高階像差中球面像差與近視進(jìn)展的研究現(xiàn)狀

張妮，張樂(lè)

(1.西安醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710068；2.西北婦女兒童醫(yī)院，陜西 西安 710068)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)6-12歲兒童近視患病率約45.6%，16-18歲人群中近視患病率約90.5%[1]。近視的發(fā)病率不斷升高及低齡化趨勢(shì)增加了成年期病理性近視發(fā)生率[2]。近視引起總波前像差的增加加快了近視的進(jìn)展，因此矯正像差非常必要。總波前像差包括低階像差(lower order aberration，LOA)和高階像差(higher order aberration，HOA)。近視眼中低階像差通過(guò)驗(yàn)光配鏡等方式矯正后，影響視覺(jué)質(zhì)量的是高階像差，高階像差不能通過(guò)傳統(tǒng)方式矯正。高階像差中最重要的是三階像差如彗形像差、三葉草差及四階像差中球面像差(spherical aberration，SA)[3]。

有研究認(rèn)為近視程度與球面像差、彗形像差、三葉草差相關(guān)，散光大小與彗形像差、三葉草相關(guān)[4]，因部分文獻(xiàn)對(duì)樣本散光值未作詳細(xì)記錄，因此本文研究對(duì)象為近視與球差。通過(guò)探究高階像差中球面像差在不同屈光度近視人群中分布特點(diǎn)及與近視進(jìn)展相關(guān)關(guān)系，為臨床近視防控提供思考。

1 概述

球面像差簡(jiǎn)稱球差，定義為光線通過(guò)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)后近軸光線和周邊光線聚焦位置與理想光學(xué)系統(tǒng)光線聚焦位置間的光程差(optical path difference，OPD)。光程差也稱波前像差(wavefront aberration，WF)，簡(jiǎn)稱像差，定義為實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)之間的成像差異。波前像差為三維空間概念，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定用Zernike多項(xiàng)式表達(dá)，波前像差數(shù)值用均方根(root mean square，RMS)定量表達(dá)，單位為μm。Zernike多項(xiàng)式7階35項(xiàng)，將波前像差分解為基本形狀的組合，每一單項(xiàng)表示特定類型的波前像差的大小及方向，0~2階為低階像差(近視、遠(yuǎn)視、規(guī)則散光),3階及以上為高階像差。高階像差中球差主要包括初級(jí)球差和次級(jí)球差，Zernike系數(shù)分別為Z(4，0)、Z(6，0)，初級(jí)球差(4階第12項(xiàng))是最主要的球差。

總球差根據(jù)來(lái)源分為角膜球差、眼內(nèi)球差，角膜球差又分為角膜前球差和角膜后球差。據(jù)報(bào)道[5,6]角膜前球差是最主要的球差，角膜后球差與眼內(nèi)球差對(duì)角膜前球差有補(bǔ)償作用，角膜球差與角膜曲率半徑、角膜散光、眼軸長(zhǎng)度等因素相關(guān)。

2 球差的影響因素

球差具有波動(dòng)性，與年齡、調(diào)節(jié)、瞳孔大小等因素密切相關(guān)，三因素間相互影響。

2.1 年齡

隨著年齡增長(zhǎng)，球差受晶狀體、調(diào)節(jié)及瞳孔大小等因素影響發(fā)生非線性變化。Zhang等[3]收集中國(guó)西南地區(qū)3-17歲兒童共1634眼，發(fā)現(xiàn)球差Z(4,0)隨年齡增加負(fù)向增大。有研究[7]建立模型模擬角膜球差隨年齡變化，18~39歲間角膜球差變化為-0.013μm/10年，39歲以后角膜球差正向增加約0.057μm/10年。Wan等[8]分析中國(guó)北方農(nóng)村的404名31~86歲成年人的像差，發(fā)現(xiàn)球差Z(4,0)隨年齡增加正向增大。球差隨年齡的增長(zhǎng)規(guī)律變化。青少年期屈光發(fā)育正視化，晶狀體調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，球差隨年齡增加負(fù)向增大；在中老年期，晶狀體逐漸老化、調(diào)節(jié)能力減弱，球差隨年齡增加正向增大，瞳孔代償性縮小減少部分增加的球差。

