高階像差中球面像差與近視進展的研究現(xiàn)狀

張妮，張樂

(1.西安醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710068；2.西北婦女兒童醫(yī)院，陜西 西安 710068)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2018年我國6-12歲兒童近視患病率約45.6%，16-18歲人群中近視患病率約90.5%[1]。近視的發(fā)病率不斷升高及低齡化趨勢增加了成年期病理性近視發(fā)生率[2]。近視引起總波前像差的增加加快了近視的進展，因此矯正像差非常必要。總波前像差包括低階像差(lower order aberration，LOA)和高階像差(higher order aberration，HOA)。近視眼中低階像差通過驗光配鏡等方式矯正后，影響視覺質(zhì)量的是高階像差，高階像差不能通過傳統(tǒng)方式矯正。高階像差中最重要的是三階像差如彗形像差、三葉草差及四階像差中球面像差(spherical aberration，SA)[3]。

有研究認為近視程度與球面像差、彗形像差、三葉草差相關(guān)，散光大小與彗形像差、三葉草相關(guān)[4]，因部分文獻對樣本散光值未作詳細記錄，因此本文研究對象為近視與球差。通過探究高階像差中球面像差在不同屈光度近視人群中分布特點及與近視進展相關(guān)關(guān)系，為臨床近視防控提供思考。

1 概述

球面像差簡稱球差，定義為光線通過實際光學(xué)系統(tǒng)后近軸光線和周邊光線聚焦位置與理想光學(xué)系統(tǒng)光線聚焦位置間的光程差(optical path difference，OPD)。光程差也稱波前像差(wavefront aberration，WF)，簡稱像差，定義為實際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)之間的成像差異。波前像差為三維空間概念，美國光學(xué)學(xué)會規(guī)定用Zernike多項式表達，波前像差數(shù)值用均方根(root mean square，RMS)定量表達，單位為μm。Zernike多項式7階35項，將波前像差分解為基本形狀的組合，每一單項表示特定類型的波前像差的大小及方向，0~2階為低階像差(近視、遠視、規(guī)則散光),3階及以上為高階像差。高階像差中球差主要包括初級球差和次級球差，Zernike系數(shù)分別為Z(4，0)、Z(6，0)，初級球差(4階第12項)是最主要的球差。

總球差根據(jù)來源分為角膜球差、眼內(nèi)球差，角膜球差又分為角膜前球差和角膜后球差。據(jù)報道[5,6]角膜前球差是最主要的球差，角膜后球差與眼內(nèi)球差對角膜前球差有補償作用，角膜球差與角膜曲率半徑、角膜散光、眼軸長度等因素相關(guān)。

2 球差的影響因素

球差具有波動性，與年齡、調(diào)節(jié)、瞳孔大小等因素密切相關(guān)，三因素間相互影響。

2.1 年齡

隨著年齡增長，球差受晶狀體、調(diào)節(jié)及瞳孔大小等因素影響發(fā)生非線性變化。Zhang等[3]收集中國西南地區(qū)3-17歲兒童共1634眼，發(fā)現(xiàn)球差Z(4,0)隨年齡增加負向增大。有研究[7]建立模型模擬角膜球差隨年齡變化，18~39歲間角膜球差變化為-0.013μm/10年，39歲以后角膜球差正向增加約0.057μm/10年。Wan等[8]分析中國北方農(nóng)村的404名31~86歲成年人的像差，發(fā)現(xiàn)球差Z(4,0)隨年齡增加正向增大。球差隨年齡的增長規(guī)律變化。青少年期屈光發(fā)育正視化，晶狀體調(diào)節(jié)能力強，球差隨年齡增加負向增大；在中老年期，晶狀體逐漸老化、調(diào)節(jié)能力減弱，球差隨年齡增加正向增大，瞳孔代償性縮小減少部分增加的球差。

2.2 調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)能力與年齡、屈光度等因素相關(guān)，調(diào)節(jié)引起晶狀體形態(tài)、瞳孔直徑大小改變影響球差變化。使用不同球鏡誘發(fā)調(diào)節(jié)，初級球差、次級球差均發(fā)生改變，隨著調(diào)節(jié)幅度增加球差數(shù)值分別向負向、正向增加，總球差負向增加[9]。在青年人群中使用睫狀肌麻痹劑抑制調(diào)節(jié)后瞳孔直徑增加，藥物環(huán)噴托酯作用強引起總球差正向增加，對照組藥物托吡卡胺作用較弱致總球差未見明顯改變，說明調(diào)節(jié)比瞳孔直徑引起的球差變化更有意義[10]。眼生物學(xué)測量[11]證實了在調(diào)節(jié)過程中睫狀肌收縮、晶狀體厚度增加引起晶狀體形態(tài)、折射率及曲率等變化，球差正向減低或負向增大。

