準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)個體化切削，它不僅能進(jìn)行正常的角膜屈光矯正，減少高階像差， 而且可以有效的克服傳統(tǒng)準(zhǔn)分子激光手術(shù)引起的球差、彗差以及其他高階像差而導(dǎo)致的夜間視力下降、光暈、眩光及偏心切削等并發(fā)癥。準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系 統(tǒng)包括主觀式像差儀進(jìn)行波前像差的測量、準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)進(jìn)行像差矯正兩大部分。描述了人眼波前像差的概念、成因以及表示的方法和測量技術(shù)；研究了準(zhǔn)分子激 光人眼像差矯正系統(tǒng)的原理；闡述了準(zhǔn)分子激光飛點(diǎn)掃描、主動眼球跟蹤、激光的恒能和閉環(huán)控制、激光脈沖光斑直徑和均勻控制等關(guān)鍵技術(shù)。研究成果可直接用于 準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)，目前正在進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，取得了良好效果。
個體化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)(customized procedure)是最近幾年發(fā)展起來的以波前像差(wavefront)輔助的新一代屈光手術(shù)技術(shù)。波前技術(shù)的發(fā)展及其在屈光手術(shù)中的應(yīng)用使準(zhǔn)分子激 光手術(shù)實(shí)現(xiàn)個體化治療成為可能。“量體裁衣”式的個體化角膜切削技術(shù)是以波前技術(shù)為平臺來檢查和矯正除常規(guī)的近視、遠(yuǎn)視和散光等初級屈光不正以外，同時一 并矯正每個個體特有的更高級的屈光異常，即我們所說的“不規(guī)則散光”。波前技術(shù)指導(dǎo)的個體化準(zhǔn)分子激光手術(shù)能有效克服傳統(tǒng)準(zhǔn)分子手術(shù)引起的夜間視力下降、 光暈、眩光及偏心切削等并發(fā)癥，并能夠減少由傳統(tǒng)屈光手術(shù)引起的像差。其目標(biāo)是矯正每一個體獨(dú)特的屈光非理想狀態(tài)，取得更舒適的視覺狀態(tài)及增加視覺對比敏 感度。所謂“準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)”，就是根據(jù)不同個體波前像差的特性，用準(zhǔn)分子激光對角膜進(jìn)行個性化切削，根據(jù)不同個體獨(dú)特的光學(xué)特性和解剖特 性，通過各種球鏡、柱鏡、非球鏡以及非對稱的切削，以減少人眼的高階像差，從而使人眼的視力能夠達(dá)到2. 5(20/8)以上的超視力(super vision)。文中從波前像差的概念、成因、表示和測量原理開始，研究了準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正的原理、準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，給出了 準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)框圖。
1、波前像差的概念、成因及表示方法
像差并不是一個新概念，在幾何光學(xué)和物理光學(xué)領(lǐng)域，像差用來衡量光學(xué)系統(tǒng)成像品質(zhì)，表示光學(xué)系統(tǒng)所存在的缺陷。幾何光學(xué)中，光是傳導(dǎo)中的電磁 波，波陣面(wavefront)是距光源的光程為常數(shù)的表面或與點(diǎn)光源發(fā)出的所有光線垂直的表面，即連續(xù)的等相位面，它的形狀被直接用于表征光學(xué)系統(tǒng)的 像差。在理想成像情況下，點(diǎn)光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后所成的像應(yīng)是一個以理想像點(diǎn)為中心的球面即理想波面，所謂的波陣面像差就是實(shí)際的波陣面和理想的波陣面之間 的像差。對于人眼屈光系統(tǒng)并不能形成理想波面，像面在視網(wǎng)膜的準(zhǔn)確聚焦并不能保證視網(wǎng)膜成像的高度清晰，其像差主要來源于光學(xué)系統(tǒng)的缺陷：
