王 成，董肖娜，項(xiàng)華中，鄭 剛，張大偉

（1．上海理工大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與視光學(xué)研究所，上海 200093；2．上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3．上海理工大學(xué) 教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093）

引 言

眼睛，是人心靈的窗戶(hù)，是人80%～90%的信息來(lái)源，是人體最為重要的器官之一。眼科光學(xué)生物測(cè)量主要通過(guò)各種眼科儀器測(cè)量患者眼睛的眼軸長(zhǎng)度、角膜曲率、前房深度以及角膜直徑等生物參數(shù)，并對(duì)要求的擬植入眼內(nèi)人工晶體度數(shù)進(jìn)行計(jì)算。眼軸長(zhǎng)度是指角膜前表面至視網(wǎng)膜色素上皮層的距離，在臨床上白內(nèi)障、屈光不正、斜視、弱視、青光眼、硅油填充眼、黃斑水腫等多種疾病都伴隨著眼軸長(zhǎng)度不同程度的變化[1]。因此，眼軸長(zhǎng)度是人眼屈光狀態(tài)診斷，區(qū)別真性近視與假性近視，測(cè)算白內(nèi)障手術(shù)后人工晶體參數(shù)的重要參數(shù)之一。

人眼屈光不正，特別是近視的發(fā)病率在世界范圍內(nèi)逐年增高。2016年6月5日，北京大學(xué)中國(guó)健康發(fā)展研究中心發(fā)布全球首份視覺(jué)健康國(guó)別報(bào)告——《國(guó)民視覺(jué)健康》白皮書(shū)。在中國(guó)，每3人就有1人是近視患者，近視已經(jīng)成為“國(guó)病”。如果沒(méi)有有效的政策干預(yù)，到2020年，我國(guó)5歲以上人口的近視患病率將增長(zhǎng)到51%左右，患病人口將達(dá)7億。我國(guó)青少年眼部屈光不正問(wèn)題日益嚴(yán)峻，視力不良率居高不下[2]。學(xué)歷越高，近視的人越多，而近視與眼軸增長(zhǎng)有正相關(guān)性[3-5]。近視低齡化直接導(dǎo)致高度近視風(fēng)險(xiǎn)增加，而高度近視的并發(fā)癥：夜間視力差、開(kāi)角型青光眼、周邊變性區(qū)和裂孔、后玻璃體脫離牽拉黃斑區(qū)、黃斑區(qū)視網(wǎng)膜萎縮和脈絡(luò)膜新生血管等，極大影響了日后生活質(zhì)量和職業(yè)選擇。國(guó)內(nèi)外研究指出，眼軸與角膜曲率比值大于3.0，是近視發(fā)生發(fā)展的高危因素[6]。預(yù)防近視最有效的做法為每3個(gè)月或者每半年去專(zhuān)業(yè)眼科做視力檢查，特別是監(jiān)測(cè)屈光度、眼軸、以及角膜曲率的變化情況。

白內(nèi)障是最常見(jiàn)的致盲性眼病[7]，根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)盲與低視力的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)目前白內(nèi)障的發(fā)病率高于5%，因白內(nèi)障喪失視力，嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量。目前針對(duì)白內(nèi)障眼，手術(shù)摘除混濁的晶狀體并植入人工晶狀體(intraocular lens，IOL)是唯一的有效方法。隨著小切口超聲乳化及人工晶狀體手術(shù)的發(fā)展，患者已經(jīng)不只是追求視力可見(jiàn)，而是追求術(shù)后能達(dá)到正常的屈光狀態(tài)[8-10]?，F(xiàn)階段人工晶體植入手術(shù)術(shù)后的實(shí)際屈光狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)還存在一定的偏差，其主要因素是人工晶體度數(shù)的計(jì)算誤差。而人工晶狀體度數(shù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性取決于術(shù)前生物測(cè)量的準(zhǔn)確性。在人工晶狀體度數(shù)的計(jì)算中，眼軸長(zhǎng)度的測(cè)量值尤為重要，1 mm的測(cè)量誤差可以引起大約2.5D（1D=1m-1）屈光誤差[11]。在預(yù)測(cè)誤差大于2D的病例中，43%～67%是術(shù)前生物測(cè)量不準(zhǔn)確的結(jié)果，白內(nèi)障術(shù)后屈光誤差54%來(lái)自眼軸長(zhǎng)度的測(cè)量[12]。因此，眼軸長(zhǎng)度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于人工晶狀體屈光度的計(jì)算、屈光不正等眼病診斷和治療具有重要的臨床意義。本文以眼軸長(zhǎng)度為主要論述目標(biāo)對(duì)各眼軸長(zhǎng)度測(cè)量方法及設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，主要論述了眼軸長(zhǎng)度測(cè)量設(shè)備的特點(diǎn)及其主要發(fā)展趨勢(shì)。

