非球面设计人工晶状体的像质评价研究

冯勤，卢红，骆永洁，李洁，宋婷

1 浙江省医疗器械检验研究院，杭州市，310019

2 国家食品药品监督管理总局医疗器械技术审评中心，北京市，100081

0 引言

目前眼科关于非球面设计人工晶状体的研究着重于利用波前像差技术对患者进行临床观察，通过对植入前后的角膜像差及全眼像差的对比分析，以及患者视觉敏感度变化等临床观测指标来评价非球面人工晶状体的优缺点。这种评价方式受手术操作、人工晶状体植入后的位置偏差，如偏心、倾斜以及患者主观感受等因素影响较大[1]，因此并不能客观地反映出非球面人工晶状体本身的成像质量水平。而另一方面，患者眼角膜的实际像差值千差万别，完美的角膜应该是什么样的，业内也并无定论，对于植入不同球差矫正设计的非球面IOL，如何建立统一的参考标准来比较术后视觉质量仍然是存在争议的。本研究从非球面人工晶状体产品本身出发，探讨人工晶状体成像质量客观评价方法，研究流程如图1所示，该研究为临床非球面人工晶状体的个性化选择提供参考，同时对行业内非球面人工晶状体成像质量技术评价标准的制定进行探索性研究，为人工晶状体医疗器械产品的市场监管提供客观依据。

图1 像质评价研究流程Fig.1 Image quality assessment process

1 人工晶状体（IOL）球差表述

人眼像差是影响视觉质量的主要因素，研究证实，人眼像差主要是由角膜和晶状体决定的，因此评价人眼像差也应该是评价角膜和晶状体光学组合系统的像差，而球面像差是影响视觉质量的最主要像差类型[2]。与一般光学系统的几何像差不同，在视光学中描述人眼像差主要采用的是出瞳处的波前像差，人眼的波前像差主要用泽尼克多项式展开，由各项系数最终确定人眼像差，其中系数c(4,0)代表球面像差系数。

已知球面像差为球面镜片固有的旋转对称性的四阶像差，球面像差导致边缘光线聚焦点与近轴焦点偏离，从而在成像面上不能得到清晰锐利的像。随着技术的进步，人工晶状体的设计大多采用非球面设计以矫正球面像差，而根据不同的设计理念，人工晶状体有的采用零球差光学设计，在一定孔阑范围内完全矫正球面镜片的球面像差，有的则是采用反球差设计，用于平衡人眼角膜固有的正向球面像差，从而可以让部分患者获得理论上更好的术后成像质量。

现有人工晶状体强制性行业标准YY 0290.2中仅针对球面设计人工晶状体给出了像质要求，标准中规定了一种角膜镜片基本无像差的模拟眼，在单色光（546 nm±5 nm）条件下，利用该模拟眼测量人工晶状体在空间频率100 lp/mm下的调制传递函数MTF，要求MTF值应不小于0.43，或不小于人工晶状体在模型眼系统中设计和分析给出的计算最大可达值的 70%，但任何情况时，都应不小于0.28[3]。利用模型眼获得MTF测量结果直接反应了球面人工晶状体的成像质量水平，即MTF值越高，则成像越好。但从临床上说，这种高MTF水平并不应该被完全理解成给患者带来较高的视觉质量，而实测结果相对较低的MTF值也不一定代表较低的视觉质量。例如，负球差设计的人工晶状体在上述标准模拟眼中测量MTF，由于引入了负球面像差，测量结果有可能得到相对于球面人工晶状体更低的调制效果，反映出较低的成像质量。但是这种负球差设计的人工晶状体植入到带有正向角膜球差的患者眼内，排除手术操作等外部因素，植入负球差设计人工晶状体可能比植入普通球面人工晶状体给患者带来更佳的视觉感受。因此评价非球面人工晶状体的成像质量，应建立接近人眼实际角膜球差特征的模拟眼，测试方法更客观，评价结果也更具有实际意义。

2 模拟眼建立

2.1 人眼角膜c(4,0)系数

关于实际人眼角膜的球差特征的研究已经很多，结合近几年国内外不同人群、不同年龄段人眼角膜像差的研究数据（见表1），我们大致分析了人眼角膜球差情况。由表1可以看出，人眼角膜球差c(4,0)系数均值在0.264 μm左右，即人眼角膜普遍具有正向球面像差，不同人群球差略有差异，年轻人群角膜球差系数0.20 μm左右，而老龄人群（＞70岁）的角膜球差系数达到了0.30 μm甚至更高。实际测量影响人眼角膜球差系数的因素有很多，如患者年龄、测试瞳孔的大小，以及不同研究机构可能使用的测量仪器不同也会带来结果的差异。因此，若仅选择中值或者某个单一的角膜球差系数来模拟实际人眼角膜特征都是不合适的，根据现有的角膜球差研究数据，可以考虑选择具有代表性的几个角膜球差系数作为非球面人工晶状体的参考评价依据。

