印度喀拉拉邦帕拉卡德阿哈利亚视光学院视光系，印度南特拉大学数学系，印度理工学院精英视光学院视光系，印度理工学院物理系应用光学实验室的研究团队发表在沙特眼科杂志的一份文献。
摘要
目的:
本工作的目的是确定和比较高阶像差(HOAs)的分布和不同屈光不正之间的临床和实验的影响。
方法:
采用市售的Shack-Hartmann像差仪在临床上测量人眼的HOA。实验上，基于相同的Shack-Hartman原理，通过构造像差计模拟各种屈光不正，在模型眼中测量HOA。采用单因素方差分析和简单回归分析了各种屈光不正的HOA分布及其影响。
结果:
临床共测量100只眼的像差，其中远视35只眼，近视50只眼，远视15只眼。在总均方根(RMS)值中，人眼的hoa分别为23%、7%和26%，模型眼的hoa在正视、近视和远视之间分别为20%、8%和10%。平均高阶RMS在两组之间和不同屈光不正之间几乎相似。除了人眼和模型眼的慧差外，个体Zernikes之间没有统计学意义。
结论:
不同屈光误差的平均HOA相似。在正视眼中，23%的HOA的存在意味着人眼的大部分能够在不影响图像质量的情况下适应HOA。这一研究表明，与不规则折射表面不同，HOA在具有规则折射表面的人眼的图像清晰度方面不起重要作用。
介绍
光学像差在人类视网膜感知的图像质量中起着重要作用。有各种各样的像差，包括低阶和高阶像差（HOAs）（LOAs和HOAs）。92%的视力矫正是通过矫正LOAs（离焦和散光）实现的，而7%-8%仍然未矫正，由HOAs如慧差、三叶草和球差组成。几种像差计是用不同的原理来测量这些像差的，即光线追踪、车尔宁和Shack-Hartman。临床上，HOAs使用市售的像差计进行测量，它基于Shack-Hartman原理，可以测量高达8阶，尽管视觉上显著的HOAs高达4阶。在实验中，通过使用相同的Shack-Hartman原理构造一个自适应光学（AOs）系统来测量HOAs。
因此，本研究的目的是通过临床和实验方法，找出并比较正视、近视眼和远视眼中HOA的分布和影响。
方法
前瞻性队列研究包括两个队列，每个队列用于临床测量和实验测量和分析HOA。在前期工作的基础上，计算了样本量。在第一个队列中使用简单的随机抽样，使用市售的像差计对100名患有各种屈光不正的受试者随机选择100只眼睛进行hoa临床测量。遵循《赫尔辛基宣言》的原则，所有程序均经研究所伦理委员会批准。获得了所有受试者的知情同意。所有的初步临床检查包括病史、视力、双眼视功能、屈光、前段检查、眼压检查和后节评估。对比敏感度未测量。在眼科医院门诊完成初次眼科检查后，招募了35名远视者、15名远视者和50名近视者。屈光不正的定义为等效球镜(SE)在+0.25(DS)和- 0.25(DS)之间。SE≤- 0.50 DS为近视，SE≥+0.50 DS为远视。使用Zywave®II波前像差仪(Bausch and Lomb Zywave, Rochester, NY, USA)测量眼像差。它使用了沙克-哈特曼原理和785纳米的红外激光束。眼睛的出瞳与电荷耦合器件(CCD)检测器共轭，其中瞳平面被76个微透镜聚焦成76点质心图案。在每个质心点处，利用理想位置的空间位移来确定像差波前的斜率。采用泽尼克项拟合坡度数据，并在Zywave像差仪中对系数进行数学重构。它测量总波前像差随着泽尼克项高达五阶的两个瞳孔大小，即5和6毫米。测量是由具有操作像差计经验的合格验光师进行的。为了控制调节的影响，所有的瞳孔都被放大并安装到6毫米的瞳孔大小，以记录所有眼睛的像差。通过要求受试者注视注视目标的中心，使像差计测量轴与眼睛的主要视线对齐。对齐后，房间的灯变暗，进行测量。在最后一次眨眼后立即记录像差测量。所有生成的泽尼克系数都校正了对构性，然后下载用于离线分析。
