第六章像差儀
波陣面像差的概念、多種像差儀的操作方法、像差數據的分析及臨床意義。
從人類視網膜感光細胞的密度推算出人眼的極限視力可達3杄0甚至更高，但由於人類進化過程中對遠視力的需要逐漸下降，以及角膜和晶狀體等器官的光學性能退化等原因，導致出現各種像差，因此人眼的視力只有1杄5或更差，並且這些像差不能被現有的眼鏡和隱形眼鏡矯正。
波陣面像差波陣面像差（波前像差波前像差）技術原本是一項天文學技術，其發展由來已久，主要用來糾正天文望遠鏡等的像差，以便能更清晰地觀測到更遠距離的天體。像差理論作?研究非理想光學系統的基礎早已廣泛地應用於製造光學精密儀器，當波前像差技術應用於眼科後，才與我們的生活變得更?關係密切。
目前波前像差儀有很多種，可分?客觀法和主觀法兩類。客觀法根據其設計原理，又可分?：出射型像差儀、視網膜像型像差儀和入射可調式屈光計三種類型；主觀法即心理物理學檢查方法。
客觀法的優點是快速、可重復性及可靠性好，但需使用較亮的照明光線，大部分還需要散瞳；主觀法無需散瞳，可在眼睛存在調節的狀態下檢查眼的像差，但需對患者進行訓練，檢查較慢，可重復性較客觀法差。
無論是主觀法還是客觀法像差儀，其基本原理是一樣的，即選擇性地監測通過瞳孔的部分光線，將其與無像差的理想光線進行比較，通過數學函數將像差以量化形式表達出來。下面根據其設計原理來逐一介紹。
一、 客觀式像差儀
1杄出射型像差儀
基於Schack-Hartmann像差理論Schack-Hartmann像差理論而建立，見圖6-1。Schack-Hartmann波陣面感受器通過測量眼底的點光源反射出眼球的視網膜像來測量波陣面像差。即，使一細窄光束進入眼球，聚焦視網膜上，光線從視網膜上反射出眼球，穿過一透鏡組，聚焦在一個CCD上。如受檢眼無像差，則反射的平面波聚成一個整齊的點陣格子圖，每一個點的圖像準確地落在相應透鏡組的光軸上。而當受檢眼有像差時，則?生扭曲的波陣面，從而?生扭曲的點圖像。通過測量每一個點與其相應透鏡組光軸的偏離，就可計算出相應的波陣面像差。基於此原理的像差儀包括WASCA像差分析儀（Aesculap Meditec公司），Zywave像差儀（博士倫公司），LADAR Wave Aberrometer（愛爾康公司）等。
圖6-1基於Schack-Hartmann原理的像差測量示意圖
2杄視網膜像型像差儀
以Tscherning像差理論Tscherning像差理論?基礎，通過計算投射到視網膜上的光線偏移而得出結果，見圖6-2。
圖6-2基於Tscherning原理的像差測量示意圖
它是由倍頻Nd：YAG鐳射（532 nm）發出的有168單點矩陣的平行鐳射光束經瞳孔進入眼底（彩圖10），由連接電腦的高敏感度的CCD採集視網膜圖像（彩圖11）。由於屈光介質存在像差，投射到視網膜上的光線達到視網膜後?生偏移，其偏移可以通過投射在視網膜上的格柵觀察到，通過視網膜圖像分析受檢眼的光學像差，即，將視網膜圖像上的每個點的位置與它們在理想狀態下的相應位置進行比較，根據偏移的結果計算出相應的波陣面像差。基於此原理的像差儀包括Allegretto像差分析儀（WaveLight公司）和視網膜光線追蹤儀（Tracy公司）等。
3杄入射可調式屈光計
以Smirnov-Scheiner理論Smirnov-Scheiner理論?基礎，其方法是通過對進入中心凹的每一光線進行補償調整使之在視網膜成像完善，見圖6-3。其原理與臨床應用的屈光計、檢影鏡很相似，所有進入視網膜的光線都向中央一點會聚，通過在各軸向上對瞳孔的快速裂隙掃描而實現，眼底反光被CCD捕捉從而得到眼的波陣面像差。基於此原理的像差儀包括Emory視覺矯正系統和OPD掃描系統（Nidek公司）等。
圖6-3基於Smirnov-Scheiner原理的像差測量示意圖
二、 主觀式像差儀
根據光路追蹤原理設計，利用空間分辨折射儀以心理物理方法測量人眼像差。假設眼處於衍射的極限時，聚焦在無窮遠，因而無窮遠的點光源通過瞳孔不同區域進入眼內，將會聚焦在視網膜上的一點。當眼存在像差時，進入眼內的光線將不會聚焦在同一點上，點光源的像將是一個模糊像，該像點與中心發生了偏移，導致波陣面?平面的光線射入眼球後由理論上的球面波變?了不規則的曲面波，通過數學換算，得到放大在瞳孔面上的眼底點擴散函數。基於此原理的像差儀有WFA-1000人眼像差儀（蘇州亮睛公司）。
