体外光学质量测试设备评价IOL的光学性能

曹广梁 刘晓敏 樊峥 任志超 黄钰森

在以往的研究中，关于人工晶状体（IOL）光学质量的研究多为体内研究[1-2]，体内研究的缺点是容易受个体差异、光学介质和患者主观感受的影响，而且难以确切地评价偏心、倾斜和瞳孔大小等因素的影响[3]。相比之下，利用光学设备进行的体外检测，结果更为客观、准确[4]。

蓝光滤过型IOL自20 世纪90 年代问世以来就得到广泛应用[5]。蓝光滤过型IOL中虽都加入了黄色基团以达到蓝光滤过的效果，但由于不同制造商采用的方法和工艺不同，对不同波长蓝光的滤过效果可能不尽相同，目前相关文献鲜见报道。

IOL偏心或者倾斜会对白内障术后的视觉质量产生不同程度的影响[6]。为减少偏心和倾斜带来的不良影响，有制造商设计出具有特殊设计的IOL。为验证其特殊设计的功能，有必要由第3方研究者对其功能进行评价，以指导临床应用。

多焦点IOL弥补了单焦点IOL视近功能的不足，为患者提供了不同程度的全程视力，减少了对眼镜的依赖[7]。由于其光学设计和不同距离上的光能分布不同，所以多焦点IOL势必会导致一定程度的视觉质量下降[8]。

为帮助眼科医师了解不同IOL的光学特性，从而更加个性化地指导临床应用。本研究利用山东第一医科大学附属青岛眼科医院购置的专业体外光学检测设备对多种IOL的光学性能进行检测。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验材料 单焦点非球面蓝光滤过型IOL：Vivinex XY1（日本豪雅公司）、SN60WF（美国爱尔康公司）。单焦点非球面非蓝光滤过型IOL：Tecnis ZCB00（美国强生公司）、A1-UV（爱博诺德医疗科技股份有限公司）。具有特殊设计的非球面IOL：Vivinex XY1（日本豪雅公司）、A1-UV（爱博诺德医疗科技股份有限公司）。多焦点IOL：折射型多焦点SBL-3（美国Lenstec公司）、衍射折射型多焦点Diff-aAy（德国人类光学公司）、景深延长型Tecnis Symfony（美国强生公司）和三焦点AT LISA tri 839（德国蔡司公司）。本研究所用IOL的屈光度均为+21 D，SBL-3近附加+3.0 D，Diff-aAY近附加+3.5 D,AT LISA tri 839近附加+1.66 D、中附加+3.33 D。

1.1.2 实验设备 体外光学质量测量设备为OptiSpheric® IOL PROⅡ（德国Trioptics公司）。该平台包括一只无像差模型角膜的模型眼，符合国际标准化组织11979-2[9]和11979-9[10]的要求。光源的波长为546.1 nm。

1.2 实验方法

在常温下，将IOL置于含有0.9%氯化钠溶液的模型眼中，屈光指数为1.334。设置模型眼的瞳孔大小为3 mm，分别在居中、偏心（3 mm、5 mm）和倾斜（3°、5°）条件下测试IOL的调制传递函数（Modulation transfer function，MTF）曲线。采用美国空军（United States Air Force，USAF）分辨力测试图在IOL的最佳远、中、近焦点下拍摄。

测试的IOL将投影目标聚焦在其焦平面上，该焦平面由测量探测器捕获，该测量探测器包括1个物镜显微镜镜头和1个集成自动对焦的高分辨率电荷耦合设备相机。

1.3 评价指标

1.3.1 MTF MTF指一个光学系统所成图像的对比度的变化和空间频率的函数关系，其可以反映光学系统对不同空间频率的响应能力。对不同的光学系统，MTF的不同则反映了光学系统成像特性不同。若将人的视觉系统作为一个完整的成像系统，可借用MTF的概念来分析视觉系统对外界物体的响应能力，并解释视觉图像成像质量。100 lp/mm空间频率下的MTF曲线，相当于20/20（Snellen）[11]。

