不同像差分析設備對白內障患者角膜高階像差測量的比較

高奕晨 楊軍 蔣元豐 李美薩 林松 田芳

作者單位：天津醫(yī)科大學眼科醫(yī)院 眼視光學院 眼科研究所，國家眼耳鼻喉疾病臨床醫(yī)學研究中心天津市分中心，天津市視網(wǎng)膜功能與疾病重點實驗室，天津 300384

波前像差是影響視網(wǎng)膜成像的關鍵光學因素之一，其中高階像差（Higher-order aberrations，HOAs）對視覺質量有重要影響[1]，HOAs已逐漸在角膜屈光手術、角膜移植術、屈光白內障手術等術前規(guī)劃及術后視覺質量分析中得到重視和應用[2-4]。HOAs的準確測量和分析對指導個性化人工晶狀體（IOL）的選擇，引導屈光白內障手術，進而減少術后眩光、對比敏感度下降等癥狀有重要的臨床意義。

超聲乳化白內障吸除聯(lián)合IOL植入術后患者的HOAs主要來自角膜。因此，術前測量角膜HOAs對于預測和矯正至關重要。目前臨床中可測量角膜HOAs的設備眾多，如像差儀、角膜地形圖儀、眼前節(jié)相干光層析成像儀等，以往已有較多研究比較了不同設備對不同人群間HOAs測量結果的相關性。但對目前臨床上的較新設備（如眼前節(jié)光學相干斷層掃描分析儀CASIA2或最新一代屈光分析儀OPD-ScanⅢ）之間的比較研究鮮見報道。因此，本研究旨在對OPD-ScanⅢ、CASIA2 與臨床常用HOAs的測量設備iTrace、Pentacam進行比較，分析4 種設備測量角膜HOAs的差異性、相關性及一致性，以期為臨床上基于角膜光學特性的IOL優(yōu)選提供更多參考依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象

納入標準：①確診為白內障的患者；②既往無眼部手術史；③固視正常，能順利配合完成各項術前檢查。排除標準：①患有圓錐角膜、角膜營養(yǎng)不良、角膜變性、翼狀胬肉等角結膜疾病的患者；②患有嚴重干眼的患者；③合并青光眼、葡萄膜炎、眼底出血等其他眼部疾病的患者；④近期配戴角膜接觸鏡的患者。

納入2021年5—8月在天津醫(yī)科大學眼科醫(yī)院白內障科進行常規(guī)白內障術前檢查的白內障患者123例（123眼），其中右眼63例，左眼60例，男46例（46眼），女77例（77眼），年齡33～91（69.1±8.6）歲。本研究遵循赫爾辛基宣言。通過天津醫(yī)科大學眼科醫(yī)院倫理委員會批準，批號：2021KY（L）-11，并在檢查前獲得患者知情同意。

1.2 檢測設備

1.2.1 新一代屈光分析儀OPD-ScanⅢ OPDScanⅢ（日本Nidek公司）是一種結合視網(wǎng)膜檢影原理及Placido環(huán)原理進行測量的多功能設備，可進行角膜地形圖、波前像差、屈光不正度及視覺質量等檢測。其利用Placido環(huán)投影到角膜上，接收器接收后測量各環(huán)間距離，并采用Zernike多項式進行分析得出角膜波前像差[5]。本研究采用升級后最新一代OPD-ScanⅢ測量并分析。

1.2.2 眼前節(jié)光學相干斷層掃描分析儀CASIA2 CASIA2（日本Tomey公司）是一種基于光干涉原理的掃頻源眼前節(jié)光學相干斷層掃描分析儀，利用波長為1 310 nm的紅外光，掃描深度可達13 mm，掃描寬度達16 mm，掃描速度為50 000次/s A掃描，測量速度為0.3 s。對掃描得到的16張子午線斷層圖進行疊加三維分析，得出角膜地形圖及角膜波前像差結果[6]。

1.2.3 像差儀iTrace iTrace（美國Tracey公司）是基于光線追蹤原理及Placido環(huán)原理的波前像差儀，系統(tǒng)將256束近紅外光依次投射到被檢者眼中，這些光束的投射范圍由瞳孔尺寸決定，每個光點的位置被接收器檢測到并計算得到全眼像差；同時利用26個Placido環(huán)，測量9 360個數(shù)據(jù)點，進行角膜地形圖及角膜像差的測量[7-8]。