角膜和晶狀體的表面不理想，其表面曲度存在局部偏差；
角膜與晶狀體、玻璃體不同軸；
角膜和晶體的內(nèi)含物不均勻，以致折射率有局部偏差，從而使經(jīng)過偏差部位的光線偏離了理想光路，致使物體上一點(diǎn)在視網(wǎng)膜的對應(yīng)點(diǎn)不是一個理想的像點(diǎn)，而 是一個發(fā)散的光斑，其結(jié)果是整個視網(wǎng)膜對比度下降，視覺模糊，這種成像偏差就是人眼的像差。
用光線的矩陣形成波前并和理想的球面比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者存在偏 差， Brown&Wolf稱這種偏差為波前像差(wave front aberration)。人眼屈光系統(tǒng)中普遍存在各種像差(aberrations)。這些像差可分為許多部分，除了球差和柱差外，還有彗差、像散和像面 彎曲等更高階的像差，波前像差的個體差異較大，需通過正確的測量和表示來得到個體的像差數(shù)據(jù)。
從應(yīng)用光學(xué)角度，波像差有許多種表示方法，由于波像差是實(shí)際波面和理想波面之間的光程差，因此用計(jì)算光程的方法計(jì)算波像差是比較方便的，各條光 線的光程與通過光瞳中心的主光線的光程差值即為各光線的波像差。目前在醫(yī)學(xué)上，比較易于理解且可以定量表達(dá)像差的方法是用Zernike多項(xiàng)式來描述。常 用的Zernike多項(xiàng)式為7階36項(xiàng)， 0階為無像差； 1~2階為低階像差； 3階及以上為高階像差，低階像差與傳統(tǒng)的像差即近視、遠(yuǎn)視和散光相對應(yīng)，而高階像差則對應(yīng)于一些非經(jīng)典的像差。圖1是某位被測者用WFA1000測量出的像差表示。
Zernike多項(xiàng)式眼波前像差的數(shù)字表達(dá)式，在臨床上便于醫(yī)生觀察的更直接的表達(dá)是將Zernike函數(shù)重建成在瞳孔平面二維眼的波陣面像差 圖，其表述方法類似于角膜地形圖。角膜地形圖用來表示角膜表面的曲率，而波陣面像差圖則反映實(shí)際光波陣面與理想?yún)⒄詹嚸娴牟町悺?/p>
2、波前像差的測量
波前像差的測量主要基于兩種理論：干涉理論和光路追蹤理論，如以干涉理論為基礎(chǔ)的Twymann綠光干涉儀，其原理是使一準(zhǔn)直光束分離，分離的 光束分別從測試表面和參考表面反射后重新匯聚。只有當(dāng)兩個波面完全一致時，重新匯聚的光線不會出現(xiàn)干涉的模糊邊緣，否則，邊緣干涉圖形就表現(xiàn)為不同的波前 像差圖形。但由于人眼穩(wěn)定性和難以重構(gòu)參考表面，用干涉理論測量像差的方法在生理光學(xué)很少應(yīng)用。
以光路追蹤理論為基礎(chǔ)的波前像差測量其基本原理是：通過貫穿眼入瞳的一列陣光線斜率的整合而重現(xiàn)波前像差平面得以實(shí)現(xiàn)。這一方法在1900年時 被Hartmann首先實(shí)現(xiàn)。到目前為止已發(fā)展到Hartmann-Schack，Tschering和Scheiner-sminov三大理論，主觀和 客觀兩種測量方法。我們利用He JC等人的主觀空間分辨屈光計(jì)原理，開發(fā)了主觀式像差WFA21000來測量波前像差。
3、準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正的原理
人眼并非是理想光學(xué)系統(tǒng)，假如不考慮角膜和晶狀體的像差，以及衍射對人眼視覺品質(zhì)的限制，那么根據(jù)視網(wǎng)膜的光感受器細(xì)胞的大小以及細(xì)胞之間的距 離(2. 5μm)，則視網(wǎng)膜像的空間分辨率應(yīng)達(dá)到20/8，要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，首先必須精確測量眼屈光系統(tǒng)總體像差，然后用準(zhǔn)分子激光飛點(diǎn)掃描人眼角膜。達(dá)到重塑角 膜，以減小像差，達(dá)到鷹眼般的視力。準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)主要采用先進(jìn)的像差測量技術(shù)，以像差作為手術(shù)的主要參數(shù)，結(jié)合波像差圖，參考 Zernike函數(shù)圖，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，將像差轉(zhuǎn)換為切削量，采用高速自動跟蹤技術(shù)，準(zhǔn)確定位人眼，進(jìn)行飛點(diǎn)式掃描切削角膜，達(dá)到消除人眼像差，提高人眼視 力品質(zhì)的目的。
