今天，我們特別分享這篇發(fā)表于《Biomed Optics Express》的《高端技術人工晶狀體的設計理念》為國際權威特邀綜述。與常見綜述不同，文章系統(tǒng)梳理系統(tǒng)總結了高端技術人工晶狀體（IOL）的設計理念與臨床性能。文章圍繞衍射型、折射型、連續(xù)視程（EDOF）及波前優(yōu)化等各類 IOL 展開，對比其光學原理、焦深拓展、能量分布及視覺質量，重點分析三焦點、正弦衍射、相移、周期折射等設計在遠中近全程視力上的優(yōu)勢與眩光、光暈等不良視覺現(xiàn)象。同時闡述了眼模型、MTF、球差與色差等評價體系，并指出：
新型IOL向全程視力更連續(xù)、視覺干擾更輕微方向發(fā)展
為臨床個體化選擇與研發(fā)提供了重要參考。
此外，這篇綜述之所以具有較強說服力，很大程度上源于其作者團隊的結構。作者團隊匯聚全球人工晶狀體領域頂尖學者與產業(yè)專家，覆蓋光學設計、臨床眼科、視覺科學及產業(yè)轉化全鏈條。
通訊作者Michael J. Simpson是人工晶狀體光學設計泰斗，深耕衍射 IOL 設計數(shù)十年，亦是國際 ISO/IOL 標準制定核心專家；
Damien Gatinel為法國知名白內障與屈光手術專家，三焦點 IOL 核心發(fā)明人，在 IOL 屈光計算與臨床應用上影響深遠；
Miguel Faria-Ribeiro專注眼模型、波前檢測與 IOL 光學評價，擅長離焦曲線與視覺質量分析；
Geunyoung Yoon為休斯頓大學視光學院講席教授，在波前像差、自適應光學及視覺質量評估領域成果卓著；
Junzhong Liang為人眼波前像差測量與自適應光學視網膜成像領域的核心開創(chuàng)者，2024年Rank Prize 光電子獎，并專注 EDOF、衍射多焦點 IOL 等高端人工晶狀體研發(fā)與產業(yè)化；
Pablo Artal為歐洲視覺光學權威，西班牙穆爾西亞大學教授，在人眼像差、周邊視網膜光學及 IOL 優(yōu)化方面貢獻突出；
Susana Marcos為羅切斯特大學視覺科學中心主任，研究聚焦自適應光學、近視機制與人工晶狀體視覺模擬，是國際視覺科學領域領軍學者；
Xin Wei 擁有愛爾康、強生等頭部企業(yè)研發(fā)經驗，主攻 EDOF 與新型人工晶狀體轉化。
摘要
人工晶狀體（IOL）在白內障手術中替代自身晶狀體。盡管絕大多數(shù)植入式 IOL 為簡單光學設計，但高端 IOL具備多焦點與連續(xù)視程（EDOF） 特性。本文對各類光學設計思路進行評價，主要考量指標為圖像對比度、焦深范圍及不良視覺現(xiàn)象。早期雙焦點衍射型 IOL 伴隨明顯視覺不適，這推動了衍射設計的改進（如三焦點等），同時也促使研究者通過折射型設計拓展單焦點 IOL 的焦深。這類設計雖然離焦范圍相對有限，但視覺干擾癥狀顯著更輕。本文所涵蓋的多種設計方案，可根據患者不同的需求、用眼習慣及對視覺副作用的敏感程度，提供更優(yōu)的全程視力。
01 引言
人工晶狀體在白內障手術視力重建中至關重要，手術將混濁的自身晶狀體替換為透明人工晶狀體。IOL 自問世以來發(fā)展迅速，現(xiàn)代 IOL 主要分為單焦點、多焦點、三焦點、連續(xù)視程（EDOF） 等類型。本文圍繞高端 IOL 的設計、研發(fā)及臨床應用展開，重點介紹近年來滿足多樣化視覺需求的創(chuàng)新技術。
早期 IOL 為硬質球面鏡片，光學設計簡單，僅為具有一定屈光度的厚透鏡。1949 年 Harold Ridley 首次植入的 IOL 體積大、重量高，此后前后房 IOL 迅速優(yōu)化為至今仍廣泛使用的結構：光學部直徑約 6 mm，厚度＜1 mm，由纖細柔性的支撐襻固定。低折射率 IOL 常帶有邊緣凸緣，以縮小手術切口。
IOL 的臨床成功依賴合理設計及臨床前實驗室光學性能驗證。各國及國際標準規(guī)定了生產商必須采用的檢測方法，因此標準與光學設計高度相關。值得注意的是，核心標準ISO 11979-2（第 3 版） 于 2024 年 10 月發(fā)布，仍以調制傳遞函數(shù)（MTF） 為主要評價方式（后續(xù)可能發(fā)展并應用其他方法）。隨著評價方法不斷發(fā)展，其細節(jié)卻未在科研文獻中充分討論。本文第一部分梳理并明確 IOL 設計、性能及質量控制所用眼模型的關鍵參數(shù)。同時，產品轉化有其特殊考量，與基礎科研存在差異，本文試圖彌補這一差距。
