復曲面人工晶狀體成像質量實驗研究.pdf

1、角膜散光是一種常見的屈光不正，約有20％的白內障患者角膜有不同程度的散光。在白內障手術中控制術后散光，一直是手術醫(yī)生關注的問題。通過白內障手術切口的設計可以簡便有效的矯正低度散光，但這種方法的可預測性較差，并且隨著白內障手術技術的不斷進步，手術切口越來越小，可以提供矯正散光的效果越小。不同技術的角膜松解切口術也可以用于手術中矯正角膜散光，主要缺點是穩(wěn)定性差，有出現(xiàn)角膜穿孔，甚至切口組織溶解的危險，限制了其在臨床的應用。
　　 散

2、光型人工晶狀體(intraocular lens，IOL)是一種將散光的toric面與球面相融合新型屈光型IOL，目前臨床研究表明，Toric IOL能有效地矯正角膜散光提高裸眼視力。對不規(guī)則的角膜散光-圓錐角膜、角膜移植術后、角膜外傷瘢痕等，使用Toric IOL仍然能矯正部分散光使患者視力獲得一定程度提高。
　　 復曲面IOL雖然在屈光度上能有效矯正角膜散光，提高患者視力，但其復雜的光學結構使其在很多方面的光學質量仍然存在雙

3、眼徑線成像不等大的融合問題、徑線屈光度差異對Toric IOL焦深、縱向色差的影響等疑問;同時Toric IOL不可避免存在偏心、傾斜和散光軸位旋轉等位置誤差對IOL成像質量的影響是目前探討的熱點。
　　 隨著波前像差技術的進步人工晶狀體眼的像差的認識及矯正使IOL成像質量進一步提高，患者的視覺質量獲得更大的改善。對于Toric IOL進行光學結構的改進，優(yōu)化球差(sphrecial aberration，SA)，是否能獲得和球

4、面IOL相同的光學質量的提高？由于Toric IOL存在著比旋轉對稱的IOL更多的誤差指標，如何使Toric IOL光學質量提高同時擁有對誤差更好的耐受性是本研究的目的。
　　 第一部分基于模型眼復曲面人工晶狀體成像質量實驗研究
　　 目的:評價復色光環(huán)境下球面、非球面、Toric IOL的成像質量、焦深及縱向色差。
　　 方法:在Zemax光學設計軟件中建立Hwey-Lan Liou模型眼，使用光線追跡法計算，

5、評價TecnisZA9003 IOL、SN60AT IOL、Toric IOL復色光的成像質量、縱向色差和焦深。
　　 結果:復色光環(huán)境下非球面IOL成像質量仍然優(yōu)于球面IOL; ToricIOL與球面IOL有相近的成像質量。材料色散系數(shù)小的IOL有較小的縱向色差;球面SN60AT和Toric IOL有相同的縱向色差;短波長的光線的縱向色差大于長波長。球面IOL和Toric IOL隨著瞳孔直徑增大離焦調整傳遞函數(shù)降低，并且向負離

6、焦方向偏移;非球面IOL隨著瞳孔直徑增大保持較好的離焦調制傳遞函數(shù)，但焦深明顯減小。
　　 小結:
　　 (1) Toric IOL有與球面IOL相近的成像質量。
　　 (2) Abbe數(shù)越大，IOL的縱向色差越小。
　　 (3) Toric IOL、球面IOL和非球面IOL的焦深隨著瞳孔直徑的增大而減小;而且Toric IOL、球面IOL對負離焦耐受較好。
　　 (4) 非球面IOL對離焦的耐受

7、性較低，焦深較小。
　　 第二部分復曲面人工晶狀體偏心及旋轉對成像質量影響的實驗研究
　　 目的:評價Toric IOL旋轉偏心對成像質量的影響和波前像差的改變。
　　 方法:模型眼中550nm波長單色光，研究SN60AT和Toric IOL分別沿從0°～90°每間隔5°子午線從中心偏離，分別偏心0.25mm、0.5mm、0.75mm，Toric IOL在模型眼中旋轉3°、5°、7°、10°，評價偏心和旋轉對的成

