不同瞳孔直径对人工晶状体单眼散焦曲线的预测

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伪晶状体 单眼散焦曲线 瞳孔直径 人工晶状体 视觉性能 调制传递函数 光学转移函数

背景介绍

随着白内障手术和晶状体置换手术的广泛开展，人工晶状体（intraocular lens, IOL）的光学性能在术后患者视觉质量中的重要性愈显突出。临床视觉表现(如视力、焦距范围等)的预测正成为眼科领域的重要研究方向，特别是在讨论不同设计的人工晶状体时，其光学性能可能随瞳孔大小的变化而有所不同。然而，目前已有的预测模型通常假设固定的瞳孔大小，而忽略了这一关键变量在实际临床应用中的影响。

近年来，标准化流程（如ANSI Z80.35-2018和ISO 11979-7:2024）已引入单眼离焦曲线（monocular defocus curve），以更准确地分类IOL（如延展深度焦距的IOL，EDOF IOL）。尽管这些标准推荐将瞳孔大小的影响纳入考量，但目前针对瞳孔大小变化如何影响离焦曲线的方法学仍未完全建立。研究滞后集中体现在光学台实验的单一瞳孔尺寸（例如3 mm或4.5 mm）上，未能与不同患者群体实际数据匹配。

针对这一知识空缺，Antonio J. del Águila-Carrasco及其团队试图探索如何基于光学台上的测量值来预测术后患者在不同瞳孔大小情况下的视觉离焦曲线。这是首个系统地预测不同瞳孔大小下的单眼离焦曲线并将其与临床数据进行比较的研究。

文章来源介绍

这篇文章的题目为“Prediction of Monocular Defocus Curves in Pseudophakia with Different Pupil Sizes”，由数名作者共同完成，包括Antonio J. del Águila-Carrasco、Aixa Alarcon、Henk Weeber等。作者团队主要来自Johnson & Johnson Medtech位于荷兰和美国的分部，这表明该研究得到了大型医疗技术企业的支持。文章发表于《Biomedical Optics Express》的2025年2月1日第16卷第2期。这一领先的光学期刊由Optica Publishing Group出版。

研究流程

研究设计与程序概述

研究共分为多个关键阶段，重点在于光学台实验和临床实验数据的匹配比对：

  1. 人工晶状体的分类及实验对象
    六种类型IOL（均为Johnson & Johnson Vision制造）被纳入研究。其中三种IOL（ZCB00、ZXR00、ZLB00）用于匹配光学台数据与临床数据，其余三种IOL（ICB00、ZEN00V、ZFR00V）基于前述方法得出的拟合方程预测离焦数据。

  2. 光学台测量
    使用平均角膜眼模型（ACE model）模拟人类角膜的球面像差和纵向色差。在20 D屈光能力下，研究聚焦离焦指标“调制传递函数面积”（MTF Area, MTFA）和“加权光学传递函数”（Weighted Optical Transfer Function, WOTF）如何随离焦范围（-3.0 D至0.5 D）及瞳孔尺寸（2 mm、3 mm、4.5 mm）而变化。

  3. 临床实验数据采集
    临床实验中纳入了5个Johnson & Johnson Vision赞助的研究，测试了术后3至6个月后患者在不同离焦情况下的单眼高对比度视力（使用ETDRS视力表测量）。患者根据瞳孔大小分成小瞳孔组（≤3 mm）、中等瞳孔组（>3 mm但 mm）、大瞳孔组（≥4 mm），以评估实际临床视觉表现。

  4. 数据拟合与分析
    数据分析采取了基于幂函数的曲线拟合方法。使用MATLAB软件曲线拟合工具箱计算出每种瞳孔大小与光学指标的拟合参数。同时，利用均方根误差（RMSE）和决定系数（R²）衡量模拟视力与临床视力之间的差异。拟合结果进一步通过Bland-Altman图进行验证。

研究对象和样本规模

研究对象包括纳入光学模型评估的6种IOL以及69-206名患者，分别根据瞳孔大小分组。同时，由于小瞳孔组患者数量相对较少，这一组的分析稍显限制。

数据分析与算法应用

为了得出准确预测结果，研究采用了以下算法与指标： - 幂函数模型：模拟视力 (VA) = a × (参数^b) + c，其中a、b、c为拟合参数。 - 加权光学传递函数与离焦曲线的关系 提供了更全面的频率响应，对预测模型的改进具有重要价值。

主要研究结果

  1. 光学台实验的结果
    MTF与WOTF均可在不同瞳孔大小和离焦范围内较好地表征IOL光学表现。通过光学台得到的模拟视力与多组临床数据所匹配的R²值均达到0.85及以上。

  2. 数据拟合与预测精度

    • MTFA拟合结果：除小瞳孔组外，其余瞳孔大小组别的临床视力与模拟视力的R²值均接近1，并且RMSE均在0.034至0.071之间。
    • WOTF拟合结果：总体上WOTF在小瞳孔情况下精度较高；而对于大瞳孔，MTFA表现更好。
    • 两种指标的拟合均在Bland-Altman图中显示出良好的均值偏差和限度的一致性（-0.1至0.1 logMAR），尤其对3 mm以上瞳孔患者表现更佳。

  3. 小瞳孔组的挑战
    小瞳孔组患者数量较少是限制之一，可能造成该组数据预测的RMSE和一致性略逊于其他组。

  4. 单焦点与多焦点IOL的性能比较
    单焦点IOL的模拟精度普遍优于矫正老视的多焦点IOL，这可能与后者所采用的衍射或特殊光学技术有关。

研究结论及意义

文章得出的关键结论是，通过在光学台上综合使用MTFA和WOTF等多频率敏感指标，结合不同瞳孔大小的实验方案，可以更精确地预测术后患者的离焦曲线。研究不仅提升了IOL设计的临床前评估能力，还为医生在实际手术中选择适合患者需求的IOL提供了理论依据。

本文揭示了多种瞳孔条件下临床与模拟结果的相关性，其中特别强调为“瞳孔分层”的方法学对在术前预测患者特异性视觉性能的潜在应用。这种创新性方法能够更好地区分单焦点与多焦点IOL的性能优势，甚至可以为混搭植入（mix-and-match）方案提供新思路。

研究亮点

  • 创新性瞳孔分层分析：首次将瞳孔大小对离焦曲线的影响纳入预测模型。
  • 高关联性指标选取：使用MTFA和WOTF数据，提升了从光学台到临床数据的相关性。
  • 算法的应用性：幂函数拟合和聚合分析对未来预测算法的设计具有潜在价值。

展望与改进

文章指出，未来研究应更关注瞳孔直径较小的患者组，并进一步验证多眼联合的双眼焦距曲线在IOL植入方案中的可行性。同时，进一步研究某些物理效应（如Stiles-Crawford效应）是否对不同IOL设计的性能预测有显著影响，也将是一大方向。

通过本文，作者团队为IOL临床前光学评估提供了系统完整的框架，为提高白内障手术术后患者视觉质量推广了一种未来可用的标准工具。