散光检测设备临床应用进展

刘波 杨丽 兰长骏 廖萱

散光是一种常见的屈光不正类型，在儿童和成人中患病率分别达到14.9%和40.4%[1]。自Young[2]关注到散光的现象以来，可以进行角膜曲率和眼前节参数检测的仪器设备不断面世，近年来已经得到较大的发展。这些生物测量仪的涉及结构与原理有所不同，如镜面反射、波前像差、Placido角膜盘、Scanning slit或光学裂隙扫描、Scheimpflug摄像扫描以及光学相干等各种不同原理，测量结果因而也存在一定差异，了解它们的特点有助于更好地进行手术规划决策、视觉质量优化、验光配镜和眼病诊断等。现笔者对近年来临床上用于散光检测的设备以及应用进展进行简要综述。

1 角膜曲率计

角膜曲率计利用角膜的镜面反射性质，测量角膜前表面中央区同一主子午线方向上对称的点对应的曲率半径，采用标化的角膜折射率1.3375将其转换成角膜屈光力的K值（Keratometry），包括平坦K值（Flat keratometry，Kf）和陡峭K值（Steep keratometry，Ks）或K1和K2。角膜曲率计测量角膜前表面中央区3～5 mm直径有限的范围，结果不能反映周边角膜曲率情况；虽然对于规则散光的准确性较高，但是对过于平坦（通常<40 D）或陡峭（>46 D）以及不规则角膜的测量结果仍欠准确。

1.1 手动角膜曲率计

手动角膜曲率计测量角膜中央2条相互垂直的主子午线的曲率半径，根据获得对准像的不同，手动角膜曲率计分为可变双像法角膜曲率计及固定双像法角膜曲率计。前者固定测量光标而改变双像距离，如Bausch-Lomb角膜曲率计；后者固定测量双像而改变光标大小，如Javal-Schiotz角膜曲率计。Mehravaran等[3]研究显示Javal（瑞士Haag-Streit公司）手动角膜曲率计重复性好。Dehnavi等[4]报道Javal与Pentacam（德国Oculus公司）测量角膜曲率有显著差异，手动角膜曲率计假设角膜为球形，只能确定球面轮廓且具有固有的终点标准；而Javal与IOLMaster v3.02（德国Carl Zeiss公司）测量的角膜曲率值具有较强相关性。手动角膜曲率计结构简单、成本低廉，在临床实践中曾经有一定的参考价值。

1.2 自动角膜曲率计

自动角膜曲率计采用红外线和电子感应等技术，可以由电脑自动完成测量，利用角膜反射圆环测量角膜曲率，采用视网膜检影原理测得屈光数据，同时获得角膜曲率和屈光度值。Galindo等[5]的一项横断面研究中，用电脑验光仪（日本Canon R-20公司）筛选散光患者，再用角膜地形图仪对散光进行分类验证，结果显示电脑验光仪筛查散光的灵敏度为78.1%，特异性为76.1%，认为电脑验光仪可以作为第一级方法有效地筛选不规则角膜散光。自动角膜曲率计测量准确性受到多种因素影响，角膜疾病以及屈光介质透明度等，但由于其操作简单如快捷，易于掌握，仍是目前临床上测量角膜曲率的主要方法之一。

2 基于波前像差原理的设备

眼波前像差主要包括低阶像差和高阶像差，散光实际上属于低阶像差的范畴。波前像差仪选择性检测通过瞳孔的部分光线，与无像差的理想光线进行比较，进而以数学函数来量化波前像差和评估视觉质量，可以同时测量离焦和散光等低阶像差以及彗差和球差等高阶像差。波前像差仪种类繁多、原理各异，如Hartmann-Shack原理的KR-1W（日本Topcon公司）、光路追迹Ray-tracing的iTrace（美国Tracey Technologies公司）、视网膜检影镜双程技术Tscherning的OPD（日本NIDEK公司）等，导致测量结果可能有所不同。目前波前像差仪临床应用广泛，如白内障患者散光矫正型人工晶状体植入前后，利用像差仪进行散光屈光度及轴位的测定和视觉质量评估[6]；在佩戴硬性透气性角膜接触镜前后，通过测量和分析人眼像差的变化，帮助评估佩戴效果，可以为临床散光矫正提供指导[7]。

