實測與理論瞳孔直徑下全角膜總高階像差的差異性研究*

趙麗君， 黃渝侃， 程勝男， 陳 華， 高 慧， 李玉芷

華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院眼科，武漢 430022

人眼是一個精密且復雜的光學系統，像差是影響人視網膜成像質量的主要因素之一[1]。像差相關技術廣泛應用于眼科角膜屈光手術及屈光性白內障手術等領域[2-4]，近年隨著多種新型老視矯正人工晶狀體的應用，患者在解決白內障術后全程視力方面具有更多選擇[5]。在多焦點人工晶狀體適應證的選擇中，一般認為角膜中央直徑4.0 mm區域總高階像差<0.3 μm的患者可植入多焦點人工晶狀體(multifocal intraocular lens，MIOL)，超出此范圍的謹慎植入，>0.5 μm不建議植入[6]。

目前有很多儀器可用于測量角膜總高階像差，臨床常用的如i-Trace波前像差儀(美國Tracey公司)，光程差分析儀(OPD Scan，日本Nidek公司)，三維眼前節分析儀(Pentacam，德國OCULUS公司)等，均常規默認中央4.0 mm瞳孔直徑下角膜總高階像差為輸出值[7]。瞳孔直徑是影響角膜總高階像差的重要因素[8]，由于個體差異，不同患者實際瞳孔直徑并非均為4.0mm，而實際瞳孔直徑下的角膜總高階像差值是否與基于4.0 mm瞳孔直徑下機測輸出值存在差異，目前尚未見報道?；谶@一分析，本研究對實測和4.0 mm瞳孔直徑下的全角膜總高階像差差異進行了觀察比較。

1 資料與方法

1.1 研究對象

采用回顧性研究，連續隨機選取2019年3月31日至2019年5月31日于華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院眼科就診的受試者100例，共200只眼，按照年齡劃分為6組：A組，20～歲年齡段，共17例34眼；B組，30～歲年齡段，共30例60眼；C組，40～歲年齡段，共13例26眼；D組，50～歲年齡段，共14例28眼；E組，60～歲年齡段，共14例28眼；F組，70～歲年齡段，共12例24眼。其中A、B組被視為青年人群，C、D組被視為中年人群，E、F組被視為老年人群。該研究遵循“赫爾辛基宣言”，并獲得華中科技大學同濟醫學院醫學倫理委員會批準。入選標準為：①年齡20～80周歲；②Sirius機測Kappa角<0.5 mm；③近2周未佩戴軟性角膜接觸鏡，2月未佩戴硬性角膜接觸鏡。排除標準為：①離焦≥±3.00 D，散光≥±1.50 D；②疑似圓錐角膜、圓錐角膜及其他角膜病變；③存在干眼、翼狀胬肉、嚴重角膜血管翳等眼表病變；④既往眼部手術史及眼部外傷史。

1.2 檢測方法

所有受試者用同一臺Sirius眼前節分析儀(Corneal Topographer，CSO，意大利)進行三維角膜地形圖檢測，由同一位經驗豐富的技師操作。囑患者坐于設備前，注視前方，睜大雙眼，充分暴露角膜，瞬目睜眼后，待屏幕上下測量線均變為綠色，按下拍攝鍵。再囑患者睜大雙眼，充分暴露瞳孔，拍攝擬明環境下的瞳孔大小(0.4 xl)，收集數據。選取采集質量覆蓋率>90%，可信度=100%的角膜地形圖，記錄不同瞳孔直徑(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm)下的全角膜總高階像差。

使用MATLAB軟件(R2017a，MathsWorks，美國)通過2.0～7.0 mm瞳孔直徑下全角膜高階像差結果作出擬合曲線，并計算出患者在明環境下實際瞳孔直徑的總高階像差值(以下簡稱“實測高階像差”)；以4.0 mm瞳孔直徑下角膜總高階像差值作為理論值(以下簡稱“理論高階像差”)；根據四舍五入原則，選取最接近實測瞳孔大小的上述機測瞳孔直徑下角膜總高階像差值，作為近似像差值(以下簡稱“近似高階像差”)。對以上結果進行統計分析。

1.3 統計學方法

2 結果

2.1 瞳孔與年齡的關系

明視環境下，瞳孔直徑隨年齡增長逐漸減小，二者呈強負相關(r=-0.5866，P<0.01)。青年、中年及老年人群的瞳孔直徑均存在統計學差異(均P<0.05)(圖1)。

2.2 角膜總高階像差與年齡的相關性分析

實測高階像差隨年齡的變化與近似高階像差趨勢相同，均隨著年齡的增長而減小，兩者呈負相關(r=-0.1912，P=0.002；r=-0.1669；P=0.002)；理論高階像差隨年齡的變化趨勢與前兩者相反，隨年齡增長而增長，呈正相關(r=0.2876，P<0.01)。見圖2。