1 傳統(tǒng)的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量

超聲測(cè)量通常采用超聲波對(duì)眼睛進(jìn)行掃描，通過(guò)接收眼球結(jié)構(gòu)中各界面的超聲回波信號(hào)進(jìn)而得到深度信息。所測(cè)量的眼軸長(zhǎng)為從角膜前表面和視網(wǎng)膜內(nèi)界膜之間的距離，不包括神經(jīng)上皮層的厚度[13]。應(yīng)用于眼科測(cè)量方面的超聲技術(shù)主要有A超、B超或兩者的結(jié)合。

A超測(cè)量是指基于回波時(shí)延的深度掃描，基于脈沖反射原理，根據(jù)聲波的時(shí)間與振幅的關(guān)系，接收在不同聲阻抗組織中回波的不同強(qiáng)度及速度來(lái)獲取組織的結(jié)構(gòu)信息。A超所形成的是一維圖像，雖然對(duì)組織病變解釋較難，但有著良好的鑒別能力。傳統(tǒng)的用于眼部A超探頭的頻率為10 MHz，其軸向測(cè)量分辨率可達(dá)200 μm，精度可達(dá)100～120 μm[14]。因此，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，A超曾作為臨床上眼軸長(zhǎng)度測(cè)量的“金標(biāo)準(zhǔn)”[15]。通常A超測(cè)量眼軸的方式有接觸式或浸潤(rùn)式，所能測(cè)得的軸向參數(shù)有：整體眼軸長(zhǎng)、前房深度、晶體厚度、玻璃體厚度，其中眼軸長(zhǎng)度的后反射界面為內(nèi)界膜。接觸式超聲進(jìn)行眼軸測(cè)量時(shí)需要用表面麻醉劑，容易對(duì)角膜表面產(chǎn)生磨損。浸潤(rùn)式超聲是較為常用的一種手段，該方法在人眼與探測(cè)器之間覆蓋上生理鹽水來(lái)避免二者直接接觸。

B超是指在不同深度的超聲回波探測(cè)，回波強(qiáng)度在屏幕上用光點(diǎn)表示，通過(guò)換能器的一維運(yùn)動(dòng)得到二維斷層切面圖像來(lái)呈現(xiàn)出斷面結(jié)構(gòu)，通常將其應(yīng)用于球內(nèi)、框內(nèi)的病變等。B超也分為接觸型和水浴型，通常采用水浴B超，測(cè)量時(shí)根據(jù)B超圖像調(diào)整眼位，選擇理想眼位采集水平軸掃描圖像并利用電子測(cè)量尺進(jìn)行眼軸長(zhǎng)度測(cè)量[16]。

A、B超測(cè)量除了精度限制的其他弊端也比較明顯：(1)通常采用仰臥式，由于重力的原因會(huì)導(dǎo)致測(cè)量在軸向上產(chǎn)生誤差；(2)在接觸式超聲測(cè)量過(guò)程中，探頭與角膜的接觸，需要眼部麻醉，增大了角膜磨損和感染的風(fēng)險(xiǎn)[17]，同時(shí)會(huì)壓迫前房；(3) A、B超測(cè)量易受操作者主觀因素影響，為保證測(cè)量方向與結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)操作者要求較高；(4)對(duì)非正常眼如高度近視、眼球后壁變形等的測(cè)量精度不高。

此外，在對(duì)硅油填充眼測(cè)量眼軸長(zhǎng)度時(shí)采用CT[18]、核磁[19-20]的方法進(jìn)行測(cè)量，但這兩種方法檢查費(fèi)用較高，測(cè)量值的精確度不如光學(xué)測(cè)量，CT測(cè)量還涉及到輻射的安全問(wèn)題，因此較少使用。

