西班牙穆尔西亚大学视觉科学研究小组，曼彻斯特大学生物、医学与健康学院，曼彻斯特学术健康科学中心，美国阿拉巴马大学医学院眼科和视觉科学系的研究团队发表在视觉期刊的一份文献
摘要
众所周知，焦深（DOF）受到光学因素（如瞳孔大小和单色像差）的影响。然而，模糊灵敏度和离焦自适应等神经因素可能对DOF的程度起着重要作用。进行了一系列实验，以研究光学或神经因素是否最能解释受试者自由度的可变性。在至少6分钟的适应后，使用具有黑白目标、3.8毫米人工瞳孔和主观标准（基于令人反感的模糊）的自适应光学系统来测量11名参与者的景深（[DOFi]；在物体空间中计算的DOF）。这是在三种条件下完成的：（a）具有它们自己的高阶像差（HOA）；（b） 在校正单色HOA之后；以及（c）在改变一些参与者的HOA模式以反映为不同参与者测量的HOA图案之后。自然DOFi和HOA校正后的DOFi呈正相关（R2=0.461），但HOA校正后DOFi显著降低（平均21%）（p=0.042）。HOA对DOFi受试者间变异性的影响比图像神经处理的影响小3.9倍。这项研究表明，DOFi取决于光学和神经因素，但后者似乎比前者发挥更重要的作用。
介绍
人眼的焦深（DOF）因其在获得精确屈光矫正（Tucker&Charman，1975）和确定调节反应（例如Bernal Molina、Montés-Micó、Legras和López Gil，2014）方面的重要性而得到了广泛的研究。最近，DOF的扩展正在被研究作为一种潜在的工具，可以为多焦点矫正提供改进，以改善老花眼的后果（Charman，2014）。景深（[DOFi]；即物体空间中DOF的对应物）可以定义为物体可以放置而不会被感知到锐度不足的屈光范围。DOFi受到多种因素的影响，如亮度、对比度、目标配置（大小和空间频率）、波长、视力（VA）、瞳孔大小、视网膜偏心率、年龄和屈光度（Wang&Ciuffreda，2006）。然而，大多数研究表明，受试者之间的DOF程度存在重要差异（Wang和Ciuffreda，2006）。到目前为止，这种变化的原因尚未得到调查。
最近的研究表明，诱导波前像差可能会调节DOFi，并可用于设计老视的光学矫正。添加初级和次级球面像差，以及两者的某些组合，已被发现是扩展DOFi的好方法（Nio等人，2002；Rocha，Vabre，Chateau，&Krueger，2009；Benard，López Gil，&Legras，20102011；Yi，Iskander，&Collins，2011；Legras，Benard，&López-Gil，2012）。还有报道称，非旋转对称像差，如彗发样像差和散光，能够调节DOFi（Legras等人，2012；de Gracia，Dorronsoro，&Marcos，2013；Leube，Ohlendorf，&Wahl，2016；de Gracia＆Hartwig，2017）。不幸的是，这些诱发的像差会产生一些不必要的影响，如图像质量下降和最佳焦点偏移。添加新的像差是在受试者的自然高阶像差（HOA）上进行的（Rocha等人，2009），或者在校正这些自然HOA后进行的（Benard等人，20102011；Legras等人，2012）。这些研究都没有调查自然HOA或神经因素对DOFi的潜在影响在多大程度上解释了DOFi。
眼睛光学对视觉性能的影响可以通过使用自适应光学（AO）系统来校正或诱导波前像差来研究。几项研究调查了校正单色HOA后眼睛的视觉表现（Liang，Williams，&Miller，1997；Yoon&Williams，2002；Guo，Atchison，&Birt，2008；Marcos，Sawides，Gambra，&Dorronsoro，2008；Rossi&Roorda，2010；Hickenbotham，Tiruveedhula，&Roorda，2012；Marcos等人，2015）。然而，据我们所知，唯一一项研究自然HOA校正前后DOFi的研究是由Atchison、Guo和Fisher（2009）进行的。在这项研究中，他们发现校正单色HOA后DOFi降低了8%（不显著），校正色差后降低了20%（显著）。研究表明，受试者之间的敏感性存在相当大的差异。作者认为，使用连续程序校正HOA（他们使用开环AO系统）可能会导致单色HOA校正时DOFi发生显著变化。
