作者单位：第四军医大学西京医院全军眼科研究所

作者简介:徐渊 男 (1959.9.-) 第四军医大学西京医院全军眼科研究所视光部主治医师。tel：029－3375520 E-mail: xuyuan817@263.net
第二炮兵工程学院门诊部

[摘要]
波前像差引导的屈光性角膜手术已成为目前激光角膜手术的主要的研究方向。将这一曾用于天文学上的技术引入眼科检查，为角膜屈光性激光手术展示了一个诱人的前景。本文介绍波前像差、波前像差指导的屈光性角膜切削手术以及波前像差的测量方法。
[引言]
角膜屈光性手术已广泛地用与临床。但对于所有的病人并不能应用同一种方式进行激光切削。在LASIK和PRK手术中，激光切削必须要和眼睛屈光不正的球镜与柱镜相符和，这就是我们今天所说的“个体化切削”，特别是针对特定的高阶像差以及球面和柱面像差。消除高阶像差可以使我们达到超常的视力??“20/10极佳视力”。人眼的一些病理状态如角膜瘢痕、张力(ectasia)，以及复杂的屈光性角膜术后，使其高阶像差减少亦有助于视力的恢复。不管对哪一种形式，个体化切削在手术中都需要很高的精确性，准确地控制激光切削。为此，波前像差引导的屈光性角膜手术已成为主要的研究方向。

1.什么是波前像差?
光线是一个行进的电磁波，波前是光波的连续性的同相表面。波前垂直与行进方向。光波在空间传播，因此，波前是一个面而不是一条线。波前和光线都能用于描述光波的行进(figure1)。假如一个来自光源的波前通过一个透镜向前传播，在光波通过透镜时，由于透镜的折射率比外周介质（一般是空气）要大，因此传播的速度会减慢，透镜中央较厚，所以会减慢中央的波前，而外周的波前则相对较快。由于透镜的形状造成光波速度不同的减慢，使入射的发散性的波前转换成了出射时会聚性的波前(Figure2)。在没有像差时，进入人眼的波前可以很好的在视网膜上会聚成一个焦点(Figure3)。波前像差即是由实际的波前和理想的无偏差状态下的波前之间的偏差来定义的。

2.波前像差指导的屈光性角膜切削手术
波前像差可以在眼睛的许多位置上得到矫正。如果应用植入人工晶状体来进行矫正，那么必须在人工晶状体水平的波前像差引导下进行矫正。对于个体化角膜切削，切削模式是由角膜水平的波前像差引导的。在人眼以外由波前定义的眼睛像差遵循Smirnov协定（convention）[1]。大多数参照数据遵循Howland 协定[2-4]这种方式在瞳孔水平定义眼睛的像差(Figure3)。由于角膜水平和瞳孔水平相距很近，因此，在两种水平上测的波前像差W(x,y)是很接近的。可以由计算相互转换。
波前像差的确切定义是来自黄斑部中心凹处发散出的理想波前和实际的波前的差别。对于聚焦在无限远处的正常眼，发自无像差人眼的理想波前是一个平面。在实际情况下，由于有像差的存在，外射的波前和这一平面一定存在着偏差。波前像差用W(x,y)来表示，x和y分别表示水平和垂直方向的轴线坐标。一般使用微米来测量。
我们将光线传播的方向反过来，观察理想的波前W(x,y)进入眼睛的情况(Figure3)。我们可以看到，这一波前W(x,y)的存在可以很好的消除视觉像差并聚焦在黄斑上形成一个点。严格的讲应该在低衍射（Diffraction limit）的情况下，低衍射取决于波长和人眼瞳孔的大小。为了使一个无限远的点光源在一个存在像差的眼睛上很好的聚焦，我们需要将一个透镜放置在角膜表面，使这个平面波前转换成理想的波前W(x,y)。这个透镜的作用可以通过个体化的激光切削在角膜上实现。去除1微米的角膜组织可以通过N(角膜)-N(空气)来减少波前的延迟。所以，消除像差的手术切削方程即是
A(x,y)×(N[角膜]-N[空气])=C-W(X,Y)（方程1）
其中，N(角膜)是角膜组织的折射率，而N(空气)是空气的折射率，C是角膜的最小厚度。切削厚度A(x,y)不能呈现为负值，因为削切不可能在角膜上再增加组织。C是光学区域W(x,y)的最大值。在进行波前引导的个体化角膜削切时，方程1是一个最基本的开始。

