角膜地形图的应用和分析(第一讲)
角膜地形图的应用和分析(第一讲)陈洁,瞿佳
(温州医学院眼视光学院,浙江温州 325027)
【关键词】 角膜地形图;角膜曲率;
【中图分类号】 R770. 43 【文献标识码】 C 【文章编号】 1008 - 1801(2000) 01 - 0056 - 03
[编者按]眼睛是以光学作为适宜刺激的视觉生物器官,因此在一定程度上也可将眼睛作为一种光学器具,从
角膜到眼底视网膜前的每一界面都是该复合光学系统的组成部分,其中角膜是最重要的光学面,角膜的曲率
及其角膜面上的任何变化,都会改变眼球总屈光力或者改变视网膜成像的质量,因此,角膜和角膜形态的测量
和分析成为眼屈光学研究和临床的重要部分。本园地为此开辟学习专题,围绕角膜地形图的分析和应用进行
阐述。本专题共分四讲: ①角膜曲率与角膜地形基础; ②隐形眼镜验配和角膜地形分析; ③角膜地形图在屈光
手术中的应用; ④角膜地形图分析与圆锥角膜诊断和治疗 第一讲 角膜曲率与角膜地形基础
角膜是人眼屈光度的重要组成部
分,其屈光度占人眼总屈光度的2/ 3 ,
角膜前表面则是角膜产生屈光作用的
主要部分,因此角膜前表面的曲率成了
临床上一个重要的指标。尤其是在70
年代末和80 年代初,随着角膜屈光手
术的发明和开展,角膜接触镜的普及、
90 年代末角膜塑型术的盛行,对角膜
曲率及其形态的测量和分析成了眼科
学和视光学必不可少的检测项目。测
量角膜曲率和形态的仪器有多种,如角
膜曲率计、Placido 角膜镜、角膜地形图
等,各类仪器在临床上各施其职、相辅
相成,为临床医师了解角膜信息提供了
方便。
1 角膜曲率计
角膜曲率计是测量角膜曲率半径
及其屈光力的仪器,对于正常规则的角
膜,角膜曲率计测量的结构具有高度准
确性和可重复性。角膜曲率计是应用
镜面反射的原理(见图1) ,已知大小的
光标经过角膜面的反射后成一虚象,测
量象的大小和光标到角膜的距离,就可
得到角膜的曲率半径值。具体推导如
下:h’/ h =f’/ x = - r/ 2x ,所以:r = 2mx ,
图1 角膜曲率计原理图
收稿日期:2000 - 02 - 20
作者简介:陈洁,现为温州医学院眼视光学
院硕士研究生,主要从事RGP 临床和研究 其中m 为放大率,因为x 约等于d ,所
以:r = 2md
角膜曲率计除了可以同时得到角
膜曲率半径值和屈光度值外,还有测量
快捷、操作方便、价格低廉、维修简单等
优点,特别适合于规则角膜的检查,因
此是临床上测量角膜曲率的重要方法,
但是其测量范围局限在角膜中央区
3mm区域内。
2 Placido 盘
从角膜曲率计的光学原理可以了
解,角膜曲率计表达的是角膜中央3～
4mm处的两个子午线的曲率,不能了
解整个角膜的曲率和形态信息。众所
周知,角膜形态具有特殊性,即中央区
约呈球形,越到周边越平坦,成一非球
面形式。而且,随着角膜和眼前段技术
的发展,需要对角膜形态有全面的了
解。因此,早在十九世纪末,人们就开
始寻求了解整个角膜信息的方法。
Placido 盘就是在那个时候诞生的一黑
白相间的同心圆环。用Placido 盘检查
时,检查者通过盘中的小孔观察被检者
角膜上的同心环的像,来了解角膜的弯
曲度。正常的角膜像应该是规则的同
心圆,规则散光为不同形状的椭圆,不
规则散光则是不规则的角膜像。如图
2 所示,上方环的宽度增加,表示角膜
曲率较平坦,下方环的宽度减少,表示
角膜曲率较陡。临床上Placido 盘能够
了解较大量的角膜变形,如中度圆锥角
膜、严重的散光、不规则散光等。检查
时只要观察角膜表面反射的光斑形状
和大小的变化。Placido 盘经过更新换
代,目前有代表性的要属手持式、裂隙
灯式、照相机摄像式等多种形式,其中
摄像式角膜计能对角膜进行定量分析,
在二十多年前曾经是一突破性的进步 3 计算机辅助角膜地形分析系统
直接利用Placido 盘角膜图像判断
角膜形态属于定性性质,无法定量,存
在许多分析上的不足,如角膜图像确定
散光轴向比较困难,摄像式检查过程复
杂,确定性也不高,而且Placido 盘提供
角膜曲率的区域也比较局限。因此,随
着电脑技术的进一步发展和改进,角膜
地形电脑分析系统(computer - assisted
