昆士兰理工大学视觉和眼睛研究中心，视光和视觉科学学院，隐形眼镜和视觉光学实验室的研究团队发布在美国光学学会旗下生物医学光学快车期刊的一份文献
摘要
本研究检测了一组非近视儿童的前角膜、内眼和全眼高阶像差(HOA’s)和视网膜图像质量。角膜前像差来源于使用Placido圆盘视频角化镜(E300, Medmont International)捕获的角膜地形图数据，全眼HOA使用Hartmann-Shack波前传感器(COAS-HD, wavefront Sciences)测量。利用相关分析探讨HOA与年龄、性别、屈光不正和眼轴长度之间的关系。84例5 ~ 12岁儿童数据(平均±标准差等效球镜(SER)，+0.63±0.35 D;范围0.00至+1.75 D)，并适用于4和6 mm瞳孔直径的前角膜和全眼HOA的8阶Zernike多项式，通过与共同参考轴(瞳孔中心)对齐后的减法计算眼内HOA。与以往对青少年和成人的研究相比，眼内HOA的幅度更大，但观察到部分内部HOA的“补偿”，这导致HOA水平降低，视网膜图像质量优异。HOA与年龄、SER和轴长之间几乎没有显著的关联(所有相关性，p > 0.001)，基于性别的差异最小(所有比较，p > 0.005)。根据光学传递函数(VSOTF)，垂直彗差系数(C-13和C-15)和球差系数(C04和C06)与视觉Strehl比的关系最为密切，这表明在该儿童队列中，这些泽尼克系数的绝对值对视网膜图像质量的影响最大。这些发现提高了对儿童眼睛的光学和视网膜图像质量的理解。
1. 介绍
眼睛的高阶像差(HOA)是由角膜和晶状体前后表面的曲率、排列和轴向分离以及角膜、晶状体、房水和玻璃体的折射率产生的。通常情况下，由于角膜后部和晶状体表面产生的内部HOA的部分内部“补偿”作用，角膜前侧HOA的幅度大于眼部总HOA。
在成人中，已经确定的是，眼部总HOA倾向于在~ 20 ~ 80岁之间增加，主要是由于晶状体的变化，而前角膜HOA的增加只占一小部分。一般来说，据报道，婴儿和儿童比成人表现出更大的HOA。然而，儿童和青少年HOA的稳定性或变化尚不清楚。一项针对中国儿童(1634只眼睛)的大型研究发现，3至17岁儿童的HOA值增加，而一项针对加拿大儿童(29只眼睛)的小型研究发现，HOA值在6至20岁之间减少。然而，这些研究在样本量、方法和仪器、屈光不正和种族方面的差异限制了比较这些结果的能力。
虽然文献不一致，但全眼HOA也可能因儿童屈光不正而异。对儿童的横断面研究表明，近视和远视儿童的HOA水平高于远视和低远视儿童。据报道，原发性球差(C04)随着近视/远视的减少而变得更加积极，尽管其他研究没有报道类似的趋势。
很少有研究检查屈光不正组在角膜前和眼内HOA的差异。在成人中，Artal等人报道了远视患者角膜前和眼内的HOA水平高于近视患者，但与远视患者相比，近视患者的眼部总HOA水平略高。在青少年中，Philip等人报道了屈光不正组之间前角膜HOA的组成和大小的差异可以忽略不计，然而，与远视眼和近视相比，低远视眼表现出更多的负内眼原发性球差(C04)和垂直慧差(C-13)，以及更少的正原发性水平慧差(C13)。这些屈光不正组之间的眼内HOA差异导致低远视患者的眼总慧差和球差水平高于远视和近视患者，这与成人的结果相反。然而，迄今为止还没有其他研究探讨儿童角膜前、眼内和全眼HOA的组成或内代偿效应。
已知HOA会降低客观视网膜图像质量，从而影响眼睛生长和屈光不正的发展，但儿童视网膜图像质量尚未得到详细研究。Little等人报道了近视、屈光远视和远视儿童和青少年的视觉Strehl (VS)比相似，Philip等人表明，仅从HOA得出的VSOTF(基于光学传递函数的VS比)在基线访视时，表现出近视屈光偏移(大于-0.50 D)的青少年和屈光稳定超过5年的青少年相似。
这些研究表明，随着时间的推移，眼内光学和眼内代偿的减少可能导致眼总HOA和视网膜图像质量的变化，从而影响屈光不正的发展。对儿童HOA的眼内组成和可能影响HOA的因素的基本了解是重要的，但目前有限。因此，本研究的目的是综合评估非近视学龄儿童角膜前、眼内和全眼HOA的组成、视网膜图像质量以及HOA的眼内代偿，并探讨其与年龄、性别、屈光不正和眼轴长(AL)的潜在关系。
2.材料与方法
2.1. 参与者
伦理批准由昆士兰科技大学(QUT)人类研究伦理委员会授予，行政批准由昆士兰教育部进行这项研究。所有参与者及其父母或照顾者在参与前分别提供书面知情同意书和同意书。
