改良的潜在视功能检测仪在重度白内障中的应用

作者：杨胜杰，方志良，汤欣    作者单位：1.中航工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009；2.南开大学现代光学研究所，天津 300071；3.天津医科大学眼科中心，天津 300071

【摘要】  目的 通过对潜在视功能检测仪的改良，使其能顺利完成对重度白内障患者术前潜视力的检测，并尽量使预测结果不受患者视力的影响。方法 简化潜在视功能检测仪的系统成像模型，进行理论分析，将系统改进为采用偏离理想参数的结构，在系统出瞳处形成沿轴长度约3 mm、直径≤0.1 mm的细长成像光束，使成像光束能够穿透重度白内障患者的晶状体并在其眼底成像，完成术前潜视力的测量。为了保证在非理想参数时，不同视力患者的潜视力预测结果具有统一标准，通过理论推导出非理想参数下结果补偿校正公式，保证测量结果的准确性。并选取150例白内障患者进行临床使用效果的评价。结果 改良后的潜在视功能检测仪测量了出瞳光束沿轴分布曲线，能够满足重度白内障患者的检测需要。在临床使用效果的评价中，效果良好，达到了国外同类产品的检测水平。结论 改良的仪器能够完成对重度白内障患者的术前预测，使用效果达到国外同类产品水平。

【关键词】  医用光学；潜在视功能检测仪；佳矫正视力；屈光度

    The application study of modified potential vision meter in severe cataracts

    YANG Shengjie*， FANG Zhiliang， TANG Xin.

    * Luoyang Research Institute of Electro-optical Equipment， AVIC， Luoyang China， 471009

    ［Abstract］  ob[x]jective  To measure the potential vision of eyes with severe cataract and obtain more precise results by improving the potential vision meter (PVM). Methods  Theoretical analysis was done with a simplified optical model to find the factors that interfere with the testing of eyes with severe cataract. The optical system of the PVM was improved by using non-ideal parameters so that an imaging beam that was less than 0.1 mm in diameter and about 3 mm in length was formed at the exit pupil of the system. The long thin imaging beam can pass through a small aperature in an opaque lens with severe cataract， thus making the measurement possible. To obtain accurate test results for eyes with different refractive errors， a potential vision calibration ex[x]pression was derived. One hundred and fifty eyes with cataract were tested to estimate the effectivity for use in the clinic. Results  The distribution of the beam diameter along the axis near the exit pupil of the improved PVM was measured； the imaging beam could penetrate eyes with severe cataracts. The clinical trial showed that the improved PVM met international standards for similar instruments presently in use. Conclusion  The improved PVM can be used to test eyes with severe cataract， and the test met international standards for similar instruments presently in use.

    ［Key words］  medical optics； potential vision meter； best corrected vision； diopter
潜在视功能检测仪（潜视力仪）是一种针对白内障患者的潜在视功能的检测仪器，其特点在于采用透射式视力分辨率板，使进入瞳孔成像的光束足够细，并且有足够的光能量，以致能够通过白内障患者混浊晶状体中的微小间隙，在视网膜上成像。移动透射式视力分辨率板调焦可测出不同屈光度患者的潜在视力，具有重要的临床意义[1]。经过对其成像特点的分析与参数优化，能消除屈光度不同对测量结果带来的影响，并扩展仪器的屈光度适应量程[2]。但采用理想参数后，在临床使用中却发现仪器对轻度白内障患者能较好地完成术前预测，而对重度白内障患者，术前预测却不能顺利完成。为了使潜视力仪能顺利完成对重度白内障患者的潜视力预测，并且使其对不同屈光度的患者都能进行准确地预测，本研究根据重度白内障患者的晶状体特点，对潜在视功能测试仪进行了改进，并给出了改进后系统对不同屈光度患者的测量结果校正方法，使仪器能顺利完成对不同屈光度和不同程度白内障患者潜视力的术前测量。

    1  潜在视功能检测仪的工作原理

    潜在视功能检测仪的光学原理图见图1。光源S发出的光经过透镜L1汇聚到滤波孔p，然后经过准直透镜L2准直，对透射式视力板进行照明，后经过成像透镜L3进行成像。在此过程中，滤波孔是整个光学系统的光阑，其经过L2、L3所成的像是系统的出瞳，被测眼睛放在出瞳处进行测量。

    在对白内障患者进行潜视力检测时，先让患眼瞳孔在系统出瞳位置Ep处，通过上下、左右微量移动眼球，找到合适位置，使患眼通过仪器能看到视力板，再通过调整视力板位置，对被检眼屈光度进行补偿，使视力板能清晰地在患者视网膜上成像，并让患者对视力板上的字标进行认读并记录结果，从而实现对其术后视力的预测。