corneal topographic analysis system ,下文
简称角膜地形仪) 应运而生,它克服了
以上缺点,结合了Placido 像和计算机
的功能,用视频摄像机接收角膜像,并
由该图像信息转化为数字信息后重建
原角膜表面形状,得到的角膜形状用颜
色编码得到彩色图形,即角膜地形图。
通常角膜地形图中用暖色如橙色或红
色表示高屈光度,冷色如绿色或蓝色表
示低屈光度。
3. 1 角膜地形图的意义
自角膜地形仪问世后,人类开始比
较全面地认识人眼正常角膜的形状。
正常角膜中央较周边要陡一些,是非球
面的,呈放射状、不对称状,一个人的两
眼的角膜形状呈镜面对称。除此之外,
更重要的是用来检测异常角膜形态变
化,临床上角膜地形仪主要应用以下几
个方面: ①散光分析; ②圆锥角膜诊断
和治疗评判; ③眼前段手术,如白内障 人工晶状体植入手术等; ④角膜屈光手
术; ⑤穿透性角膜移植手术; ⑥膜接触
镜的验配。
3. 4 角膜地形仪的基本原理
角膜地形仪的基本原理是反射,反
射现象是光学定律中最简单的光学现
象,反射定律包括:A、入射光线、反射
光线、入射点和垂轴在同一平面上;B、
入射角= 反射角;C、反射光线的方向
与反射面的曲率无关,而只与入射光线
以及入射点有关。这一定律同样也运
用于弯曲的表面。角膜是一个凸面,物
体在角膜面所成的像位于角膜顶点后
约4mm 处,是一个虚像。这一凸面反
射原理在角膜曲率计的应用中是最重
要的,我们可从像的大小计算出角膜面
的曲率。公式如下: ①I/ O = P’/ P , I :像
的大小,O:物的大小, P’:象离镜面的
距离,P:物离镜面的距离。②f’= R/ 2 ,
f’:焦距,R:曲率半径。
图3 角膜地形仪的原理图
如果物体在远处, P 可看成无穷
远,P’可等于f’,这样我们就有以下公
式③I/ O = R/ 2P ,因此, ④R = 2IP/ O
这里还要提到的是:如果物体的大
小O 保持不变,物距P 固定,这样,像
的大小I 和曲率半径R 的比值就保持
不变。⑤I/ R = O/ 2P = 固定值,大部分
角膜地形仪是根据光学定律中的镜面
反射原理设计的,这些环发出的光线,
经过角膜表面反射后所成的像由照相
或摄像系统接收得到。如果用高倍放
大镜观察人眼角膜,可以发现角膜有一
个高度不规则的表面,但角膜还是遵循
镜面反射原理,这是因为泪膜的作用,
泪膜有三层,即粘液层、水层和脂质层,
由于角膜面的拉力,泪膜覆盖在角膜前
面,形成一个规则而又光滑的表面,因
此,角膜遵循镜面反射原理。
3. 5 角膜地形图的阅读和理解
对角膜地形图的分析和认知有许
多参数,这里将常用的基本要素列出,
一些复合的参数分析将在下几讲中逐
步阐明。
3. 5. 1 颜色: 暖色如红色、橙色和黄
色,代表角膜前表面陡峭的区域;绿色 代表中间区域;冷色如淡蓝和深蓝色,
代表平坦区域。如图4 所示是一正常
角膜地形图,中央黄色代表曲率最陡的
区域,往周边颜色逐渐变平坦,由黄色
变到绿色,最后到蓝色,尤以鼻侧区域
最明显。
3. 5. 2 方格和子午线 在图4 的图形
上,我们还可以看到添加的黑色方格,
每一格的大小为1mm ×1mm ,主要用于
测量角膜表面任一点到中央的距离。
同时,角膜表面还标出360 度的子午
线。这些标记在检查角膜散光的时候
最有用了。
图4 正常的角膜地形图
3. 5. 3 光标框 在图4 的右下方,我
们可看到一光标信息框,该框主要表达
光标所在点的角膜信息。一地形图刚
打开或检查完毕时,光标通常位于角膜
与角膜镜的轴向的交点或者角膜顶点
位置上。当鼠标在角膜地形图上移动
时,不同的点所对应的角膜信息就在光
标框内表达出来。一般的角膜地形图
在右下框有三对数字,第一对是光标所
在点的曲率半径和屈光度,第二对是该
点离角膜中央点(角膜与角膜镜中央轴
的交点) 的距离和方向,最后一对是该
点到瞳孔中央的距离和方向。有的角
膜地形仪也可以表达不同的数据,这与
厂家的设计有关。
3. 5. 4 尺度:角膜地形图的尺度有多
种,临床应用最广泛的要数绝对尺度、
相对尺度和调整尺度。
①绝对尺度 绝对尺度就是指每一种
色彩代表一个曲率。如蓝色代表长曲
率,表示角膜平坦,红色代表短曲率,表
示角膜陡峭。有的地形仪将黄色定义
为中间色,代表曲率为44. 5D ,并以1.
