波前像差与视觉质量关系的研究进展

波前像差与视觉质量关系的研究进展（作者:___________单位: ___________邮编: ___________）【关键词】波前像差视觉质量研究进展像差在物理光学上已不是一个新概念,近几年来随着角膜屈光手术的推广,由其引发的术后夜间视力下降、对比敏感度下降、眩光等一系列问题将像差与屈光手术牢牢地联系在一起,将这一物理光学的基本概念带入了一个新舞台,波前像差检查技术的出现为准分子激光角膜屈光手术后的视觉质量评价提供了一个客观的方法，现将像差、视觉质量有关内容及他们的关系综述如下。

1 像差概念和波前像差概述实际工作中光学系统所成的像与近轴光学(Paraxial Optics，高斯光学)所获得的结果不同，有一定的偏离，光学成像相对近轴成像的偏离称像差。

光的传播是以波的形式振荡向前的，一个点光源发出的光波是以球面波的形式向周围扩散，假设该点发出的光波在某一时刻停滞不前，所有光点形成的一个波面，就像战场阵地上士兵组成的阵，因此称为波阵面(wavefront)，直译为波前。

当该球面波向周围扩散传播没有遇到人和不均匀的阻力时，其波面即为理想波面，是以理想像点为中心的一个球面;而实际上该球面波向周围扩散传播时将受到介质中不均匀的阻力，其波面应为实际波面，是以非理想像点为中心的一个波面，理想波面与实际波面之间的光程差(optical path difference,opd)即称为波阵面像差(wavefront aberration)，直译为波前像差[1]。

根据人体生理学，对于人眼系统，其像差主要来源于其光学系统的缺陷：角膜和晶状体的表面不理想，其表面曲度存在局部偏差;角膜与晶状体、玻璃体不同轴;角膜和晶状体以及玻璃体的内含物质不均匀，使折射率有局部偏差。

各种光通过人眼的折射率不同，不可避免地产生色差。

研究显示各种像差对人的视觉质量都具有重要的影响，在正常人眼的像差中，球差和色差是影响视网膜成像的重要因素。

而像散和彗差等轴外像差居于次要地位[2]。

在瞳孔小于3 mm时，人眼的像差主要是离焦、散光、彗差、球差等常规的像差，当瞳孔增大超过7.3 mm时，影响人眼的视觉质量和视网膜分辨率的主要原因是非常规像差[3]。

单色像差和瞳孔的大小(即调节作用)有明显相关性，随调节程度加强像差明显升高，而且对于PRK、LASIK术后大瞳孔(7 mm)患者像差明显高于小瞳孔(3 mm)的患者[4]。

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，以至物体上一点在视网膜的对应点上不是一个理想的像点，而是一个发散的光斑，其结果是整个视网膜像对比下降，视觉模糊。

实践证明，基于几何光学原理对人眼光学系统特性的传统评价方法存在很大的局限性。

2 视觉质量目前公认的评价视觉质量的指标包括视力、对比敏感度检查和主观感受。

对比敏感度对人眼视觉质量的评估比视力要灵敏。

视力是在高对比度下测得的对比敏感度函数上的一点,即中央视力[5]，反映的是黄斑中心凹对高对比度目标的空间分辨力，在视觉生理上它远不及对比敏感度反映得全面，如在临床上有些患者自觉视力已下降，而视力仍是正常值1.0[6]。

长期以来视觉功能是以视力作为代表的，视力测定实际上是对一定距离内人眼分辨空间最小两点间距的黄斑中心凹的中心视力，是对高对比、小目标的分辨功能。

随着我们对人眼视觉质量的不断重视，单纯提高视力己经不能满足人们对较高视觉及生活质量的要求。

1956年Schade首先提出对比敏感度，将空间光栅用于分析视觉系统的信息传递特性。

Compbell等[7]认为视觉系统中存在多个空间频率通道，每个通道只对很窄的空间频率带发生反应。

1984年，Peny 将灵长类动物投射到外侧膝状体的视网膜神经节细胞分为P、M两类。

P细胞较小，投射到外侧膝状体的小细胞层，对高空间频率、低时间频率刺激敏感;M细胞较大，投射到外侧膝状体的大细胞层，对低空间频率、高时间频率刺激敏感。

人眼要觉察到有对比度的存在，必须到一定的对比度阈值，而对比度阈值的倒数即称为对比敏感度(Contrast sensitivity,CS)，它是辨认在平均亮度下两个可见区域间差异的能力，是人眼对刚好能识别出的某一空间频率(视标大小，粗细)的黑白相间光栅或条纹闭(对比度阈值)的倒数。