2 基于光學(xué)原理的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量

由于光學(xué)測(cè)量方法采用的光源波長(zhǎng)遠(yuǎn)比超聲波長(zhǎng)短，因此具有更好的軸向分辨率。光學(xué)測(cè)量手段以其非接觸、高精度、測(cè)量時(shí)間短的顯著優(yōu)勢(shì)，在臨床上的應(yīng)用較為廣泛。其與超聲測(cè)量回波信號(hào)的機(jī)制類(lèi)似，主要利用眼睛的“透光”特性，通過(guò)接收眼球前后表面的主要反射光實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其中與超聲測(cè)量不同的是，光學(xué)測(cè)量技術(shù)所測(cè)得的眼軸長(zhǎng)度為沿視軸方向從淚膜到視網(wǎng)膜色素上皮層的距離，相比于超聲的測(cè)量更接近真正意義上的視軸[21]。目前光學(xué)方法在眼軸長(zhǎng)度測(cè)量方面已逐漸在臨床上得到認(rèn)可，成為不可或缺的測(cè)量手段。

2.1 基于光干涉原理的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量

光學(xué)相干生物測(cè)量在1986年由Fercher和Roth提出[22]，主要利用部分相干干涉(partial coherence interferometry，PCI)技術(shù)，用780 nm波長(zhǎng)的近紅外激光分成兩束射入人眼，經(jīng)眼球角膜前表面和視網(wǎng)膜色素上皮層反射后，與參考臂反射光形成干涉信號(hào)，再由光電探測(cè)器所接收，進(jìn)而推算出反射面之間的距離，并根據(jù)眼球的折射率來(lái)計(jì)算實(shí)際的眼軸長(zhǎng)度。

1999年Haigis等通過(guò)改良PCI技術(shù)，推出了集合眼軸長(zhǎng)度、角膜曲率、前房深度、白到白等多參數(shù)眼生物參數(shù)測(cè)量?jī)x器，并可根據(jù)這些生物參數(shù)結(jié)合多種人工晶體計(jì)算公式為白內(nèi)障手術(shù)治療提供人工晶體度數(shù)的參考。其測(cè)量及成像部分的光路示意圖如圖1所示[23]。

基于PCI測(cè)量眼軸長(zhǎng)度的代表性產(chǎn)品為德國(guó)Zeiss公司的IOL Master 500，以波長(zhǎng)為780 nm的紅外激光二極管作為邁克爾遜干涉儀的光源，通過(guò)干涉儀中的分光部件將其分為兩路，分別經(jīng)干涉儀的樣品臂和參考臂反射后合束。合束后的光束沿視軸方向進(jìn)入人眼到達(dá)角膜及視網(wǎng)膜色素上皮層后反射，在一側(cè)干涉臂移動(dòng)過(guò)程中使兩束激光的光程差小于相干長(zhǎng)度時(shí)產(chǎn)生干涉，干涉信號(hào)經(jīng)APD接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并呈現(xiàn)，經(jīng)眼球屈光折射率的換算即可得到眼軸長(zhǎng)度，眼軸長(zhǎng)度測(cè)量范圍為14～40 mm[24-25]。

圖1 IOL Master 500 的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量光路系統(tǒng)示意圖Fig.1 IOL Master 500 eye axial length measuring optical path system schematic diagram

日本Nidek公司的AL-Scan光學(xué)測(cè)量?jī)x，主要采用830 nm的近紅外激光二極管作為探測(cè)光源，利用PCI技術(shù)進(jìn)行眼軸長(zhǎng)度的測(cè)量，眼軸長(zhǎng)度測(cè)量范圍為14～40 mm，并可實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)跟蹤和拍攝的功能[26-27]。此外該儀器通過(guò)提高算法信噪比實(shí)現(xiàn)對(duì)嚴(yán)重白內(nèi)障眼睛的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量，但對(duì)極其渾濁的白內(nèi)障無(wú)法屈光的眼睛，該儀器附帶一內(nèi)置超聲生物測(cè)量模塊來(lái)彌補(bǔ)光學(xué)測(cè)量的不足。

此外，基于低相干原理的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量，主要利用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的低相干反射(optical low coherence reflectometry，OLCR)原理設(shè)計(jì)，采用低相干光源如超輻射發(fā)光二極管(superluminescent diode，SLD)，使其在眼軸長(zhǎng)度測(cè)量上擁有更高的分辨率和準(zhǔn)確性[28-29]。與PCI原理不同的是，OLCR技術(shù)在光源上采用寬譜帶超連續(xù)光源，采用光纖傳導(dǎo)，可降低光源的強(qiáng)度，減少對(duì)患者眼睛的影響，且各散射光返回時(shí)不重疊，易區(qū)分得到多層結(jié)構(gòu)的信息[30]。其眼軸長(zhǎng)度測(cè)量主要利用眼球結(jié)構(gòu)各界面的反射與參考臂的反射光形成的干涉信號(hào)，從而得到眼球內(nèi)部一系列的軸向參數(shù)，包括：角膜厚度、前房深度(角膜后表面至晶體前表面)、晶體厚度、眼軸長(zhǎng)度。

