多焦点人工晶体成像质量的影响因素研究

1.中国食品药品检定研究院医疗器械检定所，北京 100050；2. 北京工业大学，北京 100124

多焦点人工晶体成像质量的影响因素研究

郝烨1，王权1，任海萍1，冯继宏2

1.中国食品药品检定研究院医疗器械检定所，北京 100050；2. 北京工业大学，北京 100124

在多焦点人工晶体实际使用中，影响其成像质量的因素主要有：瞳孔直径、后房深度以及由此引起的偏心、倾斜等。本文通过ZEMAX软件在 Liou & Brennan 眼模型基础上进行改进，用ReZoom多焦点人工晶体替代眼模型原有晶体，建立多焦点人工晶体眼模型，模拟上述影响因素的变化，计算不同条件下MTF传递函数并进行比较分析，归纳出各因素对于成像质量的影响。主要结果如下：多焦点人工晶体植入人眼后，后房深度、瞳孔直径、倾斜和偏心对成像质量均有影响。对于后房深度7.8 mm，瞳孔直径2 mm左右的患者，成像质量最佳，随着瞳孔直径和后房深度的增加，成像质量逐渐下降；另外，如果出现晶体的倾斜和偏心，都会引起成像质量的下降，在倾斜范围3°以内，对成像效果的影响不大。

多焦点人工晶体；ZEMAX；成像质量

植入人工晶体是治疗白内障的主要手段之一，但是普通单焦点人工晶体只有一个屈光度，晶体本身并无调节能力，因此患者移植后不能同时恢复远近视力，对患者术后恢复造成一定影响。多焦点人工晶体（Multifocal Intraocular Lens, MIOL）是近几十年出现的新型人工晶体，根据设计原理不同，分为衍射型和折射型。由于其设计方式独特，入射光通过晶体可以产生多个焦点，可以更好地改善患者的远近视力。但是相对于单焦点人工晶体而言，多焦点人工晶体在植入人眼之前需要根据病人的具体情况选择合适类型才能提高远近视力。然而，如何针对不同患者选择合适的多焦点人工晶体,至今尚无准确的应对措施。因此，本文希望通过对影响晶体成像质量的关键因素进行分析和软件模拟，总结归纳出各种影响因素对成像质量的影响程度和方式，为今后的多焦点人工晶体临床使用提供合理的指导意见。

1 多焦点人工晶体背景介绍

多焦点人工晶体是通过折射和（或）衍射的光学原理，使经过多焦点人工晶体的光线产生两个或者多个焦点，期望在获得较好的远视力的同时，对近视也有一定帮助。多焦点人工晶体根据设计原理不同，分为折射型和衍射型。

折射型多焦点人工晶体一般前表面由3～5 个非球面同心环构成，后表面为光滑球面，光学面的不同区域有不同的屈光力，使光线经折射后形成由远到近较广泛的焦点范围。衍射型多焦人工晶体一般前表面为光滑球面，后表面有20～30 个同心圆性质的显微坡环，利用光的衍射原理，形成近或远焦点[1-2]。

人眼实施白内障手术后，原有的自然晶状体被人工晶体所取代，但由于人眼睫状肌收缩能力依然存在，这会使得植入的人工晶体在眼内能有一定幅度的移动距离[3]，因此，分析晶体位置移动和瞳孔直径对成像质量的影响对临床应用具有重要意义。由于多焦点人工晶体的结构特殊性，患者瞳孔大小、后房长度、中心偏差、光学倾角等使用参数对成像质量的影响大于对单焦点人工晶体的影响[4-5],其选配的难度要远大于单焦点人工晶体，如果术后不能根据患者情况选配合适的多焦点人工晶体，不仅不能提高远近视力，反而会带来对比灵敏度下降、眩光和光晕等视力并发症，影响术后效果。因此，根据病人的实际条件合理设计和选择多焦点人工晶体非常重要。

2 研究思路设计

本文选用临床中具有代表性的折射型多焦点后房人工晶体ReZoom MIOL作为试验对象。该晶体为AMO公司产品，临床应用广泛，主要应用于白内障摘除后患者的视力矫正，它由聚丙烯酸酯类材料制成三片式结构，全长13 mm，光学区直径6 mm。首先，通过三维扫描技术取得其三维信息，在ZEMAX软件中，将ReZoom MIOL的数据代入Liou & Brennan人眼模型替换原有的晶体数据，建立起新的MIOL模型。针对影响光学成像质量的关键参数，在ZEMAX软件中采用光线追迹的方法对瞳孔直径、偏心、后房深度和植入角度等参数变化进行模拟和计算，获得理论的MTF。研究思路，见图1。