从澳大利亚布里斯班的一所小学的学生群体中招募了133名儿童(男66名，女67名)，年龄在4至12岁之间(平均±标准差(SD)， 7.8±1.9岁)。如果儿童的等效球镜(SER)是非近视(≥0.00 D)，并且通过非睫状体麻痹的主观验光来确定其柱镜分量为0.75 DC或更低，则符合纳入条件。参与者的双眼视力为0.1 logMAR最小分辨率角的对数或更高，全身和眼部健康良好，根据运动和覆盖测试，没有双眼视力异常。49名儿童被排除在外，因为他们要么不符合资格标准，要么在筛选或试图收集数据时不合作。84名参与者(38名男性，46名女性)被纳入分析，平均年龄和SER(±SD)分别为8.3±1.8岁(范围5至12岁)和+0.63±0.35 D(范围0.00至+1.75 D)，获得可靠的角膜地形图和波前测量。
2.2. 设备
使用E300角膜地形图(Medmont International Inc.， Victoria, Australia)捕获每位参与者的左眼角膜前地形图。E300采用Placido盘技术，可高度重复测定角膜高度和由角膜高度数据得出的前角膜HOA。
使用完整眼科分析系统 (COAS-HD, Wavefront Sciences Inc.， New Mexico, USA)测量左眼的眼部总HOA，该系统是一种基于Hartmann-Shack原理的波前传感器。该仪器使用峰值波长为850 nm的近红外超发光二极管对中心凹处的点光源成像，并通过伸缩继电器系统捕获瞳孔平面上的反射光，该系统以159µm的增量对瞳孔进行采样。通过COAS-HD软件将所有测量值重新校准到555nm波长。
IOLMaster 700 (Carl Zeiss Meditec AG, Jena, Germany)是一种高度可重复的眼部生物计，用于测量左眼的眼部生物特征。该生物计采用扫描源光学相干断层扫描技术，通过中心波长为1055 nm的可调谐激光，以30度子午间隔产生6次横断面测量(b扫描)，以确定包括AL在内的各种眼部结构的轴向尺寸。
在COAS-HD和IOLMaster 700(设计相同)上连接一个Badal验光仪，以提供前面描述的0 D调节刺激。Badal验光仪(图1)由一个长通二向色滤光片组成，该滤光片位于距离眼睛20毫米处，角度为45度。在该配置中，680- 1200nm之间的波长有> 95%被反射，400- 630nm之间的波长有>97%被透射(根据厂商规格)。一个+ 10d最佳形状球面巴达尔透镜放置在距滤光片80毫米处(即距角膜平面100毫米处)，一个+ 20d最佳形状球面辅助透镜固定在距液晶显示器100毫米处，在液晶显示器上显示表情符号目标，以最大限度地提高测量期间的接触和固定。巴达尔和辅助镜片之间的分离被改变，以纠正等效球镜和控制调节刺激。
图1：
巴达尔验光仪的原理图，包括表情注视目标。所有的距离都用毫米表示。IR，红外辐射(>650 nm);V，可见辐射(400-650 nm);LPF，长通二向色滤波器;LCD，液晶显示。作为实验注视目标的四个表情符号图像被随机呈现。
2.3. 方法
当参与者盯着普拉西多环的中心时，使用E300捕捉到四张角膜地形图。在每次采集过程中，捕获多幅图像进行审查，并选择质量分数>95的高质量图像(基于集中、聚焦和眼球运动)。清除复查图像，重复此过程，直到获得四张图像。
使用COAS-HD捕获波前测量，然后使用IOLMaster 700进行眼部生物测量。对于这两种仪器，Badal验光仪被校准为呈现0 D调节刺激。通过对准和聚焦角膜反射，将仪器移动到正确的位置。根据受试者的口头指示，将Badal验光仪的表情符号目标与仪器的内固定目标对齐。然后，巴达尔验光仪的目标模糊了2-3个D，并慢慢回到0 D的位置，参与者被要求在目标清晰时报告。这是为了在测量之前确认等效球镜和放松调节。IOLMaster 700捕获了一次测量，COAS-HD捕获了5次25次单独测量(总共125次单独测量)。对于COAS-HD测量，每次捕获持续2秒。在每次捕捉之前，角膜反射被重新聚焦，仪器重新对准瞳孔中心。在前一次捕获之后，在可行的情况下尽快获得后续的捕获，在测量之间将儿童留在下巴托上。两次捕获之间的平均(±SD)时间为11.5±6.3秒，测量的平均(±SD)总持续时间为52.1±15.8秒。
2.4. 数据分析
