同步视觉人工晶状体的临床前像质评价方法

【作 者】 冯勤，郝琦，宋婷，陈琼慧

浙江省医疗器械检验研究院，杭州市，310019

0 引言

人工晶状体（intraocular lens,IOL）为植入人眼内的光学透镜，用于替代人眼晶状体以恢复白内障患者视力，或用于矫正有晶状体眼的屈光不正。临床应用最为广泛的单焦人工晶状体虽然可用来恢复视力，但目前其光学设计很难完全达到正常人眼晶状体的光学功能[1]，只能根据患者需求恢复一定距离的视力，满足了看远处景物的需求，看近距离时则需要另外配镜进行调节，反之同理。近年来随着新兴技术的快速发展，各生产厂家正积极设计开发能提供多个距离或连续视物距离的人工晶状体，如双焦人工晶状体、三焦人工晶状体、焦深扩展型人工晶状体（extended depth of focus intraocular lenses,EDF IOL）、可调节人工晶状体（accommodating intraocular lenses,AIOL）等，提供多个距离或连续视物距离的人工晶状体的设计从功能上来说更加接近于人眼晶状体的连续变焦能力，植入眼内后可在远距离、中距离和/或近距离形成影像，因此可以重建部分全程视力，显著提高脱镜率和患者术后生活质量[2-4]。

在国际标准化组织ISO/TC172/SC7眼科光学和仪器分技术委员会WG7眼科植入物工作组最新草案稿中[5]，拟根据人工晶状体的光学设计、性能表征以及临床应用方式统一归类，除可调节人工晶状体外，可将在多个距离提供同步视觉的人工晶状体统一归类为同步视觉人工晶状体（simultaneous vision intraocular lenses,SV IOL），包括多焦人工晶状体（multifocal intraocular lenses,MIOLs）、全视程人工晶状体（full visual range intraocular lenses,FVR IOL）、焦深扩展人工晶状体。同步视觉人工晶状体和单焦人工晶状体相比，其功能更接近人眼晶状体，但由于其理论设计的局限性，实际应用的缺陷也不应被忽视。同步视觉人工晶状体的设计理念可以理解为对于不同视程物体成像，清晰的图像和其他离焦图像同时在眼底叠加，从而降低了整体对比度。研究发现，该类人工晶状体相对单焦人工晶状体，临床上存在对比敏感度降低、易出现眩光及光晕等缺陷[6]，植入后人工晶状体的偏心、倾斜等也会引起更多的视觉干扰。而制造商出于商业营销及市场份额考虑，可能对提供多视程的人工晶状体相较于单焦点人工晶状体的优点过度宣传，容易导致使用者过于迷信和依赖新技术的应用，而忽略风险。此外，制造商对于人工晶状体光学设计的微小变化，声称能带来更佳、更优秀的视觉效果，也容易给临床应用方的使用选择带来困扰。因此对于同步视觉人工晶状体的行业监管及临床应用，有必要建立与其视觉质量相关的技术指标，以明确鉴别区分不同类型同步视觉人工晶状体的性能优劣。

临床研究中，视觉敏锐度（visual acuity,VA）通常被认为是视觉质量的重要指标，人工晶状体植入后主要通过视力表计分评价视觉敏锐度，视力表具有不同的图表设计和评分方法，国内眼科及视光学临床检查中规定能分辨1'视角的视力为正常视力标准，视觉敏锐度不同计分等级如表1所示。在近几年眼科临床研究中一般推荐使用logMAR视力表，测量结果以最小分辨角的对数值（logarithm of the minimum angel of resolution,logMAR）表示[7]。

表1 视觉敏锐度不同计分等级Tab.1 Different score levels of visual acuity

不过临床研究中的视觉敏锐度评价都是基于术后调查，对于尚未上市的同步视觉人工晶状体的预期视觉性能评价还需要在实验室条件下获得。目前人工晶状体临床前像质评价根据人工晶状体行业标准YY 0290.2ü 2021[8]中的规定，一般采用分辨率或限定空间频率条件下的调制传递函数（modulation transfer function,MTF）来表示。分辨率测量方法无法全面反映被检人工晶状体其他可能存在的像差，其测量结果也具有一定的主观性。MTF评价则是对成像质量的锐度、反差和分辨率等综合评价的数值，其测量结果相对客观。同步视觉人工晶状体由于其光学设计的特殊性，仅以限定空间频率下的MTF值来评价像质也是不全面的。因此需要根据其多视程设计特点，建立与预期视觉性能相适应的像质评价方法，并与单焦人工晶状体的成像质量对比评价，以便应用方根据实验室数据预估人工晶状体的临床视觉效果，提供选型参考，也可以为生产厂家提供更好的设计思路，满足技术开发需求。

