ứng dụng kỹ thuật wavefront khảo sát các hình thái quang sai trên mắt tật khúc xạ tại bệnh viện mắt tp hcm

DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 5: Trung bình các hình thái quang sai theo phân nhóm tật khúc xạ 43 Bảng 7: Hệ số tương quan các hình thái quang sai giữa mắt phải và Bảng 8: Phép kiểm sự khác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ

ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH

-

CHUNG NỮ GIANG THANH

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT WAVEFRONT KHẢO SÁT CÁC HÌNH THÁI QUANG SAI TRÊN MẮT TẬT KHÚC XẠ TẠI BỆNH VIỆN MẮT TP.HCM

CHUYÊN NGÀNH : NHÃN KHOA MÃ SỐ : 60 - 72 - 56

LUẬN VĂN NỘI TRÚ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

2002 - 2005

ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH

-

CHUNG NỮ GIANG THANH

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT WAVEFRONT KHẢO SÁT CÁC HÌNH THÁI QUANG SAI TRÊN MẮT TẬT KHÚC XẠ TẠI BỆNH VIỆN MẮT TP.HCM

CHUYÊN NGÀNH : NHÃN KHOA MÃ SỐ : 60 - 72 - 56

LUẬN VĂN NỘI TRÚ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ MINH THÔNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào

CHUNG NỮ GIANG THANH

MỤC LỤC

Trang

I ĐẶT VẤN ĐỀ 1

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

III TỔNG QUAN Y VĂN 4

1 Quang sai 4

2 Quang sai mặt sóng 13

3 Công suất vector 29

IV ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

1 Đối tượng nghiên cứu 31

2 Phương pháp nghiên cứu 32

3 Phương tiện nghiên cứu 32

4 Các bước tiến hành nghiên cứu 37

5 Cách xử lý và phân tích số liệu 38

V KẾT QUẢ 41

1 Đặc điểm mẫu nghiên cứu 41

2 Mối tương quan các hình thái quang sai giữa mắt phải và mắt trái 46

3 Sự khác biệt các hình thái quang sai giữa hai giới 47

4 Mối tương quan giữa độ khúc xạ với quang sai 49

5 Mối tương quan giữa tuổi với quang sai 51

6 Sự khác nhau giữa số đo khúc xạ quang sai kế với khúc xạ chủ quan và khúc xạ khách quan 51

7 Mối tương quan giữa số đo khúc xạ quang sai kế với khúc xạ chủ quan và khúc xạ khách quan 52

VI BÀN LUẬN 53

1 Mẫu nghiên cứu 53

2 Sự phân bố các hình thái quang sai của mắt 53

3 Mối tương quan các hình thái quang sai giữa mắt phải và mắt trái 55

4 Sự khác biệt các hình thái quang sai giữa hai giới 58

5 Mối tương quan giữa độ khúc xạ với quang sai 58

6 Mối tương quan giữa tuổi với quang sai 59

7 Mối tương quan giữa số đo khúc xạ quang sai kế với khúc xạ chủ quan và khúc xạ khách quan 60

VII KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ANH VIỆT

RMS_LO: Root Mean Square_Lower Order: Căn bậc hai trung bình các bình

phương của quang sai bậc thấp

RMS_HO: Root Mean Square_Higher Order: Căn bậc hai trung bình các bình

phương của quang sai bậc cao

quang sai toàn bộ

khúc xạ quang sai kế

KXCQ: Khúc xạ chủ quan

KXKQ: Khúc xạ khách quan

Power vector: Vector công suất

J 0 : Công suất kính trụ chéo Jackson ở trục 00 hay 1800

J 45 : Công suất kính trụ chéo Jackson ở trục 450

Cartesian coordinate: Hệ tọa độ Đề- cart

Harmonic coordinate: Hàm điều hòa

Wavefront: Mặt sóng

Reference wavefront: Mặt sóng quy chiếu

Aberrated wavefront: Mặt sóng có quang sai

Wavefront curvature: Độ cong mặt sóng

Longitudinal ray aberration: Quang sai tia dọc

Wavefront Aberration: Quang sai mặt sóng

Higher order aberration: Quang sai bậc cao

Lower order aberration: Quang sai bậc thấp

Zernike polynomial:Đa thức Zernike

LASIK : Laser in situ keratomileusis

Customized LAZIK: Phẫu thuật LASIK theo từng cá thể

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 18: Mối quan hệ giữa mặt sóng, độ dốc mặt sóng và quang

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Trang

Biểu đồ 5: Sai số độ mờ B giữa khúc xạ quang sai kế và

khúc xạ chủ quan

61

Biểu đồ 6: Sai số độ mờ B giữa khúc xạ quang sai kế và

khúc xạ khách quan

62

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 5: Trung bình các hình thái quang sai theo phân nhóm tật khúc

xạ

43

Bảng 7: Hệ số tương quan các hình thái quang sai giữa mắt phải và

Bảng 8: Phép kiểm sự khác biệt các hình thái quang sai giữa hai giới 47

Bảng 11: Phép kiểm sự khác biệt giữa số đo khúc xạ quang sai kế với

khúc xạ chủ quan và khúc xạ khách quan

51

Bảng 12: Sai số vector tổng B giữa số đo khúc xạ quang sai kế với khúc

Bảng 13: Hệ số tương quan R giữa số đo khúc xạ quang sai kế với khúc

Bảng 14: Số lượng các hình thái quang sai tương quan giữa hai mắt của

CÁC SỐ HẠNG ĐA THỨC ZERNIKE, KẾT QUẢ ZYWAVE VÀ TÊN RIÊNG Số hạng Zernike Kết quả Zywave Tên riêng

ĐẶT VẤN ĐỀ

Phẫu thuật khúc xạ là một chuyên khoa sâu trong chuyên ngành nhãn khoa, đang trên đà phát triển mạnh mẽ trong suốt 20 năm qua Lĩnh vực tinh tế này ban đầu chỉ là những kỹ thuật đơn giản như rạch giác mạc hình nan hoa, rạch giác mạc vòng v.v… Khi khoa học tiến bộ, laser được ứng dụng làm cho các phẫu thuật này trở nên tinh tế hơn, vì vậy kết quả thị lực sau phẫu thuật được cải thiện đáng kể Tuy nhiên, bệnh nhân sau phẫu thuật khúc xạ thường than phiền rằng mặc dù thị lực của họ được cải thiện, thậm chí đạt được thị lực 20/20 nhưng chất lượng thị giác sau mổ không còn như khi họ mang kính gọng hay kính tiếp xúc trước kia, các triệu chứng nhìn quầng, chớp sáng và chói lóa v.v… xuất hiện nhất là vào buổi tối làm cho họ khó chịu và gây trở ngại cho việc lái xe

