眼的高阶像差与视觉质1doc-眼的高阶像差与视觉质量

1、眼的高阶像差与视觉质量常州市中西医结合医院 刘峰 黄永健 许曼 王旭辉 冯伟审校 上海瑞金医院 廉井财摘要：近年来，随随着准分子激激光屈光手术术的广泛开展展，许多手术术后的并发症症如眩光、光光晕及夜视力力下降等问题题开始涌现。而而波阵面像差差的提出和研研究为解决上上述问题提供供了新思路。本本文就高阶像像差的研究进进展及与视觉觉质量的关系系等作一综述述。关键词 高阶像像差；眼；近近视High-orrder aaberraation and vvisuall quallityRecentlly, wiith thhe genneral devellopmennt of eximeer lasser

2、 reefracttive ssurgerry, maany poostopeerativve commplicaationss suchh as gglare, haloos andd decrreasedd visuual accuity at niight ooccurrred. TThe inntroduuce annd ressearchh of wwavefrront aaberraation proviide neew metthods to reesolvee the abovee-menttionedd probblems. Heree we rrevieww the pro

3、grressioon of high-orderr aberrratioon ressearchh and its rrelatiionshiip witth vissual qqualitty. Key woords: high-orderr aberrratioon; eyye; myyopia.1波阵面像差的的描述波阵面像差的概概念源于天体体物理学领域域，天文学家家们为了使望望远镜的像质质尽善尽美，从从而研究如何何测量并校正正来自星空的的光线所产生生的高阶像差差或波阵面形形变1。人的的眼睛是一种种极其复杂但但也存在缺陷陷的光学系统统，它同样存存在像差。从从实际测量的的角度考虑，人人眼的波

4、阵面面像差即是在在出瞳孔平面面时眼的实际际波阵面与理理想波阵面之之间的偏差。波波阵面像差多多采用Zerrnike多多项式来描述述。Zernnike多项项式为一正交交于单位圆上上的序列函数数，可以将波波前像差分解解成多个阶像像差，从而观观察每一阶像像差大小。ZZernikke多项式由由三部分组成成：标准化系系数，半径依依赖性成分（n），方位角依赖性成分（m）。常用的Zernike多项式为6阶27项, 表示为Znm()。2阶以上的像差属于高阶像差，不能被传统的框架眼睛或接触镜所矫正。1阶：表示棱镜镜的倾斜ZZ(1)(-1)Z(1)(1)，Z(1)(-1)为Y轴的倾斜，ZZ(1)(11)为X轴的倾斜

5、。2阶：表示散光光和离焦ZZ(2)(-2)Z(2)(2)，Z(2)(-2)表示示45度方向上上的规则散光光，Z(2)(0)表示示离焦（近视视和远视），Z(2)(2)表示180度方向上的规则散光。3阶：Z(33)(-3)Z(3)(33)，Z(3)(-3)、Z(3)(3)表示三三角散光（三三叶草），ZZ(3)(-1)、Z(3)(1)分别表表示Y轴和X轴方向上的的三阶慧差。4阶：表示球差差Z(4)(4)Z(4)(-4)，Z(4)(4)、Z(4)(-4)为四四叶草，Z(4)(2)、Z(4)(-2)为二二级散光，ZZ(4)(00)为四阶球球差。5阶：Z(55)(-5)Z(5)(5)，Z(5)(-1)、Z

6、(5)(1)表示次次级慧差。6阶：Z(66)(-6)Z(6)(6)，Z(6)(0)表示次次级球差。2影响眼高阶像像差的因素：2.1 瞳孔大大小：瞳孔大大小与视网膜膜成像质量密密切相关22-5。一一般认为，当当瞳孔大小为为2-3mm时视视网膜成像质质量最佳44。小于此此范围则光线线通过瞳孔边边缘所产生的的衍射成为限限制因素，大大于此范围则则球差和色像像差随之增加加。许多研究究4-7已证实，在在同阶像差内内，各阶像像差随瞳孔直直径增大而增增大，以球差差和慧差增速速最大。其原原因可能是角角膜和晶体前前表面中央部部较中周部凸凸，晶体核的的屈光指数中中央也较中周周高。当瞳孔孔直径小时，由由于瞳孔的光光栅

