第十章 眼球像差 第三节 像差的检测

一、各种波前像差检查方法1.外向型波前测量法 这种检测方法主要特点是，波前像差的形式是由光线射出眼睛而定义的，因此被称为“外向型”。这种波前检测是由Shack-Harmann原理进行描述的。在20世纪早期，Hartmann首次描述了这个原理。后来以Martmann屏的形式应用在光学测量上。在70年代早期，Shack改进了Hartmann技术，后来被广泛应用在了天文学上，被宇航员用于测量大气引起的光学像差。Shack-Hartmann波前检测的原理是基于一束激光的反射（直径大约为1mm），这束激光被聚焦在人眼黄斑上，反射出来的光线通过人眼的折射系统，射出眼睛，从而形成了波前像差的形式，被位于瞳孔入口处的CCD照相机捕获到。由许多微小透镜排列而成的透镜组会把反射出来的光线的波前分成若干个更小的波前，每个波前则被聚焦成一个光点。光点相对于微小透镜的光轴在空间上的位移，则直接显示了此处波前的倾斜情况以及整个眼睛波前的形态。这种波前探测方法的局限性在于，由于黄斑下脉络膜的干扰会产生散射，也就是说会产生干扰性的回波，但是，由于视轴的长度，这可以忽略不计。另外激光光源中的小斑点以及黄斑部被照亮的程度以及质量也会限制波前检测的准确性。采集频率的提高有助于波前探测达到一个理想的程度。

2.视网膜成像波前测量法 这种方法的主要特点是，波前像差的形式是由在视网膜上成像的偏差而定义的，因此叫“视网膜成像”法。这种波前检测的形式是由Tscherning原理来进行描述的。这种方法的首次应用是在19世纪末，当时Tscherning在阐述人眼的单频像差时首次描述了这个原理。但是，视光学的带头人，包括Gullstrand，在那时却并不支持Tscherning的理论，因此并没有得到广泛的接受。直到1977年Howland应用Tscherning的像差显示仪的设计并用交叉柱镜进行了改进，用于主观测量人眼的单频像差。近来Seiler进行了改进，将间距1mm的网络投射在视网膜上，同时，这种设计还带有一个同轴的光学系统，能够可视化地用图像来表示像差图。之后，乌克兰的Molebny等人改进了这种技术，设计了一种视网膜光线示踪仪，在这种仪器中，单一的光线连续地投射并在视网膜上成像。连续的视网膜光点位置的示踪在整体上就可反映波前像差的整体情况。激光束经校准平行后通过一个13×13的光点蒙斑，从而产生整齐排列的168个光点（遮蔽中心点），在视网膜上成像。在经过眼介质时，光点的排列会由于介质的不规则而产生像差，这种扭曲的光点排列会通过一个同轴的相机记录下来，光点和无像差时光点位置的偏差可用于精确计算波前的形态。这种波前探测的局限在于，在光束的位置偏离计算中，要用一个理想化的人眼模型（Gullstrand模型眼）。这个模型，实际上是根据常人眼的屈光误差不断调整，以达到理想的同轴状态，从而实现理想化的。

3.内向型可调节屈光测量法 这种检测方法的主要特点：波前像差的形式是由一束可调节的补偿像差的光线射入眼睛而定义的，因此被称为“内向型”。这种形式的波前检测和临床上的屈光和视网膜镜的应用很相似，是由Scheiner原理进行描述的。这种方法是在1961年由Smirnov首次应用于一种主观性可调节屈光检测仪。入射的外围光线经主动改变方向射向一个中心目标，从而消除外围点的相应的光学像差。1998年，Webb和Burns进行了改进，制成了现在的主观性波前折射计（SRR），它应用上述原理便可测量波前的模式。这种方法利用了大约37个检测点，每一个点发出的光线都由患者手动调整方向以和中心目标相重合，根据调整的水平从而描述出波前像差的形态。当一束光线从无限远射入眼睛时，这只眼睛惟一的像差是球性屈光不正引起的（一只近视眼）。从瞳孔的上方、中心、下方三个位置点进入的光线会在视网膜前方交叉（假设上下两处是对称的）。如果从上方进入眼睛的光线倾斜一下（假如它是从附近另一个光源而来的），使它和从瞳孔中央射入的光线在视网膜上成像在相同的位置上。这时，倾斜的角度即是角膜相应位置上的波前的倾斜情况。多测几个点便可得出整个角膜的波前像差。这种方法的局限性在于主观调节、矫正偏差的光点时耗时较长。它的另一种形式――客观性检测法是基于裂隙检眼镜制成的。在这种方法中，眼底的情况由进入人眼的裂隙光束沿着一个特定的轴线和方向被快速地扫描。眼底的反射情况由一个探测器所检测到。裂隙光束会连续地扫描并将全部角膜的波前像差情况记录下来。因此可以确定波前像差的情况。尽管这种方法仍然在不同轴线上连续进行，但是客观性的检测使它可以迅速地获得相应的信息。因此较上面的方法省时。