在第二个队列中，通过构建AOs系统(OKO Technologies, Polakweg, GG Rijswijk，荷兰)实验测量hoa，并在模型眼中模拟屈光不正。实验装置的示意图如图1所示。使用波长为633 nm的光纤耦合超发光二极管(SLD)作为测试光束。光纤输出的光经透镜L1准直，初始光束尺寸为24 mm，聚焦在瞳孔直径为6 mm的模型眼上。为了保持与第一组人眼相同的瞳孔大小，模型眼的瞳孔大小也固定为6毫米。使用透镜L2-L5将模型眼的出口孔径重新成像到Shack-Hartmann波前传感器的透镜阵列上，该透镜还负责调整光束的大小，使整个微透镜阵列充满给定的输入光束直径。维持两个平面(模型眼出口瞳孔和波前传感器)的共轭以测量HOA，如早期工作中详细提到的那样。波前传感器由127个微透镜组成的六角形阵列和CCD相机组成。微透镜阵列焦距为18 mm，阵列间距为300µm。与完美的平面波前相比，当输入光束有像差时，这些斑点的位置会发生变化。通过测量这些光斑的质心位移，计算出所有像差。此外，采用“模态重建”方法进行波前重建，即将所需波前用线性无关基函数系统上的级数展开表示，并在此基础上计算展开系数。采用奇异值分解算法构造正交基。然后在传感器的整个孔径内连续定义重构波前，在我们的波前传感器中重构波前为3.9 mm。虽然可以测量到高达8阶的光学像差，但只能分析到4阶的数据。
图1:
Shack-Hartmann波前传感器的实验装置
模拟近视时，将+1.00 DS - +5.00 DS的凸透镜按1.00 DS步长间隔放置在模型眼前。为了模拟远视，在模型眼前放置- 1.00 DS - - 5.00 DS的凹透镜。采用非球面镜模拟近视眼和远视，减少晶状体引起的HOA。每个镜头都测量了五次，并记录了四阶以下的所有泽尼克项。对于斜视，在模型眼前没有任何晶状体的情况下进行了五次测量。
采用SPSS 16 (IBM SPSS Statistics, Armonk, New York, United States)中的post hoc Games-Howell进行方差分析，记录、比较和分析两种方法测量的所有Zernike项。采用简单线性回归分析了各视场角对不同屈光不正的影响。HOA占总均方根(RMS)的比例以百分比计算。采用95%显著性水平，P = 0.05进行统计学检验。
结果
共测定100只眼的HOA，其中正视眼35只，近视眼50只，远视眼15只。正视、近视眼和远视眼的平均年龄分别为23.57±3.52岁、35.16±11.1岁和31.27±9.91岁。loa和hoa随年龄的变化均无统计学意义，P > 0.05。而在近视眼中，低阶RMS (LO RMS)、离焦和水平散光有显著相关性(P < 0.05)，而年龄与HOA无显著相关性。由于远视的平均散光<0.75 D，故与HOA不作比较。近视眼的平均散光为- 1.68±0.91 D(置信区间[CI] 0.13， - 3.50)，高阶RMS (HO RMS)和次级像差P < 0.05，差异有统计学意义，其他像差均无统计学意义。根据主观验光结果，计算近视眼和远视眼的SE。平均SE为- 2.87±2.46 D (CI 2.05， - 7.79)，近视最小SE为- 0.50 D，最大SE为- 13.50 D。远视眼的平均SE为+0.88±0.51 D (CI 1.90， - 0.14)，最小值为+0.50 D，最大值为+2.50 D。实验方法的平均SE为- 3.00±1.58 D，最小值为- 1.00 D，最大值为- 5.00 D。远视的平均SE为+3.00±1.58 D，最小值为+1.00 D，最大值为+5.00 D。
表1计算了人眼和模型眼的正视眼、近视眼和远视眼的所有Zernike项的均值和标准差以及ci。正视眼的HOA为23%，近视眼为7%，远视眼为26%。
表1
人眼和模型眼的正视眼、近视眼和远视眼的所有泽尼克项的平均值和标准差
在模型眼中，正视眼、近视眼和远视眼的hoa分布分别为20%、8%和10%。在总人口中，人眼的HOA为19%，而模型眼的HOA为13%。人眼与模型眼的HOA对比及其分布如图2所示。人眼和模型眼的三阶和四阶RMS值如图3所示
图2
人眼与模型眼高阶像差的比较
图3
人眼和模型眼的所有泽尼克项的均方根值
