自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在眼科的應(yīng)用進(jìn)展

錢玖林 綜述 廖萱 蘭長(zhǎng)駿 審校

川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院眼科 川北醫(yī)學(xué)院眼視光醫(yī)學(xué)院，南充 637000

自1609年開始使用望遠(yuǎn)鏡觀察天體以來，研究者發(fā)現(xiàn)大氣湍流的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)使星像不斷抖動(dòng)，成像光斑的形狀也不斷變化。為使觀察更清晰和穩(wěn)定，自適應(yīng)光學(xué)(adaptive optics，AO)的概念在20世紀(jì)中葉應(yīng)運(yùn)而生。人眼是特殊的光學(xué)系統(tǒng)，一般的眼科成像設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)高分辨率眼底成像。利用AO技術(shù)可以動(dòng)態(tài)地校正人眼像差，獲得接近人眼衍射極限的高分辨率視網(wǎng)膜細(xì)胞圖像，有助于從細(xì)胞水平研究眼病的發(fā)病機(jī)制、做出早期診斷、評(píng)價(jià)干預(yù)效果，為視覺科學(xué)研究提供一種新的方法。1997年，Liang等首次將AO技術(shù)與眼底照相機(jī)結(jié)合后分辨率提高了2.7倍，使視網(wǎng)膜成像的橫向分辨率達(dá)2 μm左右，獲得了活體人眼視網(wǎng)膜單個(gè)細(xì)胞圖像。此后，AO應(yīng)用于眼科學(xué)領(lǐng)域的研究日益廣泛而深入。本文就AO技術(shù)在眼科中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1.AO技術(shù)原理

經(jīng)典的AO系統(tǒng)由傳感器、控制器和校正器組成，對(duì)光學(xué)波前像差進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、控制和校正。由于波前像差難以直接測(cè)量，所以AO系統(tǒng)中的波前傳感器先測(cè)量波前曲率或斜率，再利用波前復(fù)原計(jì)算法計(jì)算出波前相位，然后控制器把傳感器測(cè)得的波前畸變信息轉(zhuǎn)化成校正器的控制信號(hào)，校正器通過實(shí)時(shí)改變自身形狀從而校正波前像差。常見的波前校正器有變形反射鏡和液晶空間光調(diào)制器等。

近年發(fā)展起來的無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)(wavefront sensorless adaptive optics，WSLAO)將圖片成像質(zhì)量作為AO系統(tǒng)的傳感元件，基于特定的算法來計(jì)算最優(yōu)變形鏡命令，利用焦平面圖像的光強(qiáng)度信息精確地校正隨時(shí)間變化的像差。WSLAO省去了專用的波前傳感器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并降低了制作成本，可能對(duì)某些不適合用Hartmann-Shack傳感器測(cè)量像差的眼病，如白內(nèi)障具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.AO在眼科領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 AO與主客觀驗(yàn)光

利用AO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)波前像差進(jìn)行驗(yàn)光。西班牙Voptica公司的自適應(yīng)光學(xué)視覺模擬器Visual Adaptive Optics(VAO)集客觀與主覺驗(yàn)光于一體，通過Hartmann-Shack波前傳感器測(cè)量人眼像差，將測(cè)得的低階像差數(shù)值轉(zhuǎn)換為客觀屈光度，為主覺驗(yàn)光提供起始度數(shù)；主覺驗(yàn)光則由自適應(yīng)液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，通過靜電壓控制改變?cè)撜{(diào)制器內(nèi)置超微晶體之間的相對(duì)位置來改變光線路徑，模擬球鏡、柱鏡等光學(xué)透鏡的變化，從而檢查患者的主覺屈光度。Hervella等研究證實(shí)VAO的驗(yàn)光結(jié)果與傳統(tǒng)主覺驗(yàn)光結(jié)果相當(dāng)，并顯示出檢查者間良好的重復(fù)性。林政樺等將VAO驗(yàn)光與傳統(tǒng)驗(yàn)光(電腦驗(yàn)光+綜合驗(yàn)光儀驗(yàn)光)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，2種檢查方式在客觀驗(yàn)光時(shí)，球鏡度和柱鏡J結(jié)果間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而主覺驗(yàn)光時(shí)僅球鏡度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但這些差異的實(shí)際臨床意義不大，不影響臨床醫(yī)師解讀屈光數(shù)據(jù)；VAO驗(yàn)光效率較傳統(tǒng)的電腦驗(yàn)光+主覺驗(yàn)光有顯著提高，VAO驗(yàn)光的準(zhǔn)確度和可重復(fù)性受檢查者的水平和臨床經(jīng)驗(yàn)的影響較小。該設(shè)備還可矯正部分或全部像差再進(jìn)行驗(yàn)光，探討不同像差對(duì)視力的影響，為個(gè)性化像差矯正的屈光手術(shù)提供指導(dǎo)。此外，在AO Hartmann-Shack傳感器中添加瞳孔追蹤功能可測(cè)出眼球不同運(yùn)動(dòng)軌跡上的像差，理論上可輔助制作波前像差個(gè)性化矯正鏡片，但AO技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用還有待改進(jìn)。