1.2.4 三維眼前節(jié)分析儀Pentacam Pentacam（德國Oculus公司）是基于Scheimpflug光學原理的三維眼前節(jié)診斷分析系統(tǒng)，利用475 nm波長的藍光進行360°旋轉攝像，可在2 s內完成25或50張眼前節(jié)裂隙圖像的采集，測量出多達25 000個角膜高度數(shù)據(jù)點進行三維重建和計算分析，得到角膜像差結果[9]。

1.3 檢測方法

4種設備均在暗室中操作，測量順序隨機。被檢者在自然瞳孔狀態(tài)下正坐于設備前，下頜置于頜托上，額部頂住額托，瞬目后盡量睜大雙眼注視設備內部指示燈，操作者立即根據(jù)設備屏幕提示方向手動對焦，設備自動進行掃描，檢測過程中避免再次眨眼。Pentacam、OPD-ScanⅢ和CASIA2選取成像質量為OK的測量結果進行統(tǒng)計分析；iTrace需對拒絕點及Placido環(huán)質量進行分析篩選，選取成像質量合格的測量結果進行統(tǒng)計。檢查前對技師進行相關培訓，確保操作無誤，由2位經(jīng)驗豐富的初級技師獨立完成測量操作，所有患者僅納入單眼檢查結果。4種像差分析設備對角膜像差測量間的異同見表1。

1.4 觀察指標

本研究分析4 種設備測量以角膜頂點為中心4 mm直徑下的角膜tHOA及6 mm直徑下的角膜SA間的差異性和一致性，所有結果均通過設備內置軟件自動進行分析計算，以像差的均方根（Root mean square，RMS）值表示。

1.5 統(tǒng)計學方法

系列病例研究。采用SPSS 20.0 和MedCalc15.8對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。經(jīng)Kolmogorov-Smirnov檢驗確定數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以表示，采用兩因素方差分析和Pearson相關分析比較測量值的差異性和相關性，若總體差異有統(tǒng)計學意義，再進一步行Bonferroni法兩兩比較任意2 組之間的差異；非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以M（Q1，Q3）表示，采用Friedman檢驗和Spearman相關分析比較測量值的差異性和相關性，若總體差異有統(tǒng)計學意義，再分析兩兩比較結果。不同設備間測量角膜tHOA及角膜球面像差（Spherical aberration，SA）的一致性評價采用Bland-Altman分析。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

表1. 4種像差分析設備測量角膜像差情況Table 1. Measurement of corneal aberration by four aberration analysis devices

2 結果

2.1 4種設備測量角膜SA的比較

在角膜SA測量結果中，Pentacam測量時有1 例（0.8%）結果為負值；CASIA2 測量時有3 例（2.4%）結果為負值；其余設備測量結果無負值。4種設備測得的角膜SA結果均符合正態(tài)分布，總體差異有統(tǒng)計學意義（F=114.72，P＜0.001），進一步兩兩比較結果顯示，iTrace測得的角膜SA與OPDScanⅢ、CASIA2測得的角膜SA差異均無統(tǒng)計學意義（P=0.381、1.000），其余各設備間測量結果差異均有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05）。見表2。

2.2 4種設備測量角膜tHOA的比較

4種設備測得的角膜tHOA不符合正態(tài)分布，總體差異有統(tǒng)計學意義（Z=134.79，P＜0.001）。進一步兩兩比較結果顯示，OPD-ScanⅢ和iTrace測得的角膜tHOA差異無統(tǒng)計學意義（P=0.474），CASIA2和Pentacam測得的角膜tHOA差異無統(tǒng)計學意義（P=0.941）。iTrace和OPD-ScanⅢ測得的角膜tHOA結果均小于Pentacam和CASIA2結果（均P＜0.001）。見表2。

