作者：王璐，汤欣，赵星，方志良    作者单位：天津市眼科医院 天津医科大学眼科临床学院，天津 300020

    【摘要】  目的 探讨球面与非球面人工晶状体球面像差的特性及其对视功能的影响。方法 在实验室搭建人工晶状体（intraocular lens，IOL）波前像差测量光路，采用Hartmann-Shack波前测量仪进行像差测量。实验分为三组，第一组为CeeOn911A与Tecnis Z9001，第二组为AR40e与Tecnis ZA9003，第三组为AcrySof Natural与AcrySof IQ，对每种IOL分别进行5种通光孔径下(3 mm、4 mm、5 mm、6 mm及7 mm) 的像差测量。结果 球面IOL(CeeOn911A、AR40e、AcrySof Natural)在不同通光孔径下的球面像差均为正值，非球面IOL（Tecnis Z9001、Tecnis ZA9003、AcrySof IQ）在不同通光孔径下的球面像差均为负值，两种IOL在不同通光孔径下像差的差异有非常显著的统计学意义[3 mm通光孔径（t1=14.19，t2=12.56，t3=8.08，P<0.01），4 mm通光孔径（t1=31.19，t2=11.79，t3=18.38，P<0.01），5 mm通光孔径（t1=23.02，t2=29.56，t3=41.39，P<0.01），6 mm通光孔径（t1=60.77，t2=132.70，t3=57.42，P<0.01），7 mm通光孔径（t1=62.17，t2=52.43，t3=57.26，P<0.01）]。随着通光孔径的增大，球面与非球面IOL总像差、球面像差均呈线性增大，它们与通光孔径呈正相关（r值分别为0.9257、0.8274、0.7992，P<0.01）。结论 非球面IOL在不同通光孔径下的球面像差均为负值，弥补了角膜正球面像差，能够降低人眼波前像差，从而提高人眼的视觉质量。

    【关键词】  晶体，人工；非球面；波前像差

    随着白内障手术技术的提高和人工晶状体（intraocular lens，IOL）的设计及材料的日趋完善，越来越多的学者已将该手术纳入屈光手术的范畴。同时，随着人民生活水准的提高以及白内障患者接受手术时的年龄日益年轻化，白内障患者对手术的期望值也不断提高。他们希望的不仅仅是在术后能“看得到”，更希望“看得清楚、舒服、持久”。目前波前像差理论在临床中受到了越来越多的关注，因而波前像差理论与人工晶状体的设计相结合的新一代非球面人工晶状体应运而生。本研究旨在比较球面与非球面IOL的波前像差，以为其在临床的推广应用提供依据。

    1  材料和方法

    1.1  材料及分组  选取球面与非球面IOL各3种，具体参数见表1。

    1.2  主要光学元件技术参数  ①激光器：单纵膜氦氖激光(JD-2型氦氖激光器，北京大学物理系工厂生产)，λ=632.8 nm。②Hartmann-Shack(HS)波前传感器：微透镜阵列间距为0.13 mm，测量精度为0.02λ(Root-mean-square，RMS)(四川迈科高技术开发中心研制)。③CCD像机：800×600像素。

    1.3  Hartmann-Shack波前传感器工作原理  入射光瞳被微阵列透镜分隔成许多子孔径，每个子孔径内的子透镜均把入射到它上面的光聚焦到面阵探测器的靶面上形成光斑。如果入射波前为理想平面波前，则每个子透镜所形成的光斑将准确落在各子透镜的焦点上；如果入射波前有相位畸变，即光波面不是垂直于光轴的平面波，则每个子透镜所形成的光斑将在其焦平面上偏离其焦点。被测波前相对参考波前的子孔径光斑偏移量，反映了子孔径内入射波前瞬时平均波前斜率，经计算机处理可得子孔径内x、y两个正交方向上的平均斜率，由各子孔径平均斜率就可得到入射波前相位。

    1.4  测试环境  所有测试均在南开大学现代光学研究所光学信息处理实验室(国家教育部重点实验室)中进行。测试在暗室环境中进行，室内保持安静，室内温度为25℃，空气湿度为40%±。

    1.5  方法

    1.5.1  搭建IOL测量光路  激光器发出单一波长的氦氖激光，孔径光阑位于IOL前0.5 mm处，其直径可按要求随意调整，借此模拟人眼瞳孔的变化。IOL固定于三维调节架上，经调整位置后，使点光源经IOL折射后形成平行光。该束平行光被HS波前传感器接收形成光斑点阵，CCD像机将该瞬时光斑点阵采集下来，并将该图像信息输入计算机进行数据处理，进而求解出Zernike系数，并重构出波前。

