文 吳盛蘭

近年來(lái)，人眼視覺(jué)和成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)研究逐漸受到了眼科醫(yī)生的重視。目前臨床上使用較多的視光檢查方法，包括視力檢查、主客觀屈光驗(yàn)光、對(duì)比敏感度等，都是以大腦知覺(jué)為基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)客觀物理刺激進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)的心理物理學(xué)方法，通常會(huì)受到被測(cè)試者的情緒、心理狀態(tài)及理解力等因素的影響。此前波前像差儀在臨床上主要用于檢測(cè)眼的高階像差，用于個(gè)性化角膜切削手術(shù)方面，因此大量的研究報(bào)道也集中于此，相比較而言，對(duì)人眼低階像差（即“眼的屈光狀態(tài)”）的測(cè)量研究則很少。本文旨在探討Visionix L80波前像差儀在屈光不正檢查中的應(yīng)用，希望通過(guò)全息鏡片技術(shù)的運(yùn)用，改善低階像差屈光不正人群的視銳度。

1 波前像差儀的原理

1.1 波前像差的定義

按照光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，光線是一種波動(dòng)前進(jìn)的電磁波，波傳播到某一位置處時(shí)等相位面組成的曲面稱為波前。因此，波前是一個(gè)面而不是一條線。具體而言，波前像差就是當(dāng)光線的矩陣軌跡形成波前，與理想的球面波相比較時(shí)兩者之間存在的偏差。

作為一種光學(xué)測(cè)量方法，波前像差最早應(yīng)用于天文學(xué)，主要用于改善遠(yuǎn)距離攝影所面臨的像差問(wèn)題。此后，隨著準(zhǔn)分子激光角膜屈光手術(shù)的開(kāi)展，波前像差的測(cè)量設(shè)備和方法得到了飛躍性的提升，使人們能夠跳出幾何光學(xué)的局限，對(duì)人眼的屈光矯正有了更新的認(rèn)識(shí)。運(yùn)用像差理論能夠更全面地解釋人眼屈光異常的各種問(wèn)題。在幾何光學(xué)中，屈光不正是指光線通過(guò)人眼屈光介質(zhì)后將匯聚成為一個(gè)焦點(diǎn)或光斑。而波前像差則是從光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)出發(fā)，著重考慮角膜面上每一點(diǎn)波前與理想波前的光程差。

1.2 波前像差儀的工作原理

目前，應(yīng)用于臨床上的波前像差儀有多種原理設(shè)計(jì)，本文主要介紹采用Hartmann-Schack原理的客觀像差儀（見(jiàn)圖1）。Hartmann-Schack波前感受器在波前像差的測(cè)量方法史上具有重要意義：該測(cè)量方法也稱為“外向型測(cè)量法”，其原理是通過(guò)一束直徑大約1nm的激光聚焦在人眼黃斑上，反射的光線通過(guò)人眼系統(tǒng)射出眼睛，形成波前像差，并被瞳孔入口處的波前探測(cè)器捕獲。反射出來(lái)的光線波前射入微透鏡陣列時(shí)，被分解為子波前并聚焦成像為光斑，光斑的焦點(diǎn)位置與理想波前的傾斜角與位移反應(yīng)了人眼整體的波前形態(tài)，顯示出不同階的像差。

圖1

1.3 波前像差儀在臨床中的應(yīng)用

近年來(lái)，波前像差技術(shù)已廣泛應(yīng)用于眼科臨床領(lǐng)域的研究。波前像差儀在臨床應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了像差儀與準(zhǔn)分子激光個(gè)性化切削手術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：實(shí)現(xiàn)了波前像差儀與準(zhǔn)分子激光治療機(jī)的直接連接，測(cè)完像差之后可以馬上在1500Hz高速跟蹤頻率下進(jìn)行準(zhǔn)分子激光個(gè)性化超小光斑飛點(diǎn)式切削，從而消除人眼像差，使激光矯正后的人眼視力達(dá)到理想程度。

