【作 者】 馮勤，郝琦，陳瓊慧，駱永潔，宋婷

浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院，杭州市，310019

0 引言

人工晶狀體（intraocular lens,IOL）是一種長(zhǎng)期植入于人眼內(nèi)的光學(xué)透鏡，臨床用于替換被摘除的病變晶狀體，從而恢復(fù)患者的視力，或用于矯正有晶狀體眼的屈光不正。大部分人工晶狀體由中間主體部分和起支撐作用的襻組成，結(jié)構(gòu)分為一體式或分離式，總直徑范圍為10～13 mm，主體直徑范圍一般為5.5～6.5 mm。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26397—2011 《眼科光學(xué) 術(shù)語(yǔ)》中光學(xué)區(qū)定義為具有規(guī)定光學(xué)效應(yīng)的區(qū)域，對(duì)于植入眼內(nèi)的人工晶狀體來(lái)說(shuō)，有效光學(xué)區(qū)一般理解為與光軸同心的含有光學(xué)設(shè)計(jì)特征的圓形區(qū)域[1]。人工晶狀體主體即為光學(xué)成像部分，但部分人工晶狀體有效光學(xué)區(qū)小于主體直徑。

一方面，人工晶狀體作為光學(xué)透鏡，其有效光學(xué)區(qū)的大小是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素。正常人眼晶狀體直徑約為9 mm，但白內(nèi)障治療用的人工晶狀體主體直徑僅為6 mm左右，其尺寸差異是出于對(duì)臨床應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的考量，在人工晶狀體植入手術(shù)中應(yīng)盡可能減小手術(shù)切口，從而減小角膜術(shù)源性散光[2]，同時(shí)還須規(guī)避植入后高分子材料與眼組織不必要的接觸損傷風(fēng)險(xiǎn)，最大限度減輕眼內(nèi)的無(wú)菌炎癥反應(yīng)，減少后發(fā)障的發(fā)生[3-4]。另一方面，在暗環(huán)境下人眼瞳孔放大，若人工晶狀體設(shè)計(jì)有效光學(xué)區(qū)直徑小于瞳孔直徑，通過(guò)人工晶狀體的周邊非設(shè)計(jì)光線在眼底無(wú)法準(zhǔn)確聚焦，易造成視覺(jué)干擾，導(dǎo)致視物不清或眩光，對(duì)患者來(lái)說(shuō)失去了手術(shù)意義。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，人工晶狀體主體部分邊緣設(shè)計(jì)與上皮細(xì)胞的遷移和后發(fā)障的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)性，人工晶狀體邊緣采用方邊設(shè)計(jì)，對(duì)于阻止和延緩后發(fā)障的發(fā)生有著積極作用[5]。同時(shí)有效光學(xué)區(qū)與主體邊緣非有效光學(xué)設(shè)計(jì)交界處若存在明顯的分界線，在暗視覺(jué)大孔闌條件下易對(duì)患者造成眩光干擾，因此其分界面一般設(shè)計(jì)為平滑曲率過(guò)渡[6]。這種設(shè)計(jì)給人工晶狀體有效光學(xué)區(qū)直徑的界定和測(cè)量無(wú)疑帶來(lái)很多不確定性。本研究將分析并探討不同的有效光學(xué)區(qū)直徑測(cè)量方法的可行性和準(zhǔn)確性，為人工晶狀體的設(shè)計(jì)開發(fā)以及測(cè)量驗(yàn)證提供參考。

