人眼像差補(bǔ)償特性與視覺(jué)質(zhì)量的關(guān)系

趙新恒 綜述 王雁 張琳 審校

天津市眼科醫(yī)院 南開(kāi)大學(xué)附屬眼科醫(yī)院 天津醫(yī)科大學(xué)眼科臨床學(xué)院 天津市眼科研究所 天津市眼科學(xué)與視覺(jué)科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300020

通信作者：王雁，Email：wangyan7143@vip.sina.com

人眼是一個(gè)精密的光學(xué)系統(tǒng)，但其并不完美。近年來(lái)，角膜屈光手術(shù)、人工晶狀體植入術(shù)等手術(shù)日益廣泛開(kāi)展，極大程度提高了視覺(jué)效果，視覺(jué)質(zhì)量更加受到重視。視覺(jué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)分為客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)。波前像差是一種客觀視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)手段，可以較好地反映視網(wǎng)膜成像的清晰程度。全眼像差包括角膜像差和眼內(nèi)像差。大量研究表明，角膜像差與眼內(nèi)像差之間存在相互補(bǔ)償，因此全眼像差通常小于角膜像差。最新研究發(fā)現(xiàn)，不同像差項(xiàng)之間以及人眼像差與神經(jīng)系統(tǒng)之間也存在一定的補(bǔ)償。人眼像差的補(bǔ)償特性使人眼成像自我優(yōu)化，視覺(jué)質(zhì)量可以達(dá)到較高水平。個(gè)性化的視覺(jué)矯正必須考慮人眼的像差補(bǔ)償特性，人眼的像差補(bǔ)償特性對(duì)于視覺(jué)質(zhì)量的研究至關(guān)重要。本文就人眼像差補(bǔ)償特性與視覺(jué)質(zhì)量關(guān)系的研究進(jìn)展及意義進(jìn)行綜述。

1 人眼像差

波前像差是一個(gè)物理學(xué)概念，指光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際波陣面與理想波陣面之間的相位差。

近視人眼的低階像差占比較大，主要為離焦和像散，對(duì)于視覺(jué)質(zhì)量的影響較大，可使用框架眼鏡矯正。球差、彗差等高階像差由于占比較小，對(duì)于視覺(jué)質(zhì)量的影響較小，但在低階像差被矯正之后，高階像差占比增大，成為視覺(jué)質(zhì)量的限制因素[1]。同時(shí)矯正高階像差可以進(jìn)一步提高視覺(jué)質(zhì)量?；诓ㄇ跋癫钜曈X(jué)矯正技術(shù)的發(fā)展使通過(guò)個(gè)性化矯正高階像差從而提升視覺(jué)質(zhì)量成為可能[2]。應(yīng)用框架眼鏡、角膜接觸鏡、屈光手術(shù)、人工晶狀體植入術(shù)等或可同時(shí)矯正高階像差[3]。色像差也會(huì)對(duì)視覺(jué)質(zhì)量造成一定影響[4]，但其對(duì)視覺(jué)質(zhì)量的影響一般情況下小于單色像差。

Thibos等[5]研究發(fā)現(xiàn)正常人眼高階像差的均方根在零附近呈正態(tài)分布，只有球差在一正值附近呈正態(tài)分布。通常像差的均方根值越大則視覺(jué)質(zhì)量越差[6]。Applegate等[7]研究發(fā)現(xiàn)相同均方根值的澤尼克多項(xiàng)式金字塔中軸區(qū)的像差對(duì)于視覺(jué)質(zhì)量影響較大，如離焦、球差。方位角越大，對(duì)于視覺(jué)質(zhì)量的影響越小。近期Young等[8]研究發(fā)現(xiàn)，像差對(duì)于字母識(shí)別以及閱讀等不同視覺(jué)任務(wù)的影響程度不同。

人眼的角膜像差主要來(lái)源于角膜形態(tài)的不規(guī)則，角膜形態(tài)的改變會(huì)造成人眼高階像差較大幅度的改變[9-10]。角膜屈光手術(shù)后，各種原因可能導(dǎo)致角膜非球面性以及高階像差的改變，如傳統(tǒng)激光手術(shù)的余弦效應(yīng)和人眼生物力學(xué)的改變等[11]。也有研究發(fā)現(xiàn)，角膜屈光手術(shù)后中央和周邊角膜上皮重塑厚度不一致，也可能導(dǎo)致術(shù)后像差改變[12]。角膜屈光手術(shù)術(shù)中精準(zhǔn)的光學(xué)中心定位對(duì)于視覺(jué)矯正效果也相當(dāng)重要。