Đi tìm câu trả lời cho vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng nếu chỉ dựa vào thị lực để đánh giá sự thành công sau phẫu thuật khúc xạ thì không đủ Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và phát hiện ra rằng có sự giảm thị lực tương phản thấp và độ nhạy cảm tương phản sau phẫu thuật, nguyên nhân là do tăng quang sai bậc cao[9] Thật ra khái niệm quang sai đã xuất hiện từ lâu, hơn 400 năm trước nhưng khi đó những nghiên cứu về quang sai chủ yếu chỉ được sử dụng trong lĩnh vực thiên văn học và quân sự nhằm mục đích đạt được những hình ảnh rõ nét nhất và chính xác nhất từ không gian và các vệ tinh, và chỉ được ứng dụng vào chuyên ngành nhãn khoa trong vòng 20 năm trở lại đây

Quang sai được định nghĩa là sự khác biệt giữa ảnh lý tưởng có được từ sự khúc xạ các tia sáng trong một hệ quang học hoàn hảo và ảnh thực tế thu được [29], bao gồm quang sai bậc thấp được biết từ trước tới nay là tật khúc xạ cầu trụ và quang sai bậc cao như cầu sai, coma, tam xứng, tứ xứng v.v… Quang sai bậc cao thì phức tạp hơn, không thể phát hiện được bằng những phương pháp đo khúc xạ trước đây và không thể điều chỉnh bằng các phương pháp cổ điển như kính gọng, kính tiếp xúc hay bằng các phương pháp phẫu thuật khúc xạ thông thường như LASIK hay PRK được Với sự tiến bộ của khoa học, nhiều thước đo quang sai đã phát triển để đo lường các quang sai của mắt

Có hai phương pháp tiếp cận quang sai đó là quang sai tia (ray aberration) và

quang sai mặt sóng (wavefront aberration), trong đó quang sai mặt sóng được sử

dụng nhiều hơn vì nó cho ta thấy được hình ảnh không gian ba chiều của toàn bộ quang sai của mắt Và điều quan trọng nhất là những hình ảnh quang sai mặt sóng này được chuyển đổi thành cấu hình quang sai đưa đến máy phẫu thuật, từ đó toàn bộ những quang sai vừa đo được của mắt được hiệu chỉnh theo phương pháp phẫu thuật khúc xạ theo từng cá thể Phương pháp này không chỉ hiệu chỉnh được tất cả các quang sai tồn tại trước đó của mắt (độ cầu, độ trụ và những quang sai bậc cao) mà còn không gây ra thêm những quang sai bậc cao sau phẫu thuật như những phẫu thuật khúc xạ trước đây đã từng gây ra, đem lại thị giác siêu đẳng (Super Vision) cho bệnh nhân Với kết quả hoàn hảo, phương pháp phẫu thuật khúc xạ theo từng cá thể dưới sự hướng dẫn của quang sai mặt sóng đã trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu của các phẫu thuật viên khúc xạ ngày nay

Tại Bệnh viện Mắt TP HCM, phẫu thuật khúc xạ theo từng cá thể đã được ứng dụng từ năm 2003 với máy Technolas 217Z của hãng Bausch & Lomb, sau đó là máy Technolas Z100 với kết quả tương đối khả quan Đến giữa năm 2004, Ladarwave của hãng Alcon đã góp phần làm phong phú thêm lựa chọn cho bệnh nhân và phẫu thuật viên trong phẫu thuật ưu việt này Cho tới nay phẫu thuật khúc xạ theo từng cá thể đã trở nên phổ biến tại Khoa Khúc xạ Bệnh viện Mắt

TP HCM Tuy nhiên, để có thể tiếp cận được phương pháp phẫu thuật khúc xạ mới này, chúng ta phải nắm vững các hình thái quang sai trên mắt người mang tật khúc xạ, từ đó giúp chúng ta hiểu rõ hơn những sai lầm khúc xạ mà bệnh nhân đang gánh chịu và sẽ đưa ra được một kế hoạch điều chỉnh tối ưu mọi khó chịu cho bệnh nhân Đây là lý do thúc đẩy tôi thực hiện đề tài:

“Ứng dụng kỹ thuật Wavefront khảo sát các hình thái quang sai trên mắt bệnh nhân đến khám tại khoa khúc xạ Bệnh viện Mắt TP.HCM”

nhằm hỗ trợ cho phẫu thuật khúc xạ đem lại chất lượng thị giác tối ưu cho bệnh nhân sau phẫu thuật khúc xạ

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1 Mục tiêu tổng quát:

Khảo sát các hình thái quang sai trên mắt người mang tật khúc xạ đến khám tại khoa khúc xạ Bệnh Viện Mắt TP.HCM bằng quang sai kế Zywave

2 Mục tiêu chuyên biệt:

2.1 Khảo sát các hình thái quang sai trên người mang tật khúc xạ đến khám tại khoa khúc xạ Bệnh Viện Mắt TP.HCM

2.2 Khảo sát mối tương quan các hình thái quang sai giữa mắt phải và mắt trái trên người mang tật khúc xạ đến khám tại khoa khúc xạ Bệnh Viện Mắt TP.HCM

2.3 Khảo sát mối tương quan giữa quang sai với giới tính, tuổi và độ khúc xạ trên người mang tật khúc xạ đến khám tại khoa khúc xạ Bệnh Viện Mắt TP.HCM

2.4 Đánh giá mối tương quan giữa số đo khúc xạ quang sai kế với số đo khúc xạ chủ quan và khúc xạ khách quan trên người mang tật khúc xạ đến khám tại khoa khúc xạ Bệnh Viện Mắt TP.HCM

