自適應光學視覺模擬器測量波前像差的重復性及與OPD-Scan Ⅲ的一致性研究

王 艷,廖 萱,蘭長駿,李 彪,苗 壯,譚青青,秦蘇云 ,黃 歡

0 引言

人眼波前像差包括低階像差(離焦、散光)和高階像差。高階像差源于人眼本身光學系統(tǒng)微小不規(guī)則或缺陷,無法用框架眼鏡矯正[1]。目前高階像差的測量已在臨床上用于波前像差引導個性化準分子激光手術、功能性人工晶狀體植入手術、視覺質量評價和接觸鏡驗配等方面[2-5]。波前像差的測量設備主要以客觀測量為主,主要包括Hartmann-Shack原理、光路追跡Ray-tracing原理、Tscherning原理和視網膜檢影鏡雙程技術原理等。自適應光學技術(adaptive optics,AO)[6]能夠實時測量和校正波前像差,使光學系統(tǒng)能適應外界條件變化,保持良好光學性能,在眼科領域逐漸受到關注,該技術可以根據波前像差進行主客觀驗光、消除人眼像差對視網膜成像的影響使眼底檢查設備清晰度更高、為視神經功能評價提供更精準的數據、改善視知覺學習訓練的效果、模擬和預測術后視覺效果等[7]。本研究評價的自適應光學視覺模擬器(adaptive optics visual simulator,VAO)[8]采用Hartmann-Shack原理測量波前像差,可測得3-6 mm瞳孔直徑下的全眼3-6階像差值,并通過測得的像差數據轉換為客觀驗光度數,同時結合自適應光學技術[9]進行球鏡或柱鏡的轉換實現(xiàn)客觀驗光與主覺驗光一體化。VAO不僅用于校正離焦和散光,還可以校正和/或誘導所有光學像差,因此可以針對不同的視覺任務和條件優(yōu)化光學校正[10],同時解釋夜間近視[11]的可能原因以及球差和色差對視覺質量的綜合影響[12]。前期我們比較VAO主客觀驗光與傳統(tǒng)驗光,結果顯示具有較好一致性,測量差值可以接受[13]。目前該設備還沒有進入國內臨床,相關研究也很少,需要評價其重復性。OPD-Scan Ⅲ視覺質量分析儀采用視網膜檢影鏡雙程技術原理和Placido 盤原理的組合,可以測量全眼、角膜、眼內的像差、客觀驗光值、角膜曲率值、角膜地形圖、Kappa角和Alpha角等數值,目前已廣泛應用于臨床。本研究通過3次重復測量評價VAO測量波前像差的重復性以及比較VAO與OPD-Scan Ⅲ測量全眼像差值的一致性,以評估VAO測量波前像差應用于臨床的可行性。

1 對象和方法

1.1對象采用橫斷面研究方法,納入2023-08/09在成都東區(qū)愛爾眼科醫(yī)院屈光科就診的近視患者204例204眼(均取右眼數據)。納入標準:(1)等效球鏡度≤-9.00 D,柱鏡度數≤-5.00 D,最佳矯正視力(LogMAR視力)優(yōu)于0;(2)淚膜功能正常,認知能力正常,能積極配合檢查者;(3)4 wk內未戴硬性接觸鏡,2 wk內未戴軟性接觸鏡;(4)測量前未進行過眼部創(chuàng)傷性檢查;(5)無眼部手術和外傷史。排除標準:(1)角結膜病變者(如圓錐角膜、角膜瘢痕、翼狀胬肉等);(2)葡萄膜炎、青光眼病史者;(3)晶狀體混濁、眼底黃斑和視網膜病變者。本研究遵循《赫爾辛基宣言》,本研究方案經成都東區(qū)愛爾眼科醫(yī)院倫理委員會批準(No.DQAIER202308006),所有患者納入研究前均簽署知情同意書。

1.2方法檢查前用0.5%復方托吡卡胺滴眼液將雙眼散瞳至≥7 mm,由同一位檢查者在同一間檢查室在暗室條件下首先利用VAO進行全眼像差測量,采用快速模式進行像差測量,患者瞬目數次后充分睜眼暴露角膜,注視探測頭內視標,檢查者調整VAO使其對準受檢眼,待屏幕上出現(xiàn)的Hartmann-Shack圖像各點均清晰可見且角膜反射最小化時進行測量,測量3次后屏幕顯示全眼像差的平均值,保存患者全眼像差數據。若測量結果顯示包含錯誤點,表明結果不可靠,需重新測量。隨后同一條件下,采用OPD-Scan Ⅲ測量患者的波前像差值,囑患者瞬目數次后充分睜眼注視固視目標,檢查者操作使屏幕上的交叉點位于瞳孔中心并調整焦距,使顯示幕上的Placido盤同心環(huán)影像清晰,自動采集3次生成客觀驗光數據及全眼像差數值,再囑患者瞬目充分睜眼,圖像清晰時再次采集角膜地形圖生成角膜像差數值。記錄瞳孔直徑為3、4、5和6 mm的全眼像差值。若結果顯示Placido環(huán)數低于20環(huán)說明角膜未暴露完全,需重新測量。

