多焦點人工晶體成像質量的影響因素研究

1.中國食品藥品檢定研究院醫療器械檢定所，北京 100050；2. 北京工業大學，北京 100124

多焦點人工晶體成像質量的影響因素研究

郝燁1，王權1，任海萍1，馮繼宏2

1.中國食品藥品檢定研究院醫療器械檢定所，北京 100050；2. 北京工業大學，北京 100124

在多焦點人工晶體實際使用中，影響其成像質量的因素主要有：瞳孔直徑、后房深度以及由此引起的偏心、傾斜等。本文通過ZEMAX軟件在 Liou & Brennan 眼模型基礎上進行改進，用ReZoom多焦點人工晶體替代眼模型原有晶體，建立多焦點人工晶體眼模型，模擬上述影響因素的變化，計算不同條件下MTF傳遞函數并進行比較分析，歸納出各因素對于成像質量的影響。主要結果如下：多焦點人工晶體植入人眼后，后房深度、瞳孔直徑、傾斜和偏心對成像質量均有影響。對于后房深度7.8 mm，瞳孔直徑2 mm左右的患者，成像質量最佳，隨著瞳孔直徑和后房深度的增加，成像質量逐漸下降；另外，如果出現晶體的傾斜和偏心，都會引起成像質量的下降，在傾斜范圍3°以內，對成像效果的影響不大。

多焦點人工晶體；ZEMAX；成像質量

植入人工晶體是治療白內障的主要手段之一，但是普通單焦點人工晶體只有一個屈光度，晶體本身并無調節能力，因此患者移植后不能同時恢復遠近視力，對患者術后恢復造成一定影響。多焦點人工晶體（Multifocal Intraocular Lens, MIOL）是近幾十年出現的新型人工晶體，根據設計原理不同，分為衍射型和折射型。由于其設計方式獨特，入射光通過晶體可以產生多個焦點，可以更好地改善患者的遠近視力。但是相對于單焦點人工晶體而言，多焦點人工晶體在植入人眼之前需要根據病人的具體情況選擇合適類型才能提高遠近視力。然而，如何針對不同患者選擇合適的多焦點人工晶體,至今尚無準確的應對措施。因此，本文希望通過對影響晶體成像質量的關鍵因素進行分析和軟件模擬，總結歸納出各種影響因素對成像質量的影響程度和方式，為今后的多焦點人工晶體臨床使用提供合理的指導意見。

1 多焦點人工晶體背景介紹

多焦點人工晶體是通過折射和（或）衍射的光學原理，使經過多焦點人工晶體的光線產生兩個或者多個焦點，期望在獲得較好的遠視力的同時，對近視也有一定幫助。多焦點人工晶體根據設計原理不同，分為折射型和衍射型。

折射型多焦點人工晶體一般前表面由3～5 個非球面同心環構成，后表面為光滑球面，光學面的不同區域有不同的屈光力，使光線經折射后形成由遠到近較廣泛的焦點范圍。衍射型多焦人工晶體一般前表面為光滑球面，后表面有20～30 個同心圓性質的顯微坡環，利用光的衍射原理，形成近或遠焦點[1-2]。

人眼實施白內障手術后，原有的自然晶狀體被人工晶體所取代，但由于人眼睫狀肌收縮能力依然存在，這會使得植入的人工晶體在眼內能有一定幅度的移動距離[3]，因此，分析晶體位置移動和瞳孔直徑對成像質量的影響對臨床應用具有重要意義。由于多焦點人工晶體的結構特殊性，患者瞳孔大小、后房長度、中心偏差、光學傾角等使用參數對成像質量的影響大于對單焦點人工晶體的影響[4-5],其選配的難度要遠大于單焦點人工晶體，如果術后不能根據患者情況選配合適的多焦點人工晶體，不僅不能提高遠近視力，反而會帶來對比靈敏度下降、眩光和光暈等視力并發癥，影響術后效果。因此，根據病人的實際條件合理設計和選擇多焦點人工晶體非常重要。