1 原理和方法

1.1 有效光學(xué)區(qū)影響因素

有效光學(xué)區(qū)尺寸的設(shè)計(jì)與人工晶狀體的折射率、光焦度、厚度均具有一定的相關(guān)性。

對(duì)于單片光學(xué)透鏡，為達(dá)到相同的屈光能力，不同折射率材料透鏡的曲率半徑是不同的。材料的折射率越高，透鏡曲率相對(duì)于低折射率材料的光學(xué)透鏡則越小，即鏡片表面更為平坦，因此折射率高的人工晶狀體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上相對(duì)輕薄，中心厚度相對(duì)較小。目前市場(chǎng)上親水丙烯酸人工晶狀體折射率為1.459～1.465，聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）材料折射率為1.492～1.493，硅膠材料折射率為1.520左右，疏水丙烯酸材料折射率為1.560左右，我們選擇標(biāo)稱光焦度近似（26.0 D±0.5 D）的不同材料的人工晶狀體進(jìn)行對(duì)比分析，給出不同折射率材料的人工晶狀體中心厚度和有效光學(xué)區(qū)直徑的變化趨勢(shì)（見圖1）?？梢钥闯鲈谙嗤饽芰ο?，人工晶狀體材料折射率越高，其中心厚度越小，有效光學(xué)區(qū)直徑越大，接近主體直徑。

一方面，相同折射率的人工晶狀體，其光焦度范圍由低光焦度到高光焦度梯度分布（如光焦度范圍0.0 D～35.0 D，以0.5 D或1.0 D步進(jìn)），不同光焦度由于曲率的變化導(dǎo)致中心厚度也是不一致的，光焦度絕對(duì)值越高，中心厚度也就越大。

另一方面，從臨床應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)上考慮，人工晶狀體植入人眼后，前表面與虹膜的間隙應(yīng)保持足夠的安全距離，這限制了人工晶狀體截面尺寸（厚度和主體直徑）的大小。因此對(duì)于低折射率材料的人工晶狀體，要保證高光焦度的人工晶狀體截面尺寸（厚度和主體直徑）相對(duì)恒定，往往需要考慮減小其有效光學(xué)區(qū)直徑設(shè)計(jì)值。

1.2 IOL有效光學(xué)區(qū)限值依據(jù)

臨床測(cè)量人眼瞳孔直徑一般在角膜表面測(cè)量，而角膜本身可以理解為彎月形的光學(xué)透鏡，考慮光路可逆原理，實(shí)際測(cè)量得到的瞳孔直徑可能反映的并不是真實(shí)瞳孔通光口徑的大小。我們嘗試?yán)肎ullstrand-Le Grand模型眼來(lái)模擬角膜表面和晶狀體表面的通光孔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Gullstrand-Le Grand模型眼將人眼光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)略為具有角膜和晶狀體4個(gè)折射面且保持其基本光學(xué)特性的光學(xué)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算人眼光學(xué)的成像特性[7-8]。該模型眼的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 Gullstrand-Le Grand模型眼結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Gullstrand-Le Grand model eye structure parameters

根據(jù)Gullstrand-Le Grand模型眼結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬光路，改變角膜前表面不同的入瞳直徑可以得到晶狀體表面不同的通光口徑，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。正常成人瞳孔的直徑一般為2～5 mm，這里的瞳孔直徑在角膜表面觀測(cè)得到，根據(jù)以上模型眼的光路模擬可知實(shí)際瞳孔大小略小于測(cè)量值，基于Gullstrand-Le Grand模擬計(jì)算實(shí)際瞳孔直徑約為1.8～4.4 mm。這里只是利用模型眼進(jìn)行粗略估算，實(shí)際人眼的瞳孔直徑根據(jù)人眼結(jié)構(gòu)可得到精確結(jié)果。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0290.3—2008《眼科光學(xué) 人工晶狀體 第3部分：機(jī)械性能及測(cè)試方法》[9]中4.2條有效光學(xué)區(qū)直徑要求在任何方向都應(yīng)大于4.25 mm?？紤]本研究利用Gullstrand-Le Grand模型眼粗略進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)晶狀體表面通光孔徑為4.25 mm時(shí)，實(shí)際測(cè)量瞳孔直徑為4.82 mm，接近于5 mm，從而驗(yàn)證了對(duì)于白內(nèi)障置換的人工晶狀體，其有效光學(xué)區(qū)不小于4.25 mm限值，基本滿足正常人眼光學(xué)成像需求。

