引用本文
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Weirong Jiang, Yao Chen, Qian Tan, Qian Xiang, Jian Jiang, Haibo Jiang, Xiaobo Xia. The Study of Higher-Order Aberrations and Optical Quality of Age-Related Cataract[J]. CHINESE JOURNAL OF OPTOMETRY OPHTHALMOLOGY AND VISUAL SCIENCE, 2018,20(3): 150-155.  
Doi:10.3760/cma.j.issn.1674-845X.2018.03.005
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年龄相关性白内障的高阶像差及光学质量
蒋伟蓉1,2, 陈瑶1, 谭浅1, 向前1, 蒋剑1, 江海波1, 夏晓波1
1 410008 长沙,中南大学湘雅医院眼科（蒋伟蓉、陈瑶、谭浅、向前、蒋剑、江海波、夏晓波）
2 414000 湖南岳阳职业技术学院（蒋伟蓉）
通讯作者：夏晓波（ORCID：0000-0003-3003-1679）,Email：xbxia21@163.com

第一作者：蒋伟蓉（ORCID：0000-0002-1566-8770）,Email：277964824@qq.com

收稿日期: 2017-09-27
摘要

目的 比较年龄相关性白内障患者和正常人的高阶像差及光学质量差异。方法 病例对照研究。选取2013年10月至2014年7月在中南大学湘雅医院拟行白内障超声乳化摘除联合人工晶状体植入术的年龄相关性白内障患者27例（36眼）作为白内障组;另选择正常透明晶状体的患者家属17例（30眼）作为正常对照组。对3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时白内障组与正常对照组的眼内、角膜、全眼的3阶、4阶高阶像差及光学质量参数斯特列尔比值（SR）、各空间频率段调制传递函数（MTF）等,采用两独立样本 t检验进行比较分析。结果 白内障组与正常对照组之间等效球镜度（SE）、角膜曲率、角膜非球面参数Q值差异均无统计学意义。白内障组眼内及全眼总高阶像差均方根值（RMS）高于正常对照组（ t=8.073、7.321, P < 0.001）,白内障组眼内及全眼3阶、4阶各项高阶像差均明显高于正常对照组（ P < 0.001）,2组之间角膜总高阶像差差异无统计学意义。白内障组眼内及全眼SR值均低于正常对照组（ t=10.635、9.039, P < 0.001）,但2组之间角膜SR值差异无统计学意义。白内障组眼内及全眼MTF值均低于正常对照组,差异均有统计学意义（ t=8.325、7.034, P < 0.001）,2组之间角膜MTF值差异无统计学意义。结论 白内障患者眼内及全眼SR值、MTF值明显低于正常人,眼内及全眼总高阶像差较正常人明显增加,但是角膜总高阶像差、SR值、MTF值与正常人无差异。

关键词: 白内障; 高阶像差; 调制传递函数; 均方根值
The Study of Higher-Order Aberrations and Optical Quality of Age-Related Cataract
Weirong Jiang1,2, Yao Chen1, Qian Tan1, Qian Xiang1, Jian Jiang1, Haibo Jiang1, Xiaobo Xia1
1 Department of Ophthalmology, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, China
2 Yueyang Vocational & Technical College, Yueyang 414000, China;
Corresponding author:Xiaobo Xia, Department of Ophthalmology, Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410008, China (Email: xbxia21@163.com)
Abstract