波前像差儀既能為傳統(tǒng)的屈光不正提供良好的檢測(cè)手段，同時(shí)又能較全面地反映屈光系統(tǒng)的整體像差，而綜合驗(yàn)光的結(jié)果又能作為屈光手術(shù)的主要依據(jù)，因此，兩者在屈光角膜手術(shù)中均是重要的檢查項(xiàng)目。采用波前像差引導(dǎo)的角膜屈光技術(shù)，可以進(jìn)行有針對(duì)性的個(gè)體化激光切削手術(shù)，使高階像差的矯正成為可能，讓患者視網(wǎng)膜成像更完善，視覺(jué)質(zhì)量更好。

2 屈光不正的多階像差理論

2.1 傳統(tǒng)驗(yàn)光

科學(xué)研究表明，正常人眼并非完美的屈光系統(tǒng)，而是存在著一定程度的像差（以低級(jí)像差為主），以往傳統(tǒng)的電腦驗(yàn)光儀和綜合驗(yàn)光方法只能檢查屈光偏差的規(guī)則部分（球鏡和柱鏡），而對(duì)復(fù)雜的不規(guī)則、非對(duì)稱的散光則缺乏有效的檢測(cè)方法和矯正措施。因此，一部分人在驗(yàn)光配鏡后，視力達(dá)不到理想效果。這也是傳統(tǒng)驗(yàn)光儀器的局限性所在。

2.2 利用波前像差函數(shù)得出的低階像差與高階像差

通過(guò)波前像差函數(shù)計(jì)算可將波前像差分解成多階成分。常用的Zemike多項(xiàng)式為7階35項(xiàng)，每一項(xiàng)系數(shù)代表了相應(yīng)的像差量，其中低階像差和傳統(tǒng)像差相對(duì)應(yīng)。計(jì)算以均方根（root means squares，RMS）值來(lái)表示總體像差和組成總像差的各個(gè)分階像差的大小。根據(jù)相差大小分為低階相差和高階相差，其中，低階相差包括：傾斜、離焦和散光；高階像差包括：彗差、球差、二階球差、三葉草、四葉草和不規(guī)則散光。

2.2.1 低階像差

指第1、2階像差。具體為離焦、散光等傳統(tǒng)屈光問(wèn)題。第1階像差是指x、y軸的傾斜。第2階像差包括離焦和0°與45°方向的散光等3方面內(nèi)容。有關(guān)研究顯示，同階像差中，離焦相差比散光相差對(duì)視物的清晰度影響更大。

2.2.2 高階像差

指第3階及以上像差。具體為不規(guī)則散光等屈光系統(tǒng)存在的其他光學(xué)缺陷。高階像差的每一階各包括許多項(xiàng)，每一項(xiàng)代表不同的內(nèi)容。例如：高階像差第3階包括彗差、三葉草樣散光等4項(xiàng)內(nèi)容。第4階不僅包括球差，還涉及更多項(xiàng)不規(guī)則散光等內(nèi)容。位階越高，像差內(nèi)容越復(fù)雜。有關(guān)研究顯示，不同像差對(duì)人眼視覺(jué)功能的影響各不相同，但有些項(xiàng)的真正光學(xué)含義與視覺(jué)功能之間的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

2.2.3 波前像差圖

由于Zernike多項(xiàng)式是用數(shù)字表達(dá)人眼的波前像差，為了臨床觀察更加直觀，可通過(guò)Zernike函數(shù)重建成波前像差圖。波前像差圖既可以是二維平面圖，也可以是三維立體圖（見(jiàn)圖2）。不同類型的像差圖形不一，例如單純離焦形成的波前像差為拋物線形，散光形成的波前像差則如沙漏狀（不同顏色可顯示像差的程度）。

圖2

2.3 人眼波前像差的成因和影響因素

2.3.1 人眼波前像差形成的原因

實(shí)際生活中，任何人眼成像不可能絕對(duì)清晰和完全不產(chǎn)生變形。主要原因是：首先，光學(xué)系統(tǒng)必須通過(guò)一定的通光孔徑才能觀察到一定范圍內(nèi)的物體，因?yàn)槿肷涔獠⒎嵌际墙S光線，且光束間的張角存在很大差別，隨著張角增大，成像與實(shí)際物的偏差就越大。其次，實(shí)際生活中的物體是立體的，且大小不同，因此各個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的傾斜光束不能保持為近軸光束，所成的像也不可能在同一平面上。第三，實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體上各點(diǎn)的放大率不可能相同。上述情況導(dǎo)致在成像過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種成像缺陷（這些成像缺陷可用若干像差來(lái)描述）。