之前通过校正或诱导HOA来调节DOFi的研究都没有考虑模糊适应或其他影响DOFi的潜在神经过程的影响。视觉系统可以快速适应通过过滤目标的空间分辨率（Webster，Georgeson，&Webster，2002）或通过新的HOA量或模式（Sawides，de Gracia，Dorronsoro，Webster，&Marcos，2011）产生的模糊。这种对人工模糊的适应会影响主观DOFi（Cufflen，Mankowska，&Mallen，2007）。发现短期模糊适应的时间过程（每2分钟测试一次，持续30分钟）在适应的前4分钟内至关重要，在前6分钟后适应非常有限（Khan等人，2013）。由于这种适应过程会随着时间的推移影响模糊感知，因此在改变受试者的波前像差时，它也可能影响DOFi测量。
HOAs在人口中的规模和分布差异很大（Porter、Guirao、Cox和Williams，2001；Thibos、Hong、Bradley和Cheng，2002；Castejón-Mochón、López Gil、Benito和Artal，2002）。因此，预计这种可变性会使人们有不同的DOFi。然而，天然HOA对DOFi的影响程度尚不清楚。人类的视觉也受到视网膜发出的电信号的神经处理的影响（Campbell&Green，1965），这可能会影响DOFi（Marcos，Moreno，&Navarro，1999）。为了评估诱导HOA延长DOFi的潜在益处，重要的是要了解自然畸变单独对DOFi的作用，以及它们如何与影响DOFi的神经因素相互作用。此外，重要的是要知道受试者之间DOFi的变化是由于光学因素还是神经因素（或两者兼而有之）。本研究旨在评估天然HOA对DOFi的影响程度，以及单独的天然HOA或潜在的神经因素是否可以解释受试者之间DOFi的变异性。
方法
11名高加索受试者（21至54岁，M±SD=34±12岁）参加了这项研究（表1）。所有受试者均在穆尔西亚大学（西班牙）的Clínica de la Visión Integral进行了筛查。纳入标准为：无眼部病理，屈光不正在AO系统矫正范围内（等效球镜+3.50至-3.50 D），最佳矫正视力至少为1（小数视力）。非正视（定义为球面等效屈光不正超过±0.50 D或散光超过0.50 D）受试者只有在通常佩戴光学矫正器的情况下才会被纳入，以避免长期适应模糊的潜在复杂因素。所有受试者都被告知该方案和实验的可能后果，并获得了知情同意。这项研究遵循了《赫尔辛基宣言》的原则。
表1
年龄、用于测量的眼睛、屈光度、高阶像差均方根（HOA RMS）和3.8毫米瞳孔参与者的斯特列尔比。注：图例：M=等效球镜。
图1显示了本研究中使用的自定义AO系统的示意图。波长为830nm的超发光二极管（[SLD]；滨松L-8414-41）产生了测量光束。眼睛接收到的辐射通量对应于直径为1毫米、102.5μW的SLD的准直发射，这低于连续暴露3小时的最大允许值（Delori、Webb和Sliney，2007）。放置在眼睛前方的分束器（BS1）将SLD产生的光束反射到眼睛中。来自视网膜的反射光穿过光学系统的其余部分。
图1
自适应光学系统设置示意图。图例：L1、L2、L3、L4、L5和L6，镜片；M1、M2和M3，镜子；BS1和BS2，分束器；P1和P2为人工瞳孔；SLD，超发光二极管；CCD、电荷耦合器件相机；DM，变形镜。红色路径显示视网膜共轭平面，橙色路径显示瞳孔共轭平面。
