOZ直徑與POZ之間的差異進行比較，采用獨立樣本t檢驗對不同屈光度組之間EOZ直徑進行比較，EOZ變化與其他參數(shù)的相關性采用Pearson相關分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 角膜曲率差異圖測量EOZ直徑的可重復性

使用角膜地形圖曲率差異圖測量EOZ的3次平均值結果差異無統(tǒng)計學意義(F=0.336，P=0.698)。角膜水平方向、垂直方向及各子午線方向EOZ直徑平均值的克隆巴赫系數(shù)和ICC均>0.9，說明測量結果可重復性較好(表1)。

表1 角膜地形圖曲率差異圖測量EOZ結果的可重復性(mean±SD,mm)Table 1 Repeatability of EOZ measurement with tangential curvature gradient tomographic map (mean±SD,mm)測量次數(shù)眼數(shù)水平方向EOZ垂直方向EOZ平均EOZ第1次625.38±0.345.28±0.385.34±0.31第2次625.42±0.385.27±0.445.33±0.37第3次625.43±0.445.31±0.485.34±0.38克隆巴赫系數(shù)0.9830.9340.972ICC0.9620.9390.92695%CI0.919-0.9850.855-0.9800.847-0.971 注:EOZ:有效光學區(qū);ICC:組內(nèi)相關系數(shù);CI:置信區(qū)間 Note:EOZ:effective optical zone;ICC:interclass correlation coefficient;CI:confidence interval

2.2 2種方法測量EOZ直徑的一致性比較

Bland-Altman分析結果顯示，角膜地形圖和MTF測量EOZ各差值的點均在差值平均線上下波動，95%的一致性界限為-0.49～0.89 μm。95.2%(59/62)的點落在95%的一致性界限內(nèi)，顯示2種方法具有良好的一致性(圖5)。

圖5 角膜地形圖與MTF測量EOZ直徑的一致性分析(Bland-Altman分析，n=62) 2種方法測量EOZ的95%一致性界限為-0.49～0.89 μm，95.2%(59/62)的點落在95%一致性界限內(nèi) EOZ：有效光學區(qū)Figure 5 The agreement of EOZ measurement between the corneal topography and MTF(Bland-Altman plot,n=62) The 95% limits of agreement was -0.49 to 0.89 μm,with 95.2% (59/62) plots within the 95% limits of agreement EOZ:effective optical zone

2.3 2種方法測量SMILE術后EOZ直徑比較

SMILE術后6個月，使用角膜曲率差異圖測得的平均EOZ直徑為(5.32±0.25)mm，較POZ縮小了(1.18±0.25)mm，約縮小18%。角膜水平子午線EOZ直徑為(5.39±0.38)mm，垂直子午線為(5.26±0.35)mm，水平方向較垂直方向EOZ直徑略大，且差異有統(tǒng)計學意義(t=-2.194，P=0.032)。使用光學質(zhì)量參數(shù)MTF法計算獲得的術后EOZ直徑為(5.07±0.32)mm，較角膜地形圖獲取的值偏小(0.20±0.35)mm，2種方法比較差異有統(tǒng)計學意義(t=-4.487，P<0.01)。

按照屈光度高低將患者進行分組后比較，使用角膜地形圖曲率差異圖測量法的患者，高度近視組(SE≥-6.00 D)術后EOZ直徑比中低度近視組(SE<-6.00 D)的EOZ直徑顯著偏小，差異有統(tǒng)計學意義(t=2.465，P=0.018)；而光學質(zhì)量參數(shù)MTF法在2個組中計算測得的術后EOZ直徑比較，差異無統(tǒng)計學意義(t=-0.227，P=0.822)(表2)。

表2 角膜地形圖和MTF測量不同屈光度SMILE術后EOZ直徑比較(mean±SD,mm)Table 2 Comparison of EOZ diameter measured by corneal topographic map and MTF method at different diopters after SMILE (mean±SD,mm)組別眼數(shù)角膜地形圖測量EOZ直徑MTF測量EOZ直徑中低度近視組405.37±0.245.06±0.35高度近視組225.22±0.245.08±0.26t值2.465-0.227P值0.0180.822 注:(獨立樣本t檢驗) MTF:調(diào)制傳遞函數(shù);SMILE:飛秒激光小切口基質(zhì)透鏡取出術;EOZ:有效光學區(qū) Note:(Independent-samples t test) MTF:modulation transfer function;SMILE:small incision lenticule extraction;EOZ:effective optical zone