对三组人眼的HO RMS与二、三、四阶Zernike项进行线性回归分析。结果发现，对离焦、水平像散、三阶均方根值、四阶均方根值的影响有统计学意义，P < 0.05，分别见图4a- d。对于近视，HO RMS对垂直四阶RMS、三阶RMS和四阶RMS的影响具有统计学意义，P < 0.05，分别见图5a-c。在远视中，HO RMS对三阶RMS和四阶RMS的影响具有统计学意义，P < 0.05，分别见图6a和b。
图4
人眼正视中各种术语与高阶均方根的显著关联。(a)人眼正视离焦与高阶均方根的关系。(b)人类正视水平像散与高次均方根的关系。(c)人眼正视的三阶均方根与高阶均方根的关联。(d)人眼正视的四阶均方根与高阶均方根的关联
图5
人眼近视中各术语与高阶均方根的显著关联。(a)垂直四阶与人眼近视高阶均方根的关系。(b)人眼近视的三阶均方根与高阶均方根的关联。(c)人眼近视的四阶均方根与高阶均方根的关联
图6
人眼远视的三、四阶均方根与高阶均方根的关联。(a)人眼远视的三阶均方根与高阶均方根的关联。(b)人眼远视的四阶均方根与高阶均方根的关联
对所有人眼的正视、近视眼和远视进行SE与二、三、四阶16项 Zernike项的回归分析。发现近视患者的LO RMS有显著的统计学影响，呈高度正相关(R = 0.95)。而在远视眼中，SE对LO RMS、HO RMS和三阶RMS的影响具有统计学意义(P < 0.05)。SE与LO RMS (R = 0.43)、HO RMS (R = 0.14)呈低正相关，与三阶RMS呈低负相关。
应用事后(Games-Howell)的单向方差分析在所有组之间对人眼中的所有泽尼克项进行了分析。对于正视和近视，离焦、水平慧差、LO RMS、HO RMS、三阶RMS、四阶RMS的平均值差异有统计学意义(P < 0.05)，其他Zernike项的平均值差异无统计学意义(P < 0.05)。对于近视眼和远视眼，离焦的平均值差异有统计学意义(P < 0.05)，其他泽尼克项的平均值差异无统计学意义(P < 0.05)。对于纵轴和纵轴，泽尼克项之间的平均值没有统计学上的显著差异。
视力正常者和近视者的最佳视力分别为6/6和N6，而近视者的平均最佳矫正视力为0.19±0.29 Log mar。视力正常者、近视者和远视者的最佳矫正视力与HO RMS进行回归分析，差异均无统计学意义(P < 0.05)。
在模型眼中，对三组近视眼、近视眼和远视眼的HO RMS和二、三、四阶15项 Zernike项进行回归分析。
在正视中，发现其对水平二次散光、水平和垂直四叶、LO RMS、三阶RMS、四阶RMS的影响有统计学意义，P < 0.05。LO RMS (R = 0.95)和3阶RMS (R = 0.99)与HO RMS呈高度正相关，4阶RMS (R = 0.74)、垂直(R = 0.86)和水平四叶散(R = 0.88)呈高度负相关，水平次级散光(R = 0.43)呈低负相关。对于近视，HO RMS对包括LO RMS、三阶RMS和四阶RMS在内的所有Zernike项的影响均无统计学意义(P > 0.05)。在远视中，HO RMS对LO RMS、三阶RMS和四阶RMS的影响具有统计学意义(P < 0.05)。LO RMS (R = 0.50)和4阶RMS (R = 0.99)与HO RMS呈中高正相关，3阶RMS (R = 0.37)呈低负相关。
将SE与人眼正视眼、近视眼和远视眼的二、三、四阶16个泽尼克项进行回归分析。对近视离焦、垂直散光和垂直慧差的影响有统计学意义。离焦(R = 0.99)与SE呈高度正相关，垂直散光(R = 0.88)与垂直彗差(R = 0.60)呈高度和中度负相关。在远视中，SE仅对离焦有统计学意义(P < 0.05)，呈高度负相关(R = 0.99)。
所有组之间对模型眼的所有Zernike项进行单因素方差分析。Post - hoc Games-Howell被应用。近视眼和远视眼的离焦、垂直次生散光、HO均方根差异有统计学意义(P < 0.05)，其他Zernike项差异无统计学意义(P < 0.05)。在近视眼和远视眼中，离焦、水平慧差和三阶RMS的平均值有统计学差异，P < 0.05。在近视场和远视场之间，只有离焦、水平慧差和三阶RMS的平均值差异有统计学意义，P < 0.05。