目前市面上有各種不同品牌的像差儀，其操作步驟各不相同，下面介紹幾種常用像差儀的操作步驟。
一、 WASCA像差分析儀
WＡＳＣＡ像差分析儀如圖6-4所示，其常用操作步驟如下。
圖6-4WASCA像差分析儀
圖6-5Allegretto像差分析儀1杄在暗室中檢查，無需散瞳。
2杄依次開?位於檢查桌面下的總電源開關、電腦電源，等待程式運行並自檢後，即可準備使用。
3杄如輸入新患者，點擊功能表欄database（資料庫）功能表中Add Patient（添加患者）選項，進入“添加患者”對話方塊，輸入患者的姓名、性別、出生日期等；如患者已存在于資料庫中，選擇Patient selection control（選擇患者）選項，跳出相應的對話方塊，然後在列表框中輸入姓名，或者在下拉清單框中選擇患者。
4杄向被檢者介紹檢查過程以及其間可能的各種情況，調整桌面高度適應被檢者的前額，調整頜托高度，以使被檢者眼睛正好位於檢查窗口。
5杄點擊測量視窗的Start（開始）按鈕，視頻顯示聚焦圖片，將圖片調至清晰聚焦狀態，將虹膜圖像調至視窗及方形線框中央，調整儀器使瞳孔居中於X和Y方向，前後移動操縱杆進行精調，聚焦虹膜像，點擊一次操縱杆按鈕即開始進行測量。
6杄點擊Write to database（寫入資料庫）選項，將資料存入資料庫。測量完畢。
二、 Allegretto像差分析儀
儀器如圖6-5，其常用操作步驟如下。
1杄檢查前先進行屈光矯正。
2杄在暗室中進行，滴快速擴瞳劑擴瞳。
3杄如輸入新患者，點擊Patient data（患者資料）選項卡，輸入患者的姓名、性別、出生日期、眼別、屈光度數、曲率等；如患者已存在于資料庫中，從Patient list（患者列表）中選擇患者。
4杄定位調焦點擊Measurement（測量）按鈕，進入測量介面。讓患者注視測量頭髮出的微弱的目標燈光，調整患者頭位，左右移動測量頭，確保患者兩眼在同一水平，見圖6-6。瞳孔完全顯露，對焦於被檢眼的中心，如圖6-7。
圖6-6調整患者頭位確保兩眼在同一水平線上
圖6-7對焦在被檢眼的中心
圖6-8OPD-Scan ARK-10000像差掃描系統5杄 Accomod的設定
（1） 遠點的檢測：逐漸增加+0杄25 D，直至視標模糊；再逐漸增加-0杄25 D，直至視標清晰。
（2） 近點的檢測：逐漸增加-0杄25 D，直至視標模糊；再逐漸增加+0杄25 D，直至視標清晰。
6杄檢查者使用操縱杆進行瞄準和對焦，使眼球居於視頻監視器的中央（偏差小於0杄1 ｍｍ，以座標的形式出現），按下操縱杆的按鈕，系統?動自動攝像過程（歷時30秒）。
7杄點擊Analyzer（分析）按鈕，系統自動進行分析，分別以圖形和資料形式顯示結果。
8杄系統自動儲存，結果可以列印或通過軟碟輸出。
三、 OPD-Scan ARK-10000像差掃描系統（見圖6-8）儀器外型如圖6-8，其常用操作步驟如下。
1杄準備工作
（1） 打開電源，?動ARK-10000，出現測量螢幕。
（2） 設定測量方式：按螢幕左下角“測量方式”按鈕，按順序改變測量方式，AR測量、CT測量或AR測量聯合CT測量。
（3） 點擊測量螢幕頂部的ID（識別字）或Patient（患者）按鈕，進入患者名字和備註對話方塊。若?新患者，點擊New（新）按鈕，輸入患者的ID、姓名、性別等；若患者已存在于資料庫中，可選擇螢幕上方的任一個專案（ID、Name、Sex、Group或 Last Exam Date）查尋選擇患者。
（4） 清潔前額架和下頜托，指導患者放好下頜及前額，調整頜托高度，以使被檢眼正好位於檢查窗口。
2杄調焦及測量
（1） 指導患者通過測量窗口觀看內置熱氣球圖形的中心，並盡可能睜大眼睛。
（2） 上下左右移動手柄，對準眼睛測量點，前後移動調整聚焦。當使用自動追蹤及發射功能時，瞄準光接近標靶時儀器會自動瞄準聚焦並進行測量；當不使用自動追蹤及發射功能時，需手動將瞄準光點移入標靶，按手柄上的測量按鈕進行AR測量。在重復AR 測量之後，從3個可用的AR值中獲得一個代表值（S杄C杄A杄），將螢幕右上方的“AR”圖示轉換成圖6-9WFA-1000像差分析儀“CT”圖示。