Objective: To measure and analyze higher-order aberrations (HOAs) and optical performance in patients with age-related cataract and in normal subjects.Methods: In this case control study, 36 eyes of 27 patients with age-related cataract were recruited from the outpatient clinics of Xiangya Hospital from October 2013 to July 2014. Optical performance was evaluated in terms of the root means square (RMS), Strehl ratio (SR), and modulation transfer function (MTF) for the central 3.0-mm pupil diameter. For comparison, 30 eyes of 17 subjects with no lenticular opacity (control group) were recruited and assessed in an identical manner. Statistical analyses were performed with independent samples t-tests.Results: There were no significant differences between the two groups for spherical equivalent (SE), corneal radius of curvature (CR), and Q-value. The age-related cataract group had significantly greater internal and ocular HOA RMSs than the control group ( t=8.073, 7.321, P<0.001) for both, but the differences in corneal HOAs were not significant. The interal and ocular SR for the age-related cataract group were significantly less than for the control group ( t=10.635, 9.039, P<0.001), but the differences in corneal SR were not significant. The internal and ocular MTFs for the age-related cataract group were significantly less than for the control group ( t=8.325, 7.034, P<0.001 for both). The corneal MTFs were not significantly different between the two groups.Conclusions: The internal and ocular SR, and MTF were significantly lower in patients with cataracts than in normal subjects. The internal and ocular HOAs were significantly higher in patients with cataracts than in normal subjects, while differences in corneal HOAs and optical metrics were not significant.

Keyword: cataract; higher-order aberrations; modulation transfer function; root means square

临床上白内障患者常主诉存在视力减退、眩光、光晕、畏光以及单眼复视、多视等症状。视力减退可通过传统的视力表来评估, 而主观视觉症状很难通过视力表来解释。研究发现皮质性白内障患者单眼复视的症状可能源于混浊晶状体产生的球差和二级散光的共同作用[1], 而核性白内障患者单眼三视的症状可能源于三叶草像差与球差的共同作用[2]。Chalita等[3]研究发现星爆、眩光与球差具有显著相关性, 复视与总彗差及水平彗差相关。

波前像差测量技术表明, 白内障患者晶状体混浊后晶状体结构、形态和折射率的变化导致不同数量的像差改变, 限制了视网膜成像质量, 进而影响视觉系统的分辨率[4]。本研究将年龄相关性白内障患者与正常人的低阶像差矫正后, 通过比较3.0 mm瞳孔直径下年龄相关性白内障患者与正常人的高阶像差和光学质量差异, 分析年龄相关性白内障患者视网膜成像质量下降与高阶像差的关系。

1 对象与方法
1.1 对象

白内障组纳入标准：①按照年龄相关性白内障的分类标准[5], 具有明显的晶状体皮质或核混浊; ②球镜度< ± 6.00 D, 柱镜度< ± 2.00 D; ③2周内无角膜接触镜配戴史; ④无任何其他眼部器质性病变; ⑤暗室下自然瞳孔直径≥ 3.0 mm; ⑥晶状体核硬度按Emery-Little分级系统[6]分级属Ⅱ ~Ⅲ 级。

正常对照组纳入标准：①裸眼视力（UCVA）或最佳矫正视力（BCVA）≥ 1.0; ②球镜度< ± 6.00 D, 柱镜度< ± 2.00 D; ③2周内无角膜接触镜配戴史; ④无任何其他眼部器质性病变; ⑤暗室下自然瞳孔直径≥ 3.0 mm; ⑥晶状体透明。

排除标准：①既往有角膜病变或眼部手术史; ②患有严重的全身系统性疾病而不能配合检查。

选取2013年10月至2014年7月在中南大学湘雅医院拟行白内障超声乳化吸除联合人工晶状体植入术的年龄相关性白内障患者作为白内障组。另选择晶状体正常透明的患者家属作为正常对照组。共纳入白内障组患者27例（36眼）, 其中男7例（8眼）, 女20例（28眼）, 年龄48~75岁, 平均（65.7± 8.9）岁。皮质性白内障32眼, 核性白内障4眼。按Emery-Little分级系统Ⅱ 级15眼, Ⅲ 级21眼。正常对照组17例（30眼）, 其中男4例（7眼）, 女13例（23眼）, 年龄44~67岁, 平均（55.9± 6.8）岁。本研究已获本院伦理委员会审批（批号：20130605）, 所有研究对象均已签署知情同意书。