2.4 EOZ直徑與手術參數(shù)的相關性分析

SMIIE術后切削深度、ΔKm、ΔQ值分別為(96.53±20.96)μm、(3.78±1.02)D和0.76±0.35。角膜地形圖和MTF法得出的手術后EOZ直徑與患者角膜厚度和切削深度均不相關(角膜厚度：r=0.121、0.101，均P>0.05；切削深度：r=0.171、0.088，均P>0.05)。角膜地形圖曲率差異圖測得的EOZ直徑與術前SE呈負相關(r=-0.364，P=0.004)，與ΔKm及ΔQ均呈正相關(r=0.367、0.514，均P<0.01)(圖6)。使用MTF法計算測得的EOZ直徑與屈光度及ΔQ均不相關(r=0.006、0.031，均P>0.05)。

圖6 EOZ直徑與術前SE、ΔKm、ΔQ的相關性分析(Pearson相關分析，n=62) A：EOZ與屈光度呈負相關(r=-0.364，P=0.004) B：EOZ與角膜曲率變化量呈正相關(r=0.367，P<0.01) C：EOZ與角膜非球面參數(shù)Q值的變化量呈正相關(r=0.514，P<0.01) EOZ：有效光學區(qū)；SE：等效球鏡度；ΔKm：角膜平均曲率變化量；ΔQ：Q值變化量Figure 6 Correlations between EOZ diameter and refraction,ΔKm value,ΔQ value(Pearson correlation analysis，n=62) A：A negative correlation was found between the EOZ and preoperative SE (r=-0.364,P=0.004) B：A positive correlation was found between the EOZ diameter and ΔKm (r=0.367,P<0.01) C：A positive correlation was found between EOZ diameter and ΔQ (r=0.514,P<0.01) EOZ:effective optical zone;SE:spherical equivalent;ΔKm:variation of mean keratometric value;ΔQ:variation of Q value

3 討論

角膜屈光手術的療效取決于術后屈光狀態(tài)、視覺質(zhì)量等是否達到了預期設計的效果，除了設備的穩(wěn)定性及手術方式的不同外，激光參數(shù)的設置和優(yōu)化是影響手術的關鍵因素之一。其中激光切削區(qū)是可以自由設置且是可以控制術后視覺質(zhì)量的參數(shù)[14]。通常情況下，切削區(qū)主要分為光學區(qū)和過渡區(qū)，光學區(qū)是用來進行屈光度矯正的區(qū)域，主要起光學成像作用，而過渡區(qū)主要起到光學區(qū)和非切削區(qū)之間的光滑過渡作用。當光學區(qū)偏小、瞳孔直徑超過光學區(qū)時，因為球差的增加，會導致術后視網(wǎng)膜成像質(zhì)量的降低，光學區(qū)偏大則需要切削更多的角膜組織，降低手術的安全性[15-17]。過渡區(qū)的大小與使用的設備、切削模式以及預矯正屈光度等因素有關，設計為大光學區(qū)且有過渡區(qū)的切削模式可以顯著抑制高階像差的增加，改善暗環(huán)境下視覺質(zhì)量。

EOZ是角膜中央像差最小且視覺質(zhì)量最好的區(qū)域[7-9,18]。角膜屈光術后獲得預期EOZ是取得良好視覺質(zhì)量的關鍵因素之一。目前，關于EOZ的測量并沒有特定的標準。