（3） 指導患者一兩次緩慢眨眼，使其角膜表面能夠清楚地顯示，在確認儀器已調整到理想的對焦狀態時，按下ｓｔａｒｔ（開始）按鈕?動CT測量。
（4） 判斷捕捉到的圖像是否存在變形和不規則，如果圖像捕捉無效，按 Retake（重取）按鈕取消分析。
（5） 判斷捕捉圖像和環邊檢測結果，如果對捕捉圖像和邊緣檢測滿意按OK按鈕，如果對捕捉圖像和邊緣檢測不滿意按Cancel（取消），重新進行對焦，以捕捉清晰的圖像。
3杄測量完成後，按儲存列印鍵存儲資料並列印AR結果。
四、 WFA-1000像差分析儀
儀器如圖6-9。檢查在暗室環境、自然瞳孔下進行。讓患者通過調整系統的球鏡補償來矯正其球性屈光不正，使其盡可能清晰地注視靶目標，然後讓患者用滑鼠來點擊視野中不斷出現的檢測光點。檢查過程中，檢查者通過監視器來觀察被檢眼的瞳孔，確認在檢測過程中沒有偏移位置。一般操作與其他像差儀大體相同。
一、 參數分析
波陣面像差的表達方法有很多種。在臨床上，我們常見的有Zernike函數、均方根、調製傳遞函數、點擴散函數等，其中最常見且便於理解的是Zernike函數。
1杄 Zernike函數Zernike函數Zernike函數是最常用的波陣面像差定量表達方法，是描述眼光學系統波陣面像差的理想的數學模型之一，它?交於單位圓上的序列函數。
通過Zernike函數可以將像差量化並分級，可以表達總體像差和組成總像差的各個像差。Zernike函數常見的表達形式?7階35項，可以分?低階和高階，其中0到2階?低階，3階以上?高階。0階Ｚ００表示各方向勻稱、平整的波陣面，即無像差；1階Ｚ１-1和Ｚ１１分別表示垂直和水平的傾斜（tilt）傾斜（tilt）；2階表示離焦（focus shift）離焦（focus shift）或散光（astigmatism）散光（astigmatism），Ｚ2-2和Ｚ22分別表示45°/135°和90°/180°方向散光，Ｚ2０表示離焦；3階函數中，Ｚ3-3和Ｚ33表示三葉草形像差，Ｚ3-1和Ｚ31分別表示垂直和水平位彗差（coma）彗差（coma）；4階?球差（spherical aberration）球差（spherical aberration）和其他複雜像差，Ｚ4０表示球差，Ｚ4-4和Ｚ44表示四葉草形像差，Ｚ4-2和Ｚ42表示45°/135°和90°/180°方向二次散光性像差；5至10階?其他一些不規則像差，如5階中Ｚ5-1和Ｚ51分別表示垂直和水平位二次彗差等，只有在瞳孔非常大時才顯露出來。
其中影響人眼視覺質量較大的主要像差有下列幾種：Ｚ2０離焦，包括正性和負性離焦，對應于傳統球性屈光不正的近視和遠視；Ｚ2-2和Ｚ22即45°/135°和90°/180°方向上的散光，Ｚ3-1和Ｚ31即彗差，Ｚ4０球差。Zernike函數可以表示?以n?行數（階），m?列數的金字塔形數位陣列，稱?Zernike樹，如圖6-10所示。
圖6-10Zernike函數
?了能表達得更?直觀，可以在以類似於角膜和瞳孔的圓形?基礎，將Zernike函數重建成眼的波陣面像差圖，形象地描述各種像差的形態，見圖6-11。
圖6-11波陣面像差圖（Zernike函數1∼6階，及Z4、Z12和Z24的放大圖）
低階像差與傳統的幾何像差相對應，可用框架眼鏡、隱形眼鏡或傳統的屈光手術矯正；高階像差包括一些非經典的像差，需要進行像差引導的個性化切削才能矯正。對於人眼，6階以上的高階像差對視覺影響很小，可以忽略不計。臨床上進行像差引導的個性化切削時考慮最多的是第3、4和5階像差。
2杄均方根（mean sum of the square，RMS）均方根（mean sum of the square，RMS）均方根是檢測光學系統質量的一種方法，它是通過計算檢測面上的各點相對於參考面的高度而得出的標準差，表示檢測面與參考面的偏離程度，是Zernike函數的係數平方和的方根，可將不規則散光和球性屈光不正量化。進行波陣面像差分析時，參考面?一個無像差的球面波。RMS值通常?0∼1，若RMS值較小，表示高階像差所占比例少，接近球-柱鏡參數。
3杄光程差（Optical Path Difference，OPD）光程差（Optical Path Difference，OPD）可表示?
