角膜地形图测量工具的比较及其临床应用

1、角膜地形图测量工具的比较及其临床应用        【摘要】     近年来角膜形态测量已成为眼视光学研究和临床应用的重要组成部分。我们重点分析并比较了目前常用的3种角膜地形图测量系统：Placido盘为基础的角膜地形图仪，Orbscan和Pentacam眼前节测量分析系统，三者的测量优势、局限性及临床应用。     【关键词】  角膜地形图；Placido；Orbscan；Pentacam  &

2、#160; Comparison of corneal topography measurement tool and its clinical applicationYi Yin, YanLing Wang, YueGuo ChenDepartment of Ophthalmology, Beijing Friendship Hospital Affiliated to Capital Medical University, Beijing 100050, China; Eye Center of Beijing University, Beijing 100083, ChinaA

3、bstractRecently topography systems have played a more important role in the field of optometry. In our review, we compared the advantages, limitations and clinical applications of Placidobased corneal topography system, Orbscan, and Pentacam anterior segment analysis system.KEYWORDS：topography; Plac

4、ido; Orbscan; Pentacam0引言    近年来，随着屈光性手术、角膜移植手术的广泛开展，角膜地形图为研究者提供了大量角膜形态信息，已成为眼科学和视光学必不可少的测量工具。我们根据近年来的文献报道，分析比较了各种常用的角膜地形图测量系统的优势、局限性及临床应用。1工作原理及测量参数1.1角膜曲率计  1856年，由Helmholtz设计的角膜曲率计测量的是相互垂直方向上的角膜曲率半径及屈光力，测量范围为角膜中央3mm内。它假定角膜为圆柱球形体，应用镜面反射原理，计算角膜曲率值1。1.2 Placido盘  1880年问世的Pla

5、cido盘是一个黑白相间的同心圆环。检查者需通过盘中的小孔观察被检者角膜上的同心环像。它用环的宽度表示角膜平坦或陡峭。临床上Placido盘能够发现较大量的角膜变形，如中度圆锥角膜、严重的散光、不规则散光等1。1.3计算机辅助角膜地形分析系统  1980年计算机辅助角膜地形分析系统(角膜地形图仪)问世，它根据Placido盘原理，将角膜图像用摄像机记录下来，然后用计算机分析并转化为数字信息后重建角膜表面形态，用颜色编码得到角膜地形图。这种类型的机器有：TMS角膜地形图系统、Eyesys System 2000角膜地形图系统等2。角膜地形图仪同样是根据镜面反射原理：Plaido各环发出

6、的光线，经过角膜表面反射后所成的虚像由摄像系统接收。我们可以从像的大小计算出角膜面的曲率。测量参数34：（1）表面不规则指数（SAI）：角膜中央距180°子午线相应点的角膜屈光力差的总和。此值越大表示角膜表面越不规则。（2）表面规则指数（SRI）：主要表示角膜光学区的光学质量。它与PVA有很好的相关性。（3）模拟角膜曲率值（Simk）：代表角膜中央区7，8，9三环两相垂直的子午线角膜曲率，等同于角膜曲率计读数。（4）角膜潜视力（PVA）：是指眼的视网膜、视神经及屈光间质正常时，角膜可获得的视力。通过比较PVA与实际矫正视力可以分辨出患者视功能障碍是角膜源性还是非角膜源性。（5）角膜下

7、方与上方平均屈光力的差值(IS值)：在距角膜中央3mm的圆周上以相同的间隔各自取5个数值求平均值，代表角膜下方与上方平均屈光力，然后求其差值。1.4根据三角测量技术的Orbscan角膜地形图系统  1997年Orbtek 公司（美国）生产的Orbscan应用于临床及科研。它分别从左右两边发射20条裂隙光以45°投射于角膜进行水平扫描。共拍摄到40 个裂隙切面，每个切面得到240 个数据，共9 600个数据，最后计算出全角膜前、后表面的高度、角膜前表面屈光力地形图及全角膜厚度图。此外，它还可检测前房深度、晶状体厚度等参数。这个系统和镜面反射无关，它根据光线透过角膜组织发生散射

8、的图像，通过三角测量得出相对于参考平面的角膜前后表面高度值。这个系统的几何原理和rastersterography或者fringe projection（条纹投照方法）相似5。在Orbscan中，由Orbscan系统加Placido盘组成，同时结合了Placido盘镜面反射测量的角膜表面坡度，得到角膜曲率。测量对象和参数：（1）高度：角膜的高度地形彩色编码图显示角膜与一参考平面的相对高度。（2）Diff值： Diff值是每个角膜实际测得的后表面顶点距理想参考球面基准值两者之间的差值。（3）曲率：结合了Placido盘镜面反射测量的角膜表面坡度，得到角膜曲率。（4）厚度：全角膜的厚度是根据角膜前