1.3.2 USAF分辨力测试图 由美国空军于1951年创建，该测试图广泛应用于测试光学成像系统的分辨能力，可定性地比较不同光学系统的光学性能。

1.4 统计学方法

实验研究。采用SPSS 21.0软件进行统计学分析。经Shapiro-Wilk检验计量资料符合正态分布，以表示，采用Levene检验证实组间方差齐性。Vivinex、A1UV、SN60WF和ZCB00在100 lp/mm空间频率处MTF值的总体比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用独立样本t检验；Vivinex和SN60WF在400、480 nm的光谱透过率比较采用独立样本t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 光谱透过率

蓝光滤过型IOL Vivinex和SN60WF较非蓝光滤过型IOL ZCB00 可明显减少400～500 nm波长的蓝光透过。400 nm附近波长范围内，Vivinex的光谱透过率为2.43±0.51，SN60WF的光谱透过率为8.10±0.36，差异有统计学意义（t=-15.65,P＜0.001）；480 nm附近波长范围内，Vivinex的光谱透过率为85.17±1.04，SN60WF的光谱透过率为70.33±2.08，差异有统计学意义（t=11.04,P＜0.001）。见图1。

图1.蓝光滤过型IOL Vivinex、SN60WF与非蓝光滤过型IOL ZCB00的光谱透过率比较Figure 1.The comparison of spectral transmittance of blue-light filtering IOL Vivinex,SN60WF and non-blue-light filtering IOL ZCB00

2.2 IOL偏心和倾斜

当IOL偏心或者倾斜的程度相同时，100 lp/mm空间频率处的MTF 值，Vivinex 和A1-UV 均大于ZCB00 和SN60WF，差异均有统计学意义（均P＜0.05)，见表1。

表1.100 lp/mm空间频率下Vivinex、A1-UV、ZCB00和SN60WF在偏心和倾斜时的MTF值比较Table 1.Comparison of MTF values of Vivinex,A1-UV,ZCB00 and SN60WF at decentration and tilt under spatial frequency of 100 lp/mm

2.3 多焦点IOL视觉质量

多焦点IOL在不同焦点的视觉质量：最佳远视力焦点的MTF值中，ZCB00最高，其次是Diff-aAY、AT LISA tri、SBL-3和Symfony；最佳中程视力焦点的MTF值中，Symfony表现显著，其次是AT LISA tri，明显优于Diff-aAY和SBL-3；最佳近视力焦点的MTF值中，Diff-aAY最高，其次是AT LISA tri和SBL-3。见图2。

USAF分辨力测试图的结果与图2 相对应：最佳远视力焦点中，ZCB00 的分辨力最佳，其次是Diff-aAY、AT LISA tri、SBL-3和Symfony；最佳中程视力焦点中，Symfony分辨力表现显著,其次是AT LISA tri，明显优于Diff-aAY和SBL-3；最佳近视力焦点中，Diff-aAY的分辨力最佳，其次是AT LISA tri和SBL-3。见图3。

图2.AT LISA tri、Diff-aAY、SBL-3、Symfony和ZCB00的离焦曲线A、B、C、D、E：ZCB00、Diff-aAY、AT LISA tri、SBL-3和Symfony最佳远视力焦点的MTF值；F、G：Symfony和AT LISA tri最佳中程视力焦点的MTF值；H、I、J：Diff-aAY、AT LISA tri和SBL-3最佳近视力焦点的MTF值Figure 2.Defocus curve of AT LISA tri,Diff-aAY,SBL-3,Symfony and ZCB00A,B,C,D,E: MTF of ZCB00,Diff-aAY,AT LISA tri,SBL-3 and Symfony at the best distance focus.F,G:The MTF of Symfony and AT LISA tri at the best intermediate focus.H,I,J:The MTF of Diff-aAY,AT LISA tri and SBL-3 at the best near focus.

