波前像差技术在
人工晶体眼中的应用
作者：郭海科教授
整理：医院网络部张敏
随着屈光手术学的发展，眼科工作者对波前像差的认识逐渐增加，波前像差技术在角膜屈光手术中已经得到了应用并取得了良好的临床效果。
波前像差是眼的成像质量的重要影响因素之一，人工晶体植入手术本身属于一种屈光手术，如何提高白内障的手术质量，除了准确计算人工晶体屈光力之外，减小人工晶体眼的波前像差则是另一个重要的手段。
波振面像差的概念波振面的概念
波振面（Wave-front）是物理学中对波的特性进行描述而产生一个概念，如图：一横波（如水波）为例，自震源产生的波向四周放射状传播，在某一时间点，所有在黄线处波动的点组成的面称为波振面。波振面与波的传播方向垂直，该面为一曲面而非平面，当所研究的面足够小或波振面距离震源无限远时可认为其为平面。由于波振面的概念与列队前进的士兵相似，英文将每排士兵称为Front，为了形象地描述波振面，将其定义为Wavefront。中文将则将front翻译为“前”，将wavefront译为“波前”。
光具有波动性，理想状况下，自一点光源发射的光波沿同一路径传播,在某一时刻所有光波上的点组成的应该是一球面,此球面即光的波振面。它表示光线不同投射方向的假想面。理想波面与实际波面间的光程差即称为波前像差。
如图：电光源发出的光波向四周传播，形成波振面，波振面与光波的传播方向垂直
实际波振面与理想波振面的差异产生波振面像差，图中绿色线代表理想波振面，黑色曲线代表实际波振面，AB、A’B’为实际波振面与理想波振面之间的差异，红色区实际波振面在理想波振面之前，波前像差为正值，蓝色区实际波振面延迟于理想波振面，波前像差为负值。
波振面具有如下特点
所有波均有波振面，波振面并非光波所独有的，波振面像差亦并非为光波所独有，只是对于眼科工作者将“波振面像差”默认为“光的波振面像差”。因此本文也将“光的波振面像差”简称为“波振面像差”或“波前像差”。
单色像差
球差
彗差
像散
场曲
畸变
波前像差的分类根据像差产生的原因不同,可将其分为两大类:
(1)单色光成像时的像差,称为单色像差,包括球差、慧差、像散、像场弯曲、畸变;
(2)复色光成像时,由于不同介质对不同颜色(波长)的光折射率不同,经光学系统折射形成像的位置、大小均不同,称为色像差。
波前像差的测量方法理想情况下人眼应具备以下特性，即一束平行光线所形成的波振平面经过眼屈光间质后汇聚于黄斑，且无光程差。根据光的可逆原理，如果自黄斑有一光源，该光源经过眼屈光间质传出眼的光应为平行光且波振面为平面。如图
根据这一特性科研人员发明并设计了两种波前像差的测量仪器：
1外向型波前像差测量仪这种检测方法的主要特点是，波前像差的形式是由光线射出眼睛而定义的，因此被称为“外向型”。
这种波前检测是由Shack-Hartmann原理进行描述的。其原理是基于一束激光的反射（直径大约为1毫米），这束激光被聚焦在人眼黄斑上，反射出来的光线通过人眼的折射系统，射出眼睛，从而形成了波前像差的形式，被位于瞳孔入口处的CCD照相机捕获到。由许多微小透镜排列而成的透镜组会把反射出来的光线的波前分成若干个更小的波前，每个波前则被聚焦成一个光点。光点相对于微小透镜的光轴在空间上的位移，则直接显示了此处波前的倾斜情况以及整个眼睛波前的形态。
这种波前探测方法的局限性在于，由于黄斑下脉络膜的干扰会产生散射，也就是说会产生干扰性的回波。但是，由于视轴的长度，这可以忽略不计。另外激光光源中的小斑点以及黄斑部被照亮的程度以及质量也会限制波前检测的准确性。采集频率的提高有助于波前探测达到一个理想的程度。
2视网膜成像波前测量法这种方法的主要特点是，波前像差的形式是由在视网膜上成像的偏差而定义的，因此叫“视网膜成像”法。这种波前检测的形式是由Tscherning原理来进行描述的。