2.3 瞳孔直徑

瞳孔直徑大小與年齡及調(diào)節(jié)等因素相關(guān)，不同明暗環(huán)境中直徑大小變化引起球差的改變。在明環(huán)境中瞳孔括約肌收縮、瞳孔直徑變小，如完全矯正低階像差，球差影響對比敏感度(contrast sensitivity function，CSF)較?。辉诎淡h(huán)境中瞳孔開大肌收縮、瞳孔直徑增加，完全矯正低階像差后球差影響無炫光時的對比敏感度[12]。Marin等[13]報道在暗環(huán)境下觀察高對比度亮點，球差可能引起屈光度變化。因此，暗環(huán)境下瞳孔直徑增大引起球差增加甚至屈光度變化。

3 球差與近視

近視和球差分別屬于低階像差和高階像差，兩者與晶狀體形態(tài)、調(diào)節(jié)等因素密切相關(guān)。不同程度近視人群中低階像差、總像差不同，總高階像差未見明顯差異[14,15]。高階像差中球差在近視程度不同的人群分布存在爭議。

有研究表明球差與近視程度相關(guān)。球差隨著近視引起的眼球形態(tài)改變而變化。Philip等[16]發(fā)現(xiàn)初階球差Z(4，0)與等效球鏡度(spherical equivalent refraction，SER)密 切 相 關(guān)，推 測 球差變化與晶狀體的曲率半徑、折射率等有關(guān)。Papamastorakis等[17]研究10-15歲兒童共557眼，認為球差反應(yīng)了晶體折射率的差異，兒童生長發(fā)育階段球差與近視的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。李穎等[18]對18~50歲500例(983眼)中青年人群研究，也發(fā)現(xiàn)近視不同屈光度分組間球差差異，球差與等效球鏡度呈負相關(guān)。Wan等[8]對中國農(nóng)村31~86歲成年人群的像差統(tǒng)計，同樣發(fā)現(xiàn)不同屈光度組間球差有統(tǒng)計學(xué)意義。隨著近視等效球鏡度負向增加或眼軸長度(axial length，AL)增加，球差數(shù)值向負向增加或正向減少，高度近視由于內(nèi)部像差的增加球差明顯高于正視眼[19]。

也有研究表明，球差與近視程度不相關(guān)。Li等[20]發(fā)現(xiàn)在7~13歲兒童中三個屈光組在自然調(diào)節(jié)狀態(tài)的球差相似，球差與等效球鏡度間無明顯相關(guān)。Yazar等[21]通過對1040例(2039眼)青年(平均年齡20歲)的像差分析，發(fā)現(xiàn)不同屈光度分組間球差結(jié)果沒有差異。黃等[22]對18~36歲共102例(204眼)青年的像差分析，球差與等效球鏡度及眼軸長度無相關(guān)性。

球差與近視的關(guān)系受年齡、調(diào)節(jié)等混雜因素影響，統(tǒng)計學(xué)方法的差異也可能使結(jié)果不同，去除混雜因素后研究多認為球差與近視程度相關(guān)。Lau等[15]對137名香港兒童(平均年齡8.8±1.4歲)為期2年的縱向研究，通過重復(fù)測量及控制混雜因素，發(fā)現(xiàn)球差Z(4，0)等高階像差可通過降低視網(wǎng)膜成像質(zhì)量而促進眼軸生長，模型二預(yù)測球差Z(4，0)RMS值增加0.1μm眼軸增長減少0.13mm/年，支持球差在視覺發(fā)育過程中的潛在作用。Julie等[14]發(fā)現(xiàn)在9~10歲、15~16歲青少年中球差Z(4，0)最主要高階像差，多元回歸分析提示隨著球差負向增大，眼軸長度增長，球差與近視進展相關(guān)。李婧等[23]對7~16歲120例(239眼)兒童隨訪發(fā)現(xiàn)，1年內(nèi)球差Z(4，0)與屈光度增量呈負相關(guān)，但將年齡作為協(xié)變量分析，球差Z(4，0)與屈光度變化間未見相關(guān)(P=0.227)。

球差與近視程度相關(guān)關(guān)系結(jié)果差異，原因與樣本量大小、受試者年齡、睫狀肌麻痹藥物使用、屈光度范圍、眼別及統(tǒng)計分析等相關(guān)。多數(shù)研究為橫斷面研究，結(jié)論球差與近視程度相關(guān)，不能得出球差與近視因果關(guān)系。

4 球差與近視進展

兒童處于屈光發(fā)育期，更易受到視網(wǎng)膜圖像質(zhì)量下降的影響，球差在兒童近視進展中意義較大。Hiraoka等[24]研究64例6~12歲兒童2年內(nèi)高階像差與近視進展的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)總角膜高階像差較大的受試者近視進展及眼軸增長均較小，角膜高階像差如球差、慧差等在兒童屈光和眼部發(fā)育過程中起作用。Philip等[16]在對166名的正視青少年[平均年齡(12.63±0.48)歲]隨訪發(fā)現(xiàn)，5年后屈光度近視性改變的患者球差Z(4，0)下降，屈光度未改變的者球差Z(4，0)增加，即近視進展者球差Z(4，0)負向增大。但Vasudevan等[25]觀察20~26歲青年人近距離工作9個月，發(fā)現(xiàn)雖然等效球鏡度前后變化有意義，但末次球差與基線球差數(shù)值間無差異，但因研究未使用睫狀肌麻痹后屈光度數(shù)值進行分析，因此不能得到準確的等效球鏡度變化進行分析。在兒童中球差Z(4，0)負向增大、近視進展增加，球差正向增大可減慢近視進展。在成年人中球差和近視進展的關(guān)系需要進一步研究。

