点扩散函数法在人眼成像质量分析中的特征

点扩散函数法在人眼成像质量分析中的特征作者：姜珺 金婉卿 吕帆    作者单位：温州医学院附属眼视光医院 视光专科，浙江 温州 325027    【摘要】  目的 采用点扩散函数（point spread function，PSF）分析系统，获得在人眼的视网膜成像质量表达中的各种特征，研究其在人眼成像质量评价中的作用。方法 应用点扩散函数分析系统（PSF-1000），测量22例近视无散光者的视网膜成像质量，在瞳孔3 mm和6 mm的状态下，取22眼调制传递函数（modulation transfer function，MTF）曲线中的12个点，分别等同于对数视力表4.0～5.1的12个点，针对PSF分析系统中的MTF参数进行比较和统计学分析。结果 ①PSF反映的是光强度大小和位置的偏差。PSF分析系统可直接采用屈光系统MTF曲线表达人眼的成像特征，该曲线MTF值从低频至中频迅速下降，高频趋向缓和至零，定量并客观地表达了人眼成像质量从低频至高频的改变。②左、右眼的MTF表达具有镜像对称性。③个体之间MTF值差异大（如空间频率为3.00 c/d时，3 mm瞳孔直径的MTF值为0.68～0.98，6 mm瞳孔直径的MTF值为0.51～0.85）。④3 mm和6 mm瞳孔直径时的MTF值差异有统计学意义（P<0.01）。结论 点扩散函数分析系统既能表达总眼球成像的各种光学特性，又体现了像差、衍射和散射的共同影响。    【关键词】  点扩散函数法 调制传递函数 成像质量    近年来，对人眼视觉质量和成像质量的评价研究逐渐受到眼科医生的重视，检测的方法也很多，临床上使用较多的是主观的检查方法，如视力、对比敏感度等，它们结合了客观和主观的综合影响，反应的是全视系统的视觉质量。而在客观检测方面使用比较多的是眼像差测量系统，像差测量是一种对眼屈光系统成像质量的客观评估，但该系统忽略了散射和衍射的作用。由于在日常生活中，当瞳孔直径逐渐变小，衍射的作用就会逐渐增强[1]，而随着屈光介质透明度的下降和表面不规则性的增加，散射对成像质量的影响也会明显增强[2-3]，因此，研究者开始关注能综合衍射和散射等光学因素的分析体系，以期对人眼光学成像质量进行更全面的认识。本研究使用了一种新的点扩散函数分析方法，描述了一个物点经过光学系统后在像面上的光强分布函数，从综合角度来研究和分析人眼在像差、散射和衍射的共同作用后所表达的视网膜成像质量[4]。1  材料与方法    1.1  研究对象  22位患者参与了该项研究，男2例，女20例，年龄18～27岁，平均（21.7±2.8）岁。每位患者均在非散瞳状态下通过客观验光和主觉验光获得远用验光处方和最佳矫正视力（均能达到5.0或以上），球镜度数为-3.25～-6.00 D，平均（-4.28±0.81）D，散光度数为0～-0.50 D，平均（-0.17±0.21）D。通过仪器内置透镜相对位置的调整，模拟框架眼镜完全矫正屈光不正。    1.2  测量仪器  我们使用TOPCON的点扩散函数（point spread function，PSF）分析仪（PSF-1000   analyzer）检测患者在最佳矫正状态下的视网膜成像质量。点扩散函数反映的是一个光点投射到视网膜上后发生的光强度和位置的偏差，是一种客观的检查方法。它的值决定于投射过程中发生的衍射、像差和散射[3]。其检测原理见图1。它是将一红外点光源(840 nm，φ=5.0 μm)作为注视目标，通过一系列的光学元件、入瞳、眼屈光系统，投射到视网膜上，由于视网膜上没有接收器截取这个像，让像再次通过眼屈光介质、出瞳出射，被传感器所接收，传输到电脑终端，再进行相关处理。