这种方法的首次应用是在19世纪末，当时Tscherning在阐述人眼的单频像差时首次描述了这个原理[1]。激光束经校准平行后通过一个13×13的光点蒙版，从而产生整齐排列的个光点（遮蔽中心点），在视网膜上成像。在经过眼介质时，光点的排列会由于介质的不规则而产生像差，这种扭曲的光点排列会通过一个同轴的相机记录下来，光点和无像差时光点位置的偏差可用于精确计算波前的形态（Seiler法）[2]。
这种波前探测的局限性在于，在光束的位置偏离计算中，要用到一个理想化的人眼模型（Gullstrand模型眼）。这个模型，实际上是根据常人眼的屈光误差不断调节，以达到理想的同轴状态，从而实现理想化的。
以上是两种客观检查法，此外还有主观检查法，主观法需要被检查者的配合，因此通常耗时较长，临床上应用较少。将眼光学系统的像差以二维或三维的图形综合表示成像差图,与地形图及等高图相似,不同的是地形图描述角膜表面曲率,而像差图则描述经过全屈光系统的波阵面和理想波阵面的差异。该图将人眼波阵面像差按其在瞳孔面上不同部位引起的位相差直接在二维图或三维图上显示出来。完美正视眼的波阵面是无任何像差的,可以用与视轴相垂直的平面表示,而近视眼波阵面像差图呈碗状,远视眼呈小山状。
人眼的波前像差1理想光学成像应当满足的条件:(1)点状物成一点状像;
(2)所有像点均在垂直于光轴的同一平面上;
(3)像与物相似,各点对应,大小成一定比例;同一物点发出的不同波长复合光均成像在一点上。
但实际上人眼光学系统并不能满足这些要求而产生像差,其原因:
(1)角膜和晶状体表面不规则,表面曲率存在局部偏差[3];
(2)角膜和晶状体不同轴;
(3)眼内各屈光介质的光学性质存在不均一性,以至折射率出现局部偏差。
这些结构上的偏差使得经过偏差部位的光线偏离理想光路,以至物体上的点在视网膜上的对应点不是理想的像点,而是扩散的光斑,其结果是整个视网膜像的对比度下降,视觉模糊,这种成像偏差被称为像差。人眼的像差主要由角膜像差和内部像差(主要是晶状体)组成。[4]
2角膜的像差角膜是非球面性的表面，既角膜中心到周边的曲率存在差异变化，角膜是按照椭圆形形成的非球面体。角膜顶点是曲率最大或曲率半径最短的点，离开角膜顶点的区域的曲率半径均比角膜顶点的曲率大。角膜的形态特点减小了角膜的球面像差。其原因如图
尽管如此，周边角膜的屈光力仍然大于中央角膜，导致经过周边角膜的平行光线的汇聚于经过中央角膜平行光线之前[5]。
Holladay等[6]对71例白内障患者角膜球面像差进行了研究，其平均值为Z[4,0]=0.27±0.02μm，角膜的像差随年龄变化较小。
3晶体的相差晶状体的球差随年龄的变化而变化，晶状体的球面像差为负值，既晶状体周边的屈光力小于中央的屈光力，随着年龄的增长，晶状体的球差逐渐增大，40岁之后，变为正值。
晶状体球面像差的改变与晶状体的解剖生理结构有关，由于赤道区晶状体上皮细胞不断产生晶状体纤维，推挤晶状体纤维细胞变为晶状体核，使晶状体的形状、屈光指数发生了改变，导致晶状体的球面像差增大。
角膜与晶状体是眼屈光系统的重要组成，当晶状体的球面像差为负值时可抵消角膜的正球差，因此在40岁之前人眼的球面像差较小，视觉敏感度较高，当晶状体的球面像差逐渐向正值变化时这种抵消作用减弱，人眼的球面像差增加。
当晶状体的球面像差为负值时，晶状体的像差可以抵消角膜的正球差，减小了眼屈光系统的球差。
当晶状体的球差增加为正值时，无法抵消角膜的正球差，眼屈光系统的球差增大。
减小高阶像差提高视觉敏感度的方法由于眼的像差主要来源于角膜与晶状体，因此，通过对角膜的重新塑形或改变晶状体替代物（人工晶体）的像差可以减小眼的总体像差，提高视觉质量。
前者是通过准分子激光对角膜进行精确切削进行的，后者则是本章的重点，既通过对人工晶体的设计减小人工晶体眼的像差。
减小人工晶体眼的高阶像差人工晶体眼的球面像差
常规人工晶状体为双凸、凸－平或平－凸设计，既光学面为球面，人工晶体周边部的屈光力大于中央区的屈光力，因此常规人工晶体的球面像差为正值。常规人工晶体在植入后无法抵消角膜的球差反而使眼屈光系统的球差增加。这是在人工晶体植入手术后患者视觉敏感度降低的原因之一。