    1.5.2  在3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm通光孔径[即模拟瞳孔直径（pupil diameter，PD）变化]下对每组内每种IOL分别进行连续像差测量，每种状态下连续测10次。

    1.5.3  采用Hartmann Wavefront Sensor图像分析软件处理图像信息。

    1.6  统计学方法  通光孔径与IOL像差关系的研究采用直线相关分析，球面与非球面IOL像差的比较采用 SNK-q检验进行统计学分析。

    2  结果

    2.1  IOL设计对球面像差的影响(见表2)  球面IOL(CeeOn911A、AR40e、AcrySof Natural)在不同通光孔径下的球面像差均为正值，非球面IOL（Tecnis Z9001、Tecnis ZA9003、AcrySof IQ）在不同通光孔径下的球面像差均为负值，两种IOL在不同通光孔径下像差的差异有非常显著的统计学意义[3 mm通光孔径（t1=14.19，t2=12.56，t3=8.08，P<0.01），4 mm通光孔径（t1=31.19，t2=11.79，t3=18.38，P<0.01），5 mm通光孔径（t1=23.02，t2=29.56，t3=41.39，P<0.01），6 mm通光孔径（t1=60.77，t2=132.70，t3=57.42，P<0.01），7 mm通光孔径（t1=62.17，t2=52.43，t3=57.26，P<0.01）]。

    2.2  通光孔径与IOL像差的关系

    2.2.1  通光孔径与总像差的关系  随着通光孔径不断扩大，球面与非球面IOL总像差呈线性增大，通光孔径大小与IOL总像差呈正相关（r值分别为0.9462、0.9552，P<0.01）。

    2.2.2  通光孔径与球面像差的关系　　随通光孔径不断扩大，球面与非球面IOL球面像差均呈线性增大，通光孔径大小与IOL总像差呈正相关（r值分别为0.8125、0.8058，P<0.01）。

    3   讨论

    3.1  白内障摘除联合IOL植入术后IOL眼的波前像差  白内障患者在IOL植入术后常在夜间(由于光线强度减弱，瞳孔调节性散大)出现视物模糊、眩光等视觉症状。研究表明[1]，植入传统的球面IOL后人眼的高阶像差明显增大，其中球差变化最为明显，这可能就是患者术后暗视力差、眩光等主观视力模糊的主要原因之一。

    在正常眼中，角膜和晶状体所形成的像差是眼球总像差的主要组成部分。在微切口白内障超声乳化技术及其他冷超声乳化技术日益普及的今天，由手术创伤引起的角膜像差变化已近乎微小，所以IOL是导致术后眼球像差增大的主要因素。

    传统单焦点IOL均属球面透镜，若透镜的一面或两面为非球面，则称为非球面透镜[2]。球面IOL光学部表面各点曲率一致而屈光力不同，从而导致IOL光学部周边的光线产生离焦，成像质量下降。非球面IOL光学部表面各点曲率不一致，而屈光度从中心到周边均相同，这样光线从中心到周边均会聚焦在同一点上，产生清晰而高质量的成像。

    3.2  球面像差与通光孔径（即模拟瞳孔直径）的关系  球差是系统对轴上物点以单色粗光束成像时产生的像差，其大小与孔径角有关，即球差为孔径角的函数[3]。孔径角大小由孔径光阑控制，随通光孔径增大而增大。因此，随着通光孔径增大，球差也不断增大。由于球差的存在，点光源经球面透镜成像后并非呈理想的像点，而是呈相对弥散的光斑，球差越大，弥散斑越大。

    研究证实，散瞳条件下整体像差明显高于小瞳孔下的整体像差，且散瞳下高阶像差对成像质量的影响显著加大[4]。当瞳孔较大时，周边像差及光散射将相互作用，影响成像质量[1]。本研究中以调整通光孔径的大小来模拟IOL植入术后瞳孔在不同光线强度下的变化。我们发现，改变通光孔径直径，IOL的球差均发生相应变化，通光孔径大小与IOL球差呈正相关(r=0.8274、0.7992；P<0.001)。