1 像质评价方法

对同步视觉人工晶状体的成像质量进行实验研究评价，可选择与相当视程距离的单焦点人工晶状体进行成像质量对照，对一定空间频率范围的MTF进行评价，同时应考虑建立接近人眼实际角膜球差特征的模拟眼系统[9]，测试结果更为客观。

同步视觉人工晶状体要求具有较好的远距离视力，并且相较于单焦点人工晶状体，应提供改善的近距离视力及中距离视力。人眼明视环境下一般需要满足远距离需求，暗视觉环境下主要满足近距和中距需求，因此研究设计可选择明视条件下测试孔阑和人眼瞳孔，孔径一般为2～3 mm，暗视条件下测试孔阑选择4.5 mm或5.0 mm进行分析。同步视觉人工晶状体的成像质量可以考虑以下几个指标进行评价。

1.1 单色光条件下MTF频率响应曲线

对于同步视觉人工晶状体，由于光学设计的不同，远距、中距和近距的光能量分布也是不一致的。通过对远距光焦度和每一个加光度数（或焦度范围）成像点生成不同孔径下的MTF频率响应曲线，可以反映同步视觉人工晶状体在远距、中距及近距点光学设计对不同轮廓以及细节的图像处理能力。人工晶状体一般均为单片透镜，在空间频率低频段具有较高的MTF，对于单焦人工晶状体，其高频段的MTF值缓慢下降，衍射极限空间频率甚至可达到400 lp/mm[8]。而对于同步视觉设计人工晶状体，由于能量在各个距离段的不同分配，与单焦人工晶状体相比，同频段远距点的MTF值下降明显，但中距点或者近距点相对单焦点IOL来说有较好的表现[4]。

1.2 单色光条件下MTF随焦响应曲线

通过MTF焦距响应曲线可以评估由远到近连续视程范围内人工晶状体的成像质量，分别在孔径为2～3 mm和4.5 mm或5 mm时生成人工晶状体在50 mm-1处的MTF随焦距响应曲线。根据一个无限远物体聚焦得到50 mm-1处的最大MTF，然后在像方空间稍后位置以0.1 mm步距直至1.5 mm距离内测量并记录MTF值。对于单焦人工晶状体，由于景深以及像差的存在，MTF焦距响应曲线表现为远距单峰，并具有一定的峰值宽度。同步视觉人工晶状体的MTF焦距响应曲线除了在远距可观察到明显的峰值设计，在其他设计焦点处（中距和近距）也能观察到峰高，或者随焦响应曲线基本连续，不会出现明显的峰谷设计。

1.3 预期视力（logMAR对数视力）

临床上一般以0.2 logMAR作为可接收的单眼矫正视力阈值[5]，图1为EDF人工晶状体从+1.50 D到-2.50 D的临床视力离焦曲线示例[10]，横坐标为物方离焦光焦度（D），纵坐标为logMAR对数视力，其中正方形标记线为对照单焦人工晶状体，三角形标记线为EDF人工晶状体，可以看出以0.2 logMAR作为有效视力限值，EDF人工晶状体相比单焦人工晶状体提供更宽的焦深。

图1 EDF IOL及对照单焦IOL的临床视力离焦曲线示例Fig.1 Hypothetical example of a defocus curve for an EDF IOL and monofocal control

临床研究中利用视力表进行视力测量，实际评估的是组合空间频率下的视觉敏锐度，因此在评估人工晶状体的临床前光学性能时，考虑组合空间频率对预测人工晶状体植入后所能达到的潜在视力更接近临床实际。人工晶状体的预期视力可以通过实验室数据模拟计算得到，由于实验室条件使用无限距MTF测量系统，在进行预期视力计算时，需要考虑将像方离焦换算至物方离焦。同时根据实验室测量不同空间频率下的MTF曲线，编制程序计算曲线下面积SMTFa，SMTFa定义为在1～50 lp/mm空间频率的MTF的曲线下面积，如式(1)所示，其中f为空间频率，d为空间频率的采样间隔，在本研究中，d等于1 lp/mm。