專利及文獻中已有數(shù)百種 IOL 設計，許多已用于臨床。本文不做泛泛綜述，而是聚焦目前已實現(xiàn)商業(yè)化的高端 IOL 設計理念，包括：
新一代三焦點、正弦型衍射 IOL 的衍射原理；
相移型、周期折射型、波前延展型及 Isopure 等新型 EDOF IOL；
周邊光學質量優(yōu)化的 IOL。
02 用于 IOL 評估的眼模型
早期 IOL 更關注加工質量而非光學設計，屈光度準確性、光學質量為核心指標。屈光度測量方法眾多，而最初 ISO 11979-2 標準眼模型用于標準化 MTF 檢測。該檢測采用 100 lp/mm，對應人眼 30 c/°、視力 1.0，最初僅用于 3 mm 瞳孔、單色光下的光學質量檢測。隨后 “性能評價” 愈發(fā)重要，非球面 IOL、多焦點 IOL 也采用類似眼模型，在不同焦點、不同瞳孔直徑下進行評估。波前檢測一般不直接用于 IOL 評價，若獲得波前信息，通常轉換為 MTF 進行分析，MTF 可提供目標空間頻率下的對比度信息。同一型號不同屈光度的 IOL 通常采用統(tǒng)一設計，盡管其適配的角膜屈光度與眼軸長度存在差異。
圖1:(a) 采用玻璃雙合透鏡的初代 ISO 標準眼模型。(b) 采用非球面 PMMA 前透鏡的 ISO2 眼模型（該模型同時具有特定的球差人工晶狀體 SAIOL 參數(shù)）。(c) 植入人工晶狀體（IOL）的真實人眼。(d) Z35a 眼模型，采用 PMMA 前透鏡，結構尺寸與真實人眼一致。(e) 采用薄型 PMMA 前透鏡的 Z35b 眼模型。
ISO 眼模型僅模擬 IOL 至視網膜的光路，其 “角膜” 前透鏡與 IOL 的距離遠大于真實人眼。初代 ISO1 模型采用玻璃雙合透鏡，后續(xù) ISO2 模型改用非球面 PMMA “角膜” 透鏡以控制球差，但未考慮色差。這些模型與真實人眼結構差異明顯，在將圖像離焦換算為屈光誤差時需謹慎。此外，即使使用復色光，ISO 模型眼的色差也與人眼不符。
ANSI Z80.35 標準提出了 Z35a、Z35b 眼模型，使角膜屈光組件與 IOL 的物理位置更接近真實眼，從而解決色差問題。Z35a 模型利用 PMMA 色散與水相近的特點，結構比 Z35b 的薄彎月透鏡更穩(wěn)定。這類眼模型可用于 IOL 軸向特性的設計與分析，角膜處的屈光誤差可在視網膜產生準確的離焦效果。針對離軸成像的設計（見第 10、11 節(jié)）另有特殊要求。
光學設計參數(shù)在文獻及 IOL 標準中表述常不統(tǒng)一，關鍵要點如下：
(a) 非球面 IOL 通常標注球差值（如 0.28 μm、0.2 μm、−0.28 μm、−0.2 μm），IOL 標準定義為真實眼 6 mm 入射瞳孔下的OSA 澤尼克球差。光束在 IOL 平面匯聚至約 5.3 mm，ISO2 模型眼即按此模擬。標準中可通過調整前角膜面的圓錐常數(shù)獲得不同SAIOL值。模型眼球差符號為正，IOL 為負，但文獻中常以正值表示。“球差（SA）” 在不同文獻中定義不一，檢測設備參數(shù)也可能與標準定義不符。多項研究探討了球差與焦深的關系。
(b) ISO2 模型眼顯示，澤尼克球差僅對特定孔徑有效，包含初級球差的 r?項及相關的 r² 近軸離焦項，部分 IOL 設計可獨立控制 r² 與 r?。真實角膜常用圓錐常數(shù)模擬，一階近似可表示為 cc?r?/(8R³)。圓錐常數(shù)的使用容易掩蓋其本質是球差調控，也提示在光學優(yōu)化中，圓錐常數(shù)與非球面 r?項可能存在沖突。
(c) MTF 已成為眼科光學的核心評價方法，可針對性評價視覺相關空間頻率。IOL 傳統(tǒng) “最佳焦點” 定義為 3 mm 孔徑下 50 lp/mm MTF 峰值位置，EDOF IOL 尚無統(tǒng)一標準。另一傳統(tǒng)方法為光線追跡與軸上交點曲線（孔徑 - 離焦曲線），計算簡便但視覺解讀較難。
(d) 在 MTF 系統(tǒng)中常通過離焦像面評價近距離成像質量。ANSI Z80.35 給出了模型眼離焦距離（mm）與真實眼角膜屈光誤差（D）的換算公式。部分文獻直接以 IOL 平面屈光度變化表示離焦，而角膜處效應約為 IOL 平面的 0.7 倍。
(e) IOL 屈光度在平行光下測量，表征 IOL 本身性能，也可用于不同波長檢測。但在模擬衍射 IOL 在眼內的實際表現(xiàn)時，必須使用真實眼模型。