为了校正受试者的等效球镜并测量DOFi，我们使用了由两个透镜（L1和L2）和安装在步进电机上的两个镜子（M2和M3）组成的Badal系统。受试者的入瞳有三个共轭平面。第一个平面是放置可变形反射镜（DM）的平面，DM是修改波前的元件。该元件是一个带有52个致动器的薄膜镜（Mirao52e型，Imaging Eyes，法国奥赛）。与受试者瞳孔共轭的第二个平面与哈特曼-夏克波阵面传感器（型号HASO32，Imagine Eyes，Orsay，France）的微透镜平面相对应，其中光从L4透镜聚焦。最后，与受试者瞳孔共轭的最后一个平面落在L5透镜和微型显示器之间距离的一半上（EMA-100503，eMagin，Hopewell Junction，NY）。在这个平面上，我们放置了一个人工瞳孔（P1），它决定了受试者瞳孔的大小，以观察微型显示器。该平面与受试者的入瞳平面之间的放大倍数为1.9。有关光学系统及其校准的更多详细信息，请参阅Bernal Molina（2017）。
受试者接受了根据“令人反感的模糊”标准检测模糊的训练，该标准定义为“你拒绝全职容忍的模糊程度。你可能无法阅读图表”（Atchison，Fisher，Pedersen，&Ridall，2005）。然而，本研究中使用的标准与艾奇逊等人（2005）使用的标准在视觉呈现和标准的口头解释方面有所不同。这种视觉呈现由具有不同高斯模糊水平的近视视标组成（标准偏差为0至5像素，步长为0.5像素，每个像素对应2.6弧分），旨在直观地支持这一标准的定义。在口头解释了定义后，他们被告知，符合令人反感的模糊标准的图像是高斯标准偏差在2.5到3之间的图像。作者根据前面提到的标准主观地选择了这些图像。向受试者解释说，模糊可以以多种多样和形状呈现，这可能与演示文稿中包含的不同。虽然很难遵循相同的标准来检测它，但他们被要求努力与标准保持一致。
在此训练后，将两滴（间隔5分钟）1%环戊酯（Colircusí，Alcon CusíSA，巴塞罗那，西班牙）滴入一只眼睛（九只右眼和两只左眼），以麻痹调节。选择散光较少的眼睛，以便在矫正低阶像差时不会对DM造成压力。在测量之前，允许至少30分钟的时间。对侧眼睛被眼罩遮挡。
影响DOFi的所有外部因素（亮度、对比度、目标配置）对于所有测量和所有受试者都被控制为相同。实验在昏暗的光线条件下进行，背景亮度稳定，由室内灯光控制。目标亮度恒定在32cd/m2。在整个实验中，通过使用相同的目标来控制目标对比度和配置。
微型显示器对近2度的视角，用于获得主观DOFi测量和波阵面测量的目标是一个定制的黑白视标，由一条带有五个sloan字母（N D V K O）的线组成，每条线计算出对6.25弧分，它们之间的间距相同（小数VA=0.8）。
将一个2毫米的物理瞳孔放置在位置P1（图1），该位置对应于受试者3.8毫米的入瞳。使用咬杆稳定受试者的头部。在整个实验过程中，使用瞳孔跟踪相机和监视器监测瞳孔与系统光轴的对准情况。在进行任何测量之前，使用DM在闭环操作中校正AO系统的光学像差。对每个受试者进行单眼测量。每组测量值都获得了三次波前测量的平均值。
在任何DOFi测量之前，受试者被要求使用电动Badal系统找到最佳焦点，该系统由受试者使用传统的三键电脑鼠标控制。使用MATLAB（MathWorks，Natick，MA）编写的自定义例程从三个测量值中平均出最佳焦点搜索。这样，受试者的等效球镜就用Badal系统进行了校正，以避免对DM造成压力。在最佳焦点搜索后，使用DM校正了初级像散系数（C-22和C22）和倾斜度（C-11和C11）。这种校正是基于像差仪测量值，而不是受试者处方。
在三种不同条件下测量主观DOFi：（a）眼睛的自然HOA（自然条件，DOFiN），（b）校正HOA（AO校正条件，DOFiC），以及（c）用AO系统模拟的其他受试者的HOA（模拟条件，DOFiS），按此顺序。DOFiS条件将在下面更详细地解释。
就在任何主观测量之前，在模拟每种像差条件之后，播放了一段6分钟的视频（查理·卓别林1936年经典黑白电影《摩登时代》的片段），以使受试者适应模拟的波前像差。适应6分钟后，显示目标。
然后，受试者被要求按照令人反感的模糊标准标记DOFi的两个极限，并在每种情况下使用电动Badal系统三次，交替标记两个极限并从最佳焦点位置开始。