1.2 检查方法

1.2.1 眼部一般检查 所有研究对象均行UCVA、BCVA、等效球镜度（SE）、裂隙灯显微镜、眼底、眼压等眼部一般检查。

1.2.2 波前像差检查 运用iTrace视觉功能分析仪(SN号：3075, 美国Tracy Technologies公司)测量低阶、高阶像差, 并区分眼内像差（主要是晶状体像差）和角膜像差。检查在暗室中进行, 被检者取坐位, 下颌置于下颌垫上, 注视Placido盘中心的红色光标。检查者对焦后, 嘱被检者快速眨眼。测量时尽量睁眼, 眼球保持不动, 仪器自动摄取角膜前表面形态特征。本组数据均在暗室中自然瞳孔直径状态下采集。每次连续测量3次, 入射激光点缺失多于10点者排除, 选取可重复性好的波前像差图及角膜地形图进行分析。所有被检者的波前像差检查均由同一医生完成。检查后记录3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时（排除低阶像差）的眼内、角膜、全眼的3阶、4阶各项高阶像差及光学质量参数斯特列尔比值（Strehl ratio, SR）、各空间频率段调制传递函数（Modulation transfer function, MTF）值等数据。

1.3 统计学方法

病例对照研究。采用SPSS 21.0统计软件进行统计学分析。分别对矫正到最佳视力时3.0 mm瞳孔直径下2组的眼内、角膜、全眼的3阶、4阶高阶像差及光学质量参数SR值、各空间频率段MTF值进行正态性检验和方差齐性检验, 如符合正态分布, 方差齐, 采用两独立样本t检验, 否则采用近似t检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果
2.1 一般情况

白内障组UCVA、BCVA明显低于正常对照组, 差异均有统计学意义（t=8.630、5.085, P < 0.001）, 2组之间SE、角膜曲率、角膜非球面参数Q值差异均无统计学意义。见表1。

表1 白内障组和正常对照组一般情况 Table 1 Age and optical characteristics of the control and cataract groups
2.2 高阶像差

3.0 mm瞳孔直径最佳矫正视力下正常对照组、白内障组眼内总高阶像差均方根值（Root mean squares, RMS）分别为（0.079± 0.029）μ m、（0.276± 0.131）μ m（t=8.073, P < 0.001）, 全眼总高阶像差RMS分别为（0.092± 0.038）μ m、（0.275± 0.133）μ m（t=7.321, P < 0.001）, 组间差异均有统计学意义。白内障组眼内及全眼3阶、4阶各项高阶像差均明显高于正常对照组, 差异均有统计学意义（P < 0.001）。见表2-3。

表2 3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时正常对照组和白内障组眼内高阶像差均方根值 Table 2 Internal HOA RMSs in the central 3.0-mm optical zone of the control and cataract groups
表3 3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时正常对照组和白内障组全眼高阶像差均方根值 Table 3 Ocular HOA RMSs in the central 3.0-mm optical zone of the control and cataract groups

2组之间角膜总高阶像差差异无统计学意义。白内障组角膜水平三叶草像差（Z33）高于正常对照组, 差异有统计学意义（t=2.368, P=0.024）, 角膜垂直四叶草像差（Z4-4）低于正常对照组, 差异有统计学意义（t=1.667, P=0.035）。2组之间其余角膜各项高阶像差的差异均无统计学意义（P > 0.05）, 见表4。

表4 3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时正常对照组和白内障组角膜高阶像差均方根值 Table 4 Corneal HOA RMSs in the central 3.0-mm optical zone of the control and cataract groups
2.3 SR值

白内障组眼内及全眼SR值均明显低于正常对照组的SR值, 差异均有统计学意义（t=10.635、9.039, P < 0.001）, 2组角膜SR值差异无统计学意义（t=0.798, P=0.428）。见图1。

图1. 3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时2组SR值比较
对照组30眼, 白内障组36眼Figure 1. Comparison between the control and cataract groups of the internal, corneal, and ocular Strehl ratios in the central 3.0-mm optical zone.
here were 30 eyes in the control group, and 36 eyes in the cataract group.