7、作用，高高阶像差处于于一个合理的的低水平。瞳瞳孔直径增大大时，从瞳孔孔边缘进入的的光线使高阶阶像差尤其是是球差随之增增大。Marrtinezz等6报道， 当瞳孔直径径由3.0mmm增至7.0mmm 时，球面像像差增加了77倍。2.2 年龄：诸多研究表表明，眼的波波阵面像差随随年龄的增加加而增加22-3,7-10，这这种增加与其其他研究所发发现的对比敏敏感度随年龄龄增加而下降降相一致。AAmano等等8最近研研究发现，在在自然瞳孔状状态下，中央央直径6mmm范围内眼睛睛慧差 22及角膜慧慧差的RMSS值都随年龄龄增加而增加加，且这两种种慧差RMSS值之间也呈呈正相关。研研究同时发现现，角膜球差差

8、不随年龄变变化2,88-9，而而整个眼睛的的球差随年龄龄增加而增加加8。Fujikkado等11进一一步研究发现现，中央直径径4mm范围内内，眼睛的慧慧差、球差及及总高阶像差差皆随年龄增增加而增加，而而角膜的慧差差、球差则不不与年龄显著著相关。Fuujikaddo等11同时时发现，500岁之后眼睛睛的总高阶像像差显著增加加，究其原因因可能是老视视后晶体变化化所导致。WWang等3研究发发现，在瞳孔孔6.0mmm时，眼睛的的高阶像差、球球差和慧差皆皆随年龄增加加而轻度增加加，但确定系系数r2=0.11,说明年龄龄增长在眼睛睛像差的变异异中所占的因因素不足100%。2.3 屈光度度数：Paqqui

9、n等12报道道，在5.00和7.0mmm瞳孔大小时时，像差及RRMS值随屈屈光度而呈准准线性增加，球球差随瞳孔增增大而增加，慧慧差的增加更更多见于高度度近视。Maarcos等等13也报报道，LASSIK术后患患者总像差及及角膜像差平平均增加程度度在术前高度度近视患者更更为明显。He等14研究发现，在在瞳孔自然状状态下（暗室室，故直径大大于6.0mmm），近视视人群（包括括儿童和成年年人）相对于于正视人群具具有较大的波波阵面像差RRMS值，其其中2阶像差相差差最大，P0.00001。在正视视成年人、正正视儿童、近近视成年人和和近视儿童四四组人群中，正正视成年人的的高阶像差RRMS均值最最小。Bu

10、zzzonettti等15发现现LASIKK及LASEKK都能使角膜膜的总和高阶阶像差发生变变化，两种术术式其球差的的变化都依赖赖于矫正程度度。在低至中中度矫正时，LASEK术后球差的增加较LASIK大。胡建荣等16报道，散光度数在任何瞳孔大小下都不影响球差和次级球差，只对慧差或次级慧差有影响。2.4眼的调节节：Chengg17等等对大规模年年轻成年人调调查发现，像像差随着眼的的调节而变化化，但其变化化幅度即使在在高度调节(6D)时也也仍小于眼的的固有像差。在在所有像差中中球差随调节节变化最大并并总是趋向负负值，慧差和和散光也随调调节变化但无无规则。Niinomiyya等18发现现调节为3DD

11、时，4mm(daay vission)和和6mm(niight vvisionn)两种瞳孔孔大小状态下下的眼总高阶阶像差变化皆皆不显著。而而球差则在调调节后发生近近视漂移，即即在两种瞳孔孔大小状态下下都趋向负值值，这种变化化具有显著意意义。2.5眼部手术术：Martiinez等6报道，PRKK术后当瞳孔孔直径由3.0mm增至至7.0mmm 时，球面像像差增加了3300倍,而术前只增增加7倍。在4mmm瞳孔大小下下，Tanaabe等19研究究发现，PRRK术后眼总总高阶像差、3阶和4阶像差均显著增加。Marcos等13报道，LASIK术后患者总像差平均增加1.92倍，角膜像差平均增加3.72倍，

