不同像差分析设备对白内障患者角膜高阶像差测量的比较

高奕晨 杨军 蒋元丰 李美萨 林松 田芳

作者单位：天津医科大学眼科医院 眼视光学院 眼科研究所，国家眼耳鼻喉疾病临床医学研究中心天津市分中心，天津市视网膜功能与疾病重点实验室，天津 300384

波前像差是影响视网膜成像的关键光学因素之一，其中高阶像差（Higher-order aberrations，HOAs）对视觉质量有重要影响[1]，HOAs已逐渐在角膜屈光手术、角膜移植术、屈光白内障手术等术前规划及术后视觉质量分析中得到重视和应用[2-4]。HOAs的准确测量和分析对指导个性化人工晶状体（IOL）的选择，引导屈光白内障手术，进而减少术后眩光、对比敏感度下降等症状有重要的临床意义。

超声乳化白内障吸除联合IOL植入术后患者的HOAs主要来自角膜。因此，术前测量角膜HOAs对于预测和矫正至关重要。目前临床中可测量角膜HOAs的设备众多，如像差仪、角膜地形图仪、眼前节相干光层析成像仪等，以往已有较多研究比较了不同设备对不同人群间HOAs测量结果的相关性。但对目前临床上的较新设备（如眼前节光学相干断层扫描分析仪CASIA2或最新一代屈光分析仪OPD-ScanⅢ）之间的比较研究鲜见报道。因此，本研究旨在对OPD-ScanⅢ、CASIA2 与临床常用HOAs的测量设备iTrace、Pentacam进行比较，分析4 种设备测量角膜HOAs的差异性、相关性及一致性，以期为临床上基于角膜光学特性的IOL优选提供更多参考依据。

1 对象与方法

1.1 对象

纳入标准：①确诊为白内障的患者；②既往无眼部手术史；③固视正常，能顺利配合完成各项术前检查。排除标准：①患有圆锥角膜、角膜营养不良、角膜变性、翼状胬肉等角结膜疾病的患者；②患有严重干眼的患者；③合并青光眼、葡萄膜炎、眼底出血等其他眼部疾病的患者；④近期配戴角膜接触镜的患者。

纳入2021年5—8月在天津医科大学眼科医院白内障科进行常规白内障术前检查的白内障患者123例（123眼），其中右眼63例，左眼60例，男46例（46眼），女77例（77眼），年龄33～91（69.1±8.6）岁。本研究遵循赫尔辛基宣言。通过天津医科大学眼科医院伦理委员会批准，批号：2021KY（L）-11，并在检查前获得患者知情同意。

1.2 检测设备

1.2.1 新一代屈光分析仪OPD-ScanⅢ OPDScanⅢ（日本Nidek公司）是一种结合视网膜检影原理及Placido环原理进行测量的多功能设备，可进行角膜地形图、波前像差、屈光不正度及视觉质量等检测。其利用Placido环投影到角膜上，接收器接收后测量各环间距离，并采用Zernike多项式进行分析得出角膜波前像差[5]。本研究采用升级后最新一代OPD-ScanⅢ测量并分析。

1.2.2 眼前节光学相干断层扫描分析仪CASIA2 CASIA2（日本Tomey公司）是一种基于光干涉原理的扫频源眼前节光学相干断层扫描分析仪，利用波长为1 310 nm的红外光，扫描深度可达13 mm，扫描宽度达16 mm，扫描速度为50 000次/s A扫描，测量速度为0.3 s。对扫描得到的16张子午线断层图进行叠加三维分析，得出角膜地形图及角膜波前像差结果[6]。

1.2.3 像差仪iTrace iTrace（美国Tracey公司）是基于光线追踪原理及Placido环原理的波前像差仪，系统将256束近红外光依次投射到被检者眼中，这些光束的投射范围由瞳孔尺寸决定，每个光点的位置被接收器检测到并计算得到全眼像差；同时利用26个Placido环，测量9 360个数据点，进行角膜地形图及角膜像差的测量[7-8]。