讨论
在早期的研究中，HOA被发现占总RMS的8%-10%，尽管在这项研究中，各组之间的比例有所不同。在这项研究中，我们发现，人眼正视、近视眼和远视眼的HOA分别为23%、7%和26%。正视、近视和远视实验模型眼的HOA分别为20%、8%和10%。
由于两组的平均SE相似，人眼与模型眼的近视hoa具有可比性。在这两组患者中，与正视和远视患者相比，HOA百分比的降低是由于LOA的增加。
虽然在人眼和模型眼中，正引起的hoa几乎相似，但大约20%的hoa的存在归因于LOA的减小幅度。同样的模式在人眼远视中也观察到，其HOA为26%，平均LOA仅为+0.88 D，而模型眼远视的HOA仅为10%，平均LOA为+3.00 D。
将各组的HOA与SE进行比较，发现对近视患者的LO RMS有统计学意义的正影响。LO RMS与SE的相关性是可以理解的，而HO RMS与近视SE的相关性不显著。这与早期的工作一致，近视的HO RMS没有相关性，而在其他工作中，它揭示了HOA与屈光不正增加的正相关。另一项研究表明，与近视眼相比，远视眼的HOA增加，这项工作与相同的研究相结合。虽然与模型眼-5D相比，人眼近视组的SE高达-13.50 D，但人眼组的HO RMS为0.16±0.07，模型眼组的HO RMS为0.10±0.02，两者相差无几。
虽然在数学上，两组的三阶RMS、四阶RMS和少数其他LOA均有统计学意义，但除了双眼与近视眼之间的人眼慧差，以及模型眼与近视眼之间、双眼与近视眼之间的眼慧差之外，各个Zernike项之间没有统计学意义。因此，对于不规则角膜的患者，如圆锥角膜和lasik后的扩瞳，必须特别分析慧差。
在分析各个Zernike项对HOA的影响时，只有水平次级散光对正视眼有影响，垂直次级散光对近视眼有影响。在远视中没有任何一个特定的泽尼克术语的影响。因此，尽管进行了适当的光学校正，但仍抱怨眩光或星爆的患者需要分析这两种HOA。
虽然在这两个队列中，近视眼的HOA百分比都低于正视眼和远视眼，但三组的平均HOA量几乎相等，近正眼、近视眼和远视眼的平均HOA分别为0.11±0.05、0.16±0.07和0.12±0.06。模型眼的平均hoa值分别为0.13±0.02、0.10±0.02、0.18±0.09。
在本研究中，平均HO RMS在近视-正视组之间的差异有统计学意义，而在以往的研究中，组间差异无统计学意义。
由于HOA随着瞳孔大小的增加而增加是一个既定的事实，因此在这项工作中没有进行瞳孔大小分析。远视人眼和模型眼的HOA数量相似，但与以往的研究结果不一致。这项工作揭示了近视人眼和模型眼的HOA含量相似，而早期的研究报告近视眼睛的HOA水平升高。
这是明显的，在这项工作中，平均HOA往往是相同的，在任何类型的屈光不正。即使在高度近视中，HOA与其他屈光不正几乎相似。令人惊讶的是，尽管具有6/6的良好视力，但即使是正视和远视也显示出相同的HOA量，这表明关于HOA对人眼图像质量的重要性存在激烈的争论。在天文学和光学相干层析成像(OCT)等图像捕获设备中，使用AO技术使图像更清晰、更锐利。由于圆锥角膜、lasik后、角膜后损伤、pk后、人工晶状体脱落或倾斜、晶状体等眼病导致晶状体表面不规则的情况下，HOA矫正变得越来越重要，并能提高视力。
结论
规则的角膜和晶状体表面，HOA矫正对提高患者的视力可能没有明显作用。然而，人眼的总有效值中23%的HOA的存在意味着人眼能够“适应HOA”，其中尽管有巨大的HOA，但图像质量不会受到损害。人眼对HOA的适应因素有瞳孔大小的动态变化、焦深、视网膜中央凹内视锥细胞的排列等，这些因素限制了本研究中精确的HOA测量，需要进一步探索。这一研究表明，与不规则折射面不同，具有规则折射面的人眼，HOA对图像清晰度的影响并不大。
财政支持及赞助
实验部分工作由“印度科学与工程研究委员会”资助，拨款号为SR/SO/HS/0073/2010和SR/SO/HS/0072/2010。
利益冲突
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