ALARCON等[11]利用大样本量人工晶状体的实验室研究及术后临床调查，发现随焦视觉敏锐度VA值与实验室1～50 lp/mmSMTFa测量值具有线性相关性，并通过优化R2相关系数得到临床视力VA(logMAR)与实验室测量SMTFa值的拟合函数，如式(2)所示。

式中：a=0.085；b=-1.0；c=-0.21；x=SMTFa。

通过对同步视觉人工晶状体不同聚焦距离的MTF频率响应测量计算得到SMTFa值，并利用式(2)可模拟计算得到同步视觉人工晶状体物方离焦条件下的预期视力VA，从而建立与图1类似的一定离焦范围内的预期视力评估图，同时以0.2 logMAR作为有效视力阈值，可以直观地反映同步视觉人工晶状体全视程内的视觉质量，并与单焦人工晶状体进行对照，可判断其光学设计的合理性。

2 试验结果

根据以上方法分别对单焦人工晶状体和3类同步视觉人工晶状体（多焦、焦深扩展及全视程）进行像质评价，试验研究用样品信息如表2所示。

表2 样品信息Tab.2 Sample information

试验采用卤素光源，进行单色光条件下的MTF测试时，光源峰值波长546 nmf 10 nm，其半高全宽小于20 nm。当进行预期视力VA（logMAR）测量时，更换特定滤光片获得符合人眼明视觉特征的测量光谱。测量模型眼根据YY 0290.2ü 2021附录C中所推荐参数建立，模拟角膜根据样品非球面设计特征选择适配球差矫正角膜，以减少模型眼系统整体像差的影响。本研究仅介绍几种像质评价方法，对比不同光学设计人工晶状体成像差异，因此暂不考虑大孔阑条件以及偏心倾斜对像质的影响，以下参数均在中等孔径3 mm条件下在轴测量。

2.1 单色光条件下MTF频率响应曲线

对于单焦人工晶状体，模型眼系统中的调制传递函数MTF在空间频率100 lp/mm处可达到0.43，甚至更高（见图2(a)），随着空间频率的增加，单焦人工晶状体的成像质量单调下降。同步视觉人工晶状体在设计上为了获得一定的中距及近距视力，则须牺牲一部分的远距视力。当光线聚焦于远距点时，中距和/或近距会聚光线在远距点形成弥散斑，作为干扰光影响远距点的成像质量，反之同理。由不同距离点的MTF频率响应曲线可以看出，相较于双焦人工晶状体（见图2(b)）和EDF人工晶状体（见图2(c)），全视程人工晶状体（见图2(d)）的远距点受到中距点和近距点的干扰更多，因此远距点在相同空间频率下的MTF响应更低。

图2 单色光条件下MTF频率响应曲线Fig.2 MTF through-frequency response under monochromatic light

同步视觉人工晶状体一般将远距作为优先视力，根据不同功能，远距点在100 lp/mm处的MTF远小于0.43，而中距或近距在 100 lp/mm处的MTF则更小，甚至达不到MTF测试重复性限0.09要求[2]，因此对于同步视觉人工晶状体，在较高空间频率下评价MTF并无太大意义。

2.2 单色光条件下MTF随焦响应曲线

选择最佳聚焦频率50 lp/mm，φ3 mmf 0.1 mm孔阑条件下在轴测量并记录空间频率50 lp/mm处的MTF响应。最大MTF为远距点位置，在像方空间逐步离焦，单焦人工晶状体离焦0.5 D后基本无可测量的成像点（见图3(a)），多焦点人工晶状体离焦2.5 D左右可以检测近距成像点（见图3(b)），但远距最大MTF值与单焦人工晶状体相比明显下降；EDF人工晶状体远距最大MTF值相比单焦人工晶状体略有下降，离焦1.5 D左右检测中距成像点（见图3(c)），随后MTF随距离变化逐步下降；全视程人工晶状体的远距点最大MTF下降最为明显（见图3(d)），但在中距2.15 D和近距3.20 D位置都存在能被测量设备读取的像点。