(f) 早期常用單色光 50 lp/mm 或 100 lp/mm 的 MTF 代表 IOL 性能，對應視力 0.5 與 1.0。近年研究表明，MTF 曲線 50 lp/mm 以下面積（MTFarea） 與視力相關性更好，該指標已納入 ANSI Z80.35 及新版 ISO 11979-2。本文給出了由復色光實驗室檢測結果估算臨床視力的方法，可直接用于 IOL 設計與評估。
綜上，真實模型眼可用于設計，Z35a、Z35b 眼模型適用于軸向設計與評估，尤其適合色差相關分析。離軸像差傳統(tǒng)上較少評價。本文不直接討論散光，但散光臨床意義重大，矯正散光后患者滿意度顯著提高，多數(shù) IOL 均有散光矯正型（Toric IOL），常規(guī)采用環(huán)曲面設計實現(xiàn)。
IOL 分類術語尚未完全統(tǒng)一，本文主要討論：(1) 增強焦深單焦點 IOL（mono-EDOF）(2) 連續(xù)視程 IOL（EDOF），主要提供中距離視力(3) 多焦點 IOL，包括雙焦點（MIOL）、三焦點，也可稱全視程（FVR）。
所有非單焦點 IOL 均屬于同步視程 IOL（SVIOL），區(qū)別于未來可能通過形變或位移實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)的 IOL。上文中使用“焦點”（focus）一詞來定義擴展景深（EDOF），而不是“視野”（field），使用縮寫詞可以避免在兩個廣泛使用的術語之間進行選擇。
圖像對比度、焦深范圍、視覺現(xiàn)象是設計選擇的主要依據。傳統(tǒng)優(yōu)化非球面單焦點 IOL 僅在單一焦點提供極佳視力；其他設計可擴展中距離成像質量，視覺干擾較輕；部分設計可在大范圍距離、全瞳孔直徑下提供良好視力，但視覺干擾更明顯。對脫鏡意愿更強的患者，對視覺現(xiàn)象的耐受度更高。
03 衍射型 IOL 設計通用原理
多篇文獻探討了衍射光學原理，其核心理論可追溯至 19 世紀 10 年代菲涅耳的光波理論。物像點間光程差為 1 個波長的區(qū)域被定義為菲涅耳區(qū)。菲涅耳本人并未提出衍射透鏡，早期衍射成像元件為 “菲涅耳波帶片”，交替半周期透光 / 不透光區(qū)域可匯聚約 10% 入射光能量成像。若將不透光區(qū)域改為半波長相位延遲透光區(qū)，約 40% 能量分別投向兩個焦點，與基礎多焦點 IOL 能量分布一致。衍射透鏡通過衍射與干涉效應工作，光學軸上特定距離滿足所有區(qū)界波長整數(shù)倍條件，形成系列潛在焦點；若所有區(qū)域施加相同相位延遲，能量將投向相位匹配最優(yōu)的焦點（屈光力）。
圖2：展示了標準雙焦點 IOL 在模型眼中的波前與 MTF 曲線，設計波長 546 nm 單色光檢測。區(qū)界距近焦點增量為 1 個波長，各區(qū)內透鏡材料將光線偏折至中間點，幾何結構沖突使該波長下約 40% 能量投向遠、近焦點。
衍射透鏡等效于平行光入射的線性光柵，區(qū)帶面積相等，線性光柵對應透鏡表面浮雕輪廓隨半徑平方的變化，線性相位結構的傅里葉變換可計算不同衍射級次的理論衍射效率。傳統(tǒng)第 i 區(qū)帶界半徑滿足 r?²=2iλ?f（λ?為設計波長，f 為焦距）。
圖3：(a) 無附加相位結構，能量全部投向原焦點；(b) 臺階高度為 1 個波長（匹配區(qū)界位置），光線全部進入 + 1 級衍射；(c) 臺階降至 1/2 波長，40.5% 能量分別進入 0 級與 + 1 級；(d) 臺階交替為 0.3 與 0.7 個波長，形成三個能量均衡焦點（一類三焦點設計，未商業(yè)化），雙區(qū)構成重復周期，一個焦點位于另外兩者中點；(e) 1/2 波長相位反轉波帶片，40.5% 能量投向原焦點兩側雙焦點；(f) 正弦結構將能量投向 - 1、0、+1 級，雙區(qū)構成光柵單周期。其他臺階高度對應不同結果，波長變化會同時改變衍射角（對應屈光力）與各級能量分配，能量分布不可隨意設定，僅能從現(xiàn)有結果中選型。
衍射透鏡具備相同特性，結構按半徑 r 縮放，圖像沿光軸移動至不同距離且能量分布改變，區(qū)帶等面積特性與線性光柵一致。衍射光焦度 3.4 D 的 IOL 可近似矯正人眼總色差（總光焦度約 60 D），因此附加 3~4 D 的衍射 IOL 可在單一焦點大幅矯正人眼縱向色差，但能量分布仍隨波長變化?？傮w而言，各類衍射 IOL 可調控單一或多焦點的波長相關光焦度變化，同時伴隨焦點間能量分配改變。