2.4 MTF值

白内障组眼内、全眼各空间频率段MTF值均明显低于正常对照组的MTF值, 差异均有统计学意义（t=8.325、7.034, P < 0.01）, 其中眼内及全眼MTF值均以低空间频率（5、10 cpd）降低明显（见图2A、2C）。2组之间角膜各空间频率段MTF值差异均无统计学意义（见图2B）。

图2. 3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时2组各空间频率段调制传递函数MTF平均值
A：2组眼内各空间频率下MTF值; B：2组间角膜各空间频率下MTF值; C：2组间全眼各空间频率下MTF值。对照组30眼, 白内障组36眼Figure 2. Average values of the MTFs in the central 3.0-mm optical zone of the control and cataract groups.
A: Internal MTFs of the two groups. B: Corneal MTFs of the two groups. C: Ocular MTFs of the two groups. MTF, modulation transfer function. There were 30 eyes in the control group, and 36 eyes in the cataract group.

3 讨论

人眼波前像差的主要来源是角膜和晶状体表面的不规则性, 角膜和晶状体不同轴所造成的偏差[7, 8], 以及眼内各屈光介质的光学性质存在不均一性以至折射率出现的局部偏差等。这些偏差导致目标物体上的点在视网膜上不能聚焦成为清晰的像点, 而是模糊的弥散圆。弥散圆直径越大, 视网膜成像质量越差[9]。

角膜波前像差实际上源于角膜的形状特征, 临床上常通过角膜的形状特点来测量角膜前表面的高阶像差。虽然角膜后表面的高阶像差在一定程度上有补偿前表面高阶像差的作用, 但角膜全部的高阶像差并不等于前、后表面高阶像差的总和[10]。Wei等[11]和许琛琛等[12]关于中国白内障患者的角膜前表面高阶像差与年龄增长的关系研究中指出, 角膜前表面的球差与年龄的增长无相关关系, 总高阶像差、彗差以及三叶草像差与年龄增长仅有微弱的相关性。另外, 年龄增长会引起瞳孔直径生理性缩小, 降低年龄因素对高阶像差的影响作用。因此, 本研究在选择正常对照组时没有严格按照年龄匹配选择研究对象。

本研究中iTrace波前像差仪是通过角膜地形图中关于角膜形状的数据（角膜高度图）转换成波前像差图, 得到的是角膜前表面的波前像差值。Wang等[13]通过研究正常人群角膜前表面的高阶像差发现以下几点：①角膜前表面高阶像差的个体差异很大; ②6.0 mm瞳孔区角膜前表面总高阶像差平均值为（0.479± 0.124）μ m, 球差（包含初级球差Z40和二级球差Z60）平均值为（0.281± 0.086）μ m; ③所有角膜的球差都是正值, 与年龄增长不相关。de Sanctis等[14]研究表明白内障患者6.0 mm瞳孔区角膜前表面球差平均值为（0.353± 0.132）μ m, 女性患者角膜前表面球差高于男性患者。本研究中
3.0 mm瞳孔直径下年龄相关性白内障患者和正常人角膜前表面总高阶像差平均值均低于0.08 μ m, 球差平均值均为0.017 μ m, 测量的角膜前表面高阶像差与上述研究相比数值偏小的原因可能是瞳孔直径较小、样本量小以及个体差异。Kuroda等[15]报道了白内障患者的角膜总高阶像差与正常人群相似, 这与本研究结果一致。由于角膜前表面高阶像差主要与角膜前表面形状有关, 年龄相关性白内障患者相对正常人而言, 角膜形状变化相对较小。因此, 与正常人相比, 年龄相关性白内障患者角膜高阶像差并无明显改变。

