謝麗暄 廖萱 蘭長駿 譚青青 潘若琳 唐玉玲 秦蘇云 王艷

1川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院眼科 川北醫(yī)學院眼視光醫(yī)學院,南充 637000;2成都東區(qū)愛爾眼科醫(yī)院,成都 610056

近年來,人工晶狀體(intraocular lens,IOL)材料和設計不斷更新,同時IOL眼內位置對其光學性能的影響也值得關注[1-2]。IOL的理想位置是居于囊袋內且中心與視軸重合,但由于患者眼部解剖結構、IOL特性和手術操作等因素,IOL不可避免地發(fā)生偏心和傾斜。輕微的IOL偏心和傾斜不會引起患者明顯的主觀不適,但一定程度的偏心和傾斜可能導致近視漂移、斜向散光、彗差等高階像差增加、最佳矯正視力下降和視覺質量下降等[1-3]。通常情況下,角膜的球差為正值且相對穩(wěn)定,6.0 mm瞳孔直徑下約為+0.27 μm,而晶狀體的球差為負值,2個光學系統(tǒng)之間呈相互補償的理想狀態(tài)[4]。然而隨著年齡增長,晶狀體的球差逐漸從負值變?yōu)檎?導致全眼總球差增加和視覺質量下降[5-6]。目前,臨床上非球面IOL應用廣泛,如散光矯正型、老視矯正型IOL等,其光學性能的影響程度與非球面IOL的球差值緊密相關[7-8]。本研究團隊在前期臨床研究中發(fā)現,植入囊袋的單焦點非球面IOL,如SN60WF和A1-UV存在不同程度的偏心和傾斜,然而其在患者視力、對比敏感度和視覺質量方面并未顯示出臨床意義上的差異,這說明術后輕度的IOL偏心和傾斜對患者來說是可以良好耐受的[9-10]。既往關于IOL偏心和傾斜對視覺質量影響的研究大多為體內研究,容易受到個體差異、光學介質和患者主觀感受的影響,具有一定的局限性,因此難以確切地評價偏心、傾斜和瞳孔大小等因素的影響[11];另一方面,一些體外研究依賴光學設計軟件,如ZEMAX、OSLO等,得到的結果可能與真實值存在一定差異[12-13]。光學測試設備OptiSpheric IOL R&D能夠根據不同研究目的來設置光學參數,對功能性IOL進行光學性能評估,能更客觀、準確地評價IOL的光學性能[7-8,14]。據了解,目前已有關于不同球差IOL體外光學性能比較的研究,但不同光學設計對IOL光學性能的影響尚不清楚[7,13,15]。因此,本研究擬采用OptiSpheric IOL R&D設備比較2種具有相同負球差值但不同平臺設計的非球面IOL的光學性能,旨在從光學層面為臨床個性化選擇IOL提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1實驗IOL (1)非球面藍光濾過型IOL AcrySof IQ SN60WF(美國Alcon公司)由疏水性丙烯酸酯制成,基于AcrySof一片式平臺設計,全長13.0 mm,球差為-0.20 μm,光學區(qū)直徑為6.0 mm,襻為改良型的L型。(2)非球面非藍光濾過型IOL Proming A1-UV(北京愛博諾德醫(yī)療科技股份有限公司)由疏水性丙烯酸酯制成,可折疊一片式,全長13.0 mm,球差為-0.20 μm,光學區(qū)直徑為6.0 mm,襻為改良型的L型,采用“高次”非球面設計,能夠補償球差、彗差、三葉草像差等,是全像差補償型IOL。

1.1.2主要儀器 體外光學質量測量設備OptiSpheric IOL R&D(德國Trioptics GmbH公司),設備的設置和測量符合國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)11979-2[16]和11979-7[17]規(guī)定的指南;紫外可見分光光度計UV-3300(上海美譜達儀器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1光譜透射比的測量 設置紫外可見分光光度計UV-3300測試孔徑光闌直徑為3.0 mm,IOL放置在充滿0.9%氯化鈉溶液的石英比色皿中,確保IOL光學區(qū)與固定支架平行,將石英比色皿放入分光光度計吸收池支架中,在光檢測器前面放置1個輔助積分球,以收集IOL折射的所有光,測量300～700 nm波長范圍內IOL的光譜透射比,即透射光通量與入射光通量之比。

