同步視覺人工晶狀體的臨床前像質評價方法

【作 者】 馮勤，郝琦，宋婷，陳瓊慧

浙江省醫療器械檢驗研究院，杭州市，310019

0 引言

人工晶狀體（intraocular lens,IOL）為植入人眼內的光學透鏡，用于替代人眼晶狀體以恢復白內障患者視力，或用于矯正有晶狀體眼的屈光不正。臨床應用最為廣泛的單焦人工晶狀體雖然可用來恢復視力，但目前其光學設計很難完全達到正常人眼晶狀體的光學功能[1]，只能根據患者需求恢復一定距離的視力，滿足了看遠處景物的需求，看近距離時則需要另外配鏡進行調節，反之同理。近年來隨著新興技術的快速發展，各生產廠家正積極設計開發能提供多個距離或連續視物距離的人工晶狀體，如雙焦人工晶狀體、三焦人工晶狀體、焦深擴展型人工晶狀體（extended depth of focus intraocular lenses,EDF IOL）、可調節人工晶狀體（accommodating intraocular lenses,AIOL）等，提供多個距離或連續視物距離的人工晶狀體的設計從功能上來說更加接近于人眼晶狀體的連續變焦能力，植入眼內后可在遠距離、中距離和/或近距離形成影像，因此可以重建部分全程視力，顯著提高脫鏡率和患者術后生活質量[2-4]。

在國際標準化組織ISO/TC172/SC7眼科光學和儀器分技術委員會WG7眼科植入物工作組最新草案稿中[5]，擬根據人工晶狀體的光學設計、性能表征以及臨床應用方式統一歸類，除可調節人工晶狀體外，可將在多個距離提供同步視覺的人工晶狀體統一歸類為同步視覺人工晶狀體（simultaneous vision intraocular lenses,SV IOL），包括多焦人工晶狀體（multifocal intraocular lenses,MIOLs）、全視程人工晶狀體（full visual range intraocular lenses,FVR IOL）、焦深擴展人工晶狀體。同步視覺人工晶狀體和單焦人工晶狀體相比，其功能更接近人眼晶狀體，但由于其理論設計的局限性，實際應用的缺陷也不應被忽視。同步視覺人工晶狀體的設計理念可以理解為對于不同視程物體成像，清晰的圖像和其他離焦圖像同時在眼底疊加，從而降低了整體對比度。研究發現，該類人工晶狀體相對單焦人工晶狀體，臨床上存在對比敏感度降低、易出現眩光及光暈等缺陷[6]，植入后人工晶狀體的偏心、傾斜等也會引起更多的視覺干擾。而制造商出于商業營銷及市場份額考慮，可能對提供多視程的人工晶狀體相較于單焦點人工晶狀體的優點過度宣傳，容易導致使用者過于迷信和依賴新技術的應用，而忽略風險。此外，制造商對于人工晶狀體光學設計的微小變化，聲稱能帶來更佳、更優秀的視覺效果，也容易給臨床應用方的使用選擇帶來困擾。因此對于同步視覺人工晶狀體的行業監管及臨床應用，有必要建立與其視覺質量相關的技術指標，以明確鑒別區分不同類型同步視覺人工晶狀體的性能優劣。

臨床研究中，視覺敏銳度（visual acuity,VA）通常被認為是視覺質量的重要指標，人工晶狀體植入后主要通過視力表計分評價視覺敏銳度，視力表具有不同的圖表設計和評分方法，國內眼科及視光學臨床檢查中規定能分辨1'視角的視力為正常視力標準，視覺敏銳度不同計分等級如表1所示。在近幾年眼科臨床研究中一般推薦使用logMAR視力表，測量結果以最小分辨角的對數值（logarithm of the minimum angel of resolution,logMAR）表示[7]。

表1 視覺敏銳度不同計分等級Tab.1 Different score levels of visual acuity

不過臨床研究中的視覺敏銳度評價都是基于術后調查，對于尚未上市的同步視覺人工晶狀體的預期視覺性能評價還需要在實驗室條件下獲得。目前人工晶狀體臨床前像質評價根據人工晶狀體行業標準YY 0290.2ü 2021[8]中的規定，一般采用分辨率或限定空間頻率條件下的調制傳遞函數（modulation transfer function,MTF）來表示。分辨率測量方法無法全面反映被檢人工晶狀體其他可能存在的像差，其測量結果也具有一定的主觀性。MTF評價則是對成像質量的銳度、反差和分辨率等綜合評價的數值，其測量結果相對客觀。同步視覺人工晶狀體由于其光學設計的特殊性，僅以限定空間頻率下的MTF值來評價像質也是不全面的。因此需要根據其多視程設計特點，建立與預期視覺性能相適應的像質評價方法，并與單焦人工晶狀體的成像質量對比評價，以便應用方根據實驗室數據預估人工晶狀體的臨床視覺效果，提供選型參考，也可以為生產廠家提供更好的設計思路，滿足技術開發需求。