使用角膜地形圖直接測量光學區(qū)大小是一種較為直觀的方法。早期Partal等[10]利用前表面地形圖曲率最高點的顏色代表光學區(qū)邊界，利用內(nèi)部標尺測量水平和垂直方向的直徑。Holladay等[13]使用地形圖局部曲率圖，以色彩差異為0.5 D作為測量光學區(qū)的界限。以上方法的難點在于，根據(jù)色彩差異精確分辨切削區(qū)的邊緣會因為角膜微小的不規(guī)則或任何一個取值點的曲率差異影響界限的界定，從而導致較大誤差的產(chǎn)生。Racine等[11]使用Humphrey Atlas角膜地形圖的屈光力界面進行計算，通過在設備上移動光標進行定位替代色標表示方法，自瞳孔中心開始向周邊移動，在角膜曲率變化超過0.5 D的區(qū)域描繪出切削輪廓，對橢圓的直徑進行了測量。Tabernero等[9]通過對比不同方法測量的人眼光學區(qū)大小，指出根據(jù)角膜地形圖曲率計算EOZ的方法是最實際的。

本研究在Tabernero等[9]研究的基礎上，使用角膜地形圖切向曲率對EOZ的測量進行了新的嘗試，Pentacam角膜地形圖對角膜形態(tài),特別是角膜屈光手術后角膜曲率測量的重復性及精確性已得到眾多臨床研究驗證[19]。切向曲率又稱為瞬時曲率或局部曲率，是測量點處角膜的曲率，比軸向曲率更利于顯示角膜細微的變化或角膜表面形態(tài)細節(jié)的變化，特別適合描述角膜中周部及角膜屈光手術后的角膜局部形態(tài)變化[20]。本研究將術前、術后切向曲率變化為零的點作為EOZ的界限，并在各個子午線取值描繪出光學區(qū)輪廓。ICC越接近1說明隨機誤差與系統(tǒng)誤差越小，一般統(tǒng)計學認為當ICC>0.8時表示該測量工具的可重復性好，本研究經(jīng)過反復測量及重復性檢驗，ICC均在0.9以上，證實該方法具有較高的可重復性及精確度。

本研究結果顯示，SMILE手術后6個月角膜地形圖測得的平均EOZ直徑較POZ縮小。通過相關因素分析，術后EOZ直徑的縮小與角膜非球面性的變化直接相關，術后角膜較術前越扁平，形成的EOZ越小，原因可能與角膜形態(tài)變化越顯著，其引起的術后角膜傷口愈合反應越明顯有關。

EOZ與屈光度是否相關目前各研究結論存在分歧，早期Boxer Wachler等[7]和Nepomuceno等[8]的研究均發(fā)現(xiàn)術后EOZ直徑的降低與屈光度呈正相關，Partal等[10]對LASIK術后EOZ的相關研究則未發(fā)現(xiàn)其與屈光度存在相關性。Qian等[12]近期對SMILE手術的研究發(fā)現(xiàn)高度和低度近視之間EOZ直徑無相關性，但屈光度超過7.50 D的EOZ直徑較6.0～7.5 D的顯著偏小。本研究發(fā)現(xiàn)EOZ變化與屈光度存在負相關，即術前近視度數(shù)越高，術后的EOZ直徑越小。按照屈光度將患者進行分組后，高度近視組患者的術后EOZ直徑比中低度近視組顯著偏小。角膜屈光手術后因CCT變薄，導致角膜生物力學降低。術中取出組織越厚，術后角膜生物力學降低越顯著，周邊角膜的張力對中央?yún)^(qū)的牽拉作用越顯著[20-21]，推測這種變化可能是引起高度近視組EOZ偏小的主要原因。本研究發(fā)現(xiàn)EOZ與角膜非球面性的變化顯著相關，術后角膜越扁平，形成的EOZ越小，這可能是高度近視組EOZ更小的另一主要原因。然而，本研究納入的患者屈光度較為集中，缺乏屈光度過高及過低的樣本，因此尚需要更大樣本量及屈光度范圍的研究對EOZ與屈光度的關系進行驗證。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)SMILE術后垂直方向的EOZ直徑較水平方向偏小，考慮與手術切口設置在上方、術中在透鏡上方操作引起的術后局部曲率變化和傷口愈合等因素有關。

