Оптические аберрации глаза при кератоконусе | Аверич В.В., Егорова Г.Б.

Введение

С помощью зрительной перцепции человек получает 80% поступающей информации [1]. Зрительная перцепция включает в себя ряд анатомо-оптических элементов глазного яблока, состояние и сбалансированная работа которых в конечном счете определяют качество изображения, формируемого в центральной ямке сетчатки глаза и обрабатываемого центральным зрительным анализатором. Глаз человека, являясь сложной оптической саморегулирующейся системой, с точки зрения геометрической оптики далек от совершенства и имеет определенный ряд оптических погрешностей [2]. В результате несоответствия оптической системы глаза идеальной физической модели возникают отклонения световых лучей, проходящих через преломляющие среды глазного яблока, что приводит к формированию так называемых оптических аберраций (от латинского aberrare — «уклоняться, заблуждаться»), которые, достигая определенных значений, могут существенно снижать зрительные функции.

Оптические аберрации

«Аберрация — это любое угловое отклонение узкого параллельного пучка света от точки идеального пересечения с фовеолой при его прохождении через всю оптическую систему глаза» [3]. Качество оптической системы обусловливается характеристиками волнового фронта световой волны: «идеальный» глаз с эмметропией, не имеющий аберраций, формирует сферический волновой фронт и обеспечивает полноценную проекцию воспринимаемого изображения точечного источника на макуле, ограниченного только световой дифракцией, — так называемого диска Эйри, размер которого прямо пропорционален диаметру зрачка [3–6].

В 1960 г. голландским физиком и лауреатом Нобелевской премии Фрицем Цернике была предложена аппроксимация аберраций волнового фронта в математическую систему многочленов или полиномов, которая успешно используется по сей день [7–9]. Данный подход позволяет представить волновой фронт любой сложности как серию полиномов, в полной мере описывающих все входящие в него оптические аберрации. Каждый полином Цернике связан с определенным типом аберрации и выражается в виде моды: Z^m_n, где m — положительное или отрицательное число, описывающее меридиональную частоту моды полинома, а n — целое число, отражающее синусоидальную частоту моды полинома.

Полиномы, как правило, представлены графически в виде пирамиды, каждый уровень которой соответствует определенной степени радиального компонента. В свою очередь, каждая радиальная мода состоит из аберрационных мод с определенной меридиональной частотой (рис. 1).

Оптические аберрации подразделяют на аберрации низшего (1-го и 2-го, или low order aberrations, LOA) и высшего (3-го и 4-го, или high order aberrations, HOA) порядка. Аберрации 1-го порядка, или Tilt, характеризуют действие призмы, т. е. наклон относительно вертикальной (Z^-1₁) или горизонтальной (Z¹₁) оси. Как и нулевой полином (Z⁰₀), Tilt обычно не учитывается при измерении аберрационного волнового фронта. Аберрации 2-го порядка включают в себя дефокус или аметропию (Z⁰₂) и астигматизм (Z^-2₂, Z²₂). К наиболее значимым аберрациям 3-го и 4-го порядка относятся кома (Z^-1₃, Z¹₃), сферическая аберрация (Z⁰₄) и трефойл (Z^-3₃, Z³₃) [3, 4].

Кома — это сферическая аберрация косых пучков света, падающих под углом к оптической оси глаза. Данный вид аберраций основывается на асимметрии оптического центра двух главных преломляющих сред глаза с макулой — роговицы и хрусталика [3, 10, 11]. Для сферической аберрации характерно различие в степени преломления параллельных лучей, проходящих на периферии и парацентрально оптической оси, относительно лучей, преломляющихся в центре. Трефойл — оптическая аберрация, возникающая при нерегулярности поверхности оптических элементов глаза на их периферии и образующая различное линейное оптическое увеличение на разных участках изображения [3, 11].

Помимо основных вышеперечисленных, имеется ряд других аберраций — вторичная сферическая, вторичная кома, вторичный трефойл, квадрафойл, пентафойл и др. В стандарты Американского оптического общества включены аберрации вплоть до 7-го порядка. Однако в ходе проведения клинических исследований было доказано, что при остроте зрения 100% влияние оптических аберраций выше 4-го порядка на зрительные функции сведено к минимуму [12]. Параллельно с этим было доказано, что в условно нормальном глазу с эмметропической рефракцией имеется преобладание аберраций только до 2-го порядка, а все полиномы свыше в среднем стремятся к нулевому значению. Другие исследования также подтверждают данный факт: более 90% от всех аберраций волнового фронта приходится на аберрации низшего порядка, 80% из них относится к дефокусу или аметропии [13]. Это достигается за счет симметрии расположения оптических центров и прозрачности структур преломляющих сред глаза.