2.2 調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)能力與年齡、屈光度等因素相關(guān)，調(diào)節(jié)引起晶狀體形態(tài)、瞳孔直徑大小改變影響球差變化。使用不同球鏡誘發(fā)調(diào)節(jié)，初級(jí)球差、次級(jí)球差均發(fā)生改變，隨著調(diào)節(jié)幅度增加球差數(shù)值分別向負(fù)向、正向增加，總球差負(fù)向增加[9]。在青年人群中使用睫狀肌麻痹劑抑制調(diào)節(jié)后瞳孔直徑增加，藥物環(huán)噴托酯作用強(qiáng)引起總球差正向增加，對(duì)照組藥物托吡卡胺作用較弱致總球差未見(jiàn)明顯改變，說(shuō)明調(diào)節(jié)比瞳孔直徑引起的球差變化更有意義[10]。眼生物學(xué)測(cè)量[11]證實(shí)了在調(diào)節(jié)過(guò)程中睫狀肌收縮、晶狀體厚度增加引起晶狀體形態(tài)、折射率及曲率等變化，球差正向減低或負(fù)向增大。

2.3 瞳孔直徑

瞳孔直徑大小與年齡及調(diào)節(jié)等因素相關(guān)，不同明暗環(huán)境中直徑大小變化引起球差的改變。在明環(huán)境中瞳孔括約肌收縮、瞳孔直徑變小，如完全矯正低階像差，球差影響對(duì)比敏感度(contrast sensitivity function，CSF)較小；在暗環(huán)境中瞳孔開(kāi)大肌收縮、瞳孔直徑增加，完全矯正低階像差后球差影響無(wú)炫光時(shí)的對(duì)比敏感度[12]。Marin等[13]報(bào)道在暗環(huán)境下觀察高對(duì)比度亮點(diǎn)，球差可能引起屈光度變化。因此，暗環(huán)境下瞳孔直徑增大引起球差增加甚至屈光度變化。

3 球差與近視

近視和球差分別屬于低階像差和高階像差，兩者與晶狀體形態(tài)、調(diào)節(jié)等因素密切相關(guān)。不同程度近視人群中低階像差、總像差不同，總高階像差未見(jiàn)明顯差異[14,15]。高階像差中球差在近視程度不同的人群分布存在爭(zhēng)議。

有研究表明球差與近視程度相關(guān)。球差隨著近視引起的眼球形態(tài)改變而變化。Philip等[16]發(fā)現(xiàn)初階球差Z(4，0)與等效球鏡度(spherical equivalent refraction，SER)密 切 相 關(guān)，推 測(cè) 球差變化與晶狀體的曲率半徑、折射率等有關(guān)。Papamastorakis等[17]研究10-15歲兒童共557眼，認(rèn)為球差反應(yīng)了晶體折射率的差異，兒童生長(zhǎng)發(fā)育階段球差與近視的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。李穎等[18]對(duì)18~50歲500例(983眼)中青年人群研究，也發(fā)現(xiàn)近視不同屈光度分組間球差差異，球差與等效球鏡度呈負(fù)相關(guān)。Wan等[8]對(duì)中國(guó)農(nóng)村31~86歲成年人群的像差統(tǒng)計(jì)，同樣發(fā)現(xiàn)不同屈光度組間球差有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。隨著近視等效球鏡度負(fù)向增加或眼軸長(zhǎng)度(axial length，AL)增加，球差數(shù)值向負(fù)向增加或正向減少，高度近視由于內(nèi)部像差的增加球差明顯高于正視眼[19]。

也有研究表明，球差與近視程度不相關(guān)。Li等[20]發(fā)現(xiàn)在7~13歲兒童中三個(gè)屈光組在自然調(diào)節(jié)狀態(tài)的球差相似，球差與等效球鏡度間無(wú)明顯相關(guān)。Yazar等[21]通過(guò)對(duì)1040例(2039眼)青年(平均年齡20歲)的像差分析，發(fā)現(xiàn)不同屈光度分組間球差結(jié)果沒(méi)有差異。黃等[22]對(duì)18~36歲共102例(204眼)青年的像差分析，球差與等效球鏡度及眼軸長(zhǎng)度無(wú)相關(guān)性。