2.2 AO與視覺誘發(fā)電位

視覺誘發(fā)電位(visual evoked potential，VEP)是視網(wǎng)膜接受視覺刺激后大腦皮質(zhì)枕葉區(qū)產(chǎn)生的電反應(yīng)，因此視網(wǎng)膜成像的清晰度會(huì)影響VEP結(jié)果，而像差是影響視網(wǎng)膜成像清晰度的主要因素之一?，F(xiàn)有VEP檢查通過鏡片矯正低階像差，由于鏡片度數(shù)離散，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)像差的精確矯正，殘余低階和高階像差對(duì)較高空間頻率的圖形VEP影響較大，導(dǎo)致無法判斷圖形VEP結(jié)果的異常是由視路異常還是未矯正的像差所致。Yang等將AO引入圖形VEP檢查，消除人眼像差對(duì)視覺刺激向視網(wǎng)膜投射成像的影響，提高了VEP結(jié)果的準(zhǔn)確性，可為視神經(jīng)功能評(píng)價(jià)提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

2.3 AO與視覺訓(xùn)練

視覺神經(jīng)系統(tǒng)的生長(zhǎng)發(fā)育受外界視覺刺激精細(xì)程度的影響。人眼的像差、散射和衍射會(huì)降低視網(wǎng)膜成像質(zhì)量，使得視覺神經(jīng)系統(tǒng)未能獲得足夠清晰的刺激，限制了其精細(xì)發(fā)育。近年研究發(fā)現(xiàn)，視知覺學(xué)習(xí)訓(xùn)練可以調(diào)整大腦皮質(zhì)視覺神經(jīng)系統(tǒng)，提升視覺功能。除了離焦和散光，高階像差對(duì)弱視患者視覺功能的缺陷也有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在矯正高階像差的基礎(chǔ)上進(jìn)行視知覺學(xué)習(xí)可以改善訓(xùn)練效果，且視覺神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育關(guān)鍵期后仍具有一定的可塑性。利用AO技術(shù)矯正像差結(jié)合視知覺學(xué)習(xí)訓(xùn)練，可以為弱視，尤其是成年弱視患者提供更有效的治療，突破弱視治療關(guān)鍵期的限制。該訓(xùn)練模式也有望在老年視力衰退及飛行員等特殊人群的視力保健等方面得到應(yīng)用。