表1 不同人群角膜球差系数Tab.1 Corneal spherical aberration coeきcient of diあerent population

2.2 ZEMAX模型建立

目前非球面人工晶状体大部分为负球面像差设计，目的是使白内障病人恢复年轻眼球的球面像差即达到近似年轻眼球的c(4,0)系数值。另有研究认为，当人眼全眼球差为+0.10 μm左右时，植入人工晶状体眼的视觉质量最好[8]。人工晶状体完全补偿角膜的正向角膜像差反而降低景深，并不能给患者带来良好的视觉体验，这涉及到的是临床上非球面人工晶状体个性化选择，而我们研究的内容主要考虑人工晶状体成像质量客观评价方法，即实际人工晶状体对角膜球差的补偿，以获得最佳的成像质量。结合人眼角膜球差研究数据以及各厂家人工晶状体设计理念，在拟修订的行业标准中增加带正向球面像差的模拟眼，模型眼的眼角膜具有不同的球差系数，以满足不同设计理念的非球面人工晶状体的MTF成像质量评价需要。拟建立的模型眼角膜球差系数如表2所示。

表2 模拟角膜泽尼克c(4, 0)系数Tab.2 Simulated corneal Zernike c(4, 0) coeきcient

利用光学设计软件ZEMAX模拟建立上述四个模拟眼装置，软件中采用泽尼克标准系数，其中Z11表示的即为光学系统的球面像差，与眼科系统常用的泽尼克c(4,0)系数存在1个波长的倍数关系。建立的4种模拟角膜均采用PMMA材料，中心曲率半径19.332 mm，采用不同的圆锥系数，平行光入射。改进的带像差模拟眼模型及设计参数见图2。

ZEMAX软件参数构建的角膜镜片模型眼获得了和表2极为接近的c(4,0)系数。我们分别根据以上参数设计加工了四种不同球差的模型眼角膜镜片，通过ZYGO干涉测量系统对加工镜片表面质量进行了非接触测量，分析其面型是否存在显著的加工误差，之后再利用已验证准确的MTF测量系统进行实际像质测量，实测模拟镜片的光学质量基本达到理论设计效果，实测MTF值与理论设计值偏差与MTF测试重复性相当（不大于0.09 MTF单位）[3]。

图2 改进的带像差模拟眼模型Fig.2 Modified model eye with aberration

2.3 结果分析

选取同一组非球面设计单焦人工晶状体低、中、高光焦度各一枚，分别在2 mm，3 mm，4.5 mm孔阑条件下利用上述设计的模拟眼中进行成像质量测量，取空间频率50 lp/mm和100 lp/mm下的两组数据进行对比评价。实验数据及结果如图3所示。

图3 非球面人工晶状体在不同模拟眼测量条件下的数据对比Fig.3 Data comparison of aspheric intraocular lenses under diあerent model eye conditions

通过对以上数据对比分析，可以看出孔阑大小（即瞳孔大小）的不同对人工晶状体成像质量的影响较大，同种模拟眼设置下进行测量，小孔阑（2 mm、3 mm）条件下MTF成像质量明显高于大孔阑条件（4.5 mm），这也从实验角度验证了球差影响主要体现在大孔阑（大瞳孔）条件。另一方面，小孔阑（2 mm、3 mm）条件下不同光焦度的人工晶状体在不同模拟眼球差设置下的MTF值差异性不明显，且均能满足现有行标100 lp/mm不小于0.43的要求，而对于大孔阑条件，在不同球差设计的模拟眼中测量数据有所差别，由以上数据对比可以看出，试验用非球面人工晶状体在c(4,0) = 0.28 μm 的模型眼中测量，其MTF值分别在50 lp/mm 、100 lp/mm空间频率获得比在其他模拟眼中更好的表现，因此可以认为，该非球面人工晶状体更适合在c(4,0)= 0.28 μm的模拟眼中进行像质评价，同时也论证了之前提出的负球差设计人工晶状体在标准模拟眼中测量反而得到相对较差的调制效果。

3 结论

人工晶状体非球面设计与传统球面设计相比，在大孔阑条件下能降低球面像差、提高对比敏感度，改善患者的功能视觉，但对其效果的评价方法应考虑建立接近人眼实际角膜球差特征的模拟眼，测试方法更客观，评价结果更具有实际意义。但同时，我们也应该了解真实术后人眼像差的评价涉及很多方面，人工晶状体非球面设计可能产生很多新问题，如慧差、降低景深、色差、偏心或倾斜的敏感性等。因此本研究建立的评价方法是从质量控制角度，对人工晶状体产品本身的设计加工质量建立评价手段，建立多种c(4,0)系数模型眼，能够提供非常有用的信息，是人工晶状体开发和特性描述过程中不可缺少的工具。