2.3 4種設備測量角膜tHOA及角膜SA的相關性

相關性分析顯示，iTrace與Pentacam、OPDScanⅢ、CASIA2 測得的角膜tHOA均存在相關性（r=0.44、0.69、0.56，均P＜0.001）。Pentacam分別與OPD-ScanⅢ、CASIA2 測得的角膜tHOA存在弱相關性（r=0.32、0.27，均P＜0.001）。iTrace與Pentacam、OPD-ScanⅢ、CASIA2 測得的角膜SA均存在相關性（r=0.52、0.68、0.46，均P＜0.001）。Pentacam分別與OPD-ScanⅢ、CASIA2測得的角膜SA存在相關性（r=0.63、0.53，均P＜0.001）。OPDScanⅢ與CASIA2測得的角膜tHOA及角膜SA均存在相關性（r=0.53、0.59，均P＜0.001）。

2.4 4種設備測量角膜tHOA和角膜SA的一致性

通過Bland-Altman分析可見，iTrace與OPDScanⅢ測量角膜tHOA和角膜SA的95%一致性界限（95% limits of agreement，95%LoA）分別為-0.11～0.09、-0.15～0.12，均顯示臨床可接受的一致性，4.07%～5.69%的測量值在95%LoA外；其余設備測量的結果間95%LoA較寬，3.25%～7.32%的測量值在95%LoA外，一致性較差。見表3。

由圖1可見，iTrace與OPD-ScanⅢ、Pentacam與CASIA2 測量角膜tHOA的差異均值線接近于0線，iTrace與Pentacam測量角膜tHOA的差異均值線與0距離最遠。由圖2可見，iTrace與OPD-ScanⅢ、iTrace與CASIA2、OPD-ScanⅢ與CASIA2 測量角膜SA的差異均值線接近于0。

表2. 4種像差分析設備測量白內障患者角膜tHOA和角膜SA結果Table 2. Comparison of corneal tHOA and corneal SA in cataract patients measured by four aberration analysis devices

3 討論

波前像差指光線通過實際眼的光學元件后形成的波陣面與理想波陣面之間的光程差，包括低階像差和HOAs，角膜HOAs是人眼像差中最主要的成分[10]。白內障術后角膜HOAs的存在可使視網(wǎng)膜成像發(fā)生畸變，降低成像對比度[11]，使患者感到視物模糊、夜視力差、眩光等，從而降低視覺質量。因此，術前角膜HOAs的精準測量是白內障屈光手術需要考慮的重要因素。白內障醫(yī)師可根據(jù)患者角膜SA、角膜不規(guī)則散光情況，優(yōu)選功能型IOL，提高術后視覺質量[12]。

表3. 4種設備測量白內障患者角膜tHOA和角膜SA的一致性Table 3. Agreement of corneal tHOA and corneal SA in cataract patients measured by four devices

圖1. 4種設備測量白內障患者角膜tHOA一致性的Bland-Altman圖 (123眼)A：iTrace與Pentacam；B：iTrace與OPD-ScanⅢ；C：iTrace與CASIA2；D：Pentacam與OPD-ScanⅢ；E：Pentacam與CASIA2；F：OPD-ScanⅢ與CASIA2。實線表示差值的平均值，虛線表示95%一致性界限Figure 1. Bland-Altman plot of corneal tHOA consistency measured by four devices (123 eyes)A: iTrace and Pentacam;B: iTrace and OPD-ScanⅢ;C: iTrace and CASIA2;D: Pentacam and OPD-ScanⅢ;E: Pentacam and CASIA2;F: OPD-ScanⅢ and CASIA2.The solid line represents the mean of the difference,and the dashed line represents the 95% limits of agreement.tHOA,total higher-order aberration.

圖2. 4種設備測量白內障患者角膜SA一致性的Bland-Altman圖 (123眼)A：iTrace與Pentacam；B：iTrace與OPD-ScanⅢ；C：iTrace與CASIA2；D：Pentacam與OPD-ScanⅢ；E：Pentacam與CASIA2；F：OPD-ScanⅢ與CASIA2。實線表示差值的平均值，虛線表示95%一致性界限Figure 2. Bland-Altman plot of corneal SA consistency measured by four devices (123 eyes)A: iTrace and Pentacam;B: iTrace and OPD-ScanⅢ;C: iTrace and CASIA2;D: Pentacam and OPD-ScanⅢ;E: Pentacam and CASIA2;F: OPD-ScanⅢ and CASIA2.The solid line represents the mean of the difference,and the dashed line represents the 95% limits of agreement.SA,spherical aberration.

