自适应光学技术在眼科的应用进展

钱玖林 综述 廖萱 兰长骏 审校

川北医学院附属医院眼科 川北医学院眼视光医学院，南充 637000

自1609年开始使用望远镜观察天体以来，研究者发现大气湍流的动态扰动使星像不断抖动，成像光斑的形状也不断变化。为使观察更清晰和稳定，自适应光学(adaptive optics，AO)的概念在20世纪中叶应运而生。人眼是特殊的光学系统，一般的眼科成像设备难以实现高分辨率眼底成像。利用AO技术可以动态地校正人眼像差，获得接近人眼衍射极限的高分辨率视网膜细胞图像，有助于从细胞水平研究眼病的发病机制、做出早期诊断、评价干预效果，为视觉科学研究提供一种新的方法。1997年，Liang等首次将AO技术与眼底照相机结合后分辨率提高了2.7倍，使视网膜成像的横向分辨率达2 μm左右，获得了活体人眼视网膜单个细胞图像。此后，AO应用于眼科学领域的研究日益广泛而深入。本文就AO技术在眼科中的应用进展进行综述。

1.AO技术原理

经典的AO系统由传感器、控制器和校正器组成，对光学波前像差进行实时测量、控制和校正。由于波前像差难以直接测量，所以AO系统中的波前传感器先测量波前曲率或斜率，再利用波前复原计算法计算出波前相位，然后控制器把传感器测得的波前畸变信息转化成校正器的控制信号，校正器通过实时改变自身形状从而校正波前像差。常见的波前校正器有变形反射镜和液晶空间光调制器等。

近年发展起来的无波前传感器自适应光学技术(wavefront sensorless adaptive optics，WSLAO)将图片成像质量作为AO系统的传感元件，基于特定的算法来计算最优变形镜命令，利用焦平面图像的光强度信息精确地校正随时间变化的像差。WSLAO省去了专用的波前传感器，简化了系统结构并降低了制作成本，可能对某些不适合用Hartmann-Shack传感器测量像差的眼病，如白内障具有一定的优势。

2.AO在眼科领域中的应用

2.1 AO与主客观验光

利用AO技术可以实现根据波前像差进行验光。西班牙Voptica公司的自适应光学视觉模拟器Visual Adaptive Optics(VAO)集客观与主觉验光于一体，通过Hartmann-Shack波前传感器测量人眼像差，将测得的低阶像差数值转换为客观屈光度，为主觉验光提供起始度数；主觉验光则由自适应液晶空间光调制器实现，通过静电压控制改变该调制器内置超微晶体之间的相对位置来改变光线路径，模拟球镜、柱镜等光学透镜的变化，从而检查患者的主觉屈光度。Hervella等研究证实VAO的验光结果与传统主觉验光结果相当，并显示出检查者间良好的重复性。林政桦等将VAO验光与传统验光(电脑验光+综合验光仪验光)进行比较发现，2种检查方式在客观验光时，球镜度和柱镜J结果间差异均有统计学意义，而主觉验光时仅球镜度差异有统计学意义，但这些差异的实际临床意义不大，不影响临床医师解读屈光数据；VAO验光效率较传统的电脑验光+主觉验光有显著提高，VAO验光的准确度和可重复性受检查者的水平和临床经验的影响较小。该设备还可矫正部分或全部像差再进行验光，探讨不同像差对视力的影响，为个性化像差矫正的屈光手术提供指导。此外，在AO Hartmann-Shack传感器中添加瞳孔追踪功能可测出眼球不同运动轨迹上的像差，理论上可辅助制作波前像差个性化矫正镜片，但AO技术在这一领域的应用还有待改进。

2.2 AO与视觉诱发电位

视觉诱发电位(visual evoked potential，VEP)是视网膜接受视觉刺激后大脑皮质枕叶区产生的电反应，因此视网膜成像的清晰度会影响VEP结果，而像差是影响视网膜成像清晰度的主要因素之一。现有VEP检查通过镜片矫正低阶像差，由于镜片度数离散，难以实现对像差的精确矫正，残余低阶和高阶像差对较高空间频率的图形VEP影响较大，导致无法判断图形VEP结果的异常是由视路异常还是未矫正的像差所致。Yang等将AO引入图形VEP检查，消除人眼像差对视觉刺激向视网膜投射成像的影响，提高了VEP结果的准确性，可为视神经功能评价提供更精准的数据。

2.3 AO与视觉训练

视觉神经系统的生长发育受外界视觉刺激精细程度的影响。人眼的像差、散射和衍射会降低视网膜成像质量，使得视觉神经系统未能获得足够清晰的刺激，限制了其精细发育。近年研究发现，视知觉学习训练可以调整大脑皮质视觉神经系统，提升视觉功能。除了离焦和散光，高阶像差对弱视患者视觉功能的缺陷也有一定的影响。研究发现，在矫正高阶像差的基础上进行视知觉学习可以改善训练效果，且视觉神经系统在发育关键期后仍具有一定的可塑性。利用AO技术矫正像差结合视知觉学习训练，可以为弱视，尤其是成年弱视患者提供更有效的治疗，突破弱视治疗关键期的限制。该训练模式也有望在老年视力衰退及飞行员等特殊人群的视力保健等方面得到应用。

