摘要】近年来，众多的眼屈光问题引起了学者们的广泛关注。为进一步探究眼屈光问题的发生和发展机制，大量眼成像技术及分析系统孕育而生，并被应用于眼屈光问题，如近视、老视等的机制探究以及全眼的生物参数测量等方面。伴随着实验室研究的进展，眼成像技术飞速发展，在眼科各领域中广泛应用。眼成像技术的发展对促进眼屈光研究至关重要，其发展应以“在体无损、客观精准”为基本需求，向着“实时动态、智能化分析”的发展方向，以实现“视觉认知反馈系统监控技术”的调控效应研究。

【关键词】眼成像技术;眼屈光问题;生物测量

【基金项目】国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项项目(2016YFE0107000);国家自然科学基金面上项目(81470880);高等学校学科创新引智计划项目(D16011)

眼屈光问题，尤其是近视发生和发展机制研究颇多，无论涉及模型动物还是临床上以人为研究主体的队列研究，都需要有可观察、可测量的关键生理或病理参数，这些参数可以是组织结构性或功能性、静态或动态、诸多参数的复合，从而客观定量结构或功能的变化，直接揭示发生和发展过程中的变化规律、调控核心或关联环路。因此，在体、客观、精准、无损等特点的眼球成像技术发展，同时通过人工智能化，对推进眼屈光领域研究至关重要。从眼发挥屈光作用的角度来看，眼球的结构和功能既复杂又有趣，除了角膜、晶状体、眼轴等直接发挥屈光“光学部件”的作用外，眼球构架中其他组织也在屈光及其问题的发生和发展中起到直接或间接的作用。眼屈光及其功能的研究不仅涉及眼屈光问题本身，还涉及各种眼部疾病及其康复机制的研究，如白内障、青光眼、眼底病，同时涉及诸多功能视觉问题的探索，如视觉疲劳、老视等。眼成像技术的发展为我们拓宽了研究思路，同时为我们搭建了跨界合作的人才集聚平台，让医师提出的临床问题与光学工程师和信息分析测算专家的智慧交汇，加速了临床科学问题探究的进程。本文将从眼球复合结构和特征及其屈光问题出发，评述眼成像技术的意义，结合团队相关研究，分析如何充分利用光学工程与眼科学等生命科学的交叉融合，为眼屈光问题做出有意义的探索。

1 眼屈光研究技术上的基本需求：在体无损、客观精准

眼屈光问题包含诸多类型，近视是常见的屈光不正类型，可造成严重的视觉损伤。眼球屈光状态取决于眼球各个屈光结构参数，如眼轴长度、角膜曲率、中央角膜厚度、前房深度、晶状体厚度等，其中眼轴长度、角膜曲率、晶状体屈光力是主要的决定因素。眼轴长度与屈光度的变化密切相关，其变化可以反映屈光状态;角膜曲率作为人眼屈光的重要参数之一，随着眼球发育，眼轴延长，角膜曲率半径随之增加以维持眼的正视状态;当眼轴延长到一定程度时，角膜无法维持扁平，反而变得更加陡峭;晶状体作为重要的屈光介质，与人眼的调节密不可分，其形态的改变与近视进展可能存在密切关系[1-2]。当眼轴发育稳定后，晶状体将随年龄增长而变厚。由此可见，眼部各屈光参数的异常及其不协调的相互作用是人眼近视发生和发展的一大原因。人眼屈光组织的高分辨率在体成像和准确测量分析是研究人眼屈光状态和近视发生和发展的重要手段。

目前临床上眼轴测量的金标准是A型超声检查，但测量时超声探头与眼球接触，对人眼表面施压可造成眼球轻微变形，影响人眼参数测量的准确性。继而IOL Master和Lenstar等光学成像技术应运而生，它们具有非接触性、便捷和精确等优点，并逐渐替代了A型超声仪[3-4]，目前已经成为临床上眼球屈光参数测量的主要检查仪器，但其无法确保每次测量均对准黄斑中心凹，可能会造成眼轴长度测量的偏差。研究者们又将目光转向光相干断层扫描(optical coherence tomography，OCT)。OCT是一种具有准确、快速、非接触式特点的高分辨率光学成像技术，已经被广泛用于眼科检查。本研究组于2010年通过双窗口设计的参考臂系统以及后续的图像配准处理技术，自行研制了眼前节超长扫描深度谱域光相干断层扫描(ultra-long scan depth spectral domain optical coherence tomography, UL-OCT)系统，成为国际上早期实现OCT深度成像的小组之一[5]。UL-OCT获取了从角膜前表面到晶状体后界面的眼前节全范围高分辨率成像，成像深度达12 mm，不仅可以获得大范围的角膜前后表面成像，同时获得了前房深度、晶状体厚度和前后表面曲率等信息。在此基础上，本研究组进一步设计切换式参考臂，实现了眼前节和眼后节的同步成像，通过一次扫描成像，获得眼轴长度的同时也获取了眼各屈光组织的形态信息[6]。大探测深度、高分辨率成像OCT技术的发展为眼部各屈光结构参数的测量提供了更为客观、准确、在体、无损的技术支持。