TỔNG QUAN Y VĂN

1 Quang sai:

1.1 Định nghĩa:

Thuật ngữ “aberration” xuất phát từ tiếng Latinh “ab-erratio” có nghĩa là trệch

hướng hay còn gọi là quang sai và được định nghĩa như là sự khác biệt giữa ảnh lý tưởng (có được từ sự khúc xạ các tia sáng trong một hệ quang học hoàn hảo) và ảnh thực tế mà ta thu được Những khác biệt này là đặc trưng của mỗi hệ quang học giống như dấu vân tay đặc trưng cho mỗi người[29]

1.2 Phân loại

Quang sai được chia làm hai nhóm:

Quang sai màu: được tạo ra bởi sự khác biệt trong sự phân bố chùm bức xạ đa sắc tới xuyên qua môi trường và tùy thuộc vào độ dài sóng của ánh sáng[29] Ánh sáng có bước sóng ngắn (màu xanh) sẽ gập góc nhiều hơn ánh sáng có bước sóng dài (màu đỏ) Nếu màu vàng hội tụ ở hố trung tâm thì màu xanh sẽ hội tụ ở trước võng mạc và màu đỏ sẽ hội tụ ở sau võng mạc Sắc sai không thể hiệu chỉnh được bởi vì nó tùy thuộc vào thành phần cấu trúc của nhãn cầu chứ không phải tùy thuộc vào hình dạng của nhãn cầu[12]

Quang sai đơn sắc: liên quan đến một độ dài sóng đặc biệt, bao gồm:

- Quang sai bậc thấp: tật khúc xạ hình cầu (defocus) và tật khúc xạ hình trụ (astigmatism) có thể được điều chỉnh bằng kính gọng, kính tiếp xúc và các phương pháp phẫu thuật khúc xạ chuẩn

- Quang sai bậc cao: như cầu sai, coma v.v… không thể điều chỉnh bằng kính gọng, kính tiếp xúc hay các phương pháp phẫu thuật khúc xạ thông thường[29]

Quang sai có thể được mô tả định lượng bằng đa thức Zernike (nhà toán học và thiên văn học Hà Lan) Mỗi số hạng Zernike mô tả các hình thái quang sai trong hệ trục tọa độ cực Z(rn,fθ), được tạo ra bởi hai hàm, một hàm phụ thuộc vào bán kính và một hàm phụ thuộc vào kinh tuyến

Với r: khoảng cách từ tâm đồng tử đến điểm khảo sát

n: bậc bán kính f: tần số góc θ θ: góc tạo bởi trục x và điểm khảo sát

Hình 1: Mặt sóng loạn thị

Ví dụ: Hàm của mặt sóng loạn thị:

Z(r,θ) = r2 cos2θ

Với biến số r có dạng đa thức bậc hai và

biến số θ hàm điều hòa hình sin có tần số là 2

Các số hạng Zernike được sắp xếp thành hình tháp đa thức có tính chu kỳ Mỗi hàng tương ứng với một bậc bán kính và mỗi cột tương ứng với tần số góc θ Theo quy ước, ấn định hàm điều hòa ở pha cosin có tần số dương và pha sin có tần số âm

Bảng 1: Các số hạng Zernike

Hình 2: Tháp đồ thị Zernike

Hình dạng cuối cùng của quang sai là sự tổng hợp các số hạng Zernike, mô tả tất cả các loại biến dạng của một hệ thống quang học

Hình 3: Sự kết hợp các hình thái quang sai

Các hình thái quang sai loạn thị, lệch tiêu, coma, tam xứng và loạn thị thứ phát kết hợp với nhau tạo ra hình dạng mặt sóng có quang sai cuối cùng

Dựa vào đa thức Zernike quang sai được mô tả về số lượng và thứ hạng Gồm:

Quang sai bậc thấp:

- Bậc 0: là quang sai được đặc trưng bởi sự đối xứng trục và là một mặt sóng phẳng

Hình 4: Mặt sóng phẳng

- Bậc 1: là quang sai tuyến, tương ứng với sự nghiêng xung quanh trục ngang x và trục dọc y

Hình 5: Mặt sóng nghiêng

- Bậc 2: lệch tiêu hình cầu và loạn thị mô tả tật khúc xạ hình cầu và hình trụ với trục

Hình 6: Loạn thị

Quang sai bậc cao:

- Bậc 3: là quang sai tương ứng với coma ngang, coma dọc

Hình 10: Cầu sai

- Bậc 5: là loại quang sai quan trọng chỉ khi nào đồng tử dãn thật lớn

1.3 Một vài dạng lâm sàng của quang sai:

- Lệch tiêu (tật khúc xạ hình cầu): là quang sai bậc thấp, được quan sát ở mắt không chính thị, bao gồm cận thị và viễn thị do tia sáng hội tụ ở một điểm khác với điểm hội tụ của mắt chính thị[29]

- Loạn thị (tật khúc xạ hình trụ): là quang sai bậc thấp, cho thấy những tia tới ở những kinh tuyến khác nhau sẽ hội tụ ở những mặt phẳng khác nhau và tạo ra mặt sóng hình toric[29]

- Loạn thị do tia tới nghiêng: là quang sai bậc cao ngoài trục gây ra bởi nguồn chiếu sáng không đồng trục với trục quang học của hệ thống[29]

- Coma: là quang sai bậc 3, được hình thành khi tia tới tạo một góc với trục thị giác và những tia chu biên không hội tụ trên cùng một mặt phẳng võng mạc, được miêu tả bằng hình ảnh một vùng viễn thị sát bên một vùng cận thị trên cùng một kinh tuyến Hình ảnh của điểm hội tụ trên võng mạc giống như hình ảnh sao chổi Khi phân tích từng thành phần Zernike riêng lẻ, coma bao gồm coma dọc và coma ngang[29]

Hình 13: Coma

- Cầu sai: là quang sai bậc 4, được tạo ra trong môi trường quang học hình cầu do các tia ở vùng rìa hội tụ trước các tia ở cạnh trục Ở mắt bình thường, cầu sai xấp xỉ 0.5D Tất cả bề mặt cầu đều có cầu sai[29]