Hua等[8]证实了iTrace波前像差仪测量角膜曲率的重复性及再现性，但在与像差仪KR-1W测量角膜散光比较时仍有差异，可能是由于iTrace为内向型波前像差仪，而KR-1W为外向型波前像差仪且分辨率及敏感度受显微透镜阵列影响。近年来，基于Hartmann-Shack原理的波前验光仪i.Profiler（德国Carl Zeiss公司）开始应用于临床，集波前像差仪、角膜地形图仪、自动验光仪和角膜曲率计为一体。Ommani等[9]证实了在不同瞳孔直径下，i.Profiler均能准确测量高阶与低阶像差。Lebow等[10]对i.Profiler验光结果与主观屈光结果进行比较，发现i.Profiler与主观屈光结果的散光度数平均差值为0.02 D，95%一致性限（Limit of agreement，LoA）为0.49～0.75 D，一致性较好；Putnam等[11]研究也证实其能精确测量患者的散光及球镜度数，可用于验光配镜等临床应用。

3 基于角膜地形图原理的设备

角膜地形图将角膜表面作为一个局部地势，利用地质学概念对角膜进行记录和分析，以不同的颜色和数值直观显示角膜曲率。基于角膜地形图的设备测量区域大，受角膜病变影响小；对平坦或陡峭的角膜均可较准确地测量其屈光力，但对周边角膜的测量仍欠敏感。当非球性成分增加时，测量准确性降低，且易受眼眶高度及眼球内陷程度的影响。

3.1 基于Placido盘投射系统的角膜地形图仪

1880年，Plácido[12]首先将绘有数个同心圆环的Placido盘用于散光的测量，至今仍被角膜地形图系统沿用。为了精确分析，将投射于角膜表面的每一圆环分为许多点，利用图像监测和处理系统对数千个数据点进行分析处理，显示角膜形态等特征。基于此原理的角膜地形图可以显示角膜前表面曲率，但缺少角膜后表面曲率和高度地形图，如EyeSys系统（美国EyeSys公司）。

3.2 基于裂隙扫描原理的角膜地形图仪

采用裂隙光带投射至角膜并进行连续扫描，获取的裂隙切面不仅包含了角膜前表面形态的数据，还包含角膜后表面数据。结合Placido盘，可以提供角膜前后表面曲率、高度地形图、角膜厚度、前房深度、晶状体厚度及Kappa角等多种信息。Orbscan II（美国Bausch &Lomb公司）每次扫描就可以获得40张不同的裂隙照片，每个裂隙切面上含有240个数据，使得每个断层面上有9 000多个信息点，用于计算机分析重建眼前节三维立体图像。

3.3 基于Scheimpflug摄像扫描原理的角膜地形图仪

Scheimpflug技术主要用于移动拍摄，可以使被摄物体、镜头、成像三个平面相交于同一条直线或者一个点上，很大程度上提高成像的景深，减小图像畸变，使得扫描图像更加清晰。Pentacam（德国Oculus公司）联合了裂隙扫描以及Scheimpflug断层扫描技术，内置高速旋转的相机在2 s内可捕获数十帧眼前节图像及25 000～138 000个角膜高度点，可以同时提供角膜前后表面的各项Zernike函数，因而能显著提高散光检测的精准性[13]。Sirius（意大利CSO公司）和Galilei G2（瑞士Ziemer公司）分别在Placido盘基础上结合了单和双Scheimpflug成像。这些设备均可获得从角膜前表面到晶状体后表面的生物结构参数，并衍生出三维角膜地形图、视觉质量分析、眼压校正、前房及晶状体评估等，在圆锥角膜的筛查和分级、白内障手术散光规划等方面表现出优势。新一代Pentacam AXL测量仪结合了Scheimpflug及部分相干光干涉原理，临床上应用更具优势[14-15]。