球差與近視的關(guān)系受年齡、調(diào)節(jié)等混雜因素影響，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的差異也可能使結(jié)果不同，去除混雜因素后研究多認(rèn)為球差與近視程度相關(guān)。Lau等[15]對(duì)137名香港兒童(平均年齡8.8±1.4歲)為期2年的縱向研究，通過(guò)重復(fù)測(cè)量及控制混雜因素，發(fā)現(xiàn)球差Z(4，0)等高階像差可通過(guò)降低視網(wǎng)膜成像質(zhì)量而促進(jìn)眼軸生長(zhǎng)，模型二預(yù)測(cè)球差Z(4，0)RMS值增加0.1μm眼軸增長(zhǎng)減少0.13mm/年，支持球差在視覺(jué)發(fā)育過(guò)程中的潛在作用。Julie等[14]發(fā)現(xiàn)在9~10歲、15~16歲青少年中球差Z(4，0)最主要高階像差，多元回歸分析提示隨著球差負(fù)向增大，眼軸長(zhǎng)度增長(zhǎng)，球差與近視進(jìn)展相關(guān)。李婧等[23]對(duì)7~16歲120例(239眼)兒童隨訪發(fā)現(xiàn)，1年內(nèi)球差Z(4，0)與屈光度增量呈負(fù)相關(guān)，但將年齡作為協(xié)變量分析，球差Z(4，0)與屈光度變化間未見(jiàn)相關(guān)(P=0.227)。

球差與近視程度相關(guān)關(guān)系結(jié)果差異，原因與樣本量大小、受試者年齡、睫狀肌麻痹藥物使用、屈光度范圍、眼別及統(tǒng)計(jì)分析等相關(guān)。多數(shù)研究為橫斷面研究，結(jié)論球差與近視程度相關(guān)，不能得出球差與近視因果關(guān)系。

4 球差與近視進(jìn)展

兒童處于屈光發(fā)育期，更易受到視網(wǎng)膜圖像質(zhì)量下降的影響，球差在兒童近視進(jìn)展中意義較大。Hiraoka等[24]研究64例6~12歲兒童2年內(nèi)高階像差與近視進(jìn)展的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)總角膜高階像差較大的受試者近視進(jìn)展及眼軸增長(zhǎng)均較小，角膜高階像差如球差、慧差等在兒童屈光和眼部發(fā)育過(guò)程中起作用。Philip等[16]在對(duì)166名的正視青少年[平均年齡(12.63±0.48)歲]隨訪發(fā)現(xiàn)，5年后屈光度近視性改變的患者球差Z(4，0)下降，屈光度未改變的者球差Z(4，0)增加，即近視進(jìn)展者球差Z(4，0)負(fù)向增大。但Vasudevan等[25]觀察20~26歲青年人近距離工作9個(gè)月，發(fā)現(xiàn)雖然等效球鏡度前后變化有意義，但末次球差與基線球差數(shù)值間無(wú)差異，但因研究未使用睫狀肌麻痹后屈光度數(shù)值進(jìn)行分析，因此不能得到準(zhǔn)確的等效球鏡度變化進(jìn)行分析。在兒童中球差Z(4，0)負(fù)向增大、近視進(jìn)展增加，球差正向增大可減慢近視進(jìn)展。在成年人中球差和近視進(jìn)展的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

5 球差與近視防控

用于近視防控的多焦點(diǎn)軟性角膜接觸鏡、角膜塑形鏡具有良好的近視防控效果，不同屈光矯正方式矯正后像差不同，角膜接觸鏡配戴后球差大小改變。

5.1 引入球差的軟性角膜接觸鏡

軟性角膜接觸鏡中球差的引入，可改善視敏度(visual acuity，VA)和聚焦深度(depth of focus，DOF)獲得更好的視覺(jué)質(zhì)量，調(diào)節(jié)反應(yīng)及視網(wǎng)膜周邊離焦?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化。有報(bào)道球差在0.07~0.10μm間主觀聚焦深度和客觀對(duì)比敏感度達(dá)到平衡[26]。

