Аберрации глаза

Глаз , как и любая другая оптическая система, страдает рядом специфических оптических аберраций . Оптическое качество глаза ограничено оптическими аберрациями, дифракцией и рассеянием . ^[1] Исправление сфероцилиндрических аномалий рефракции стало возможным на протяжении почти двух столетий после разработки Эйри методов измерения и коррекции глазного астигматизма. Это только недавно ^{[ когда? ]} стало возможным измерять аберрации глаза , а с появлением рефракционной хирургии появилась возможность корректировать некоторые типы нерегулярного астигматизма.

Появление зрительных жалоб, таких как ореолы , блики и монокулярная диплопия после рефракционной хирургии роговицы, уже давно коррелирует с возникновением оптических аберраций. Увеличение количества аберраций более высокого порядка при использовании обычных эксимерлазерных рефракционных процедур можно объяснить несколькими механизмами: изменение формы роговицы в сторону сплюснутости или удлинения (после близорукой и дальнозоркой абляции соответственно), недостаточный размер оптической зоны и несовершенная центрация. Эти неблагоприятные эффекты особенно заметны, когда зрачок большой. ^[2]

Волновой подход к аберрациям глаза

Волновой фронт — это поверхность, над которой оптическое возмущение имеет постоянную фазу. Лучи и волновые фронты — это два взаимодополняющих подхода к распространению света. Волновые фронты всегда нормальны (перпендикулярны) лучам.

Чтобы свет сходился в идеальную точку, волновой фронт, выходящий из оптической системы, должен представлять собой идеальную сферу с центром в точке изображения. Расстояние в микрометрах между реальным волновым фронтом и идеальным волновым фронтом представляет собой аберрацию волнового фронта, которая является стандартным методом отображения аберраций глаза. Следовательно, аберрации глаза — это разница между двумя поверхностями: идеальным и реальным волновым фронтом.

Аберрация нормальных глаз

В нормальной популяции преобладающими аберрациями являются обычные сфероцилиндрические ошибки фокусировки второго порядка, которые называются аномалиями рефракции . Аберрации более высокого порядка представляют собой относительно небольшой компонент, составляющий около 10% от общего числа аберраций глаза. ^[3] Аберрации высокого порядка увеличиваются с возрастом, и между правым и левым глазом существует зеркальная симметрия. ^[4]

В нескольких исследованиях сообщалось о компенсации аберрации роговицы аберрацией хрусталика. Сферическая аберрация роговицы обычно положительна, тогда как молодой хрусталик имеет отрицательную сферическую аберрацию. Кроме того, имеются убедительные доказательства компенсации аберраций между роговицей и интраокулярной оптикой в случаях астигматизма (горизонтального/вертикального) и горизонтальной комы. Баланс роговичных и внутренних аберраций является типичным примером создания двух сопряженных оптических систем. ^[5]

Аккомодационная реакция глаза приводит к изменению формы хрусталика и существенно влияет на характер аберраций волнового фронта. Большинство глаз демонстрируют положительную сферическую аберрацию, когда она не аккомодирована, с тенденцией к отрицательной сферической аберрации аккомодации. ^[1]

Аберрации низкого порядка

К аберрациям низкого порядка относятся близорукость (положительная дефокусировка), дальнозоркость (отрицательная дефокусировка) и регулярный астигматизм . Другие аберрации более низкого порядка — это визуально не значимые аберрации, известные как аберрации первого порядка, такие как призмы и аберрации нулевого порядка (поршень). Аберрации низкого порядка составляют примерно 90% общей волновой аберрации глаза. ^[5]^[6]

Аберрации высокого порядка

Существует множество аберраций более высокого порядка, из которых только сферическая аберрация , кома и трилистник клинический интерес представляют .