    2  潜在视功能检测仪的改进

    2.1  重度白内障患者不能进行检测的原因分析 

    当采用理想结构参数时，潜在视功能检测仪能在系统出瞳位置处形成直径≤0.1 mm的成像光束；并且在视力板移动范围内检测时，视觉放大率始终保持不变，对于不同屈光度的被检测眼，检测结果具有相同参考基准，是被检眼的真实潜在视力。但在临床上，对重度白内障患者进行潜视力检测时，却不能顺利完成，而基于白光干涉莫尔条纹的Lotmar潜视力计能完成检测。

    在对重度白内障患者的混浊晶状体特性及采用理想结构参数的潜在视功能检测仪特性进行研究后发现，主要是由于系统出瞳处成像细光束轴向距离较短，而重度白内障患者晶状体内混浊体厚度较厚，理想结构在出瞳处能透过其混浊间隙的细光束直径虽然小于混浊间质的小间隙，能透过部分病变晶状体，但由于系统参数特性，成像细光束在未完全透过混浊的晶状体之前已经扩散开来，使得透过的成像光束能量大大衰减甚至不能成像，从而使视力板不能有效成像在视网膜上，无法顺利完成重度白内障患者的潜在视力测量。而Lotmar是基于干涉原理，其入射的光束比基于成像原理的潜在视力仪要细得多，因此即使是重度白内障患者，只要患者视网膜功能完好，仍能够进行检测。

    采用理想结构参数的系统改进原理图见图2。图中仅示意了成像透镜L3后的部分。当采用理想结构参数时，视力板的成像光束主光线为平行光束，经过成像透镜L3后，将使系统的出射光瞳与透镜L3像方焦点相重合。这样虽然能使检测仪适应屈光度不同的被检眼，在焦点附近能满足出瞳光束直径<0.1 mm的要求，但其成像光束的主光线发散得比较快，因此对于重度白内障，成像光束将有可能不能穿透混浊间质而使潜在视力测量无法正常进行。

    、表示成像光束的半孔径。假设成像透镜直径为10 mm，透镜焦距为f3′=95 mm，从图中△BF2C与△OF2A简单的相似关系，可以求出当=0.05 mm时，=0.475 mm，即当考虑包含一半出射光能时，光束直径<0.1 mm的长度仅为2=0.95 mm。而白内障患者混浊晶状体的大厚度约为3～4 mm[3]，故当出瞳处成像细光束纵深较小时，成像光束不能透过重度白内障患者的混浊晶状体在视网膜上有效成像，这也是导致采用理想结构参数的潜视力仪不能顺利对重度白内障患者进行潜视力检测的主要原因。

    为了使出射光瞳处的成像细光束达到一定的“长度”，以致能够通过重度白内障患者晶状体的混浊间质，并且对原有仪器结构参数改动尽量小，我们改进仪器时没有采用理想结构参数，而是采用了与理想结构有所偏差的结构，使滤波孔的位置不是恰好放在准直透镜的前焦点上，而是在焦点之内。这样，出瞳位置就会被沿光轴稍微向后拉，如从Ep1位置变为Ep2位置，从而有望在出瞳位置附近得到所需要的一段细长的成像光束（长度为2），能够顺利穿过患眼的混浊间质，在患者视网膜上有效成像。

    2.2  采用非理想参数改进结构  根据上述分析，我们对潜在视功能检测仪的结构进行了非理想化改进。即使系统滤波孔p向准直透镜L2靠近，从而使系统出瞳Ep沿轴向后移动，在出瞳处形成具有一定轴向纵深的成像细光束，实现对重度白内障患者潜在视力的术前检测。

    研究中我们对出瞳处0.1 mm成像光束的沿轴分布进行了测量。测量利用一个面阵CCD来完成，在改进结构设计出瞳位置后，沿轴离散采集成像光束形成光斑，然后再用图像处理方法[4]，计算出系统在出瞳位置附近的光斑尺寸轴向分布。出瞳处成像光束直径沿轴分布曲线如图3。

    从图3中可以看出，对于改进系统，直径<0.1 mm的出射成像光束，其空间分布是有一定纵向长度的。以总能量50%为边界的光斑直径，纵向长度约3 mm；以总能量90%为边界时，满足尺寸要求的光斑纵向长度约为2 mm，较理想结构参数有很大改善。该成像光束可以穿过间质混浊的晶状体，终成像到视网膜上进行视力测量，从而能够使用该仪器对重度白内障患者术后视力进行预测。

    2.3  非理想参数时检测结果的校正  由于系统没有采用理想参数，故在视力板移动过程中，其视觉放大率并不是保持不变，而是随视力板位置变化而变化。

    图4是对应不同视力板位置时的视觉放大率曲线。从图中可以看出，系统采用这样的设计参数后，在视力板移动范围内，视力板的视觉放大率随视力板逐渐远离成像透镜L3而逐渐增大。在所设计的视力板移动范围（-20~-180 mm）内，大视觉放大率为3.2X，小视觉放大率为2.2X。

