馮勤，盧紅，駱永潔，李潔，宋婷

1 浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院，杭州市，310019

2 國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心，北京市，100081

0 引言

目前眼科關(guān)于非球面設(shè)計(jì)人工晶狀體的研究著重于利用波前像差技術(shù)對(duì)患者進(jìn)行臨床觀察，通過對(duì)植入前后的角膜像差及全眼像差的對(duì)比分析，以及患者視覺敏感度變化等臨床觀測(cè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)非球面人工晶狀體的優(yōu)缺點(diǎn)。這種評(píng)價(jià)方式受手術(shù)操作、人工晶狀體植入后的位置偏差，如偏心、傾斜以及患者主觀感受等因素影響較大[1]，因此并不能客觀地反映出非球面人工晶狀體本身的成像質(zhì)量水平。而另一方面，患者眼角膜的實(shí)際像差值千差萬(wàn)別，完美的角膜應(yīng)該是什么樣的，業(yè)內(nèi)也并無(wú)定論，對(duì)于植入不同球差矯正設(shè)計(jì)的非球面IOL，如何建立統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)比較術(shù)后視覺質(zhì)量仍然是存在爭(zhēng)議的。本研究從非球面人工晶狀體產(chǎn)品本身出發(fā)，探討人工晶狀體成像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)方法，研究流程如圖1所示，該研究為臨床非球面人工晶狀體的個(gè)性化選擇提供參考，同時(shí)對(duì)行業(yè)內(nèi)非球面人工晶狀體成像質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)行探索性研究，為人工晶狀體醫(yī)療器械產(chǎn)品的市場(chǎng)監(jiān)管提供客觀依據(jù)。

圖1 像質(zhì)評(píng)價(jià)研究流程Fig.1 Image quality assessment process

1 人工晶狀體（IOL）球差表述

人眼像差是影響視覺質(zhì)量的主要因素，研究證實(shí)，人眼像差主要是由角膜和晶狀體決定的，因此評(píng)價(jià)人眼像差也應(yīng)該是評(píng)價(jià)角膜和晶狀體光學(xué)組合系統(tǒng)的像差，而球面像差是影響視覺質(zhì)量的最主要像差類型[2]。與一般光學(xué)系統(tǒng)的幾何像差不同，在視光學(xué)中描述人眼像差主要采用的是出瞳處的波前像差，人眼的波前像差主要用澤尼克多項(xiàng)式展開，由各項(xiàng)系數(shù)最終確定人眼像差，其中系數(shù)c(4,0)代表球面像差系數(shù)。

已知球面像差為球面鏡片固有的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的四階像差，球面像差導(dǎo)致邊緣光線聚焦點(diǎn)與近軸焦點(diǎn)偏離，從而在成像面上不能得到清晰銳利的像。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人工晶狀體的設(shè)計(jì)大多采用非球面設(shè)計(jì)以矯正球面像差，而根據(jù)不同的設(shè)計(jì)理念，人工晶狀體有的采用零球差光學(xué)設(shè)計(jì)，在一定孔闌范圍內(nèi)完全矯正球面鏡片的球面像差，有的則是采用反球差設(shè)計(jì)，用于平衡人眼角膜固有的正向球面像差，從而可以讓部分患者獲得理論上更好的術(shù)后成像質(zhì)量。

現(xiàn)有人工晶狀體強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0290.2中僅針對(duì)球面設(shè)計(jì)人工晶狀體給出了像質(zhì)要求，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一種角膜鏡片基本無(wú)像差的模擬眼，在單色光（546 nm±5 nm）條件下，利用該模擬眼測(cè)量人工晶狀體在空間頻率100 lp/mm下的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，要求MTF值應(yīng)不小于0.43，或不小于人工晶狀體在模型眼系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和分析給出的計(jì)算最大可達(dá)值的 70%，但任何情況時(shí)，都應(yīng)不小于0.28[3]。利用模型眼獲得MTF測(cè)量結(jié)果直接反應(yīng)了球面人工晶狀體的成像質(zhì)量水平，即MTF值越高，則成像越好。但從臨床上說(shuō)，這種高M(jìn)TF水平并不應(yīng)該被完全理解成給患者帶來(lái)較高的視覺質(zhì)量，而實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)較低的MTF值也不一定代表較低的視覺質(zhì)量。例如，負(fù)球差設(shè)計(jì)的人工晶狀體在上述標(biāo)準(zhǔn)模擬眼中測(cè)量MTF，由于引入了負(fù)球面像差，測(cè)量結(jié)果有可能得到相對(duì)于球面人工晶狀體更低的調(diào)制效果，反映出較低的成像質(zhì)量。但是這種負(fù)球差設(shè)計(jì)的人工晶狀體植入到帶有正向角膜球差的患者眼內(nèi)，排除手術(shù)操作等外部因素，植入負(fù)球差設(shè)計(jì)人工晶狀體可能比植入普通球面人工晶狀體給患者帶來(lái)更佳的視覺感受。因此評(píng)價(jià)非球面人工晶狀體的成像質(zhì)量，應(yīng)建立接近人眼實(shí)際角膜球差特征的模擬眼，測(cè)試方法更客觀，評(píng)價(jià)結(jié)果也更具有實(shí)際意義。