周期區(qū)界排布的衍射透鏡色差特性，與廣義 “菲涅耳透鏡” 不同。后者因菲涅耳參與巨型燈塔透鏡研發(fā)得名，透鏡被切割為任意寬度片段以減重縮尺。衍射透鏡 1 個波長的間距使成像質量隨波長變化保持穩(wěn)定，焦點移動維持波長依賴關系，即便區(qū)內相位延遲隨波長改變，該幾何特性始終存在。任何衍射透鏡在寬光譜下均產生多級衍射，部分 IOL 針對性選用 + 1 或 + 2 級（見第 5 節(jié)），部分單焦點衍射透鏡采用多級衍射理念。理論上可移動衍射區(qū)界補償 IOL 球差，但臨床更常用非球面折射結構實現(xiàn)像差調控。
04 三焦點衍射 IOL
三焦點人工晶狀體的革新使白內障患者無需配鏡即可實現(xiàn)遠、中、近全程清晰視力。首款商業(yè)化衍射三焦點 IOL 為 FineVision，采用折射 + 衍射復合光學設計，在三個焦點高效分配光能?；拙铙w預設球面 / 環(huán)曲面屈光力（如 + 20.0 D），并整合非球面設計矯正角膜球差，三焦點光焦度在 IOL 平面通常為 + 20.0 D、+21.75 D、+23.5 D。
衍射表面產生的相移與表面高度 h (r)、波長 λ 成正比，徑向距離 r 處相移 φ(r) 公式為：φ(r) = [2π?h (r)?(n?−n?)] / λh (r) 為 r 處透鏡高度，n?、n?為周圍介質與 IOL 材料折射率，λ 常用 550 nm，該公式為 FineVision 等衍射輪廓設計奠定基礎。高度輪廓呈分區(qū)變化，三焦點晶狀體采用變跡設計，臺階高度隨徑向距離增大而降低。
圖4：三焦點變跡衍射光學面型的截面示意圖
圖5：漸變三焦點人工晶狀體光能量分布（%）隨瞳孔直徑變化：瞳孔散大至 4.5 mm 時，僅 9% 的光能量用于中距離成像。
三焦點 IOL 疊加兩組衍射輪廓，平衡遠、中、近光能分配。近、中距離焦距由 f=n?/P 計算（P 為衍射附加屈光度）：近附加 + 3.50 D 對應焦距≈0.3811 m，中附加 + 1.75 D 對應≈0.7623 m，據此設計近、中焦點衍射輪廓 H1 (r)、H2 (r)。參數(shù) a1=0.44、a2=0.27 時，84% 能量高效分配至三焦點：3 mm 瞳孔下遠焦點 43%、近焦點 28%、中焦點 15%，保障患者日?；顒用撶R需求。變跡設計使衍射臺階高度從中心向周邊逐漸降低，優(yōu)化不同瞳孔尺寸下的焦點光能分配：亮環(huán)境（小瞳孔）光線集中于 IOL 中心，最大化三焦點效能；暗環(huán)境（大瞳孔）減少近、中距離能量，提升遠視力。較低臺階高度也降低了臺階散射引發(fā)的雜光與眩光。
FineVision 改進版通過調整衍射區(qū)高度矯正色差，提升不同光照下全程視力清晰度，但臺階高度增加易導致雜光與眩光加重。另一款三焦點 IOL Panoptix 采用四焦點輪廓，主要能量分配至 0、+2、+3 級，等效三焦點的中焦點更靠近近焦點。
臨床研究證實，三焦點 IOL 視覺效果優(yōu)于雙焦點，患者遠、中、近視力滿意度高，脫鏡閱讀、用電腦、駕駛等日?；顒幽芰︼@著提升。三焦點 IOL 裸眼近視力優(yōu)于 EDOF IOL，兩組裸眼遠、中視力及光暈、眩光無統(tǒng)計學差異。
05 高級次衍射 IOL
常規(guī)雙焦點衍射 IOL 依靠 0 級與 + 1 級衍射分別實現(xiàn)遠、近視力：0 級結合高屈光力折射基底透鏡形成遠焦點，+1 級疊加衍射光焦度形成近焦點。
衍射結構的周期性使其屈光力與波長線性相關，長波光焦度更高、短波更低，因此正衍射級次產生的縱向色差（LCA）符號與角膜、折射基底透鏡相反。衍射輪廓誘導 LCA 公式為：LCA = −m?|Δλ|/λ??P (λ?,1)m 為衍射級次，Δλ 為寬光譜波長范圍，P (λ?,1) 為設計波長下衍射結構光焦度。
該配置可矯正雙焦點近焦點、三焦點中 / 近焦點的 LCA，但遠焦點（m=0）LCA 無改善。
近年研發(fā)通過增高衍射臺階、增大入射波前相位差、將主干涉位置移動 1 個或多個衍射級次，解決遠焦點 LCA 問題。利用正級次的反向 LCA，可部分補償角膜與折射基底透鏡的色差，即便遠焦點也可實現(xiàn)矯正。
圖6: 雙焦點人工晶狀體的相位分布圖。
圖 6 展示常規(guī)雙焦點輪廓，81% 能量均分至 0 級與 + 1 級。+3.50 D 附加的 1 級雙焦點設計，遠焦點 LCA 補償存在固有權衡：衍射元件光焦度隨波長線性變化，而人眼光焦度呈非線性雙曲型變化，400~700 nm 天然 LCA 約 1.7 D（隨 IOL 材料略有波動）。將遠焦點移至 + 1 級可能過度補償 LCA，導致近焦點 LCA 增加、成像質量下降。
為實現(xiàn)遠、近焦點 LCA 均衡補償，可降低衍射元件光焦度，縮小通焦范圍，設計與首款商業(yè)化 EDOF IOL 相近。
