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从人类视网膜感光细胞的密度推算出人眼的极限视力可达3.0甚至更高，但由于人类进化过程中对远视力的需要逐渐下降，以及角膜和晶状体等器官的光学性能退化等原因，导致出现各种像差，因此人眼的视力只有1.5或更差，并且这些像差不能被现有的眼镜和隐形眼镜矫正。

波阵面像差波阵面像差（波前像差波前像差）技术原本是一项天文学技术，其发展由来已久，主要用来纠正天文望远镜等的像差，以便能更清晰地观测到更远距离的天体。像差理论作?研究非理想光学系统的基础早已广泛地应用于制造光学精密仪器，当波前像差技术应用于眼科后，才与我们的生活变得更为关系密切。

目前波前像差仪有很多种，可分为客观法和主观法两类。客观法根据其设计原理，又可分为：出射型像差仪、视网膜像型像差仪和入射可调式屈光计三种类型；主观法即心理物理学检查方法。

客观法的优点是快速、可重复性及可靠性好，但需使用较亮的照明光线，大部分还需要散瞳；主观法无需散瞳，可在眼睛存在调节的状态下检查眼的像差，但需对患者进行训练，检查较慢，可重复性较客观法差。

无论是主观法还是客观法像差仪，其基本原理是一样的，即选择性地监测通过瞳孔的部分光线，将其与无像差的理想光线进行比较，通过数学函数将像差以量化形式表达出来。下面根据其设计原理来逐一介绍。

一、 客观式像差仪

1.出射型像差仪

基于Schack-Hartmann像差理论Schack-Hartmann像差理论而建立，见图6-1。Schack-Hartmann波阵面感受器通过测量眼底的点光源反射出眼球的视网膜像来测量波阵面像差。即，使一细窄光束进入眼球，聚焦视网膜上，光线从视网膜上反射出眼球，穿过一透镜组，聚焦在一个CCD上。如受检眼无像差，则反射的平面波聚成一个整齐的点阵格子图，每一个点的图象准确地落在相应透镜组的光轴上。而当受检眼有像差时，则产生扭曲的波阵面，从而产生扭曲的点图象。通过测量每一个点与其相应透镜组光轴的偏离，就可计算出相应的波阵面像差。基于此原理的像差仪包括WASCA像差分析仪（Aesculap Meditec公司），Zywave像差仪（博士伦公司），LADAR Wave Aberrometer（爱尔康公司）等。

2.视网膜像型像差仪

以Tscherning像差理论Tscherning像差理论为基础，通过计算投射到视网膜上的光线偏移而得出结果，见图6-2。

它是由倍频Nd：YAG激光（532 nm）发出的有168单点矩阵的平行激光光束经瞳孔进入眼底（彩图10），由连接计算机的高敏感度的CCD采集视网膜图象（彩图11）。由于屈光介质存在像差，投射到视网膜上的光线达到视网膜后产生偏移，其偏移可以通过投射在视网膜上的格栅观察到，通过视网膜图象分析受检眼的光学像差，即，将视网膜图象上的每个点的位置与它们在理想状态下的相应位置进行比较，根据偏移的结果计算出相应的波阵面像差。基于此原理的像差仪包括Allegretto像差分析仪（WaveLight公司）和视网膜光线追踪仪（Tracy公司）等。

3.入射可调式屈光计

以Smirnov-Scheiner理论Smirnov-Scheiner理论为基础，其方法是通过对进入中心凹的每一光线进行补偿调整使之在视网膜成像完善，见图6-3。其原理与临床应用的屈光计、检影镜很相似，所有进入视网膜的光线都向中央一点会聚，通过在各轴向上对瞳孔的快速裂隙扫描而实现，眼底反光被CCD捕捉从而得到眼的波阵面像差。基于此原理的像差仪包括Emory视觉矫正系统和OPD扫描系统（Nidek公司）等。