傳統(tǒng)的球面或非球面設(shè)計(jì)的角膜接觸鏡，配戴后角膜球差負(fù)向增大，誘發(fā)調(diào)節(jié)反應(yīng)使球差再次負(fù)向增大[27]。Moore等[28]通過(guò)對(duì)中心及沿水平子午線的方向屈光度及像差測(cè)量，發(fā)現(xiàn)球面軟性角膜接觸鏡引起球差發(fā)生負(fù)向變化，影響視網(wǎng)膜周邊遠(yuǎn)視離焦。Cheng等[29,30]對(duì)109名8~11歲兒童觀察1年，發(fā)現(xiàn)正球差軟性角膜接觸鏡配戴后降低了調(diào)節(jié)反應(yīng)，在球差正向增大的眼球中相對(duì)周邊遠(yuǎn)視離焦減小，可延緩近視發(fā)展，但大部分治療效果發(fā)生于前6個(gè)月內(nèi)。正球差引入可能使角膜接觸鏡短期內(nèi)有防控近視的效果，由于球差具有可變性，鏡片的設(shè)計(jì)及更換不及時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)論并不準(zhǔn)確。

5.2 多焦點(diǎn)軟性角膜接觸鏡

多焦點(diǎn)軟性角膜接觸鏡(multifocal contact lenses，MFCLs) 配戴后總高階像差及球差增加，角膜球差正向增加，內(nèi)部球差負(fù)值增大。青年人群配戴多焦點(diǎn)接觸鏡后中心鏡片球差為正、中心軸上較小的調(diào)節(jié)需求，近中心球差為負(fù)形成視網(wǎng)膜周邊近視離焦，減慢眼軸增長(zhǎng)[31]。多焦點(diǎn)軟性接觸鏡的近視防控與球差分布、視網(wǎng)膜周邊離焦?fàn)顟B(tài)密切相關(guān)[32]。

5.3 角膜塑形鏡

角膜塑形鏡(Orthokeratology，Ortho-k)是目前最有效的控制近視進(jìn)展的光學(xué)方法。角膜塑形鏡配戴后角膜中央上皮厚度及中周厚度變化，角膜球差增加，提高裸眼視力(uncorrected visual acuity，UCVA)和高空間頻率對(duì)比敏感度，調(diào)節(jié)功能也得到改善[33]。

配戴角膜塑形鏡前后高階像差發(fā)生明顯改變，但與延緩眼軸增長(zhǎng)的像差改變尚存在爭(zhēng)議。近視防控效果更佳的受試者中，球差、垂直慧差、三葉草差有明顯改變[34,35]。有研究發(fā)現(xiàn)[36]受試者配戴角膜塑形鏡后高階像差、球差、慧差分別較基礎(chǔ)值增加了3倍、9倍、2倍，并推測(cè)近視眼中球差增加可能是減慢眼軸增長(zhǎng)的機(jī)制。Batres等[37]進(jìn)行了前瞻性研究，發(fā)現(xiàn)角膜塑形鏡組中角膜正球差增加，晶狀體負(fù)球差增加。Faria等[38]報(bào)道了17-30歲人群配戴角膜塑形鏡后初級(jí)球差及次級(jí)球差系數(shù)分別增加3.68和19倍，且球差與光學(xué)治療區(qū)有強(qiáng)相關(guān)。Lau等[39]發(fā)現(xiàn)角膜塑形鏡中增加壓縮因子后初級(jí)球差等像差增加，初級(jí)球差的增加與等效球鏡度的降低相關(guān)，側(cè)面印證了球差與近視進(jìn)展間關(guān)系。Santodomingo等[40]發(fā)現(xiàn)球差與眼軸增長(zhǎng)無(wú)明顯相關(guān)，提出角膜正球差增加可能為近視進(jìn)展減慢的部分原因。球差在角膜塑形鏡配戴前后有較大變化，目前研究認(rèn)為在角膜塑形鏡的配戴過(guò)程中球差增加可能與延緩近視進(jìn)展有關(guān)。

6 小結(jié)

不同程度近視人群中高階像差無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。較多研究表明在不同年齡、屈光度人群中球差存在差異，球差與近視程度或眼軸長(zhǎng)度相關(guān)。目前研究多為橫斷面觀察性研究，需進(jìn)一步大樣本的縱向研究，探究球差與近視進(jìn)展因果關(guān)系及矯正球差進(jìn)行近視防控的必要性。