圖7: 在以下條件下，衍射型雙焦點人工晶狀體 (IOL) 對縱向色差 (LCA) 的矯正效果：(a) 遠焦點位于 0 級衍射，附加屈光度為 +3.50D；(b) 遠焦點位于 +1 級衍射，附加屈光度為 +3.50D；(c) 遠焦點位于 +1 級衍射，附加屈光度為 +1.75D。離焦參考點為 IOL 平面。計算采用 Liou & Brennan 眼模型，該模型包含角膜，并將 IOL 浸入水性介質中，旨在補償角膜的總球面像差。
常規(guī)三焦點設計采用 0、+1、+2 級分別對應遠、中、近焦點，衍射結構由兩個拋物區(qū)構成重復周期，周期寬度為同近附加雙焦點的兩倍，m=+1 級衍射光焦度為雙焦點的一半。
輪廓移動 1 個衍射級次后，+1、+2、+3 級分別用于遠、中、近視力，該級次移動可減少近焦點 LCA 過度補償，但 + 3.50 D 常規(guī)近附加仍可能存在輕微過度補償。
采用 + 1 級遠焦點的三焦點 IOL 示例如圖 8，衍射光焦度 + 1.75 D，對應 + 1 級 + 1.75 D、+2 級 + 3.50 D、+3 級 + 5.25 D。為補償衍射元件引入的 + 1.75 D，折射基底光焦度同步降低，如遠焦點 20 D 晶狀體由 + 18.25 D 折射基底與 + 1.75 D 衍射分量組成，與矯正 LCA 的 FineVision 設計高度相似。
圖8:三焦點人工晶狀體的相位分布圖，其在r²方向上具有由兩個不同區(qū)域構成的周期性圖案(a)，將 84% 的衍射光分配到三個主要衍射級次 (c) 中，其中 +1 級用于表示距離。其色差特性如圖 (b) 所示。離焦參考點為人工晶狀體平面。計算采用 Liou & Brennan 眼模型，該模型包含角膜，人工晶狀體浸沒在水性介質中，旨在補償角膜的總球面像差。
該設計可拓展至任意 N 焦點及更高衍射級次，如 Tecnis Synergy。
遠焦點 LCA 補償可提升遠視力對比度，但高階像差顯著或橫向色差增加時效果減弱；同時衍射結構增高導致制造難度上升，為潛在短板。
06 正弦型衍射 IOL
Acriva Trinova 等正弦型三焦點輪廓連續(xù)平滑，無相鄰區(qū)帶突變臺階，優(yōu)勢為制造簡便、減少過渡區(qū)散射，衍射效率優(yōu)于傳統(tǒng)拋物型三焦點。
1998 年 Gori 等推導了周期正弦形狀的 “最優(yōu)三重分光器” 解析表達式，在 - 1、0、+1 級（遠、中、近焦點）實現(xiàn)高達 92.56% 的衍射效率，最優(yōu)分光器相位公式以徑向坐標 r 與單位光柵周期表示。
2020 年 Holmström 等新增參數(shù) s，在徑向 r² 空間移動輪廓，調整首個衍射區(qū)形狀，在有限孔徑下優(yōu)化 - 1、0、+1 級能量分配。Acriva Trinova 正弦輪廓的詳細分析見 Vega 等研究。
參數(shù) s 雖提升靈活性，但僅靠 α 無法獨立調控三焦點能量分配。Xing 等提出修正相位函數(shù)，新增半周期正弦項，包含兩個振幅參數(shù)調控整體與次級正弦輪廓。
與正級次遠焦點設計不同，負級次遠焦點透鏡需提高折射基底光焦度，抵消衍射元件引入的負屈光力，如 20 D 晶狀體由 + 21.75 D 折射基底與 - 1.75 D 衍射分量組成。
正弦型核心權衡為遠焦點采用 - 1 級而非傳統(tǒng) 0 級，使遠焦點 LCA 符號與角膜、折射基底一致，加劇遠焦點總色差，中近焦點 LCA 補償效果弱于 0 級拋物三焦點。
圖10 ：對比單色與復色光下 50 c/mm 通焦 MTF 曲線，正弦輪廓衍射效率雖高，但復色光下優(yōu)勢有所削弱。
07 拓展焦深的相移設計
IOL 設計持續(xù)迭代，先進光學技術被用于優(yōu)化光能利用、提升視覺感知。多焦點 IOL 從雙焦點發(fā)展至三焦點，同步矯正遠、中、近視力，大幅提升脫鏡率，但核心挑戰(zhàn)仍未解決：在實現(xiàn)連續(xù)遠 - 中視力過渡的同時，保持媲美單焦點的遠視力質量。為此確立了表 1 核心需求。
表1：基于患者需求的關鍵要求。
相移掩模技術在紅外成像、光刻等領域廣泛用于拓展焦深，環(huán)形相移區(qū)可產生穩(wěn)定可控的模糊量，在保持點擴散函數(shù)（PSF）基本穩(wěn)定的同時拓展焦深，確保大離焦范圍內成像質量穩(wěn)定。
圖11：圖示為模型眼入射瞳孔處光程差（OPD）空間中的設計模板。該模板包含一個模擬單焦點透鏡設計的外部區(qū)域和一個包含相移階躍以調制波前、產生干涉圖樣的內部區(qū)域。