如果泪膜破裂或仪器定位不佳导致泪膜明显扭曲，如果眼睑孔径太窄，或者E300软件无法显示准确的地形分析，则人工检查角膜地形图，并将其排除在分析之外。假设角膜折射率为1.376，单色入射光为555 nm，使用定制软件根据角膜仰角数据(基于瞳孔中心相对于E300取的角膜顶点法线的偏移量，以视轴为中心)确定前角膜HOA。
如前所述，从COAS-HD导出眼部总HOA数据，并使用定制编写的软件进行筛选。简而言之，基于从平均值中删除任何柱镜>1 D的单个波前测量值，或导致高阶(HO)均方根(RMS) SD超过0.5 μ m的设置，从分析中删除了由眨眼、固定损失或泪膜破坏引起的显著异常值。使用Schwiegerling方法将波前重新缩放为4和6 mm瞳孔直径，并对每次测量得出的系数进行平均，以尽量减少HOA微波动的影响。波前数据只有在测量瞳孔尺寸大于固定瞳孔尺寸时才被纳入分析，以确保数据不会外推到更大的瞳孔尺寸。眼部总HOA数据也与瞳孔中心对齐(在测量捕获期间对齐)。分析中所包含的眼部总HOA的个体测量次数与瞳孔大小有关，4 mm和6 mm瞳孔的个体测量平均值(±SD)分别为104±25和83±42（μ m）。
在瞳孔直径分别为4和6 mm时，对前角膜和入瞳平面上的眼总波前进行了8阶Zernike多项式拟合。对于每个参与者，计算眼部总HOA和前角膜HOA的个体Zernike系数的平均值，计算眼内HOA的方法是将每个瞳孔大小的前角膜HOA的个体平均Zernike系数直接从眼部总HOA中减去。均方根误差由每个参与者的平均个体泽尼克系数确定。分别计算每位参与者角膜前、眼内和眼总HOA的HO(组合3至8级)、单个径向阶(3至6级)、慧差(C - 13、C13、C -15和C15)、三叶草(C-33、C33、C-35和C35)和球差(SA) (C04和C06)的RMS误差。虽然八阶Zernike展开被拟合，并且所有径向阶数都包含在HO RMS和视网膜图像质量度量的计算中，但为了简单起见，由于七阶和八阶值的量级非常小，因此仅分析了RMS变量和包括六阶径向阶数的单个Zernike系数。
为了确定RMS HOA的眼内“补偿”程度，根据下式[2]计算“补偿因子”(CF):
0 ~ 1表示部分内部补偿，1表示完全补偿，0表示不补偿。负值表明内光学增加了前角膜的HOA(即进一步增加了眼部的总HOA)。由于该方程没有考虑到单个泽尼克系数的符号，所以单个泽尼克项的CF由下式确定:
式中Cmn为径向阶为n、角频率为m的泽尼克系数。可以计算出>1的值，表明内部光学存在“过度补偿”效应，即眼内和眼总HOA的单个Zernike系数与相应的角膜前HOA系数具有相反的符号，但绝对值更大。>1表示绝对星等受到眼内成分的影响，而> 2则表示眼部总HOA系数的绝对星等与角膜前HOA系数相同，但符号相反。CF值>2表示绝对星等较大，但与相应的角膜前系数符号相反。这些CF计算的一个可能结果是，小的前角膜HOA(≤0.05µm)可能产生误导性的大负值。因此，没有分析五阶和六阶的均方根值和单个泽尼克系数的CF。
采用基于频域光学传递函数(VSOTF)的视觉施特赖比(Visual Strehl ratio)对视网膜图像质量进行量化。VSOTF计算为像差眼(OTFAE)到衍射受限眼(OTFDL)的光学传递函数曲线下的相对面积，并由神经对比灵敏度函数(CSFN)加权，使用以下公式:
VSOTF是一种常用的指标，用于评估视网膜图像质量，因为它与视觉敏锐度高度相关。数值在0和1之间变化，值≥0.8被认为近似于衍射受限的眼睛。在本研究中，我们根据第3到第8个径向阶来计算OTF和VSOTF，以评估仅由HOA引起的视网膜图像质量。
2.5. 统计分析
使用G* power进行先验样本量计算，以确保所有统计分析达到80%的统计功效，alpha误差概率为0.05。对于相关分析，需要至少61个总样本量来检测统计学上显著的Pearson相关系数为0.35或更大，并且需要62个总样本量来观察基于多变量方差分析(MANOVA)和Pillai 's Trace检验统计量为0.5的男性和女性之间HOA谱的任何全球差异。
年龄、SER、AL、所有个体Zernike系数、所有RMS变量和cf首先分别使用Kolmogorov-Smirnov检验对瞳孔大小进行正态性评估，然后适当地应用参数检验和非参数检验。两种瞳孔大小的SER、大多数个体Zernike系数、RMS值和cf均非正态分布(p < 0.05)。年龄与AL呈正态分布(p > 0.05)。