在适应期间，使用AO系统的闭环操作实现了模拟的HOA模式（校正的HOA和另一名受试者的HOA条件），但在主观DOFi测量期间使用了HOA的静态校正和模拟。闭环操作的频率在20Hz左右波动，最小值在15Hz以上。在实验过程中，任何受试者瞳孔错位都是用瞳孔跟踪器检测到的，并由操作员用连接到咬合杆的两个微定位器进行校正。使用CASAO软件（Imagine Optic SA，Orsay，France）进行了高达20维扬阶Zernike展开的波前模拟。在第三种条件下，对大多数受试者随机模拟了其他受试者的几种HOA模式（一到四种模式之间）。然而，这些模拟仅在可用时进行，并且由于实验是在每个受试者的一个会话中进行的，因此第一个受试者没有模拟，第二个受试器只有一个模拟，以此类推。
对受试者自然瞳孔大小的波前测量值进行平均，并对3.8mm瞳孔进行重新缩放（Schwiegerling，2002），并按照美国国家标准协会的惯例重新排序（Thibos，Applegate，Schwiergerling，&Webb，2002；美国国家标准协会，2004）。Strehl比率被用作图像质量度量，它被定义为受试者点扩散函数（PSF）的最大值与衍射极限PSF的最大值之间的比率。
PSF是使用标准傅里叶光学程序从平均和重新缩放的波前测量中获得的（Goodman，1996）。
对主观DOFi测量值进行平均，并计算平均值和标准差。分析了不同条件下DOFi的差异。进行Wilcoxon配对符号秩检验，以检查DOFiN和DOFiC的差异是否显著，并获得这两个变量的正交回归。
我们研究了DOFi与HOAs的均方根（RMS）之间以及DOFi与Strehl比率之间的线性关系。对这两对进行了标准化长轴拟合和Spearman相关性分析。应用了Bonferroni校正。因此，确定统计显著性的水平集为0.025（=0.05/2相关性）。进行了双向方差分析（ANOVA），以观察受试者对DOFi的影响（个体间差异）和改变波前像差模式的影响。在0.05的显著性水平上，使用Levene检验无法拒绝受试者之间和像差模式之间方差同质性的零假设。然而，残差服从正态分布的零假设被Shapiro-Wilk正态性检验所否定。尽管数据不是正态分布的，但我们使用了方差分析，因为双向方差分析没有既定的替代方案，而且其关键结果是信噪比（F统计），这是量化受试者和波前像差模式对DOFi的相对影响的好方法，而不管数据的分布如何。
结果
有和没有自然HOA的主观DOFi：DOFiN和DOFiC
对于3.8毫米的瞳孔，所有受试者的平均DOFiN为1.27±0.38 D（M±SD），范围在0.62至1.83 D之间。DOFiN与HOA RMS（Spearman r=0.146，p=0.673）或Strehl比率（Spearmman r=-0.136，p=0.694）的相关性没有统计学意义。图2显示了DOFiN与HOA RMS（左）和Strehl比率（右）的函数关系，以及相应的标准化长轴拟合。
图2
自然条件下主观DOFi（DOFiN）与HOA RMS（左）和Strehl比率（右）之间的相关性。虚线是使用标准化的长轴拟合获得的。
所有受试者的平均DOFiC为1.01±0.32 D（M±SD），范围在0.51至1.43 D之间。DOFiC与之前校正的HOA RMS（Spearman r=-0.346，p=0.300）和Strehl比值（Spearmman r=0.346，p=0.30）之间的相关性分析没有达到统计学上的显著相关性（图3）。
图3
HOA校正后的主观DOFi（DOFiC）与之前校正的HOA RMS（左）和Strehl比率（右）之间的相关性。使用标准化长轴获得虚线。
DOFiC与DOFiN呈正相关，关系式为：DOFiC=0.760 × DOFiN+0.045（长轴拟合），R2=0.461。图4显示了随着DOFiN值的增加，主观DOFiN和DOFiC的顺序。可以看出，HOA校正后主观DOFi的变化在每个受试者中都是不同的，但两种情况之间存在统计学上的显著差异（p=0.042）。尽管11名受试者中有7名显示DOFiC<DOFiN，但其余受试者的情况并非如此。