Lang等[16]使用Orbscan II和Pentacam比较51眼进行性圆锥角膜交联后的角膜曲率，发现2种测量设备之间虽然具有相关性，但二者不能互换使用。Savini等[17]回顾性地分析了Sirius与Pentacam测量全角膜散光（Total corneal astigmatism，TCA）的一致性，矢量分析及非矢量分析均显示两设备仅有中度一致性，Sirius获得的平均TCA高于Pentacam，差异在不规则性散光中更高（P=0.0009）；20.8%的被检者TCA度数差异大于0.5 D，45.4% TCA轴向差异大于10°。Hashemi等[18]运用Pentacam和Lenstar测量了6～12岁正视、近视或远视儿童的散光，研究显示2种设备结果相似，散光及散光矢量分量在远视患儿低于近视和正视患儿，提示在本年龄段调节可能影响角膜曲率，尤其在远视儿童中影响最大。

4 基于光学相干原理的设备

光学相干生物测量仪将同一光源发出的2束光分别进入被测眼球和参照系统。这2束光来自同一个光源，因此满足频率相同、振动方向一致且相位差恒定的干涉条件。在此基础上，如果2个光路的光程差与光源的相干波长相匹配，就会产生干涉，接收干涉信号进行分析后得出角膜到视网膜的生物测量数据，具有很好的定位精度。而光学相干生物测量仪获取角膜曲率则是利用投射在角膜前表面中央区的环形反射光点来实现的。

4.1 基于部分相干光干涉原理

1999年Haigis[19]通过改良部分相干光干涉技术，推出了可以测量眼轴、曲率和前房深度的光学生物测量仪。IOLMaster 500（德国Carl Zeiss公司）使用780 nm波长的近红外激光光源，通过测量角膜前表面2.3 mm直径范围呈六角形对称分布的6个反光点的反射像大小来获得曲率半径值，计算出角膜屈光力K值；对于规则角膜散光的曲率测量结果精确可靠，但不能反映整个角膜表面的曲率和形态信息，且屈光介质明显混浊及不能固视者的测量结果不准确。AL-Scan（日本Nidek公司）结合了部分相干光干涉和Scheimpflug原理，分析从角膜前表面反射的2个Mires环的图像获得直径2.4 mm和3.3 mm的K值，并具有三维自动追踪功能。

4.2 基于光学低相干反射原理

2009年Buckhurs等[20]报道了光学生物测量仪Lenstar在白内障患者生物测量中的应用，并且与IOLMaster进行了比较。Lenstar LS900（瑞士Haag-Streit AG公司）基于具有820 nm超发光二极管的光学低相干反射原理进行光学生物测定，通过测量投射在角膜前表面2个不同直径（分别为1.65 mm和2.30 mm）同心圆的32个角膜反光点，计算出角膜的屈光力并获得K值，实际上也并非全角膜曲率。对于屈光介质混浊明显的患者，测量结果仍欠准确。

4.3 基于扫频光相干断层成像技术

近年来基于扫频光相干断层成像（Swept-source optical coherence tomography，SS-OCT）技术的生物测量仪开始应用于临床，使用快速可调谐激光器实现干涉光谱信号探测，成像速度和信噪比均有极大提高。目前临床应用的主要是IOLMaster 700（德国Carl Zeiss公司）及OA-2000（日本Tomey公司），扫频光源波长分别为1 055 nm和1 060 nm。IOLMaster 700测量角膜曲率采用远心光学技术，不受操作时对焦准确性的影响，采集18个角膜映光点，分布于1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm直径的三个环上。OA-2000结合了Placido盘，能够测量直径2.5 mm及3.0 mm处的角膜曲率，并且拟画出中央5.0 mm处的角膜形态。黄斑区固视或B超实时眼位监测进一步提高了测量准确性和一致性。Argos（美国Movo公司）采用1 060 nm波长扫频光并结合环形发光二极管与二维OCT信息获得角膜前表面曲率[21]。