通过双变量相关分析，研究了个体Zernike系数、RMS变量和CF与年龄、SER、AL和VSOTF的关系。当两个变量均为正态分布时，使用Pearson相关;当一个或两个变量均非正态分布时，使用Spearman秩相关。考虑到对年龄、SER、AL和VSOTF进行了大量的相关分析，使用Sidak校正(包括单个Zernike系数和RMS变量在内的30个相关和包括CF在内的15个相关)来调整相关分析的显著性水平(p值)。包括RMS变量和单个Zernike系数在内的所有相关分析的显著性水平调整为0.001，包括CF在内的相关性调整为0.003。
如前所述，使用方差分析和Hotelling’s Trace检验统计分别分析了基于性别的前角膜、内眼和全眼HOA组成差异。方差分析进行了6次(两种瞳孔大小的前角膜、内眼和全眼HOA)，将个体Zernike系数作为因变量，将性别作为独立的固定因素。
对男女之间的均方根变量、CF和VSOTF进行比较，显著性水平分别为0.006(8个比较)、0.001(32个比较)和0.05，对正态分布的数据采用独立样本t检验，对非正态分布的数据采用Mann-Whitney u检验。使用单样本Wilcoxon符号秩检验和显著性水平0.05将中位CF值与中位CF值1进行比较，以确定表现出内眼代偿的RMS变量和个体Zernike系数。
3 .结果
3.1. 参与者
所有受试者均被纳入4毫米瞳孔分析(n = 84)， 58名受试者(男性25名，女性33名)被纳入6毫米瞳孔分析(因瞳孔大小不足而被排除)，平均年龄和SER(±SD)分别为8.4±1.7岁和+0.62±0.36 D (n = 58)。两个队列在年龄或SER方面没有差异(独立样本t检验，p均≥0.65)。
对于4毫米和6毫米瞳孔大小的分析，分别没有捕获两个和一个参与者的可靠的AL测量，因此被排除在AL分析之外(n = 82, 4毫米瞳孔;6mm瞳孔N = 57)。配对t检验显示，4 mm(22.78±0.82 mm)和6 mm(22.79±0.89 mm)队列的AL无差异(p = 0.93)。AL分析中使用的队列与原始队列在两种瞳孔大小上也没有年龄或SER差异(Mann-Whitney u检验，p均≥0.91)。
3.2. 均方根差和单个泽尼克系数
表S1列出了前角膜和全眼HOA的受试者SD和可重复性系数，表S2列出了4mm瞳孔和6mm瞳孔的RMS变量和单个Zernike系数的中位数和四分位数范围(IQR)。对于两种瞳孔大小，除了4毫米瞳孔的四阶和SA RMS，以及两种瞳孔大小的三叶型RMS(图2)之外，前角膜HOA和眼内HOA的中位数均大于总眼HOA(图2)。对于大多数HOA，总眼系数的中位数比前角膜系数要小，但三叶草除外(C−33和C33)。四阶球差(C−44和C44)和六阶二次球差(C06)。
图2：
A: 4 mm和B: 6 mm瞳孔的前角膜、内眼和总眼高阶像差(HOA)的均方根(RMS)值的箱形图。框表示四分位数范围(IQR)，中线表示中位数，胡须帽和叉分别代表第10和第90，第5和第95个百分位。绿色、红色和蓝色方框分别表示角膜前、眼内和眼总HOA。请注意，4毫米和6毫米瞳孔数据的y轴比例不同。
图3显示了4和6mm瞳孔大小的前角膜、内眼和全眼HOA的平均波前误差图，以帮助可视化部分内眼代偿效果。眼内HOA的大小与前角膜HOA的大小相似，但其形状相反，并且与前角膜HOA相比，全眼HOA的波前误差减小。
图3：
基于高阶像差(HOA 's)(第三至第八径向阶)的平均角膜前、眼内和眼全波前误差图，a: 4 mm瞳孔和B: 6 mm瞳孔，对准瞳孔中心。请注意A和B之间的x、y和z轴上的不同刻度。
3.3. HOA与年龄、SER和AL之间的关系
前角膜、眼内或全眼HOA的RMS变量或单个Zernike系数均与年龄、SER或瞳孔大小的AL无关(均p > 0.001)。
3.4. VSOTF与HOA、年龄、SER和AL之间的关系
4 mm瞳孔的中位VSOTF(和IQR)为0.867 (0.835-0.919)，6 mm瞳孔的中位VSOTF为0.777(0.720-0.844)。VSOTF与年龄、SER或瞳孔大小的AL无关(均p≥0.22)。