二、 主观式像差仪

根据光路追踪原理设计，利用空间分辨折射仪以心理物理方法测量人眼像差。假设眼处于衍射的极限时，聚焦在无穷远，因而无穷远的点光源通过瞳孔不同区域进入眼内，将会聚焦在视网膜上的一点。当眼存在像差时，进入眼内的光线将不会聚焦在同一点上，点光源的像将是一个模糊像，该像点与中心发生了偏移，导致波阵面为平面的光线射入眼球后由理论上的球面波变为了不规则的曲面波，通过数学换算，得到放大在瞳孔面上的眼底点扩散函数。基于此原理的像差仪有WFA-1000人眼像差仪（苏州亮睛公司）。

第二节操作技术

目前市面上有各种不同品牌的像差仪，其操作步骤各不相同，下面介绍几种常用像差仪的操作步骤。

一、 WASCA像差分析仪

WＡＳＣＡ像差分析仪如图6-4所示，其常用操作步骤如下。

1.在暗室中检查，无需散瞳。

2.依次开启位于检查桌面下的总电源开关、计算机电源，等待程序运行并自检后，即可准备使用。

3.如输入新患者，点击菜单栏database（资料库）菜单中Add Patient（添加患者）选项，进入“添加患者”对话框，输入患者的姓名、性别、出生日期等；如患者已存在于资料库中，选择Patient selection control（选择患者）选项，跳出相应的对话框，然后在列表框中输入姓名，或者在下拉清单框中选择患者。

4.向被检者介绍检查过程以及其间可能的各种情况，调整桌面高度适应被检者的前额，调整颌托高度，以使被检者眼睛正好位于检查窗口。

5.点击测量视窗的Start（开始）按钮，视频显示聚焦图片，将图片调至清晰聚焦状态，将虹膜图象调至视窗及方形线框中央，调整仪器使瞳孔居中于X和Y方向，前后移动操纵杆进行精调，聚焦虹膜像，点击一次操纵杆按钮即开始进行测量。

6.点击Write to database（写入资料库）选项，将资料存入资料库。测量完毕。

二、 Allegretto像差分析仪

仪器如图6-5，其常用操作步骤如下。

1.检查前先进行屈光矫正。

2.在暗室中进行，滴快速扩瞳剂扩瞳。

3.如输入新患者，点击Patient data（患者资料）选项卡，输入患者的姓名、性别、出生日期、眼别、屈光度数、曲率等；如患者已存在于资料库中，从Patient list（患者列表）中选择患者。

4.定位调焦点击Measurement（测量）按钮，进入测量界面。让患者注视测量头发出的微弱的目标灯光，调整患者头位，左右移动测量头，确保患者两眼在同一水平，见图6-6。瞳孔完全显露，对焦于被检眼的中心，如图6-7。

5. Accomod的设定

（1） 远点的检测：逐渐增加+0.25 D，直至视标模糊；再逐渐增加-0.25 D，直至视标清晰。

（2） 近点的检测：逐渐增加-0.25 D，直至视标模糊；再逐渐增加+0.25 D，直至视标清晰。

6.检查者使用操纵杆进行瞄准和对焦，使眼球居于视频监视器的中央（偏差小于0.1 ｍｍ，以座标的形式出现），按下操纵杆的按钮，系统启动自动摄像过程（历时30秒）。

7.点击Analyzer（分析）按钮，系统自动进行分析，分别以图形和资料形式显示结果。

8.系统自动储存，结果可以打印或通过软盘输出。

三、 OPD-Scan ARK-10000像差扫描系统（见图6-8）仪器外型如图6-8，其常用操作步骤如下。

1.准备工作

（1） 打开电源，启动ARK-10000，出现测量屏幕。

（2） 设定测量方式：按屏幕左下角“测量方式”按钮，按顺序改变测量方式，AR测量、CT测量或AR测量联合CT测量。

（3） 点击测量屏幕顶部的ID（识别字）或Patient（患者）按钮，进入患者名字和备注对话框。若为新患者，点击New（新）按钮，输入患者的ID、姓名、性别等；若患者已存在于资料库中，可选择屏幕上方的任一个专案（ID、Name、Sex、Group或 Last Exam Date）查寻选择患者。