图1 研究思路设计

3 试验实现

本文选用Liou & Brennan 人眼模型作为基础模型。主要是该模型是根据较新的生理解剖数据建立的，使用范围广泛，较为接近眼睛的解剖结构。该模型可以简单描述为：角膜前后面的曲率半径为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径为6.7 mm和10.0 mm，折射率1.321，厚度3.2 mm；瞳孔半径为1.5 mm、厚度0.1 mm，沿着X方向偏心-0.5 mm；为了简化计算，晶状体被看成为后面的曲率半径为10.0 mm和-6.0 mm，折射率1.401，厚度3.7 mm的简单透镜；玻璃体后面的曲率半径为-6.0 mm和-11.0 mm，折射率1.322，厚度16.58 mm；视网膜的曲率半径为-11.0 mm。

根据三维扫描结果分析，ReZoom折射型MIOL基本结构为5个同心圆折射区带。由于扫描设备精度有限，忽略最边缘同心圆的检测结果，其余4个同心圆的组成，见图2。具体结构参数如下：① 位置0～1.05 mm，半径R=5.8014 mm；②位置1.05～1.7 mm，半径R=6.2042 mm；③ 位置1.7～2.2 mm，半径R=6.5449 mm；④ 位置2.2～2.5 mm，半径R=3.2265 mm。将上述结果带入Liou & Brennan 人眼模型，建立起新的MIOL眼模型。在此模型基础上，利用光学原理，绘制人眼在植入多焦点人工晶体后的光学系统MTF曲线，并分析后房深度、瞳孔直径、偏心和倾斜等参数变化对MTF的影响。

图2 30．0D 多焦点人工晶体扫描图

3.1 后房深度对成像质量的影响

患者的后房深度很大程度上会影响人工晶体植入人眼后的位置，因此，研究不同后房深度下的成像质量对临床应用具有重要意义。模拟多焦点人工晶体植入人眼后，在后房深度不同的情况下，计算MTF曲线。在本模型中，将后房深度简化定义为人工晶体对于角膜的距离，多焦点人工晶体在后房深度分别为7.6、7.7、7.75、7.8、7.85、7.9、8.0 mm时，理论计算MTF的结果，见图3。从图3可以看出，MTF值随着空间频率的增加而减小，并且植入人眼后,在后房深度7.8 mm时MTF值在所有曲线的最上方，MTF值最大，成像效果最佳；偏离后，在偏离值一定时，在低频段向前偏离（向角膜方向移动）时MTF的值明显大于向后偏离的情况。也就是说，针对后房深度较小的患者来说，植入MIOL后，其对物象轮廓的感知能力要好于后房深度较大的患者。

图3 多焦点人工晶体在后房深度不同时的MTF变化

3.2 瞳孔直径对成像质量的影响

瞳孔是调节人眼通光量的重要结构，普通人瞳孔的调节范围为2（强光下）～8 mm（黑暗条件下）之间，此外，瞳孔大小还与年龄、屈光状态、精神状态等有关。模拟多焦点人工晶体模型植入人眼后，患者瞳孔直径不同时，计算MTF曲线。对于瞳孔直径分别为2、3、4、5、6、7、8 mm时，理论计算MTF的结果，见图4。从图4可以看出，MTF值总体趋势是随着空间频率的增加而减小，其中瞳孔直径为2、3、4 mm时，随着空间频率的增加而减小；瞳孔直径分别为5、6、7、8 mm时，在频率约25～50 c/mm区间随着空间频率的增加而增加；并且瞳孔直径分别为2 mm的MTF曲线处于所有曲线的最上方， MTF值最大，成像效果最佳；偏离后，随着瞳孔直径的增加MTF变小，直到6 mm后，在0～30 c/mm范围内，随着瞳孔直径的增加，MTF增大。