1 像質評價方法

對同步視覺人工晶狀體的成像質量進行實驗研究評價，可選擇與相當視程距離的單焦點人工晶狀體進行成像質量對照，對一定空間頻率范圍的MTF進行評價，同時應考慮建立接近人眼實際角膜球差特征的模擬眼系統[9]，測試結果更為客觀。

同步視覺人工晶狀體要求具有較好的遠距離視力，并且相較于單焦點人工晶狀體，應提供改善的近距離視力及中距離視力。人眼明視環境下一般需要滿足遠距離需求，暗視覺環境下主要滿足近距和中距需求，因此研究設計可選擇明視條件下測試孔闌和人眼瞳孔，孔徑一般為2～3 mm，暗視條件下測試孔闌選擇4.5 mm或5.0 mm進行分析。同步視覺人工晶狀體的成像質量可以考慮以下幾個指標進行評價。

1.1 單色光條件下MTF頻率響應曲線

對于同步視覺人工晶狀體，由于光學設計的不同，遠距、中距和近距的光能量分布也是不一致的。通過對遠距光焦度和每一個加光度數（或焦度范圍）成像點生成不同孔徑下的MTF頻率響應曲線，可以反映同步視覺人工晶狀體在遠距、中距及近距點光學設計對不同輪廓以及細節的圖像處理能力。人工晶狀體一般均為單片透鏡，在空間頻率低頻段具有較高的MTF，對于單焦人工晶狀體，其高頻段的MTF值緩慢下降，衍射極限空間頻率甚至可達到400 lp/mm[8]。而對于同步視覺設計人工晶狀體，由于能量在各個距離段的不同分配，與單焦人工晶狀體相比，同頻段遠距點的MTF值下降明顯，但中距點或者近距點相對單焦點IOL來說有較好的表現[4]。

1.2 單色光條件下MTF隨焦響應曲線

通過MTF焦距響應曲線可以評估由遠到近連續視程范圍內人工晶狀體的成像質量，分別在孔徑為2～3 mm和4.5 mm或5 mm時生成人工晶狀體在50 mm-1處的MTF隨焦距響應曲線。根據一個無限遠物體聚焦得到50 mm-1處的最大MTF，然后在像方空間稍后位置以0.1 mm步距直至1.5 mm距離內測量并記錄MTF值。對于單焦人工晶狀體，由于景深以及像差的存在，MTF焦距響應曲線表現為遠距單峰，并具有一定的峰值寬度。同步視覺人工晶狀體的MTF焦距響應曲線除了在遠距可觀察到明顯的峰值設計，在其他設計焦點處（中距和近距）也能觀察到峰高，或者隨焦響應曲線基本連續，不會出現明顯的峰谷設計。

1.3 預期視力（logMAR對數視力）

臨床上一般以0.2 logMAR作為可接收的單眼矯正視力閾值[5]，圖1為EDF人工晶狀體從+1.50 D到-2.50 D的臨床視力離焦曲線示例[10]，橫坐標為物方離焦光焦度（D），縱坐標為logMAR對數視力，其中正方形標記線為對照單焦人工晶狀體，三角形標記線為EDF人工晶狀體，可以看出以0.2 logMAR作為有效視力限值，EDF人工晶狀體相比單焦人工晶狀體提供更寬的焦深。

圖1 EDF IOL及對照單焦IOL的臨床視力離焦曲線示例Fig.1 Hypothetical example of a defocus curve for an EDF IOL and monofocal control

臨床研究中利用視力表進行視力測量，實際評估的是組合空間頻率下的視覺敏銳度，因此在評估人工晶狀體的臨床前光學性能時，考慮組合空間頻率對預測人工晶狀體植入后所能達到的潛在視力更接近臨床實際。人工晶狀體的預期視力可以通過實驗室數據模擬計算得到，由于實驗室條件使用無限距MTF測量系統，在進行預期視力計算時，需要考慮將像方離焦換算至物方離焦。同時根據實驗室測量不同空間頻率下的MTF曲線，編制程序計算曲線下面積SMTFa，SMTFa定義為在1～50 lp/mm空間頻率的MTF的曲線下面積，如式(1)所示，其中f為空間頻率，d為空間頻率的采樣間隔，在本研究中，d等于1 lp/mm。