1.2.4 三维眼前节分析仪Pentacam Pentacam（德国Oculus公司）是基于Scheimpflug光学原理的三维眼前节诊断分析系统，利用475 nm波长的蓝光进行360°旋转摄像，可在2 s内完成25或50张眼前节裂隙图像的采集，测量出多达25 000个角膜高度数据点进行三维重建和计算分析，得到角膜像差结果[9]。

1.3 检测方法

4种设备均在暗室中操作，测量顺序随机。被检者在自然瞳孔状态下正坐于设备前，下颌置于颌托上，额部顶住额托，瞬目后尽量睁大双眼注视设备内部指示灯，操作者立即根据设备屏幕提示方向手动对焦，设备自动进行扫描，检测过程中避免再次眨眼。Pentacam、OPD-ScanⅢ和CASIA2选取成像质量为OK的测量结果进行统计分析；iTrace需对拒绝点及Placido环质量进行分析筛选，选取成像质量合格的测量结果进行统计。检查前对技师进行相关培训，确保操作无误，由2位经验丰富的初级技师独立完成测量操作，所有患者仅纳入单眼检查结果。4种像差分析设备对角膜像差测量间的异同见表1。

1.4 观察指标

本研究分析4 种设备测量以角膜顶点为中心4 mm直径下的角膜tHOA及6 mm直径下的角膜SA间的差异性和一致性，所有结果均通过设备内置软件自动进行分析计算，以像差的均方根（Root mean square，RMS）值表示。

1.5 统计学方法

系列病例研究。采用SPSS 20.0 和MedCalc15.8对数据进行统计分析。经Kolmogorov-Smirnov检验确定数据是否符合正态分布，符合正态分布的数据以表示，采用两因素方差分析和Pearson相关分析比较测量值的差异性和相关性，若总体差异有统计学意义，再进一步行Bonferroni法两两比较任意2 组之间的差异；非正态分布的数据以M（Q1，Q3）表示，采用Friedman检验和Spearman相关分析比较测量值的差异性和相关性，若总体差异有统计学意义，再分析两两比较结果。不同设备间测量角膜tHOA及角膜球面像差（Spherical aberration，SA）的一致性评价采用Bland-Altman分析。以P＜0.05为差异有统计学意义。

表1. 4种像差分析设备测量角膜像差情况Table 1. Measurement of corneal aberration by four aberration analysis devices

2 结果

2.1 4种设备测量角膜SA的比较

在角膜SA测量结果中，Pentacam测量时有1 例（0.8%）结果为负值；CASIA2 测量时有3 例（2.4%）结果为负值；其余设备测量结果无负值。4种设备测得的角膜SA结果均符合正态分布，总体差异有统计学意义（F=114.72，P＜0.001），进一步两两比较结果显示，iTrace测得的角膜SA与OPDScanⅢ、CASIA2测得的角膜SA差异均无统计学意义（P=0.381、1.000），其余各设备间测量结果差异均有统计学意义（均P＜0.05）。见表2。

2.2 4种设备测量角膜tHOA的比较

4种设备测得的角膜tHOA不符合正态分布，总体差异有统计学意义（Z=134.79，P＜0.001）。进一步两两比较结果显示，OPD-ScanⅢ和iTrace测得的角膜tHOA差异无统计学意义（P=0.474），CASIA2和Pentacam测得的角膜tHOA差异无统计学意义（P=0.941）。iTrace和OPD-ScanⅢ测得的角膜tHOA结果均小于Pentacam和CASIA2结果（均P＜0.001）。见表2。