眼内波前像差包括角膜后表面、房水、玻璃体以及晶状体像差。其中, 以晶状体像差为主。本研究结果显示年龄相关性白内障患者与正常人相比, 眼内各项高阶像差均明显增加, 其中以垂直彗差、垂直三叶草增加幅度最大, 这与Sachdev等[16]的研究相似。Berrio等[17]研究指出5.0 mm瞳孔区全眼球差增长速度为0.0 011 μ m/年, 水平彗差增长速度为0.0 017 μ m/年。而研究结果中白内障组全眼3阶、4阶各项高阶像差均明显高于正常对照组, 垂直方向高阶像差增加幅度大于水平方向高阶像差, 原因可能是晶状体混浊使其密度增加, 由于重力作用在垂直方向发生失衡, 引起位置改变甚至偏中心[18], 从而增加垂直方向不对称的像差。本研究中的年龄相关性白内障均为皮质性和核性白内障, 其全眼高阶像差均以彗差、球差、三叶草为主, 与马立威等[19]的研究相似。

SR值是视光学衡量视网膜成像综合质量的重要客观指标, 对光学系统而言, 达到0.8说明成像质量好。本组研究数据显示年龄相关性白内障患者眼内及全眼SR值均低于正常人, 但角膜SR值差异不大。这与以往的研究[20]相似, 年龄相关性白内障患者的SR值较正常人眼明显下降, 表明其视觉质量下降。

光学质量参数分析显示年龄相关性白内障患者与正常人相比, 眼内及全眼各空间频率MTF值均下降, 其中以低空间频率MTF值下降明显。原因可能是：①MTF值包含了所有影响视网膜成像质量的因素, 如衍射、像差和散射[21], 有可能是光线散射对正常人眼作用很小[22], 而对年龄相关性白内障患者的低空间频率MTF影响作用大; ②年龄相关性白内障患者全眼高阶像差对低空间频率MTF值影响较大; ③波前像差测量得到的MTF值没有包含Stiles-Crawford效应。Stiles-Crawford效应是由于黄斑中心凹光感受器细胞的排列方向改变, 使视网膜对经过瞳孔中心的光线的敏感度增高, 可导致有效瞳孔直径缩小, 引起高阶像差增加, 但此效应在黄斑中心很小, 因此3.0 mm瞳孔直径下测量MTF值可以忽略Stiles-Crawford效应的影响[22]。

Ortiz等[23]研究发现不同混浊程度晶状体的MTF值差异很大, 但光学像差却变化不明显, 因此指出波前像差RMS值不能准确描述人眼受光线散射影响较大时的光学质量（如白内障患者）。由此可见, 客观评价光学质量的常用参数如RMS值、SR值以及MTF值均存在一定程度上的缺陷。在评价人眼光学质量尤其是病理状态下, 需要使用多种光学参数综合评价。

综上, 3.0 mm瞳孔直径下矫正到最佳视力时, 白内障患者眼内及全眼总高阶像差较正常人明显增加, 其中以垂直彗差和垂直三叶草像差增加为主; 而角膜总高阶像差与正常人比较没有显著性差异。另外白内障患者眼内及全眼SR值、MTF值较正常人明显降低, 其中, MTF值以低空间频率降低明显; 而角膜SR值以及MTF值与正常人相比无明显差异。本研究存在较多的不足如选取的病例没有按白内障的类型进行严格的分组。但是, 在后续的系列研究中我们将会进一步比较不同类型白内障的高阶像差变化。

利益冲突申明 本研究无任何利益冲突

作者贡献声明 蒋伟蓉：设计选题, 进行资料的分析和解释; 撰写论文; 根据编辑部修改意见进行修改。陈瑶：设计选题, 进行资料的分析; 根据编辑部修改意见进行修改。谭浅、向前、蒋剑、江海波：参与选题、收集数据并参与编辑部修改意见的修改。夏晓波：课题设计, 进行资料的分析和解释; 根据编辑部的修改意见进行核修

The authors have declared that no competing interests exist.

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