VSOTF与眼总HO (4 mm)呈显著负相关，Spearman ρ = -0.95;6毫米:皮尔逊r = -0.93)，三阶(4毫米:斯皮尔曼ρ = -0.86;6 mm: Pearson r = -0.87)，慧差RMS (4 mm: Spearman 's ρ = -0.82;6 mm: Pearson r = -0.87)(均p < 0.0001)。此外，对于4 mm瞳孔，VSOTF与眼总四阶(Spearman’s ρ = -0.67)和球差 RMS (Spearman’s ρ = -0.48)显著相关(p < 0.0001)。
对于6mm瞳孔，没有个体泽尼克系数与VSOTF相关。然而，对于4mm瞳孔，VSOTF与眼总初级(C−13)(Spearman’s ρ = 0.41)和次级垂直慧差(C−15)(Spearman’s ρ = -0.37)之间的相关性，初级(C04) (Spearman 's ρ = -0.46)和次级球差(C06) (Spearman 's ρ = 0.45)(均p≤0.001)具有显著性(图4)。眼内初级垂直慧差(C-13) (Spearman 's ρ = 0.38)和球差(C04) (Spearman 's ρ = -0.44)也与4 mm瞳孔的VSOTF显著相关(p < 0.0001)。
图4：
散点图显示了基于光学传递函数(VSOTF)的视觉Strehl比与总眼初级(C−13)和次级水平彗差(C−15)以及初级(C04)和次级球差(C06)之间的相关性。相关系数也显示在图上(均p≤0.001)。
3.5. 眼内代偿因子
表S4和图5给出了每个RMS变量和单个泽尼克系数的中位数(和IQR)补偿因子(CF)，直至第四径向阶。对于4mm瞳孔，所有RMS变量的中位CF值均显著不同于1。前角膜HOA的眼内代偿在慧差RMS中最大，在四阶RMS中最小。内部光学也似乎贡献更大水平的三叶草RMS的总眼波前。对于6mm瞳孔，前角膜HOA的眼内代偿在球差RMS中最大，在三叶草RMS中最小。
图5:
补偿因子(CF)的RMS变量和个别泽尼克项的A: 4和B: 6毫米瞳孔。数据以中位数和四分位数范围表示。虚线表示部分内部补偿(即CF值在0和1之间)。CF值大于1表示“过度补偿”，负CF值表示内部高阶像差(HOA)对前角膜HOA的可加性。星号表示中位CF值与1有显著差异(p < 0.05)。
对于两种瞳孔大小，大多数个体Zernike系数的中位数CF值与1没有显著差异，表明几乎完全的眼内代偿。初级垂直三叶草(Z−33)和慧差(Z−13)的中位CF值在两种瞳孔大小下均显著不同于1。对于4mm瞳孔，初级球差(Z04)、初级斜向像差(Z−44)和垂直四阶像差(Z44)的中位CF值也不同于1。对于6mm瞳孔，其他几个Zernike系数的中位数CF值与1有显著差异，包括初级斜三叶草(Z33)、初级斜四叶草(Z-44)和次级斜像散(Z-24)。
3.6. CF与年龄、SER、AL和VSOTF之间的关系
年龄和AL与任何RMS变量的CF无关，也与瞳孔大小的单个Zernike系数无关(p均≥0.02)。对于6 mm瞳孔，SER与初级垂直四叶草(Z44)的CF呈显著负相关(Spearman 's ρ = -0.39, p = 0.002)，但其他CF与SER均无相关性(p > 0.04)。
HO (4 mm)的VSOTF与CF呈正相关:Spearman ρ = 0.65;6毫米:斯皮尔曼ρ = 0.68)，三阶(4毫米:斯皮尔曼ρ = 0.58;6 mm: Spearman 's ρ = 0.58)，慧差RMS (4 mm: Spearman 's ρ = 0.58;6 mm: Spearman ρ = 0.65)，所有瞳孔均有统计学意义(p < 0.0001)。对于4 mm瞳孔，VSOTF也与四阶CF (Spearman’s ρ = 0.48)和SA RMS (Spearman’s ρ = 0.48)呈显著正相关(p < 0.0001)。
对于大多数个体Zernike系数，VSOTF与CF不相关，但在4 mm瞳孔的初级球差(Z04) (Spearman 's ρ = 0.50, p < 0.0001)和6 mm瞳孔的初级垂直彗差(Z-13) (Spearman 's ρ = 0.54, p < 0.0001)之间观察到VSOTF与CF之间的显著正相关。
3.7. 性别差异