2.3 4种设备测量角膜tHOA及角膜SA的相关性

相关性分析显示，iTrace与Pentacam、OPDScanⅢ、CASIA2 测得的角膜tHOA均存在相关性（r=0.44、0.69、0.56，均P＜0.001）。Pentacam分别与OPD-ScanⅢ、CASIA2 测得的角膜tHOA存在弱相关性（r=0.32、0.27，均P＜0.001）。iTrace与Pentacam、OPD-ScanⅢ、CASIA2 测得的角膜SA均存在相关性（r=0.52、0.68、0.46，均P＜0.001）。Pentacam分别与OPD-ScanⅢ、CASIA2测得的角膜SA存在相关性（r=0.63、0.53，均P＜0.001）。OPDScanⅢ与CASIA2测得的角膜tHOA及角膜SA均存在相关性（r=0.53、0.59，均P＜0.001）。

2.4 4种设备测量角膜tHOA和角膜SA的一致性

通过Bland-Altman分析可见，iTrace与OPDScanⅢ测量角膜tHOA和角膜SA的95%一致性界限（95% limits of agreement，95%LoA）分别为-0.11～0.09、-0.15～0.12，均显示临床可接受的一致性，4.07%～5.69%的测量值在95%LoA外；其余设备测量的结果间95%LoA较宽，3.25%～7.32%的测量值在95%LoA外，一致性较差。见表3。

由图1可见，iTrace与OPD-ScanⅢ、Pentacam与CASIA2 测量角膜tHOA的差异均值线接近于0线，iTrace与Pentacam测量角膜tHOA的差异均值线与0距离最远。由图2可见，iTrace与OPD-ScanⅢ、iTrace与CASIA2、OPD-ScanⅢ与CASIA2 测量角膜SA的差异均值线接近于0。

表2. 4种像差分析设备测量白内障患者角膜tHOA和角膜SA结果Table 2. Comparison of corneal tHOA and corneal SA in cataract patients measured by four aberration analysis devices

3 讨论

波前像差指光线通过实际眼的光学元件后形成的波阵面与理想波阵面之间的光程差，包括低阶像差和HOAs，角膜HOAs是人眼像差中最主要的成分[10]。白内障术后角膜HOAs的存在可使视网膜成像发生畸变，降低成像对比度[11]，使患者感到视物模糊、夜视力差、眩光等，从而降低视觉质量。因此，术前角膜HOAs的精准测量是白内障屈光手术需要考虑的重要因素。白内障医师可根据患者角膜SA、角膜不规则散光情况，优选功能型IOL，提高术后视觉质量[12]。

表3. 4种设备测量白内障患者角膜tHOA和角膜SA的一致性Table 3. Agreement of corneal tHOA and corneal SA in cataract patients measured by four devices

图1. 4种设备测量白内障患者角膜tHOA一致性的Bland-Altman图 (123眼)A：iTrace与Pentacam；B：iTrace与OPD-ScanⅢ；C：iTrace与CASIA2；D：Pentacam与OPD-ScanⅢ；E：Pentacam与CASIA2；F：OPD-ScanⅢ与CASIA2。实线表示差值的平均值，虚线表示95%一致性界限Figure 1. Bland-Altman plot of corneal tHOA consistency measured by four devices (123 eyes)A: iTrace and Pentacam;B: iTrace and OPD-ScanⅢ;C: iTrace and CASIA2;D: Pentacam and OPD-ScanⅢ;E: Pentacam and CASIA2;F: OPD-ScanⅢ and CASIA2.The solid line represents the mean of the difference,and the dashed line represents the 95% limits of agreement.tHOA,total higher-order aberration.

图2. 4种设备测量白内障患者角膜SA一致性的Bland-Altman图 (123眼)A：iTrace与Pentacam；B：iTrace与OPD-ScanⅢ；C：iTrace与CASIA2；D：Pentacam与OPD-ScanⅢ；E：Pentacam与CASIA2；F：OPD-ScanⅢ与CASIA2。实线表示差值的平均值，虚线表示95%一致性界限Figure 2. Bland-Altman plot of corneal SA consistency measured by four devices (123 eyes)A: iTrace and Pentacam;B: iTrace and OPD-ScanⅢ;C: iTrace and CASIA2;D: Pentacam and OPD-ScanⅢ;E: Pentacam and CASIA2;F: OPD-ScanⅢ and CASIA2.The solid line represents the mean of the difference,and the dashed line represents the 95% limits of agreement.SA,spherical aberration.