该仪器经重复性测量，标准差范围是0.012～0.024，平均值为0.020，低于其他像差仪的研究值0.169[5]，具有良好的可重复性。    1.3  测量流程  测量时，首先在患者屈光度上下范围进行粗测，通过透镜的移动，补偿屈光不正。接着，再进行两次细测，先进行等径测量，即入瞳孔径与出瞳孔径相等，从而测量出患者的调制传递函数（modulation trumsfer function，MTF）。MTF描述的是在不同频率处物像对比度与光学系统成像质量的关系，表达的是对称性像差。继而再进行异径测量，即入瞳孔径与出瞳孔径不相等，从而获得被测眼的位相传递函数（phase transfer funtion，PTF），表达成像时间的延迟对成像质量的影响，评价一些非对称性像差，如彗差或一些高阶像差。将MTF与PTF进行整合，获得一个两次经过眼球屈光系统通路测量的PSF值，通过计算获得单次经过眼球屈光系统通路的PSF值，从而反映出点光源经眼屈光系统投射到视网膜上的光斑像的成像质量。    在PSF的测量中，包含了MTF、PTF等测量参数，其中对人眼成像质量具有更重要意义的参数是MTF值的大小， MTF值越大，成像越清晰[6]。而成像时间的延迟（PTF）由于影响较小，因此，在评估人眼的成像质量时，往往被忽略。所以，在本研究中，我们选用MTF值的变化代表PSF的改变。由于MTF曲线是由不同空间频率的MTF值构成，为了便于对比和统计学分析，我们根据对数视力表选择了与之相对应的12点空间频率的MTF值进行分析。    在检查中，为了避免对眼成像质量的影响，不采用任何药物散瞳，而选择在暗室状态下瞳孔直径自然放大到6 mm以上再进行测量，重复测量3次，取平均值。    1.4  统计学方法  用SPSS12.0软件进行统计学分析。左、右眼MTF值比较和不同瞳孔直径下MTF表现使用配对样本t检验。2  结果    2.1  人眼光学系统的PSF表现及MTF曲线的标准表达  图2和图3分别表达人眼光学系统的PSF表现和MTF曲线，图2横坐标代表光斑在水平和垂直方向的直径大小，纵坐标代表距光斑不同距离点光能量的大小，PSF值是通过形成的光斑面积大小和光斑光强度对成像质量进行评估的。它所表达的MTF曲线如图3所示，横坐标表示空间频率，纵坐标表示MTF值的大小，MTF曲线从低频至中频迅速下降，高频趋向缓和至零。    2.2  MTF值在左、右眼的镜像对称  22名近视患者，分别选用瞳孔直径3 mm和6 mm时的MTF值进行左、右眼的配对样本t检验，发现左、右眼在两种瞳孔直径下，12个空间频率的MTF值差异均无统计学意义（P>0.05），说明MTF值在左、右眼中存在较强的一致性。    2.3  MTF值的个体差异性表现  在不同的空间频率和瞳孔直径下，MTF值均表现出明显的个体差异性，如表1所示。    2.4  不同瞳孔直径下的MTF值表现  12个空间频率在瞳孔直径为3 mm和6 mm时表达的MTF值差异均有统计学意义（P<0.01）。3  讨论    对于视觉质量的评估方法，较多的是用视力、对比度视力、对比敏感度和像差等方法，它们检测的是外界物体经眼球光学系统成像，再经视路和大脑皮层的整合后所成的像质，表达了眼屈光介质、屈光力、屈光界面的形态和屈光成分的透明度等，同时部分测量也受被测者主观因素的影响。随着屈光手术的普及，有关视觉质量的临床问题备受关注，与视觉质量直接相关的视网膜成像成为研究的焦点。    