Оптические аберрации при кератоконусе

Известно, что среди всех преломляющих структур глаза наиболее важную роль играет роговая оболочка. Возникновение иррегулярности ее поверхности, оптической неоднородности и нарушение прозрачности слоев роговицы приводят к резкому изменению аберрационной картины волнового фронта глаза в сторону высших порядков [14–17]. В частности, данные изменения роговицы характерны для такого заболевания, как кератоконус (КК) [14–25].

Это заболевание является наиболее распространенной формой первичных эктатических заболеваний роговицы. Характерные клинические проявления КК — топографические изменения формы и толщины роговицы (уменьшение радиуса кривизны и истончение в зоне эктазии), в начальных стадиях процесса приводящие к сдвигу клинической рефракции в сторону миопии и формированию иррегулярного астигматизма, а в терминальных — к снижению прозрачности роговицы.

Изучение КК на основе данных видеокератотопографии передней поверхности роговицы и разложение кератометрических показателей на набор ортогональных полиномов Цернике были впервые предложены в 1992 г. [26]. Позднее накопление клинических данных и развитие методов зондирования волнового фронта позволили получить более точные измерения волновой аберрации при КК [27].

Многочисленные исследования по оценке аберраций волнового фронта глаза при КК доказали статистически значимое возрастание аберраций высшего порядка, среди которых наибольшим изменениям подвержен показатель комы [16–25, 28, 29].

В когортном обсервационном исследовании 73 глаз с КК выявлено статистически значимое увеличение общих глазных аберраций высших порядков: комы, трефойла и сферической аберрации. Общее среднеквадратичное значение отклонений коэффициентов Цернике 3-го порядка при диаметре зрачка 6 мм составило 0,28±0,15 мкм у 870 глаз в группе контроля и 3,10±2,28 мкм в группе КК. Помимо этого, в исследовании отмечалось, что аберрационным предиктором КК является вертикальная кома, показавшая специфичность 71,9% и чувствительность 89,3%. При подозрении на субклиническую форму КК показатель вертикальной комы должен быть ниже 0,12 мкм. Для клинической формы характерен показатель 0,3 мкм и ниже [29]. Данное открытие было учтено в дальнейшем в протоколах исследования пациентов с КК.

В литературе встречаются публикации, в которых, напротив, отмечено возрастание аберраций высших порядков за счет горизонтальной комы [14]. Различная меридиональная частота комаподобных аберраций может быть связана с топографическими особенностями расположения эктазии и стадией заболевания.

С появлением возможности разделения картины волнового фронта глаза на общие и роговичные аберрации в исследованиях глаз с КК была выявлена существенная корреляция между значениями аберраций передней поверхности роговицы и общими глазными аберрациями, что позволило сформулировать гипотезу о преобладании роговичного компонента в общем волновом фронте глаза [16, 20]. В более поздних исследованиях эти данные были применены для диагностики субклинического КК. Комбинация видеокератотопографии на основе диска Пласидо с аберрометрией Хартмана — Шака позволила выявить сочетание увеличения значений вертикальной комы и кератотопографических индексов (в частности, индекса Рабиновича, I-S) как характерные паттерны для субклинического и начального КК [22].

Вернемся к определению комаподобных аберраций: «данный вид аберраций основывается на асимметрии оптического центра двух главных преломляющих сред глаза с фовеолой — роговицы и хрусталика» [3]. Таким образом, становится вполне объяснимо преобладание данного типа аберраций высокого порядка при КК. Поступающая световая волна, проходя через иррегулярную поверхность роговицы, будет искажаться в каждой точке такой роговицы по-разному. На рисунке 2 представлена общая аберрационная карта волнового фронта глаза при КК (А) и с условно нормальной роговицей (B) с диаметром зрачка 6 мм. Картина роговичных аберраций глаза при КК претерпевает значительные изменения (C) в сравнении с нормой (D). С помощью цветового картирования изображаются различные величины ошибок аберраций высокого порядка: красным и оранжевым цветом обозначаются участки с аберрациями, имеющими положительные значения, синим и зеленым цветом — участки с отрицательными показателями. Желтым и светло-зеленым цветом указываются участки, где аберрации имеют значения, близкие к нулю. В приведенном примере глаза с КК вклад вертикальных комаподобных аберраций составил -1,87 мкм для общей аберрационной картины (А) и -2,91 мкм для роговичной (C) соответственно. Для глаза с условно нормальной роговицей вклад комаподобных аберраций в общие роговичные составляет в среднем -0,17 мкм [16].