9、后表面的高度差而获得的。软件同时也能够辨别角膜的最薄点及它的定位。（5)前房深度和晶状体厚度。1.5 Pentacam眼前节测量及分析系统  德国Oculus公司生产的Pentacam眼前节测量分析系统集3D前房分析、角膜测厚、角膜地形图、白内障分析于一体，是世界上第一台根据Scheimpflug成像原理进行旋转扫描三维测量的眼科仪器。根据Scheimpflug定律：移动三个平面，如被摄图像平面、镜头平面和胶片平面彼此相交于一条线或一个点，便可获得更大的焦深（图1）。因此Scheimpflug相机比普通相机聚焦景深更大，图像更清晰。Pentacam内置的Scheimpflug摄像机，

10、在2s内，通过旋转扫描得到共轴的50幅裂隙图像，每张图像包含500个点，最终每个层面产生25000个真实的高度点，它的中心还有一台摄像机用于监视眼球的运动并进行内部校正69。测量对象和参数：（1）角膜前后表面高度；（2）角膜厚度：由前后表面高度差得到；（3）角膜曲率：由高度图推导出，结果唯一；（4）前房分析参数：前房角、前房容积、晶状体密度等。2测量优势及局限性比较2.1角膜曲率计  可同时得到角膜曲率值和屈光度值。有测量快捷、价格低廉等优点，特别适于检查规则角膜，是临床上测量角膜曲率的重要方法。但是有以下局限：（1）测量范围小：角膜中央3mm内。（2）对于正常规则的角膜，角膜曲率计

11、具有高度准确性和可重复性1。但人的角膜并不是完全规则的球面。（3）它只能测量角膜中央相互垂直的子午线变陡和变平度数，但角膜变陡既可提示圆锥角膜，也可由高度规则散光造成，有些不规则散光并没有角膜中央的明显变陡。所以它并不能测量出更细微的角膜变化及全角膜形态，因此在临床工作中受到限制。2.2以Placido盘为基础的角膜地形图仪  Placido盘相比角膜曲率计测量范围大，更能全面的表现角膜形态。局限性：（1）不能发现角膜细小变化，只能对角膜形态进行粗略的定性描述。如，大致看到圆锥角膜的局部解剖变化；（2）测量范围受限：在检查时要将Placido盘移近角膜或增加盘的直径才能显示出角膜周边

12、部，但这样会使鼻、眼睑在角膜表面形成阴影，遮挡影像。由于光轴处光线不反射，因此缺乏中央角膜信息。相比，Orbscan和Pentacam则可测量包括角膜缘的全角膜范围；（3）当角膜上皮缺损、基质溃疡时不能成像；（4）当角膜存在高度不规则改变时，Placido盘的影像经常交织在一起，难以从量上进行描述；（5）Placido盘检查的可重复性较差10。以Placido盘为基础的角膜地形图仪是用计算机分析Placido盘的反射图像并转化成数字信息，它可以定量分析角膜表面，比Placido盘的定性分析有着质的飞跃，但是它们都是基于Placido盘反射原理，有着相似的局限性。另外，Placido盘镜面反射方

13、法假设角膜的光轴和成像系统的光轴在一条直线上，它对光轴上的移位非常敏感，因此容易产生误差11，12。Orbscan和Pentacam则不需要非常精确的对位于角膜中心，在测量角膜高度时也不会造成错位误差5。更重要是，角膜地形图仪是通过拍摄Placido盘的反射图像后，测量每一环上各点的角度并进行数学重建，因此得到的角膜地形图只是角膜表面屈光力图，不是真正的角膜地形4。屈光手术的进步，将更多地有赖于真实角膜形态的精确分析，不能通过曲率分析确定真实的角膜形态。另外，基于Placido盘的角膜地形图测量的曲率大小也取决于参照面，参照点或观察角度的改变将导致曲率改变（图2）。任何角膜手术后或角膜形状的改

14、变，参照点均可发生改变。2.3根据三角测量技术的Orbscan角膜地形图系统   Orbscan的优势是根据三角测量技术得到包括角膜厚度和角膜前后表面高度的地形图。但是其角膜前表面曲率不是由高度推算出的，仍根据Placido盘镜面反射像计算出角膜曲率图。图1  A:普通照相机，缺点：被摄平面、镜头平面及胶片平面平行，焦深有限；B:Scheimpflug 照相机，优点：被摄平面、镜头平面及胶片平面相交于一点可获得较大焦深。（略）图2参照点不同或者观察角度不同导致曲率改变。（略）2.3.1角膜地形及角膜屈光力方面  刘祖国等13研究用Orbscan获取Sim

15、 K值与Bogan等14报道的应用TMS1角膜地形图仪的结果相符，散光度数也与Bogan等14及Naufal等15(应用PAR系统) 的结果相符，所得的角膜高度地形图图形及角膜曲率图图形构成比与应用PAR及TMS1系统所得结果相似，说明Orbscan在检测角膜曲率及地形图图形方面，其精确性及准确度与PAR及TMS1角膜地形图仪基本相同。目前用于研究角膜地形及屈光力方面的方法及仪器很多，比如:角膜地形图仪、角膜曲率计等，但各自的应用局限性也是非常显著的，它们只能对角膜前表面地形图及屈光力进行分析，表达也并不是真正的角膜地形。研究已证实角膜后表面地形同前表面一样对角膜屈光力的影响较大。Orbsca