ALARCON等[11]利用大樣本量人工晶狀體的實驗室研究及術后臨床調查，發現隨焦視覺敏銳度VA值與實驗室1～50 lp/mmSMTFa測量值具有線性相關性，并通過優化R2相關系數得到臨床視力VA(logMAR)與實驗室測量SMTFa值的擬合函數，如式(2)所示。

式中：a=0.085；b=-1.0；c=-0.21；x=SMTFa。

通過對同步視覺人工晶狀體不同聚焦距離的MTF頻率響應測量計算得到SMTFa值，并利用式(2)可模擬計算得到同步視覺人工晶狀體物方離焦條件下的預期視力VA，從而建立與圖1類似的一定離焦范圍內的預期視力評估圖，同時以0.2 logMAR作為有效視力閾值，可以直觀地反映同步視覺人工晶狀體全視程內的視覺質量，并與單焦人工晶狀體進行對照，可判斷其光學設計的合理性。

2 試驗結果

根據以上方法分別對單焦人工晶狀體和3類同步視覺人工晶狀體（多焦、焦深擴展及全視程）進行像質評價，試驗研究用樣品信息如表2所示。

表2 樣品信息Tab.2 Sample information

試驗采用鹵素光源，進行單色光條件下的MTF測試時，光源峰值波長546 nmf 10 nm，其半高全寬小于20 nm。當進行預期視力VA（logMAR）測量時，更換特定濾光片獲得符合人眼明視覺特征的測量光譜。測量模型眼根據YY 0290.2ü 2021附錄C中所推薦參數建立，模擬角膜根據樣品非球面設計特征選擇適配球差矯正角膜，以減少模型眼系統整體像差的影響。本研究僅介紹幾種像質評價方法，對比不同光學設計人工晶狀體成像差異，因此暫不考慮大孔闌條件以及偏心傾斜對像質的影響，以下參數均在中等孔徑3 mm條件下在軸測量。

2.1 單色光條件下MTF頻率響應曲線

對于單焦人工晶狀體，模型眼系統中的調制傳遞函數MTF在空間頻率100 lp/mm處可達到0.43，甚至更高（見圖2(a)），隨著空間頻率的增加，單焦人工晶狀體的成像質量單調下降。同步視覺人工晶狀體在設計上為了獲得一定的中距及近距視力，則須犧牲一部分的遠距視力。當光線聚焦于遠距點時，中距和/或近距會聚光線在遠距點形成彌散斑，作為干擾光影響遠距點的成像質量，反之同理。由不同距離點的MTF頻率響應曲線可以看出，相較于雙焦人工晶狀體（見圖2(b)）和EDF人工晶狀體（見圖2(c)），全視程人工晶狀體（見圖2(d)）的遠距點受到中距點和近距點的干擾更多，因此遠距點在相同空間頻率下的MTF響應更低。

圖2 單色光條件下MTF頻率響應曲線Fig.2 MTF through-frequency response under monochromatic light

同步視覺人工晶狀體一般將遠距作為優先視力，根據不同功能，遠距點在100 lp/mm處的MTF遠小于0.43，而中距或近距在 100 lp/mm處的MTF則更小，甚至達不到MTF測試重復性限0.09要求[2]，因此對于同步視覺人工晶狀體，在較高空間頻率下評價MTF并無太大意義。

2.2 單色光條件下MTF隨焦響應曲線

選擇最佳聚焦頻率50 lp/mm，φ3 mmf 0.1 mm孔闌條件下在軸測量并記錄空間頻率50 lp/mm處的MTF響應。最大MTF為遠距點位置，在像方空間逐步離焦，單焦人工晶狀體離焦0.5 D后基本無可測量的成像點（見圖3(a)），多焦點人工晶狀體離焦2.5 D左右可以檢測近距成像點（見圖3(b)），但遠距最大MTF值與單焦人工晶狀體相比明顯下降；EDF人工晶狀體遠距最大MTF值相比單焦人工晶狀體略有下降，離焦1.5 D左右檢測中距成像點（見圖3(c)），隨后MTF隨距離變化逐步下降；全視程人工晶狀體的遠距點最大MTF下降最為明顯（見圖3(d)），但在中距2.15 D和近距3.20 D位置都存在能被測量設備讀取的像點。