在临床上，客观评价视网膜的成像质量以像差[7-8]方法为主，如常用的有Hartmann-Shack像差仪，它在测量上有着诸多优点，如快速，实时，重复性和精确性好，操作简便，患者配合容易等，但像差仪捕捉的是经过微透镜的光斑相对该透镜的光轴的偏移，如果该偏移大到与邻近光斑重合或超出，测量结果往往高估了被检查眼的成像质量，这多见于圆锥角膜、角膜疤痕等形态畸变的眼睛[9-10]。同时，像差的测量都是基于透明介质的前提下，无法检测出因角膜疤痕、角膜上皮下雾状混浊（haze）、晶状体混浊等而造成的光能量的丧失。当眼睛存在以上的异常时，部分的入射光线会被吸收或散射，减少了到达视网膜的光能量而导致像清晰度下降[7，11]。因此，对于上述的异常情况，除了检测像差外，同时有必要测量散射和衍射的影响，从而能更全面、客观地反映视网膜成像质量的优劣。而本研究所用的点扩散函数分析方法描述的是一个物点经过光学系统后在像面上的光强分布函数。在大多数情况下，任何物体都可以被认为由许多独立的点光源组成，每个点光源都形成了自己的PSF像，再将这些PSF像叠加在一起就组合成了物体的像。如图2所示，它是以一个点光源作为基点进行测量，形成的光斑面积越小，说明点光源经过人眼光学系统折射后弥散越小，视网膜成像质量越好；其次，光斑的光强度越大，代表点光源经过人眼光学系统折射后光能量损失越少，视网膜成像质量越好，从而总和了衍射、像差和散射的信息，表达了视网膜像的模糊程度和所有子午线 MTF信息，特别是能对一些发生病变或手术治疗后的眼球屈光系统进行测量。如临床上常见的白内障手术前后、角膜屈光手术前后、前房、后房人工晶状体植入前后等的成像质量对比，圆锥角膜、高度散光眼、角膜斑翳等病变眼经硬性透氧性角膜接触镜矫正前后成像质量对比，为医生客观评估治疗效果提供依据[2，9，11]。    本研究所使用的点扩散函数分析仪先通过等径测量获得MTF，作为PSF的幅度表达值，MTF描述的是在不同频率处物像对比度与光学系统成像质量的关系。如图3、表1所示，该曲线从低频至中频迅速下降，高频趋向缓和至零，定量并客观地表达了人眼成像质量从低频至高频衰减的改变，并表达了正常人眼MTF曲线在空间频率达到50～60 c/d时，就会到达分辨率极限，即MTF值趋向于零。光学系统的像差越大，成像质量就越差，引起的物像对比度下降就越厉害。这与人眼视觉系统的对比敏感度曲线不同，如对比敏感度曲线在空间频率为6～9 c/d时达到峰值，向两端逐渐减小，这是经过视路的传输和大脑整合后的结果。接着再进行异径测量，获得PTF，将MTF与PTF进行整合，计算出点扩散函数（PSF），从而直接获得眼球光学系统的成像质量这项客观的指标。除此之外，该仪器还能将测得的结果模拟成不同类型和对比度的视力表，以及黑白和彩色的图像，供被检查者了解他的成像质量和理想成像质量之间的差距，从而给患者更直观的认识。    另外，从表1可知，点扩散函数方法测量所得的MTF值个体之间差异显著，如瞳孔直径为3 mm，空间频率为3.00 c/d时，不同个体的MTF值范围为0.68~0.98，这可能与患者屈光介质的折射率、透明度、屈光形态、泪膜稳定性等因素不同有关。同时，MTF值在左、右眼具有镜像对称性，且随着瞳孔的增大成像质量逐渐下降，这些结果均与像差的研究结果相一致[7，12-13]。    如上所述，点扩散函数分析仪总和了像差、衍射和散射的共同影响，能较全面、准确、客观、定量地对视网膜的成像质量进行评估，即从眼球光学系统角度科学地表达了视网膜的成像质量，从而为我们提供了一种新的像质评定方法。【参考文献】[1] Zhu L， Bartsch DU， Freeman WR， et al. 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