Cầu sai có thể dương hoặc âm Ở mắt bình thường trước phẫu thuật, có một số lượng nhỏ cầu sai dương Cầu sai dương có vùng trung tâm ánh sáng đi nhanh (tiêu điểm viễn thị) được bao xung quanh bởi vòng ánh sáng đi chậm (vòng cận thị), cho hình ảnh mặt sóng ba chiều giống như nón

sombrero của người Mêhicô Một phần nhỏ dân số bình thường có thể có cầu sai âm với sự đảo ngược hình dạng của cầu sai dương có vùng trung tâm đi chậm (tiêu điểm cận thị) được bao xung quanh bởi một vùng ánh sáng đi nhanh (vòng viễn thị), được mô tả như hình ảnh nón sombrero bị lật ngược hay hình ảnh bánh rán[10]

Coma: coma của mắt tăng theo tuổi, chủ yếu là do tăng coma giác mạc[3]

Kích thước đồng tử:

Quang sai bậc cao tăng khi kích thước đồng tử tăng, đặc biệt là cầu sai, co đồng tử tương đối ở người lớn tuổi có lẽ là cơ chế bảo vệ cho hiện tượng tăng quang sai theo tuổi[3]

Phẫu thuật và bệnh lý:

Mắt có thủy tinh thể nhân tạo có quang sai bậc cao tăng so với người bình thường,

chủ yếu là do tăng cầu sai, sự khác biệt phụ thuộc vào loại thủy tinh thể nhân

cao hơn mắt có phẫu thuật Lasik[21]

Giác mạc hình chóp gây ra loạn thị không đều, tăng toàn bộ quang sai bậc cao

chủ yếu là coma, số lượng coma lớn hơn 3.2 lần số lượng cầu sai, kiểu coma trội là coma dọc với thành phần cận thị ở phía dưới[18]

Ghép giác mạc trong với mảnh ghép thành công về mặt kỹ thuật cũng tăng đáng

kể coma và cầu sai so với người bình thường, do loạn thị không đều tinh vi khó phát hiện hiện diện ngay ở cả trường hợp ghép giác mạc xuyên tốt nhất[28]

PRK và LASIK làm tăng quang sai bậc cao, đặc biệt là gây ra cầu sai và coma

Cầu sai mới được gây ra một cách đáng kể là do sự thay đổi hình dạng giác mạc, có dạng prolate ở mắt nguyên vẹn nhưng trở thành oblate sau khi phẫu thuật cận thị Coma mới xuất hiện là do lệch tâm dưới mức lâm sàng (<1mm)[23][22][25]

1.5 Sự tương quan giữa quang sai và thị giác thể hiện

Mỗi hình thái quang sai trong tháp đồ thị Zernike tác động đến thị giác bằng nhiều cách khác nhau[4]

- Đối với cùng một số lượng sai lầm RMS, không phải tất cả các hệ số của

đa thức Zernike gây ra sự mất thị lực logMAR tương phản cao và thấp giống nhau

- Những kiểu quang sai tập trung ở trung tâm tháp đồ thị Zernike (coma và cầu sai) tác động đến thị lực nhiều hơn những kiểu quang sai nằm ở rìa của hình tháp (tam xứng và tứ xứng )

- Những thay đổi lớn của các thành phần quang sai không phản ánh đủ độ lớn của sự giảm thị giác thể hiện, có nghĩa là bệnh nhân có thể xác định đúng những từ có quang sai cao, nhưng chức năng thị giác lại kém

- Sự tương tác giữa các kiểu quang sai làm phức tạp hơn sự tác động của chúng trên thị giác, vừa làm tăng vừa làm giảm thị lực tùy thuộc vào loại quang sai nào kết hợp với nhau và tỷ lệ là bao nhiêu Ví dụ: tật khúc xạ hình cầu (quang sai bậc thấp) khi kết hợp với cầu sai (quang sai bậc cao) có thể cải thiện thị lực so với đánh giá từng loại quang sai riêng lẻ[4]

- Song thị thường kết hợp với coma ngang và coma toàn bộ ở cả hai kích thước đồng tử 5mm và 7mm (Hình 13) Không có sự kết hợp nào được tìm thấy giữa coma dọc và triệu chứng thị giác Qua đó cho ta thấy rằng không chỉ là số lượng coma quan trọng mà hướng của nó cũng quan trọng không kém khi đánh giá tác động của quang sai lên thị giác

- Chói lóa và lóe sáng hình sao tương quan đáng kể với cả cầu sai và quang sai bậc cao toàn bộ khi kích thước đồng tử tăng Cầu sai thường biểu hiện bằng nhìn quầng, đặc biệt khi định thị vào ban đêm (Hình 14)

- Loạn thị thứ phát tạo ra hình ảnh bóng ma hay nhìn đôi, cực kỳ khó giải quyết, xử lý[10]

2 Quang sai mặt sóng:

Có hai phương pháp tiếp cận quang sai đó là quang sai tia (ray aberration) và

quang sai mặt sóng (wavefront aberration), trong đó quang sai mặt sóng được sử

dụng nhiều hơn vì nó cho ta thấy được hình ảnh không gian ba chiều của toàn bộ

quang sai của mắt

Quang sai kế mặt sóng (wavefront aberrometer) hay cảm ứng mặt sóng là một dụng cụ dùng để nghiên cứu các sai lầm và toàn bộ quang sai của mắt

2.1 Nguyên lý quang sai kế:

Đo lường quang sai tia:

Những nguyên lý cơ bản mà các quang sai kế ứng dụng để đo quang sai mặt sóng đã được phát hiện gần 400 năm trước bởi nhà thiên văn và triết học thiên chúa giáo Chistopher Scheiner Scheiner là người đầu tiên giải thích làm thế nào đo tật khúc xạ bằng một dụng cụ đơn giản là đĩa Scheiner Mặc dù Scheiner sử dụng

phát minh của mình chỉ để đo lường và nghiên cứu lệch tiêu, dạng đơn giản nhất của tất cả các loại quang sai của mắt, những ý tưởng cơ bản của ông đã được khái quát hoá để đo lường loạn thị cũng như quang sai bậc cao Đĩa Scheiner là mẫu đầu tiên của tất cả các phương pháp cùng thời được dùng để đo quang sai[33] Đĩa Scheiner là một đĩa đục, trên đó có hai lỗ thủng để khu trú hai tia sáng nhỏ, tiếp theo hai tia sáng này được mắt khúc xạ để hình thành ảnh trên võng mạc Nếu mắt là cận thị, những tia sáng từ xa sẽ giao nhau trước khi đến võng mạc Hai ảnh sẽ được hình thành trên võng mạc và bệnh nhân sẽ nhìn thấy hai hình Để đo độ cận thị, nguồn sáng được mang lại gần mắt cho đến khi nào bệnh nhân chỉ nhìn thấy một hình, lúc này hai ảnh ở võng mạc chồng lấp lên nhau, nguồn sáng được đặt ở viễn điểm của mắt, và độ cận thị được tính bằng diopter là nghịch đảo khoảng cách từ vật đến mắt (Hình 15)