角膜曲率或高度等是與角膜形態(tài)直接相關的參數(shù)，而不是實際意義上的“功能性”或“有效性”。從光學角度來講，人眼的光學區(qū)是與角膜重疊入射瞳孔的大小，是通過角膜屈光在視網(wǎng)膜成像后角膜的一部分[22]。早期Boxer Wachler等[7]使用光線追跡原理測量LASIK術后通過角膜及瞳孔光柵的球差，然后使用數(shù)學計算的方法計算出視敏度，EOZ為當視力達到20/32時測得的手動可調(diào)節(jié)孔徑的直徑，結果顯示術后EOZ直徑較術前縮小了(1.20±0.67)mm。Tabernero等[9]使用角膜像差均方根和像差對應的MTF得到角膜EOZ直徑，將視敏度logMAR下降至0.2時測得的直徑作為角膜的EOZ進行計算，指出傳統(tǒng)LASIK術后EOZ直徑較術前下降了約1.8 mm。

本研究基于Tabernero等[9]的研究方法，在角膜平面進行EOZ測量的同時，還使用光學質(zhì)量參數(shù)MTF對EOZ進行了評估和計算。MTF通過物理光學的方法描述了不同空間頻率下物象對比度與光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的關系，反映了光學系統(tǒng)對不同空間頻率的傳遞能力，可用來評價視覺光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，通常情況下，MTF的測量不受人眼主觀意識的影響，因此，用它來評價人眼的成像質(zhì)量具有一定的客觀性和可靠性[23]。人眼MTF主要受瞳孔直徑和像差2個因素的影響，當有像差存在時，像差對MTF的作用更為明顯，瞳孔直徑越大，人眼的像差越大，MTF值越低[24]。MTF與角膜光學區(qū)域大小呈反比，隨著角膜光學區(qū)域的增大，人眼角膜的MTF會顯著降低[25]。臨床上將視力較20/20下降2行作為視覺質(zhì)量下降的臨界值，該視力對應的MTF值約為0.2。本研究中使用該方法計算的結果顯示，SMILE術后EOZ直徑為(5.11±0.25)mm，Qian等[12]使用光線追跡法測量的SMILE術后EOZ結果為(5.09±0.83)mm，與本研究結果相近。根據(jù)以往的研究結論，當人眼光學區(qū)域直徑大于8 mm時對視網(wǎng)膜成像質(zhì)量的影響可以忽略不計，直徑在6～8 mm時，像差會對成像質(zhì)量產(chǎn)生輕微影響，一旦直徑<6 mm，視網(wǎng)膜成像質(zhì)量將會顯著下降[13]。因此，瞳孔大小與光學區(qū)需合理匹配。推測SMILE術后實際EOZ偏小可能是術后部分患者出現(xiàn)夜間視覺質(zhì)量下降的主要原因之一。

本研究中光學質(zhì)量參數(shù)MTF法測得的EOZ直徑較角膜地形圖獲取的值偏小約(0.22±0.35)mm，但2種方法測量的術后EOZ縮小的趨勢一致。MTF測量法由角膜像差進行計算，從光學成像角度對人眼整個光學面的平整度進行評價，計算的結果嚴格意義上來講是瞳孔直徑對應的角膜光學區(qū)，術后高階像差的影響可能導致測量值偏低。而角膜地形圖研究的是角膜表面的形態(tài)變化，將角膜擬合為一個最佳球面后進行的形態(tài)學測量，并沒有考慮成像作用，但是該方法測量比較直觀且方法簡便，并具有良好的重復性。

綜上所述，在激光設備及手術方式進行改良的同時，相應的測量方法也要進行不斷地探索和改進，以便于更好地評價術后效果與最初預計值的一致性，從而為手術設計提供參考。本研究分別從形態(tài)學及光學角度對SMILE術后EOZ的測量進行研究，結果顯示2種方法得出的測量值具有良好的一致性，且使用切向曲率差異圖可以直觀地測量術后EOZ的大小，測量數(shù)值具有較好的重復性。SMILE術后EOZ的縮小與近視矯正術后角膜形態(tài)發(fā)生扁球形的變化有關，其具體機制仍需進一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在任何利益沖突