基于OLCR測(cè)量眼軸長(zhǎng)度的代表性產(chǎn)品有美國(guó)Haag-Streit公司的Lenstar LS900，該儀器采用820 nm相干長(zhǎng)度約30 μm的SLD激光作為光源[28]。激光配合旋轉(zhuǎn)立方體以一定的重復(fù)率和速度發(fā)出縱向掃描光線(xiàn)，經(jīng)耦合器分為掃描光和參考光，通過(guò)旋轉(zhuǎn)立方體改變參考臂的光程長(zhǎng)，掃描光通過(guò)被測(cè)物分辨出屈光指數(shù)相近的組織，再與反射界面垂直的光束形成干涉信號(hào)進(jìn)行分析處理。結(jié)果顯示，眼軸的測(cè)量范圍為14～32 mm，分辨率可達(dá)10 μm。

天津索維公司的光學(xué)生物測(cè)量?jī)xSW-9000作為國(guó)產(chǎn)的新興產(chǎn)品在近兩年進(jìn)入市場(chǎng)，該儀器主要利用點(diǎn)光源820 nm的SLD通過(guò)低相干度光學(xué)反射測(cè)量技術(shù)，可在5 s內(nèi)完成單眼多參數(shù)測(cè)量，其原理圖如圖2所示[30]。主要利用標(biāo)尺光源作為內(nèi)源標(biāo)尺，利用標(biāo)尺光源樣品臂與標(biāo)尺光源參考臂的干涉波形，信號(hào)光源參考臂與信號(hào)光源零點(diǎn)臂的干涉波形，信號(hào)光源參考臂與信號(hào)光源樣品臂的干涉波形及照明板成像光路的成像一次精確的計(jì)算出眼球的全部生物參數(shù)。其獨(dú)特的光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)使測(cè)量信號(hào)信噪比更高，速度更快，精度更高。該設(shè)備的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量范圍為12～34 mm，精度可達(dá) 10 μm[31]。

日本Tomey公司的OA-2000[32]和日本Topcon公司的Aladdin[33]，這兩套儀器的測(cè)量原理相同都是基于低相干式反射，所采用的激光光源是波長(zhǎng)為820 nm的SLD。

綜上所述，目前基于光干涉技術(shù)的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量大致分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于PCI技術(shù)；一類(lèi)是基于OLCR技術(shù)。兩者的區(qū)別主要在于光源的不同以及干涉儀的光路搭建[34]。其中光源的區(qū)別： IOL Master500的光源為多模激光二極管(multimode laser diode，MMLD)，其光譜曲線(xiàn)是離散的，相干距離約為150 μm；而Lenstar LS900的光源則是連續(xù)的SLD，相干長(zhǎng)度約為30 μm[35]，兩者光譜如圖 3所示[34]。測(cè)量過(guò)程中，光源的不同導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果精度不同。對(duì)于MMLD，在組織界面的前后會(huì)產(chǎn)生一系列旁瓣次峰，而OLCR測(cè)量只是在組織的前后界面處產(chǎn)生單個(gè)峰值。如圖4所示，PCI技術(shù)只能得到視網(wǎng)膜RPE層的反射以及旁瓣；而OLCR技術(shù)可得到多個(gè)峰值，角膜前后面反射峰之間的距離即為角膜中心光學(xué)厚度，角膜后表面至晶體前表面的距離為前房光學(xué)深度，晶體前后面反射峰的距離為晶體中心光學(xué)厚度，而從角膜前表面至視網(wǎng)膜RPE反射面的距離為眼軸光學(xué)長(zhǎng)度。因此PCI技術(shù)只能在一次測(cè)量中獲得眼軸長(zhǎng)度，而OLCR技術(shù)則可以一次測(cè)量眼睛軸向的所有距離。

圖2 索維 SW-9000 的光路系統(tǒng)圖Fig.2 The optical path system diagram of SW -9000

圖3 兩種激光的理想光譜曲線(xiàn)Fig.3 The light spectrum of two ideal lasers

圖4 基于PCI和OLCR原理測(cè)量眼軸長(zhǎng)度測(cè)量的峰值顯示[34]Fig.4 The peak value of axial length measurement based on PCI and OLCR[34]