2 研究思路設計

本文選用臨床中具有代表性的折射型多焦點后房人工晶體ReZoom MIOL作為試驗對象。該晶體為AMO公司產品，臨床應用廣泛，主要應用于白內障摘除后患者的視力矯正，它由聚丙烯酸酯類材料制成三片式結構，全長13 mm，光學區直徑6 mm。首先，通過三維掃描技術取得其三維信息，在ZEMAX軟件中，將ReZoom MIOL的數據代入Liou & Brennan人眼模型替換原有的晶體數據，建立起新的MIOL模型。針對影響光學成像質量的關鍵參數，在ZEMAX軟件中采用光線追跡的方法對瞳孔直徑、偏心、后房深度和植入角度等參數變化進行模擬和計算，獲得理論的MTF。研究思路，見圖1。

圖1 研究思路設計

3 試驗實現

本文選用Liou & Brennan 人眼模型作為基礎模型。主要是該模型是根據較新的生理解剖數據建立的，使用范圍廣泛，較為接近眼睛的解剖結構。該模型可以簡單描述為：角膜前后面的曲率半徑為7.8 mm和6.7 mm，折射率1.363，厚度0.52 mm；房水前后面的曲率半徑為6.7 mm和10.0 mm，折射率1.321，厚度3.2 mm；瞳孔半徑為1.5 mm、厚度0.1 mm，沿著X方向偏心-0.5 mm；為了簡化計算，晶狀體被看成為后面的曲率半徑為10.0 mm和-6.0 mm，折射率1.401，厚度3.7 mm的簡單透鏡；玻璃體后面的曲率半徑為-6.0 mm和-11.0 mm，折射率1.322，厚度16.58 mm；視網膜的曲率半徑為-11.0 mm。

根據三維掃描結果分析，ReZoom折射型MIOL基本結構為5個同心圓折射區帶。由于掃描設備精度有限，忽略最邊緣同心圓的檢測結果，其余4個同心圓的組成，見圖2。具體結構參數如下：① 位置0～1.05 mm，半徑R=5.8014 mm；②位置1.05～1.7 mm，半徑R=6.2042 mm；③ 位置1.7～2.2 mm，半徑R=6.5449 mm；④ 位置2.2～2.5 mm，半徑R=3.2265 mm。將上述結果帶入Liou & Brennan 人眼模型，建立起新的MIOL眼模型。在此模型基礎上，利用光學原理，繪制人眼在植入多焦點人工晶體后的光學系統MTF曲線，并分析后房深度、瞳孔直徑、偏心和傾斜等參數變化對MTF的影響。

圖2 30．0D 多焦點人工晶體掃描圖

3.1 后房深度對成像質量的影響

患者的后房深度很大程度上會影響人工晶體植入人眼后的位置，因此，研究不同后房深度下的成像質量對臨床應用具有重要意義。模擬多焦點人工晶體植入人眼后，在后房深度不同的情況下，計算MTF曲線。在本模型中，將后房深度簡化定義為人工晶體對于角膜的距離，多焦點人工晶體在后房深度分別為7.6、7.7、7.75、7.8、7.85、7.9、8.0 mm時，理論計算MTF的結果，見圖3。從圖3可以看出，MTF值隨著空間頻率的增加而減小，并且植入人眼后,在后房深度7.8 mm時MTF值在所有曲線的最上方，MTF值最大，成像效果最佳；偏離后，在偏離值一定時，在低頻段向前偏離（向角膜方向移動）時MTF的值明顯大于向后偏離的情況。也就是說，針對后房深度較小的患者來說，植入MIOL后，其對物象輪廓的感知能力要好于后房深度較大的患者。

圖3 多焦點人工晶體在后房深度不同時的MTF變化

3.2 瞳孔直徑對成像質量的影響

瞳孔是調節人眼通光量的重要結構，普通人瞳孔的調節范圍為2（強光下）～8 mm（黑暗條件下）之間，此外，瞳孔大小還與年齡、屈光狀態、精神狀態等有關。模擬多焦點人工晶體模型植入人眼后，患者瞳孔直徑不同時，計算MTF曲線。對于瞳孔直徑分別為2、3、4、5、6、7、8 mm時，理論計算MTF的結果，見圖4。從圖4可以看出，MTF值總體趨勢是隨著空間頻率的增加而減小，其中瞳孔直徑為2、3、4 mm時，隨著空間頻率的增加而減小；瞳孔直徑分別為5、6、7、8 mm時，在頻率約25～50 c/mm區間隨著空間頻率的增加而增加；并且瞳孔直徑分別為2 mm的MTF曲線處于所有曲線的最上方， MTF值最大，成像效果最佳；偏離后，隨著瞳孔直徑的增加MTF變小，直到6 mm后，在0～30 c/mm范圍內，隨著瞳孔直徑的增加，MTF增大。