12、且这种增加在术前高度近视患者更为明显。Mohrenfels21对传统LASEK术后的患者实施波阵面像差引导下的LASEK术，结果获得高阶像差的显著降低和更好的对比视力，大多数的Zernike系数特别是散光、球差和慧差的系数明显增大。Pallikaris等20研究有晶体眼屈光性晶体(Pakic refractive lens PRL)植入术后1年眼高阶像差的变化，结果发现在3mm和5mm瞳孔大小时眼总高阶像差均有增加，但无显著性意义；而在5mm瞳孔大小时，球面像差（Z4-0）显著降低，这对暗视力(mesopic vision)有益。同时发现与视网膜成像质量有关的调制传递函数(modulation

13、 transfer function MTF)也下降。Montes-Mico等22报道，AK(Astigmatic keratotomy)可导致角膜高阶像差增加，然而AK后再实施LASIK可增加球差但减少慧差。Buzzonetti等15对LASIK及LASEK术后3个月的病人进行研究发现，在7.0mm瞳孔大小时，两种术式后的角膜总像差增加相似；但在3.0mm瞳孔大小时，两者术式后的角膜总像差皆无显著变化，而球差在LASEK术后增大。Holladay等23报道，前表面扁平型人工晶体可以部分抵消角膜所产生的球差，从而改善眼的光学质量。Mester等24研究发现，植入非球面人工晶体可以得到比传统球面

14、人工晶体更好的对比敏感度。2.6眼别：WWang等2-3,25研究究发现， 眼睛和角膜膜前表面的总总高阶像差、球球差及慧差在在左右眼之间间都具有轻至至中度镜面对对称。在222项高阶像差差zerniike多项式式中，角膜前前表面的有99项（41%）、整整个眼睛有113项（59%）在左左右眼之间具具有显著相关关性，其中44阶球差左右右眼相关性最最高，其次为为三阶垂直慧慧差和6阶球差。眼眼睛高阶像差差中，3阶像差4项中有3项、4阶像差5项中有4项在左右眼眼之间显著相相关。2.7泪膜：泪泪膜的破坏或或不规则也可可使高阶像差差增加。Moontes-Mico等等26发现现干眼症患者者较正常人其其眼总像差、

15、慧慧差、球差均均显著增加，这这种增加是由由泪膜的不规规则所导致。2.8 屈光间间质的清晰度度：Sachddev等27发现现，不同类型型的白内障可可以导致不同同的波阵面像像差。皮质的的混浊可导致致慧差增加，核核的混浊则导导致球差增加加，两种混浊浊均可导致四四叶草增加。2.9角膜矫形形镜：毛欣杰杰28等报报道，配戴角角膜矫形镜990天后单色色光波阵面像像差zernnike函数数值的均方根根RMS值由0.57766047711um增至1.377310.80339um，两两者比较差异异有显著意义义，与各阶像像差相关的zzernikke函数值的的均方根RMMS值均增加加。这可能是是引起视觉质质量降低的主

16、主要原因之一一。2.10其他因因素：最新研研究发现229，高阶阶像差可能还还与脉搏及心心率有关。有有人报道，角角膜透明边缘缘变性的病人人其角膜慧差差逐渐增加而而球差几乎保保持不变。3高阶像差与视视觉质量自波阵面像差传传感技术用于于视觉研究以以来，关于人人眼像差的测测量及矫正研研究如雨后春春笋。通过对对大规模正常常人群的波阵阵面像差测量量，Portter等30-332发现一一定量的波阵阵面像差会降降低人类的视视觉质量。GGuiraoo5和Yoon333等对高高阶像差被完完全矫正情况况下的理论视视觉改善进行行计算，发现现矫正高阶像像差后即使在在正常人群也也会改善视觉觉质量，而当当人群为异常常角膜如

