第3章第3节角膜地形图分析系统 - 眼视光器械学

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第3章第3节角膜地形图分析系统

2009-12-02 18:29:55 来源:网络作者:艾爵【大中小】浏览:81821次评论:0条

角膜具有中央接近球形、朝周边逐渐平坦的光学结构特征。根据Gullstrand模型眼，角膜中央区域的前表面中心曲率半径为7.8㎜，后表面中央曲率半径为6.8㎜，折射率为1.367，等效角膜屈光力为43.05D，折合眼睛总屈光力的2/3。
角膜是非球面性的表面，非球面是指中心到周边的曲率存在差异变化，角膜是按照椭圆形形成的非球面体。角膜顶点是曲率最大或曲率半径最短的点，离开角膜顶点的区域在曲率半径均比角膜顶点的曲率半径大。
测量角膜非球面性特征的参数在文献中有不同的描述，但是最常见的是以下几种：偏心度（e）、外形因子（p）和非球面性参数（q），每个参数之间可以相互推算。偏心度为曲率和球形表面曲率的差异程度，也表达了周边平坦/陡峭的程度；外形因子的测量目的是得出角膜外形的量化表示值，用数学定义角膜表面非球面性的程度。它们之间的关系如下：
在文献中-e2有时表达为q，作为非球面性参数。角膜非球面性参数说明角膜表面是非球面的，它有一椭圆性外周，它不是侧向或放射状对称的。为了对角膜的形态有更生动地理解，人们试图把角膜分成几个区域进行分析，图3-1就是Sampson（1965）的分区方式：①中心区域或角膜顶部（角膜帽）；②旁周边区域；③周边区域。

对于角膜中央区域的概念的建立是基于：①靠近角膜中心的角膜曲率变化较小，该中心区域可以假定为球性表面并且在每条径线上的曲率相同；②该中心区域的各径线上曲率的变异是很有限的，并且是不显著的；③角膜曲率计不是准确测量几何中心的曲率，而是测量中心两边1.2～1.8㎜距离的角膜曲率作为近似值。
角膜形态的测量可以：①估计屈光不正；②评估角膜的病理变化；③预测或评价角膜接触镜的验配；④评估角膜接触镜的配戴效果；⑤评估屈光手术的效果；⑥为特殊角膜接触镜设计提供参数。
角膜形态测量的设施基本采用两大类方法，即光学方法和接触法。光学法有：①光学反射法；②光学轮廓法；③干扰量度法/相干波纹法。接触法有：①浇铸/模压；②超声波；③试戴角膜接触镜法。由于接触法在测量过程中会改变角膜形态，很耗时间，同时数据理解和处理比较困难，所以目前常规使用的角膜地形测量设施基本采用了光学反射方法设计的。目前用于临床的主要有：
1、角膜盘/照相角膜镜。
2、角膜曲率计。
3、计算机辅助角膜地形仪。

角膜地形分析系统
临床上早期使用的角膜曲率计仅能测量角膜总面积的8%，由于取点少，对角膜描述不全面；角膜镜（12环）虽可测量面积达70%，但主要对角膜形状进行定量描绘。
Topography是地质学的一个名词，其定义为：对一个地区的天然的和人工的地势的描绘，简称地形描绘。而corneal topography，顾名思义，即将角膜表面作为一个局部地势，用不同的方法进行记录和分析。随着计算机分析、彩色标识的问世，角膜表面形态更为直观而确切的表达，逐步形成两大类：①以表达角膜前表面的计算机辅助角膜地形图分析系统；②综合角膜前后表面形态的OBSCAN系统。

一、计算机辅助角膜地形图分析系统
角膜地形分析仪起源是Placido盘，后来Gullstrand将一架照相机联到Placido盘上，能对光标像进行拍摄，该仪器就称角膜摄影仪，Gullstrand通过测量光标像的大小和形状，可以计算角膜的形态，其理论同角膜曲率计。
Ludlan和Wihenberg（1966）阐述了Gullstrand角膜摄影仪的缺点：问题之一就是光标平板的曲率，因为像是曲面的，平板上的环不可能全部聚焦，这个问题的解决办法就是将环画在碗形内而不要画在平板上。第二问题是患者角膜与角膜摄影仪的对准问题，角膜曲率的测量都是沿视线方向的（视线与角膜顶点重合）。问题之三就是无法对图像的质量进行精确的分析和测量。
Wesley-Jessen Inc研究了一种角膜摄影仪，称PEK，解决了由Ludlan等提出的上述许多问题，该仪器的光标设置在一个椭圆碗形的内面。1970年Townsley设计了一种新的数学处理方法，将角膜照相图片输入电脑，计算最平坦和最陡的两条子午线的角膜部分参数。
此后角膜屈光手术的诞生和普及使人们重新对角膜地形分析产生极大兴趣，多种类型的照相角膜仪和录像角膜仪应运而生，它们将电脑技术的最新进展结合到检测和分析中，获得快速而精确的测量结果。