前角膜、眼内或全眼HOA RMS变量、个体系数或瞳孔大小的VSOTF均未观察到显著的性别差异(均p > 0.005)。对于4 mm或6 mm瞳孔，任何RMS变量或单个Zernike项的CF值在两性之间也没有显著差异(均p > 0.01)。
3.8. 动力分析
G*Power用于根据所有分析的纳入样本量计算统计度数。如果相关系数绝对值≥0.3(包括AL在内的相关系数≥0.31)，包括4 mm瞳孔直径在内的所有相关数据的统计威力(P)均>0.80。对于6 mm瞳孔直径，绝对星等≥0.36的相关系数(含AL的相关系数≥0.37)的统计能力均>0.80。
对于探索性别差异的MANOVA，使用G*Power根据计算的Pillai 's Trace检验统计量和包含样本量来计算统计功率。除6mm瞳孔前角膜HOA的统计能力为0.30外，各分析的统计能力均≥0.94。
4 .讨论
这是第一个研究年龄、屈光不正、性别和AL与非近视学龄儿童HOA的眼内组成和视网膜图像质量之间关系的研究。如前所述，在成人中，在这个儿科队列中观察到部分内部“补偿”HOA。总的来说，对于这组儿童，前角膜、内眼和全眼HOA与年龄、屈光不正、AL无关，并且在眼内代偿方面没有观察到基于性别的差异。
本研究中，全眼HO、三阶、慧差RMS、原发性三叶草(C-33和C33)和昏迷(C-13和C13)的中位值落在儿童和青少年中先前报道的值范围内。虽然在与本研究年龄相近的儿童中有更高水平的眼部总HOA (6mm瞳孔约0.35µm)的报道，但之前的两项研究在其队列的屈光误差范围和使用不同的波前传感器上都有显着差异。同样，Kirwan等人也报道了一个年轻的单眼瘫痪患者，他们的屈光不正范围更广，超过6毫米瞳孔的眼部总HOA(0.16µm)水平更高。对于5毫米瞳孔，与本研究的4毫米瞳孔(中位数0.093微米)和6毫米瞳孔(中位数0.239微米)的结果相比，年幼的儿童和青少年在睫状体麻痹下分别表现出更大和更小的HOA值(约0.16-0.27微米)，然而这些差异可以通过用于分析的不同瞳孔大小来解释。
总眼初级球差(C04)的正性中值较低(4 mm: 0.020µm;6毫米:0.014微米)，然而，大多数先前对儿童和青少年的研究报告了更多的正值，结果范围为-0.115至0.07微米。与先前的研究相比，这一观察结果也解释了四阶和SA RMS水平的降低，这似乎是由于前角膜原发性球差的正程度较低(C04)。由于调节已知会导致初级球差(C04)的负偏移，因此与之前的研究相比，本研究中获得的非睫状体麻痹测量结果导致较少的正初级球差(C04)，尽管使用Badal验光仪进行调节控制，但在之前的研究中，在睫状体麻痹或老年参与者中测量HOA。然而，先前的HOA研究中报告的数值范围很大，表明HOA的个体差异很大，这可能被仪器、方法、参与者年龄、屈光不正范围和用于分析的瞳孔大小之间的差异所夸大。
在将先前发表的青少年(平均年龄±SD, 16.9±0.7岁)和成人数据(平均年龄±SD, 41±0.9岁)从5毫米瞳孔直径缩放到4毫米后，本研究中儿童的眼内HO、三阶、四阶、慧差、三叶草和球差RMS的中位值均大于先前报道的青少年单眼麻痹和成人非单眼麻痹测量的平均幅度(高达2.3倍)。考虑对映性后，眼内个体泽尼克系数也有显著差异。在目前的研究中，与青少年和成年人相比，儿童表现出大约一半的初级垂直(C-33)和水平三叶草(C33)的幅度(但符号相反)。这些儿童的原发性水平慧差(C13)大约是成人和青少年的两倍，而原发性垂直慧差(C-13)大约是成人和青少年的15%，但与成人相同(正)，与青少年相反。初级球差(C04)在青少年和成人中均约为70%，但在儿童和青少年中均为负，而在青少年中为正。
这些发现表明，与青少年相比，儿童的整体水平更高，但组成不同，而青少年的眼内HOA与成人相似。这些差异很可能是由晶状体引起的，因为直到10岁左右才会观察到结构和光学变化，并且在成年期由于晶状体变化而导致的球差和慧差水平的增加已被报道。然而，Atchison等人使用了不同的仪器和方法，并且通过将后角膜和晶状体的值相加来计算眼内HOA，这使得很难进行直接比较。
本研究首次显示学龄儿童与青少年和成人相似，存在HOA的内部眼部“代偿”。所有RMS值的CF值都在0到1之间，除了4mm瞳孔的三叶草RMS值，其中存在内部“可加性”导致更大的眼部三叶草。由于单个泽尼克系数是有符号的值，检查RMS变量的CF可能会掩盖内部HOA补偿，因此，也确定了单个泽尼克系数的CF。