圖4 瞳孔直徑不同時的MTF變化曲線

3.3 偏心對成像質量的影響

MIOL在理想狀況下植入人眼后，相對人眼視軸不會產生傾斜和偏心。但是實際中，由于手術及睫狀肌收縮等原因，植入的MIOL在人眼內都會產生一定程度的偏心和傾斜，如Hayashi等[6]認為，即使在正常情況下，植入的人工晶體在人眼內也會有3°的傾斜和0.3 mm的偏心。根據統計，偏心1.02 mm，傾斜9.65°可引起患者明顯視覺不適[7],因此，本文選擇在0.1～1.1 mm偏心范圍和1°～15°傾斜角度范圍內模擬多焦點人工晶體模型植入人眼后的狀況。對于不同程度的偏心，計算MTF曲線如下。對于單一方向偏心分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1 mm時，理論計算MTF的一系列結果，見圖5。從圖5可以看出多焦點人工晶體植入人眼后單一方向偏心不同時，MTF值總體上的趨勢是隨著空間頻率的增加而減小，其中偏心分別為0.1、0.2、0.3 mm時，隨著空間頻率的增加而減小，而偏心分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1 mm時，在頻率＜7 c/mm的區間內隨頻率增加迅速減小，約7～20 c/mm區間隨著空間頻率的增加而增加，進一步證實了偏心0.3 mm以內可以基本認為是手術比較成功的情況，不會引起患者明顯不適；偏心為0.1 mm時的MTF曲線處于所有曲線的最上方，MTF值最大，效果最佳；隨著偏心程度的增加而MTF的值變小。

3.4 傾斜對成像質量的影響

如上所述，即便在比較成功的白內障手術后，人工晶體在人眼內也會產生一定程度的傾斜。多焦點人工晶體模型植入人眼后，模擬光軸方向即Z方向不同程度傾斜的狀況，計算MTF曲線。對于光軸方向傾斜夾角分別為1、5、10、15、20、30°時，理論計算MTF的一系列結果，見圖6。從圖6可以看出MTF值總體上的趨勢是隨著空間頻率的增加而減小，但是在30°以內，不同植入角度的曲線基本重疊。可見，在光軸方向的單一傾斜對成像質量影響不大。為此進一步研究植入多焦點人工晶體在兩個方向傾斜時的情況。

圖5 MIOL模型植入人眼后x方向偏心不同時的MTF變化曲線

圖6 MIOL模型植入人眼后不同植入角度時的MTF變化曲線

模擬多焦點人工晶體模型植入人眼后在兩個方向傾斜，即沿著z和x軸傾斜的情況，計算MTF曲線。對于沿著z和x軸傾斜角分別為（1，1）、（3，3）、（5，5）、（7，7）、（9，9）、（11，11）、（13，13）、（15，15）°時，理論計算MTF的一系列結果，見圖7。從圖7可以看出多焦點人工晶體模型植入人眼后沿著z和x軸不同程度傾斜時，MTF值是隨著空間頻率的增加而減小，并且傾斜角度越大MTF值越??；傾斜角度在3°以內，傾斜對成像質量的影響基本可以忽略，根據Hayashi、Auran和Uozato等人對人工晶體在眼內傾斜和偏心的測定結果，IOL傾斜3°可作為白內障術后較為成功的情況[8]，與此次模擬結果基本吻合。

圖7 MIOL模型植入人眼后沿著z和x軸傾斜時的MTF變化曲線

4 結語

本文主要基于光學成像理論，結合多焦點人工晶體的結構特點，通過對影響多焦點人工晶體成像質量的幾個主要因素進行軟件模擬，在ZEMAX軟件中實現對后房深度、瞳孔直徑、偏心、傾斜等關鍵參數變化情況的模擬，計算理論光學傳遞函數MTF，分析參數對成像質量的影響狀況。