2.3.2 影響人眼波前像差的因素

人眼是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，由于年齡、瞳孔大小、調(diào)節(jié)、屈光狀態(tài)、光線波長(zhǎng)、角膜形態(tài)等不同因素的影響，會(huì)出現(xiàn)不同的像差。

在眾多因素中，本文只介紹瞳孔大小的影響（因?yàn)樵诒疚陌咐惺褂玫牟ㄇ跋癫顑x只能對(duì)2種瞳孔的像差進(jìn)行測(cè)量）。

瞳孔大小：瞳孔直徑為2mm時(shí)，限制人眼視覺(jué)質(zhì)量的因素主要是衍射，當(dāng)瞳孔直徑較大時(shí)（≥3mm），像差成為主要因素。隨著瞳孔直徑增大，高階像差隨之成倍增長(zhǎng)，這種情況在屈光手術(shù)后變得更加明顯。這是因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，由于人眼的適應(yīng)機(jī)制的作用，尤其是正常瞳孔大小時(shí)的光欄作用，都使人眼高階像差處于一個(gè)合理的低水平。隨著瞳孔的逐漸增大，越往周邊，光線經(jīng)過(guò)的眼屈光介質(zhì)越不完美，因此，瞳孔大小對(duì)像差的影響明顯。在小瞳孔下，4階及以上的高階像差對(duì)視覺(jué)質(zhì)量的影響可能不明顯，但在大瞳孔下，更高階像差的影響則變得格外顯著。

2.3.3 人眼像差的主要組成

目前，眼科學(xué)把人眼總體的波前像差分成兩個(gè)部分：角膜前表面的像差和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的像差。

2.3.3.1 角膜前表面像差

研究表明，角膜前表面的波前像差被內(nèi)部結(jié)構(gòu)代償，導(dǎo)致眼睛總體的像差減小，進(jìn)而產(chǎn)生良好的視覺(jué)質(zhì)量。因此，僅僅測(cè)量角膜前表面的像差不能充分評(píng)估眼睛的視覺(jué)質(zhì)量，但是角膜前表面作為人眼主要的屈光結(jié)構(gòu)，很有可能是造成人眼像差的主要組織結(jié)構(gòu)。

除了散光，球差過(guò)去被認(rèn)為是角膜的主要像差，但是隨著角膜地形圖的開(kāi)發(fā)利用和對(duì)角膜前表面的像差研究不斷深入，彗差和其他高階像差的重要性得到了人們的充分認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)角膜地形圖高度值的換算，得到角膜前表面的波前像差值，就可以更加精確地描繪出波前像差圖。

從各項(xiàng)研究來(lái)看，整個(gè)人眼波前像差個(gè)體差異很大，研究結(jié)果顯示，對(duì)應(yīng)波前像差的各階而言，前4階像差的值相對(duì)較大，變化的幅度也較大，第5、6階像差的值相對(duì)較小，變化的幅度也相應(yīng)減小。

2.3.3.2 人眼像差的補(bǔ)償

在人眼中，角膜前表面是主要屈光結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的屈光作用大概占人眼整體的70%，但是角膜前表面像差在人眼整體中所占的比重因人而異，甚至因眼而異：即同一個(gè)人的左右眼像差也存在較大差異。對(duì)于一部分人眼，角膜前表面的像差大概與眼睛總體像差相同，對(duì)于另外一些人眼，角膜前表面的像差大概占眼睛整體波前像差的90%（有一部分被內(nèi)部結(jié)構(gòu)所補(bǔ)償，才使得眼睛總體像差值較?。?。

以往的研究表明，在球差和總體像差上，角膜前表面的波前像差被內(nèi)部結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)淖饔梅浅Ｃ黠@。但是相對(duì)于一些人眼，角膜前表面的像差比眼睛整體像差小很多，這意味著對(duì)于眼睛整體像差來(lái)說(shuō)，角膜前表面僅貢獻(xiàn)了很少的部分，在這種情況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加了眼睛整體像差的一部分。另一方面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)角膜前表面像差的作用因人而異，有時(shí)候表現(xiàn)為代償作用，有時(shí)候則表現(xiàn)為在角膜前表面像差的基礎(chǔ)上增加了整體的像差。