目前能对角膜HOAs测量的设备较多，临床上选择多元化，但不同设备测得的角膜HOAs结果可能存在差异。iTrace与Pentacam的临床应用已日渐成熟，CASIA2作为近几年推出的新型眼前节光学相干断层扫描分析仪，已有较多白内障术前或术后IOL偏心、倾斜的相关研究[13-14]，但在HOAs测量方面研究鲜见报道。近年来，OPD-Scan由第一代逐步改良，至今已推出最新一代OPD-ScanⅢ，该设备测量HOAs的结果与临床常用设备间的相关性有待探究。因此，本研究通过比较4种设备测量白内障患者角膜HOAs的差异性及一致性，为临床应用的选择提供参考依据。

有研究发现暗视觉环境及普通明视觉环境下人眼瞳孔直径分别为（5.35±0.84）mm 和（3.33±0.74）mm[15]，因此本研究对6 mm以下角膜SA及4 mm以下角膜tHOA的测量结果进行探究。本研究对123 例白内障患者角膜tHOA测量结果进行比较，发现Pentacam与CASIA2测量的角膜tHOA结果差异无统计学意义，且均大于iTrace与OPDScanⅢ的测量值。Hao等[16]应用iTrace与KR-1W对40例年龄为（26.5±4.5）岁的年轻人进行测量发现，iTrace测量4 mm下角膜tHOA结果为（0.137±0.046）μm，比本研究中iTrace测量结果的（0.181±0.081）μm略小。Namba等[17]提出，成年后的HOAs随着年龄的增加而逐年增加，本研究病例年龄较Hao等[16]的病例年龄大，角膜tHOA测量差异可能与测量人群年龄不同有关。但在使用同一种仪器对年龄近似的不同地区人群测量比较后，结果也可能出现差异，He等[18]使用Pentacam测量126例（65.9±10.2）岁的年龄相关性白内障患者4 mm下全角膜tHOA，测量结果接近0.2 μm，略小于本研究的Pentacam结果，这可能与样本量不同及个体差异较大有关。

有研究显示，角膜HOAs中SA、彗差及三叶草像差对白内障术后视觉质量的影响较大[19]。角膜SA是目前临床上唯一可以通过植入非球面IOL矫正的高阶像差，Liao等[20]采用前瞻性研究方法比较了非球面IOL与球面IOL植入术后患者全眼HOAs及视觉质量评估结果，发现植入非球面IOL的患者术后全眼SA较植入球面IOL的患者低，并且客观视觉质量分析结果较植入球面IOL的患者好。本研究对以角膜顶点为中心6 mm直径下的角膜SA结果进行比较，发现Pentacam的测量结果大于其他3种设备的测量结果（P＜0.05），但iTrace与CASIA2、iTrace与OPD-ScanⅢ测量结果差异无统计学意义。邢晓杰等[21]应用iTrace检测了625例（71.2±8.0）岁的年龄相关性白内障患者6 mm下角膜SA，测量结果中位数为0.275 μm，与本研究结果一致。Zhang等[22]研究发现青少年人群中角膜前后表面SA有补偿作用，并且全角膜及角膜前表面SA与年龄呈正相关。本研究中分析的老年人群角膜SA结果均大于Zhang等[22]的相关结果，符合Zhang等[22]的观点。除此之外，有研究者测量326例年龄相关性白内障患者，发现存在2.15%的负角膜SA[23]，与本研究中CASIA2的测量结果相似。