二、波前像差检查的影响因素1.瞳孔大小的影响 在正常瞳孔大小时（4mm），眼高阶像差的平均值接近于零，当瞳孔增大至7mm时，各级高阶像差和总的高阶像差均增加，尤其是垂直慧差（C7，C17）和球差（C12），散瞳后比散瞳前明显增加，其中球差（C12）差异有非常显著性（P=0.004）。这是因为当光线通过透镜时，由于周边部的屈光力量比中央部强，周边部的光比中央部形成焦点位置靠前，形成球差。在正常瞳孔大小时，周边部的光线大部分被虹膜遮挡，所以球差不明显，加之，晶状体中央部密度和弯曲度均较大，角膜周边部较平，均可使球差减少。当瞳孔散大时，进入眼内的光线增加而使球差增加。

2.泪膜的影响 研究结果显示，用表面麻醉药破坏泪膜后各级高阶像差均值都增加，RMS3-6及RMSh增加1.46、1.60、1.63、1.58和1.52倍。RMS4差异有显著性（P=0.013），RMS6及RMSh差异有非常显著性（P=0.001，0.004）。Thibos等也发现干眼症患者在瞳孔中等大小时像差增加。泪膜的破坏所导致的角膜表面不规则性改变是高阶像差增加的原因。因此，在行波前像差检查时应在瞬目后形成良好泪膜的情况下完成，对泪膜异常者检查前可使用人工泪液发送泪膜以期获得准确可靠的像差结果；同时，泪膜破坏后像差的改变提示波前像差可能作为估计干眼症患者视力质量的指标或作为治疗干眼症疗效的一个指标。人眼的像差还受调节状态、年龄、屈光力及散瞳药等的影响，目前这方面的研究还在继续中。

三、波前像差检查结果的表述

波前像差主要用Zernike多项式以及波前像差图来描述。

1.Zernike 多项式 Zernike 多项式是描述干涉图的波前像差的常用方法，为一正交于单位圆上的序列函数，通过Zernike 多项式，光学系统的波前像差可以量化。Zernike 多项式是以半径和方位角定义的极坐标形式表示的多项式，多项式的表示形式为：Znm(ρ，θ)，n描述最高阶半径阶梯，m描述方位角正弦频率成分，ρ表示从0到1的半径坐标，θ表示从0到2π的方位角。Zernike多项式可以把波前像差分解为多阶成分的像差，常用的Zernike 多项式为7阶35项，每一项的系数代表了相应的像差量，某些项与传统的光学像差相对应，如Z1表示X轴的倾斜，Z2表示Y轴的倾斜，Z4表示离焦，Z3表示0°（90°）方向上的散光，Z5表示45°方向的散光，Z7表示X轴上的三阶彗差，Z8表示Y轴上的三阶彗差，Z12表示三阶球差，其余各项均超出了常规的光学像差的研究范围。我们把低于三阶的像差称为低阶像差，而三阶以上的像差称为高阶像差。低阶像差对应于传统的散光、离焦、倾斜等，可以用球柱镜矫正；高阶像差对应于慧差、球差等非经典像差，无法用球柱镜矫正。每阶系数的均方根值（RMS）可用于定量描述每阶像差的大小。Zernike 多项式也可以更直观地表示成以n为行数、m为列数的金字塔，如图10-10所示。

2.波前像差图 在临床上，为了更直观地表达波前像差，可采用波前像差图。由于在一个完美的光学系统中光程差（OPD）等于0，而在一个有像差的光学系统中，通过不同部位的光线相比较是存在光程差的，因此可以用伪彩色将这种差异表达出来，即是波前像差图。所以像差图与角膜地形图在表达上具有相似之处，但角膜地形图仅给出角膜第一表面的缺陷，而波前像差图则给出整个眼睛包括角膜、晶状体和玻璃体在内的全部波前像差分布。像差图可表示为二维平面图和三维立体图，如图10-11、图10-12。