目前能對角膜HOAs測量的設備較多，臨床上選擇多元化，但不同設備測得的角膜HOAs結果可能存在差異。iTrace與Pentacam的臨床應用已日漸成熟，CASIA2作為近幾年推出的新型眼前節(jié)光學相干斷層掃描分析儀，已有較多白內障術前或術后IOL偏心、傾斜的相關研究[13-14]，但在HOAs測量方面研究鮮見報道。近年來，OPD-Scan由第一代逐步改良，至今已推出最新一代OPD-ScanⅢ，該設備測量HOAs的結果與臨床常用設備間的相關性有待探究。因此，本研究通過比較4種設備測量白內障患者角膜HOAs的差異性及一致性，為臨床應用的選擇提供參考依據(jù)。

有研究發(fā)現(xiàn)暗視覺環(huán)境及普通明視覺環(huán)境下人眼瞳孔直徑分別為（5.35±0.84）mm 和（3.33±0.74）mm[15]，因此本研究對6 mm以下角膜SA及4 mm以下角膜tHOA的測量結果進行探究。本研究對123 例白內障患者角膜tHOA測量結果進行比較，發(fā)現(xiàn)Pentacam與CASIA2測量的角膜tHOA結果差異無統(tǒng)計學意義，且均大于iTrace與OPDScanⅢ的測量值。Hao等[16]應用iTrace與KR-1W對40例年齡為（26.5±4.5）歲的年輕人進行測量發(fā)現(xiàn)，iTrace測量4 mm下角膜tHOA結果為（0.137±0.046）μm，比本研究中iTrace測量結果的（0.181±0.081）μm略小。Namba等[17]提出，成年后的HOAs隨著年齡的增加而逐年增加，本研究病例年齡較Hao等[16]的病例年齡大，角膜tHOA測量差異可能與測量人群年齡不同有關。但在使用同一種儀器對年齡近似的不同地區(qū)人群測量比較后，結果也可能出現(xiàn)差異，He等[18]使用Pentacam測量126例（65.9±10.2）歲的年齡相關性白內障患者4 mm下全角膜tHOA，測量結果接近0.2 μm，略小于本研究的Pentacam結果，這可能與樣本量不同及個體差異較大有關。

有研究顯示，角膜HOAs中SA、彗差及三葉草像差對白內障術后視覺質量的影響較大[19]。角膜SA是目前臨床上唯一可以通過植入非球面IOL矯正的高階像差，Liao等[20]采用前瞻性研究方法比較了非球面IOL與球面IOL植入術后患者全眼HOAs及視覺質量評估結果，發(fā)現(xiàn)植入非球面IOL的患者術后全眼SA較植入球面IOL的患者低，并且客觀視覺質量分析結果較植入球面IOL的患者好。本研究對以角膜頂點為中心6 mm直徑下的角膜SA結果進行比較，發(fā)現(xiàn)Pentacam的測量結果大于其他3種設備的測量結果（P＜0.05），但iTrace與CASIA2、iTrace與OPD-ScanⅢ測量結果差異無統(tǒng)計學意義。邢曉杰等[21]應用iTrace檢測了625例（71.2±8.0）歲的年齡相關性白內障患者6 mm下角膜SA，測量結果中位數(shù)為0.275 μm，與本研究結果一致。Zhang等[22]研究發(fā)現(xiàn)青少年人群中角膜前后表面SA有補償作用，并且全角膜及角膜前表面SA與年齡呈正相關。本研究中分析的老年人群角膜SA結果均大于Zhang等[22]的相關結果，符合Zhang等[22]的觀點。除此之外，有研究者測量326例年齡相關性白內障患者，發(fā)現(xiàn)存在2.15%的負角膜SA[23]，與本研究中CASIA2的測量結果相似。