2.3 不同人群在理論與實測高階像差上的差異

青年人群與中、老年人群在實測高階像差與近似高階像差上的差異均具有統計學意義(均P<0.05)，而中、老年人群之間差異無統計學意義(均P>0.05)(圖3A、3B)。在理論高階像差，老年人群與青、中年人群間的差異均具有統計學意義(均P<0.01)，而青、中年人群間差異無統計學意義(P>0.05)(圖3C)。

A：年齡與瞳孔直徑的趨勢分析；B：年齡與瞳孔直徑的相關性分析；C：年齡與瞳孔直徑的差異性分析；*P<0.05，**P<0.01圖1 瞳孔直徑與年齡的關系Fig.1 The relationship between the photopic pupil diameter and age

A：高階像差隨年齡變化趨勢圖；B：理論高階像差與年齡的相關性分析；C：實測高階像差與年齡的相關性分析；D：近似高階像差與年齡的相關性分析圖2 高階像差與年齡的相關性分析Fig.2 The correlation between HOAs and age

A：不同人群間實測高階像差的組間差異；B：不同人群間近似高階像差的組間差異；C：不同人群間理論高階像差的組間差異；*P<0.05，**P<0.01圖3 不同人群間角膜總高階像差比較Fig.3 Comparison of corneal HOAs in different populations

2.4 理論與實測高階像差差值和4.0 mm與實測瞳孔直徑差值的相關性分析

在各年齡段人群中，理論與實測高階像差差值與瞳孔直徑差值均存在正性線性回歸關系(P<0.05)，角膜總高階像差值隨著瞳孔的增大而增大，除70～年齡段呈中等相關，其余各年齡段均呈強相關性。在20～、30～、40～、50～歲年齡段中均存在數量不等的瞳孔直徑大于4.0 mm，而60～、70～歲年齡段所有眼瞳孔直徑均小于4.0 mm(圖4)。

2.5 實測高階像差與理論高階像差的比較

在40～、60～、70～歲年齡段中，理論高階像差顯著高于實測高階像差(均P<0.01)，在20～、30～、50～歲年齡段組，兩者間差異無統計學意義(均P>0.05)(表1)。

2.6 實測高階像差與近似高階像差的比較

各年齡段實測高階像差與近似高階像差間的差異均無統計學意義(均P>0.05)(表2)。

各圖縱坐標標目：理論高階像差-實測高階像差(μm)；各圖橫坐標標目：4.0 mm-實測瞳孔直徑(mm)；A：20～歲年齡段；B：30～歲年齡段；C：40～歲年齡段；D：50～歲年齡段；E：60～歲年齡段；F：70～歲年齡段圖4 各年齡段理論高階像差與實測高階像差差值和4.0 mm與實測瞳孔直徑間差值的相關性分析Fig.4 The difference between“theoretical HOAs minus actual HOAs” and “4.0 mm minus actual photopic pupil diameter”in each age group

表1 各年齡段實測高階像差與理論高階像差比較Table 1 Comparison between actual HOAs and theoretical HOAs in different age groups

表2 各年齡段實測高階像差與近似高階像差比較Table 2 Comparison between actual HOAs and approximate HOAs in different age

2.7 不同人群實測與理論高階像差≥0.3 μm占比比較

青年人群中，理論和實測高階像差≥0.3 μm分別占9.57%和15.96%，二者差異無統計學意義(P=0.190)；中年人群中，理論和實測高階像差≥0.3 μm分別占9.26%和11.11%，差異也無統計學意義(P=0.750)；老年人群中，理論高階像差≥0.3 μm占比顯著高于實測高階像差≥0.3 μm占比(25.00%vs.9.62%，P=0.038)(圖5)。

A：青年人群；B：中年人群；C：老年人群圖5 不同人群實測與理論高階像差值≥0.3 μm占比分析Fig.5 The analysis of proportion of actual HOAs and theoretical HOAs greater than or equal to 0.3 m in different populations

3 討論

像差是指實際光學系統中，由非近軸光線追跡所得的結果和近軸光線追跡所得的結果不一致，與高斯光學的理想狀況的偏差。人眼并非理想的光學系統，角膜和晶狀體均存在像差，影響視覺質量[9-11]。白內障術后眼球總像差主要受角膜光學特性、人工晶狀體光學特性及人工晶狀體位置影響。像差可以用澤尼克多項式分解表達，其中0～2階屬于低階像差，3階及以上為高階像差[12]。在像差系統中，不規則散光與高階像差對應，可以通過計算總高階像差的均方根(root mean square，RMS)值評估其程度[13]。不規則散光不能被鏡片完全矯正，并且可以對植入MIOL造成光學干擾，故在植入此類晶體時需要考慮角膜總高階像差的影響。目前一般認為角膜中央直徑4.0 mm區域總高階像差(total HOA)<0.3 μm的患者可推薦植入MIOL，超出此范圍的患者謹慎植入[6]。