圖 11 展示模型眼入射光瞳光程差（OPD）空間下的簡化相移模板，由內、外區(qū)組成：外區(qū)復刻基底單焦點 IOL 設計，主要用于暗環(huán)境遠視力；亮環(huán)境小瞳孔下，內區(qū)（曲率獨特、帶相移臺階）調制波前產生干涉，優(yōu)化參數(shù)后可同時矯正遠視力并實現(xiàn)連續(xù)遠 - 中視力矯正。
表2 ：擬優(yōu)化設計實例：參數(shù)匯總。
表 2 為偽優(yōu)化設計參數(shù)，明視、中間視覺瞳孔直徑設為 3.0 mm、4.5 mm，對應入射光瞳 3.4 mm、5.1 mm。
圖12：在人眼模型中，波長λ= 550 nm時，鏡頭設計的離焦MTF性能比較：（a）小明視覺瞳孔尺寸（3.0 mm），展示不同焦點處的調制傳遞函數(shù)。（b）大中間視覺瞳孔尺寸（4.5 mm），展示低光照條件下的MTF。
圖 12 對比相移設計與標準單焦點的通焦 MTF，圖 13 模擬不同距離下 20/40 視標視網膜模糊圖像，結果顯示該設計在明、暗環(huán)境下均平衡了遠、中視力需求。
圖13: 模擬波長為 550 nm 時 20/40 翻滾 E 光的視網膜模糊圖像：不同瞳孔大小下單焦點和相移設計的比較。圖像展示了 (a) 小明視瞳孔 (3.0 mm) 和 (b) 大暗視瞳孔 (4.5 mm) 的視覺性能。
圖 14 模擬夜間駕駛光暈，相移設計將雙焦點典型光暈降至單焦點水平。
圖14: 模擬夜間駕駛狀態(tài)下視網膜感知的光暈效應，模擬條件為典型汽車前照燈位于 50 米遠處。該模擬采用暗視覺入瞳直徑 6 mm，波長 550 nm。視桿細胞的對比敏感度覆蓋約 4 個對數(shù)單位的光強度范圍（從閾值至飽和）。研究將相移設計晶狀體與常規(guī)雙焦點設計、單焦點設計進行對比，以評估該設計在上述條件下的光暈減輕效果。
表 2 驗證了相移技術實現(xiàn)設計目標的可行性，其他相移掩模變體也可達成同類效果。設計遵循經典流程：模板選型、評價函數(shù)構建、參數(shù)優(yōu)化、公差分析，成功關鍵包括瞳孔尺寸選擇、對比度靈敏度整合、光暈等視覺偽影模擬及前代設計經驗積累，多重要素共同保障該技術在 EDOF IOL 設計中的有效性。
08 矯正老視的PREDoF設計
為滿足多距離高質量視覺需求，多種老視矯正策略被提出。早期設計采用折射原理，多同心屈光分區(qū)實現(xiàn)遠 / 近視力，雖提升近視力，但遠視力損失嚴重、中視力表現(xiàn)差。隨后衍射型雙 / 三焦點成為熱點，指定焦點成像清晰度優(yōu)于折射雙焦點，但光能定向離散分配導致非焦點區(qū)域顯著模糊，引發(fā)光暈、眩光、星爆等光干擾現(xiàn)象。為減少視覺癥狀，基于折射與衍射的 EDOF 方案成為新趨勢，可顯著降低光干擾，但焦深范圍有限，且性能隨瞳孔尺寸波動。
近年周期折射型 EDOF（PREDoF）新理念被提出，具備兩大優(yōu)勢：(1) 通過調控局部屈光力，精準控制焦深內光能分布；(2) 透鏡表面屈光力周期分布，降低瞳孔尺寸變化對性能的影響。設計以周期重復的屈光力輪廓為基礎，可根據通焦視網膜成像質量與目標焦深定制，輪廓確定后通過公式轉換為波前（相位）輪廓。
圖15: 兩種分別實現(xiàn)1.0 D 與 2.5 D 焦深的 PREDoF 設計示例。(a) 6 mm 直徑下的屈光力分布及對應波前圖；(b) 在 4 mm 瞳孔下，采用復色光視覺斯特列爾比光學傳遞函數(shù)（VSOTF）評估理論離焦曲線視網膜成像質量，對比條件為：單焦點（衍射極限，虛線）、1.2 D 焦深（短虛線）及 2.5 D 焦深（實線）。離焦量參照人工晶狀體平面。(c) 顯示兩種基于正弦屈光力輪廓設計的離焦視網膜成像質量，焦深范圍分別為 0～1.25 D（上圖）與 0～2.25 D（下圖）。(d) 顯示 2.5 D PREDoF 設計在 3、4、5 mm 三種不同瞳孔直徑下的離焦視網膜成像質量。
圖 15 展示兩款 PREDoF 設計，分別優(yōu)化 1.2 D、2.5 D 焦深內成像質量，基于鋸齒波與正弦屈光力輪廓構建。參數(shù)附加光焦度（AP）、周期數(shù)（cyc）、指數(shù)（E）可個性化調整，復色光下視覺斯特里爾光學傳遞函數(shù)（VSOTF）評價通焦性能，兩款設計均有效提升中 / 近視力，僅小幅犧牲遠視力。