图4
校正HOA之前（DOFiN，黑点）和之后（DOFiC，蓝色方块）每个受试者的主观DOFi。右下图显示了DOFiN与DOFiC的相关性。虚线表示正交回归（显示了方程和R2）。误差间隔表示±SEM。
HOA模拟后的主观DOFi：DOFiS
表2显示了在所有条件下测量的DOFi值。从第三列到最后一列显示了模拟其他受试者自然HOA模式（DOFiS）后的DOFi值。如表2所示，当对不同受试者进行诱导时，每种HOA模式对DOFiS的影响不同。新的HOA模式往往会降低大多数受试者的DOFiS，但在少数受试者中，当模拟新的HOA模式时，DOFiS会增加（例如S4和S11）。两名受试者，F（10,34）=9.487，p<0.001，HOA，F（11,34）=2.423，p=0.024，对主观DOFi有显著影响。因此，由个体间差异解释的DOFi方差是由光学波前变化解释的方差的3.9倍（9.487/2.423）。图5显示了两个受试者之间DOFi变化的示例。
表2
所有条件下的景深测量总结。注：列表示每个模拟，行表示测量DOFi的对象。数据是三次测量的平均值。粗体值表示DOFiN。HOA=高阶像差。
图5
两名受试者DOFiS变化的示例。S4（左）和S5（右）。条形图代表每种情况下的平均主观DOFi。误差间隔表示±SEM。
讨论
本研究探讨了两个主要问题：（a）天然HOA在多大程度上影响眼睛的DOFi？（b）受试者之间DOFi的变异性是由HOA、神经因素还是两者共同解释的？为此，我们测量了有和没有HOA的DOFi来回答第一个问题，而在受试者之间交换像差后获得的DOFi将为第二个问题提供线索。
我们的DOFiN结果与Atchison等人（2009）在类似条件下的结果非常吻合。他们发现平均主观DOFiN约为1.30D（7名受试者，4mm瞳孔直径，令人反感的模糊），而在本研究中，平均主观DOFiN为1.27D（11名受试器，3.8mm瞳孔直径，不愉快的模糊）。然而，本研究中HOA校正后的DOFi（1.01 D）明显小于Atchison等人（2009）的研究（约1.20 D）。两项研究的主要区别在于本研究中对校正条件的6分钟适应期。这种对更清晰图像的适应可能增加了受试者的感知模糊阈值（Webster等人，2002），因此与未适应的校正条件相比，主观DOFi降低了。
本研究的一个重要发现是，HOA校正后DOFi发生了显著变化，这表明了自然HOA对DOFi的影响。假设长期模糊适应作用很小，值得注意的是，两种条件（自然和HOA校正后）之间的DOFi差异可能被视为自然HOA对主观DOFi的影响。平均而言，当HOAs被校正为3.8mm瞳孔大小时，主观DOFi降低了21%，尽管这种差异明显取决于受试者（图4）。这些结果回答了我们关于HOAs对DOFi影响程度的第一个问题。然而，在我们的研究中，在最佳焦点下测量的图像质量指标（HOA RMS和Strehl比率）与DOFiN或DOFiC无关（图2和图3），这表明非光学因素可能对DOFi中观察到的差异有更重要的作用。这一发现与Atchison等人（2009）的发现一致，他们发现，在HOA校正了几个瞳孔直径（3、4和6毫米）和几个模糊标准（只是明显、麻烦和令人反感的模糊）后，DOFi的下降幅度很小，但并不显著，为8%。值得注意的是，在自然条件下，眼睛的自然HOA没有得到矫正，然后被诱导。受试者仅校正了低阶像差。因此，在自然条件下，测量误差和噪声的幅度可能与其他条件下的幅度不同。
DOFiC与DOFiN呈正相关，也就是说，在自然条件下DOFi较大的受试者在HOA校正后表现出类似的趋势（图4）。因此，受试者之间DOFiN的差异不仅是由于HOA模式的不同，因为这些差异在HOA校正后仍然存在。此外，DOFiC与校正HOA量（以HOA RMS和Strehl比值表示）之间的相关性没有达到统计学意义（图3）。这表明，对之前纠正的HOA进行长期神经适应的后遗症并不是矫正这些HOA后DOFi程度的原因。