3.波前像差的测量
为了实现波前引导的角膜屈光性手术，波前像差的准确测量是很重要的。由于商业的重视，新仪器在不断涌现。
波前检测仪大体分为主观性和客观性两种类型。主观法需要被检查者的配合，因此通常耗时较长。被检查者的移动以及需要配合是这种检查方法的缺点。客观性检查法需要用成像系统分析从视网膜上反射回的信息。因为反射回来的信息是从脉络膜视网膜多层次而来的，因此参照焦点平面并不像主观法那样定义的准确，它是由视网膜上光感受器细胞的感光程度而决定的。将光线回射到波前检测仪的那部分脉络膜视网膜在光感受器细胞平面大概占200微米的空间。眼睛的轴长大约为23毫米。所以，会有大约1%（200微米/23毫米）的误差。眼睛的屈光度约为60D。因此，客观性波前检测法可允许有0.6D的误差。对于散光，甚至更高阶的屈光问题，1%的误差一般是可以忽略的。由于焦点平面的不确定因素相当小，因此只有在纠正球性屈光不正时才很重要。
波前检测还可以用获得光学信息的种类来进行分类。

(1) 外向型波前测量法
这种检测方法的主要特点是，波前像差的形式是由光线射出眼睛而定义的，因此被称为“外向型”。这种波前检测是由Shack-Hartmann 原理进行描述的。
为了更好的理解，让我们回顾一下这种波前检测的历史。它的早期应用是在20世纪早期，Hartmann首次描述了这个原理[5]。后来以Hartmann屏的形式应用在光学测量上[6]。在70年代早期，Shack改进了Hartmann技术[7]，后来被广泛应用在了天文学上，被宇航员用于测量大气引起的光学像差。1944年，梁开始应用这种原理测量人眼的屈光误差和高阶相差[8]。
Shack-Hartmann波前检测的原理是基于一束激光的反射（直径大约为1毫米），这束激光被聚焦在人眼黄斑上，反射出来的光线通过人眼的折射系统，射出眼睛，从而形成了波前像差的形式，被位于瞳孔入口处的CCD照相机捕获到。由许多微小透镜排列而成的透镜组会把反射出来的光线的波前分成若干个更小的波前，每个波前则被聚焦成一个光点。光点相对于微小透镜的光轴在空间上的位移，则直接显示了此处波前的倾斜情况以及整个眼睛波前的形态。
这种波前探测方法的局限性在于，由于黄斑下脉络膜的干扰会产生散射，也就是说会产生干扰性的回波。但是，由于视轴的长度，这可以忽略不计。另外激光光源中的小斑点以及黄斑部被照亮的程度以及质量也会限制波前检测的准确性。采集频率的提高有助于波前探测达到一个理想的程度。

(2) 视网膜成像波前测量法
这种方法的主要特点是，波前像差的形式是由在视网膜上成像的偏差而定义的，因此叫“视网膜成像”法。这种波前检测的形式是由Tscherning原理来进行描述的。
这种方法的首次应用是在19世纪末，当时Tscherning在阐述人眼的单频像差时首次描述了这个原理[9]。但是，视光学的带头人，包括Gullstrand，在那时却并不支持Tscherning的理论，因此并没有得到广泛的接受。直到1977年Howland应用Tcherning的像差显示仪的设计并用交叉柱镜进行了改进，用于主观测量人眼的单频像差[10]。近来Seiler进行了改进，将间距1毫米的网格投射在视网膜上，同时，这种设计还带有一个同轴的光学系统，能够可视化地用图像来表示像差图[10]。之后，乌克兰的Molebny等人改进了这种技术，设计了一种视网膜光线示踪仪，在这种仪器中，单一的光线连续的投射并在视网膜上成像。连续的视网膜光点位置的示踪在整体上就可反映波前像差的整体情况[12]。
激光束经校准平行后通过一个13×13的光点蒙版，从而产生整齐排列的168个光点（遮蔽中心点），在视网膜上成像。在经过眼介质时，光点的排列会由于介质的不规则而产生像差，这种扭曲的光点排列会通过一个同轴的相机记录下来，光点和无像差时光点位置的偏差可用于精确计算波前的形态（Seiler法）[11]。
这种波前探测的局限性在于，在光束的位置偏离计算中，要用到一个理想化的人眼模型（Gullstrand模型眼）。这个模型，实际上是根据常人眼的屈光误差不断调节，以达到理想的同轴状态，从而实现理想化的。