Hình15: Đĩa Scheiner

Mắt cận thị:

- Hình A: Hai tia tới từ vô cực giao nhau trước võng mạc

- Hình B: Nguồn sáng được đặt tại viễn điểm, ảnh hai tia tới giao nhau tại

võng mạc

Ở mắt thật, không thể sử dụng đĩa Scheiner để xác định được một viễn điểm duy nhất, bởi vì hầu hết mắt người có nhiều quang sai bên cạnh lệch tiêu đơn giản Để đo độ trụ, đĩa Scheiner được gắn trên một khung xoay, sao cho một cặp hướng vuông góc mà bệnh nhân nhìn thấy một hình được tìm thấy, những điểm này sẽ

xác định hai cực của khoảng loạn thị Stum, từ đó ba thông số của loạn thị là độ cầu, độ trụ và trục được xác định

Ở những mắt có số lượng quang sai bậc cao đáng kể, tất cả các tia tới bị nghiêng, phiên bản đơn giản của đĩa Scheiner được mô tả trước đây không đo được vì từ một nguồn sáng duy nhất hầu như sẽ không bao giờ tạo được những ảnh võng mạc chồng lấp lên nhau một cách chính xác, bất kể khoảng cách quan sát Vấn đề phức tạp hơn khi hai tia tới cùng một kinh tuyến trước khúc xạ sẽ không ở cùng một kinh tuyến sau khúc xạ và hơn thế nữa không giao nhau Hai chùm tia nói chung sẽ tạo ra hai ảnh võng mạc khác nhau rõ ràng (Hình 16a)

Hình16a: Quang sai kế chủ quan

- Tia quy chiếu đi qua trục quang học

- Tia tới đi vào cùng mặt phẳng tia quy chiếu, nhưng vào trong mắt bị khúc

xạ làm ảnh bị xoay ngang một góc α và xoay dọc một góc β

- Kết quả: ảnh tia quy chiếu và tia tới không trùng nhau

Vị trí ảnh của tia tới đối chiếu với ảnh của tia quy chiếu sẽ xác định số lượng và hướng quang sai ở vị trí đồng tử mà tia tới đi qua Mặc dù hệ trục tọa độ cực (lệch tâm dọc theo kinh tuyến) thường được sử dụng để xác định vị trí của ảnh tới, hệ trục toạ độ Cartesian (góc thị giác ngang α, dọc β) thường được yêu thích hơn trong việc phân tích toán học

Để khắc phục những bất tiện của tia lệch, đĩa Scheiner được biến đổi bằng cách sử dụng hai nguồn sáng khác nhau đối với hai lỗ thủng Tia laser thứ nhất tạo ra tia quy chiếu đi qua trung tâm đồng tử, tia laser thứ hai tạo ra tia tới đi qua một điểm khác ở đồng tử Tia laser thứ hai được gắn trên một đĩa xoay để xác định

một hướng sao cho tia tới tạo ra ảnh chồng lấp với ảnh của tia quy chiếu Nếu quy định hướng của tia tới với số lượng xoay ngang α và số lượng xoay dọc β (so với hướng của tia quy chiếu) cần thiết để mang hai ảnh chồng lấp lên nhau thì hai góc xoay (α, β) trở thành những số đo cơ bản của quang sai của mắt Những góc này được gọi là quang sai tia (Hình 16b)

Hình 16b: Quang sai kế chủ quan

- Tia quy chiếu đi qua tâm đồng tử cố định

- Tia tới được gắn trên đĩa xoay, xoay ngang một góc α, xoay dọc một góc β

để ảnh tia tới trùng với ảnh tia quy chiếu

Quang sai tia α và β tuỳ thuộc vào vị trí chính xác của tia tới Nếu trong hệ trục tọa độ Cartesian, vị trí tia tới ở mặt phẳng đồng tử được xác định rõ (x,y), thì quang sai tia là một hàm số của x,y và được biểu diễn dưới dạng α(x,y) và β(x,y) Nguyên lý điều chỉnh góc tới cho tới khi nào ảnh của tia tới trùng với ảnh của tia quy chiếu ở trên được ứng dụng trong quang sai kế chủ quan Ở những dụng cụ này, quang sai được đặc trưng trong không gian vật, vì vật được điều chỉnh bằng tay để bù trừ cho những quang sai để tạo ra những ảnh trên võng mạc trùng lấp với nhau Về nguyên tắc, quang sai có thể được đặc trưng trong không gian ảnh bằng cách yêu cầu bệnh nhân mô tả hướng của ảnh tới so với ảnh quy chiếu, điều này không thực tế vì bệnh nhân khó thực hiện chính xác một yêu cầu khó khăn như thế Trong thực hành, người ta sử dụng một camera quan sát đáy mắt để ghi lại một cách khách quan sự tách rời của hai ảnh được hình thành bởi các tia tới song song, nguyên lý này được ứng dụng trong quang sai kế Tscherning