对比敏感度函数是以空间频率为横坐标，以对比敏感度为纵坐标，将各空间频率的对比敏感度连成曲线，也称对比敏感度曲线，正常人CS的F曲线呈倒u形，即中频区高，两边(低、高频区)低的形态[8],低频区主要反映视觉对比度情况，高频区主要反映视敏度情况，中频区集中的反映了视觉对比度和中心视力综合情况。

主观感受包括视近物疲劳、视物重影、眩光、暗视模糊或驾驶困难、其它视物不适等。

3 总像差与高阶像差的改变及与视觉质量的关系Kaemmerer等[9]研究发现40岁以上的正常眼波前像差较其以下年龄组的眼显著增加,表现在三阶像差(特别是垂直彗差C7)及球差(C12)随年龄变化而改变。

考虑随着年龄增长,晶状体密度不断增加,晶状体内各成份折射率梯度发生变化,晶状体的球差逐渐由负向正转变,尤其在年龄超过40岁后,晶状体对整体像差的补偿作用减少甚至消失,进而人眼出现对比敏感度和视力下降。

Chalita等[10]指出准分子屈光手术后总像差减少而高阶像差增加是由于低阶像差(包括倾斜和离焦)占总像差的绝大部分，而高阶像差仅有一小部分，故术后总像差减小从另一角度证明了LASIK的有效性。

引起高阶像差增加的原因很多，包括角膜的非球面性改变、术后角膜的修复过程、晶体的调节等。

LASIK术后总体像差减少，而高阶像差增加，与视力无明显相关性，总像差的改变，与术前屈光度存在线性相关，但高阶像差的变化与其无明显相关，提示了并非所有的高阶像差都会影响视觉质量，有些高阶像差甚至对视觉质量的提高是有益的[11-13]，因此可以解释很多具有超视力的飞行员也可检测到较大的高阶像差。

因此，目前很多屈光手术专家认为，减少医源性球差比追求更小的高阶像差更有意义。

4 术后Zernike函数项的改变及与视觉质量的关系Zernike函数值C1-C27代表实际波阵面与参考波阵面的距离，在前为正，在后为负，故比较大小时以绝对值为准。

在术后，由于屈光手术矫正了包括球柱镜在内的低阶像差，使得总体像差减小，但高阶像差增大;尤其是代表彗差的C8和代表球差的C12。

但随着时间的推移，增大的球差和彗差又有减小[14]。

研究表明，波阵面像差的检查受多种因素的影响，包括泪膜的状态、瞳孔直径、调节、屈光度、屈光间质的透明性、年龄等各方面，例如瞳孔大小可影响像差的大小，当瞳孔散大时，光线经过切削区和非切削比度[15]，这即为在较小的切削区和较大的瞳孔直径下夜间视力存在眩光和光晕现象的原因。

在大瞳孔下，像差的影响因素增加约10～20倍[16]。

在一些研究中术后代表近视、远视的离焦C4减小，且与术前的SE存在线性相关性，证明了LASIK的有效性，代表y、x方向彗差的C7、C8和4阶球差C12均增大，C8增大无统计学意义可能与样本量小有关。

C7减小、C12增大者与视觉质量的关系较为密切，证明4阶球差C12并未影响视觉质量，甚至对视觉质量是有益的，需提高样本量及延长随访时间进一步明确其对视觉质量的影响。

基于波阵面像差理论而发展起来的波阵面像差引导的个体化切削，希望在治疗近视、散光的同时，将整个屈光系统的像差都加诸在角膜上解决，而事实上很难做到，因为影响像差的很多因素如屈光间质密度的改变、晶体的调节等，都不是可以人为控制的，且手术的同时改变了角膜中央凸、周边平的非球面状态，打破了眼整体的像差平衡，人为的引入了球差[17-18]。

于是光物理学专家将Q值的概念引入到准分子屈光手术中来，希望通过保证手术前后角膜非球面形态的一致性来减少影响视觉质量的医源性球差[19]。

综上所述，波前像差仪可以精确、快速、敏感地反映人眼屈光系统的光学特点，已成为研究人眼视网膜成像质量的工具，可以广泛地应用于临床和实验中。

在屈光手术中起了很好的指导作用，年龄、瞳孔直径、调节、屈光不正、镜片、泪膜的稳定性、晶状体的透明性都会对波前像差造成影响。

目前波前像差引导的个体化切削在屈光不正的治疗中显示了其独特的优越性，但它与视觉质量的关系以及各个像差与视觉质量的关系仍是研究的热点问题，需要进一步研究和完善，需要更多的工作以完善计算方法以矫正高阶像差，使其在眼科领域发挥更大的作用。

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