所有分析的泽尼克项的中位数CF都是正的，并且在0到1之间，这表明大多数泽尼克项的绝对大小部分地被眼睛的内部光学所降低。对于原发水平慧差(Z13)，两种瞳孔大小的中位数CF都在1到1.5之间(尽管与1没有显著差异)，这表明眼睛内部光学对这个泽尼克系数可能有轻微的“过度补偿”，即绝对星等下降，但符号改变。这种“过度代偿”分别与前角膜和内眼原发性水平慧差(Z13)的大、正、负中值相关。Tabernero等人认为有两个主要因素可以解释这些较大的星等但良好的眼内代偿;角膜和晶状体之间的角度排列(即角kappa， κ)，以及这些眼部结构的形状因子。
一些4mm瞳孔(Z−33、Z−13、Z−44、Z04和Z44)和6mm瞳孔(Z−33、Z−13、Z33、Z−44、Z−24和Z24)的中位CF低于0.5，表明眼部内部代偿不足50%。不同瞳孔大小的原发性垂直三叶草(Z-33)和慧差(Z-13)的眼部内部代偿低的一致发现可能是眼睑诱导的前角膜变化的影响，因为这些变化先前已被确定与近距离工作有关，并导致原发性垂直三叶草(Z-33)和昏迷(Z -13)的变化。然而，这些研究结果更广泛地表明，在儿童中存在部分眼部内部“代偿”，就像之前在成人中报道的那样，即角膜前侧HOA存在一些内部调节，以最小化眼部总HOA并最大化视网膜图像质量。
目前尚不清楚眼内代偿是一种被动机制(即眼睛的自然发育仅仅导致HOA的降低)还是存在一种主动过程(即眼内成分响应前角膜某些HOA的存在而改变，以使整个眼睛HOA最小化)。后一种理论有一定的依据。最近一项使用自适应光学的试点研究表明，施加已知水平的纵向球差(LSA)会导致眼睛的LSA发生与施加刺激相反方向的变化。此外，角膜塑形镜佩戴一周后，观察到前角膜初级球差(C04)的变化大于全眼，这表明角膜塑形镜引起的前角膜HOA变化可能存在一定的内部适应性。这些研究表明，眼睛可能能够检测并积极适应不同的HOA，这可能是通过角膜塑形术期间调节反应的变化，或视网膜感光器取向的变化。然而，需要进一步研究这种主动内眼适应的潜在机制。
对于两种瞳孔大小，VSOTF显示，在这组非近视的学龄儿童中，由眼部总HOA引起的视网膜图像质量非常好，接近衍射限制(两种瞳孔大小的中位数VSOTF为0.8)。很少有研究检查儿童的视网膜图像质量，但是青少年的中位VSOTF比Philip等人报道的要高(平均VSOTF = 0.621)。Little等人报告了9-10岁儿童和15-16岁青少年的另一种VS度量(VSX)为~ 0.25，表明视网膜图像质量低得多，但可能包括离焦和散光的低阶项。
几个RMS变量和单个Zernike系数与VSOTF相关。观察到VSOTF与总眼HO、三阶、四阶、慧差和SA RMS(以及这些RMS变量的补偿因子)之间呈负相关。这些研究结果表明，这些HOA水平的增加和较差的眼内代偿导致视网膜图像质量下降。几个单独的Zernike系数也与VSOTF相关，包括眼总次级垂直昏迷(C - 15)和球差(C06)，以及4 mm瞳孔的眼总和内部初级垂直昏迷(C - 13)和球差(C04)。这些泽尼克项通常主导着眼睛的HOA轮廓，并表明它们对视网膜图像质量的影响最大，即当系数的值接近0时，VSOTF接近1。尽管超出了本研究的范围，但由于视力和VSOTF指标高度相关，这些发现表明，即使采用最佳的球柱面矫正，眼内代偿较少，因此这些HOA水平较高，可能会限制儿童的视力。
年龄与瞳孔大小的VSOTF均无显著相关性。少数几项关于学龄儿童视网膜图像质量的研究得出了相互矛盾的结果。Little等人报道，儿童(9-10岁)和青少年(15-16岁)的视网膜图像质量(使用VSX，一种不同的视觉Strehl测量法)相似。Philip等人使用与本研究相同的像差仪测量了一组青少年(平均年龄±SD, 12.6±0.5岁)的VSOTF，发现其值低于本研究。这可能表明，在学龄和青春期之间，视网膜图像质量会下降。Philip等人也认为视网膜图像质量在12至17岁之间持续下降，然而Brunette等人相反地报道，基于调制传递函数，20岁以下儿童的视网膜图像质量比中年人差，这表明视网膜图像质量在整个青春期和成年早期都有所改善。然而，这两项研究在样本量上存在明显差异，Brunette等的研究中，该年龄组的参与者为29人，而Philip等的研究中，参与者为166人。需要更多的纵向研究来更好地了解儿童和青少年时期视网膜图像质量的变化。