科學(xué)研究證明，存在輕度屈光不正的人群中，不論是年輕人或是老年人，加上散光時(shí)，角膜的像差RMS值大多數(shù)情況下大于眼睛整體或是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的RMS值，這說(shuō)明在我國(guó)的普通人群中，角膜前表面是造成眼睛整體波前像差的主要因素。值得注意的是，在不加散光時(shí)，角膜前表面的像差明顯小于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的像差，這就意味著內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)更高階的像差的貢獻(xiàn)大于角膜前表面，角膜前、后表面之間的像差也存在補(bǔ)償關(guān)系。實(shí)際上，人眼對(duì)像差的補(bǔ)償現(xiàn)象不僅存在于光學(xué)系統(tǒng)，還包括神經(jīng)性補(bǔ)償，即大腦可能會(huì)通過(guò)一系列神經(jīng)調(diào)整產(chǎn)生補(bǔ)償作用，使視覺(jué)功能得到改善。

3 波前像差儀的具體應(yīng)用

本文采用以色列的Visionix L80波前像差儀，并利用其檢查結(jié)果，對(duì)屈光不正人眼的實(shí)際矯正案例進(jìn)行分析。

3.1 Visionix L80波前像差儀簡(jiǎn)介

Visionix L80波前像差儀是根據(jù)Tracey技術(shù)光路追跡原理，將一束0.3mm直徑的紅外激光束（波長(zhǎng)785nm）投射進(jìn)人眼瞳孔區(qū)，激光束經(jīng)眼球屈光系統(tǒng)折射和視網(wǎng)膜反射后，穿過(guò)一個(gè)透鏡聚焦在外界傳感器上，通過(guò)測(cè)量位置傳感器上激光束的位置，就可以間接測(cè)量激光束在視網(wǎng)膜上的位置。此過(guò)程需持續(xù)發(fā)射1500個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)，點(diǎn)越多就越能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

該設(shè)備內(nèi)包含一套用于患者固視的自動(dòng)視標(biāo)系統(tǒng)，在波前像差和驗(yàn)光模式下，固視視標(biāo)用于自動(dòng)霧視，以減小患者在測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的影響。在調(diào)節(jié)力測(cè)量模式下，視標(biāo)先移動(dòng)到自動(dòng)霧視的位置，然后慢慢靠近患者，患者為了看清這個(gè)視標(biāo)，會(huì)主動(dòng)進(jìn)行人眼調(diào)節(jié)，此時(shí)設(shè)備會(huì)記錄下患者的調(diào)節(jié)力數(shù)值。設(shè)備可自動(dòng)監(jiān)測(cè)患者不能調(diào)節(jié)（放棄調(diào)節(jié)）的那個(gè)點(diǎn)，并結(jié)束測(cè)量，最后屏幕上就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果圖表（圖表顯示出不同視標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的人眼屈光度的變化），數(shù)據(jù)表里也會(huì)顯示針對(duì)不同年齡的典型調(diào)節(jié)力以作比較。

通過(guò)波前像差儀與綜合驗(yàn)光對(duì)屈光狀態(tài)的檢查結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)近視球鏡（輕度、中度、高度）、近視柱鏡、散光軸向差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這一結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)波前像差儀在暗室環(huán)境下對(duì)低階像差的測(cè)量同樣能夠準(zhǔn)確反映人眼的屈光狀態(tài)。同時(shí)，眼睛像差圖可以顯示全部的像差或僅是高階像差。

3.2 波前像差數(shù)據(jù)與其他檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析

圖3

表1 L80波前測(cè)量模式選項(xiàng)