OCT深度成像技术的发展也为近视动物模型的研究提供了新的技术途径。虽然目前许多研究团队均已建立了形觉剥夺性近视动物模型，但对于剥夺周期尚无统一标准，更缺乏与近视形成相关的生物学参数信息支持，如形觉剥夺前后玻璃体腔深度的改变、眼屈光组织的参数信息的变化及其规律对于近视研究尤为重要。目前小鼠近视模型的屈光状态可利用红外偏心验光仪进行测量，但由于小鼠眼球小，造成生物学形态参数测量困难，测量方法大多为离体的组织切片分析和低分辨率的超声波检查。本研究组将自主研发的UL-OCT系统进一步改造后，使其适应于小鼠小眼球、大晶状体的生物特点，成功应用于近视小鼠动物模型的眼球生物参数测量(图2)。通过对动物模型整个眼球一次性成像，获得了角膜厚度、前房深度、晶状体厚度和前后表面曲率、玻璃体腔深度和眼轴长度，在一系列开展的研究中显示，该创新的OCT成像技术为近视动物模型相关研究提供了准确、客观的在体生物形态学参数信息[7-9]

2 “调节”是诸多眼屈光问题的源头：实时动态、智能化分析

人眼近距离工作时，视觉信号由视神经传入，通过大脑视觉中枢分析处理后，由副交感神经传出，引起睫状肌的收缩，进而引起晶状体的形态改变，包括厚度增加、前后表面曲率增大，屈光力增加，从而实现人眼近距离工作时的清晰成像，这也是目前比较公认的Helmholtz-Fincham调节理论。自1855年该理论被提出以来，得到了眼视光学和临床眼科学的广泛关注，但至今仍未得到完美、统一的详细阐明。根据经典的调节理论，调节过程中启动因子为睫状肌的收缩，它导致晶状体的形态发生改变，进而产生眼球屈光力的改变。因此，对调节时睫状肌和晶状体的形变以及相应的眼球屈光力变化是诠释调节机制的技术关键。

有关人眼调节的形态学定量检测方法主要为影像学技术，如MRI和Scheimpflug成像技术[10-11]，然而MRI分辨率和扫描速度较低，Scheimpflug成像技术则需要扩瞳，难以应用于调节研究。采用近红外光干涉成像的OCT技术具有准确、快速、非接触的特点，且不干扰人眼正常生理过程的特点，为准确测量调节过程中眼各屈光结构提供了可能性。本研究组应用UL-OCT研究了调节过程中人眼前节形态学参数的动态变化，结果显示在给予调节刺激后，人眼经历了短暂的滞后，随后晶状体前表面曲率半径下降、厚度增加，且变化呈指数函数[12-13]。通过曲线拟合，我们可以对该动态变化的滞后时间、速度、幅度等进行定量分析，从而获取人眼调节的特征改变[14-15]。

对调节功能的测量主要是通过比较眼球屈光力在放松和调节状态下的变化来反映调节能力的大小。目前临床上常用的调节功能检测方法，如移近移远法、负镜片法测量等，尽管方便、快速、经济，但由于是主观检测，存在着过度估计、一致性较差的问题[16-17]。因而，基于检影技术、红外验光仪等测量人眼屈光力的客观技术在该领域得到了广泛应用[18-19]，并发现人眼存在调节超前和滞后现象，调节反应减少、调节滞后量增大被认为是近视发生的危险因素。本研究组在以往研究的基础上，自行搭建了包含有动态调节和调节微波动测量模块的调节功能测量系统(图4)[20]。该系统基于开放性视野的WAM5500红外验光仪，能够快速对人眼屈光力的变化进行动态捕捉;结合自行研发的视标系统，提供不同调节刺激并能够根据实验目的实时切换，实现对人眼调节系统的精确调控。利用该系统，本研究组发现在注视某一固定距离物体时，人眼调节存在微波动，而且近视眼的波动幅度更大;另一方面，近视眼调节功能异常除了调节滞后量增大外，其调节反应速度和调节放松速度也明显下降，这些研究结果均提示近视的发生和发展与调节功能异常存在相关性。

基于形态学和功能学的调节系统检测平台，本研究组还开展了对老视机制的探索。老视是随着年龄增长，人眼调节功能逐渐下降的现象。目前对老视机制的研究仍存在争议，其焦点在于调节功能下降的主要原因是睫状肌收缩能力下降，还是晶状体形变能力下降，或是两者皆有[21-22]。以往研究由于缺乏在活体上对人眼调节系统，包括睫状肌和晶状体形态变化的直接观测和实时记录，限制了对老视机制的研究。本研究组利用UL-OCT与高穿透性谱域OCT相结合，成功对调节过程中晶状体和睫状肌的形变进行同步动态记录(图5)，发现睫状肌收缩快于晶状体形变，两者之间的时间差随着年龄的增长而增加;晶状体的形变和年龄存在显著关系，随着年龄增长，晶状体形变量需要睫状肌付出更多的收缩量，并且可能还会因睫状肌前移受限而进一步下降[23-24]。以上研究结果提示，调节综合检测平台和精准分析技术有助于我们深入老视的机制，从而为临床干预提供客观依据。