Mặc dù phương pháp đo quang sai tia chủ quan có lịch sử lâu dài trong nghiên cứu quang học thị giác, chúng có bất tiện là làm cho bệnh nhân mỏi mệt và mất

thời gian của người thử Những vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách đo ánh sáng phản chiếu từ một điểm ở võng mạc được tạo ra bởi chùm tia quy chiếu trung tâm Đốm này có tác dụng như một điểm nguồn tỏa ánh sáng ra khỏi mắt, tại đây hướng của tia ló có thể được đo dễ dàng Sự đảo ngược hướng truyền ánh sáng đã tạo thuận lợi cho việc thay thế một loạt chuỗi đo lường liên tiếp ở những

vị trí đồng tử khác nhau bằng sự đo song song đơn lẻ tất cả các vị trí đồng tử cùng một lúc với một ánh sáng chớp nhanh Nhiều số đo đồng thời đạt được bằng cách thêm vào đĩa Scheiner nhiều lỗ, và đĩa này được gọi là màng lọc Hartmann Mỗi lỗ trên màng lọc Hartmann tách những tia ló ra khỏi mắt xuyên qua những vị trí khác nhau của đồng tử Những tia ló này được bộ cảm biến video tiếp nhận để ghi lại sự dời chỗ ngang và dọc của mỗi tia từ vị trí quy chiếu không có quang sai tương ứng Để làm tăng hiệu quả, Shack và Platt đã thêm vào trước mỗi lỗ của màn lọc Hartmann một thấu kính nhỏ để hình thành một ảnh rõ trên bộ cảm biến Và kết quả là quang sai kế khách quan Hartmann-Shack hay chính xác hơn về mặt lịch sử là quang sai kế Scheiner-Hartmann-Shack ra đời Quang sai kế Hartmann-Shack đã được Liang và cộng sự ứng dụng vào ngành nhãn khoa từ năm 1991

Hình 17: Quang sai kế Scheiner-Hartmann-Shack

- Chùm tia laser chiếu vào hoàng điểm trở thành nguồn phát ánh sáng ra

khỏi mắt

- Chùm sáng ló ra mắt được các thấu kính nhỏ hội tụ trên mặt phẳng CCD

Chuyển đổi giữa quang sai tia và quang sai mặt sóng:

Như đã mô tả ở trên, nguyên lý hoạt động của cảm ứng mặt sóng được sử dụng trong quang sai kế là đo sự trệch hướng của những tia tới đi qua những vị trí khác nhau của đồng tư[33] Một câu hỏi được đặt ra là tại sao dụng cụ không được gọi là cảm ứng trệch tia thay vì cảm ứng mặt sóng Câu trả lời là tia và mặt sóng liên quan với nhau mật thiết đến nỗi nếu biết rõ về cái này sẽ biết rõ về cái còn lại Người ta thích mô tả mặt sóng hơn bởi vì nó gắn liền với những thuyết quang học phong phú, cho phép tính toán ảnh võng mạc đối với bất kỳ vật nào Mối quan hệ này được mô tả ở hình 18:

Hình 18: Mối quan hệ giữa mặt sóng, độ dốc mặt sóng và quang sai tia

- Tia tới tại điểm A vuông góc với mặt sóng

- τ: độ dốc của mặt sóng tại điểm A

- r: bán kính đồng tử

- z: khoảng cách từ đồng tử đến điểm giao nhau giữa trục quang học và hình

chiếu của tia tới trên mặt phẳng tạo bởi điểm A và trục quang học

Mối quan hệ giữa quang sai tia và độ dốc mặt sóng:

Độ dốc mặt sóng = tan τ ≈ τ = quang sai tia ngang

Thông thường, tia có quang sai không nằm trong mặt phẳng kinh tuyến được xác định bởi trục quang học của hệ thống và điểm A nằm trên mặt sóng được đặt tại chân của tia tới Tuy nhiên, nếu tia được chiếu trên mặt phẳng kinh tuyến như trong hình 18, một mối liên quan khác có thể được suy luận từ hình học:

Do: Tan τ = r

z Phương trình này cho thấy quang sai tia dọc (tính bằng diopter) bằng tỷ lệ của độ dốc mặt sóng (tính bằng radian) với chiều cao đồng tử (tính bằng mét) Nếu mặt sóng là một mặt cầu hoàn hảo, quang sai tia dọc sẽ bằng độ cong mặt sóng và có thể được giải thích như là sai lầm lệch tiêu, tuy nhiên mặt sóng không phải là mặt cầu hoàn hảo nên quang sai tia dọc khó giải thích hơn nhiều

Ba khái niệm cơ bản: pha mặt sóng, độ dốc mặt sóng, độ cong mặt sóng liên kết với nhau về mặt hình học và được tính toán theo cách tương tự như quãng đường, vận tốc và gia tốc Pha mặt sóng là tích phân của độ dốc mặt sóng và độ dốc mặt sóng là tích phân của độ cong mặt sóng Máy cảm ứng mặt sóng sẽ đo lường quang sai tia từ đó suy ra độ dốc mặt sóng, sau đó lấy tích phân để khôi phục lại hình dạng của pha mặt sóng Hiện nay đa thức Zernike là bộ hàm phân tích phổ biến nhất được sử dụng để tái tạo lại mặt sóng

Độ dốc mặt sóng

Diễn giải quang sai mặt sóng:

Quang sai mặt sóng được định nghĩa làsự chênh lệch giữa mặt sóng thực sự so với mặt sóng quy chiếu lý tưởng

Hình 19: Quang sai mặt sóng

- Mặt sóng lý tưởng được tạo bởi hệ quang học không có quang sai

- Mặt sóng có quang sai được tạo ra trong hệ quang học có quang sai

- Quang sai mặt sóng là sự chênh lệch giữa hai mặt sóng lý tưởng và mặt

sóng có quang sai

Hình dạng của một mặt sóng có quang sai là sự mô tả cơ bản chức năng thị giác của mắt và được gọi là hàm quang sai mặt sóng (WAF: wavefront aberration function) [33] Trên khía cạnh lâm sàng, một trong những cách hữu dụng nhất để diễn giải hàm quang sai mặt sóng WAF là chiều dài đường đi của tia sáng OPL (OPL: optical path length) khi chúng đi từ vật tới ảnh Chiều dài đường đi tia sáng OPL được định nghĩa là số lần một sóng ánh sáng phải dao động khi đi từ điểm này đến điểm khác, được tính bằng cách nhân độ dài vật lý với chiết xuất môi trường Do tốc độ lan truyền của ánh sáng chậm hơn trong môi trường khúc xạ của mắt, nên nhiều dao động hơn sẽ xảy ra trong một mm đường đi bên trong mắt

so với bên ngoài mắt

Trong một hệ thống quang học hoàn hảo, tia sáng đi qua tất cả các điểm khác nhau của đồng tử đều có chiều dài đường đi tia sáng OPL bằng nhau, nghĩa là sự khác biệt chiều dài đường đi tia sáng OPD (Optical Path Difference) bằng không đối với mỗi điểm ở đồng tử, và tất cả các tia đến có cùng một số lần dao động, những tia như vậy được gọi là “đồng pha”, giao thoa kết hợp sẽ tạo ra một ảnh cực kỳ chính xác Trái lại trong một hệ thống có quang sai, tia sáng đi vào những

vị trí đồng tử khác nhau có chiều dài đường đi tia sáng khác nhau và đến không đồng pha làm sự giao thoa bị phá vỡ, làm cho cường độ ánh sáng của ảnh bị giảm