（一）角膜地形图的构成原理
目前引入角膜地形图的有以下两种方法：
1、等高线法等高线是由地面高度相同的点所连成的闭合曲线，反映地势起伏高低的等高线地形图用等高距标记高程，等高距是相邻两条等高线之间的高度差。等高线密集代表地面坡度陡峭；等高线稀疏代表坡度缓和；等高线间隔均匀，说明坡度均一，为直线坡；如高处的等高线稀疏，向下等高线逐渐密集，说明坡度上缓下陡；反之，如高处的等高线密集，向下等高线逐渐稀疏，说明坡度下缓上陡。
2、分层设色法：等高（深）线的底图上按不同高（深）层次，涂染代表不同高度的各种颜色，以代表地形起伏的方法，可使人产生深刻的视觉效果（图3-13）。

尽管角膜地形图仪发展迅速，产品种类很多，但其基本结构由以下3大部分组成（图3-14）：

1、Placido盘投射系统该系统类似Placido盘，它可根据需要将许多圆环投射到角膜，并将每一圆环分割成许多点，在角膜上目前最多可提供14000个数据点，使精确分析角膜形态成为可能。
2、实时图像监视系统该系统对投射到角膜上的圆环进行实时观察、监测和调整当角膜图像处于最佳状态时，可将图像储存起来，以备分析。
3、计算机图像处理系统计算机将储存的角膜图像先数字化，然后进行分析，结果用彩色图像显示在荧光屏上，用14种颜色代表角膜表面不同的屈光度和曲率，暖色代表屈光力强的部位，冷色代表屈光力弱的部位，每种颜色代表一定的屈光度的变化。通过计算机按照设定的计算公式和程序进行分析，不仅可将不同的彩色图像显示在荧光屏上，同时数字化的统计结果也可同时显示出来。

（二）角膜地形图的特性
角膜地形图不同于角膜曲率计。角膜曲率计仅能测量角膜表面3㎜直径范围的两点间的平均角膜屈光力及曲率半径，并不反映角膜表面的整个形状；而角膜地形图对整个角膜表面进行分析，其中每一投射环上均有256个点计入处理系统，因此，整个角膜就有约7000个数据点计入分析系统。
角膜地形图有如下特点：
1、获取的信息最大角膜曲率计仅能测量角膜总面积的8%，12环的角膜镜可测70%，而角膜模型化装置（CMS）在角膜表面的测量面积达95%以上。一个典型的角膜地形图可包括14000个数据点，还可利用人工智能技术将12000个数据点显示成角膜厚度的多重剖面，检查者可根据需要加以选择。
2、精确度高常规的角膜曲率计只能测出角膜表面大约相距3㎜两点之间的平均角膜曲率半径值，即使在所测的3㎜范围内也不能肯定读数相同。而角膜地形图对角膜表面8㎜范围内测量精确度达100%～99.03%，CMS系统在人类的误差值在±0.25范围。
3、易于建立数学模型以相对和绝对高度标志的球面减数图以及角膜子午线曲率标志图，由于采用光栅摄影测量技术，用高度点而非曲率来解释角膜表面的变化，故易于建立数学模型。
4、受角膜病变影响较小以住的检查仪器（如角膜曲率计）很易受角膜病变影响，导致检查结果不准确或者无法检查。最近问世的角膜地形图仪PAR、CTS不仅可对上皮缺损、溃疡及瘢痕的角膜进行检查，而且其检查结果很少受角膜病变影响，因此检查结果具有重要参考价值。
5、误差小由于用实时数字视频技术在1/30秒内显示映像环，避免了因瞬目和心跳造成的影响。
6、直觉性强由于对角膜上同不曲率半径采用不同颜色。暖色代表屈光力强的部位，冷色代表屈光力弱的部位，使角膜地形图所显示十分直观醒目。
7、一机多用角膜地形图仪还具有自动角膜曲率计、角膜镜的功能，可以用其单独对患者进行自动角膜曲率计、角膜镜检查。

（三）角膜地形表达参数
1、角膜表面非对称性指数（SAI）对分布于角膜表达128条相等距离子午线上相隔180的对应点角膜屈光度进行测量，将各相应屈光力的差值总和起来即得出SAI。理论上，一个完全球面以及任何屈光力对称的表面SAI均等于0。正常值：0.12±0.01。而高度不对称角膜（如圆锥角膜），其SAI值可达5.0以上。SAI与PVA（下述）呈相关关系。
2、角膜表面规则性指数（SRI）对256条子午线上的角膜屈光度分布频率进行评价。CMS系统向角膜表面投射26个Placido环。为与正常状态下的瞳孔相对应，选择中央10个环，连续拍摄3张照片。若3个相邻环所在的角膜屈光度不规则（即非逐渐性增加、降低或保持不变），即作为正常进入总和运算。角膜表面愈规则，SRI愈小，对于一个完全光滑的表面，SRI接近于0，正常值：0.05±0.03。SAI与SRI相似，都是通过数量上的关系用于推测根据角膜表面的视觉质量而假设的PVA。SAI和SRI在正常角膜中的应用较少，在角膜表面情况较差时，则有较大应用价值。
3、潜视力（PVA）使用SAI或SRI同PVA之间的关系，根据单独的角膜地形图结果可提供一系列的预期的视力。
4、模拟角膜镜读数（Sim K）模拟角膜镜读数为最大子午线上屈光度在第6、7、8环上的平均值，并显示距离此子午线上90°方向的同样3环平均值，同时标出所有轴向。
5、最小角膜镜读数（Min k）最小角膜镜读数为最小子午线上屈光度的第6、7、8环上的平均值，并标出所在轴向。