2 模擬眼建立

2.1 人眼角膜c(4,0)系數(shù)

關(guān)于實(shí)際人眼角膜的球差特征的研究已經(jīng)很多，結(jié)合近幾年國(guó)內(nèi)外不同人群、不同年齡段人眼角膜像差的研究數(shù)據(jù)（見表1），我們大致分析了人眼角膜球差情況。由表1可以看出，人眼角膜球差c(4,0)系數(shù)均值在0.264 μm左右，即人眼角膜普遍具有正向球面像差，不同人群球差略有差異，年輕人群角膜球差系數(shù)0.20 μm左右，而老齡人群（＞70歲）的角膜球差系數(shù)達(dá)到了0.30 μm甚至更高。實(shí)際測(cè)量影響人眼角膜球差系數(shù)的因素有很多，如患者年齡、測(cè)試瞳孔的大小，以及不同研究機(jī)構(gòu)可能使用的測(cè)量?jī)x器不同也會(huì)帶來(lái)結(jié)果的差異。因此，若僅選擇中值或者某個(gè)單一的角膜球差系數(shù)來(lái)模擬實(shí)際人眼角膜特征都是不合適的，根據(jù)現(xiàn)有的角膜球差研究數(shù)據(jù)，可以考慮選擇具有代表性的幾個(gè)角膜球差系數(shù)作為非球面人工晶狀體的參考評(píng)價(jià)依據(jù)。

表1 不同人群角膜球差系數(shù)Tab.1 Corneal spherical aberration coeきcient of diあerent population

2.2 ZEMAX模型建立

目前非球面人工晶狀體大部分為負(fù)球面像差設(shè)計(jì)，目的是使白內(nèi)障病人恢復(fù)年輕眼球的球面像差即達(dá)到近似年輕眼球的c(4,0)系數(shù)值。另有研究認(rèn)為，當(dāng)人眼全眼球差為+0.10 μm左右時(shí)，植入人工晶狀體眼的視覺質(zhì)量最好[8]。人工晶狀體完全補(bǔ)償角膜的正向角膜像差反而降低景深，并不能給患者帶來(lái)良好的視覺體驗(yàn)，這涉及到的是臨床上非球面人工晶狀體個(gè)性化選擇，而我們研究的內(nèi)容主要考慮人工晶狀體成像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)方法，即實(shí)際人工晶狀體對(duì)角膜球差的補(bǔ)償，以獲得最佳的成像質(zhì)量。結(jié)合人眼角膜球差研究數(shù)據(jù)以及各廠家人工晶狀體設(shè)計(jì)理念，在擬修訂的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中增加帶正向球面像差的模擬眼，模型眼的眼角膜具有不同的球差系數(shù)，以滿足不同設(shè)計(jì)理念的非球面人工晶狀體的MTF成像質(zhì)量評(píng)價(jià)需要。擬建立的模型眼角膜球差系數(shù)如表2所示。

表2 模擬角膜澤尼克c(4, 0)系數(shù)Tab.2 Simulated corneal Zernike c(4, 0) coeきcient

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX模擬建立上述四個(gè)模擬眼裝置，軟件中采用澤尼克標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，其中Z11表示的即為光學(xué)系統(tǒng)的球面像差，與眼科系統(tǒng)常用的澤尼克c(4,0)系數(shù)存在1個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)關(guān)系。建立的4種模擬角膜均采用PMMA材料，中心曲率半徑19.332 mm，采用不同的圓錐系數(shù)，平行光入射。改進(jìn)的帶像差模擬眼模型及設(shè)計(jì)參數(shù)見圖2。

