一种新型紧凑型双通道眼内散射测量系统的研究进展

学术背景

根据世界卫生组织（World Health Organization, WHO）的报告，白内障是全球范围内导致失明的主要原因，约占失明病例的50%。全球超过2000万人因为白内障而丧失视力或者严重受损。现有的治疗方法主要依赖于手术，通过移除浑浊的眼晶状体并植入人工晶状体来恢复视力。然而，随着对白内障发生机制的深入研究，人们对药物预防和治疗白内障寄予了更大的希望。这种希望的实现极大地依赖于对白内障早期征兆的精准监测。

白内障的早期症状往往不明显或者难以察觉，但随着病情进展，眼内的屈光介质逐渐浑浊，导致眼内散射（intraocular scatter）增加，这是白内障发展的重要病理变化。因此，眼内散射的变化监测被认为在白内障的早期诊断中具有重要作用。

传统检测眼内散射的方法中，双通道（Double-Pass, DP）技术被广泛用于临床应用。这一技术通过分析视网膜点扩散函数（Point Spread Function, PSF）的模糊程度，得出目标散射指数（Objective Scatter Index, OSI），实现了眼内散射的客观评价。然而，由于PSF包含散射与像差（aberrations）信息，高阶像差的存在可能显著影响测量结果，特别是在瞳孔直径较大时，这一问题尤为突出。目前关于修正像差对PSF影响的方法大多依赖复杂昂贵的自适应光学（adaptive optics, AO）系统，限制了其在普通临床中的应用。因此，开发一种低成本、高精准度并且能够有效消除像差影响的眼内散射检测系统，具有重要的临床应用价值。

研究来源

本文题为《Compact and aberration effects-shielded objective intraocular scatter measurement system》（紧凑型兼具像差屏蔽的客观眼内散射测量系统），作者包括Junlei Zhao、Zitao Zhang、Yanrong Yang等，分别来自成都中医药大学、Chinese Academy of Sciences等多所知名科研机构。研究发表在2025年2月1日的《Biomedical Optics Express》期刊中。

研究流程与特点

a) 研究工作流程

研究提出了一种新型紧凑型双通道眼内散射测量系统，该系统能够在去除像差影响的情况下，精确评估眼内散射。

1. 系统设计与组成

系统包括三条光路：照明光路、远场光路和波前传感光路。具体组成如下：

• 照明光路：使用波长为840 nm的超发光二极管（Super-luminescent Diode, SLD）提供光源，并通过多级透镜和分束器引导光线进入眼内。
• 远场光路：用于获取双通道点扩散函数（DP PSF）图像。其中，点扩散函数通过光路中的旋转圆柱镜校正由分束器引入的散光影响，最后在CCD相机上形成图像。
• 波前传感光路：使用Shack-Hartmann波前传感器进行波前像差检测，获取七阶Zernike像差系数，用于再现像差造成的点扩散函数图像。

2. 像差校正与OSI计算

初始OSI值（OSI0）由DP PSF图像计算得出，而波前数据则用于计算像差对散射测量的影响系数（△OSI）。最终的准确目标散射指数（OSI1）通过从OSI0中扣除△OSI计算得出。

3. 实验验证

研究选用了人工模型眼配备光学滤镜以及3名志愿者的实际人眼数据作为实验对象，分别测试了4 mm和6 mm瞳孔直径下的测量结果。实验主要验证了该系统在消除像差影响后的检测准确性以及结果的稳定性和一致性。

b) 新颖技术与算法实现

本研究提出的系统在设计上具有以下特点： 1. Shack-Hartmann传感器替代AO系统：综合使用Shack-Hartmann获取波前像差数据并在后处理阶段消除像差影响，与传统AO系统相比，大幅降低了设备成本和复杂性。 2. 基于Zernike多项式的像差重构算法：使用Zernike多项式再现波前像差对PSF的影响，并通过傅里叶变换进行PSF计算。 3. 自定义光学元件与完整模拟模型：研究设计了一套用于模拟不同散射程度的人工模型眼与光学滤镜组合，以验证系统测量的精度与重复性。

c) 测试实验的核心结果

实验显示： 1. 系统在静态人工眼模型的OSI0测量中，与通用光学质量分析系统（Optical Quality Analysis System, OQAS）的最大偏差为0.016，在人眼样本中的偏差为0.019，表明两者结果一致性高。 2. 系统检测的七阶Zernike像差系数与标准干涉仪测量结果的最大偏差仅为0.04 µm，足以满足计算△OSI时的精度需求。 3. 在6 mm瞳孔直径条件下消除像差影响后，测量准确度比4 mm条件下提升了28.9%，并对大口径下的高像差条件具有更明显的优势。

d) 研究结论

研究最终提出了一种成本较低、测量准确、结构紧凑的新型眼内散射测量系统，在确保设备小型化的同时，显著提高了测量精度。尤其在瞳孔直径较大或像差较大的情况下，该系统能够有效校正像差并实现精确测量，对于临床应用的适配性更强。

此外，该系统不仅实现了眼内散射的精准测量，还可以进行高阶像差的准确检测，为眼科疾病的多功能诊断提供了更多可能。

e) 研究亮点

1. 提出了用Shack-Hartmann传感器替代自适应光学系统的方法，减少了设备的复杂性与成本。
2. 成功设计了一种适用于大瞳孔直径条件下的精准眼内散射测量方法。
3. 与现有的测量平台（如OQAS）相比，显著提升了检测精度，同时保持了系统的小型化和低成本特性。

研究意义与未来展望

本文提出的新型系统在眼科临床中的应用价值显著，特别是在白内障早期筛查中，可实现更高精度且经济高效的检测。这种技术突破有助于推动眼科诊疗技术向大众化方向发展，并为未来的相关药物开发提供数据支持。

未来的研究方向包括进一步提升该系统的性能及操作简便性，使其更广泛地应用于不同临床场景，如对各种程度的复杂眼病实现精准检测。同时，研究团队可能还需解决眼内环境光学限制下的像差检测局限性，从而扩大其适用范围。