1.2.2不同偏心和傾斜程度下的調制傳遞函數和USAF分辨率測試圖測量 通過OptiSpheric IOL R&D自檢校正后開始測量,35 ℃下將IOL置于折射率為1.336(接近房水和玻璃體液的折射率)的0.9%氯化鈉溶液中平衡至少30分鐘。設置OptiSpheric IOL R&D孔徑大小為3.0 mm和4.5 mm,分別模擬60歲以上患者明視和暗視條件下的瞳孔大小[18];分別在居中,偏心0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 mm,傾斜3°、5°、7°、9°和11°條件下測試IOL 0～150 lp/mm空間頻率下的調制傳遞函數(modulation transfer function,MTF)值并拍攝最佳遠焦點處的USAF圖像。通過測量探測器(由物鏡顯微鏡鏡頭和集成自動對焦的高分辨率電荷耦合設備相機組成)捕獲測試IOL所投射目標的焦點平面,將捕獲的圖像生成線擴散函數,以反映光學系統(tǒng)重現無限小細縫圖像的能力;通過傅里葉變換技術將細縫圖像的截面強度分布計算成MTF值。同一特定條件下重復測量3次,取平均值。本實驗采用的IOL均為旋轉對稱性IOL,故取矢向MTF值和切向MTF值進行分析。

1.3 評價指標

1.3.1光譜透射比 光譜透射比越大,表明物質對光的吸收越弱;反之,光譜透射比越小,表明物質對光的吸收越強。

1.3.2MTF MTF反映光學系統(tǒng)對不同空間頻率的響應能力,MTF值越高,透鏡的光學質量越好。50和100 lp/mm空間頻率下的MTF值分別相當于20/40(Snellen)和20/20(Snellen)的視力[19]。

1.3.3USAF分辨率測試圖 用于測試光學成像系統(tǒng)的分辨能力,可定性地比較不同光學系統(tǒng)的光學性能。

1.3.4離焦曲線 通過MTF隨焦距響應試驗得到,以反映IOL焦深范圍。

2 結果

2.1 SN60WF IOL與A1-UV IOL的光譜透射比比較

SN60WF和A1-UV對400 nm波長光的光譜透射比分別為7.01%和95.09%,對440 nm波長光的光譜透射比分別為43.76%和97.62%,對480 nm波長光的光譜透射比分別為78.51%和97.84%;2種IOL對600 nm及以上波長光的光譜透射比相一致。與A1-UV比較,SN60WF能明顯減少400～500 nm波長的藍光透過(圖1)。

圖1 SN60WF IOL和A1-UV IOL的光譜透射比曲線

2.2 SN60WF IOL與A1-UV IOL在不同空間頻率下MTF值比較

當孔徑為3.0 mm時,ISO-1角膜測量條件下,居中位置A1-UV IOL 100 lp/mm空間頻率的MTF值大于SN60WF IOL,而在ISO-2角膜測量條件下2種IOL 100 lp/mm頻率MTF值接近;4.5 mm孔徑各角膜條件下2種IOL 0～150 lp/mm空間頻率MTF值較3.0 mm孔徑均有不同程度下降。當IOL發(fā)生偏心和傾斜時,ISO-1和ISO-2角膜測量條件下2種IOL各空間頻率的MTF值均下降;隨著偏心和傾斜量的增加,MTF降幅增大。在3.0 mm孔徑ISO-1角膜測量條件下,A1-UV偏心0.3 mm時MTF曲線較居中時變化很小,100 lp/mm空間頻率時A1-UV的MTF值由居中位置的0.598降為偏心0.3 mm的0.571,傾斜3°時的MTF曲線與居中位置的MTF曲線基本保持一致;而SN60WF出現0.3 mm偏心和3°傾斜時MTF曲線發(fā)生較明顯改變。除4.5 mm孔徑ISO-1角膜測量條件外,A1-UV發(fā)生相同程度偏心和傾斜后各空間頻率的MTF值下降較SN60WF更為緩慢。隨著孔徑的增大,IOL偏心和傾斜后MTF值和MTF 曲線下降更為顯著(圖2,3,表1,2)。