17、圆锥锥角膜或角膜膜移植术后，这这种改善则更更为显著。为抵消高阶像差差的影响，一一系列光学和和临床方法如如自适应光学学系统、相位位板(phaase pllate)、个个体化接触镜镜及个性化屈屈光手术被提提出并证实有有效。Liaang第一次次应用自适应应光学系统在在单色光下通通过矫正高阶阶像差来提高高视力。Yooon33等则在在白光下证实实了应用自适适应光学系统统能够改善对对比敏感度和和视力。3.1 高阶像像差与对比敏敏感度Yamane等等34研究究发现，传统统LASIKK术可以显著著增加总高阶阶像差、慧差差和球差，同同时显著降低低对比敏感度度对数函数下下面积(AUULCSF)及低对比度度视力，且

18、两两种降低分别别与三种像差差的增加显著著相关。同时时发现，近视视矫正程度越越大，对比敏敏感度和眼高高阶像差的变变化也越大。 Yoon等335发现，用用相位板有效效矫正正常人人眼的高阶像像差后其视网网膜成像质量量和视力提高高，尤其在低低对比度情况况下。在6mmm瞳孔大小小下，波阵面面像差的RMMS值由0.3990.09降至至0.150.02。高高对比度字母母视力表平均均增加了0.23行，低低对比度字母母视力表平均均增加了1.12行。在在空间频率为为60cycc/deg时时矫正各种像像差后，视网网膜成像质量量较仅矫正球球柱性屈光不不正提高了约约1.8倍。Guirrao等5报道，在在空间频率为为16

19、cycc/deg下下矫正高阶单单色像差后，4.4mm瞳孔大小下所能获得最大视觉改善约1.7倍，5.7mm瞳孔大小下为2.5倍。Tanabe等19最近研究发现，当PRK术后发生轻至中度角膜上皮下混浊时，低对比视力与角膜上皮下混浊程度无相关性，却随着总高阶像差、3阶和4阶像差的增加而逐渐下降。由此可见，高阶阶像差的增加加可能是影响响屈光手术后后视觉功能尤尤其是低对比比度视力的主主要因素。屈屈光矫正的程程度越大，高高阶像差的增增加及对比敏敏感度的降低低也越显著，而而且这两种变变化显著相关关。3.2 高阶像像差与视觉症症状Chalitaa等36对LASIKK术后的患者者进行研究发发现，在暗视视瞳孔直径

20、（Scotopic pupil size）下，眩光与球差及总像差具有显著相关性，色圈(halos)和球差具有相关趋势，但在5.0和7.0mm瞳孔时却不具有这些关系。星暴(Starburst)在暗视瞳孔直径下与球差和总像差显著相关，在7.0mm瞳孔时与总慧差呈负相关。复视和任何瞳孔大小下的水平慧差之间都为正相关,与5.0和7.0mm瞳孔下的总慧差为正相关，与垂直慧差则不存相关。这说明人类对水平定向的多焦具有更强的敏感性，对指导波阵面像差引导下的角膜切削具有重要意义。3.3 高阶像像差与视觉功功效Applegaate等37报道道，各种波阵阵面像差并非非对视觉功效效产生等效影影响。在高和和低对比lo

21、ogMAR（the llog miinimumm anglle of resollutionn）视力情况况下，对于等等量的RMSS值，各个Zeernikee多项式系数数会导致不等等量的视功能能丧失。波阵阵面像差越接接近瞳孔中心心则其对视觉觉功效的影响响也越大。也也就是说，低低水平方位角角频率较高水水平方位角频频率更易影响响视觉功效。从从Zerniike多项式式来看，即ZZernikke金字塔中中心的像差模模式较金字塔塔边缘的像差差模式更易影影响视觉功效效,既使它们具具有相同的RRMS值。比比如，离焦相相比散光更易易降低视力，慧慧差相比三叶叶草更易降低低视力，二级级散光相比四四叶草和球差差更易降

22、低视视力。4展望：总之，随着个性性化激光切削削的发展，理理想的屈光手手术应该可以以使患者能够够识别所有距距离、所有光光照情况、高高和低对比度度下的不同大大小物体，或或仅受单一波波长下衍射及及可见光谱下下色像差的影影响。如今的的屈光手术仅仅能矫正单色色像差，尚不不能矫正不同同波长下的色色像差。因此此，在行激光光切削时，眼眼睛的瞳孔大大小、调节状状况、屈光度度、年龄和泪泪膜等因素，激激光切削的精精确度、术后后愈合反应、角角膜的生物化化学变化等都都会影响术后后高阶像差的的变化。而在在波阵面引导导的激光切削削时，对高阶阶像差的有效效定量准确描描述，对各种种不同高阶像像差模式的切切削种类、量量及相互影响