PREDoF 設計靈活性優(yōu)異，可生成平滑連續(xù)的通焦成像質量，通過調控周期屈光力參數(shù)適配患者個性化需求，同時對瞳孔尺寸、晶狀體偏心、眼內未矯正像差具備一定耐受性。但成像質量與焦深幅度的固有權衡仍存在，明確老視視覺系統(tǒng)可耐受的光學模糊量，是進一步優(yōu)化性能的關鍵。
09 波前型 EDOF 與多焦點 IOL
主動調控球差可構建無夜間癥狀的 EDOF 晶狀體，基礎球柱鏡矯正提供遠視力，設計分為兩類：(a) 波前 EDOF：中心瞳孔區(qū)引入正 / 負球差；(b) 波前多焦點：中心與環(huán)形中區(qū)引入符號相反的球差。
9.1 波前連續(xù)視程（EDOF）晶狀體
波前 EDOF 在人眼瞳孔內的波前特性為：W (ρ,θ) = Cfρ² + Csρ? （ρ≤2.25 mm）W 為波前誤差，ρ 為瞳孔面徑向距離，Cf、Cs 為常數(shù)，分別對應焦點偏移與中心瞳孔球差。焦點項產生多焦點效應，球差帶來三大作用：1) 使離焦效應不對稱；2) 小瞳孔下將焦深拓展至 + 0.5 D 左右；3) 對中心瞳孔顯著散光與彗差具備一定代償作用。閱讀增益主要體現(xiàn)在亮環(huán)境，遠視力優(yōu)異的眼獲益更明顯。表 3 列舉截斷正弦、高斯、泰勒級數(shù)徑向屈光力等波前輪廓案例。
圖16 ：(a) 對于波前型連續(xù)視程人工晶狀體，瞳孔被劃分為圓形中心區(qū)域 Ⅰ 和環(huán)形周邊區(qū)域 Ⅱ。(b) 對于波前型多焦點人工晶狀體，中心區(qū)域進一步被細分為中心子區(qū) Ⅰa 和環(huán)形子區(qū) Ⅰb。
9.2 波前多焦點晶狀體
另一設計理念采用雙波前矯正，中心 Ia 區(qū)與環(huán)形 Ib 區(qū)球差項符號相反。該方案落地為 MiniWell IOL，3 mm 孔徑下近焦點自身具備 EDOF 特性。圖 17 為 MiniWell +20 D 在 3 mm、4.5 mm 孔徑下的實測通焦 MTF，2020 年發(fā)表多中心臨床試驗結果。
圖17：+20D Mini Well 人工晶狀體在 50lp/mm（藍色）和 25lp/mm（綠色）下的實測離焦調制傳遞函數(shù)（MTF）。(a) 3 mm 孔徑；(b) 4.5 mm 孔徑。離焦量參照人工晶狀體平面。
波前雙焦點的光學特性無法用幾何光學直觀解釋，設計需平衡多焦點位置與瞳孔尺寸，可實現(xiàn) + 1.0 D 至 + 3 D 老視矯正。實際設計采用傅里葉光學：a) 確定光學性能；b) 結合波前像差計算個體眼視網膜圖像；c) 評估夜間有無眼內像差的視網膜圖像（模擬顯示誘導波前變化小，光暈與夜間癥狀接近天然像差水平）。
專利文獻已記載更新型波前調控晶狀體，包括非衍射三焦點、EDOF 優(yōu)化及瞳孔依賴性降低設計。
10 IOL 與外周光學
有晶狀體眼的天然晶狀體厚實且呈梯度折射率分布，可在大視野范圍內提供高成像質量。傳統(tǒng) IOL 僅針對黃斑中心區(qū)優(yōu)化，忽略外周視網膜性能，當前主流 IOL 為雙凸輕薄設計便于植入，導致偽晶狀體眼外周成像質量劣于天然眼。該現(xiàn)象早已被發(fā)現(xiàn)，但長期未受臨床關注，默認外周退化未超越視網膜與神經限制。Jaeken 等證實，雙凸 IOL 植入患者外周散光與離焦顯著大于天然晶狀體對側眼；近年 Togka 等發(fā)現(xiàn)，該光學退化還導致周邊視野對比敏感度顯著下降。
白內障術后外周視覺質量降低影響生活質量，良好外周視力對行走、物體識別、多目標追蹤、掃視規(guī)劃等任務至關重要，還與跌倒風險升高相關。
偽晶狀體眼外周光學缺陷推動了外周視覺優(yōu)化 IOL 的研發(fā)，采用反向彎月設計模擬天然晶狀體外周性能，后表面曲率半徑小于前表面（比例依 IOL 屈光力而定）。圖 18 對比 ArtIOL 與標準雙凸 IOL，圖 19 計算真實眼不同偏心度下的點擴散函數(shù)。
圖 18 ：植入反向彎月形人工晶狀體（ArtIOLs）（左圖）與典型雙凸形人工晶狀體（右圖）的假晶狀體眼的光學相干斷層掃描（OCT）圖像對比。
圖19: 針對有晶狀體眼模型計算的 點擴散函數(shù)（PSF）隨偏心率（離心度）變化的分布情況。
該類晶狀體已大規(guī)模臨床應用，外周成像質量與對比敏感度均獲提升。圖 20 對比雙凸 IOL 與反向彎月 IOL 植入患者的平均外周屈光狀態(tài)。
圖20: 植入ArtIOLs 25人工晶狀體眼（藍色組）與對照組（紅色組，CG）的周邊球鏡當量（左圖）及周邊散光（J0）（右圖）平均值。