（4） 清洁前额架和下颌托，指导患者放好下颌及前额，调整颌托高度，以使被检眼正好位于检查窗口。

2.调焦及测量

（1） 指导患者通过测量窗口观看内置热气球图形的中心，并尽可能睁大眼睛。

（2） 上下左右移动手柄，对准眼睛测量点，前后移动调整聚焦。当使用自动追踪及发射功能时，瞄准光接近标靶时仪器会自动瞄准聚焦并进行测量；当不使用自动追踪及发射功能时，需手动将瞄准光点移入标靶，按手柄上的测量按钮进行AR测量。在重复AR 测量之后，从3个可用的AR值中获得一个代表值（S.C.A.），将屏幕右上方的“AR”图示转换成图6-9WFA-1000像差分析仪“CT”图示。

（3） 指导患者一两次缓慢眨眼，使其角膜表面能够清楚地显示，在确认仪器已调整到理想的对焦状态时，按下ｓｔａｒｔ（开始）按钮启动CT测量。

（4） 判断捕捉到的图象是否存在变形和不规则，如果图象捕捉无效，按 Retake（重取）按钮取消分析。

（5） 判断捕捉图象和环边检测结果，如果对捕捉图象和边缘检测满意按OK按钮，如果对捕捉图象和边缘检测不满意按Cancel（取消），重新进行对焦，以捕捉清晰的图象。

3.测量完成后，按储存打印键存储资料并打印AR结果。

四、 WFA-1000像差分析仪

仪器如图6-9。检查在暗室环境、自然瞳孔下进行。让患者通过调整系统的球镜补偿来矫正其球性屈光不正，使其尽可能清晰地注视靶目标，然后让患者用鼠标来点击视野中不断出现的检测光点。检查过程中，检查者通过监视器来观察被检眼的瞳孔，确认在检测过程中没有偏移位置。一般操作与其它像差仪大体相同。

第三节参数分析及临床应用

一、 参数分析

波阵面像差的表达方法有很多种。在临床上，我们常见的有Zernike函数、均方根、调制传递函数、点扩散函数等，其中最常见且便于理解的是Zernike函数。

1. Zernike函数Zernike函数Zernike函数是最常用的波阵面像差定量表达方法，是描述眼光学系统波阵面像差的理想的数学模型之一，它为交于单位圆上的序列函数。

通过Zernike函数可以将像差量化并分级，可以表达总体像差和组成总像差的各个像差。Zernike函数常见的表达形式为7阶35项，可以分为低阶和高阶，其中0到2阶为低阶，3阶以上为高阶。0阶Ｚ００表示各方向匀称、平整的波阵面，即无像差；1阶Ｚ１-1和Ｚ１１分别表示垂直和水平的倾斜（tilt）倾斜（tilt）；2阶表示离焦（focus shift）离焦（focus shift）或散光（astigmatism）散光（astigmatism），Ｚ2-2和Ｚ22分别表示45°/135°和90°/180°方向散光，Ｚ2０表示离焦；3阶函数中，Ｚ3-3和Ｚ33表示三叶草形像差，Ｚ3-1和Ｚ31分别表示垂直和水平位彗差（coma）彗差（coma）；4阶为球差（spherical aberration）球差（spherical aberration）和其它复杂像差，Ｚ4０表示球差，Ｚ4-4和Ｚ44表示四叶草形像差，Ｚ4-2和Ｚ42表示45°/135°和90°/180°方向二次散光性像差；5至10阶为其它一些不规则像差，如5阶中Ｚ5-1和Ｚ51分别表示垂直和水平位二次彗差等，只有在瞳孔非常大时才显露出来。

其中影响人眼视觉质量较大的主要像差有下列几种：Ｚ2０离焦，包括正性和负性离焦，对应于传统球性屈光不正的近视和远视；Ｚ2-2和Ｚ22即45°/135°和90°/180°方向上的散光，Ｚ3-1和Ｚ31即彗差，Ｚ4０球差。Zernike函数可以表示为以n为行数（阶），m为列数的金字塔形数码阵列，称为Zernike树，如图6-10所示。

