人工晶狀體有效光學(xué)區(qū)評價方法研究

【作 者】 馮勤，郝琦，陳瓊慧，駱永潔，宋婷

浙江省醫(yī)療器械檢驗研究院，杭州市，310019

0 引言

人工晶狀體（intraocular lens,IOL）是一種長期植入于人眼內(nèi)的光學(xué)透鏡，臨床用于替換被摘除的病變晶狀體，從而恢復(fù)患者的視力，或用于矯正有晶狀體眼的屈光不正。大部分人工晶狀體由中間主體部分和起支撐作用的襻組成，結(jié)構(gòu)分為一體式或分離式，總直徑范圍為10～13 mm，主體直徑范圍一般為5.5～6.5 mm。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26397—2011 《眼科光學(xué) 術(shù)語》中光學(xué)區(qū)定義為具有規(guī)定光學(xué)效應(yīng)的區(qū)域，對于植入眼內(nèi)的人工晶狀體來說，有效光學(xué)區(qū)一般理解為與光軸同心的含有光學(xué)設(shè)計特征的圓形區(qū)域[1]。人工晶狀體主體即為光學(xué)成像部分，但部分人工晶狀體有效光學(xué)區(qū)小于主體直徑。

一方面，人工晶狀體作為光學(xué)透鏡，其有效光學(xué)區(qū)的大小是設(shè)計時必須考慮的因素。正常人眼晶狀體直徑約為9 mm，但白內(nèi)障治療用的人工晶狀體主體直徑僅為6 mm左右，其尺寸差異是出于對臨床應(yīng)用風(fēng)險的考量，在人工晶狀體植入手術(shù)中應(yīng)盡可能減小手術(shù)切口，從而減小角膜術(shù)源性散光[2]，同時還須規(guī)避植入后高分子材料與眼組織不必要的接觸損傷風(fēng)險，最大限度減輕眼內(nèi)的無菌炎癥反應(yīng)，減少后發(fā)障的發(fā)生[3-4]。另一方面，在暗環(huán)境下人眼瞳孔放大，若人工晶狀體設(shè)計有效光學(xué)區(qū)直徑小于瞳孔直徑，通過人工晶狀體的周邊非設(shè)計光線在眼底無法準(zhǔn)確聚焦，易造成視覺干擾，導(dǎo)致視物不清或眩光，對患者來說失去了手術(shù)意義。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，人工晶狀體主體部分邊緣設(shè)計與上皮細(xì)胞的遷移和后發(fā)障的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)性，人工晶狀體邊緣采用方邊設(shè)計，對于阻止和延緩后發(fā)障的發(fā)生有著積極作用[5]。同時有效光學(xué)區(qū)與主體邊緣非有效光學(xué)設(shè)計交界處若存在明顯的分界線，在暗視覺大孔闌條件下易對患者造成眩光干擾，因此其分界面一般設(shè)計為平滑曲率過渡[6]。這種設(shè)計給人工晶狀體有效光學(xué)區(qū)直徑的界定和測量無疑帶來很多不確定性。本研究將分析并探討不同的有效光學(xué)區(qū)直徑測量方法的可行性和準(zhǔn)確性，為人工晶狀體的設(shè)計開發(fā)以及測量驗證提供參考。

1 原理和方法

1.1 有效光學(xué)區(qū)影響因素

有效光學(xué)區(qū)尺寸的設(shè)計與人工晶狀體的折射率、光焦度、厚度均具有一定的相關(guān)性。

對于單片光學(xué)透鏡，為達(dá)到相同的屈光能力，不同折射率材料透鏡的曲率半徑是不同的。材料的折射率越高，透鏡曲率相對于低折射率材料的光學(xué)透鏡則越小，即鏡片表面更為平坦，因此折射率高的人工晶狀體在結(jié)構(gòu)設(shè)計上相對輕薄，中心厚度相對較小。目前市場上親水丙烯酸人工晶狀體折射率為1.459～1.465，聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）材料折射率為1.492～1.493，硅膠材料折射率為1.520左右，疏水丙烯酸材料折射率為1.560左右，我們選擇標(biāo)稱光焦度近似（26.0 D±0.5 D）的不同材料的人工晶狀體進(jìn)行對比分析，給出不同折射率材料的人工晶狀體中心厚度和有效光學(xué)區(qū)直徑的變化趨勢（見圖1）?？梢钥闯鲈谙嗤饽芰ο?，人工晶狀體材料折射率越高，其中心厚度越小，有效光學(xué)區(qū)直徑越大，接近主體直徑。

一方面，相同折射率的人工晶狀體，其光焦度范圍由低光焦度到高光焦度梯度分布（如光焦度范圍0.0 D～35.0 D，以0.5 D或1.0 D步進(jìn)），不同光焦度由于曲率的變化導(dǎo)致中心厚度也是不一致的，光焦度絕對值越高，中心厚度也就越大。