OPD=理想波陣面-實際波陣面。
OPD?正值，表示這部分光速較慢，在Zernike函數中表現?峰；OPD?負值，表示這部分光速較快，在Zernike函數中表現?穀。
二、 影響因素
影響像差的因素很多，如瞳孔直徑、調節、年齡、淚膜厚度、觀察距離和眼球的轉動等均可在很大程度上影響結果，與角膜、晶狀體和玻璃體有關的解剖和功能上的改變及視網膜的形態也可影響結果。另外，還可能受其他尚不清楚的因素的影響。
1杄瞳孔直徑瞳孔直徑相對較小時（小於或等於2 ｍｍ時），限制人眼視覺質量的因素主要是衍射，當瞳孔直徑較大時，大量的軸外光線進入眼中，這時像差成?限制人眼視覺質量的主要因素。
人眼的視覺像差與瞳孔大小密切相關，隨著瞳孔的增大而增加。環境光亮度的改變，會引起瞳孔大小的改變，從而使視覺質量發生變化。在晚上，瞳孔散大時，會出現眩光、光暈、雙影和鬼影等現象，導致視覺質量下降。由於藥物作用而使瞳孔散大也可使像差發生變化，見圖6-12。
圖6-12瞳孔直徑與像差的關係
2杄調節人眼作?一個光學系統，?了能看清近距離目標，需要動用調節機制來改變屈光力。在調節過程中，晶體因睫狀肌收縮而快速增厚，表面曲率發生變化，晶體和角膜之間相對位置改變，軸位元也發生變化，這使得人眼像差發生改變。
隨著調節的增強，晶狀體的位置前移，球差減少（從正值向零改變），彗差也發生顯著的變化。隨著調節幅度的改變，像差也發生了變化，看遠和看近時的像差表現是不同。因此，像差測量時需評估注視條件所引起的調節。
3杄年齡隨著年齡的增大，晶狀體密度不斷增加，晶狀體內各成份折射率梯度發生變化，而且角膜曲率半徑隨年齡增長而減小，即角膜更加接近球形，因此像差明顯地增加，特別是球差。
4杄淚膜淚膜的破壞可導致的角膜表面不規則性改變，使像差明顯增加。幹眼症患者淚膜不穩定，可出現角膜表面呈不規則性改變，角膜表面規則性指數（SRI）及表面不對稱指數（SAI）明顯升高。
三、 臨床應用
1杄屈光手術中的應用現有的屈光手術，包括早年的放射狀角膜切開術（PK）和現行的准分子鐳射角膜屈光手術（PRK，LASIK，LASEK和Epi-LASIK）雖然矯正了屈光力，改善了中央視力，但也帶來了對比敏感度下降、眩光和光暈等一系列問題。臨床研究表明手術改變了角膜的像差，使其術後的像差變大，並且隨著瞳孔的增大而增大，切削越深像差變化越明顯。
因此，近年來許多眼科專家致力於改善屈光手術治療方法，發展像差引導的個性化切削，即根據每位元患者不同的眼球屈光資料，設計出最佳切削方案，術中將從眼球像差儀獲得的像差資料登錄准分子鐳射機治療系統引導鐳射進行切削，消除或減少那些可能導致視力不佳的高階像差，重塑一個全新的角膜形態，從而顯著提高術後裸眼視力和視覺敏感度，改善夜間視力，降低眩光和光暈的發生率，達到提高視覺質量的最終目的。
2杄角膜接觸鏡中的應用
（1） 軟性接觸鏡：現在多數人認?人眼的平均球差是正性的，因此，從理論上講，消除了球面像差的鏡片會提高人眼整體的成像質量。但人眼是一種處於不斷變化的動態的屈光系統，像差也會隨著眼的調節及年齡的增大等因素而變化。因此，消除了球面像差的軟性接觸鏡只在特定條件下對特定個體有良好作用。?克服以上不足，現已研製出一種可以個體化矯正不同個體像差的接觸鏡。這種鏡片的前表面是根據不同個體的實際像差切削的非球面非對稱表面，後表面仍?球面，可按照預定?生與個體眼睛相匹配的離焦、散光、球差等，以達到矯正眼睛總體像差的目的。