图3.AT LISA tri、Diff-aAY、SBL-3、Symfony和ZCB00在最佳远、中和近视力焦点的USAF分辨力测试图Figure 3.USAF resolution test chart of AT LISA tri,Diff-aAY,SBL-3,Symfony and ZCB00 under the best distance,intermediate and near focus

图4 中ZCB00 离焦0.25 D 的MTF 曲线在0～100 lp/mm的空间频率范围内均高于Diff-aAY的MTF 曲线；ZCB00 离焦0.50 D 的MTF 曲线与Diff-aAY的MTF曲线在53 lp/mm空间频率时相交；当ZCB00 离焦度数超过0.50 D时，ZCB00在53～100 lp/mm空间频率区间的MTF曲线均低于Diff-aAY，说明其分辨物体细节的视觉质量下降将超过Diff-aAY。

图4.ZCB00离焦0.25 D、0.35 D和0.50 D的MTF曲线以及Diff-aAY最佳远视力焦点的MTF曲线Figure 4.The MTF curves of ZCB00 defocus 0.25 D,0.35 D and 0.5 D and the MTF curve of Diff-aAY at the best distance focus

3 讨论

蓝光是波长介于400～500 nm之间的短波光辐射[12-13]。本研究发现，蓝光滤过型IOL Vivinex和SN60WF较非蓝光滤过型IOL ZCB00 可明显减少400～500 nm波长的蓝光透过。临床研究发现，蓝光滤过型IOL不会因材料中黄色素的增加而影响患者术后的视力和对比敏感度，并且可避免蓝视症的发生[14]。

Vivinex和SN60WF虽都加入了黄色基团以达到蓝光滤过的效果，但由于不同制造商采用的方法和工艺不同，所以对不同波长蓝光的滤过效果不尽相同。本研究中，400 nm附近波长范围内，Vivinex的光谱透过率小于SN60WF，差异有统计学意义；480 nm附近波长范围内，Vivinex的光谱透过率大于SN60WF，差异有统计学意义。本研究结果与ZCB00、Vivinex和SN60WF的制造商所提供的数据一致。黑视蛋白是一种位于视网膜中的神经节细胞蛋白，其作为介导褪黑素分泌的光感受器，控制人体昼夜节律，最敏感波长为480 nm[15]。研究发现[12]，400～440 nm波长的蓝光对视网膜的光毒性作用大于440～500 nm波长的蓝光，而且400～440 nm波长的蓝光对视觉贡献甚微，所以专家建议应将400～440 nm波长的蓝光滤过。

动物实验和体外细胞培养研究发现蓝光滤过型IOL对视网膜光感受细胞和色素细胞具有保护作用[16-17]。但是，目前还没有最佳的临床研究证据能够证明使用蓝光滤过型IOL对黄斑有益处[18]。面对蓝光滤过型IOL的临床应用争议，医师可以根据不用患者的年龄、健康状况或者工作环境给予个性化的蓝光防护建议。

本研究使用光学质量测试设备OptiSpheric®IOL PROⅡ测试了4种单焦点IOL在偏心和倾斜状态下的视觉质量。结果显示，当IOL偏心或者倾斜的程度相同时，Vivinex和A1-UV在100 lp/mm空间频率处的MTF值，均大于ZCB00 和SN60WF，且差异均有统计学意义，且随着偏心或倾斜程度的增大，这种差异更为显著。因此，本研究通过体外研究的方法证明，Vivinex以及A1-UV具有抗偏心和倾斜的能力，可以改善IOL偏心或倾斜后的视觉质量。Perez-Merino等[19]通过激光射线追踪的方法评估了单焦点IOL Vivinex、ZCB00 和SN60WF在偏心状态下对视网膜图像质量的影响，他们发现，Vivinex在补偿角膜球差的同时，能够平衡偏心产生的彗差从而改善视网膜图像质量。因此，对于术后可能出现IOL偏心或倾斜的患者，具有特殊设计的IOL可能是此类患者的最佳选择，以便提供更好的视网膜成像。

根据文献报道，IOL平均偏心范围为0.2～0.5 mm，平均倾斜范围为2°～4°[20-22]。本研究团队前期研究[23]发现，IOL的光学质量受偏心和倾斜的影响明显，偏心可提高或降低光学质量，而倾斜只导致光学质量降低。因此，具有抗倾斜功能的IOL具有十分重要的临床应用价值，值得研究人员进一步探索研究。