另一方面，從臨床應(yīng)用風(fēng)險上考慮，人工晶狀體植入人眼后，前表面與虹膜的間隙應(yīng)保持足夠的安全距離，這限制了人工晶狀體截面尺寸（厚度和主體直徑）的大小。因此對于低折射率材料的人工晶狀體，要保證高光焦度的人工晶狀體截面尺寸（厚度和主體直徑）相對恒定，往往需要考慮減小其有效光學(xué)區(qū)直徑設(shè)計值。

1.2 IOL有效光學(xué)區(qū)限值依據(jù)

臨床測量人眼瞳孔直徑一般在角膜表面測量，而角膜本身可以理解為彎月形的光學(xué)透鏡，考慮光路可逆原理，實際測量得到的瞳孔直徑可能反映的并不是真實瞳孔通光口徑的大小。我們嘗試?yán)肎ullstrand-Le Grand模型眼來模擬角膜表面和晶狀體表面的通光孔徑的對應(yīng)關(guān)系。Gullstrand-Le Grand模型眼將人眼光學(xué)系統(tǒng)簡略為具有角膜和晶狀體4個折射面且保持其基本光學(xué)特性的光學(xué)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于計算人眼光學(xué)的成像特性[7-8]。該模型眼的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 Gullstrand-Le Grand模型眼結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Gullstrand-Le Grand model eye structure parameters

根據(jù)Gullstrand-Le Grand模型眼結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬光路，改變角膜前表面不同的入瞳直徑可以得到晶狀體表面不同的通光口徑，其對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。正常成人瞳孔的直徑一般為2～5 mm，這里的瞳孔直徑在角膜表面觀測得到，根據(jù)以上模型眼的光路模擬可知實際瞳孔大小略小于測量值，基于Gullstrand-Le Grand模擬計算實際瞳孔直徑約為1.8～4.4 mm。這里只是利用模型眼進(jìn)行粗略估算，實際人眼的瞳孔直徑根據(jù)人眼結(jié)構(gòu)可得到精確結(jié)果。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0290.3—2008《眼科光學(xué) 人工晶狀體 第3部分：機械性能及測試方法》[9]中4.2條有效光學(xué)區(qū)直徑要求在任何方向都應(yīng)大于4.25 mm?？紤]本研究利用Gullstrand-Le Grand模型眼粗略進(jìn)行計算，當(dāng)晶狀體表面通光孔徑為4.25 mm時，實際測量瞳孔直徑為4.82 mm，接近于5 mm，從而驗證了對于白內(nèi)障置換的人工晶狀體，其有效光學(xué)區(qū)不小于4.25 mm限值，基本滿足正常人眼光學(xué)成像需求。

1.3 投影儀方法

常規(guī)非透明工件外形尺寸的測量方法一般采用放大成像原理，在投影儀顯示屏上顯示放大的被測樣品輪廓，利用光柵測量技術(shù)精確測量清晰的輪廓尺寸。其測量原理如圖3所示。投影儀是外形尺寸測量的通用設(shè)備，主要用于機械工裝、零件外形尺寸的測量，但對于透明的樣品尺寸測量有一定的局限性，因為對于平滑過渡曲面的光學(xué)透鏡表面來說，不同的對焦平面在投影儀上顯示出不同的陰影輪廓，若沒有統(tǒng)一的對焦標(biāo)準(zhǔn)，很難準(zhǔn)確獲得透鏡表面的有效光學(xué)區(qū)邊緣成像。

1.4 波前像差方法

波前像差由實際波前和理想的無偏差狀態(tài)的波前之間的偏差來定義，目前主要利用波前像差技術(shù)測量光學(xué)透鏡的光學(xué)性能。代表性的設(shè)備主要設(shè)計原理為哈特曼（Hartmann-Shack）原理、莫爾條紋（Moire Fringes）原理以及紋影技術(shù)（Schlieren Technique）原理（見圖4）。三種原理均可以對光學(xué)鏡片的光焦度、成像質(zhì)量進(jìn)行測量計算，能夠給出人工晶狀體主體部分整體的屈光能力分布情況。

人工晶狀體的有效光學(xué)區(qū)為與光軸同心的含有光學(xué)設(shè)計特征的圓形區(qū)域，即在該功能區(qū)域內(nèi)應(yīng)具有設(shè)計的屈光能力，而該區(qū)域外則不具有相應(yīng)的屈光能力。在本研究中，我們考慮在人工晶狀體主體部分非光學(xué)設(shè)計邊緣，其屈光能力和有效光學(xué)區(qū)部分的光焦度表達(dá)不一樣，從而區(qū)分有效光學(xué)區(qū)邊界。根據(jù)以上分析，可利用光焦度地形圖分布來評估人工晶狀體有效光學(xué)區(qū)尺寸，在有效光學(xué)區(qū)直徑設(shè)計邊緣區(qū)域，其光焦度分布存在比較明顯的屈光度界限環(huán)，以此界限環(huán)作為有效光學(xué)區(qū)判斷依據(jù)。