8、像質量和波前像差的影響及旋轉對殘留屈光度的影響。
　　 結果:在IOL居中SN60AT IOL與Toric IOL的成像質量非常接近，并且都隨著瞳孔直徑的增大成像質量降低;在軸位準確，散光完全矯正的情況下，Toric IOL偏心不受方向的影響，沿0°～90°各子午線屈光力不同方向偏心時成像質量幾乎保持不變。
　　 SN60AT IOL與Toric IOL隨著偏心增加RMS逐漸增大，主要是彗差的增加，伴隨少量三葉草像差和散

9、光的增加。
　　 隨著Toric IOL旋轉的增加，高空間頻率成像質量降低明顯;ToricIOL旋轉主要引起散光的增大，不伴有高階像差的增加。Toric IOL旋轉不但造成殘留散光的增加，還伴有球鏡的增大。
　　 小結:
　　 (1) Toric IOL成像質量略低于球面IOL; Toric IOL偏心成像質量不受偏心方向的影響，只與偏心量有關;Toric IOL對偏心的耐受性與球面IOL非常接近。
　　

10、 (2) Toric IOL偏心引起波前像差的變化主要是彗差增加，同時有少量散光和三葉草像差的增加。
　　 (3) Toric IOL旋轉帶來散光和球鏡的增加，不伴有高階像差的增加。
　　 第三部分復曲面人工晶狀體優(yōu)化及對成像質量影響的實驗研究
　　 目的:對于Toric IOL的球差進行優(yōu)化，設計不同球差的Toric IOL，并且對不同球差Toric IOL的旋轉、偏心的耐受性及成像規(guī)律進行研究。
　　

11、 方法:模型眼中在550nm波長單色光條件下，對復曲面人工晶狀體進行兩個步驟的優(yōu)化:
　　 1.復曲面人工晶狀體球面結構的優(yōu)化，優(yōu)化函數(shù)設定人工晶狀體前、后表面曲率半徑和厚度為可變參量，以ZERN函數(shù)第11項C04最小為目標進行優(yōu)化。
　　 2.復曲面人工晶狀體球差的優(yōu)化，優(yōu)化目標設計為:-0.26μm、-0.1μm和0μm球差的復曲面人工晶狀體。優(yōu)化函數(shù)設定ZERN函數(shù)第11項分別以C04為0μm、0.16μm、0.2

12、6μm為目標，對人工晶狀體前表面Q值和2、4階非球面系數(shù)進行優(yōu)化。
　　 球面和非球面Toric IOL在模型眼中沿x軸分別偏心0.25mm、0.5mm、0.75mm，評價其成像質量和波前像差的改變;;旋轉3°、5°、7°、10°，評價其對成像質量及波前像差影響。
　　 球面和非球面Toric IOL在模型眼中分別在3mm、4mm、5mm瞳孔直徑隨機偏心0～0.5mm，旋轉0°～5°，進行1000次模擬，結果進行蒙特卡洛

13、分析。
　　 結果:居中時非球面Toric IOL都有非常好的成像質量，明顯優(yōu)于球面結構的Toric IOL，隨著瞳孔直徑的增大更加明顯。3mm瞳孔偏心0.25mm，球面和非球面Toric IOL都有與居中時相近的MTF，對0.25mm偏心的耐受較好。偏心0.5mm時，-0.26μm球差的Toric IOL的成像質量下降并且低于0μm球差和-0.1μm球差的IOL。偏心0.75mm時，0μm球差的Toric IOL在中低空間頻率