23、响等尚待进一一步研究阐明明。参考文献1Lianng J, Grimmm B, GGoelz S, Biille JJF. Obbjectiive meeasureement of waave abberrattions of thhe humman eyye witth thee use of a Hartmmann-SShack wave-frontt senssor. JJ Opt Soc AAm A 11994; 11:1994919957.2Wangg L,Daai E，Dougllas DKK,Nathhoo A，Opticcal abberrattions of thhe humm

24、an annterioor corrnea J Catarract RRefracct Surrg 20003; 299:1514415211.3Wangg L,Doouglass DK,OOcularr highher-orrder aaberraationss in iindiviidualss screeened for rrefracctive surgeery，J Catarract RRefracct Surrg 20003; 299:189661903.4Doanne, Joohn F，An Inntroduuctionn to WWavefrront-GGuidedd Refr

25、ractivve Surrgery 2003,43(2):101-117 5Guirrao A, Portter J, Willliams DR, CCox IGG, Callculatted immpact of hiigher-orderr monoochrommatic aberrrationns on retinnal immage qqualitty in a poppulatiion off humaan eyees. J Opt SSoc Amm A20002;19:1-9.6Marttinez CE, RRaymonnd A, Appleegate OD, EEffectt o

26、f ppapilllary ddilatiion onn cornneal oopticaal abeerratiions aafter photoorefreectivee keraatectoomy. AArch OOphthaalmol 1998(116):1053-1062. 7Buzzzonettti L, Iarosssi G, Valeente PP, Vollpi M, Petrrocellli G, Sculllica LL. Commparisson off waveefrontt aberrratioon chaanges in thhe antteriorr cornn

27、eal ssurfacce aftter laaser-aassistted suubepittheliaal kerratecttomy aand laaser iin sittu kerratomiileusiis: prrelimiinary studyy.J Caataracct Reffract Surg.2004 Sep;330(9):1929-33.88Amanno S,AAmano Y,YAMMAGAMII S,ett al.AAge-reelatedd Channges iin Corneeal annd OcuularHigher-orderr Waveefrontt Ab

28、errratioons.Amm J Opph-thaalmol 2004;137:99889992.9Oshiika T, Klycce SD, Appllegatee RA, Howlaand HCC.Channges iin corrneal waveffront aberrrationns witth agiing. IIn-vesst Ophhthalmmol Viis Scii 19999; 40:13511355.10Guiirao AA, Reddondo M, Arrtal PP. Opttical aberrrationns of the hhuman corneea as

29、a funnctionn of aage. JJ Opt Soc AAm AOppt Imaage Scci Viss 20000; 17:16971702.11Fujjikadoo T, KKurodaa T, NNinomiiya S,et all, Agee-relaated CChangees in Oculaar andd Cornneal AAberraationss. Am J Ophhthalmmol 20004;1338:1433146.12Paqquin MMP, Haamam HH, Simmonet P.Objjectivve meaasuremment oof opt

30、tical aberrrationns in myopiic eyees. Opptom VVis Scci. 20002 Maay;79(5):2885-91.13Marrcos SS, Barrbero S, Lllorentte L, Merayyo-Llooves JJ.Optiical rresponnse too LASIIK surrgery for mmyopiaa fromm totaal andd cornneal aaberraation measuuremennts. IInvestt Ophtthalmool Viss Sci. 20011 Dec;42(133):3

31、3449-56.14HHe J，Sun PP，Held R，et al, WWavefrront aaberraationss in eeyes oof emmmetroppic annd modderateely myyopic schoool chiildrenn and youngg adullts. VVisionn Reseearch 42 (22002)11063 1070.15Buzzzonettti L, Iaroossi GG, Vallente P, Voolpi MM, Pettrocellli G, Sculllica L. Coompariison oof wavve