另外，本研究中4 種設備測量的角膜tHOA及角膜SA差異可能與測量范圍和計算方法不同有關。iTrace與OPD-ScanⅢ僅分析角膜前表面tHOA及SA結果，而CASIA2僅分析全角膜tHOA及SA結果。Pentacam可根據(jù)需要手動選擇測量范圍，分析全角膜、角膜前表面或角膜后表面波前像差的結果，本研究選擇Pentacam分析全角膜tHOA及SA結果。本研究發(fā)現(xiàn)全角膜tHOA結果均高于角膜前表面tHOA結果，角膜前后表面可能存在疊加作用，提示角膜后表面對角膜tHOA影響不可忽略。同時，iTrace分析計算8階內的tHOA及4階SA（Z4，0）結果，Pentacam分析計算6階內的tHOA及4階SA（Z4，0）結果，OPD-ScanⅢ分析計算6 階內的tHOA及6 階內總SA[包括初級球差（Z4，0）和次級球差（Z6，0）結果]，而CASIA2的具體計算方法尚未知，計算方法不同也可導致測量結果間的差異。

4種設備中，iTrace與OPD-ScanⅢ測得的角膜tHOA及角膜SA有較強相關性及臨床可接受的一致性，提示iTrace與OPD-ScanⅢ的測量值在臨床中可相互參考，但角膜SA一致性分析結果中有7例（5.69%）在95%LoA外，提示即便一致性較好，2 種設備的臨床替代使用仍需謹慎。Bland-Altman一致性分析圖顯示，iTrace與Pentacam、iTrace與CASIA2 測量角膜SA之間的差異隨像差的增大呈由正到負的線性趨勢，Pentacam與OPD-ScanⅢ測量角膜SA之間的差異隨像差的增大呈由負到正的線性趨勢，提示Pentacam或CASIA2可能對于大角膜SA的測量敏感度較OPD-ScanⅢ或iTrace高，其原因可能與角膜后表面SA對全角膜SA的影響有關，具體原理有待探究證實。

對HOAs分析的準確性還與測量設備的重復性、被檢者淚膜穩(wěn)定性及配合程度有關。OPDScanⅢ、Pentacam及iTrace對HOAs測量的重復性已被研究報道[5,7,24]，并在臨床中較為常用[25-26]，而目前關于CASIA2的相關研究鮮見報道，有待未來進一步探討。應用已有的掃頻源眼前節(jié)光學相干斷層掃描分析設備ANTERION SS-OCT研究發(fā)現(xiàn)，其測量HOAs重復性較好[27]。本研究測量過程中均對成像質量進行檢測，并且所有被檢者配合良好，結合以往設備重復性研究結果認為測量誤差較小。研究發(fā)現(xiàn)，角膜HOAs存在雙眼對稱性[28]，為避免因使用同一被檢者的雙眼檢測結果影響統(tǒng)計結果，本研究僅使用單眼數(shù)據(jù)。人眼的視覺質量可受淚膜的影響，干眼患者2 次瞬目期間淚膜不斷波動，進而影響HOAs[29]。為盡量減少淚膜波動的影響，本研究排除嚴重干眼患者，被檢者被囑瞬目2～3次后迅速測量，以確保結果的質量。

本研究僅對比了4 mm范圍的角膜tHOA及6 mm范圍的角膜SA測量結果，不涉及其他測量范圍或波前像差的比較，今后可增加樣本量及測量參數(shù)，對更多波前像差結果進行比較。

不同生物測量設備可因設備原理、計算方法等因素導致測量結果間產(chǎn)生差異，本研究對iTrace、Pentacam、OPD-ScanⅢ和CASIA2測量白內障患者術前角膜tHOA及角膜SA的差異性與一致性進行分析，發(fā)現(xiàn)iTrace與OPD-ScanⅢ測量的角膜tHOA和角膜SA結果無差異，一致性及相關性較好，提示臨床可對這2種設備結果互換，但由于個體差異性較大，需聯(lián)合參考更為妥當。其余幾種設備測量結果間存在一致性較差或差異性較大的問題，臨床中不建議互換，可依據(jù)不同設備測量優(yōu)勢對結果進行分析和取舍。

利益沖突申明本研究無任何利益沖突

作者貢獻聲明高奕晨：參與設計實驗，采集數(shù)據(jù)、收集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析，撰寫論文初稿。楊軍：參與實驗設計及數(shù)據(jù)分析。蔣元豐：指導分析及解釋數(shù)據(jù)。李美薩、林松：參與數(shù)據(jù)采集。田芳：參與實驗總體設計，指導論文修改