圖3 單色光條件下MTF隨焦響應曲線Fig.3 MTF through-focus-response under monochromatic light

實驗室條件下測量人工晶狀體的MTF隨焦響應曲線是模擬無限遠物體成像，與臨床有限距視力測量不一樣。但通過單色光條件下的MTF隨焦響應曲線仍可直觀反映人工晶狀體不同距離點的光學設計及能量分配，評估在從遠到近視程范圍內人工晶狀體的成像質量。

2.3 預期視力（logMAR對數視力）

使用至少覆蓋可見光（380～700 nm）光譜范圍的白光光源、濾光片以及CCD的組合，光譜靈敏度符合人眼明視覺函數V(λ)如圖4所示。

圖4 人眼視覺函數V(λ)Fig.4 Photopic luminosity function V(λ) for the eye

利用以上測量條件并結合YY 0290.2ü 2021附錄C中推薦的模型眼，測量得到適配模型眼條件下單焦人工晶狀體及同步視覺人工晶狀體在白光光源下的MTF頻率響應，計算給定頻率范圍內的SMTFa（MTF曲線下面積）和預期視力值，以logMAR單位表示。由于采用的測量系統為無限距MTF測量，在對人工晶狀體實際聚焦能力評價時，還應考慮將像方離焦距離（mm）轉換為物方離焦光焦度（D），從而更加接近于臨床視力表評價方式，對待估人工晶狀體的視力表現有更直觀的對比評價。

4 種類型人工晶狀體在白光條件下的預期視力測量及計算結果如圖5所示，以視力0.2 logMAR作為有效視力限值，預期視力VA小于0.2 logMAR，則視力更佳。

圖5(a)中的單焦人工晶狀體由于理論設計限制不可避免存在焦深和像差，因此仍存在一定的有效視力范圍，達到可接受視力水平的視程范圍約為2.5 D；圖5(b)中的多焦人工晶狀體由于增加了近距點的視力表達，達到可接受視力水平的視程約為3.2 D，但中距視力水平有明顯下降；圖5(c)中的EDF人工晶狀體達到可接受視力水平的視程寬度與多焦IOL近似，約為3.2 D，但遠距至中距視力有較好的連續性；圖5(d)中的全視程人工晶狀體由于其中距點和近距點的設計，實測達到可接受視力水平的視程約為3.5 D，雖然相對多焦以及EDF人工晶狀體，全視程人工晶狀體并未在視程跨度上有非常明顯的優勢，但可以看出全視程人工晶狀體的中距和近距均可以達到0.2 logMAR視力水平，相比多焦IOL有更好的中距視力，而相對EDF IOL又增加了近距點的視力，連續性更強。

圖5 白光下的預期視力VAFig.5 Expected visual acuity under white light

φ3 mm孔闌下計算不同物方離焦對應的預期視力如表3所示。在遠距點位置，即離焦0.0 D時，單焦人工晶狀體具有最佳視力為-0.10 logMAR，全視程人工晶狀體遠距視力相對較差，為-0.03 logMAR；選用的多焦人工晶狀體由于加光度數僅為2.50 D，對近距的視力貢獻并不明顯，從表3計算結果可以看出，其中距視力效果不如EDF人工晶狀體，但接近近距時，視力表現相比于單焦和EDF人工晶狀體有優勢；EDF人工晶狀體達到有效視力閾值0.2 logMAR時的離焦距離相比于單焦人工晶狀體至少大0.5 D，說明具有焦深延長效果，物方離焦1.5 D處（約66 cm中距）有效視力0.01 logMAR，相較于其他幾類人工晶狀體有更好的視覺效果；全視程人工晶狀體在離焦2.5 D處（約40 cm近距）仍可以達到可接受的視力水平，相較其他幾類人工晶狀體，由遠距至近距可獲得較佳視力連續性。

表3 預期視力VA 對比Tab.3 Contrast of expected visual acuity

3 結論

臨床上進行患者視力評估時，由于照明環境、測試距離以及組合空間頻率下的視標均與實驗室條件不完全等同，因此在評估同步視覺人工晶狀體的光學設計性能時，應盡可能模擬實際環境進行測量。本研究采用適配模型眼條件下的MTF頻率響應、MTF隨焦響應及預期視力3種不同的臨床前像質評價方法對比分析了4種不同光學設計人工晶狀體的成像差異，本像質評價方法可對人工晶狀體的光學設計進行實驗室驗證，同時其研究結果也便于更好地預測植入同步視覺人工晶狀體患者的視覺表現，可為人工晶狀體制造商以及使用各方提供產品設計開發驗證、應用選擇等參考依據。