目前有很多設備可檢測角膜高階像差值，臨床常用的如基于Placido環原理的i-Trace波前像差儀和光程差分析儀(OPD scan)，基于Scheimpflug立體斷層掃描技術的Pentacam三維眼前節分析儀等，前兩者只能測量角膜前表面高階像差，后者可以測量全角膜高階像差，它們均將中央4.0 mm角膜總高階像差設定為默認輸出值[7]。Sirius眼前節分析系統(意大利CSO公司)同時應用Placido環和Scheimpflug照相技術，可以提供2～8 mm且以0.5 mm為步階的直徑范圍供選擇，可以測量上述直徑范圍內的全角膜和角膜前表面的總高階像差。一般認為全角膜數據更能反映眼部真實光學特性，前表面通常能代表全角膜，本研究選擇全角膜數據進行分析。除此之外，Sirius可以模擬并測量3種不同照明環境下(白天、黃昏和晚上)的瞳孔大小，接近患者真實瞳孔狀態[14]。

瞳孔是影響高階像差的重要因素之一，瞳孔直徑越大，進入眼內光線越多，高階像差值也會越大[15]。本研究發現瞳孔直徑與年齡存在強負相關，且所有老年受試者明視環境下瞳孔直徑均小于4.0 mm，故固定以4.0 mm作為影響范圍與實際情況并不相符。我們同時通過相關性分析發現，瞳孔直徑越偏離4.0 mm，則根據實際瞳孔直徑所得的實測高階像差越偏離根據4.0 mm中央角膜區域所得的理論高階像差值，進一步證實瞳孔差異是造成像差結果差異的關鍵性因素，這種趨勢在各個年齡組中均有類似表現。在瞳孔直徑為固定值的理論高階像差分析中，隨著年齡增長，角膜總高階像差呈升高趨勢，且老年人群和中、青年人群間存在明顯差異，而在瞳孔值為變量的實測高階像差分析中，則表現為相反的趨勢，說明對所有患者均使用4.0 mm瞳孔直徑固定值來評估高階像差存在誤差，進而會影響到人工晶狀體選擇方案的制訂。從不同年齡段分組分析中，中、老年群體的實測高階像差與青年人群差異顯著，青、中年群體的理論高階像差與老年人群同樣存在差異，再次證實不同年齡人群瞳孔直徑差異明顯，40歲以下青年群體平均瞳孔直徑大于4.0 mm，實測高階像差均值大于理論高階像差均值，但差異沒有統計學意義，而60歲以上老年人群平均瞳孔直徑小于3.0 mm，且實測高階像差均值顯著小于理論高階像差均值，故對于白內障高發的老年人群而言，選擇4.0 mm區域數據評估老年人群的實際高階像差情況可能會造成偏差。在青年和中年人群中，實測高階像差≥0.3 μm的占比均略高于基于理論高階像差值的占比，但兩者無統計學差異，這部分患者需要謹慎選擇多焦點人工晶狀體。在老年人群中，實測高階像差≥0.3 μm的占比顯著小于基于理論高階像差值的占比，故提示有部分原本被認為不適合植入多焦點人工晶狀體的老年白內障患者是可以符合選擇條件的，他們將在規劃術后用眼習慣中有更多選擇。

由于Sirius只提供以0.5 mm為步階的像差數據，而實測瞳孔直徑則大多無法完全匹配以上數值，不方便臨床使用，故本研究選擇將實測瞳孔直徑下的高階像差結果和應用四舍五入法則最接近實測瞳孔直徑的設備所提供的瞳孔直徑下的高階像差值進行比較，發現各年齡段實測高階像差值與近似高階像差值均無統計學差異(均P>0.05)，且兩者隨年齡變化趨勢也一致，提示可以使用近似高階像差代替實測高階像差值以方便臨床應用。

綜上所述，因實際與理論瞳孔直徑差異造成的角膜總高階像差差異主要存在于60歲以上年齡段，其正是白內障高發的老年人群。此年齡段樣本人群實際瞳孔直徑均小于4.0 mm，且瞳孔差異會造成部分原本可以選擇MIOL的患者被排除出適應范圍，故不建議將4.0 mm瞳孔直徑下角膜總高階像差作為選擇MIOL適應證的依據。當然，實測高階像差中可能還存在瞳孔規則性、Kappa角、瞳孔中心位移等因素影響其結果，而這些問題也同樣存在于理論高階像差測定中，其對個體化像差的影響尚需通過進一步研究來明晰。