为了能表达得更为直观，可以在以类似于角膜和瞳孔的圆形为基础，将Zernike函数重建成眼的波阵面像差图，形象地描述各种像差的形态，见图6-11。

低阶像差与传统的几何像差相对应，可用框架眼镜、隐形眼镜或传统的屈光手术矫正；高阶像差包括一些非经典的像差，需要进行像差引导的个性化切削才能矫正。对于人眼，6阶以上的高阶像差对视觉影响很小，可以忽略不计。临床上进行像差引导的个性化切削时考虑最多的是第3、4和5阶像差。

2.均方根（mean sum of the square，RMS）均方根（mean sum of the square，RMS）均方根是检测光学系统质量的一种方法，它是通过计算检测面上的各点相对于参考面的高度而得出的标准差，表示检测面与参考面的偏离程度，是Zernike函数的系数平方和的方根，可将不规则散光和球性屈光不正量化。进行波阵面像差分析时，参考面为一个无像差的球面波。RMS值通常为0～1，若RMS值较小，表示高阶像差所占比例少，接近球-柱镜参数。

3.光程差（Optical Path Difference，OPD）光程差（Optical Path Difference，OPD）可表示为

OPD=理想波阵面-实际波阵面。

OPD为正值，表示这部分光速较慢，在Zernike函数中表现为峰；OPD?负值，表示这部分光速较快，在Zernike函数中表现为谷。

二、 影响因素

影响像差的因素很多，如瞳孔直径、调节、年龄、泪膜厚度、观察距离和眼球的转动等均可在很大程度上影响结果，与角膜、晶状体和玻璃体有关的解剖和功能上的改变及视网膜的形态也可影响结果。另外，还可能受其它尚不清楚的因素的影响。

1.瞳孔直径瞳孔直径相对较小时（小于或等于2 ｍｍ时），限制人眼视觉质量的因素主要是衍射，当瞳孔直径较大时，大量的轴外光线进入眼中，这时像差成为限制人眼视觉质量的主要因素。

人眼的视觉像差与瞳孔大小密切相关，随著瞳孔的增大而增加。环境光亮度的改变，会引起瞳孔大小的改变，从而使视觉质量发生变化。在晚上，瞳孔散大时，会出现眩光、光晕、双影和鬼影等现象，导致视觉质量下降。由于药物作用而使瞳孔散大也可使像差发生变化，见图6-12。

2.调节人眼作为一个光学系统，为了能看清近距离目标，需要动用调节机制来改变屈光力。在调节过程中，晶体因睫状肌收缩而快速增厚，表面曲率发生变化，晶体和角膜之间相对位置改变，轴位元也发生变化，这使得人眼像差发生改变。

随著调节的增强，晶状体的位置前移，球差减少（从正值向零改变），彗差也发生显著的变化。随著调节幅度的改变，像差也发生了变化，看远和看近时的像差表现是不同。因此，像差测量时需评估注视条件所引起的调节。

3.年龄随著年龄的增大，晶状体密度不断增加，晶状体内各成份折射率梯度发生变化，而且角膜曲率半径随年龄增长而减小，即角膜更加接近球形，因此像差明显地增加，特别是球差。

4.泪膜泪膜的破坏可导致的角膜表面不规则性改变，使像差明显增加。干眼症患者泪膜不稳定，可出现角膜表面呈不规则性改变，角膜表面规则性指数（SRI）及表面不对称指数（SAI）明显升高。

三、 临床应用

1.屈光手术中的应用现有的屈光手术，包括早年的放射状角膜切开术（PK）和现行的准分子激光角膜屈光手术（PRK，LASIK，LASEK和Epi-LASIK）虽然矫正了屈光力，改善了中央视力，但也带来了对比敏感度下降、眩光和光晕等一系列问题。临床研究表明手术改变了角膜的像差，使其术后的像差变大，并且随著瞳孔的增大而增大，切削越深像差变化越明显。

因此，近年来许多眼科专家致力于改善屈光手术治疗方法，发展像差引导的个性化切削，即根据每位元患者不同的眼球屈光资料，设计出最佳切削方案，术中将从眼球像差仪获得的像差资料登录准分子激光机治疗系统引导激光进行切削，消除或减少那些可能导致视力不佳的高阶像差，重塑一个全新的角膜形态，从而显著提高术后裸眼视力和视觉敏感度，改善夜间视力，降低眩光和光晕的发生率，达到提高视觉质量的最终目的。

