人工晶状体基础理论理解球面像差

PabloArtal教授任职于西班牙Murcia大学的光学实验室，是生理光学方面享有盛名的专家，主要从事有关眼视光及可视光谱生理机制方面的研究。Artal教授与眼科有着紧密的合作关系，参与了部分单焦型人工晶状体的开发工作。在新加坡专家组会议上，他介绍了球面像差的有关基础理论及人工晶体开发中的技术应用。PabloArtal教授:我们先从基础谈起。眼球是非常重要的视觉器官。视觉质量和视网膜功能密切相关。影响视网膜成像的物理基础有：衍射、散射和像差，这三者之间也互相影响，现在我们主要来谈像差对视网膜成像和视觉质量的影响。了解像差，有助于我们更好地认识视网膜成像。了解了视网膜成像，我们就可以知晓调制传递函数等知识，这能够帮助我们认识物体在视网膜上成像过程中对比度的形成。这一点很重要，因为这和我们熟知的对比敏感度密切相关。调制传递函数是光学、物理学方面非常基础的一个概念，而对比敏感度则属于心理生理学，但两者在本质上是相联系的。造成像差的眼部结构眼球有两个主要的屈光结构：角膜和晶状体。这两个结构都产生像差。如果对晶状体有更多的了解，同样有助于改良人工晶状体的设计。现在的问题是如何测量晶状体的像差？理论上很简单，测量眼的总像差，再测量出角膜像差，两者相减即是晶状体的像差。年轻人的角膜像差多为正值，而晶状体发挥代偿作用。如果人渐年老，将会出现怎样的情况呢？如果只看角膜的情况，其像差只是略有增加。在我们年老的同时，晶状体也在持续发生变化，其代偿角膜像差的作用日渐消退。随着年龄的增加，像差不再平衡，这也是视光结构逐渐衰退的原因之一。球面像差与人工晶状体设计就在10年前，我们对此还知之甚少。那时我们的人工晶状体光学设计已经非常完美了，但是植入后的情况却不尽人意。后来我们通过人工晶状体的设计来矫正像差，主要是矫正角膜的像差，这也是相对容易做到的。这就是可矫正球面像差人工晶状体设计所依据的理论基础。随着人们年龄的增长，球面像差有逐渐增长的趋势。之所以这样说，是因为角膜的像差始终为正值，而起代偿作用的晶状体，在年轻时其像差为负值，中年时接近零，年老时晶状体的像差也变为正值。因此，如果需要良好的视觉质量，人工晶状体的像差应该为负值。普通人工晶状体的球面像差为正值，这加重了眼的球面像差。Tecnis有别于其他人工晶状体正在于此。与普通人工晶状体不同，Tecnis人工晶状体能够代偿常见的角膜像差。总之，很简单，只要你矫正了球面像差，视觉质量将得到改善。当然，影响视觉质量的因素不止这些，下面我们接着加以讨论。矫正球面像差的好处有哪些?我们实验室采用自适应光学系统研究了矫正球面像差的效果。实验采用了多种传感和修正设备，实验发现，与球面像差未矫正的眼相比，矫正后的聚焦更佳。但是，还有一些因素影响到视觉质量。人工晶状体能够带来哪些实际效果?我们有一项研究成果即将发表，在这项研究中，我们建立了一个人工晶状体眼模型。各种参数，如角膜地形图数据、人工晶状体的几何学特点和位置变化，都纳入了实验内容，模型眼的像差情况与真实眼完全相同。实验中，我们还考虑了另一项非常重要的因素，即术后晶状体偏中心和倾斜所引起的位置变化。为此我们增加了一项设备，Purkinje计，用来测量角膜和晶状体的反光情况。随着成像物体的位置变化，Purkenje计测量的结果也会发生相应的变化。籍此可以非常精确地了解偏中心和倾斜所引起的变化。随后我们用这套设备检查手术前后的像差情况，比较了人工晶状体和球面晶状体在某些特殊情况下的效果。结果是，如果非球面人工晶状体在植入后发生偏中心，视觉效果将会受到影响。但是影响有多大呢？如果术后球面像差为正值，非球面晶状体的最终效果要好一些；如果术后球面像差为负值，球面晶状体的效果要好于非球面人工晶状体。如果发生倾斜，结果也是一样。另一个值得关心的问题是，球面像差能够增加景深。如果去除了球面像差，景深也会受到影响。球面像差与瞳孔大小有关。只有确定了瞳孔大小，球面像差的值才有意义。如果瞳孔较大，矫正球面像差的效果会更明显。影响效果的瞳孔范围究竟是多少？我们为此检测了多种晶状体。在瞳孔为3mm或更小时，效果并无差异。如果瞳孔大小超出这个范围，球面像差的效果也随之更明显。实验室内这种“虚拟白内障手术”，在预测各种不同情况下非球面人工晶状体的光学效果方面非常有用，它能够有助于我们了解目前的和未来的人工晶状体的实际效果。多少范围的球面像差才能够提供最佳视觉效果?我们是否应该矫正所有的像差？现在，球面像差有些成了散焦的同义词了——无像差，即无散焦，这只是光学意义上的。实际情况如何？这涉及到光学系统与视觉系统之间的相互作用，这种相互作用非常复杂。在自适应光学系统实验中，我们发现，矫正所有像差，即零像差时，光学质量最佳。

QAPabloArtal教授答疑Q和术后球面像差轻度正值相比，零像差或轻度负像差的效果要更好，这种说法是否正确?ProfessorArtal:矫正的预期值应该为零。手术患者仅有70%能够达到预期效果。因为人工晶状体是根据平均情况来设计的，所以，你不可能矫正所有的球面像差。即使预期值为零，还得考虑标准误差的问题，但是如果你的预期值是0.1，你的误差将会更大。因此，我建议的预期值为零。Q如果术前存在散光，这是否有影响?ProfessorArtal:手术医生应该设法矫正散光。如果不加以处理，像差仍然存在，效果也要受到一定影响。Q偏中心的最大限度是多少?ProfessorArtal:每例患者都会出现一定的偏中心，通常情况下，偏中心不能超过0.7~0.8mm。如果偏中心达到1mm，效果将会受到影响，这将和球面人工晶状体的效果差不多了。Q各种非球面人工晶状体有不同的屈光指数，这对球面像差有影响吗?ProfessorArtal:球面像差取决于屈光指数。如果屈光指数不同，其球面像差也不同。但这不是主要问题所在，试想一下，如果你来设计人工晶状体，比如Tecnis（这种人工晶状体的球面像差是恒定的），你会根据所选的材料的屈光指数，参考其几何学特征，设计出一个同样球面像差值的人工晶状体。当然，现在大多数的人工晶状体的屈光指数都是相同的。人的晶状体组织内的屈光指数并不一致。我想这可能对未来晶状体的设计有所影响，也许未来的技术条件能够设计出不同屈光指数材料组成的人工晶状体。Q如果患者已经做过LASIK，现在需要植入人工晶状体，你有什么建议?ProfessorArtal:如果患者已经通过LASIK矫正原来的屈光不正，他的球面像差值很可能更大。设想一下，如果患者角膜正常，球面像差值为0.15微米，LASIK后球面像差值为0.4微米。在他65岁或70岁，需要植入人工晶状体时，现在我们能够做的最好方法就是为他植入Tecnis人工晶状体，去除0.15微米的球面像差。但是，他术后仍然有相当的球面像差（即0.4减去0.15微米），这种病例更需要个性化的人工晶状体。现在的Tecnis还做不到这一点，因为Tecnis是根据平均情况来设计的。