作者:金色葡萄
准分子激光角膜屈光手术——问与答 系列
我们的眼睛就类似一个相机,质量很差的相机——是的,非常的差,根本就是临时凑合出来的。
理想状态下,眼睛可以把平行光聚焦到视网膜上形成一个点。如果学光学的同学较真的话,我们可以说,在有限直径的瞳孔下,由于衍射的影响,聚焦成Airy斑。
不过有些人的焦点在视网膜之前,于是他们需要在眼睛的光路上使光线稍微发散一些,将焦点后移到视网膜上,要使光路发散,一种是移近光源,一种是添加一块凹透镜。这种情况叫做近视。近视的人看近处清楚,看远处需要佩戴凹透镜作为近视眼镜。
另一类人,平行光通过他们的眼睛以后,焦点在视网膜之后,于是他们需要在眼睛的光路上使光线稍微汇聚一些,将焦点前移到视网膜上,要使光路汇聚,只有增加凸透镜。这种情况叫做远视。远视的人,看远是不清楚的,看近也是不清楚的,他们需要佩戴凸透镜作为远视眼镜。
远视眼中的一部分人,可以通过自己的调节(年轻人的调节力可以达到+3D以上,300度),增加自己晶状体的屈光力,相当于增加了一小块凸透镜,所以他们在很努力的情况下,也可以看清楚远处。注意:远视眼在放松的情况下看不清远处,使劲调节的情况下,有些远视眼可以看清楚远处。随着年龄的增大,调节力逐渐降低,他们也开始看不清了。有时可以听到有人抱怨自己年轻时视力如何如何好,年纪大一点就下降了。其实可能是调节力不足以应付他的远视了。
近视、远视,统称叫做离焦(defocus)。这都是发生在眼球是足够圆的前提之下,各个方向的屈光力是一致的。如果不一致呢?就出现了散光。我们可以试着想象一个椭球状的透镜,甚至极限情况,一个圆柱形的透镜,平行光在一个方向上被聚焦,在另一个方向上焦点却是不同的,形成了两组“焦线”。考验一下各位的空间想象力,能否想象出这样两个叠加聚焦的“光锥”,在两个“焦线”位置的中间,两个光锥恰好是最细的点,叫做最小弥散圈。这里就是相当于“焦点”的位置。
人眼毕竟是肉长的,其实很难做到各个方向角膜均匀一致,于是会有散光。多数人的散光很小,并不太影响视力。各方向差距比较大的,就是散光度数比较大的人,看东西的时候,会在某一个方向上相对清晰,而在另一个方向上是模糊的。
规则的散光,最大屈光轴与最小屈光轴互相垂直的那种,是可以用眼镜来矫正的,不精确的说,其实就是一个圆柱镜。增大或者减小某一个方向的屈光力,把“焦线”再缩成一个焦点。
在通过准分子激光手术矫正视力的时候,散光只不过是某一个方向的近视度数深一些,另一个方向的近视度数浅一些。只要按照所需要的屈光力依次切削就可以了。所以准分子激光手术也是可以矫正散光的。
再扩展一些,如果角膜连椭球体都不是。而是更为扭曲的曲面,那么使用近视、远视、散光也不足以描述了,使用球镜(近视镜、远视镜)和柱镜(散光镜)也不能够矫正。要描述这样的成像,需要借助光学中的“像差”的概念。
还记得中学时老师推导折射现象时使用的惠更斯原理么?把光“线”化成具有相同波阵面(wavefront)的波列。以波面的角度重新考虑平行光通过凸透镜聚焦的过程,其实是平面波通过透镜变成了球面波,然后球面波逐渐收缩成为为一个点。反过来,从一个点光源发出的光,是球面波,通过凸透镜以后,变成平面波。这是理想透镜。如果是个如同眼睛一般的劣质镜头,那么从点光源发出的光经过镜头以后,不再是一个平面波,而是曲面波,那么这个曲面和平面之间的差距,就是像差,wavefront aberration。注意:是“像差”而不是“相差”,相差说的是相位差,两者有关系,但意义不同。
眼睛成像的所有瑕疵都可以用像差来描述,其中能够用眼镜来矫正的近视、远视和散光,叫做低阶像差(Low order aberration),那些更为不规则的,则是高阶像差(High order aberration),就好象近视、散光等等每个人是不同的,每个人的像差也是不同的。
在进化LASIK的过程中,人们并不满足于使用准分子激光去矫正低阶像差,而且开始尝试去矫正不规则的高阶像差。方法有两类,一个是测量角膜的形态,使用的是角膜地形图,另一种是测量全眼球的像差。然后根据测量的数据,计算出切削区域中的每一个点各自需要切削掉的厚度,控制激光束实施“个体化切削”。那么一种是角膜地形图引导的Lasik,一种是像差引导的Lasik。其实两者殊途同归,最终目的都是尽可能消除整个眼睛的像差。
在像差之中,有一个特殊的部分,叫做球差。球差的原因,是由于球面镜其实是不能将光线聚焦于一点的。有兴趣的同学,可以仅仅依靠折射定律n1 sin(a1)=n2 sin(a2)来推导一个球面镜接近光轴的光线的焦点,和远离光轴的光线焦点的公式。只有当入射角足够小,将sin(a)≈a的前提下,球面镜才把平行光聚焦在一点。