2.4 AO視覺模擬

視覺是復(fù)雜的主觀認(rèn)知過程，通過矯正像差獲得的理想光學(xué)狀態(tài)不一定給患者帶來滿意的視覺效果，大腦神經(jīng)適應(yīng)性的差異也使視覺體驗(yàn)因人而異。理論上，波前像差引導(dǎo)個(gè)體化準(zhǔn)分子激光角膜原位磨鑲術(shù)可減少術(shù)后高階像差的產(chǎn)生，但由于角膜切削精度和術(shù)后像差變化的影響，目前從臨床應(yīng)用來看仍然無法達(dá)到術(shù)后零球差的效果或完美的光學(xué)狀態(tài)。如果能在術(shù)前對(duì)不同像差矯正方案進(jìn)行術(shù)后光學(xué)質(zhì)量預(yù)測(cè)以及術(shù)后視覺效果模擬體驗(yàn)，從而選擇最佳方案，可以提高患者滿意度，降低二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。在調(diào)節(jié)與立體視覺等視功能研究中，應(yīng)用AO技術(shù)可以全部矯正、選擇矯正，甚至增加特定項(xiàng)像差，在屈光手術(shù)術(shù)前模擬術(shù)后視覺效果，以便更好地理解不同像差對(duì)視覺質(zhì)量的影響。Guo等利用AO系統(tǒng)對(duì)3種不同類型人工晶狀體植入眼內(nèi)的效果進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一受試者而言，非球面人工晶狀體植入后的遠(yuǎn)距矯正視力優(yōu)于球面人工晶狀體，多焦點(diǎn)人工晶狀體遠(yuǎn)距矯正視力最差。Pérez-Vives等應(yīng)用一款A(yù)O視覺模擬器對(duì)有晶狀體眼后房型人工晶狀體植入術(shù)和準(zhǔn)分子激光角膜原位磨鑲術(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明前者提供的光學(xué)和視覺質(zhì)量更好，而后者誘導(dǎo)產(chǎn)生了更多的高階像差，特別是對(duì)于屈光不正度數(shù)更高和瞳孔更大的患者。以往研究都是在術(shù)前進(jìn)行視覺效果模擬，且模擬效果與術(shù)后結(jié)果的一致性尚未得到證實(shí)。2019年，Vinas等研究發(fā)現(xiàn)，同一眼植入多焦點(diǎn)人工晶狀體術(shù)前AO視覺模擬與術(shù)后真實(shí)的光學(xué)質(zhì)量及視覺質(zhì)量有很好的一致性。

2.5 自適應(yīng)光相干斷層掃描技術(shù)

光相干斷層掃描(optical coherence tomography，OCT)作為一種非侵入性檢查技術(shù)在眼科廣泛應(yīng)用。2004年，Hermann等首次將AO與時(shí)域OCT結(jié)合，隨著技術(shù)的進(jìn)展，掃頻OCT與AO的結(jié)合也受到越來越多的關(guān)注。自適應(yīng)光相干斷層掃描(adaptive optics OCT，AO-OCT)可提供高靈敏度和高分辨率的視網(wǎng)膜內(nèi)層圖像，顯示神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和單個(gè)神經(jīng)纖維束并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)橫截面輪廓的測(cè)量，在各種視神經(jīng)病變，如青光眼的研究中可發(fā)揮重要的作用。同時(shí)，AO-OCT可分辨出更精細(xì)的血管系統(tǒng)細(xì)節(jié)，增強(qiáng)小毛細(xì)血管的可見性，可用于糖尿病視網(wǎng)膜病變、年齡相關(guān)性黃斑變性和視網(wǎng)膜色素變性等眼底疾病的檢查、診斷和監(jiān)測(cè)。最近，Ju等研制出一款多尺度、多對(duì)比度、無傳感器的AO-OCT系統(tǒng)，運(yùn)用OCT血流成像技術(shù)對(duì)視網(wǎng)膜色素上皮層中色素和視網(wǎng)膜毛細(xì)血管血流進(jìn)行成像，使用透射式變形光學(xué)元件根據(jù)圖像質(zhì)量進(jìn)行像差校正，獲得了大視場(chǎng)和小視場(chǎng)下視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)的高分辨率圖像，以及視網(wǎng)膜色素上皮層拓?fù)浜妥冃蔚谋碚?，使活體人眼視網(wǎng)膜成像更精細(xì)和簡(jiǎn)潔。此外，AO-OCT在眼后節(jié)激光手術(shù)、色盲和視網(wǎng)膜生理活動(dòng)研究方面的應(yīng)用也受到關(guān)注。由于AO-OCT無法檢測(cè)到熒光信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)特定眼底結(jié)構(gòu)的成像，同時(shí)其三維成像速度慢，檢查過程中眼位的移動(dòng)會(huì)降低成像質(zhì)量。