二、Orbscan角膜地形图系统
计算机辅助的角膜地形是通过角膜各点对Placido盘的反射状态而确立的，角膜某点对光线的反射状态只与此点的屈光状态有关，而屈光力与此点的角膜曲率半径有关，与角膜地形参考平面的高度无特定关系。因而，基于Placido反射影像所获取的角膜地形只是角膜表面的屈光力角膜地形，不是真正意义上的角膜地形。
为了获取角膜地形的全面信息，Orbscan 角膜地形图系统开始产生，它利用一光学扫描装置对被检者角膜进行扫描，从而获取角膜前、后高度地形图，角膜前表面屈光力地形图及全角膜厚度图。此外，此种角膜地形图系统还可检测前房的深度、晶体的厚度。

（一）原理
Orbscan角膜地形图系统由①光学探头，包括发射裂隙光的2个光学投射头及拍摄角膜裂隙光学切面的照相机；②计算机处理系统；③工作站；④彩色打印机四部分组成。在暗视野中，光学探头的裂隙光以45°角投射于患者角膜，对角膜进行扫描，其中20条裂隙光由左向右连续扫描，另20条裂隙由右向左扫描。共获取40个裂隙切面，而每个裂隙切面可获取240个数据。计算机根据这些裂隙扫描获取的信息计算出全角膜前、后表面的屈光率，全角膜前、后表面的高度及全角膜厚度。全角膜厚度是根据全角膜前、后表面高度的差值而获得的。同样的原理，Orbscan角膜地形图系统还可测量前房深度。
角膜厚度彩色编码图的颜色设计为：用暖颜色表示角膜较薄，颜色愈呈暖色，则角膜愈薄。用冷颜色表示角膜较厚，颜色愈呈冷色，则角膜愈厚。
角膜的高度地形彩色编码图显示角膜与一参考平面的相对高度，凡高于参考平面处用暖颜色表示，而低于参考平面处用冷颜色表示。颜色愈暖则表示角膜高出参考平面愈多，颜色愈冷则表示此处角膜愈低于参考平面。角膜前后表面参考平面的曲率各角膜不同，它是根据各个角膜的具体形态由计算机进行设定的。

（二）应用
1、测量前房深度 Orbscan地形图系统是一个3-D裂隙扫描系统，能用来分析角膜前后表面参数及眼前段结构，如：瞳孔、晶体等。用x、y、z轴三维描述角膜表面各点数据，制成颜色编码地形图。
2、测量角膜厚度角膜厚度变化反映了其水合作用及新陈代谢的改变。超声厚度测量或许会受到组织水合作用的负面影响。Orbscan角膜地形图系统利用角膜前后表面相关数据来推算角膜厚度，Orbscan系统能在角膜水合作用变动下测量其厚度。它不但能反映角膜随水合作用而发生的厚度变化，而且暗示了周边角膜水合作用波动的存在，这对准分子激光角膜切削术很有意义，因为局部组织切削受组织水合作用影响。
3、应用于圆锥角膜的评估 Orbscan角膜地形图系统对角膜局部解剖作了大量的分析，如角膜前极、角膜最薄弱点等，评估包含了位置、突出度、局部厚度、切线曲率以及复合曲率。Orbscan系统对确定圆锥角膜及发现早期圆锥角膜的局部解剖微小变化，能提供有价值及精确的信息。
4、长期戴角膜接触镜对角膜厚度、曲率和表面规则性的影响评估 Orbscan角膜地形图系统可以检测整个角膜厚度、曲率、角膜前表面曲率、前后表面地形模式。
5、对供体角膜筛选当前对行角膜移植术供体角膜的筛选方法还不能有效地排除有局部解剖学异常的供体角膜。一些研究者尝试用Orbscan角膜厚度测量系统作为筛选供体的技术。
6、角膜屈光手术的应用 ①Orbscan全角膜屈光力图能精确检测准分子激光原位角膜磨镶术后角膜屈光力改变；②LASIK术后角膜中央岛的临床分析；③用于LASIK术后角膜后表面曲率变化的研究；④Orbscan-II电视角膜地形图介导下性PRK术。

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责任编辑：peijingshi

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