1.3 投影儀方法

常規(guī)非透明工件外形尺寸的測(cè)量方法一般采用放大成像原理，在投影儀顯示屏上顯示放大的被測(cè)樣品輪廓，利用光柵測(cè)量技術(shù)精確測(cè)量清晰的輪廓尺寸。其測(cè)量原理如圖3所示。投影儀是外形尺寸測(cè)量的通用設(shè)備，主要用于機(jī)械工裝、零件外形尺寸的測(cè)量，但對(duì)于透明的樣品尺寸測(cè)量有一定的局限性，因?yàn)閷?duì)于平滑過(guò)渡曲面的光學(xué)透鏡表面來(lái)說(shuō)，不同的對(duì)焦平面在投影儀上顯示出不同的陰影輪廓，若沒(méi)有統(tǒng)一的對(duì)焦標(biāo)準(zhǔn)，很難準(zhǔn)確獲得透鏡表面的有效光學(xué)區(qū)邊緣成像。

1.4 波前像差方法

波前像差由實(shí)際波前和理想的無(wú)偏差狀態(tài)的波前之間的偏差來(lái)定義，目前主要利用波前像差技術(shù)測(cè)量光學(xué)透鏡的光學(xué)性能。代表性的設(shè)備主要設(shè)計(jì)原理為哈特曼（Hartmann-Shack）原理、莫爾條紋（Moire Fringes）原理以及紋影技術(shù)（Schlieren Technique）原理（見圖4）。三種原理均可以對(duì)光學(xué)鏡片的光焦度、成像質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，能夠給出人工晶狀體主體部分整體的屈光能力分布情況。

人工晶狀體的有效光學(xué)區(qū)為與光軸同心的含有光學(xué)設(shè)計(jì)特征的圓形區(qū)域，即在該功能區(qū)域內(nèi)應(yīng)具有設(shè)計(jì)的屈光能力，而該區(qū)域外則不具有相應(yīng)的屈光能力。在本研究中，我們考慮在人工晶狀體主體部分非光學(xué)設(shè)計(jì)邊緣，其屈光能力和有效光學(xué)區(qū)部分的光焦度表達(dá)不一樣，從而區(qū)分有效光學(xué)區(qū)邊界。根據(jù)以上分析，可利用光焦度地形圖分布來(lái)評(píng)估人工晶狀體有效光學(xué)區(qū)尺寸，在有效光學(xué)區(qū)直徑設(shè)計(jì)邊緣區(qū)域，其光焦度分布存在比較明顯的屈光度界限環(huán)，以此界限環(huán)作為有效光學(xué)區(qū)判斷依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究選擇一組疏水丙烯酸人工晶狀體，主體直徑為6.0 mm，有效光學(xué)區(qū)直徑為5.50～5.90 mm。按0.5 D或者1.0 D間隔隨機(jī)選取-10.0 D～36.0 D范圍內(nèi)的人工晶狀體樣品共24枚，樣品打開包裝后逐一編號(hào)，在室溫（23±2）℃、濕度50%±10%條件下，浸泡在生理鹽水中平衡24 h后進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)量時(shí)樣品放置于充滿生理鹽水的合適平面瓶皿中，確保瓶皿不會(huì)影響測(cè)量光路，干擾光學(xué)性能測(cè)量。同一個(gè)試驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)室相同環(huán)境條件下完成試驗(yàn)，分別使用2種不同的測(cè)試方法對(duì)同一樣品重復(fù)測(cè)量3次，取3次測(cè)量的平均值，保留小數(shù)點(diǎn)后兩位，單位毫米，記錄測(cè)量結(jié)果。