16、n可以测量整个角膜前后表面的地形，因此具有较高的临床实用价值。2.3.2角膜厚度方面  当前测量角膜厚度较常用的有裂隙灯光学测厚仪、超声测厚仪、超声生物显微镜（UBM)、共焦显微镜测量法等16。临床上这些方法各有其优缺点。Orbscan测量结果的准确性与较常用的超声方法相当，其优势在于：可以获得全角膜的厚度、非接触性、测量时间短、不受组织水合作用影响、可测量角膜任意点、不对角膜造成压力。而超声的准确性受探头是否垂直角膜表面影响，定位点不易标准化。有报道1718，两者对角膜测厚结果有一定差异。Yayali等17认为Orbscan测量角膜厚度更有价值，其测量值大于超声测量值2328m。差

17、异的原因可能是超声波测定法探头接触角膜，而Orbscan测量的角膜厚度还包括覆盖角膜表面的一层740m厚的泪膜19，在临床应用时应予注意。2.3.3 Orbscan还可以测量前房深度和晶状体厚度2.3.4测量范围  比起角膜曲率计只能测量角膜中心3mm，角膜地形仪测量角膜中心7mm来讲，Orbscan可以测量包括角膜缘范围的全角膜表面形态。2.3.5测量轴位  不像Placido盘，要求角膜光轴和成像系统光轴在一条直线上，对光轴上的移位非常敏感。Orbscan通过三角测量方法不需要非常精确的对位于角膜中心，因此在测量时也不会造成错位误差。比Placido盘重复性和精确度要高

18、5。2.4 Pentacam眼前节测量及分析系统  Pentacam和Orbscan同样都可以测量角膜前后表面高度及角膜厚度，都是角膜地形图测量上的飞跃。Pentacam是以Scheimpflug光学原理为基础，不但比传统角膜地形图测量仪精确性更高20，在筛查临床前期圆锥角膜时，还可以补充更有意义的角膜后表面参数21,22。其优势表现有以下几点。2.4.1测量范围  可以完整描述从角膜缘到角膜缘的全角膜形态。2.4.2角膜曲率和角膜前后表面高度  Pentacam的测量方向和参考点的轴位无关，得到的曲率更加精确。Placido盘原理的角膜地形图仪得到的曲率大小取决

19、于参照面，同一位点角膜曲率可能由于测量方向和参考点的位置不同而不同，导致曲率地形图不是唯一（如2.2述），Obscan前表面曲率图也不是从高度图推导的，具有相同局限性。而Pentacam测量的角膜表面高度图表示角膜真实形态，与轴、方位无关，其他所有图形（包括曲率图）均可从精确的高度数据推导出。其曲率是从属的，是高度的推导值。一个精确的高度数据仅产生一个曲率图。相反，具有相同“曲率”的两个物体，“高度”却可以不同。根据Pentacam测量的角膜后表面高度，可以在屈光手术前有效地筛查临床前期圆锥角膜及确诊临床期圆锥角膜23。2.4.3角膜中心  Pentacam的旋转扫描在角膜中心点得到

20、更多数据。Placido摄像机在中心，中心点反光最弱，中央测量值是推测出来的，可能为旁中心测量7。2.4.4对位  Pentacam实时监视眼球运动并进行内部校正，定位准确。Orbscan不能监测被检眼是否追踪裂隙灯光，因此角膜后表面的测量常不够准确24,25。2.4.5共轴图像获取  Pentacam旋转扫描角膜，每个层面产生25000个真实的高度点，这种共轴图像获取的方法更精确。而Orbscan则为水平扫描，每个角膜获取9600个数据。由于Orbscan从一个方位获图像且均匀分布测量点，因此一个方向的一张图像错误可能会影响整个的三维模型26。2.4.6角膜厚度 

21、; 定位准确，可重复性好。有人认为：Pentacam与超声测厚相当，因为应用Scheimpflug图像，Pentacam比其它裂隙图像系统有和超声测厚更好的相关性，但还需进一步证实27。2.4.7景深  Pentacam的Scheimpflug图像景深大，图像非常清晰。Orbscan受景深限制，扫描不出高质量的图像，结果有时有问题，所以需联合使用Placido系统。2.4.8其他临床应用  Pentacam三维眼前节分析可测量并显示前房角，计算前房容量、前房深度、瞳孔直径和晶状体厚度，同时具有手动测量功能，也可以进行白内障分析。Orbscan只计算前房深度不能产生前房深度图

22、，也不能对白内障进行评估和重现。局限性：Pentacam不能测量眼轴，不能透过角膜白斑或角膜云翳进行测量，由于虹膜遮挡无法测量睫状沟到睫状沟的距离。但由于多角度拍摄图像，通常可获取不透明组织后的部分数据。    综上所述，角膜地形图作为眼科必不可少的测量工具应受到广大临床科研工作者的重视，在临床工作中应根据需要选择应用不同类型的角膜地形图工具。    【参考文献】  1陈洁,瞿佳.角膜地形图的应用和分析.第1讲.眼视光学杂志2000;2(1):56582 Bogan SJ, Waring GO 3d, Ibrahi

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