表1 不同空間頻率下SN60WF IOL和 A1-UV IOL各偏心程度下的MTF值Table 1 MTF values of SN60WF IOL and A1-UV IOL under different degrees of decentration at different spatial frequencies空間頻率角膜條件IOL3.0 mm孔徑下MTF值4.5 mm孔徑下MTF值居中偏心0.3 mm偏心0.5 mm偏心0.7 mm偏心0.9 mm偏心1.1 mm居中偏心0.3 mm偏心0.5 mm偏心0.7 mm偏心0.9 mm偏心1.1 mm50 lp/mmISO-1A1-UV0.7800.7650.6990.5960.4760.3040.7050.6020.4870.3930.3430.313SN60WF0.7840.6980.5840.5110.4670.3560.5710.5160.4500.3990.3550.319ISO-2A1-UV0.7640.7260.6660.5200.3620.2750.5960.4480.3450.2420.1750.143SN60WF0.7720.6960.5600.3640.2000.1330.6680.3680.2200.1160.0800.072100 lp/mmISO-1A1-UV0.5980.5710.4490.2980.1720.0940.4040.2480.1650.0940.0670.056SN60WF0.5760.4140.2640.2390.2070.1450.2380.2470.2590.2400.2020.174ISO-2A1-UV0.5630.5120.4370.2810.1880.1470.3390.2470.1590.0880.0550.041SN60WF0.5640.4380.2760.1410.0670.0430.4380.1990.0920.0420.0250.022 注:IOL:人工晶狀體;MTF:調制傳遞函數;ISO:國際標準化組織;ISO-1:模型角膜球差為0 μm;ISO-2:模型角膜球差為+0.28 μm Note:IOL:intraocular lens;MTF:modulation transfer function;ISO:International Organization for Standardization;ISO-1:model corneal spherical aberration of 0 μm;ISO-2:model corneal spherical aberration of +0.28 μm

表2 不同空間頻率下SN60WF IOL和A1-UV IOL各傾斜程度下的MTF值Table 2 MTF values of SN60WF IOL and A1-UV IOL under different degrees of tilt at different spatial frequencies空間頻率角膜條件IOL3.0 mm孔徑下MTF值4.5 mm孔徑下MTF值無傾斜傾斜3°傾斜5°傾斜7°傾斜9°傾斜11°無傾斜傾斜3°傾斜5°傾斜7°傾斜9°傾斜11°50 lp/mmISO-1A1-UV0.7800.7810.7440.6410.5130.4490.7050.5500.3550.3220.2470.194SN60WF0.7840.7570.6840.5420.4940.4530.5710.5140.3860.2960.2600.207ISO-2A1-UV0.7640.7410.6820.5800.5390.4860.5960.5370.4700.4450.3920.344SN60WF0.7720.7530.6720.5250.4650.4070.6680.5720.4910.3700.3160.272100 lp/mmISO-1A1-UV0.5980.5970.5380.3740.2680.2030.4040.2110.1380.1170.1240.091SN60WF0.5760.5220.4100.3270.2630.2160.2380.2100.1290.1020.1310.106ISO-2A1-UV0.5630.5310.4540.3640.3130.2710.3390.3360.2940.2710.2270.194SN60WF0.5640.5320.4340.3040.2390.1910.4380.3280.2480.2010.1660.136 注:IOL:人工晶狀體;MTF:調制傳遞函數;ISO:國際標準化組織;ISO-1:模型角膜球差為0 μm;ISO-2:模型角膜球差為+0.28 μm Note:IOL:intraocular lens;MTF:modulation transfer function;ISO:International Organization for Standardization;ISO-1:model corneal spherical aberration of 0 μm;ISO-2:model corneal spherical aberration of +0.28 μm

圖2 各孔徑及角膜條件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同偏心程度的空間頻率MTF變化曲線 A:3.0 mm孔徑ISO-1角膜條件下 B:4.5 mm孔徑ISO-1角膜條件下 C:3.0 mm孔徑ISO-2角膜條件下 D:4.5 mm孔徑ISO-2角膜條件下 MTF:調制傳遞函數

圖3 各孔徑及角膜條件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同傾斜程度的空間頻率MTF變化曲線 A:3.0 mm孔徑ISO-1角膜條件下 B:4.5 mm孔徑ISO-1角膜條件下 C:3.0 mm孔徑ISO-2角膜條件下 D:4.5 mm孔徑ISO-2角膜條件下 MTF:調制傳遞函數

2.3 SN60WF IOL與A1-UV IOL的USAF分辨率測試圖成像質量比較

在3.0 mm孔徑下,偏心0.3 mm或傾斜3°范圍內,2種IOL在ISO-1和ISO-2角膜測量條件下的USAF分辨率測試圖均能保持較清晰的成像質量,而當偏心達0.5 mm或傾斜達5°以上時,2種IOL的成像質量逐漸衰減,在ISO-1角膜測量條件下所得的各IOL分辨率測試圖均優(yōu)于ISO-2角膜條件,與相同條件下SN60WF相比,A1-UV的分辨率測試圖更佳;在4.5 mm孔徑下,偏心0.3 mm或傾斜3°時SN60WF的成像質量即開始下降,而A1-UV的分辨率測試圖優(yōu)于SN60WF(圖4,5)。