    3.3  非球面IOL  由于球差是惟一具备旋转对称特性的像差，因此，利用同样具有旋转对称特性的IOL可以矫正球差。

    Tecnis Z9001(AMO)非球面IOL是由原Pharmacia 911A型号的球面折叠IOL发展而来，设计形状同911A完全一样，不同之处只在于其光学部前表面利用Z-Sharp光学技术设计，为扁平的非球面。Tecnis ZA9003材质为丙烯酸酯，边缘设计与AMO Sensar OptiEdge一致，边缘设计为圆方形。Tecnis 系列IOL自身附加-0.27 μm的球差，设计目的是为了与角膜正的球面像差相抵，使眼球整体球面像差为零。AcrySof IQ是在AcrySof Natural的平台开发而来，型号为SN60WF，一体式后房型折叠IOL，后表面设计为非球面，自身附加-0.20 μm的球差。

    3.4  环境介质对像差的影响  本研究结果显示，三种非球面IOL在3~7 mm这五个通光孔径中的球面像差均为负值，6 mm下的球差值之所以与公司给予的-0.27 μm或-0.20 μm有差距，这是因为检测的介质不同。本实验检测的是IOL在离体条件下空气（n=1.000）中的球差值，而-0.27 μm或-0.20 μm的球差值是在人眼房水（n=1.336）中所做的检测。IOL光学部直径为6 mm，当通光孔径增至6 mm以上时（本实验模拟了7 mm孔径下），入射光波经IOL光学部边缘时产生异常的反射、折射作用，引入杂散光，影响IOL正常成像。

    3.5  瞳孔直径（pupil diameter，PD）对球差的影响

    从离体的检测数据我们可以看出，小瞳孔（3 mm及4 mm）下非球面IOL的负球差值很小。当PD≤2 mm时，正常人眼的的波前像差值很小；当PD在2~3 mm时，影响人眼光学质量的主要因素为衍射，即瞳孔越大，可以被矫正的像差值也越大[5-6]。因此，Miller[7]认为非球面IOL矫正球差的优势在大瞳孔条件下（PD≥5 mm）更为明显。因为只有瞳孔散大，光线通过IOL周边部的情况下，球面与非球面IOL的成像质量才会有所差别。如果患者瞳孔较小，就不必关注非球面IOL矫正球面像差的优势了。Winn等[8]研究表明，70岁的老年人平均的瞳孔大小为2 mm，远小于20岁年轻人的3 mm。由年龄因素而导致的小瞳孔可减少1/3的球差[9]。因此，随年龄增长所致的瞳孔缩小可以减少光学像差对人眼的不利影响。这也提示了临床眼科医生应当关注哪些患者植入非球面IOL后效果更佳，比如职业司机经常需要夜间驾驶，如植入非球面IOL可提高其夜间功能性视力。

    非球面IOL要真正发挥其减少球差的优势仍受许多因素的限制，比如：与年龄相关的小瞳孔，IOL倾斜或偏心，球差占总体像差的比重较小以及个体变异性。因此，临床眼科医生应该合理选择非球面IOL，真正发挥其优势。

    【参考文献】

    [1] Vilarrodona L， Barrett GD， Johnson B， et al. High-order aberrations in pseudophakia with different intraocular lenses[J]. J Cataract Refract Surg，2004，30（3）：571-575.

    [2] 李凤鸣. 眼科全书[M]. 北京：人民卫生出版社，1996：2500-2504.

    [3] 母国光，战元龄主编. 光学[M]. 北京：高等教育出版社，1987：97-102.

    [4] Collins MJ， Wildsoet CF， Atchison DA. Monochromatic aberrations and myopia[J]. Vison Res，1995，35（9）：1157-1163.

    [5] Charman WN， Chateau N. The prospects for super-acuity：limits to visual performance after correction of monochromatic ocular aberration[J]. Ophthal Physiol Opt，2003，23（6）：479-493.

    [6] Mclellan JS， Marcos S， Prieto PM， et al. Imperfect optics may be the eye’s defence against chromatic blur[J]. Nature，2002，417（6885）：174-176.

    [7] Miller M. Refraction and reflections[J]. Surv Ophthalmology，2000，45（2）：139-146.

    [8] Winn B， Whitaker D， Elliott DB， et al. Factors affecting light-adapted pupil size in normal human subjects[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，1994，35（3）：1132-1137.

    [9] Calver RI， Cox MJ， Elliott DB. Effect of aging on the monochromatic aberrations of the human eye[J]. J Opt Soc Am A，1999，16（9）：2069-2078.