đi Nếu tính toán OPD ở cả những vùng lân cận xung quanh ảnh, thì sẽ tạo ra một mẫu phức tạp của giao thoa phá hủy và giao thoa kết hợp biểu diễn một ảnh không hoàn hảo của nguồn sáng

Hiểu biết OPD thay đổi như thế nào khi tia tới đi qua đồng tử là thông tin cơ bản được sử dụng để xác định chất lượng ảnh võng mạc Dựa vào thuyết Fourier, nếu cho hàm quang sai mặt sóng, người ta sẽ tính được hàm điểm lan tỏa (PSF), hàm dẫn truyền quang học (OTF) và ảnh võng mạc của bất kỳ vật nào Những tính toán quang học cực kỳ hữu dụng này được dựa trên hiện tượng vật lý cơ bản là giao thoa ánh sáng kết hợp và giao thoa ánh sáng phá hủy, được xác định bởi pha tương đối của tia sáng đi qua những vị trí khác nhau của đồng tử

Khi quang sai được nhận thức như là sự khác biệt chiều dài đường đi tia sáng OPD, chúng ta sẽ dễ dàng hiểu rằng quang sai có thể xuất hiện do bất thường độ dày của phim nước mắt, giác mạc, thủy tinh thể, tiền phòng, hậu phòng… hoặc có thể do chiết xuất, tình trạng viêm nhiễm, bệnh lý trong mắt, tuổi tác Hơn nữa, khi hiểu được vấn đề này, người ta có thể diễn giải hàm quang sai mặt sóng WAF như là “kê toa cho sự hoàn hảo” nghĩa là có thể thay đổi OPL nhằm mục đích điều trị, làm giảm OPL (bằng cách thay thế nước bằng không khí như là trong bào mòn giác mạc) hoặc tăng OPL (bằng cách thay thế không khí bằng nước như là với kính tiếp xúc), đây là nguyên lý cơ bản ứng dụng cho tất cả những phương pháp hiệu chỉnh tật khúc xạ dưới sự hướng dẫn của mặt sóng

2.2 Các loại quang sai kế:

Để phân tích mặt sóng người ta sử dụng những quang sai kế đang có sẵn hiện nay, dựa trên những nguyên lý khác nhau:

- Quang sai kế Hartmann-Shack :

Những máy ứng dụng nguyên lý Hartmann- Shack hiện nay được sử dụng phổ biến nhất Những máy này phân tích ánh sáng phản chiếu từ võng mạc đi ra khỏi mắt và xuyên suốt hệ thống quang học ngang qua các môi trường khác nhau của mắt (pha lê thể, thủy tinh thể, tiền phòng, mặt sau, nhu mô và mặt trước giác mạc, phim nước mắt)

Phương pháp Hartmann-Shack sử dụng một tia sáng nhỏ chiếu lên võng mạc, tia sáng này đóng vai trò là nguồn sáng phản chiếu ra khỏi mắt qua đồng tử Ánh sáng phản chiếu ra khỏi mắt được hội tụ bởi một dãy các thấu kính, và đầu dò thu hình CCD sẽ bắt giữ dãy các điểm ảnh này

Vị trí của mỗi điểm được bắt giữ bởi đầu dò sẽ được so sánh với vị trí lý thuyết của nó trong hệ thống không có quang sai, sự bù đắp tương đối, sự kết hợp của các điểm cung cấp một bản đồ quang sai mặt sóng[29][12][13][20]

Hình 20: Quang sai kế Hartmann – Shack

- Chùm tia laser di vào đóng vai trò là nguồn chiếu sáng khỏi mắt

- Các tia ló giao với màn hình CCD , sự trệch hướng của các ảnh so với ảnh

quy chiếu sẽ được tính toán để tái tạo lại mặt sóng

Những máy ứng dụng nguyên lý Hartmann – Shack hiện nay là:

New Jersey)

- Quang sai kế Tscherning:

Thước đo quang sai Tscherning phân tích ánh sáng đi vào mắt và hình thành ảnh trên võng mạc Một chùm tia tới dạng lưới được phóng chiếu xuyên qua hệ thống quang học của mắt và hình thành một ảnh trên võng mạc

Ảnh này được quan sát và đánh giá bởi phương pháp tương tự như soi đáy mắt gián tiếp và được bắt giữ bởi đầu dò thu hình CCD

Phân tích sự biến dạng của kiểu lưới và so sánh kiểu lưới võng mạc có quang sai với vị trí lưới lý tưởng cho phép tính được quang sai của toàn bộ

Hình 21: Quang sai kế Tscherning

- Chùm tia dạng lưới được chiếu vào võng mạc, với một tia ở trung tâm đồng

tử và hai tia ở bờ đồng tử

- Tia ló, chỉ biểu diễn tia ở trung tâm giao với màn hình CCD So sánh vị trí

tia ló giao với màn hình với kiểu lưới lý tưởng không có quang sai, tái tạo lại mặt sóng

Những máy ứng dụng nguyên lý Tscherning hiện nay là:

Erlangen, Germany)

- Quang sai kế vẽ tia Tracey:

Công cụ này đo lường ánh sáng đi vào xuyên qua hệ thống quang học của mắt và hình thành một ảnh trên võng mạc Nó đo lường một tia sáng ở thời điểm đi vào đồng tử hơn là đo lường tất cả các tia ở cùng một thời điểm giống như các công cụ đã đề cập ở trên