2 像差間協(xié)同效應(yīng)對(duì)視覺(jué)質(zhì)量的影響

一般認(rèn)為，降低像差到較低水平便可獲得較好的視覺(jué)質(zhì)量。但近期研究發(fā)現(xiàn)，有時(shí)候雖然像差量值不大，但視覺(jué)質(zhì)量仍然存在問(wèn)題[13]。像差水平較低時(shí)，均方根與視覺(jué)質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性下降，其原因可能是個(gè)體間視覺(jué)神經(jīng)傳導(dǎo)差異，也可能是視覺(jué)功能的臨床測(cè)量方法并不能在低像差水平表現(xiàn)出相應(yīng)的敏感性[14-15]。有研究發(fā)現(xiàn)，不同的像差相互組合且相互作用可能是造成低像差水平時(shí)視覺(jué)質(zhì)量差異的原因[16-17]。一種像差可以通過(guò)補(bǔ)償另一種像差從而提高成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，而有些像差項(xiàng)間相互疊加使成像質(zhì)量下降。Applegate等[18]研究發(fā)現(xiàn)在保持像差總均方根值不變的基礎(chǔ)上，不同像差組合對(duì)人眼視功能的影響存在差異，如一定量的球差與離焦產(chǎn)生相互作用，如果兩者符號(hào)相同，像差之間會(huì)相互補(bǔ)償，視覺(jué)質(zhì)量提高；當(dāng)兩者符號(hào)相反時(shí)，對(duì)視覺(jué)質(zhì)量的不利作用疊加，視覺(jué)質(zhì)量較差，說(shuō)明人眼各項(xiàng)像差之間存在較為復(fù)雜的耦合特性，呈現(xiàn)出非線性的補(bǔ)償或疊加效應(yīng)。屈光手術(shù)及人工晶狀體植入術(shù)等視覺(jué)矯正手術(shù)后人眼波前像差多處于較低水平，因此，對(duì)于低像差水平時(shí)像差與視覺(jué)敏感程度的關(guān)聯(lián)機(jī)制及像差間協(xié)同耦合效應(yīng)的研究或許是臨床上進(jìn)一步突破視覺(jué)極限的瓶頸。

近年來(lái)，隨著人眼波前像差檢查儀器和手段的成熟，以及激光角膜屈光手術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展，臨床上不僅能夠?qū)πg(shù)前和術(shù)后的低階和高階像差進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，而且手術(shù)系統(tǒng)的精度已能夠滿(mǎn)足對(duì)某些高階像差項(xiàng)進(jìn)行定量去除的要求。但由于人眼是典型的離軸自由曲面成像系統(tǒng)，根據(jù)矢量像差耦合理論，引入或消除某一項(xiàng)像差會(huì)對(duì)其他像差產(chǎn)生耦合效應(yīng)。雖然認(rèn)識(shí)到人眼像差特性及各項(xiàng)波像差間的耦合機(jī)制，但許多尚不明確，需要進(jìn)一步研究。

3 人眼不同結(jié)構(gòu)之間的補(bǔ)償關(guān)系

外界光線經(jīng)過(guò)淚膜、角膜、房水、瞳孔、晶狀體、玻璃體到達(dá)視網(wǎng)膜成像。各結(jié)構(gòu)光學(xué)平面的像差相互補(bǔ)償，全眼像差得以?xún)?yōu)化。補(bǔ)償因子目前已被用于評(píng)估角膜前、后表面像差的補(bǔ)償作用以及眼內(nèi)高階像差對(duì)于角膜高階像差的補(bǔ)償機(jī)制[19]，其計(jì)算公式為：補(bǔ)償因子=1-全眼像差/角膜像差。補(bǔ)償因子小于0說(shuō)明眼內(nèi)像差與角膜像差為疊加作用，補(bǔ)償因子大于0說(shuō)明眼內(nèi)像差與角膜像差為補(bǔ)償作用。

3.1 角膜前、后表面像差的補(bǔ)償關(guān)系

既往限于技術(shù)，只能依靠Placido盤(pán)采集角膜前表面形態(tài)數(shù)據(jù)獲得角膜像差。最近研究發(fā)現(xiàn)角膜后表面對(duì)于前表面的補(bǔ)償作用不可忽視。Scheimpflug等新型攝影技術(shù)可以拍攝得到角膜前、后表面的面型，從而計(jì)算得到角膜前、后表面的像差，為角膜前、后表面像差補(bǔ)償機(jī)制的研究提供了技術(shù)支持。角膜前、后表面是非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的自由曲面，角膜前、后表面像差會(huì)相互補(bǔ)償，補(bǔ)償關(guān)系受到分析區(qū)域、年齡、角膜屈光手術(shù)等的影響。