Сферическая аберрация — это термин, используемый в клинической практике для обозначения сферических аберраций четвертого порядка. Этот термин не следует путать со сферическими полиномами Цернике, которые представляют собой просто полиномы Цернике с нулевой азимутальной степенью; Фактически, можно математически описать дефокусировку, аберрацию низшего (второго) порядка, как сферическую аберрацию второго порядка. Однако в данном клиническом контексте сферическая аберрация относится к сферическим аберрациям четвертого порядка. Сферическая аберрация является причиной ночной близорукости и обычно усиливается после миопической LASIK и поверхностной абляции. Это приводит к появлению ореолов вокруг точечных изображений. Сферическая аберрация усугубляет близорукость при слабом освещении (ночная близорукость). В более ярких условиях зрачок сужается, блокируя большее количество периферических лучей и сводя к минимуму эффект сферической аберрации. По мере увеличения зрачка в глаз попадает больше периферических лучей, и фокус смещается вперед, что делает пациента немного более близоруким в условиях низкой освещенности. Эффект сферической аберрации (аберрации четвертого порядка) увеличивается пропорционально четвертой степени диаметра зрачка. Удвоение диаметра зрачка увеличивает компонент сферической аберрации в 16 раз. ^[7] Таким образом, небольшое изменение размера зрачка может вызвать значительное изменение сферической аберрации. Эту возможность следует учитывать у пациентов, у которых наблюдаются колебания зрения, несмотря на хорошо зажившую роговицу после кераторефракционной хирургии.

Кома (аберрация третьего порядка) часто встречается у пациентов с децентрированными трансплантатами роговицы , кератоконусом и децентрализованной лазерной абляцией.

Трилистник (аберрация третьего порядка) вызывает меньшее ухудшение качества изображения по сравнению с комой аналогичной среднеквадратичной величины. ^[6]

, что увеличение общей В целом сообщается волновой аберрации с увеличением размера зрачка увеличивается примерно до второй степени радиуса зрачка. Это связано с тем, что большая часть волновых аберраций возникает из-за аберраций 2-го порядка, которые имеют квадратичную зависимость от радиуса. ^[5]

Оценка и количественное выражение глазных аберраций

Оценка

Описано множество методов измерения аберраций глаза. Наиболее распространенным методом является аберрометрия Шака-Хартмана. Другие методы включают системы Чернинга, трассировку лучей и методы скиаскопии. ^[2]^[8]

Количественное выражение

среднеквадратичное значение

Количественные сравнения между различными глазами и состояниями обычно проводятся с использованием RMS (среднеквадратичное значение). Для измерения среднеквадратического значения для каждого типа аберрации необходимо возвести в квадрат разницу между аберрацией и средним значением и усреднить ее по площади зрачка. Различные виды аберраций могут иметь одинаковое среднеквадратичное значение для зрачка, но по-разному влиять на зрение, поэтому среднеквадратическая ошибка не связана со зрительными характеристиками. Большинство глаз имеют общие значения RMS менее 0,3 мкм. ^[6]

Полиномы Цернике

Самый распространенный метод классификации форм карт аберраций — рассматривать каждую карту как сумму фундаментальных форм или базисных функций. Одним из популярных наборов базисных функций являются полиномы Цернике . ^[2] Каждая аберрация может иметь положительное или отрицательное значение и вызывает предсказуемые изменения качества изображения. ^[9] Поскольку количество членов, которые могут использоваться в полиномах Цернике, не ограничено, ученые-зрители используют первые 15 полиномов, исходя из того, что их достаточно для получения высокоточного описания наиболее распространенных аберраций, обнаруженных в человеческом глазу. ^[10] Среди них наиболее важными коэффициентами Цернике, влияющими на качество зрения, являются кома, сферическая аберрация и трилистник. ^[6]

Полиномы Цернике обычно выражаются через полярные координаты (ρ, θ), где ρ — радиальная координата, а θ — угол. Преимущество выражения аберраций через эти полиномы заключается в том, что полиномы независимы друг от друга. Для каждого полинома среднее значение аберрации зрачка равно нулю, а значение коэффициента дает среднеквадратическую ошибку для этой конкретной аберрации (т. е. коэффициенты показывают относительный вклад каждой моды Цернике в общую ошибку волнового фронта в глазу). ^[4] Однако эти полиномы имеют тот недостаток, что их коэффициенты действительны только для конкретного диаметра зрачка, для которого они определены.

В каждом полиноме Цернике $Z_{n}^{m}$ , нижний индекс n — это порядок аберрации , все полиномы Цернике, в которых n = 3, называются аберрациями третьего порядка, а все полиномы с n = 4 — аберрациями четвертого порядка и так далее. $Z_{4}^{2}$ и $Z_{4}^{-2}$ обычно называются вторичным астигматизмом и не должны вызывать путаницы. Верхний индекс m называется угловой частотой и обозначает количество повторений шаблона волнового фронта. ^[4]

Список режимов Цернике и их общие названия: ^[11]