Philip等人也报道了近视的青少年在五年内变得近视的视网膜图像质量比那些保持近视的青少年下降得更大;然而，两组在研究开始时表现出相同的视网膜图像质量，这表明视网膜图像质量下降与近视发展有关，而不是近视发展的原因。一项针对成人的研究报告称，进展性近视的视网膜图像质量比近视眼差，然而，这些视网膜图像质量的差异可能仅在屈光不正发生后才存在。由于本研究仅纳入非近视儿童，屈光不正范围有限，因此很难得出屈光不正对视网膜图像质量影响的结论。然而，人工智能和VSOTF之间缺乏显著的相关性表明，长眼轴的眼睛并不一定具有较差的视网膜图像质量。除了视网膜图像质量和屈光不正发展的纵向研究外，还需要对更大范围屈光不正儿童进行进一步的研究来探索这种关系。
该儿科队列中6mm瞳孔前角膜HOA的可重复性系数比先前的一项成人研究高出1至1.5倍，该研究探索了E300地形图得出的6mm瞳孔前角膜HOA的可重复性。同样，对于使用COAS-HD波前像差仪测定的眼部总HOA，本研究中参与者4毫米瞳孔的受试者内SD也比先前报道的成人5毫米瞳孔的受试者内SD高1至2倍。由于注意力的减少和固定稳定性的降低，儿童的测量结果通常不如成人可靠，因此，与成人相比，该队列儿童的前角膜和全眼HOA测量结果的重复性指标略差也就不足为奇了。
本研究的一些局限性可能影响了结果。虽然调节是通过在参与者的远点呈现一个目标来控制的，但长通滤波器和仪器的接近可能诱发了一些近端调节信号，因此导致了一些调节。通过将室内照明降低到尽可能低，用黑色材料覆盖COAS-HD面向参与者的表面，修补未测试的眼睛，并在测量期间不断鼓励参与者在Badal验光仪内保持注意力和注视目标，以及在数据分析期间筛选显著异常值的数据，从而最大限度地减少这些线索。
由于角膜地形图(~ 10勒克斯)和像差仪(~ 5勒克斯)在眼平面上的小照度差异导致的不对准误差可能导致瞳孔中心位置的移动，从而影响以瞳孔为中心的HOA的重新对准和确定。然而，照度差异很小(<1 log单位)，并且这种瞳孔中心偏移已被证明对HOA测量的影响最小。此外，由于参与者在准确对准仪器内固定和Badal目标方面的可靠性差或仪器头枕稳定性差而导致的不对准，通过研究者定期重新对准Badal和仪器固定目标以及重复测量(过度运动或固定不良可能影响结果)来最小化。由于来自像差计的入射光倾斜地进入和离开眼睛，不对准可能会引起不对称的HOA，如彗差。然而，由于本研究的结果与以往的研究一致，这些潜在的误差对结果的影响似乎可以忽略不计。
5 .结论
这项横断面研究首次全面研究了非近视学龄儿童眼内HOA的组成和视网膜图像质量。在这个队列中，发现男孩和女孩的前角膜、眼内和全眼HOA相似，与SER、AL和年龄的关联很少。该研究还证实，与成人一样，大多数儿童的眼睛也表现出部分内部HOA补偿，这导致整个眼睛的HOA水平降低，但眼部内部HOA比以前对青少年和成人的研究要大得多。在这项研究中，大多数儿童的视网膜图像质量都很好，然而，HOA水平的增加和HOA部分眼部代偿的减少与视网膜图像质量的下降有关。未来的研究需要评估屈光不正发展和眼轴生长对HOA的时间影响，以及对儿童调节和聚散期间的HOA进行研究，以更好地了解近距离工作与近视发展之间的潜在联系。
致谢
作者感谢Henry Kricancic对仪器元件的构建所做的贡献，Pryntha Rajasingam对数据收集的帮助，Brett Davis和Robert Iskander开发了实验中使用的定制软件。
资金
澳大利亚政府教育、技能和就业部10.13039/501100015211(研究培训计划津贴(国内));昆士兰科技大学10.13039/501100001793(优秀充值奖学金)
披露的信息
作者报告没有利益冲突，对本文中提到的任何材料没有专有利益。
数据可用性
数据可根据要求向通讯作者索取。
补充文件
支持内容见附录1。
表S1：前角膜个体Zernike系数的受试者内标准差（SD）和重复性系数，以及4和6 mm瞳孔直径的第六径向级的总眼部高阶像差（HOA）。
表S2：对于4 mm瞳孔直径，均方根（RMS）值的中位数（和个体Zernike系数的IQR，四分位数范围），直到第六径向阶。数据如图2和图3所示。
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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