目前臨床上用于屈光手術(shù)的準(zhǔn)分子激光器主要是波長為193 nm的氟化氬準(zhǔn)分子激光。基本原理是利用惰性氣體氬及二價鹵素元素氟在激光腔內(nèi)產(chǎn)生高能電子放電時被激活，形成不穩(wěn)定的氟化氬分子，激發(fā)釋放高能紫外光 子，并通過諧振腔形成激光。激光束發(fā)出后經(jīng)過衰減器，光閘、一系列透鏡組、X， Y掃描器、折光鏡片等復(fù)雜的傳輸系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)控制下到達(dá)角膜完成各種操作。X， Y掃描器是接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的激光脈沖X， Y位置，通過電路的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成能控制X， Y兩個方向掃描器的電信號，使X， Y偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而在角膜表面相應(yīng)的位置上輻射激光脈沖，達(dá)到切削角膜表面的目的。在激光的控制過程中，由激光能量傳感器和衰減器協(xié)同閉環(huán)工作，使得 激光能量在整個手術(shù)過程中保持穩(wěn)定的狀態(tài)。使每個進(jìn)行消融的激光脈沖恒定，從而保證每個激光脈沖的消融的深度和形狀保持一致。在整個系統(tǒng)中，還有一些如激 光的光閘、腳控開關(guān)和手術(shù)顯微鏡等輔助設(shè)施，可以使激光脈沖隨時收發(fā)，使醫(yī)生控制自如。
4、準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正的關(guān)鍵技術(shù)
4.1、飛點(diǎn)掃描技術(shù)
飛點(diǎn)掃描———以高頻率、高穩(wěn)定性和高能量密度的準(zhǔn)分子激光高速掃描角膜組織，在程序控制下，使激光脈沖在設(shè)定的手術(shù)區(qū)域內(nèi)按程序設(shè)定的算法在 角膜上表皮或角膜基質(zhì)層上進(jìn)行兩個方向的掃描，改變角膜屈光度，從而達(dá)到矯正屈光不正的目的。飛點(diǎn)掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)切削技術(shù)的弊端，如階梯效應(yīng)、中央島 和激光能量不均勻?qū)е碌牟灰?guī)則散光等。該技術(shù)要求激光束的光斑為小光斑。不過更先進(jìn)的理論認(rèn)為：單一的小光斑或單一的大光斑都是不理想的，在激光氣化角膜 組織的過程中，運(yùn)用不同大小的光斑才能完成對角膜的理想切削和雕琢。而且其光斑可呈柱狀、球狀和橢圓狀等等，術(shù)中根據(jù)患者眼球情況，自動調(diào)整光斑大小和形 狀，能輕松完成最復(fù)雜最精細(xì)的角膜整形，從而為矯正像差提供更加個性化的治療方案。
4.2、主動眼球跟蹤技術(shù)
主動眼球跟蹤系統(tǒng)的使用，使準(zhǔn)分子激光手術(shù)更為理想地進(jìn)行。近年來在制導(dǎo)追蹤技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)算速度提高等條件的配合下，即時的( real-time)、主動式(activemode)的眼球追蹤已成為現(xiàn)實(shí)。眼球跟蹤———傳統(tǒng)的PRK和LASIK，沒有眼球跟蹤技術(shù)，手術(shù)時患者眼 球常不自覺轉(zhuǎn)動，因而，角膜偏中心切削、術(shù)后散光等并發(fā)癥在所難免。主動眼球跟蹤技術(shù)：在人的角膜表面貼一直徑1mm左右的紅外反射點(diǎn)，通過接受反射回來 的光線，跟蹤頻率大約2 000Hz，比準(zhǔn)分子激光發(fā)射脈沖頻率150Hz~200Hz快8~10倍，足以配合激光切削角膜，它可精確捕捉眼球的運(yùn)動量，將得到的位置偏移量轉(zhuǎn)化成 相應(yīng)的電信號疊加到X， Y掃描器上(見圖2)，重新把激光及時聚焦到切削點(diǎn)進(jìn)行掃描，因而術(shù)中患者眼球向任何方向轉(zhuǎn)動也不會出現(xiàn)偏中心切削，不會影響手術(shù)的精確性和術(shù)后效果。