2.6 自適應(yīng)光學(xué)掃描激光檢眼鏡

自適應(yīng)光學(xué)掃描激光檢眼鏡(adaptive optics scanning laser ophthalmoscope，AO-SLO)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)眼底成像。Roorda等首次將AO與共焦掃描激光檢眼鏡(confocal scanning laser ophthalmoscope，cSLO)結(jié)合，搭建了AO-cSLO系統(tǒng)，獲得了橫向分辨率約為2.5 μm、縱向分辨率約為70 μm的視細(xì)胞、毛細(xì)血管血流等高分辨率圖像。AO-cSLO系統(tǒng)通常采用1個(gè)光源進(jìn)行波前像差探測(cè)和視網(wǎng)膜成像，而李凌霄等設(shè)計(jì)了基于雙光源的AO-cSLO系統(tǒng)，其中1個(gè)光源用于探測(cè)像差，另一光源用于視網(wǎng)膜成像，顯著提高眼底圖像的對(duì)比度、亮度和分辨率。AO-SLO系統(tǒng)通過折射或反射方式成像，其中折射式成像系統(tǒng)存在色差且光線會(huì)在透鏡前后表面形成反射，影響成像質(zhì)量，而反射式成像系統(tǒng)幀頻低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于觀測(cè)視網(wǎng)膜血流等動(dòng)態(tài)變化。為解決這些問題，江慧綠等提出了一種能消除系統(tǒng)帶來的彗差、像散等像差的反射式AO-SLO系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)更緊湊、簡(jiǎn)單，獲得了清晰的視網(wǎng)膜血管以及視錐細(xì)胞圖像。

糖尿病視網(wǎng)膜病變患者早期即有視網(wǎng)膜血管管徑、血流速度的改變。AO-SLO可以在不使用造影劑的情況下生成視網(wǎng)膜血管網(wǎng)絡(luò)圖，顯示血管中的血細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，測(cè)量血流速度，從而實(shí)現(xiàn)眼底微小血管改變的早期篩查和無創(chuàng)隨訪。AO-SLO可以顯示青光眼不同階段篩板形態(tài)學(xué)的改變，也可以顯示眼后極部及視盤附近神經(jīng)纖維層和毛細(xì)血管變化，對(duì)于青光眼的診斷及隨訪具有一定價(jià)值。此外，將瞳孔跟蹤功能與AO-SLO結(jié)合，通過實(shí)時(shí)光學(xué)和數(shù)字跟蹤，解決了檢查過程中因眼位改變導(dǎo)致圖像失真或變形的問題，有利于獲取注視功能較差患者的眼底圖像。Azimipour等介紹了一種AO-SLO-OCT組合系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用1.6 MHz的頻域鎖模激光器同步、同范圍地獲取OCT和SLO掃描信息，避免OCT和SLO單獨(dú)成像，可更全面地觀察視網(wǎng)膜的形態(tài)，同時(shí)簡(jiǎn)化了光學(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。

3 小結(jié)

AO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)人眼波前像差的實(shí)時(shí)測(cè)量和調(diào)控，其在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用為臨床上眼病的診斷和治療以及視功能研究提供了全新的技術(shù)手段。由于受限于傳感器的探測(cè)精度和變形鏡的校正能力，AO系統(tǒng)尚無法完全矯正波前像差，殘余像差仍然會(huì)影響矯正結(jié)果。此外，眼底圖片成像質(zhì)量還受眼內(nèi)散射、眼球震顫及采集過程中其他噪聲等因素的影響。如何改進(jìn)現(xiàn)有算法，提升圖像復(fù)原效果，將是研究者下一步研究的重點(diǎn)。AO眼科設(shè)備價(jià)格高昂，目前尚未廣泛應(yīng)用于臨床，總體上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，因此研制更低廉、更易操作、更智能的AO眼科設(shè)備也成為今后研究的重點(diǎn)方向之一。雖然該技術(shù)目前還存在各種局限，但是隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，硬件設(shè)備和軟件的不斷創(chuàng)新，AO有望在眼科領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

利益沖突