圖4 不同孔徑和角膜條件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同程度偏心的USAF分辨率測試圖 A:3.0 mm孔徑 B:4.5 mm孔徑 USAF分辨率測試圖于最佳遠焦點處拍攝 ISO:國際標準化組織;ISO-1:模型角膜球差為0 μm;ISO-2:模型角膜球差為+0.28 μm

圖5 各孔徑和角膜條件下SN60WF IOL和A1-UV IOL不同程度傾斜的USAF分辨率測試圖 A:3.0 mm孔徑 B:4.5 mm孔徑 USAF分辨率測試圖于最佳遠焦點處拍攝 ISO:國際標準化組織;ISO-1:模型角膜球差為0 μm;ISO-2:模型角膜球差為+0.28 μm

圖6 不同孔徑及角膜條件下SN60WF IOL和A1-UV IOL的離焦曲線 A:3.0 mm孔徑 B:4.5 mm孔徑 MTF:調制傳遞函數;ISO:國際標準化組織;ISO-1:模型角膜球差為0 μm;ISO-2:模型角膜球差為+0.28 μm

2.4 SN60WF IOL和A1-UV IOL離焦曲線比較

當孔徑為3.0 mm時,SN60WF和A1-UV在離焦為0的情況下均有較好的MTF,焦深范圍基本相同,離焦曲線在正負方向對稱,在ISO-2角膜測量條件下的焦深范圍較ISO-1角膜略減小,離焦MTF降低;4.5 mm孔徑時ISO-1和ISO-2測量條件下SN60WF和A1-UV的離焦MTF較3.0 mm孔徑時均降低;ISO-1角膜測量條件下,A1-UV的離焦MTF大于SN60WF,而ISO-2測量條件下則相反;A1-UV和SN60WF的離焦曲線均未因孔徑的增大而出現明顯偏移,最佳MTF出現在-0.25～+0.25 D(圖 6)。

3 討論

藍光是一種高能量可見光,分為400～440 nm的紫色光譜和440～500 nm的藍色光譜[20-21]。研究表明藍光可通過影響松果體的褪黑素分泌,在人類晝夜節(jié)律中發(fā)揮重要作用,和紫外線一樣也可能對視網膜光感受器和色素上皮細胞產生光毒性[22-23]。本實驗結果表明相較于非藍光濾過型IOL A1-UV,藍光濾過型IOL SN60WF能有效濾過波長在400～500 nm的藍光。

本研究采用光學質量測試設備OptiSpheric IOL R&D球差分別為0 μm(ISO-1)和+0.28 μm(ISO-2)的模型角膜對2種相同負球差值的非球面IOL進行測試,評估其在不同程度偏心和傾斜狀態(tài)下的成像質量。根據ISO 11979-2的規(guī)定[16],對于單焦點IOL,本研究著重對100 lp/mm空間頻率下的MTF值進行分析。本研究結果顯示,在光學實驗臺上不同角膜測量條件下IOL的光學性能不同。3.0 mm孔徑下,ISO-1角膜測量條件A1-UV和SN60WF居中位置50 lp/mm和100 lp/mm空間頻率時的MTF值均較ISO-2角膜測量條件下升高。不考慮人眼角膜球差時,在50 lp/mm空間頻率時2種IOL光學質量非常接近,而在100 lp/mm空間頻率時A1-UV相較于SN60WF展現出更優(yōu)越的細節(jié)分辨率;當考慮人眼角膜球差時,明視條件下100 lp/mm空間頻率時A1-UV和SN60WF在居中位置展現出相似的光學特性,當發(fā)生相同程度的偏心或傾斜時,相比于SN60WF,A1-UV在各空間頻率的MTF值下降較為緩慢。隨著孔徑的增大,IOL偏心或傾斜對光學質量的影響更加顯著。近期的一項研究比較了AcrySof IQ Vivity IOL(美國Alcon公司)與其同平臺單焦點IOL(球差值均為-0.20 μm)在+0.135、+0.290和+0.540 μm角膜球差下的光學質量和光暈,結果表明在4.5 mm孔徑下,隨著角膜球差的增加,景深延長型和單焦點IOL MTF曲線峰值均降低,誘導的光暈增大,IOL光學質量下降,而在3.0 mm孔徑下角膜球差的增加似乎未明顯改變IOL的光學質量[24],這與本研究結論相似。此外,本研究發(fā)現當2種IOL偏心0.3 mm或傾斜3°時,盡管100 lp/mm空間頻率時的MTF值下降,但是USAF分辨率測試圖均能保持清晰的成像質量。在4.5 mm孔徑時,盡管ISO-1測量條件下SN60WF偏心0.7 mm以內和ISO-2測量條件下A1-UV傾斜3°以內在100 lp/mm空間頻率時的MTF值與居中位置相比變化較小,但其在0～50 lp/mm空間頻率的MTF值較居中位置卻大幅度下降,USAF分辨率測試圖成像質量也發(fā)生衰減,這是因為100 lp/mm僅為空間頻率的1個點并不能說明整體變化趨勢,因此總體上IOL最佳遠焦點的MTF曲線與USAF分辨率測試圖的變化結果一致。