    实际系统中只有一个视力板。该视力板设计以屈光正常眼睛对应视觉放大率为基础，确定了视力板上1′视角的笔画宽度，完成了整个视力板字标的设计。由于不同位置对应视觉放大率不同，因此1′视角笔画宽度在不同位置时也会与基准产生偏差。该偏差必然会引起测量误差，即在使用该系统检测视力时，屈光度不同的患者，相同的视标所表示的实际视力是不同的。

    图5描述了该1′视角的基准笔画宽度，即对于视力板不同位置时实际对被检眼产生的视角误差。可以看出：所选固定视标引起的张角误差是由焦点向两端逐渐增加的，其大误差约为27％。而视力表中每一级之间笔画宽度相差为1.2589倍，为了尽量提高潜视力的预测准确度，27％的误差不能忽略，必须考虑补偿以减少测量误差。

    改进系统中视力板位置、视觉放大率和检测视力之间，虽然产生误差，但三者之间仍是一一对应关系，因此，可把视力作为视力板位置和视力板上被检者所能辨认的小视标级数两个变量的函数，从而精确被检眼的视力。如此确定视力，不但考虑了各个视标的笔画宽度，还考虑了被检眼的屈光不正的影响，也就实现了对不同屈光度患者检测结果的校正补偿。

    根据视力的定义公式[5]，对系统中所用视力板上不同位置时所看清视标时对应真实视力的计算公式推导如下：

    假设设计视力板时所用视觉放大率为?祝0，1′视角笔画宽度为x0，取视力板上任一视标，其笔画宽度为基准笔画宽度的（）n倍，当被检眼看清此视标时，对应的视觉放大率为?祝，则依据对数视力表[6]对应的视力定义，被检眼睛的视力V为：

    V=5-lg[?祝（（）n·x0）/?祝0 /x0]

    =5-lg[?祝（（）n）/?祝0]

    =5-n-lg[?祝/?祝0]                        (1)

    利用该公式计算视力板上各级视标在不同位置（视觉放大率）时所对应的视力，即为补偿后的视力。

    图6是被检眼的视力与视力板物距lo(单位：mm)、视力板上视标级数关系图。横轴是视力板物方截距（即对应检测时视力板移动位置），纵坐标是对数视力。每条曲线上的数字，是视力板上被检眼所能分辨的字标级数。检测时，只要知道被检眼睛所能分辨的视力板视标的数，以及恰能看清时视力板的位置，即可从该曲线上找到对应被检者的对数视力。

    表1是相应的测试视力对照表。它把视力板移动位置进行量化，从表中可方便地查出对应被检者的对数视力。

    2.4  改进样机临床使用效果  样机在天津医科大学眼科中心进行了临床试用。取150例白内障患者，根据其白内障程度分为A组（轻度）和B组（重度）。对患眼术后视力预测的结果进行了数据统计，并与进口潜视力测试仪(potential acuity meter，PAM)以及进口干涉条纹视力仪(Lotmar)对患者所做的视力预测进行了比较。

    150只眼全部完成了三种仪器的检查，检查完成率为。若把术前预测视力(prediction of postoperative visual acuity，PPVA)与术后好矫正视力(best correct visual acuity，BCVA)进行比较，并规定两个结果相差超过两行即认为不符合，试用结果如表2所示。

    可见，改进样机不仅能对轻度白内障患者完成术前视力预测，对重度白内障患者也能顺利完成检测，经过对非理想参数下检测结果的校正补偿，其临床使用检测效果达到了国外同类产品的水平，能够满足目前对白内障患者进行术前预测的需要。

    3  讨论

    本研究通过对重度白内障患者混浊晶状体及潜在视功能检测仪光学特点的分析，将系统由原来的理想结构参数改进为非理想参数结构，使系统出瞳处形成沿轴长度约3 mm、直径≤0.1 mm的细长成像光束，从而使成像光束能够穿透重度白内障患者的晶状体并在其眼底成像，能顺利完成对重度白内障患者潜在视力的术前测量。同时，对在非理想参数时不同屈光度患者的潜视力预测结果进行了校正，使仪器对不同屈光度患者的测量结果有了共同判断标准，保证了测量结果的准确性。改进仪器能够满足对白内障患者进行术前预测的需要。

 

【参考文献】
  [1] 方志良，杨胜杰，刘福来，等. 潜在视功能检测仪研究[J]. 光学学报，2006，26(2)：230－234.

[2] 杨胜杰，方志良，刘福来，等. 潜在视功能检测仪光学参数特性的研究与优化[J]. 应用光学，2007，28(6)：693-697.

[3] 孙桂毓. 实用眼屈光学[M]. 山东：山东科学技术出版社，1998：82-90.

[4] Kenneth R. Castleman. （朱志刚等译），数字图像处理[M]. 北京：电子工业出版社，2002：409-429.

[5] 中山医学院. 眼科学[M]. 北京：人民卫生出版社，1980：90.

[6] 缪天荣，王勤美，等. 标准对数视力表-GB 11533-1989[S]. 北京：中国标准出版社，1989：1-6.