球差的特点是当屈光间质旋转时球差不会发生改变。
影响人工晶体眼像差的因素1、人工晶体的材料
Vilarrodona对不同材料人工晶体植入眼后的高阶像差进行了研究，结果表明总体像差（RMS）丙烯酸酯人工晶体最大，其次为PMMA，硅凝胶人工晶体眼的像差最小。[7]人工晶体由于人工晶体光学部的材料不同，其屈光指数，人工晶体的厚度与形状不同，因此，产生的球面像差不同，研究表明硅凝胶人工晶体的球面像差最小、其次为PMMA人工晶体，丙烯酸酯人工晶体球面像差最大，其原因可能是：硅凝胶人工晶体中央的厚度是固定的，中央屈光力较大，周边屈光力减小，具有非球面的特性，因此其球面像差最小。不同材料人工晶体的变形恢复能力对人工晶体的像差亦可产生影响，丙烯酸酯人工晶体经过折叠展开后可残留部分变形，影响人工晶体的高阶像差，而硅凝胶人工晶体弹性较好，折叠植入眼内可较快恢复原有的形状，因此对高阶像差的影响较小。PMMA人工晶体为不能折叠，对高阶像差的影响也较小。
折叠人工晶体植入后可存在残余的变形，可增加手术后的高阶像差
2、人工晶体的设计
由于人工晶体在囊袋内的稳定性与平衡性保证了人工晶体与囊袋达到良好的结合，当稳定性与平衡性较差时人工晶体而发生变形、倾斜、偏中心，这些因素均可增加手术的高阶像差。
3、手术因素
手术因素，特别是撕囊，对于人工晶体植入手术后人工晶体在囊袋内的稳定性影响较大，是人工晶体眼高阶像差的重要影响因素。
面临的问题与展望由于科学的发展白内障手术已不仅仅是以往“通过恢复眼透明屈光间质恢复视力”的手术，而是与眼屈光手术存在者密不可分的关系。今后白内障手术不仅要恢复患者的视力而且应使患者获得最佳的视觉质量。减小球面像差的非球面人工晶体在这一方面迈出了重要的第一步，但是，随着角膜屈光手术的发展眼科工作者将面临的难题也将不断增加。
角膜屈光手术后角膜球面像差的改变
角膜屈光手术后眼球面像差的变化（摘自UniversityofArizona.StraubJ,SchwiegerlingJ的研究结果）
我们的研究结果表明：角膜屈光手术前眼的球面像差平均为0.±0.μm，手术后平均球面像差为0.±0.μm。角膜屈光手术引起眼球面像差的增加主要增加了角膜的球面像差。
屈光手术前角膜为非球面结构，周边角膜的屈光力略高于中央角膜，角膜具有轻度的正向球面像差
近视眼准分子激光矫正术后角膜中央的屈光力减小，远小于周边角膜的屈光力，使角膜的球面像差增大。
角膜屈光手术改变了角膜的形态使角膜的高阶像差发生了改变，由于激光切削使角膜的形态发生了改变，角膜的球面像差增大，球面像差的增加量与矫正屈光不正的量和光学区的大小有关，角膜屈光手术后患者眼的球面像差高于未接受手术的对照组，对于这部分患者需要特殊的人工晶体以减小球面像差。如果今后可以将角膜的像差作为一个常规的白内障术前检查，通过检查确定人工晶体的球面像差，将大大提高人工晶体植入术后眼的视觉质量。
偏中心的激光切削可以引起角膜彗差的增加，对于这部分患者将如何提高视觉质量，是（1）应用准分子激光修正偏中心切削后植入人工晶体？还是（2）植入可以矫正彗差的人工晶体？将称为今后的研究方向。
随着眼视光学的发展，更多的角膜屈光手术被应用于临床，角膜热成形术、角膜基质环植入术均对角膜的高阶像差产生影响，这些患者在发生白内障后将如何选择合适的人工晶体抵消角膜的像差也将称为眼科工作者面临的难题。
虽然非球面人工晶体初步的临床应用得到了良好的效果，但这些人工晶体仅仅是针对部分患者，且仅减小了眼的球面像差，为了能让更多的患者受益，生产个性化的人工晶体称为今后的目标。
影响白内障手术视觉质量的像差低阶像差：散光
高阶像差：球差彗差三叶草
相差分析
高阶像差对成像的影响大于低阶像差
高阶像差对成像的影响大于低阶像差
低阶像差对成像的影响大于高阶像差
如何提高人工晶体植入手术的手术效果（1）正确评估与筛选患者
（2）准确计算人工晶体的屈光力
眼生物结构的测量，