SBL-3 是一种由亲水丙烯酸材料制造的不对称折射型双焦IOL，与传统的提供不同焦点的同心圆环不同，SBL-3 有2 个扇区，一个是用于视远的大扇区（占光学区50%），另一个是用于视近的次表面扇区（占光学区42%）；2 个扇区之间的平滑过渡区只造成7%～8%的光能损失[24-26]。本研究发现，SBL-3可以提供良好的远视力和近视力，而且最佳远、近视力焦点的MTF值和USAF分辨力测试图的结果相一致。另有研究报道，SBL-3可以提供良好的中程视力[27]，这可能与SBL-3平滑的光学过渡区有关[28]。本研究团队以往研究还发现SBL-3的光学质量受偏心和倾斜的影响明显，而且倾斜对视觉质量的影响较偏心明显[23]。

Diff-aAY是一种衍射折射型IOL，本研究发现，Diff-aAY在远视力和近视力方面均有出色的表现，而且比SBL-3 都有较明显的优势。其总长度为12.5 mm，光学直径为6.0 mm，包含中央衍射环和外周折射区域。通过中央衍射环可以实现将眩光降低到最小，患者在不同距离间可以舒适过渡。折射区域通过照射强度和瞳孔的相互作用来调节光能分布，在强光条件下，近距离和远距离都能获得足够光线；在极暗光线条件下，重点是远视力以确保安全性。SBL-3近附加+3.0 D，通过独立的近附加折射区域实现视近功能，而Diff-aAY近附加+3.5 D，通过IOL外周折射区域实现视近功能。虽然厂家说明Diff-aAY具有增大景深，优化中程视力的优势，但是，本研究并未发现其中程视力的优势。与SBL-3平滑光学过渡区相比，Diff-aAY的远、近视力变化陡峭，所以中程视力有待于进一步提高。

Symfony属于景深延长型IOL，其目标是在不损害远视力的情况下改善中程视力。本研究结果显示，在远视力方面，Symfony的表现和双焦点IOL的表现相当；在中程视力表现方面，Symfony的视觉质量最好。这与临床研究结果[29]一致，并且他们认为中程视力更好地反映了Symfony中延长景深深度的衍射阶梯结构，此结构可以减少传统多焦点IOL造成的远近像重叠，从而产生较少的光晕。但是，Symfony的延长景深未能覆盖近距离，导致较差的近视力[29]。调查问卷显示[29]，尽管Symfony的近视力较差，但其眼镜依赖率与双焦点IOL或三焦点IOL相比没有显著差异，甚至报告了更高的视力评分、满意度评分和推荐评分。这可能归因于Symfony平滑的离焦曲线，使患者可以微调阅读距离，以获得更好的视力。

MTF值是人眼对不同精细程度的光学系统的反映，高频率区（60 lp/mm及以上）描述物体的细节，低频率区（60 lp/mm以下）描述物体的轮廓[30]。本研究发现，虽然ZCB00 的MTF值最高，但随着离焦量的增加，单焦点ZCB00的MTF曲线逐渐降低，先是影响高频率区，然后逐渐波及低频率区，当ZCB00离焦度大于0.5 D时，ZCB00在53 lp/mm以上高频率区的MTF曲线均低于Diff-aAY，其分辨物体细节的视觉质量下降将超过Diff-aAY。

在本研究中，所有IOL的远视力都有良好的表现。这些发现与先前的研究报告一致，即双焦点、三焦点和景深延长型设计在远视力方面具有可比性[31-32]。但是，多焦点IOL仍然存在一些不足之处[33]。由于其特殊设计，入眼的光能重新分配，与单焦点IOL相比对比敏感度会下降，导致患者出现视物发暗、模糊的感受[34]。临床医师不必过于夸大上述不良，因为单焦点IOL如果出现0.5 D的离焦时，其带来的不良反应已经超过多焦点IOL本身具有的光学性能的不足。

综上所述，通过体外光学质量测试设备OptiSpheric® IOL PROⅡ对IOL的多种光学性能进行评价，将有助于眼科医师了解不同IOL的光学特性，从而更加个性化指导临床应用。

利益冲突申明本研究无任何利益冲突

作者贡献声明曹广梁：收集数据，参与选题、设计及资料的分析和解释；撰写论文；对编辑部的修改意见进行修改。刘晓敏、樊峥、任志超：参与选题、设计和修改论文的结果、结论。黄钰森：参与选题、设计、资料的分析和解释，修改论文中关键性结果、结论，根据编辑部的修改意见进行核修