2.2 基于 OCT 成像原理的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量

基于相干技術(shù)測(cè)量眼軸長(zhǎng)度的方法是基于單軸線(xiàn)掃描，而OCT是涉及面掃描得到圖像來(lái)獲取眼球參數(shù)信息，受技術(shù)限制，OCT可以在mm量級(jí)厚度上進(jìn)行高分辨的成像，但是不能實(shí)現(xiàn)較大Z軸的掃描范圍，一般的OCT技術(shù)可能會(huì)受深度掃描的限制。

有研究使用超長(zhǎng)掃描深度OCT對(duì)眼球結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，采用840 nm的SLD，其分辨率為7.7 μm，但對(duì)視網(wǎng)膜部分成像并不夠清晰，且成像長(zhǎng)度較短[36]。

Fan等在先前的雙通道雙焦點(diǎn)系統(tǒng)[37]的基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的改進(jìn)，并采用雙中心帶寬為840 nm及1050 nm來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)眼睛前后節(jié)分別進(jìn)行成像。減少了樣品中散射光信號(hào)的損失，通過(guò)分離兩掃描光束的同時(shí)也擴(kuò)展了掃描范圍，并實(shí)現(xiàn)眼睛前后節(jié)同時(shí)成像[38]。

Grulkowski等使用掃頻OCT對(duì)眼球進(jìn)行成像測(cè)量，采用中心波長(zhǎng)為1065 nm的掃頻光源利用垂直腔面發(fā)射激光，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)眼睛后半部分結(jié)構(gòu)清晰成像，但該系統(tǒng)對(duì)光源要求非常高[39-40]。

IOL Master700是德國(guó)Zeiss公司的新款眼科生物測(cè)量?jī)x器，其主要基于掃頻OCT(sweptsource optical coherence tomography，SS-OCT)技術(shù)，使用不同的頻率掃描眼睛不同深度的光截面圖像來(lái)得到眼參數(shù)信息[41-42]，該儀器的眼軸測(cè)量范圍為14～38 mm。在對(duì)特殊眼(如晶狀體分散或傾斜等)檢測(cè)時(shí)，可以更及時(shí)地被發(fā)現(xiàn)，相比于PCI及OLCR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)采集。由于可以通過(guò)對(duì)黃斑區(qū)中心凹進(jìn)行成像，因此降低由于固視不正所導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)[43-44]。

3 總 結(jié)

眼睛擔(dān)負(fù)著人80%信息獲取的來(lái)源，直接影響著人的日常生活，而隨著電子產(chǎn)品的普及，特別是青少年兒童過(guò)早地接觸了包括手機(jī)、平板、電腦等電子產(chǎn)品，極大影響了視力發(fā)育，形成了大量的屈光不正，特別是近視問(wèn)題。此外，由于戶(hù)外活動(dòng)減少等問(wèn)題，青少年眼病也逐年增加，盡早地監(jiān)測(cè)眼生物參數(shù)，能有效預(yù)防視力的減退。而中國(guó)也逐漸步入老年社會(huì)，白內(nèi)障等眼病也呈高發(fā)態(tài)勢(shì)，白內(nèi)障最理想的治療方案就是人工晶體替換，這些日?；蚺R床眼病的防治，都對(duì)眼軸長(zhǎng)度測(cè)量的精確度提出更高的要求。傳統(tǒng)的超聲測(cè)量技術(shù)由于接觸測(cè)量、精度低、速度慢等種種弊端已逐漸被光學(xué)手段所替代。然而，針對(duì)晶體高度混濁的臨床病人，光學(xué)手段因?yàn)橥高^(guò)率不良，眼軸長(zhǎng)度很難獲得，超聲手段依舊是晶體混濁眼眼軸長(zhǎng)度測(cè)量的備選方案。在未來(lái)的眼生物參數(shù)測(cè)量方面，將有可能將OCT的斷層掃面與眼軸長(zhǎng)測(cè)量結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全眼高精度的眼生物參數(shù)測(cè)量，即實(shí)現(xiàn)眼前節(jié)OCT和眼后節(jié)OCT的組合，一次掃描實(shí)現(xiàn)角膜曲率、角膜厚度、前房深度、晶體厚度和眼軸長(zhǎng)度等的參數(shù)獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)眼底斷面的圖像。