2 結果

2.1納入患者一般資料本研究共納入近視患者204例204眼(為避免雙眼同源性的影響,雙眼患者均取右眼數據進行比較),其中男101例,女103例;年齡18-41(平均25.34±16.32)歲;球鏡度數-0.75--9.00(平均-4.65±1.65)D;柱鏡度數0--4.75(平均-1.06±0.79)D。

2.2VAO測量全眼高階像差的重復性VAO測量的4.5 mm瞳孔直徑下全眼高階像差均具有良好的重復性,ICC均大于0.76,其中4.5 mm瞳孔直徑下球差(SA)的ICC大于0.9。Sw與TRT均小于0.01 μm(表1)。

表1 VAO測量全眼高階像差及重復性

2.3VAO與OPD-ScanⅢ測量不同瞳孔直徑下全眼高階像差的一致性VAO和OPD-Scan Ⅲ在3-6 mm瞳孔直徑下測量全眼的總高階像差(tHOA)、SA和三葉草像差(Trefoil)值,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05),3 mm瞳孔直徑下測量的彗差(Coma)值,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05),4-6 mm瞳孔直徑下測量的Coma值,差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。3-6 mm瞳孔直徑下兩種設備之間全眼高階像差測量值均具有相關性(P<0.01),但相關程度有一定差異(表2)。

表2 3-6 mm瞳孔直徑下VAO與OPD-Scan Ⅲ測量全眼高階像差一致性

3 mm瞳孔直徑下,全眼高階像差測量值的95%LoA范圍均較窄,小于0.1 μm,顯示一致性較好。Bland-Altman散點圖,分別有4.4%(9/204)、3.4%(7/204)、3.9%(8/204)、3.4%(7/204)位于95%LoA以外(圖1)。4 mm瞳孔直徑下,全眼高階像差測量值SA、Coma的95%LoA范圍較窄,小于0.1 μm,顯示一致性較好,tHOA、Trefoil的95%LoA范圍較寬,大于0.1 μm,顯示一致性較差。Bland-Altman散點圖,分別有3.4%(7/204)、3.4%(7/204)、4.9%(10/204)、2.9%(6/204)位于95%LoA以外(圖2)。5 mm瞳孔直徑下,全眼高階像差測量值的95%LoA范圍除SA以外均較寬,大于0.1 μm,顯示一致性較差。Bland-Altman散點圖,分別有4.9%(10/204)、4.4%(9/204)、5.3%(11/204)、3.9%(8/204)、位于95%LoA以外(圖3)。6 mm瞳孔直徑下,全眼高階像差測量值的95%LoA范圍均較寬,大于0.1 μm,顯示一致性較差。Bland-Altman散點圖,分別有4.9%(10/204)、5.3%(11/204)、4.9%(10/204)、5.8%(12/204)位于95%LoA以外(圖4)。

圖1 3 mm瞳孔直徑下兩臺設備測量全眼高階像差的Bland-Altman散點圖 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

圖2 4 mm瞳孔直徑下兩臺設備測量全眼高階像差的Bland-Altman散點圖 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

圖3 5 mm瞳孔直徑下兩臺設備測量全眼高階像差的Bland-Altman散點圖 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

圖4 6 mm瞳孔直徑下兩臺設備測量全眼高階像差的Bland-Altman散點圖 A:tHOA;B:SA;C:Coma;D:Trefoil。

3 討論

人眼獨特的波前像差輪廓是定義該眼所達到的視覺質量的重要因素[18]。波前像差的減少改善了眼球的光學質量,改善了在視網膜上形成的圖像的對比度,從而改善了空間視覺[19]。近年來,在視覺科學和眼科學領域,通過減少高階眼波前像差(散光和離焦以外的像差)來提高視覺性能受到了極大的關注[20]。在本研究中,評價了基于 Hartmann-Shack 傳感器的新型儀器自適應光學視覺模擬器(VAO)測量全眼高階像差的可重復性,結果顯示出良好的重復性,而VAO與OPD-Scan Ⅲ波前像差儀測量全眼高階像差的一致性較差。

本研究中VAO測量全眼高階像差的重復性,數據顯示ICC均大于0.76,其中4.5 mm瞳孔直徑下SA的ICC大于0.9,Sw與TRT均小于0.01 μm,表示有較高的重復性,與先前VAO測量正常眼[21]以及圓錐角膜[22]全眼高階像差有相似的研究結果。另外本研究中VAO測量的全眼高階像差均為近視患者,先前鮮有報道,根據本研究以及以往研究表明VAO測量正常眼、近視眼以及圓錐角膜全高階像差均具有良好重復性。

由于總體深度參與項目策劃、設計論證、文件編制、生產組織等工作，其自身素質和工作質量深刻地影響著項目的方案穩(wěn)定程度、投資控制效果、專業(yè)接口控制質量，其所擁有的生產管理和技術協(xié)調能力已構成鐵路勘察設計院重要的核心競爭力。設計院應關心設計成本和設計質量，高度關注總體人才隊伍建設。