Цернике Срок	Имя
$Z_{0}^{0}$	Поршень
$Z_{1}^{1}$ , $Z_{1}^{-1}$	Наклон (Призма)
$Z_{2}^{0}$	Расфокусировка
$Z_{2}^{2}$ , $Z_{2}^{-2}$	Астигматизм
$Z_{4}^{2}$ , $Z_{4}^{-2}$	Вторичный астигматизм
$Z_{4}^{0}$	Сферическая аберрация
$Z_{3}^{1}$ , $Z_{3}^{-1}$	Есть
$Z_{3}^{3}$ , $Z_{3}^{-3}$	Трилистник
$Z_{4}^{4}$ , $Z_{4}^{-4}$	Квадрафойл

Управление

Аберрации низкого порядка (дальнозоркость, близорукость и регулярный астигматизм) поддаются коррекции с помощью очков , мягких контактных линз и рефракционной хирургии . Ни очки, ни мягкие контактные линзы, ни рутинная кераторефракционная хирургия не способны адекватно корректировать аберрации высокого порядка. Значительная аберрация высокого порядка обычно требует использования жестких газопроницаемых контактных линз для оптимальной зрительной реабилитации. ^[6]

Индивидуальные процедуры рефракционного лазерного лечения роговицы с использованием волнового фронта предназначены для уменьшения существующих аберраций и предотвращения возникновения новых аберраций. ^[6] Карта волнового фронта глаза может быть передана в систему Lasik и позволит хирургу устранить аберрацию. Требуется идеальное выравнивание лечения и зрачка, на котором измеряется волновой фронт, что обычно достигается за счет обнаружения особенностей радужной оболочки. Для лечения необходима эффективная система слежения за глазами и лазер с малым размером пятна. Настройка волнового фронта абляции увеличивает глубину абляции, поскольку для компенсации аберраций высокого порядка необходимо удалить дополнительную ткань роговицы. ^[2] Фактические результаты LASIK под контролем Wavefront показали, что он не только не может удалить HOA, но и увеличивает оптические аберрации. Однако степень увеличения аберраций меньше, чем при обычном Lasik. ^[12] Оптические аберрации роговицы после фоторефрактивной кератэктомии с большей зоной абляции и переходной зоной менее выражены и более физиологичны, чем аберрации, связанные с абляцией первого поколения (5 мм) без переходной зоны. ^[13] Предстоящий систематический обзор будет направлен на сравнение безопасности и эффективности рефракционной хирургии эксимерлазерного фронта с традиционной эксимерлазерной рефракционной хирургией, а также будет измерять различия в остаточных аберрациях более высокого порядка между двумя процедурами. ^[14]

Асферические интраокулярные линзы (ИОЛ) используются в клинике для компенсации положительных сферических аберраций роговицы. Хотя асферические ИОЛ могут обеспечить лучшую контрастную чувствительность, сомнительно, что они окажут положительное влияние на остроту зрения вдаль. Обычные (не асферические) ИОЛ обеспечивают большую глубину резкости и лучшее зрение вблизи. Причина улучшения глубины резкости в обычных объективах связана с остаточной сферической аберрацией. Небольшое улучшение глубины резкости при использовании обычных ИОЛ улучшает неисправленное зрение вблизи и способствует улучшению способности к чтению. ^[15]

В очках можно использовать индивидуальные линзы Wavefront. На основе карты волнового фронта глаза и с помощью лазера формируется линза, компенсирующая аберрации глаза, а затем надевается на очки. Ультрафиолетовый лазер может точечно изменять показатель преломления материалов шторных линз, таких как эпоксидный полимер, чтобы создать желаемый профиль преломления. ^[1]