2.4 AO视觉模拟

视觉是复杂的主观认知过程，通过矫正像差获得的理想光学状态不一定给患者带来满意的视觉效果，大脑神经适应性的差异也使视觉体验因人而异。理论上，波前像差引导个体化准分子激光角膜原位磨镶术可减少术后高阶像差的产生，但由于角膜切削精度和术后像差变化的影响，目前从临床应用来看仍然无法达到术后零球差的效果或完美的光学状态。如果能在术前对不同像差矫正方案进行术后光学质量预测以及术后视觉效果模拟体验，从而选择最佳方案，可以提高患者满意度，降低二次手术的风险。在调节与立体视觉等视功能研究中，应用AO技术可以全部矫正、选择矫正，甚至增加特定项像差，在屈光手术术前模拟术后视觉效果，以便更好地理解不同像差对视觉质量的影响。Guo等利用AO系统对3种不同类型人工晶状体植入眼内的效果进行评估，发现对于同一受试者而言，非球面人工晶状体植入后的远距矫正视力优于球面人工晶状体，多焦点人工晶状体远距矫正视力最差。Pérez-Vives等应用一款AO视觉模拟器对有晶状体眼后房型人工晶状体植入术和准分子激光角膜原位磨镶术进行模拟，结果表明前者提供的光学和视觉质量更好，而后者诱导产生了更多的高阶像差，特别是对于屈光不正度数更高和瞳孔更大的患者。以往研究都是在术前进行视觉效果模拟，且模拟效果与术后结果的一致性尚未得到证实。2019年，Vinas等研究发现，同一眼植入多焦点人工晶状体术前AO视觉模拟与术后真实的光学质量及视觉质量有很好的一致性。

2.5 自适应光相干断层扫描技术

光相干断层扫描(optical coherence tomography，OCT)作为一种非侵入性检查技术在眼科广泛应用。2004年，Hermann等首次将AO与时域OCT结合，随着技术的进展，扫频OCT与AO的结合也受到越来越多的关注。自适应光相干断层扫描(adaptive optics OCT，AO-OCT)可提供高灵敏度和高分辨率的视网膜内层图像，显示神经节细胞和单个神经纤维束并实现相应横截面轮廓的测量，在各种视神经病变，如青光眼的研究中可发挥重要的作用。同时，AO-OCT可分辨出更精细的血管系统细节，增强小毛细血管的可见性，可用于糖尿病视网膜病变、年龄相关性黄斑变性和视网膜色素变性等眼底疾病的检查、诊断和监测。最近，Ju等研制出一款多尺度、多对比度、无传感器的AO-OCT系统，运用OCT血流成像技术对视网膜色素上皮层中色素和视网膜毛细血管血流进行成像，使用透射式变形光学元件根据图像质量进行像差校正，获得了大视场和小视场下视网膜血管系统的高分辨率图像，以及视网膜色素上皮层拓扑和变形的表征，使活体人眼视网膜成像更精细和简洁。此外，AO-OCT在眼后节激光手术、色盲和视网膜生理活动研究方面的应用也受到关注。由于AO-OCT无法检测到荧光信号，无法实现对特定眼底结构的成像，同时其三维成像速度慢，检查过程中眼位的移动会降低成像质量。

2.6 自适应光学扫描激光检眼镜

自适应光学扫描激光检眼镜(adaptive optics scanning laser ophthalmoscope，AO-SLO)可实现实时眼底成像。Roorda等首次将AO与共焦扫描激光检眼镜(confocal scanning laser ophthalmoscope，cSLO)结合，搭建了AO-cSLO系统，获得了横向分辨率约为2.5 μm、纵向分辨率约为70 μm的视细胞、毛细血管血流等高分辨率图像。AO-cSLO系统通常采用1个光源进行波前像差探测和视网膜成像，而李凌霄等设计了基于双光源的AO-cSLO系统，其中1个光源用于探测像差，另一光源用于视网膜成像，显著提高眼底图像的对比度、亮度和分辨率。AO-SLO系统通过折射或反射方式成像，其中折射式成像系统存在色差且光线会在透镜前后表面形成反射，影响成像质量，而反射式成像系统帧频低、结构复杂，不利于观测视网膜血流等动态变化。为解决这些问题，江慧绿等提出了一种能消除系统带来的彗差、像散等像差的反射式AO-SLO系统，其结构更紧凑、简单，获得了清晰的视网膜血管以及视锥细胞图像。

糖尿病视网膜病变患者早期即有视网膜血管管径、血流速度的改变。AO-SLO可以在不使用造影剂的情况下生成视网膜血管网络图，显示血管中的血细胞运动，测量血流速度，从而实现眼底微小血管改变的早期筛查和无创随访。AO-SLO可以显示青光眼不同阶段筛板形态学的改变，也可以显示眼后极部及视盘附近神经纤维层和毛细血管变化，对于青光眼的诊断及随访具有一定价值。此外，将瞳孔跟踪功能与AO-SLO结合，通过实时光学和数字跟踪，解决了检查过程中因眼位改变导致图像失真或变形的问题，有利于获取注视功能较差患者的眼底图像。Azimipour等介绍了一种AO-SLO-OCT组合系统，该系统利用1.6 MHz的频域锁模激光器同步、同范围地获取OCT和SLO扫描信息，避免OCT和SLO单独成像，可更全面地观察视网膜的形态，同时简化了光学设计和数据处理。

3 小结

AO技术实现了对人眼波前像差的实时测量和调控，其在眼科领域的应用为临床上眼病的诊断和治疗以及视功能研究提供了全新的技术手段。由于受限于传感器的探测精度和变形镜的校正能力，AO系统尚无法完全矫正波前像差，残余像差仍然会影响矫正结果。此外，眼底图片成像质量还受眼内散射、眼球震颤及采集过程中其他噪声等因素的影响。如何改进现有算法，提升图像复原效果，将是研究者下一步研究的重点。AO眼科设备价格高昂，目前尚未广泛应用于临床，总体上还处于实验室研究阶段，因此研制更低廉、更易操作、更智能的AO眼科设备也成为今后研究的重点方向之一。虽然该技术目前还存在各种局限，但是随着技术的进一步完善，硬件设备和软件的不断创新，AO有望在眼科领域发挥更大的作用。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突