受试者DOFiC的可变性（图4）表明，与模糊检测相关的神经处理在受试者之间可能有所不同。这些结果与Atchison等人（2009）的研究结果一致，他们也发现受试者之间存在相当大的模糊敏感性范围。他们发现，最敏感和最不敏感的受试者之间的DOFi差异高达3.1倍。Coppens和van den Berg（2004）还发现，即使PSF对视网膜图像的贡献可以忽略不计，受试者对不同模糊刺激的分辨能力也存在相当大的差异。事实上，这些研究人员认为，受试者之间视网膜图像神经处理的这些差异可能是人群中VA视力差异巨大的部分原因。在本研究中，我们询问受试者DOFi的差异是否更多地受到光学或神经因素的影响。我们研究了当对不同受试者（包括校正条件）诱导相同的HOA模式时，以及当对同一受试者诱导不同HOA模式（即具有相同光学特性的不同神经因素（受试者）（HOA模式）和具有不同光学特性（HOA模式）的相同神经因素（被试者）时，这些因素对DOFi方差的影响。在假设只有光学因素影响主观DOFi的情况下，通过相同HOA模式观察的两名受试者应呈现相似的DOFi。表2清楚地表明情况并非如此。图5中的示例显示，在查看S4的HOA模式时，S5的DOFi范围与S4不同。预计S4对自己HOA的长期适应一定比S5对相同HOA模式的短期适应产生了更高的DOFi程度。然而，当模拟S1、S2和S3的HOA模式时，两名受试者处于相同的适应阶段，在任何情况下都没有表现出相似的DOFi。这些结果表明，即使在同一适应阶段通过相同的HOA模式观察，受试者的个体感知处理也会对DOFi及其在受试者之间的差异产生影响。因此，通过诱导新的HOA模式来调节DOFi并不能在所有受试者中产生相同的视觉感知。双向方差分析的结果表明，神经因素（除神经对散焦的适应外）的影响是HOA的3.9倍，尽管这两个因素对DOFi都有显著影响。
这些结果表明，由于视网膜图像的个体神经处理的潜在影响，试图通过诱导像差来延长眼睛的DOFi以减轻老花眼的影响的新方法（Benard等人，2011；Yi等人，2011，Villegas等人，2014）可能会因受试者而异，从而获得不可预测的结果。因此，应使用心理物理学技术提前研究每个受试者对这些方法的适用性。需要进一步调查，研究哪些方法能有效衡量这种适用性。自适应光学系统已被证明是绕过影响视觉功能的光学因素并研究其神经因素的好选择（Artal等人，2004），但它们在日常临床实践中仍然很复杂且昂贵。其他一些方法，如噪声方法中的对比度检测（Legge、Kersten和Burgess，1987；Pardhan、Gilchrist和Khar，1993；Pardhaan，2004；Radhakrishnan和Pardhan，2006；Goris、Zaenen和Wagemans，2008），可能有效地实现了这一目标，因为它们已被用来将视觉系统的采样效率与光学因素产生的内部噪声隔离开来。如果采样效率的测量能够预测受试者对畸变诱导的适用性，这可以避免手术方法后可能出现的失望。
总之，本研究的主要发现是眼睛的自然HOA会影响主观DOFi。HOA并不是受试者之间差异的唯一原因，根据受试者的不同，HOA的操纵可能会对主观DOFi产生不同的影响。这些结论表明，诱导HOAs延长DOFi并减轻老花眼的影响可能对某些人比其他人更有益。因此，如果个性化处理，这种方法将是有益的。
致谢
这项工作得到了欧洲Marie Sklodowska-Curie赠款AGEYE 608049-FP7-People对JZD、HR和NLG的资助，以及Séneca基金会赠款Región de Murcia 15312/PI/10对NLG的支持。作者声明，发表这篇论文没有利益冲突。
商业关系：无。
声明：本文并非医学诊断建议也非眼部健康信息建议
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