本研究結果顯示,與SN60WF相比,A1-UV在抗偏心和傾斜性能方面具有一定優(yōu)勢,這與曹廣梁等[25]的研究結果一致,推測這可能與A1-UV的高次非球面設計有關,其可以補償角膜球差和各類非對稱像差,從而改善IOL偏心或傾斜后的視覺質量。需要注意的是,相較于傾斜,偏心對IOL光學質量的下降影響更為顯著。Lacort等[13]基于Atchison模型眼(角膜球差為+0.242 μm)使用光學設計軟件(OSLO 2022 EDU Edition 22.1,美國Lambda Research 公司)評估不同球差IOL的光學性能,結果顯示球差為-0.214 μm的IOL發(fā)生傾斜對成像質量影響較偏心小且傾斜產生的離焦、散光和彗差較少受到IOL設計的影響。Borkenstein等[8]在比較不同球差設計的單焦點IOL的光學性能時也指出,當使用球差為+0.28 μm(ISO-2)的人工角膜時,負球差單焦點IOL較球面單焦點IOL對偏心和傾斜更敏感,這取決于IOL的球差,與本研究結果基本一致。光學實驗臺可以根據研究目的設置不同參數以消除可能混淆在體測量的受試者之間的變異性和生理變量。

本研究仍存在一定局限性:(1)本研究結果僅描述了IOL的體外光學性能,而不同的眼部條件和神經適應也會影響最終的成像質量;(2)本研究僅使用單色光研究了光學質量,未考慮縱向和橫向色差的影響,也未考慮Kappa角引起的幾何像差的影響,獲得的數據適用于最佳聚焦條件,不一定反映IOL在一系列聚散度上的性能;(3)受限于OptiSpheric IOL R&D體外測試設備,僅能通過MTF值(定量指標)和USAF分辨率測試圖(定性指標)來評價3.0 mm和4.5 mm孔徑下IOL的光學性能,該設備目前尚無法測得IOL的點擴散函數,不能反映IOL在大孔徑條件下產生的眩光。

目前,不同制造商設計的IOL具有各自的優(yōu)點和局限性,角膜球差的改變會影響IOL的光學特性,這也為角膜屈光術后白內障超聲乳化吸除聯合IOL植入提供了一定參考。臨床醫(yī)生可綜合考慮IOL體內和體外研究結果,為術后可能出現IOL偏心和傾斜的患者選擇具有特殊設計抗偏心和傾斜能力的IOL,以提升視覺質量。體外實驗研究需考慮真實的人眼環(huán)境,不可忽略溫度和角膜球差對IOL光學性能的影響,未來的研究可以呼吁制造商提供大于6.0 mm孔徑的配套條件,并使用OptiSpheric IOL R&D的升級設備OptiSpheric IOL Pro Ⅱ得到復色光條件下的點擴散函數、眩光狀態(tài)下的MTF等相關數據亦或者通過連接WaveMaster波前像差測量儀,對IOL的點擴散函數和澤尼克系數進行測量,進一步評估大孔徑下偏心和傾斜對IOL光學性能的影響,這將有助于預測IOL在真實人眼環(huán)境中的視覺質量。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻聲明謝麗暄:參與選題與研究設計、數據采集、分析/解釋數據、文章撰寫;廖萱、譚青青:審閱和修改論文;蘭長駿:研究設計、數據分析、論文修改、對文章知識性內容作批評性審閱及定稿;潘若琳、唐玉玲、秦蘇云、王艷:參與選題與研究設計、資料分析和解釋