Mẫu thiết kế này làm giảm sự bắt chéo nhau của các tia ở mắt có quang sai cao Thời gian quét toàn bộ là 10 đến 40 ms Công cụ này tạo ra toàn bộ bản đồ khúc xạ của mắt và bản đồ biến dạng của mặt sóng [29][12][13][20]

Hình 22: Quang sai kế vẽ tia Tracey

- Hai tia laser được chiếu vào mắt, một tia ở trung tâm đồng tử O’ và một tia

ngoại biên A’

- Tia tới hẹp, tia ló xuyên qua toàn thể đồng tử

- Mặc dù tia ló được phóng đại nhưng vị trí ảnh O” và A” giao với màn hình

CCD thì vẫn giữ nguyên hình dạng và vị trí

Những máy ứng dụng nguyên lý vẽ tia Tracey hiện nay là:

- Máy đo khúc xạ quét tia:

Máy đo khúc xạ quét tia dựa trên nguyên lý soi bóng đồng tử (skiascope) Khác với những hệ thống khác, hệ thống này quét một lượng lớn các điểm và kiểm tra mối tương quan giữa nguồn chiếu sáng và ánh sáng phản chiếu Cả hệ thống chiếu tia và hệ thống nhận tia cùng quay đồng thời quanh một trục quang học với tốc độ cao và 360o kinh tuyến được đo trong vòng 0.4 giây Một nhóm dụng cụ phát hiện ánh sáng được đặt ở trên và ở dưới trục quang học ở 2.0, 3.2, 4.4 và 5.5mm sẽ phát hiện thời gian của ánh sáng phản chiếu Sự khác biệt về thời gian phản chiếu tùy thuộc vào loại và số lượng tật khúc xạ và được chuyển đổi thành công suất khúc xạ

Công cụ chẩn đoán này kết hợp máy đo khúc xạ tự động, máy định khu giác mạc và phân tích mặt sóng để tạo ra một bản đồ duy nhất công suất khúc xạ của bề mặt giác mạc [29][12][13][20]

Hình 23: Máy đo khúc xạ quét tia

- Chùm tia tới quét khắp võng mạc, ở mắt cận thị các tia này hội tụ trước

võng mạc

- Các tia ló đi ngang qua đầu dò được đặt ở giác mạc

- Đối với mắt cận thị, võng mạc được quét từ trên xuống dưới, các tia ló giao

với đầu dò quét theo hướng ngược lại

Những máy ứng dụng nguyên lý quét tia hiện nay là:

Tất cả các quang sai kế đều cho kết quả dưới dạng hình ảnh đồ thị với thang màu gọi là bản đồ quang sai Giống như bản đồ giác mạc, thang màu cho thấy sự khác biệt tính bằng micron giữa mặt sóng đo được và mặt sóng quy chiếu Màu xanh lục đại diện cho mặt phẳng quy chiếu, màu nóng hướng về màu đỏ tượng trưng cho sự chênh phía trên, màu mát hướng về màu xanh tượng trưng cho sự chênh phía dưới mặt sóng quy chiếu Những thông tin cần thiết trong một bản đồ quang sai gồm có:

- MTF (Modulation Transfer Function): tương đương khách quan của độ

nhạy tương phản Là khả năng của mắt có thể tạo được ảnh rõ nét trên võng mạc, cho thấy số đo của chất lượng thị giác

- PSF (Point Spread Function): biểu diễn tác động của quang sai lên ảnh

võng mạc hay chất lượng ảnh

- PPR (Phoropter Predicted Refraction): độ khúc xạ phoropter dự đoán, là

những thông số tương ứng với những số đo độ khúc xạ cầu và trụ đo bằng phoropter

- Số đo của mỗi số hạng trong đa thức Zernike

- RMS (Root Mean Square): là tổng tất cả quang sai, cho phép định lượng về

mặt số học toàn bộ sai lệch và độ lệch của mặt sóng đo được so với mặt sóng quy chiếu lý tưởng Ví dụ minh họa ở hình sau

Hình 24: Căn bậc hai trung bình các bình phương

Đối với hệ quang học hoàn hảo thì RMS bằng không RMS toàn bộ của mắt người trung bình bằng 0.1µm ở người trẻ và 0.25µm ở người 60 tuổi Phẫu thuật LASIK chuẩn làm tăng RMS vài lần, đặc biệt là khi kích thước đồng tử lớn

2.3 Ứng dụng của cảm ứng mặt sóng trong lâm sàng:

Trước phẫu thuật khúc xạ:

- Cảm ứng mặt sóng hay quang sai kế cung cấp những thông tin chính xác của không những quang sai bậc thấp (cận, viễn, loạn thị) mà còn những quang sai bậc cao mà không thể đo được trên lâm sàng trước khi kỹ thuật này xuất hiện, những thông tin này được sử dụng trong việc lựa chọn một phương pháp tốt nhất khi cân nhắc phẫu thuật để hiệu chỉnh tật khúc xạ[6]

- Cảm ứng mặt sóng có thể liên kết với hệ thống laser tạo ra phương pháp điều trị giác mạc theo từng cá thể dưới hướng dẫn của quang sai với hai mục tiêu đặc biệt:

 Hiệu chỉnh tất cả quang sai có sẵn (độ cầu, độ trụ, quang sai bậc cao)

 Không tạo ra thêm những quang sai bậc cao do điều trị laser gây ra

Sau phẫu thuật khúc xạ:

- Những nghiên cứu lâm sàng sử dụng kỹ thuật mặt sóng cho những hiểu biết tốt hơn về những tác động của quang sai bậc cao trên thị giác thể hiện, giúp cho phẫu thuật viên hiểu rõ hơn những lý do than phiền của bệnh nhân sau mổ[6]

- Ứng dụng của cảm ứng mặt sóng trong chẩn đoán sau phẫu thuật khúc xạ đặc biệt quan trọng khi dự định phẫu thuật lần hai Bệnh nhân than phiền những kết quả không hài lòng chủ yếu do hai nguyên nhân:

 Hiệu chỉnh không đủ hay hiệu chỉnh quá mức (độ cầu và độ trụ) hay

 Tăng quang sai bậc cao do phẫu thuật gây ra