图3 单色光条件下MTF随焦响应曲线Fig.3 MTF through-focus-response under monochromatic light

实验室条件下测量人工晶状体的MTF随焦响应曲线是模拟无限远物体成像，与临床有限距视力测量不一样。但通过单色光条件下的MTF随焦响应曲线仍可直观反映人工晶状体不同距离点的光学设计及能量分配，评估在从远到近视程范围内人工晶状体的成像质量。

2.3 预期视力（logMAR对数视力）

使用至少覆盖可见光（380～700 nm）光谱范围的白光光源、滤光片以及CCD的组合，光谱灵敏度符合人眼明视觉函数V(λ)如图4所示。

图4 人眼视觉函数V(λ)Fig.4 Photopic luminosity function V(λ) for the eye

利用以上测量条件并结合YY 0290.2ü 2021附录C中推荐的模型眼，测量得到适配模型眼条件下单焦人工晶状体及同步视觉人工晶状体在白光光源下的MTF频率响应，计算给定频率范围内的SMTFa（MTF曲线下面积）和预期视力值，以logMAR单位表示。由于采用的测量系统为无限距MTF测量，在对人工晶状体实际聚焦能力评价时，还应考虑将像方离焦距离（mm）转换为物方离焦光焦度（D），从而更加接近于临床视力表评价方式，对待估人工晶状体的视力表现有更直观的对比评价。

4 种类型人工晶状体在白光条件下的预期视力测量及计算结果如图5所示，以视力0.2 logMAR作为有效视力限值，预期视力VA小于0.2 logMAR，则视力更佳。

图5(a)中的单焦人工晶状体由于理论设计限制不可避免存在焦深和像差，因此仍存在一定的有效视力范围，达到可接受视力水平的视程范围约为2.5 D；图5(b)中的多焦人工晶状体由于增加了近距点的视力表达，达到可接受视力水平的视程约为3.2 D，但中距视力水平有明显下降；图5(c)中的EDF人工晶状体达到可接受视力水平的视程宽度与多焦IOL近似，约为3.2 D，但远距至中距视力有较好的连续性；图5(d)中的全视程人工晶状体由于其中距点和近距点的设计，实测达到可接受视力水平的视程约为3.5 D，虽然相对多焦以及EDF人工晶状体，全视程人工晶状体并未在视程跨度上有非常明显的优势，但可以看出全视程人工晶状体的中距和近距均可以达到0.2 logMAR视力水平，相比多焦IOL有更好的中距视力，而相对EDF IOL又增加了近距点的视力，连续性更强。

图5 白光下的预期视力VAFig.5 Expected visual acuity under white light

φ3 mm孔阑下计算不同物方离焦对应的预期视力如表3所示。在远距点位置，即离焦0.0 D时，单焦人工晶状体具有最佳视力为-0.10 logMAR，全视程人工晶状体远距视力相对较差，为-0.03 logMAR；选用的多焦人工晶状体由于加光度数仅为2.50 D，对近距的视力贡献并不明显，从表3计算结果可以看出，其中距视力效果不如EDF人工晶状体，但接近近距时，视力表现相比于单焦和EDF人工晶状体有优势；EDF人工晶状体达到有效视力阈值0.2 logMAR时的离焦距离相比于单焦人工晶状体至少大0.5 D，说明具有焦深延长效果，物方离焦1.5 D处（约66 cm中距）有效视力0.01 logMAR，相较于其他几类人工晶状体有更好的视觉效果；全视程人工晶状体在离焦2.5 D处（约40 cm近距）仍可以达到可接受的视力水平，相较其他几类人工晶状体，由远距至近距可获得较佳视力连续性。

表3 预期视力VA 对比Tab.3 Contrast of expected visual acuity

3 结论

临床上进行患者视力评估时，由于照明环境、测试距离以及组合空间频率下的视标均与实验室条件不完全等同，因此在评估同步视觉人工晶状体的光学设计性能时，应尽可能模拟实际环境进行测量。本研究采用适配模型眼条件下的MTF频率响应、MTF随焦响应及预期视力3种不同的临床前像质评价方法对比分析了4种不同光学设计人工晶状体的成像差异，本像质评价方法可对人工晶状体的光学设计进行实验室验证，同时其研究结果也便于更好地预测植入同步视觉人工晶状体患者的视觉表现，可为人工晶状体制造商以及使用各方提供产品设计开发验证、应用选择等参考依据。