（2） 硬性角膜接觸鏡（RGP）：RGP可以在一定程度上糾正眼睛的像差，這種改進不僅限於散光，一些不規則的高階像差也有明顯的降低。由於它的前表面?一接近完美的規則表面，並由淚液填充所有角膜的不規則表面，由於淚膜的屈光指數接近角膜屈光指數，大大減少了角膜散光和像差的影響。但常規RGP矯正像差存在局限，因?它只能矯正角膜前表面像差，且其矯正像差量還受眼內散光和角膜散光的影響。
應用像差分析儀可以從多方面多角度評估RGP鏡片的配戴質量，提供更加個體化的配戴建議，並且可以通過非球面的鏡片設計，在一定程度上降低總體像差而起到增進視覺質量的效果。
3杄在白內障診斷中的應用對白內障患者傳統上也只是用視力來衡量視覺質量的，但臨床上經常會遇到病人視力與其晶體混濁度不相一致的現象。可通過像差儀的檢查發現輕度白內障患者的角膜像差與正常人群的角膜像差基本相同，而總像差則明顯高於正常人，這可能是因?混濁的晶體引起光線的散射和吸收從而導致晶體局部屈光改變所致。可見在早期白內障患者中，像差引起視覺質量的下降不亞于晶體密度增高對視覺質量的影響。
4杄在人工晶狀體（IOL）中的應用隨著現代超聲乳化技術的發展及人工晶狀體材料和設計的改進，白內障患者術後視力已大?提高，但仍有部分患者不能達到滿意的效果，還有些患者客觀視力檢測好，而主觀感覺卻視物模糊。這些以前一直難以解釋的現象，隨著像差儀的出現都迎刃而解了。正常生理情況下，人眼角膜具有正性的球差，而晶體有負性球差，這在一定程度上起到互相彌補的作用。而一般人工晶狀體的球面設計，以及其在眼睛調節時發生的前後移位元和偏軸，使植入後術眼的像差明顯增大，尤其是球差。現在已應用非球面或消像差的人工晶狀體來消除這一現象，進一步改善了成像質量，使植入後術眼的像差比植入以往晶狀體的要低，視覺質量明顯改善。
波陣面像差（波前像差）用於檢測眼光學系統的細微改變，任何外界因素的輕微干擾，都會極大地影響結果的準確性，可謂“失之毫釐，謬以千里”。因此，在進行像差儀檢測時，必須注意以下幾點：
1杄被檢查者頭位、眼位要正確。
2杄雙眼睜大，充分暴露角膜，但避免壓迫角膜。
3杄囑患者每次測量前眨眼，以保持測量瞬間角膜表面濕潤，避免因角膜乾燥而影響檢測結果。
4杄角膜接觸鏡配戴者應摘鏡至少2周後檢查，使檢查結果比較可靠。
5杄檢查室內降低照明，以減少進入儀器的雜散光，降低注視目標的亮度，從而減少進入眼球的反射光。
6杄根據所獲取的圖像，判斷測量結果的準確性，可基於下列條件作判斷：? 患者有無眨眼或有無睫毛影響；? 被檢眼睜開是否足夠大；? 是否由於眼淚過多邊緣出現混亂變形；? 眼睛是否有移動；? 檢測範圍是否足夠等。圖像稍有不滿意，將明顯影響結果，必須重新檢測。
7杄每次移動或者在新地方安置像差分析儀後，必需使用測試工具對儀器進行檢測和校正，以避免可能出現的儀器誤差。
8杄定期對儀器進行校準，必須由專門技術人員進行每年一次的定期清潔維護。
1杄試述波前像差儀的分類及其各自的設計原理。
2杄試述像差的影響因素及Zernike函數各階所代表的意義。
3杄簡述像差檢測時的注意事項。