IOL计算公式的选择
像差检查，手术设计
误差分析及修复
（3）提高手术技巧
老视及多焦晶体的像差评估原则
低阶像差
低散光，（或散光适合植入散光多焦晶体）
目标屈光度接近正视，预计术后散光.75D
高阶像差
推荐值：角膜中央4mm区域TotalHOA0.3um主要看角膜彗差
Anglealpha＜0.5mm
测量视轴中心下的屈光
蓝十字-囊袋中心
绿十字-瞳孔中心
红十字-视轴中心
总结
白内障摘除人工晶体植入手术是屈光手术的一种，手术的目的是提高患者的视觉质量，因此要求眼科医生不仅要使术眼获得理想的屈光状态，更应该注重术后眼波前像差的改变，尽量减小手术因素对波前像差的影响。
临床研究表明减小球差的人工晶体具有较好的效果，但是，波前像差在人工晶体视光学的研究仅是刚刚起步，通过减小波前像差提高人工晶体眼的视觉质量仍然需要进一步的研究。
引用：
[1]TscherningM.Diemonochromatischenaberrationendesmenschlichenauges.ZPsycholSinn.;6:-71.
[2]MeirdelP,WiegardW,KrinkeHE,etal.Measuringdevicefordeterminingmonochromaticaberrationsofthehumaneye[J].Ophthalmology,7,6∶-
[3]MolebnyVV,PanagopoulouSI,MolebnySV,etal.Principlesofraytracingaberrometry.JRefractSurg,,16:-.
[4]ArtalP.Understandingaberrationsbyusingdoublepasstechniques.JRefractSurg,,16:-.
[5]WangL,DaiE,KochDD,NathooA.Opticalaberrationsofthehumananteriorcornea.JCataractRefractSurg;29:-.
[6]HolladayJT,PiersPA,KoranyiGetal.Anewintraoculardesigntoreducesphericalaberrationofpseudophakiceyes.JRefractSurg;18:-
[7]VilarrodonaL,BarrettGD,JohnsonB.High-orderaberrationsinpseudophakiawithdifferentintraocularlenses.JCataractRefractSurg;30:–
[8]HolladayJT,PiersPA,KoranyiGetal.Anewintraoculardesigntoreducesphericalaberrationofpseudophakiceyes.JRefractSurg;18:-
作者郭海科简介郭海科，博士，主任医师、教授，博士生导师。医院院长；厦门大学附属厦门眼科中心业务院长，医院集团副总院长，首席白内障专家。中华医学会眼科学分会专家会员，中华医学会眼科学分会白内障学组和防盲学组委员，中国医师协会眼科医师分会委员，卫生部防盲办专家指导组委员，美国眼科学会会员，美国宾州大学眼科中心特聘客座教授。《中华实验眼科杂志》《中华眼科临床杂志》副主编；《中华眼外伤杂志》《中华眼视光学与视觉科学杂志》、《眼科新进展》等杂志编委。
是多次在AAO,APAO，WOC，APACRS及全国眼科年会上进行手术演示的专家。连续三届被评为中国医生百强榜白内障专业前十强医生，获亚太区白内障手术功夫大师赛第一名。医院眼科主任，广东省眼病防治研究所所长，广东省医学会眼科学分会副主任委员、河南省医学会眼科专业委员会主任委员，卫生部中南六省防盲治盲指导中心主任、广东省防盲治盲指导办公室主任。医院院长，南方医科大学和中南大学博士研究生导师。
白癜风抗复发白癜风可不可以根治