本研究中VAO與OPD-Scan Ⅲ在3-6 mm瞳孔直徑下測量的全眼tHOA、SA、Trefoil值,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05),4-6 mm瞳孔直徑下Coma值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。VAO與OPD-Scan Ⅲ測量在3 mm瞳孔直徑下全眼高階像差測量值的95%LoA較窄,小于0.1 μm,顯示一致性較好,4-6 mm瞳孔直徑下全眼高階像差測量值(除4-5 mm的SA、4 mm的Coma)的95%LoA較寬,大于0.1 μm,顯示一致性較差。VAO與OPD-Scan Ⅲ全眼高階像差測量值ICC相關系數除5 mm瞳孔直徑下Coma、Trefoil以外,其余均具有顯著相關性(P<0.01)。Wan等[23]研究中Pentacam AXL Wave (Hartmann-Shack原理)和 OPD-Scan Ⅲ 設備間全眼高階像差測量值一致性較差,并且即使測量值存在一致的偏差,設備之間的比較也可以顯著相關。Visser等[24]研究中Irx3、Keratron(Hartmann-Shack原理)和OPD-Scan在5 mm瞳孔直徑下均顯示出所有總眼部像差的顯著相關性(P<0.01),總眼高階像差顯示,三葉草像差 Z(3, -3) 和球差Z(4,0)存在顯著差異(P<0.001) 且高階像差的 95% LoA 相對較寬。Cervio等[25]采用Hartmann-Shack原理像差儀和自動視網膜檢影法原理的像差儀測量正常人群高階像差結果中顯示垂直三葉草像差、彗差、球差等差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。以上Hartmann-Shack原理與自動視網膜檢影法原理的像差儀的一致性研究結果與本研究一致。鄒華鮮等[26]對于OPD-Scan Ⅲ與其他Hartmann-Shack原理的像差儀進行了測量角膜像差的一致性比較,本研究對基于Hartmann-Shack原理的VAO與OPD-Scan Ⅲ測量全眼像差的一致性進行了對比分析,此前無相關研究。

與以往研究不同的是本研究中瞳孔均為散大狀態(tài)測得,不同瞳孔大小的像差值均為真實,無需進行算法推算,避免了推算及調節(jié)[27-28]引起的像差測量誤差,但檢查過程中,眼球輕微運動、淚膜的不穩(wěn)定都會引起像差測量誤差,其中淚膜的不穩(wěn)定對OPD-Scan Ⅲ的影響更大[29]。另外本研究中兩臺設備一致性較差可能有多種原因導致:(1)VAO采用Hartmann-Shack原理光源波長為780 nm,OPD-Scan Ⅲ采用視網膜檢影鏡雙程技術原理光源波長為880 nm,不同單色波長引起不同的縱向色差[30],所以不同單色波長也可能導致一致性差;(2)兩臺設備測量像差原理完全不同、采樣點數也不同也會導致一致性差。另外,數學計算、傳感器架構、每個像差儀采用的波前分解算法的差異以及用于定位主光線的算法的差異每個小透鏡圖像或瞳孔中心都可能進一步導致測量結果的差異[31];(3)測量值隨時間的變化可能不僅歸因于儀器及其精度,還歸因于從視網膜反射的光特性的變化以及測量期間眼睛中發(fā)生的變化。綜上所述人眼像差是動態(tài)的,調節(jié)的微波動、淚膜的不穩(wěn)定性和眼睛的固視微運動以及像差儀本身設計不同等原因會直接影響其測量結果,所以兩種設備測量像差結果存在差異性的原因較多。

VAO是一種非侵入性工具,用于評估理論眼波陣面對視覺性能的影響,該模擬器包括一個Hartmann-Shack波前傳感器[8]來測量眼球的像差,一個主動元件來操縱這個波前像差,和視覺測試路徑,以確定結果的空間視覺[32]。相比較于OPD-ScanⅢ對于視覺質量相關方面的評價VAO也有些不足,如不能提供角膜和眼內波前像差、未提供Kappa角、Alpha角具體數值等[33-34]。這些方面可以加以改進,使該設備在臨床應用的范圍更廣。最后,本次研究也有其局限性,由于受限于傳感器的探測精度和變形鏡的校正能力,VAO尚無法測量以及后續(xù)矯正全部的波前像差,殘余像差仍然會影響測量和后續(xù)矯正結果。另外,本研究納入成年近視患者作為研究對象,后期準備進一步評估圓錐角膜或屈光手術后等角膜疾病兩設備測量像差的一致性。

本研究在國內首次對VAO的全眼像差測量功能進行了全面評價,研究結果表明VAO測量全眼高階像差具有良好的重復性,可作為臨床像差的測量以及下一步視覺模擬;VAO與與OPD-Scan Ⅲ波前像差儀測量全眼高階像差一致性較差,臨床中不可互相替代,關于VAO其他功能的評價仍需進一步探索。