Индивидуальные контактные линзы Wavefront теоретически могут исправить ТСЖ. Вращение и децентрация снижают предсказуемость этого метода. ^[1]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Сервиньо, А; Хоскинг, СЛ; Монтес-Мико, Р.; Бейтс, К. (июнь 2007 г.). «Клинические глазные анализаторы волнового фронта». Журнал рефракционной хирургии . 23 (6): 603–16. дои : 10.3928/1081-597X-20070601-12 . ПМИД 17598581 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Дмитрий Т. Азар; Дэмиен Гатинель; Тхан Хоанг-Сюань (2007). Рефракционная хирургия (2-е изд.). Филадельфия: Мосби Эльзевир. ISBN 978-0-323-03599-6 .
^ Лоулесс, Массачусетс; Ходж, К. (апрель 2005 г.). «Роль Wavefront в рефракционной хирургии роговицы». Клиническая и экспериментальная офтальмология . 33 (2): 199–209. дои : 10.1111/j.1442-9071.2005.00994.x . ПМИД 15807834 . S2CID 39844061 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Чарман, WN (июнь 2005 г.). «Технология волнового фронта: прошлое, настоящее и будущее». Контактные линзы и передняя часть глаза . 28 (2): 75–92. дои : 10.1016/j.clae.2005.02.003 . ПМИД 16318838 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Ломбардо, М; Ломбардо, Дж. (февраль 2010 г.). «Волновая аберрация человеческого глаза и новые дескрипторы оптического качества изображения и визуальных характеристик». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 36 (2): 313–31. дои : 10.1016/j.jcrs.2009.09.026 . ПМИД 20152616 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Курс фундаментальных и клинических наук, раздел 13: Рефракционная хирургия (изд. 2011-2012 гг.). Американская академия офтальмологии. 2011–2012 гг. стр. 7–9. ISBN 978-1615251209 .
^ Курс фундаментальных и клинических наук, Раздел 3: Клиническая оптика (последняя основная редакция 2011–2012 гг., ред. 2010–2012 гг.). Американская академия офтальмологии. 2011–2012 гг. п. 100. ИСБН 978-1615251100 .
^ Мирон Янофф; Джей С. Дукер (2009). Офтальмология (3-е изд.). Мосби Эльзевир. п. 104. ИСБН 978-0-323-04332-8 .
^ Эпплгейт, РА; Тибос, Л.Н.; Хильмантель, Дж. (июль 2001 г.). «Оптика аберроскопии и наблюдения». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 27 (7): 1093–107. CiteSeerX 10.1.1.597.7451 . дои : 10.1016/s0886-3350(01)00856-2 . ПМИД 11489582 . S2CID 29323497 .
^ Тибос, Л.Н.; Эпплгейт, РА; Швигерлинг, Дж. Т.; Уэбб, Р. (сентябрь – октябрь 2000 г.). «Отчет целевой группы VSIA о стандартах сообщения об оптических аберрациях глаза». Журнал рефракционной хирургии . 16 (5): S654–5. дои : 10.3928/1081-597X-20000901-34 . ПМИД 11019893 .
^ Вайант, Джеймс К. «Полиномы Цернике» .
^ Конен, Т; Бюрен, Дж; Кюне, К; Миршахи, А. (декабрь 2004 г.). «LASIK с контролем волнового фронта с системой Zyoptix 3.1 для коррекции близорукости и сложного миопического астигматизма с наблюдением в течение 1 года: клинический результат и изменение аберраций более высокого порядка». Офтальмология . 111 (12): 2175–85. дои : 10.1016/j.ophtha.2004.06.027 . ПМИД 15582071 .
^ Эндл, MJ; Мартинес, CE; Клайце, SD; Макдональд, МБ; Коорпендер, С.Дж.; Эпплгейт, РА; Хауленд, ХК (август 2001 г.). «Влияние большей зоны абляции и переходной зоны на оптические аберрации роговицы после фоторефракционной кератэктомии» . Архив офтальмологии . 119 (8): 1159–64. дои : 10.1001/archopht.119.8.1159 . ПМИД 11483083 .
^ Ли С.М., Кан М.Т., Чжоу Ю, Ван Н.Л., Линдсли К. (2017). «Рефракционная хирургия с эксимерным лазером волнового фронта у взрослых с аномалиями рефракции» . Cochrane Database Syst Rev. 6 (6): CD012687. дои : 10.1002/14651858.CD012687 . ПМК 6481747 .
^ Нанавати, Массачусетс; Спалтон, диджей; Бойс, Дж; Саха, С; Маршалл, Дж. (апрель 2009 г.). «Аберрации волнового фронта, глубина фокуса и контрастная чувствительность при использовании асферических и сферических интраокулярных линз: исследование других глаз». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 35 (4): 663–71. дои : 10.1016/j.jcrs.2008.12.011 . ПМИД 19304086 . S2CID 10016253 .

[cervino-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Сервиньо, А; Хоскинг, СЛ; Монтес-Мико, Р.; Бейтс, К. (июнь 2007 г.). «Клинические глазные анализаторы волнового фронта». Журнал рефракционной хирургии . 23 (6): 603–16. дои : 10.3928/1081-597X-20070601-12 . ПМИД 17598581 .