进一步的研究发现,角膜不但不是圆的,也不是球面的,角膜根本就是个非球面透镜,而且即使是正常人,也是“正球差”的透镜。而相对应的,眼睛内的另一块透镜——晶状体,是负球差的,在年轻的时候,两者互相抵消。整个眼睛是接近“0球差”的。这算不上什么鬼斧神工,而是正+正或者正+负的组合基本上视觉质量较差,比如守株待兔里撞在树上的那只,可能就是这种搭配。
所以在通过准分子激光“重塑”角膜表面的形态时,除了要考虑近视度数、散光以外,还要考虑到球差。仅仅考虑近视,切削相当于再造出一个球面镜,仅仅考虑近视+散光,要切削出球面镜+柱镜的组合,再加上球差的话,形态就更为复杂了。这种手术早已经超出了“手”能够控制的范围,尽量交给计算机来完成了。
在《激光手术矫正近视:一场世纪医疗骗局?》一文评论中,“打酱油的外星人”说“我……术后便出现明显的眩光,暗视力、动态视力、细微视力下降明显,直到现在都没能恢复,结果术后一周复查时才告诉我瞳孔过大,不适合做这个。”
评论中提到的种种不幸,基本上是由于瞳孔的原因引起的。
那么展开讨论一下瞳孔。
瞳孔是虹膜中央的窟窿。瞳孔的大小由虹膜来控制,虹膜的内圈是环形的括约肌,收缩的时候,瞳孔缩小,周边是近似放射状的开大肌,启动的时候,瞳孔放大。
瞳孔的大小是全自动的,我们无法通过自己的意识主动控制瞳孔。其中最主要的控制机制是对光反射的,进入眼内的光更亮了,瞳孔就自动缩小,反之就放大。所以在夜间的时候,瞳孔是要比白天时更大一些。还有其他的一些机制会自动控制瞳孔,比如看远看近的时候瞳孔大小是不同的。激动、紧张、处于攻击/逃跑状态的时候,瞳孔大小也会变化,还有就是药物也有影响。
瞳孔相当于照相机之中的光圈,可以限制通光量。光学上称为光瞳。在一个满是错误设计的眼球之中,瞳孔的位置还是不错的,它恰好处于角膜和晶状体这两个透镜之间。光瞳如果放在镜头组之外,会产生限制看东西的范围的作用。比如在眼镜上做个光圈,视野就会受到限制。当瞳孔在透镜组中间的时候,不但不会限制视野,而且还可以限制像差。
虹膜的边缘就像剪刀一样,把像差剪裁成瞳孔的形状。如果一个人的角膜或者晶状体周边有问题,又如果经过这个区域的光线被虹膜挡住,没有进入瞳孔,那么这些部分的屈光问题就不会对视觉造成影响。所以瞳孔小一些,像差会更小一些。不过如果瞳孔太小了,衍射的效应则逐渐明显起来,看东西也会不清楚。更geek的同学们,可以参考傅立叶光学,构建一个光瞳函数,取傅立叶变换,就可以得到平行光入射以后会聚形成的光斑图像(点扩散函数),我们可以在计算机上模拟各种形态的瞳孔,方的圆的三角的等等。
就像身高各人不同,瞳孔的大小也各不相同。通常,白天人类的瞳孔大约是2-4mm,夜间的要大一些,可以到6mm左右,有些人平时瞳孔就大,夜间就更大。
前面说过,在准分子激光角膜屈光手术中,医生不能够切削整个角膜,只能切削一部分角膜。切削部分与未切削部分之间的角膜曲率是完全不同的,过度区域发生了曲率的剧烈变化。入射光通过这个区域的时候,会发生强烈的扭曲偏折,如果这些光被虹膜挡在了瞳孔之外,那么不会对视觉成像质量造成影响。但如果一个瞳孔很大的病人,就麻烦多了,当瞳孔扩大到比切削区更大的时候,病人会感觉到明显的“眩光”。
一个良好的瞳孔是较小的,圆形的,居中的。除了大圆小圆,人类还可能长各种奇形怪状的瞳孔,比如项羽,项羽是“重瞳子”,也就是在虹膜的一部分还有一个孔,有的人虹膜没有发育完全,下方是空的,瞳孔是个钥匙孔形,一部分连接起来了,还有一部分空着,看起来是两个瞳孔,这些人的视力会比常人差一些。(也许在楚汉之争的时候,项羽的先天缺陷也是失败的原因之一吧,理论上他应该对来自空中的打击防御力低一些,夜间战斗力也会有所降低。)
还有很多不幸的人们,会因为外伤而损伤瞳孔,那就会有更多形态了。瞳孔的修补和重建手术是非常复杂的,要求很高的手术技术,很多病人目前还得不到有效的治疗,医学界正在努力改进之中。
说到这,请大家注意保护自己的眼睛,不仅仅是看书时注意休息,更重要的是如果可能发生眼外伤的时候,要事先戴上护目镜。眼睛上角膜、虹膜、晶状体、视网膜等等跟成像有关的组织,一旦破损,即使修复,也破镜难圆。10元左右的护目镜可以比1万元的外伤手术起到更好的效果。燃放烟花爆竹、做化学实验、搞装修、Geek DIY……的时候,请大家戴上护目镜。
回到“打酱油的外星人”的问题,很可能就是因为瞳孔太大,形态和位置应该没有太大异常。一般来说,要解决这些问题,就是需要缩小瞳孔,比如增加周围的亮度,可以使瞳孔缩小,看书的时候,可能需要更为明亮的照明。药物也是可以缩小瞳孔的,比如常用的“毛果芸香碱”,这是一个用来治疗青光眼的药物,至于为什么缩小瞳孔可以治疗青光眼,以后再展开。不过涉及到具体的病情,建议还是仔细咨询眼科医生以后再决定举措。