3.1.1分析區(qū)域?qū)悄で?、后表面補(bǔ)償關(guān)系的影響 角膜中央部的像差補(bǔ)償機(jī)制較明顯，而角膜周邊部前、后表面像差補(bǔ)償效果較弱[19]。每種像差前、后表面補(bǔ)償效果不一致，同一種像差在不同的分析區(qū)域下前、后表面補(bǔ)償效果也不同。李曉晶等[19]研究發(fā)現(xiàn)，2 mm直徑范圍內(nèi)角膜前、后表面的球差會(huì)發(fā)生疊加，而在6 mm直徑下分析，角膜前、后表面像差又表現(xiàn)為補(bǔ)償作用，這可能與角膜的非球面性有關(guān)[20]。2 mm直徑下角膜前、后表面彗差表現(xiàn)為補(bǔ)償作用，在大瞳孔時(shí)角膜前、后表面又表現(xiàn)為疊加作用。

3.1.2年齡對(duì)角膜前、后表面像差補(bǔ)償關(guān)系的影響 隨著年齡的增加，角膜形態(tài)會(huì)發(fā)生改變，角膜前、后表面的像差補(bǔ)償作用會(huì)減弱。Dubbelman等[21-22]研究發(fā)現(xiàn)，角膜前、后表面的非球面性會(huì)隨年齡發(fā)生明顯改變，20歲人角膜后表面彗差對(duì)前表面補(bǔ)償作用約為6%，隨年齡增加補(bǔ)償作用逐漸消失。球差的角膜前、后表面像差補(bǔ)償作用較明顯，白內(nèi)障摘除聯(lián)合人工晶狀體植入術(shù)晶狀體非球面性的選擇需考慮年齡對(duì)角膜前、后表面像差補(bǔ)償關(guān)系的影響。

3.1.3角膜屈光手術(shù)對(duì)角膜前、后表面像差補(bǔ)償關(guān)系的影響 由于角膜屈光手術(shù)對(duì)角膜進(jìn)行切削，角膜形態(tài)會(huì)發(fā)生改變，角膜前、后表面像差補(bǔ)償?shù)钠胶怅P(guān)系會(huì)受到影響，所以屈光手術(shù)容易給人眼引入高階像差[23]。對(duì)角膜前、后表面像差補(bǔ)償機(jī)制的深入研究有助于我們進(jìn)一步了解術(shù)后像差增加的機(jī)制，從而盡量避免像差引入，優(yōu)化人眼像差，使患者術(shù)后獲得更佳的視覺(jué)質(zhì)量。

3.2 角膜像差與眼內(nèi)像差的補(bǔ)償關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，全眼像差的均方根通常會(huì)小于角膜像差的均方根，因?yàn)檠蹆?nèi)像差會(huì)對(duì)角膜像差做出補(bǔ)償[24]。由于眼內(nèi)像差對(duì)于角膜像差補(bǔ)償?shù)拇嬖?，使人眼光學(xué)成像效果得到優(yōu)化，從而保證良好的視網(wǎng)膜成像質(zhì)量。

人眼角膜與眼內(nèi)像差的補(bǔ)償在不同項(xiàng)的像差表現(xiàn)不同。Kelly等[25]研究發(fā)現(xiàn)，人眼眼內(nèi)球差對(duì)角膜的正球差大多可以很好地補(bǔ)償[26]，但是彗差會(huì)由于人眼各光學(xué)元件相對(duì)位置的差異存在不同的補(bǔ)償關(guān)系。25～45歲人的晶狀體可以對(duì)角膜前表面像差起到較好的補(bǔ)償作用[27]，但是隨著年齡增長(zhǎng)，角膜前表面形態(tài)改變以及晶狀體的改變使像差的補(bǔ)償作用減弱，全眼像差增加，視覺(jué)質(zhì)量下降[28-29]。調(diào)節(jié)對(duì)于角膜像差和眼內(nèi)像差補(bǔ)償機(jī)制的影響仍需進(jìn)一步研究。