4.3、激光的恒能和閉環(huán)控制技術(shù)利用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行角膜切削，切削后的表面光滑程度與手術(shù)后的諸多并發(fā)癥有直接的關(guān)系。激光光斑的大小、形狀 與激光角膜消融的像差矯正，特別是四階以上的像差有關(guān)。而激光光斑的大小、形狀與激光能量的穩(wěn)定性有關(guān)。因此在準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)中采用了激光的 恒能閉環(huán)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光能量波動<2%。系統(tǒng)激光器有兩種工作狀態(tài)：高壓模式和恒能模式。所謂高壓模式，即激光器工作在高壓恒定的模式，其輸 出激光的能量在一定的時間內(nèi)呈現(xiàn)下降的態(tài)勢，其下降的斜率較小，對于手術(shù)要求不是很高，如傳統(tǒng)的激光屈光手術(shù)是完全可以接受的；所謂恒能模式，是指激光器 工作在能量恒定的狀態(tài)，其輸出激光的能量在一定的時間內(nèi)呈近似水平狀態(tài)，它通過自動調(diào)整激光器內(nèi)部高壓(在允許范圍內(nèi))來保證輸出的激光能量恒定，并且在 整個手術(shù)過程中由激光器內(nèi)部的能量探測器實(shí)時監(jiān)測激光輻射能量，自動調(diào)整激光器內(nèi)部電壓保證激光輸出能量的穩(wěn)定。
4.4、激光脈沖光斑直徑和均勻控制技術(shù)
激光處理過的角膜基質(zhì)層表面是否平滑，直接關(guān)系到術(shù)后的視覺品質(zhì)。平滑的角膜就好像一副“名牌眼鏡”，看物體清晰不變形；不平滑的角膜就相當(dāng)于 “劣質(zhì)眼鏡”，物體會產(chǎn)生輕微的變形，嚴(yán)重的還可能發(fā)生不規(guī)則散光現(xiàn)象，需要再次手術(shù)，而切削后的角膜是否平滑，在很大程度上取決于激光光斑的直徑和均勻 性的控制，系統(tǒng)采用獨(dú)創(chuàng)的均光技術(shù)有效地控制了激光光斑直徑和均勻性，大大提高了光束的品質(zhì)，能量分布均勻性顯著搞高，角膜切削更加平滑，術(shù)后回退現(xiàn)象減 少。視覺品質(zhì)得以改善，夜間視力更加優(yōu)化，并且可使復(fù)雜的角膜切削變得極為輕松?！?、結(jié)論
目前準(zhǔn)分子激光人眼像差矯正系統(tǒng)采用波前像差儀與小光斑高速飛點(diǎn)掃描準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，使屈光手術(shù)達(dá)到日臻完美的新階段，其結(jié)果與前景 令人鼓舞，但是，波前像差引導(dǎo)的準(zhǔn)分子激光角膜手術(shù)還存在一定的缺陷： 1)假如像差矯正采用較大的光學(xué)區(qū)(≥d6. 5 mm)，則比標(biāo)準(zhǔn)球鏡及散光矯正模式需要更深的角膜切削。因此，在某些情況下，尤其是在高度數(shù)矯正時為了不影響角膜結(jié)構(gòu)的完整，不可能完全矯正視覺像差。 因?yàn)橄癫畹某C正需要切削的邊緣具有明顯的深度，為避免增加愈合反應(yīng)，需找到合適的過渡區(qū)使視覺結(jié)果盡可能完美并盡可能減少組織的切削。2)個別眼術(shù)后高階 像差增加大于常規(guī)LASIK，可能是由于像差測量誤差尤其是一些復(fù)雜病例像差測量困難所致，或由于測量和手術(shù)中存在對位誤差。3)波陣面像差可隨年齡增加 而改變，而且受調(diào)節(jié)、淚膜等因素的影響，使測量結(jié)果不穩(wěn)定。4)某些高階像差如垂直彗差或許對眼的視力有益，消除這些像差反而造成視力下降。5)角膜瓣及 角膜傷口愈合等可產(chǎn)生新的像差，當(dāng)然波陣面像差引導(dǎo)的LASIK手術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的LASIK手術(shù)一樣，有手術(shù)中和手術(shù)后各種的并發(fā)癥。如切削錯誤、上皮內(nèi)生長 和醫(yī)源性角膜擴(kuò)張的危險性。
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