5 球差與近視防控

用于近視防控的多焦點軟性角膜接觸鏡、角膜塑形鏡具有良好的近視防控效果，不同屈光矯正方式矯正后像差不同，角膜接觸鏡配戴后球差大小改變。

5.1 引入球差的軟性角膜接觸鏡

軟性角膜接觸鏡中球差的引入，可改善視敏度(visual acuity，VA)和聚焦深度(depth of focus，DOF)獲得更好的視覺質(zhì)量，調(diào)節(jié)反應(yīng)及視網(wǎng)膜周邊離焦狀態(tài)發(fā)生變化。有報道球差在0.07~0.10μm間主觀聚焦深度和客觀對比敏感度達到平衡[26]。

傳統(tǒng)的球面或非球面設(shè)計的角膜接觸鏡，配戴后角膜球差負向增大，誘發(fā)調(diào)節(jié)反應(yīng)使球差再次負向增大[27]。Moore等[28]通過對中心及沿水平子午線的方向屈光度及像差測量，發(fā)現(xiàn)球面軟性角膜接觸鏡引起球差發(fā)生負向變化，影響視網(wǎng)膜周邊遠視離焦。Cheng等[29,30]對109名8~11歲兒童觀察1年，發(fā)現(xiàn)正球差軟性角膜接觸鏡配戴后降低了調(diào)節(jié)反應(yīng)，在球差正向增大的眼球中相對周邊遠視離焦減小，可延緩近視發(fā)展，但大部分治療效果發(fā)生于前6個月內(nèi)。正球差引入可能使角膜接觸鏡短期內(nèi)有防控近視的效果，由于球差具有可變性，鏡片的設(shè)計及更換不及時可能導(dǎo)致結(jié)論并不準確。

5.2 多焦點軟性角膜接觸鏡

多焦點軟性角膜接觸鏡(multifocal contact lenses，MFCLs) 配戴后總高階像差及球差增加，角膜球差正向增加，內(nèi)部球差負值增大。青年人群配戴多焦點接觸鏡后中心鏡片球差為正、中心軸上較小的調(diào)節(jié)需求，近中心球差為負形成視網(wǎng)膜周邊近視離焦，減慢眼軸增長[31]。多焦點軟性接觸鏡的近視防控與球差分布、視網(wǎng)膜周邊離焦狀態(tài)密切相關(guān)[32]。

5.3 角膜塑形鏡

角膜塑形鏡(Orthokeratology，Ortho-k)是目前最有效的控制近視進展的光學(xué)方法。角膜塑形鏡配戴后角膜中央上皮厚度及中周厚度變化，角膜球差增加，提高裸眼視力(uncorrected visual acuity，UCVA)和高空間頻率對比敏感度，調(diào)節(jié)功能也得到改善[33]。

配戴角膜塑形鏡前后高階像差發(fā)生明顯改變，但與延緩眼軸增長的像差改變尚存在爭議。近視防控效果更佳的受試者中，球差、垂直慧差、三葉草差有明顯改變[34,35]。有研究發(fā)現(xiàn)[36]受試者配戴角膜塑形鏡后高階像差、球差、慧差分別較基礎(chǔ)值增加了3倍、9倍、2倍，并推測近視眼中球差增加可能是減慢眼軸增長的機制。Batres等[37]進行了前瞻性研究，發(fā)現(xiàn)角膜塑形鏡組中角膜正球差增加，晶狀體負球差增加。Faria等[38]報道了17-30歲人群配戴角膜塑形鏡后初級球差及次級球差系數(shù)分別增加3.68和19倍，且球差與光學(xué)治療區(qū)有強相關(guān)。Lau等[39]發(fā)現(xiàn)角膜塑形鏡中增加壓縮因子后初級球差等像差增加，初級球差的增加與等效球鏡度的降低相關(guān)，側(cè)面印證了球差與近視進展間關(guān)系。Santodomingo等[40]發(fā)現(xiàn)球差與眼軸增長無明顯相關(guān)，提出角膜正球差增加可能為近視進展減慢的部分原因。球差在角膜塑形鏡配戴前后有較大變化，目前研究認為在角膜塑形鏡的配戴過程中球差增加可能與延緩近視進展有關(guān)。

6 小結(jié)

不同程度近視人群中高階像差無統(tǒng)計學(xué)差異。較多研究表明在不同年齡、屈光度人群中球差存在差異，球差與近視程度或眼軸長度相關(guān)。目前研究多為橫斷面觀察性研究，需進一步大樣本的縱向研究，探究球差與近視進展因果關(guān)系及矯正球差進行近視防控的必要性。