新設計另一發(fā)現(xiàn)：雙凸 IOL 植入引發(fā)視野偏心相關位移，反向彎月 IOL 該效應更輕微。術前術后眼底圖像測量顯示，IOL 植入誘導的視網膜標志點位移在反向彎月設計中更不顯著，提示標準 IOL 可能改變外界 - 視網膜映射關系，反向彎月設計則可規(guī)避。
11 多構型表面優(yōu)化：等暈與等焦理念
數(shù)十年前折射 IOL 設計的重大突破為采用至少一個非球面表面。球面 IOL 產生正球差疊加角膜球差，非球面表面可實現(xiàn)負球差 IOL，模擬年輕天然晶狀體的代償效應，平衡角膜球差。
進一步優(yōu)化更多透鏡表面參數(shù)（曲率半徑、多個圓錐常數(shù)），可獲得更多自由度，實現(xiàn)多條件性能指標優(yōu)化。該方法采用多構型策略，復合評價函數(shù)同時靶向最優(yōu)視網膜成像質量，如兼顧黃斑與多外周偏心度（等暈 IOL）、同時覆蓋遠距與指定中 / 近焦深范圍（等焦理念）。除優(yōu)化目標外，還可設置邊界條件，如性能約束（瞳孔獨立性）、傾斜耐受性、幾何控制（周邊厚度、最大拱高、襻平臺整合）。
核心創(chuàng)新為構建依賴屈光狀態(tài)的多表面計算機偽晶狀體眼模型，采用多變量表面描述 IOL，結合多構型優(yōu)化方法。不同于以像差值描述 IOL 的方案，該方法直接優(yōu)化表面幾何形態(tài)，靶向視網膜成像質量而非特定像差（外周彗差、散光、球差等），生成平滑連續(xù)的折射輪廓，可提升外周成像質量或拓展焦深。
等暈 IOL：按 IOL 屈光力定義眼模型，關聯(lián)屈光誤差、眼軸長度與視網膜形態(tài)，光學指標同步評價 0~10 度視野（步長 2.5 度），權重 1~10。邊界條件約束 IOL 屈光力與中心 / 周邊厚度，表面采用前后曲率、2/4/6 階非球面系數(shù)及中心 / 周邊厚度描述（6 mm 光學區(qū)）。該設計使離軸性能 RMS 波前誤差較四款主流 IOL 提升 0.2~0.6 μm，部分案例軸向性能同步優(yōu)化。
圖21：商業(yè)化人工晶狀體（黑色符號與曲線）與采用多構型優(yōu)化設計的新型等暈人工晶狀體的模擬光學性能（RMS 波前像差）隨視場角的變化曲線。
等焦 IOL：按屈光力定義眼模型，調整眼軸長度匹配單焦點視網膜對焦，光學指標同步評價 8 個物距（5~0.4 米），權重 0.44~0.02。邊界條件約束中心厚度、拱高與表面非球面限度，4.5 mm 光學區(qū)優(yōu)化，表面采用曲率、圓錐常數(shù)及 4~10 階非球面系數(shù)描述，采用阻尼最小二乘法序貫優(yōu)化。圖 22 展示 22 D 等焦 IOL 輪廓與總屈光力，0.5~5 米范圍內 MTF 表現(xiàn)均勻，且對瞳孔直徑穩(wěn)定性高。下圖為商業(yè)化版本 Isopure IOL 實測結果，徑向屈光力振蕩使其對瞳孔尺寸與角膜球差變化不敏感，優(yōu)于單純調控 4 階球差的 EDOF 設計，印證了多構型優(yōu)化通過廣譜表面參數(shù)調控、靶向提升多距離成像質量的優(yōu)勢。
圖22：等焦人工晶狀體的設計與性能。
12 討論
IOL 臨床應用已達 75 年，超聲乳化、可折疊 IOL、眼軸長度光學測量等技術推動手術常規(guī)化，屈光效果優(yōu)異。當前 IOL 不具備調節(jié)功能，但多數(shù)患者希望減少或完全擺脫眼鏡。本文按歷史發(fā)展順序評估了降低配鏡依賴的設計理念：早期多焦點 IOL 采用大附加光焦度滿足閱讀需求，臨床反饋推動小附加、多焦點迭代，實現(xiàn)更連續(xù)的離焦范圍并降低視覺現(xiàn)象感知；進而推動單焦點晶狀體焦深最大化拓展，同時證實即便焦深小幅提升也極具價值，尤其在不影響遠視力的前提下。文中詳細闡述了現(xiàn)代 IOL 的多樣化設計方案，替代方案仍在持續(xù)評估中。
本文文獻：
Simpson MJ, Gatinel D, Faria-Ribeiro M, Wei X, Yoon G, Liang J, Artal P, Marcos S. Design concepts for advanced-technology intraocular lenses [Invited]. Biomed Opt Express. 2024 Dec 23;16(1):334-361. doi: 10.1364/BOE.544647. PMID: 39816135; PMCID: PMC11729292.
京公網安備11010802046783號