14、優(yōu)于其他IOL。4mm瞳孔偏心0.25mm時，-0.1μm球差的Toric IOL成像質量最好。偏心0.75mm時-0.1μm球差的Toric IOL優(yōu)于球面和其他非球面Toric IOL。5mm瞳孔直徑時，偏心0.25mm時-0.26μm球差的Toric IOL中低空間頻率優(yōu)于其他Toric IOL，高空間頻率MTF與0μm球差和-0.1μm球差的IOL接近。偏心0.75mm時-0.26μm球差IOL的MTF與球面Toric IOL接

15、近，0μm球差和-0.1μm球差的IOL略優(yōu)于球面Toric IOL。
　　 小結:
　　 (1)居中時非球面Toric IOL能有效的提高模型眼的光學質量;-0.26μm球差的Toric IOL成像質量最好。
　　 (2)存在偏心和旋轉誤差時非球面Toric IOL的成像質量仍然優(yōu)于球面Toric IOL，-0.1μm球差的Toric IOL即有較好的成像質量，又有較好的對誤差的耐受性。
　　 (3)對

16、Toric IOL球差適量的優(yōu)化，可以提高模型眼的成像質量，同時保持對偏心和旋轉誤差的耐受性，在綜合情況下獲得更好的光學質量。
　　 第四部分復曲面人工晶狀體個體化模型眼成像質量的實驗研究
　　 目的:采集患者眼部解剖參數(shù)，利用Zemax光學設計軟件建立個體化模型眼，研究不同球差的Toric IOL植入后的視覺質量。
　　 方法:Pentacam采集患者手術前的角膜地形圖。IOLMaster測量患者眼軸長。Mat

17、lab4.5數(shù)學計算軟件中采集5×5mm范圍角膜前表面高度圖數(shù)據(jù)使用最小二乘法根據(jù)雙二次曲線方程進行擬合，建立前角膜表面散光模型，采集5×5mm范圍角膜后表面高度圖數(shù)據(jù)根據(jù)二次曲線方程擬合建立角膜后表面模型。在Zemax光學設計軟件構建個體化模型眼。散光角膜模型的平坦軸置于y軸，陡峭軸置于x軸;角膜厚度使用該例角膜地形圖中央最薄點厚度數(shù)據(jù);IOL的前表面置于相應的ELP(effective thin-lens position，ELP)

18、。
　　 在550nm波長條件下，計算個體化模型眼6mm直徑角膜球差(spherical aberration，SA)。
　　 強光環(huán)境(300Td)，瞳孔直徑為3mm;暗光環(huán)境(0.3-1Td)，瞳孔直徑為5mm;根據(jù)兩種條件下的神經(jīng)傳遞函數(shù)，計算每一個模型眼的對比敏感度。
　　 結果:個體化模型眼角膜前表面平坦軸Q值:-0.12±0.22;陡峭軸Q值:-0.12±0.23;后表面Q值:-0.43±0.37;角

19、膜平均球差為:0.23μm±0.18μm（-0.15μm～0.42μm）。
　　 強光環(huán)境非球面Toric IOL的RMS和球差都優(yōu)于球面IOL;全矯球差的Toric IOL對比敏感度在各空間頻率都優(yōu)于其他IOL。暗光環(huán)境非球面Toric IOL的RMS和球差也優(yōu)于球面IOL;全矯球差的Toric IOL在中高空間頻率都優(yōu)于其他IOL，低空間頻率與其他球差的非球面Toric IOL對比敏感度差異無統(tǒng)計學意義。
　　 小結

20、:
　　 (1)角膜高度數(shù)據(jù)對雙二次曲面公式的擬合可以準確建立角膜散光模型。
　　 (2)非球面Toric IOL能有效的抵消散光角膜球差，提高個體化模型眼大部分空間頻率的對比敏感度。
　　 結論:
　　 1、Toric IOL與球面IOL有相近的成像質量及離焦特性。
　　 2、Toric IOL與球面IOL對偏心的耐受性也相近。偏心造成波前像差的變化主要是彗差的增加。Toric IOL的旋轉主要