另外，本研究中4 种设备测量的角膜tHOA及角膜SA差异可能与测量范围和计算方法不同有关。iTrace与OPD-ScanⅢ仅分析角膜前表面tHOA及SA结果，而CASIA2仅分析全角膜tHOA及SA结果。Pentacam可根据需要手动选择测量范围，分析全角膜、角膜前表面或角膜后表面波前像差的结果，本研究选择Pentacam分析全角膜tHOA及SA结果。本研究发现全角膜tHOA结果均高于角膜前表面tHOA结果，角膜前后表面可能存在叠加作用，提示角膜后表面对角膜tHOA影响不可忽略。同时，iTrace分析计算8阶内的tHOA及4阶SA（Z4，0）结果，Pentacam分析计算6阶内的tHOA及4阶SA（Z4，0）结果，OPD-ScanⅢ分析计算6 阶内的tHOA及6 阶内总SA[包括初级球差（Z4，0）和次级球差（Z6，0）结果]，而CASIA2的具体计算方法尚未知，计算方法不同也可导致测量结果间的差异。

4种设备中，iTrace与OPD-ScanⅢ测得的角膜tHOA及角膜SA有较强相关性及临床可接受的一致性，提示iTrace与OPD-ScanⅢ的测量值在临床中可相互参考，但角膜SA一致性分析结果中有7例（5.69%）在95%LoA外，提示即便一致性较好，2 种设备的临床替代使用仍需谨慎。Bland-Altman一致性分析图显示，iTrace与Pentacam、iTrace与CASIA2 测量角膜SA之间的差异随像差的增大呈由正到负的线性趋势，Pentacam与OPD-ScanⅢ测量角膜SA之间的差异随像差的增大呈由负到正的线性趋势，提示Pentacam或CASIA2可能对于大角膜SA的测量敏感度较OPD-ScanⅢ或iTrace高，其原因可能与角膜后表面SA对全角膜SA的影响有关，具体原理有待探究证实。

对HOAs分析的准确性还与测量设备的重复性、被检者泪膜稳定性及配合程度有关。OPDScanⅢ、Pentacam及iTrace对HOAs测量的重复性已被研究报道[5,7,24]，并在临床中较为常用[25-26]，而目前关于CASIA2的相关研究鲜见报道，有待未来进一步探讨。应用已有的扫频源眼前节光学相干断层扫描分析设备ANTERION SS-OCT研究发现，其测量HOAs重复性较好[27]。本研究测量过程中均对成像质量进行检测，并且所有被检者配合良好，结合以往设备重复性研究结果认为测量误差较小。研究发现，角膜HOAs存在双眼对称性[28]，为避免因使用同一被检者的双眼检测结果影响统计结果，本研究仅使用单眼数据。人眼的视觉质量可受泪膜的影响，干眼患者2 次瞬目期间泪膜不断波动，进而影响HOAs[29]。为尽量减少泪膜波动的影响，本研究排除严重干眼患者，被检者被嘱瞬目2～3次后迅速测量，以确保结果的质量。

本研究仅对比了4 mm范围的角膜tHOA及6 mm范围的角膜SA测量结果，不涉及其他测量范围或波前像差的比较，今后可增加样本量及测量参数，对更多波前像差结果进行比较。

不同生物测量设备可因设备原理、计算方法等因素导致测量结果间产生差异，本研究对iTrace、Pentacam、OPD-ScanⅢ和CASIA2测量白内障患者术前角膜tHOA及角膜SA的差异性与一致性进行分析，发现iTrace与OPD-ScanⅢ测量的角膜tHOA和角膜SA结果无差异，一致性及相关性较好，提示临床可对这2种设备结果互换，但由于个体差异性较大，需联合参考更为妥当。其余几种设备测量结果间存在一致性较差或差异性较大的问题，临床中不建议互换，可依据不同设备测量优势对结果进行分析和取舍。

利益冲突申明本研究无任何利益冲突

作者贡献声明高奕晨：参与设计实验，采集数据、收集数据、统计分析，撰写论文初稿。杨军：参与实验设计及数据分析。蒋元丰：指导分析及解释数据。李美萨、林松：参与数据采集。田芳：参与实验总体设计，指导论文修改