图4 瞳孔直径不同时的MTF变化曲线

3.3 偏心对成像质量的影响

MIOL在理想状况下植入人眼后，相对人眼视轴不会产生倾斜和偏心。但是实际中，由于手术及睫状肌收缩等原因，植入的MIOL在人眼内都会产生一定程度的偏心和倾斜，如Hayashi等[6]认为，即使在正常情况下，植入的人工晶体在人眼内也会有3°的倾斜和0.3 mm的偏心。根据统计，偏心1.02 mm，倾斜9.65°可引起患者明显视觉不适[7],因此，本文选择在0.1～1.1 mm偏心范围和1°～15°倾斜角度范围内模拟多焦点人工晶体模型植入人眼后的状况。对于不同程度的偏心，计算MTF曲线如下。对于单一方向偏心分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1 mm时，理论计算MTF的一系列结果，见图5。从图5可以看出多焦点人工晶体植入人眼后单一方向偏心不同时，MTF值总体上的趋势是随着空间频率的增加而减小，其中偏心分别为0.1、0.2、0.3 mm时，随着空间频率的增加而减小，而偏心分别为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1 mm时，在频率＜7 c/mm的区间内随频率增加迅速减小，约7～20 c/mm区间随着空间频率的增加而增加，进一步证实了偏心0.3 mm以内可以基本认为是手术比较成功的情况，不会引起患者明显不适；偏心为0.1 mm时的MTF曲线处于所有曲线的最上方，MTF值最大，效果最佳；随着偏心程度的增加而MTF的值变小。

3.4 倾斜对成像质量的影响

如上所述，即便在比较成功的白内障手术后，人工晶体在人眼内也会产生一定程度的倾斜。多焦点人工晶体模型植入人眼后，模拟光轴方向即Z方向不同程度倾斜的状况，计算MTF曲线。对于光轴方向倾斜夹角分别为1、5、10、15、20、30°时，理论计算MTF的一系列结果，见图6。从图6可以看出MTF值总体上的趋势是随着空间频率的增加而减小，但是在30°以内，不同植入角度的曲线基本重叠。可见，在光轴方向的单一倾斜对成像质量影响不大。为此进一步研究植入多焦点人工晶体在两个方向倾斜时的情况。

图5 MIOL模型植入人眼后x方向偏心不同时的MTF变化曲线

图6 MIOL模型植入人眼后不同植入角度时的MTF变化曲线

模拟多焦点人工晶体模型植入人眼后在两个方向倾斜，即沿着z和x轴倾斜的情况，计算MTF曲线。对于沿着z和x轴倾斜角分别为（1，1）、（3，3）、（5，5）、（7，7）、（9，9）、（11，11）、（13，13）、（15，15）°时，理论计算MTF的一系列结果，见图7。从图7可以看出多焦点人工晶体模型植入人眼后沿着z和x轴不同程度倾斜时，MTF值是随着空间频率的增加而减小，并且倾斜角度越大MTF值越小；倾斜角度在3°以内，倾斜对成像质量的影响基本可以忽略，根据Hayashi、Auran和Uozato等人对人工晶体在眼内倾斜和偏心的测定结果，IOL倾斜3°可作为白内障术后较为成功的情况[8]，与此次模拟结果基本吻合。

图7 MIOL模型植入人眼后沿着z和x轴倾斜时的MTF变化曲线

4 结语

本文主要基于光学成像理论，结合多焦点人工晶体的结构特点，通过对影响多焦点人工晶体成像质量的几个主要因素进行软件模拟，在ZEMAX软件中实现对后房深度、瞳孔直径、偏心、倾斜等关键参数变化情况的模拟，计算理论光学传递函数MTF，分析参数对成像质量的影响状况。

根据软件模拟及分析，结果主要如下：ReZoom折射型多焦点人工晶体植入人眼后，后房深度、瞳孔、倾斜和偏心对成像质量均有一定程度的影响，其中对于后房深度7.8 mm、瞳孔直径2 mm左右的患者，佩戴效果最佳，随着瞳孔直径和后房深度的增加，成像质量逐渐下降。由于临床难免在选择人工晶体时存在偏差，在后房深度偏差值一定时，后房深度较小的患者佩戴效果优于深度较大的患者。另外，由于手术及患者自身条件的各种影响，术后出现的晶体倾斜和偏心，理论上都会引起成像质量的下降，但是在倾斜范围3°、偏心0.3 mm以内，对成像效果的影响不大，不会引起患者视觉上的不适。此外，在单一光轴方向上的倾斜与在空间内的倾斜相比，前者对成像质量影响较小，基本可以忽略。这些研究结果对多焦点人工晶体的临床选配和应用具有一定的指导意义。针对临床中比较关注的瞳孔直径和后房深度等条件，本课题计划进一步深入研究，同时进行实验室模拟和临床比对等分析，以期获得更加全面丰富的结果，为今后的多焦点人工晶体研究和临床使用提供更全面的参考和支持。

[1] 刘晓苏,徐美芳,郭梅清．人工晶体材料特点计设计新进展[J]．中国组织工程研究与临床康复,2007,11(48):9793-9796．

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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

国家自然科学基金（项目号：61108085）；中国食品药品检定研究院中青年发展研究基金（课题号：2011C1）。

冯继宏，副研究员。

通讯作者邮箱：jhfeng@bjut．edu．cn