2.角膜接触镜中的应用

（1） 软性接触镜：现在多数人认为人眼的平均球差是正性的，因此，从理论上讲，消除了球面像差的镜片会提高人眼整体的成像质量。但人眼是一种处于不断变化的动态的屈光系统，像差也会随著眼的调节及年龄的增大等因素而变化。因此，消除了球面像差的软性接触镜只在特定条件下对特定个体有良好作用。为克服以上不足，现已研制出一种可以个体化矫正不同个体像差的接触镜。这种镜片的前表面是根据不同个体的实际像差切削的非球面非对称表面，后表面仍为球面，可按照预定为生与个体眼睛相匹配的离焦、散光、球差等，以达到矫正眼睛总体像差的目的。

（2） 硬性角膜接触镜（RGP）：RGP可以在一定程度上纠正眼睛的像差，这种改进不仅限于散光，一些不规则的高阶像差也有明显的降低。由于它的前表面为一接近完美的规则表面，并由泪液填充所有角膜的不规则表面，由于泪膜的屈光指数接近角膜屈光指数，大大减少了角膜散光和像差的影响。但常规RGP矫正像差存在局限，因为它只能矫正角膜前表面像差，且其矫正像差量还受眼内散光和角膜散光的影响。

应用像差分析仪可以从多方面多角度评估RGP镜片的配戴质量，提供更加个体化的配戴建议，并且可以通过非球面的镜片设计，在一定程度上降低总体像差而起到增进视觉质量的效果。

3.在白内障诊断中的应用对白内障患者传统上也只是用视力来衡量视觉质量的，但临床上经常会遇到病人视力与其晶体混浊度不相一致的现象。可通过像差仪的检查发现轻度白内障患者的角膜像差与正常人群的角膜像差基本相同，而总像差则明显高于正常人，这可能是因为混浊的晶体引起光线的散射和吸收从而导致晶体局部屈光改变所致。可见在早期白内障患者中，像差引起视觉质量的下降不亚于晶体密度增高对视觉质量的影响。

4.在人工晶状体（IOL）中的应用随著现代超声乳化技术的发展及人工晶状体材料和设计的改进，白内障患者术后视力已大为提高，但仍有部分患者不能达到满意的效果，还有些患者客观视力检测好，而主观感觉却视物模糊。这些以前一直难以解释的现象，随著像差仪的出现都迎刃而解了。正常生理情况下，人眼角膜具有正性的球差，而晶体有负性球差，这在一定程度上起到互相弥补的作用。而一般人工晶状体的球面设计，以及其在眼睛调节时发生的前后移位元和偏轴，使植入后术眼的像差明显增大，尤其是球差。现在已应用非球面或消像差的人工晶状体来消除这一现象，进一步改善了成像质量，使植入后术眼的像差比植入以往晶状体的要低，视觉质量明显改善。

第四节注意事项

波阵面像差（波前像差）用于检测眼光学系统的细微改变，任何外界因素的轻微干扰，都会极大地影响结果的准确性，可谓“失之毫厘，谬以千里”。因此，在进行像差仪检测时，必须注意以下几点：

1.被检查者头位、眼位要正确。

2.双眼睁大，充分暴露角膜，但避免压迫角膜。

3.嘱患者每次测量前眨眼，以保持测量瞬间角膜表面湿润，避免因角膜干燥而影响检测结果。

4.角膜接触镜配戴者应摘镜至少2周后检查，使检查结果比较可靠。

5.检查室内降低照明，以减少进入仪器的杂散光，降低注视目标的亮度，从而减少进入眼球的反射光。

6.根据所获取的图象，判断测量结果的准确性，可基于下列条件作判断：为患者有无眨眼或有无睫毛影响；为被检眼睁开是否足够大；为 是否由于眼泪过多边缘出现混乱变形；为眼睛是否有移动；为检测范围是否足够等。图象稍有不满意，将明显影响结果，必须重新检测。

7.每次移动或者在新地方安置像差分析仪后，必需使用测试工具对仪器进行检测和校正，以避免可能出现的仪器误差。

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