5D 上下逐级变化,最大、最小值分别为
50. 5D 和35. 5D。有些地形仪的等级也 有不同,如等级变化为1D ,中央黄色代
表43. 0D。也有一些其他的等级为0.
25D、0. 5D、1D 和2D 不等。
绝对尺度的优点就是固定了色彩
和屈光度之间的相应关系,不同的地形
图可以比较,这样可以有效地监视随着
时间变化图形的变化,或者监视手术前
后图形的改变。
②相对尺度 相对尺度则与绝对尺度
不同,是计算机将已经建立好的数据在
最大和最小之间进行细分。有的相对
尺度将地形图分为11 个等级。如果计
算机发现最长的半径是34D ,最短的半
径为56D ,总变化量为22D ,除以11 个
等级,每个级别为2D。也有的相对尺
度将曲率分为14 个级别,或者等级间
距可以为0. 25、0. 50、和1D 变化。
③调整尺度 目前所有的角膜地形仪
都有改变尺度的特性,也就是尺度可以
根据操作者的要求改变,也可以根据所
得的数据来改变。比如,当所得的图形
角膜曲率大小相差很大或者图像极不
规则,这时如果选用等级为0. 25D 就是
很麻烦的事了。因为等级越多,产生的
信息越复杂。当然,如果要绝对尺度,
一些很小的变化可能不会被发现,我们
可以增加等级量或者缩小间距来发现
早期少量的异常。
3. 5. 5 系列图: 系列图就是在单一显
示屏上表达多次不同的检查图形,这在
评价手术前后或者角膜治疗效果时最
有用。有的地形仪可以一次显示四副
不同时期的地形图,有的则可更多。系
列图还有一共同的光标,只要移动一个
图的光标,不同图形的光标也会跟着移
动,所有的光标框内表达的都是同一点
的曲率值,这样,某一点的曲率变化就 能明显表达出来了。
3. 5. 6 变化图:变化图也称差别图,是
表示两副不同地形图上同一点的曲率
变化的图形。变化图种,绿色表示没有
变化,暖色如红色和黄色表示曲率变
陡,蓝色则表示曲率变平。变化的尺度
可根据操作的要求变化,大多地形仪默
认为0. 5D。这种变化图用的最多的是
在表示PRK等角膜屈光手术后角膜曲
率的回退。其次则是应用在白内障手
术中切口的选择和角巩缘松弛切口。
3. 5. 7 高度图:高度是确定角膜顶点
位置后比较角膜各点和顶点的位置,并
根据差距表达不同点的高度。当周边
高度大于角膜顶点时,高度值可出现负
值(见图5) 。
高度图可以运用到硬镜的验配中 来表示荧光评价模式。根据角膜表面
和理想表面的距离,计算机可以显示假
设配戴隐形眼镜以后的荧光染色模式。
这样可以缩短初次验配的时间,减少病
人的痛苦。
图5 高度图
3. 5. 8 眼睛像和地形图并存:大多角
膜地形仪在显示地形图的同时还可以
显示检查眼的像,这样,操作者就能确 认患者注视位置是否偏心,就能确定该
地形图是否有利用和分析的价值。因
此,当发现一异常角膜地形图时,还需
要医生来确定这样的地形图是否位于
中心,是否准确聚焦。
3. 5. 9 Placido 像: 计算机可以将转换
后的图像数据重新回到Placido 像,该
像可以形象地直接表达角膜的情况,有
时有些地形图无法表达和误解的图形
信息还可以从这里得到阐明,如受到角
巩缘、眼睑或者人为的影响,一些角膜
地形图在周边会出现一新月形的深蓝
色区域, 这时最好用红黄间隔环的
Placido 像来区别是人为因素还是角膜
地形异常。(待续)
(编辑:徐晓泉
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