ZEMAX軟件參數(shù)構(gòu)建的角膜鏡片模型眼獲得了和表2極為接近的c(4,0)系數(shù)。我們分別根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)加工了四種不同球差的模型眼角膜鏡片，通過ZYGO干涉測(cè)量系統(tǒng)對(duì)加工鏡片表面質(zhì)量進(jìn)行了非接觸測(cè)量，分析其面型是否存在顯著的加工誤差，之后再利用已驗(yàn)證準(zhǔn)確的MTF測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際像質(zhì)測(cè)量，實(shí)測(cè)模擬鏡片的光學(xué)質(zhì)量基本達(dá)到理論設(shè)計(jì)效果，實(shí)測(cè)MTF值與理論設(shè)計(jì)值偏差與MTF測(cè)試重復(fù)性相當(dāng)（不大于0.09 MTF單位）[3]。

圖2 改進(jìn)的帶像差模擬眼模型Fig.2 Modified model eye with aberration

2.3 結(jié)果分析

選取同一組非球面設(shè)計(jì)單焦人工晶狀體低、中、高光焦度各一枚，分別在2 mm，3 mm，4.5 mm孔闌條件下利用上述設(shè)計(jì)的模擬眼中進(jìn)行成像質(zhì)量測(cè)量，取空間頻率50 lp/mm和100 lp/mm下的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如圖3所示。

圖3 非球面人工晶狀體在不同模擬眼測(cè)量條件下的數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Data comparison of aspheric intraocular lenses under diあerent model eye conditions

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以看出孔闌大?。赐状笮。┑牟煌瑢?duì)人工晶狀體成像質(zhì)量的影響較大，同種模擬眼設(shè)置下進(jìn)行測(cè)量，小孔闌（2 mm、3 mm）條件下MTF成像質(zhì)量明顯高于大孔闌條件（4.5 mm），這也從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了球差影響主要體現(xiàn)在大孔闌（大瞳孔）條件。另一方面，小孔闌（2 mm、3 mm）條件下不同光焦度的人工晶狀體在不同模擬眼球差設(shè)置下的MTF值差異性不明顯，且均能滿足現(xiàn)有行標(biāo)100 lp/mm不小于0.43的要求，而對(duì)于大孔闌條件，在不同球差設(shè)計(jì)的模擬眼中測(cè)量數(shù)據(jù)有所差別，由以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，試驗(yàn)用非球面人工晶狀體在c(4,0) = 0.28 μm 的模型眼中測(cè)量，其MTF值分別在50 lp/mm 、100 lp/mm空間頻率獲得比在其他模擬眼中更好的表現(xiàn)，因此可以認(rèn)為，該非球面人工晶狀體更適合在c(4,0)= 0.28 μm的模擬眼中進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)，同時(shí)也論證了之前提出的負(fù)球差設(shè)計(jì)人工晶狀體在標(biāo)準(zhǔn)模擬眼中測(cè)量反而得到相對(duì)較差的調(diào)制效果。

3 結(jié)論

人工晶狀體非球面設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)球面設(shè)計(jì)相比，在大孔闌條件下能降低球面像差、提高對(duì)比敏感度，改善患者的功能視覺，但對(duì)其效果的評(píng)價(jià)方法應(yīng)考慮建立接近人眼實(shí)際角膜球差特征的模擬眼，測(cè)試方法更客觀，評(píng)價(jià)結(jié)果更具有實(shí)際意義。但同時(shí)，我們也應(yīng)該了解真實(shí)術(shù)后人眼像差的評(píng)價(jià)涉及很多方面，人工晶狀體非球面設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生很多新問題，如慧差、降低景深、色差、偏心或傾斜的敏感性等。因此本研究建立的評(píng)價(jià)方法是從質(zhì)量控制角度，對(duì)人工晶狀體產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)加工質(zhì)量建立評(píng)價(jià)手段，建立多種c(4,0)系數(shù)模型眼，能夠提供非常有用的信息，是人工晶狀體開發(fā)和特性描述過程中不可缺少的工具。