32、fronnt abeerratiion chhangess in tthe annterioor corrneal surfaace affter llaser-assissted ssubepiitheliial keeratecctomy and llaser in siitu kerattomileeusis: prelliminaary sttudy. HYPERLINK /jsstyle/HtmlEditor/xavascript_:AL_get(this,%20jour,%20J%20Cataract%20Refract%20Surg.); J Cattaractt Refrrac

33、t SSurg. 2004 Sep;330(9):1929-33.16胡建荣荣，严宗辉，刘刘春风，黄丽丽那， 近视散光患患者眼球高阶阶像差的研究究，中华眼科科杂志20004(40):13-116.17Cheeng H, Barnnett JJK, Viilupurru AS, Marssack JJD, Kaasthurriranggan S, Appllegatee RA, Roordda A.AA popuulatioon stuudy onn channges iin wavve abeerratiions wwith aaccommmodatiion. JJ Vis. 20044 Ap

34、r 16;4(4):2772-80.18NNinomiiya S, Fujiikado T, Kuuroda T, ett al, Changges off Ocullar Abberrtiion WiithAcccommoddationn.Am JJ Ophtthalmool 20002;1344:924-926.19Tannabe TT, Miyyata KK, Sammejimaa T, IInflueence oof Wavvefronnt Abeerratiion annd Corrneal Subeppithellial HHaze oon Loww-conttrast Visua

35、al Acuuity AAfter Photoorefraactivee Keraatectoomy Amm J Opphthallmol 22004;1138:62206244.20Palllikarris I,Kalyvvianakki M,eet al, Phakkic reefracttive llens iimplanntatioon in high myopiic pattientss: Onee-yearr resuults.JJ Cataaract Refraact Suurg 20004; 330:1199011997.21Mohhrenfeels W,Huberr A,Ga

36、abler B,et al, WWavefrront-gguidedd laseer epiitheliial keeratommileussis wiith thhe wavvelighht conncept systeem 5000. Reffract Surg. 20044 Sep-Oct;220(5):S565-9.22Monntes-MMico RR, Munnoz G, Albaarran-Diegoo C, RRodrigguez-GGaliettero AA, Aliio JL.Corneeal abberrattions afterr astiigmatiic kerrato

37、toomy coombineed witth lasser inn situu keraatomilleusiss.J Catarract RRefracct Surg. 2004 Jul;330(7):1418-24.23Hollladayy JT, Pierss PA, et all, A nnew inntraoccular lens desiggn to reducce sphhericaal abeerratiion off Pseuudophaakic eeyes.22002;118:6833-691.24Messter UU, Dilllingeer P, Anterrist N

38、N. Imppact oof a mmodifiied opptic ddesignn on vvisuall funcction: Clinnical compaarativve stuudy. JJ Cataaract Refraact Suurg 20003;299:652660.25Canntu R, Rosaales MMA, Teepichiin E, Curiooca A, Monttes V, Boniilla JJ. Whoole eyye wavvefronnt abeerratiions iin Mexxican male subjeects.JJ Refrract SS

39、urg. 2004 Sep-OOct;200(5 Suuppl):S685-8.26Monntes-MMico RR, Calliz A, Alioo JL.WWavefrront aanalyssis off highher orrder aaberraationss in ddry eyye pattientss. J RRefracct Surrg. 20004 Maay-Junn;20(33):2433-7.27Sacchdev N, Orrmondee SE, Sherwwin T, McGhhee CNN. Higgher-oorder aberrrationns of lenti

40、icularr opaccitiess J Caataracct Reffract Surg. 2004 Aug;330(8):1642-8.28毛欣杰杰 吕帆 瞿佳 配戴角膜矫矫形镜对角膜膜形态和单色色光波阵面像像差的影响 中华眼科杂杂志20044，40:4771-4733.29Zhuu M, CCollinns MJ, Robeert Isskandeer D. Microoflucttuatioons off waveefrontt aberrratioons off the eye.OOphthaalmic Physiiol Oppt. 20004 Noov;24(6):5662-71.30Sarrver EEJ, Appplegaate RAA, Thee impoortancce of th