如前所述，采用投影儀測(cè)量法時(shí)，由于有效光學(xué)區(qū)一般設(shè)計(jì)為主體中心含有光學(xué)設(shè)計(jì)特征的圓形區(qū)域，其分界面為平滑曲率過(guò)渡，當(dāng)聚焦距離不同時(shí)，在投影儀上會(huì)顯示出不同的陰影輪廓，因而不能準(zhǔn)確聚焦，無(wú)法明確有效光學(xué)區(qū)邊界，如圖5所示?？紤]大部分人工晶狀體主體邊緣至有效光學(xué)邊界無(wú)曲率設(shè)計(jì)，為統(tǒng)一測(cè)量方法，本研究使用投影儀方法時(shí)，選擇對(duì)焦于人工晶狀體主體邊緣平面，并以此作為調(diào)焦基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)載物臺(tái)使待測(cè)樣品位于物鏡的焦平面附近，使晶狀體主體邊緣線條清晰銳利后，利用標(biāo)尺讀取陰影環(huán)邊界的直徑。

圖6為紋影技術(shù)法測(cè)量界面，光源發(fā)出的光束在通過(guò)人工晶狀體時(shí)，由于有效光學(xué)區(qū)邊緣曲率突變導(dǎo)致光束發(fā)生偏折，電荷耦合器件（charge coupled device,CCD）中獲取的影像經(jīng)過(guò)調(diào)制后形成和中心部光學(xué)區(qū)不同的紋影，從而可以明顯地看到有效光學(xué)區(qū)邊界并進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

利用以上兩種方法，分別對(duì)覆蓋-10.0 D～36.0 D的一組人工晶狀體的有效光學(xué)區(qū)直徑進(jìn)行測(cè)量，并將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。比較結(jié)果如圖7所示。

投影儀方法測(cè)量有效光學(xué)區(qū)直徑為5.01～5.94 mm，紋影法測(cè)量有效光學(xué)區(qū)直徑為5.04～5.92 mm，均能滿足不小于4.25 mm的限值要求，低光焦度有效光學(xué)區(qū)直徑接近主體直徑大小，而出于臨床風(fēng)險(xiǎn)及面型設(shè)計(jì)需要，負(fù)光焦度以及高光焦度有效光學(xué)區(qū)直徑相對(duì)較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前述理論分析一致。對(duì)比有效光學(xué)區(qū)直徑測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于-10.0 D～36.0 D光焦度光學(xué)區(qū)直徑，兩種方法的測(cè)量結(jié)果基本一致，僅在高光焦度區(qū)間測(cè)量結(jié)果偏差相對(duì)較大。分析認(rèn)為，由于高光焦度在30.0 D～36.0 D區(qū)間內(nèi)，人工晶狀體前后表面曲率過(guò)渡陡峭，在利用投影儀方法測(cè)量時(shí)，光學(xué)區(qū)邊緣成像較為模糊，只能依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷有效光學(xué)區(qū)邊界位置，人員主觀測(cè)量誤差較大。

3 結(jié)論

投影儀法和紋影法均可實(shí)際用于有效光學(xué)區(qū)的測(cè)量，對(duì)于批量尺寸檢測(cè)及生產(chǎn)質(zhì)量過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，投影儀方法操作較簡(jiǎn)單直觀，且更高效，但測(cè)量結(jié)果受操作人員的個(gè)人檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和主觀判定影響較大，測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤判的概率較高。紋影方法測(cè)量分辨率高，對(duì)于有效光學(xué)區(qū)邊界的分辨能力更為精確，能客觀地反映人工晶狀體主體屈光度的變化，幾乎不受檢測(cè)人員主觀性的影響。不過(guò)紋影方法對(duì)晶體表面質(zhì)量的加工瑕疵較為敏感，不同的設(shè)置參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響也較大，需要操作者具有一定的專業(yè)技術(shù)能力，因此紋影法批量檢測(cè)的效率相對(duì)投影法測(cè)量較低。

綜上所述，兩種測(cè)量方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，但考慮實(shí)際測(cè)量的精確度及測(cè)試效率，投影儀測(cè)量法更適用于常規(guī)批量生產(chǎn)檢測(cè)，紋影測(cè)量法在產(chǎn)品開發(fā)和特性描述階段能夠提供更多實(shí)用參考信息，同時(shí)可作為有效光學(xué)區(qū)直徑測(cè)量的輔助驗(yàn)證手段。