在設(shè)備檢測(cè)出高階像差和低階像差數(shù)據(jù)后，結(jié)合角膜地形圖分析整個(gè)人眼的全部數(shù)據(jù)：例如一個(gè)患者在角度45°處有1μm慧差和-0.5μm的球差，角膜地形圖會(huì)顯示相應(yīng)瞳孔區(qū)域上這兩個(gè)像差的聯(lián)合。角膜地形圖計(jì)算可以利用整個(gè)瞳孔區(qū)域內(nèi)的哈德曼點(diǎn)陣，局部地形圖取決于不同的計(jì)算，每一塊區(qū)域都計(jì)算球差、柱鏡、棱鏡和慧差，基于這些計(jì)算的位置就會(huì)在地形圖上顯示出來(lái)，眼睛內(nèi)的局部缺陷就能很清楚地看到。

3.3 波前像差儀檢測(cè)結(jié)果在屈光矯正中的應(yīng)用

波前像差儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)除了可用于角膜激光手術(shù)，還可以通過(guò)最新全息鏡片進(jìn)行屈光矯正。其原理是通過(guò)納米級(jí)激光雕刻工藝，根據(jù)個(gè)人波前像差和角膜地形圖數(shù)據(jù)，在鏡片表面制成像素級(jí)的精密對(duì)焦，使患者在配戴后能夠?qū)崿F(xiàn)全視網(wǎng)膜多焦點(diǎn)對(duì)焦。全息鏡片的主要優(yōu)點(diǎn)包括全方位貼合角膜曲線、像素級(jí)對(duì)焦，鏡片最高能達(dá)到1500個(gè)焦點(diǎn)，能消除不規(guī)則光波，接近無(wú)失真圖像，并進(jìn)行像差彌合，實(shí)現(xiàn)全視角自由視。在目前已知的案例中，全息鏡片能較好地改善相同屈光不正度數(shù)下的人眼視銳度，使患者的視覺(jué)質(zhì)量明顯提高，這也是框架眼鏡新的發(fā)展方向。

4 總結(jié)

波前像差儀在測(cè)量操作中，只需要具備暗室環(huán)境，不需要藥物散瞳，而且在進(jìn)行高階像差檢查的同時(shí)，還能提供可靠、準(zhǔn)確的屈光檢查結(jié)果。這就為一些不想進(jìn)行擴(kuò)瞳驗(yàn)光但又想準(zhǔn)確知曉其屈光度的患者提供了便捷，對(duì)兒童早期近視的防治具有重要意義。

總體來(lái)看，波前像差技術(shù)是近年來(lái)用于評(píng)價(jià)光學(xué)矯正質(zhì)量的一種先進(jìn)方法，但仍有許多問(wèn)題需要解決，例如調(diào)節(jié)對(duì)像差測(cè)量的影響、像差儀的精確性與可重復(fù)性、視錐細(xì)胞與像差的方向性選擇等。此外，人眼組織究竟如何產(chǎn)生像差以及哪些因素可引起像差的改變等，尚不十分確定。特別是基于波前像差檢測(cè)結(jié)果加工的全息鏡片，目前還沒(méi)有累積到足夠多的臨床經(jīng)驗(yàn)與案例，還需進(jìn)一步探索和實(shí)踐。但不可否認(rèn)的是，波前像差技術(shù)的應(yīng)用為人眼視覺(jué)質(zhì)量的提高提供了新的方法和手段?？梢灶A(yù)見(jiàn)，波前像差技術(shù)在眼科及視光學(xué)領(lǐng)域中具有十分重要的臨床應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

5 展望

從科學(xué)角度而言，運(yùn)用波前像差技術(shù)可以得到一種獨(dú)特的“眼睛指紋”，能夠測(cè)量眼睛視路范圍內(nèi)的像差變化情況。了解并掌握人眼像差對(duì)視力的影響，不僅能夠進(jìn)一步提高眼鏡驗(yàn)配質(zhì)量，而且從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，波前像差儀有可能成為新一代的常規(guī)驗(yàn)光設(shè)備。特別是近年來(lái)，波前像差儀和角膜地形圖儀的結(jié)合，使專業(yè)人員能夠準(zhǔn)確判斷全眼球像差主要是源于角膜像差還是眼內(nèi)像差，大大提升了視功能檢查的準(zhǔn)確性。而隨著全息鏡片的出現(xiàn)，波前像差儀在屈光矯正中將發(fā)揮更大的作用。