根據軟件模擬及分析，結果主要如下：ReZoom折射型多焦點人工晶體植入人眼后，后房深度、瞳孔、傾斜和偏心對成像質量均有一定程度的影響，其中對于后房深度7.8 mm、瞳孔直徑2 mm左右的患者，佩戴效果最佳，隨著瞳孔直徑和后房深度的增加，成像質量逐漸下降。由于臨床難免在選擇人工晶體時存在偏差，在后房深度偏差值一定時，后房深度較小的患者佩戴效果優于深度較大的患者。另外，由于手術及患者自身條件的各種影響，術后出現的晶體傾斜和偏心，理論上都會引起成像質量的下降，但是在傾斜范圍3°、偏心0.3 mm以內，對成像效果的影響不大，不會引起患者視覺上的不適。此外，在單一光軸方向上的傾斜與在空間內的傾斜相比，前者對成像質量影響較小，基本可以忽略。這些研究結果對多焦點人工晶體的臨床選配和應用具有一定的指導意義。針對臨床中比較關注的瞳孔直徑和后房深度等條件，本課題計劃進一步深入研究，同時進行實驗室模擬和臨床比對等分析，以期獲得更加全面豐富的結果，為今后的多焦點人工晶體研究和臨床使用提供更全面的參考和支持。

[1] 劉曉蘇,徐美芳,郭梅清．人工晶體材料特點計設計新進展[J]．中國組織工程研究與臨床康復,2007,11(48):9793-9796．

[2] 陳超,施玉英,王永華．多焦點人工晶體臨床應用及研究進展[J]．中國醫刊,2008,43(12):35-36．

[3] 朱海豐,張亞萍,李書光,等．非球面人工晶體設計及人眼瞳孔對其光學性能的影響[J]．應用光學,2010,31(4):34-35．

[4] 曾明兵,劉奕志,柳夏林,等．非球面單焦點人工晶體眼高階像差及對比敏感度比較[J]．中國實用眼科雜志,2007,25(3):253-256．

[5] Bellucci R,Giardini P．Pseudo-accommodation with the 3M diffractive multifocal intraocular lens:a refraction study of 52 subjects[J]．J Cataract Refractive Surg,1993,19(1):32-35．

[6] HAYASHI K,HARADA M,HAYASHI H,et a1．Decentration and tilt of polymethyl methacrylate,silicone,and acrylic soft intraocular lenses[J]．Ophthalmology,1997,104(5):793-798．

[7] 陸斌,沈澤民．后房型人工晶體傾斜和偏心的活體測量及研究[J]．中華眼科雜志,1999,35(1):40-42．

[8] 朱海豐,方志良,劉永基．人工晶體傾斜與偏心對人眼視功能的影響[J]．光子學報,2008,37,(1):56-58．

study on Influencing Factors of Multifocal Intraocular Lens Image Quality

HAO Ye1, WANG Quan1, REN Hai-ping1, FENG Ji-hong2
1.Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China; 2. Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

In the use of MIOL (Multifocal Intraocular Lens), there are three main influencing factors of imaging quality, which are the pupil diameter, posterior chamber depth, and the related eccentricity and tilt. This paper uses the ZEMAX to establish a MIOL eye model by replacing Liou & Brennan eye model’s former lens with ReZoom MIOL, simulate changes in factors, calculate the MTF, dissertates the four factors in theory and analyzes the degree of influence. The main results are as follows: after the MIOL implantation in the human eye, the posterior chamber depth, pupil diameter, tilt and eccentricity all have influence on the imaging quality. The patient who has pupil diameter of 2 mm and posterior chamber depth of 7.8 mm has the best image quality. As the pupil diameter and posterior chamber depth increases, the image quality decreased. In addition, lens tilt and eccentricity will cause a decline in image quality, but less than 3 degrees tilt has little effect on the imaging results.

multifocal intraocular lens; ZEMAX; image quality

TH786

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.08.002

1674-1633(2013)08-0005-04

2013-06-03

2013-06-06

國家自然科學基金（項目號：61108085）；中國食品藥品檢定研究院中青年發展研究基金（課題號：2011C1）。

馮繼宏，副研究員。

通訊作者郵箱：jhfeng@bjut．edu．cn