对于上述不同类型的光学相干原理的设备，研究显示均能够获得较为准确的散光参数。Ortiz等[22]运用IOLMaster 500、Lenstar LS 900和Aladdin三种设备测量Km的平均差异值为-0.1～0.06 D（P<0.05），结果显示3种设备测量散光的差异较小。Ha等[23]比较了IOLMaster 500与AL-Scan在2.4 mm处K1和K2值差异均无统计学意义（K1=0.11±0.39 D，P=0.105；K2=0.08±0.39 D，P=0.239），2种设备均可用于常规临床实践。Hoffer和Savini[24]认为IOLMaster 500和AL-Scan的一致性虽好，但在2.4 mm区域后者K值比前者更大，差异有统计学意义，在计算人工晶状体度数时需要进行不断优化。

SS-OCT在临床上的应用日益广泛。Huang等[25]发现OA-2000与IOLMaster 500测量K值差异较小，并认为差异的原因可能与校准模式和角膜表面重建算法以及泪膜变化有关。LaHood和Goggin[26]应用IOLMaster 700调查1 098例角膜前后表面散光的大小和方向，并分析其相关性，发现当角膜前表面散光的陡轴为垂直向时，角膜前表面散光和后表面散光度之间的相关性最大（r=0.68，P<0.0001），且随着年龄增加，角膜后表面散光的陡峭轴多位于垂直方向，IOLMaster 700能够为个体化手术计划提供较好的生物特征测量。

5 各类设备的特点

前述各类仪器设备的原理有所不同，因而测量结果也存在一定差异，充分了解其特点有助于临床应用。基于角膜镜面反射性质的角膜曲率计，通过测量同一主子午线上的2个相应点来估算出该子午线方向的角膜曲率半径，实际上并不能完全反映中央区角膜曲率的情况，更忽略了周边区角膜曲率的分布情况；对于角膜过平、过陡以及角膜形态不规则，即使是轻微的表面不规则，也可以导致映像变形，从而失去结果的准确性。对于正常屈光力范围的规则角膜散光，角膜曲率计结果仍然是较可靠的。基于角膜地形图原理的设备可以获得分析角膜表面95%以上面积的高度信息，因而受角膜溃疡或瘢痕等病变的影响较小，通过几万个数据点信息的获取量大且精确度高，易于建立数学模型进行分析；部分角膜地形图仪可以通过裂隙光带连续扫描或Scheimpflug移动摄像技术，同时获得角膜前表面和后表面曲率以及角膜厚度，更能够反映出角膜的真实屈光状态，并衍生出更多的功能。但是角膜非球性成分的增加会降低这一类设备测量的准确性。波前像差仪不仅能测量散光等低阶像差，还能测量球差、彗差、三叶草等高阶像差，并且可以分离出角膜像差、眼内像差和全眼像差成分，通过对像差测量数据综合分析获得眼的屈光状态。与传统的自动验光仪不同，波前自动验光仪测量范围不仅仅只局限于瞳孔中央区域，除了可以提供合理的屈光度值，还可以提供整个视觉系统的波前模式的总像差和屈光力的变化。基于光学相干原理的光学生物测量设备利用投射在角膜前表面中央区的环形或多边形光点反射，来实现角膜屈光力及曲率值计算，测量精确度与反光点的数量和分布有关；由于测量范围仍然有限，无法获得周边部角膜信息。近年来，扫频光相干断层扫描生物测量仪开始在临床应用，增加了实时监测眼位和固视的功能，因而提高了测量结果的可靠性。另外，结合不同原理进行设计的新一代测量仪也在不断涌现，满足临床不同需要并且优势更加凸显。

6 小结

临床上角膜生物学参数的准确测量至关重要。目前用于角膜曲率和散光轴向测量的生物测量仪器种类众多，在充分了解仪器的原理及特性的基础上，才能更好地进行运用。在实践工作中，如果能够综合不同的生物测量设备进行测量和分析，对于提高测量结果的准确性、改善患者的视觉质量、辅助疾病的早期诊断、手术规划决策以及眼镜科学验配等都将具有重要的临床意义。

利益冲突申明本研究无任何利益冲突

作者贡献声明刘波：撰写论文，根据编辑部的修改意见进行修改。杨丽：参与资料的收集。兰长骏：参与论文修改。廖萱：参与选题、设计、资料的分析和解释，修改论文中关键性结果、结论，根据编辑部的修改意见进行核修