(3)内向型可调节屈光测量法
这种检测方法的主要特点：波前像差的形式是由一束可调节的补偿像差的光线射入眼睛而定义的，因此被称为“内向型”。这种形式的波前检测和临床上的屈光和视网膜镜的应用很相似，是由Scheiner原理进行描述的。
这种方法是在1961年由Smirnov首次应用于一种主观性可调节屈光检测仪[14] 。入射的外围光线经主动改变方向射向一个中心目标，从而消除外围点的相应的光学像差。1998年，Webb和Burns进行了改进，制成了现在的主观性波前折射计（SRR）[14,15]，它应用上述原理便可测量波前的模式[16]。这种方法利用了大约37个检测点，每一个点发出的光线都由病人手动调整方向以和中心目标相重合，根据调整的水平从而描述出波前像差的形态。
当一束光线从无限远射入眼睛时，这只眼睛唯一的像差是球性屈光不正引起的（一只近视眼）。从瞳孔的上方、中心、下方三个位置点进入的光线会在视网膜前方交叉（假设上下两处是对称的）。如果从上方进入眼睛的光线倾斜一下（假如它是从附近另一个光源而来的），使它和从瞳孔中央射入的光线在视网膜上成像在相同的位置上。这时，倾斜的角度即是角膜相应位置上的波前的倾斜情况。多测几个点，便可得出整个角膜的波前像差。
这种方法的局限性在于主观调节、矫正偏差的光点时耗时较长。它的另一种形式??客观性检测法是基于裂隙检眼镜制成的。在这种方法中，眼底的情况由进入人眼的裂隙光束沿着一个特定的轴线和方向被快速地扫描。眼底的反射情况由一个探测器所检测到。裂隙光束会连续地扫描并将全部角膜的波前像差情况记录下来。因此可以确定波前像差的情况。尽管这种方法仍然在不同轴线上连续进行，但是客观性的检测使它可以迅速地获得相应的信息。因此较上面的方法省时。

4、小结
今天，波前像差检查由于个体化角膜屈光手术诱人的前景而有了飞速的发展，许多种主观性以及客观性的方法被尝试用来描述人眼的像差，尽管在复杂程度，花费以及准确性等方面各有不同，但每种方法在其应用于波前指导的屈光性角膜手术方面均有其特定的优势，因此，我们期待着它们在未来更进一步的发展。

参考文献
1 Smirnov MS. Measurement of wave aberration in the human eye. Biophysics. 1961;6:52-64.
2 Howland HC, Howland B. A subjective method for the measurement of monochromatic aberrations of the eye. J Opt Soc Am A. 1977;67(11):1508-1518.
3 Charman WN. Wavefront aberration of the eye: a review. Optom Vis Sci.1991;68(8):574-583.
4 Thibos LN,Applegate RA, Schwiegerling JT, et al. Standards for reporting the optical aberrations of the eyes. In: V Lakshminarayanam,ed. Vision Science and its Applications. Washington, DC: Optical Society of America;2000.
5 Miller DT,Williams DR, Morris GM, Liang J. Images of cone photoreceptors in the living human eye. Vision Res.1996;36(18):1067-79.
6 Hartmann J. Bemerkungen uber den bau und die jurstirung von spektrographer. Zeitschrift fuer Instrumenterkinde.1900;20:47.
7 Shack RV,Platt BC. Production and use of a lenticular Hartmann screen. J Opt Soc Am A. 1971;61:656.
8 Liang J,Grimm W,Goelz S,Bille JF. Objective measurement of the wave aberrations of the human eye using Hartmann-Shack wavefront sensor. J Opt Soc Am A.1994;11(7):1949-57.
9 Tscherning M.Die monochromatischen aberrationen des menschlichen auges. Z Psychol Sinn. 1894;6:456-71.
10 Howland HC, Howland B. A subjective method for the measurement of monochromatic aberrations of the eye. J Opt Soc Am A.1977;67:1508-18.
11 Meirdel P, Wiegard W, Krinke HE, Kaemmerer M, Seiler T. Measuring device for determining monochromatic aberrations of the human eye. Ophthalmology.1997;6:441-5.
12 Molebny VV, Pallikaris IG, Naoumidis LP, Chyzh IH, Molebny SV, Sokurenko VM. Retinal ray tracing technique for eye-refraction mapping. Proceedings of the SPIE. 1997;2971:175-83.
13 Smirnov HS. Measurement of the wave aberration in the human eye. Biophys. 1961;6:52-66.
14 He HC, Marcos S, Webb RH, Burns SA. Measurement of the wavefront aberration of the eye by a fast psychophysical procedure. J Opt Soc Am A.1998;15(9):2449-2456.
15 Penney CM, Webb RH, Tieman JT, Thompson KP. Spatially resolved objective refractometer. US Patent;1993
16 Webb R, Penny CM, Thompson K. Measurement of ocular local wavefront distortion with a spatially resolved refractometer. Applied Optics. 1992;31:3678-86.