[azar-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Дмитрий Т. Азар; Дэмиен Гатинель; Тхан Хоанг-Сюань (2007). Рефракционная хирургия (2-е изд.). Филадельфия: Мосби Эльзевир. ISBN 978-0-323-03599-6 .

[lawless-3] Лоулесс, Массачусетс; Ходж, К. (апрель 2005 г.). «Роль Wavefront в рефракционной хирургии роговицы». Клиническая и экспериментальная офтальмология . 33 (2): 199–209. дои : 10.1111/j.1442-9071.2005.00994.x . ПМИД 15807834 . S2CID 39844061 .

[Charman-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Чарман, WN (июнь 2005 г.). «Технология волнового фронта: прошлое, настоящее и будущее». Контактные линзы и передняя часть глаза . 28 (2): 75–92. дои : 10.1016/j.clae.2005.02.003 . ПМИД 16318838 .

[Lombardo-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Ломбардо, М; Ломбардо, Дж. (февраль 2010 г.). «Волновая аберрация человеческого глаза и новые дескрипторы оптического качества изображения и визуальных характеристик». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 36 (2): 313–31. дои : 10.1016/j.jcrs.2009.09.026 . ПМИД 20152616 .

[ao-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Курс фундаментальных и клинических наук, раздел 13: Рефракционная хирургия (изд. 2011-2012 гг.). Американская академия офтальмологии. 2011–2012 гг. стр. 7–9. ISBN 978-1615251209 .

[ao2-7] Курс фундаментальных и клинических наук, Раздел 3: Клиническая оптика (последняя основная редакция 2011–2012 гг., ред. 2010–2012 гг.). Американская академия офтальмологии. 2011–2012 гг. п. 100. ИСБН 978-1615251100 .

[yanoff-8] Мирон Янофф; Джей С. Дукер (2009). Офтальмология (3-е изд.). Мосби Эльзевир. п. 104. ИСБН 978-0-323-04332-8 .

[applegate-9] Эпплгейт, РА; Тибос, Л.Н.; Хильмантель, Дж. (июль 2001 г.). «Оптика аберроскопии и наблюдения». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 27 (7): 1093–107. CiteSeerX 10.1.1.597.7451 . дои : 10.1016/s0886-3350(01)00856-2 . ПМИД 11489582 . S2CID 29323497 .

[10] Тибос, Л.Н.; Эпплгейт, РА; Швигерлинг, Дж. Т.; Уэбб, Р. (сентябрь – октябрь 2000 г.). «Отчет целевой группы VSIA о стандартах сообщения об оптических аберрациях глаза». Журнал рефракционной хирургии . 16 (5): S654–5. дои : 10.3928/1081-597X-20000901-34 . ПМИД 11019893 .

[Wyant-11] Вайант, Джеймс К. «Полиномы Цернике» .

[12] Конен, Т; Бюрен, Дж; Кюне, К; Миршахи, А. (декабрь 2004 г.). «LASIK с контролем волнового фронта с системой Zyoptix 3.1 для коррекции близорукости и сложного миопического астигматизма с наблюдением в течение 1 года: клинический результат и изменение аберраций более высокого порядка». Офтальмология . 111 (12): 2175–85. дои : 10.1016/j.ophtha.2004.06.027 . ПМИД 15582071 .

[13] Эндл, MJ; Мартинес, CE; Клайце, SD; Макдональд, МБ; Коорпендер, С.Дж.; Эпплгейт, РА; Хауленд, ХК (август 2001 г.). «Влияние большей зоны абляции и переходной зоны на оптические аберрации роговицы после фоторефракционной кератэктомии» . Архив офтальмологии . 119 (8): 1159–64. дои : 10.1001/archopht.119.8.1159 . ПМИД 11483083 .

[Li-14] Ли С.М., Кан М.Т., Чжоу Ю, Ван Н.Л., Линдсли К. (2017). «Рефракционная хирургия с эксимерным лазером волнового фронта у взрослых с аномалиями рефракции» . Cochrane Database Syst Rev. 6 (6): CD012687. дои : 10.1002/14651858.CD012687 . ПМК 6481747 .

[15] Нанавати, Массачусетс; Спалтон, диджей; Бойс, Дж; Саха, С; Маршалл, Дж. (апрель 2009 г.). «Аберрации волнового фронта, глубина фокуса и контрастная чувствительность при использовании асферических и сферических интраокулярных линз: исследование других глаз». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 35 (4): 663–71. дои : 10.1016/j.jcrs.2008.12.011 . ПМИД 19304086 . S2CID 10016253 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]