角膜接觸鏡、屈光手術(shù)以及人工晶狀體植入術(shù)均會(huì)改變眼內(nèi)像差與角膜像差之間的補(bǔ)償關(guān)系[30]。角膜地形圖和全眼波前像差引導(dǎo)的屈光手術(shù)目前均有開(kāi)展，但2種術(shù)式的選擇與優(yōu)勢(shì)存在爭(zhēng)議[31-33]。有研究認(rèn)為角膜形態(tài)存在較大的不規(guī)則性從而影響視覺(jué)質(zhì)量時(shí)可以選擇角膜地形圖引導(dǎo)的屈光手術(shù)[32,34]，全眼像差較大時(shí)可以考慮全眼波前像差引導(dǎo)的屈光手術(shù)，但要結(jié)合具體情況進(jìn)一步分析。人工晶狀體植入術(shù)必須考慮眼內(nèi)像差和角膜像差的補(bǔ)償關(guān)系，通常用帶有負(fù)球差的人工晶狀體補(bǔ)償角膜的正球差。目前普遍認(rèn)為，人群中角膜像差的個(gè)體差異較大[35]，應(yīng)根據(jù)角膜球差量值個(gè)性化選擇人工晶狀體的非球面性。角膜接觸鏡可以通過(guò)淚液透鏡較好地矯正角膜前表面像差[36]，而對(duì)眼內(nèi)像差不起作用。了解角膜像差與全眼像差的補(bǔ)償關(guān)系對(duì)于角膜接觸鏡的驗(yàn)配也具有指導(dǎo)意義。

4 全眼像差與神經(jīng)系統(tǒng)的補(bǔ)償關(guān)系

主觀視覺(jué)質(zhì)量與視網(wǎng)膜成像質(zhì)量并不完全一致。Chen等[37]研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)系統(tǒng)可以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的視網(wǎng)膜成像做出補(bǔ)償和處理，從而使視覺(jué)感受取得最佳效果。Artal等[38]研究發(fā)現(xiàn)，僅將像差面旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)質(zhì)量的改變，一定程度上證明了神經(jīng)系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)的補(bǔ)償關(guān)系。Sabesan等[39]研究證明了圓錐角膜患者可以通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)補(bǔ)償長(zhǎng)期存在的像差，從而減少角膜形態(tài)不規(guī)則對(duì)于主觀視覺(jué)質(zhì)量的影響。Rouger等[40]近期研究發(fā)現(xiàn)，圓錐角膜患者的神經(jīng)系統(tǒng)補(bǔ)償可提高完成日常需要的視覺(jué)任務(wù)的能力，如精細(xì)閱讀的能力。Sabesan等[41]研究發(fā)現(xiàn)，矯正圓錐角膜患者的高階像差后并不能立即使患者獲得較高的主觀視覺(jué)質(zhì)量，原因可能是神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)期存在的像差產(chǎn)生補(bǔ)償適應(yīng)。

神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)并在大腦視覺(jué)中樞進(jìn)行分析處理，最終人腦產(chǎn)生對(duì)外界的主觀視覺(jué)感受，神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于視網(wǎng)膜像的處理能力所產(chǎn)生的對(duì)主觀視覺(jué)質(zhì)量的影響不可忽略。通過(guò)對(duì)比敏感度與調(diào)制傳遞函數(shù)計(jì)算得到的神經(jīng)對(duì)比敏感度可以較好地描述神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于主觀視覺(jué)質(zhì)量的作用[42]。單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)難以評(píng)價(jià)不同視覺(jué)環(huán)境下的視覺(jué)表現(xiàn)，不同視覺(jué)任務(wù)需要不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

Charman等[43]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)全眼像差進(jìn)行矯正后，雖然高階像差維持在一個(gè)較低水平，但是仍然難以使其達(dá)到較好的自然人眼水平。由于神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于人眼光學(xué)系統(tǒng)的補(bǔ)償作用，我們需要一種新的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)估視覺(jué)質(zhì)量[44]，不宜僅單純地用物理光學(xué)中光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)表示[38]。在進(jìn)行屈光手術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及用角膜接觸鏡矯正高階像差時(shí)需要考慮神經(jīng)系統(tǒng)的補(bǔ)償作用[30,41]。

隨著近些年對(duì)于視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不斷加深，通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)提高視覺(jué)質(zhì)量有著較大的應(yīng)用潛力。人腦視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于視網(wǎng)膜圖像的感知處理能力尚不明確，需要進(jìn)一步研究視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于像差的補(bǔ)償作用，以及眩光、光暈、低對(duì)比度視力下降等視覺(jué)缺陷與神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系，從而對(duì)臨床視覺(jué)矯正做出指導(dǎo)。

5 展望

隨著對(duì)人眼像差認(rèn)識(shí)的深入，光學(xué)矯正的理念不斷更新。未來(lái)在深入研究及大量循證醫(yī)學(xué)證實(shí)之后或許可以根據(jù)各像差之間、人眼不同結(jié)構(gòu)之間以及神經(jīng)系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)之間的補(bǔ)償特性對(duì)像差進(jìn)行更加個(gè)性化地矯正，通過(guò)矯正設(shè)計(jì)的優(yōu)化使患者獲得最佳的視覺(jué)質(zhì)量。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突