3 眼屈光问题发生和发展的调控效应研究：视觉认知反馈系统的监控技术

人眼视觉，尤其是近视眼的屈光问题是由中枢神经支配的高级功能，涉及光学、形态学、功能学等多个环节。目前关于近视发生和发展存在几种主要的调控机制，分别是视网膜像质理论、周边屈光理论和视网膜脉络膜局部调控理论[25-27]。

视网膜模糊像可能是诱导近视发生和发展的因素之一。近视眼存在高水平的高阶像差，尤其在调节过程中，近视眼高阶像差会进一步增大。学者推测，持续视网膜成像质量的下降将导致视网膜感知模糊像的阈值上升，影响近视眼调节的准确性和稳定性，从而造成更大的调节滞后和调节微波动，形成远视性离焦。调节是一个高度动态且存在反馈机制的过程，眼球各个屈光界面及其变化则是视网膜成像质量改变的关键因素，而视网膜获取的光学信号是进行下一步信号传递和反馈的基础。为了更深入地研究人眼调节反馈通路中人眼视网膜像质、屈光介质形态学改变、调节功能变化的相互联系，本研究组在自行搭建的UL-OCT基础上，整合红外自动验光仪和波前像差仪，创建了包含形态学、功能学和视网膜像质模块在内的调节综合检测平台[28-29]。在对人眼调节过程中视网膜像质、眼球形态和调节功能变化的研究中发现，人眼可能存在一个自动调控机制，使得视网膜像质在低阶像差(离焦)和高阶像差之间保持一定的平衡，保持良好的视网膜成像质量。该发现进一步阐明了人眼调节通路中，视网膜像质、眼球屈光界面形态和调节功能三者之间的内在联系，为近视眼的视网膜模糊像理论的解释提供了技术支撑。

除了中央屈光以外，有大量研究表明相对周边屈光不正同样在近视发生和发展中起到重要作用。当外界平行光线形成的周边像面位于视网膜的后面，即为周边远视性离焦。学者们推测在持续的周边远视性离焦刺激下，眼球为了补偿这种远视性模糊像而发生延长，从而诱导近视的发生和发展。目前测量周边屈光不正常用的方法是利用开放式自动验光仪测量眼球不同角度下的屈光力，通过比较中央和周边屈光力来计算相对周边屈光不正。这种方法测量简便，但其检查过程中需要转动头位或眼位到指定位置，无法获得较为连续的周边屈光信息。为更加准确并连续测量视网膜周边屈光不正，本研究组认为可以基于OCT成像技术，进一步扩大全眼成像范围，获取全眼高分辨率横断面图像，通过图像的分析处理，对整个眼球形态进行三维重构，并在此基础上利用屈光原理和光路追迹算法，计算得到视轴方向的中心屈光力以及与视轴成任何角度的周边屈光力，获得周边屈光值(图7)。该成像手段的发展将为探索周边屈光理论在近视发生和发展中的作用、周边屈光理论的完善提供关键的技术支持。

大量动物实验和临床研究表明，当视网膜感知到光学离焦信号时会通过调控眼球各组织的形态来适应离焦信号。例如，人为的负透镜引起远视性离焦，会诱导脉络膜厚度显著下降，使得视网膜位置后移来接近视网膜像面，同时还会导致眼球眼轴延长，进一步适应远视性离焦。学者们推测其机制可能是视网膜神经元在感知到离焦信号后，通过增加或抑制生物活性物质的释放，如多巴胺、乙酰胆碱等，在脉络膜的屏障和通透作用下调控巩膜的生长速率，从而达到控制眼球生长的目的[30-32]。因此，对近视发生和发展过程中视网膜和脉络膜微结构和血流灌注的探测将进有助于阐明视网膜脉络膜局部调控机制。目前，商业化OCT已被广泛应用于人眼视网膜结构的断层成像。本研究组也自主开发了OCT图像视网膜自动分层的算法应用于探测近视发生和发展过程中视网膜和脉络膜的细微神经结构改变[33];利用血流OCT进一步分析在调节刺激下近视眼视网膜血流循环的自主调节和改变情况。本研究组近期的研究已经发现近视眼的视网膜神经纤维层变厚，内核层、外丛状层和外核层变薄，高度近视患者的视网膜血流密度下降、脉络膜变薄[34-35]。

眼屈光问题，尤其是近视及其相关的调节问题已经引起了研究者们的广泛关注，一系列相关检测技术也由此而生。该领域的研究将会继续聚焦于以OCT为核心的光学成像技术，在客观、精准、在体、无损、快速的基础上，提升高分辨率，增加扫描深度，同时实现了成像的实时动态化和分析技术的智能化。这些技术的发展，加上基础研究对眼球及其相关眼疾的深入认知，让探究眼屈光问题得到更高水平的技术支撑，对机制的探索也会更加客观和精准。