数值分析助力多焦晶状体植入物术后视觉评估与优化

引言与研究背景

白内障手术的主要目标之一是实现患者无需眼镜即可获得清晰视觉。然而，这一目标受到两个主要挑战的限制：晶状体调节功能的丧失和术后角膜散光（corneal astigmatism）。为了应对这些问题，临床上引入了屈光性散光矫正晶状体（toric intraocular lenses, toric IOLs）来校正角膜散光，同时通过多焦晶状体（multifocal intraocular lenses, multifocal IOLs）的研发，试图改善多焦视觉需求。然而，根据临床观察，与单焦点晶状体（monofocal IOLs）相比，植入多焦晶状体的眼睛在相同程度散光下常表现出更明显的视觉性能下降，尤其是在三焦晶状体（trifocal IOLs）中更为显著。这种现象对多焦晶状体的选择和术后视觉质量的预期带来了新的挑战。

因此，本研究旨在通过构建一个定制化的有限眼模型，对多焦晶状体在多色光条件下的散光耐受性进行数值分析，并评估其在不同散光程度下的能量效率和视觉性能，从而为多焦晶状体的术后视觉功能预测提供理论依据。

论文来源与作者信息

该研究由韩国科学技术院（KAIST, Korea Advanced Institute of Science and Technology）的Jongin You和Mooseok Jang开展，论文发表在2025年2月1日的《Biomedical Optics Express》（Vol. 16, No. 2）期刊上。这篇文章通过数值模型与自定义算法的结合，为评价多焦晶状体植入术后的视觉功能提供了一种新的理论方法与工具。

研究流程与实验设计

1. 定制化有限眼模型的构建

研究者采用基于完整波分析法的定制化有限眼模型，此模型包含了整个眼结构的精确模拟，包括角膜与晶状体的薄面折射、传播媒介（如房水和玻璃体）和多色光条件下的光学传播。其中，眼模型的基准波长设置为550 nm，模拟了视力正常眼的整个光学系统，评估其有效光学系统功率为60屈光度。

角膜与晶状体参数设计

• 角膜（cornea）的前后表面曲率半径分别设置为7.77 mm和6.40 mm，总功率计算为42.17 D。
• 晶状体的等效单点功率为21.37 D，从而实现整个眼模型的有效光学功率为60 D。
• 模型中还集成了广义Cauchy方程，用于表征眼内不同光波长下的色散特性（chromatic aberration）。

多焦晶状体参数定义

为了模拟三种常见商用多焦晶状体（ReSTOR、Symfony和POD-F），研究采用了以下配置： - ReSTOR：双焦点晶状体，屈光功率为21.37 D，衍射部分的附加功率为+3.0 D。 - Symfony：扩展深度焦距（EDOF）晶状体，衍射功率为+1.75 D，优化色差校正。 - POD-F：三焦点晶状体，结合了两个不同衍射部分，分别对应中间焦点（+1.75 D）与近距离焦点（+3.5 D）。

每种多焦晶状体的设计数据来源于既有文献和生产商的公开资料。

2. 波传播与视网膜光场模拟

通过自定义建模，研究者引入完整波传播模型描述光波在角膜、晶状体与房水、玻璃体中的传播过程： - 基于角谱法（angular spectrum method）计算光传播距离中的角域分解，并将相应相位偏移转换回空间域。 - 使用光束“桶内光”指标（light-in-the-bucket, LIB）评价视网膜中心衍射极限范围内的光强。

此外，模拟还整合了散光的Seidel表达形式，以研究角膜散光对成像质量的重要影响。

3. 数据分析与实验模拟

研究者依据上述模型生成不同场景下的模拟视觉，包括散光对视觉成像的影响，以及多焦晶状体在远、中、近三个焦点处的光能分布与衍射效率特性。同时，通过对光束调制函数（MTF）进行评估，分析在不同散光条件下的成像质量变化。

研究结果与主要发现

1. 色差对晶状体性能的影响

分析表明，Symfony因其衍射部件添加了色差补偿特性，在远焦点处的色差校正能力最强，与POD-F和ReSTOR相比表现出最小的色散。相较而言，POD-F因材料色散值较低（Abbe数=56），在中距离焦点的成像能力更为均衡，但远焦点的色差稍有增加。

2. 散光下的能量效率

在角膜散光条件下，不同晶状体对散光耐受性的表现如下： - Symfony：表现出最高的散光耐受性，在+1.5 D散光下，其远焦点的归一化能量效率为12%。 - ReSTOR：在相同散光条件下效率为10%，耐受性次于Symfony。 - POD-F：虽然中间焦点表现相对稳定，但远焦点和近焦点的耐受性最低。

3. 成像质量与模拟视觉

远焦点下的视觉质量也呈现差异——Symfony由于衍射设计减少了高阶谐波干扰，成像更清晰。相较之下，POD-F因其三焦点设计，在多焦成像时引入了较大的光强分布不均现象。

研究通过“E”形字符模拟了不同散光下的成像清晰度，验证了数值模型的预测准确性。

研究结论与价值

本研究通过构建全波分析与多色光视网膜场的数值模型，揭示了多焦晶状体光学特性的内在机制，特别是光学设计对色差、散光耐受性与视觉质量的影响。具体而言： 1. 扩展深度焦距晶状体（Symfony）的色差补偿性能使其更适合中等以上散光患者。 2. 对散光大于+1.0 D的患者，应考虑选择多焦散光矫正晶状体，以优化术后视觉功能。 3. 提出的模型可作为预测患者术后视觉功能的重要工具，并有助于定制化晶状体设计。

本研究的亮点

1. 开创性地融合了完整波分析法与角谱法，提供了一种高精度的全眼模型。
2. 对E波段（400–700 nm）下的多色光模拟，为晶状体色差补偿原理提供了数据支持。
3. 预测与既有临床研究一致，为多焦晶状体选择提供了理论依据。
4. 可扩展性强，能进一步结合个性化生物测量，为个性化精准医疗提供实用工具。

该研究不仅为多焦晶状体术后评价提供了理论框架，还能在未来应用于新型晶状体设计与患者个性化治疗策略的开发。这项工作具有重要的科学意义与临床应用潜力。