2 實驗結(jié)果

本研究選擇一組疏水丙烯酸人工晶狀體，主體直徑為6.0 mm，有效光學(xué)區(qū)直徑為5.50～5.90 mm。按0.5 D或者1.0 D間隔隨機選取-10.0 D～36.0 D范圍內(nèi)的人工晶狀體樣品共24枚，樣品打開包裝后逐一編號，在室溫（23±2）℃、濕度50%±10%條件下，浸泡在生理鹽水中平衡24 h后進(jìn)行測試。

測量時樣品放置于充滿生理鹽水的合適平面瓶皿中，確保瓶皿不會影響測量光路，干擾光學(xué)性能測量。同一個試驗人員在實驗室相同環(huán)境條件下完成試驗，分別使用2種不同的測試方法對同一樣品重復(fù)測量3次，取3次測量的平均值，保留小數(shù)點后兩位，單位毫米，記錄測量結(jié)果。

如前所述，采用投影儀測量法時，由于有效光學(xué)區(qū)一般設(shè)計為主體中心含有光學(xué)設(shè)計特征的圓形區(qū)域，其分界面為平滑曲率過渡，當(dāng)聚焦距離不同時，在投影儀上會顯示出不同的陰影輪廓，因而不能準(zhǔn)確聚焦，無法明確有效光學(xué)區(qū)邊界，如圖5所示?？紤]大部分人工晶狀體主體邊緣至有效光學(xué)邊界無曲率設(shè)計，為統(tǒng)一測量方法，本研究使用投影儀方法時，選擇對焦于人工晶狀體主體邊緣平面，并以此作為調(diào)焦基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)載物臺使待測樣品位于物鏡的焦平面附近，使晶狀體主體邊緣線條清晰銳利后，利用標(biāo)尺讀取陰影環(huán)邊界的直徑。

圖6為紋影技術(shù)法測量界面，光源發(fā)出的光束在通過人工晶狀體時，由于有效光學(xué)區(qū)邊緣曲率突變導(dǎo)致光束發(fā)生偏折，電荷耦合器件（charge coupled device,CCD）中獲取的影像經(jīng)過調(diào)制后形成和中心部光學(xué)區(qū)不同的紋影，從而可以明顯地看到有效光學(xué)區(qū)邊界并進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

利用以上兩種方法，分別對覆蓋-10.0 D～36.0 D的一組人工晶狀體的有效光學(xué)區(qū)直徑進(jìn)行測量，并將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。比較結(jié)果如圖7所示。

投影儀方法測量有效光學(xué)區(qū)直徑為5.01～5.94 mm，紋影法測量有效光學(xué)區(qū)直徑為5.04～5.92 mm，均能滿足不小于4.25 mm的限值要求，低光焦度有效光學(xué)區(qū)直徑接近主體直徑大小，而出于臨床風(fēng)險及面型設(shè)計需要，負(fù)光焦度以及高光焦度有效光學(xué)區(qū)直徑相對較小，實驗結(jié)果與前述理論分析一致。對比有效光學(xué)區(qū)直徑測量數(shù)據(jù)可以看出，對于-10.0 D～36.0 D光焦度光學(xué)區(qū)直徑，兩種方法的測量結(jié)果基本一致，僅在高光焦度區(qū)間測量結(jié)果偏差相對較大。分析認(rèn)為，由于高光焦度在30.0 D～36.0 D區(qū)間內(nèi)，人工晶狀體前后表面曲率過渡陡峭，在利用投影儀方法測量時，光學(xué)區(qū)邊緣成像較為模糊，只能依據(jù)個人經(jīng)驗判斷有效光學(xué)區(qū)邊界位置，人員主觀測量誤差較大。

3 結(jié)論

投影儀法和紋影法均可實際用于有效光學(xué)區(qū)的測量，對于批量尺寸檢測及生產(chǎn)質(zhì)量過程控制來說，投影儀方法操作較簡單直觀，且更高效，但測量結(jié)果受操作人員的個人檢測經(jīng)驗和主觀判定影響較大，測量結(jié)果出現(xiàn)誤判的概率較高。紋影方法測量分辨率高，對于有效光學(xué)區(qū)邊界的分辨能力更為精確，能客觀地反映人工晶狀體主體屈光度的變化，幾乎不受檢測人員主觀性的影響。不過紋影方法對晶體表面質(zhì)量的加工瑕疵較為敏感，不同的設(shè)置參數(shù)對測量結(jié)果影響也較大，需要操作者具有一定的專業(yè)技術(shù)能力，因此紋影法批量檢測的效率相對投影法測量較低。

綜上所述，兩種測量方法均有其優(yōu)缺點，但考慮實際測量的精確度及測試效率，投影儀測量法更適用于常規(guī)批量生產(chǎn)檢測，紋影測量法在產(chǎn)品開發(fā)和特性描述階段能夠提供更多實用參考信息，同時可作為有效光學(xué)區(qū)直徑測量的輔助驗證手段。