Усовершенствование диагностического оборудования дало толчок к дифференциации роговичных аберраций высших порядков на аберрации передней и задней поверхности. Однако в клинической практике скрининга КК значения аберраций задней поверхности роговицы уступили по значимости данным аберраций с ее передней поверхности [30, 31]. Несмотря на это, вопрос влияния задней поверхности роговицы на показатели общего астигматизма и волнового фронта глаза вызывает все больший научный и клинический интерес у офтальмологов [32]. Принято считать, что основной вклад в роговичный астигматизм и показатели аберрационной картины вносит именно передняя поверхность роговицы, в то время как данные задней поверхности практически не учитываются из-за существенной разницы между показателями преломления «воздух — передняя поверхность роговицы» и «задняя поверхность роговицы — водянистая влага» [4, 32].

В первом случае этот показатель составляет 0,376 (1,376–1), а во втором — всего -0,04 (1,336–1,376). По данным анализа оптических свойств роговицы установлено, что только 10% от ее общей оптической силы приходится на заднюю поверхность [33]. Помимо разницы в рефракционных индексах, такой незначительный вклад обусловлен сферичностью и регулярностью как передней, так и задней поверхности роговицы, а также в некоторой степени их «параллельностью», что не наблюдается при кератэктазии. В ретроспективном исследовании на основе сканирующей кератотопографии по принципу Шаймпфлюга изучено соотношение цилиндрических компонентов передней и задней поверхности роговицы у 1273 пациентов с КК и у 1035 здоровых добровольцев. Средние значения астигматизма передней и задней поверхности в группе с КК составили 4,49±2,16 дптр и 0,90±0,43 дптр соответственно, что в 4,8 и 3,5 раза превышало эти же значения в сравнении с группой лиц с условно нормальными роговицами [33]. Схожая тенденция выявляется и в другом исследовании [34].

Параллельно с увеличением картометрических значений задней поверхности роговицы возрастает ее вклад и в общий аберрационный фон. В ряде исследований было выявлено, что основную часть внутренних аберраций глаза при КК составляют аберрации именно задней поверхности роговицы [35, 32]. Средняя среднеквадратичная ошибка аберраций высшего порядка для задней поверхности роговицы составила 1,04±0,31, 0,54±0,21 и 0,24±0,05 мкм для III, II и I стадий КК соответственно. Для условно нормальных глаз этот показатель соответствовал 0,19±0,05 мкм. Среднее среднеквадратичное значение комы как наиболее доминирующей аберрации задней поверхности роговицы в глазах при KК составило 0,93±0,35, 0,46±0,23 и 0,12±0,06 мкм. В группе контроля данный параметр соответствовал 0,09±0,06 мкм, т. е. среднеквадратичное значение комы задней поверхности роговицы при КК в 10, 5 и почти 1,5 раза превышало параметры комы условно нормальных роговиц [35].

Также авторами описывается потенциальный эффект самокомпенсации астигматизма и, как следствие, аберраций роговицы ее поверхностями, аналогичный механизму компенсации хрусталиковых и роговичных аберраций. От 17% до 20% роговичного астигматизма и до 24% аберраций типа комы передней поверхности роговицы компенсировалось ее задней поверхностью [35, 36]. Однако на фоне общего повышения этих показателей при КК данный эффект самокомпенсации поверхностями является малозначимым.

Другой потенциальной причиной увеличения уровня аберраций при КК являются сопутствующие признаки синдрома «сухого глаза» (ССГ) [37]. Слезная пленка — не только первая преломляющая поверхность, с которой сталкивается световой луч при прохождении через все структуры глаза, ее нормальное состояние — один из важных критериев функционирования роговицы как главной преломляющей среды глаза [38]. Стабильная слезная пленка обеспечивает гладкую оптическую поверхность, тем самым сводя к минимуму рассеяние света от передней поверхности роговицы. Исследования показывают, что при любых изменениях стабильности слезной пленки происходит резкое возрастание значений аберраций высокого порядка [39]. Дополнительным фактором, влияющим на увеличение аберраций, может служить кератопатия, возникающая на фоне ухудшения состояния слезной пленки [38, 39].

Компенсация аберраций при кератоконусе

Назначение комбинации слезозаместительных и репаративных препаратов позволяет практически полностью нивелировать явления кератоконъюнктивального ксероза. При наличии у пациента с КК начальных признаков ССГ целесообразно применение бесконсервантных слезозаместителей низкой вязкости на основе гиалуроновой кислоты различной концентрации. В случае использования пациентом контактной коррекции для профилактики гипоксических осложнений обосновано назначение метил-этилпиридинола, капли глазные 10 мг/мл (Эмоксипин^®) [40, 41], оказывающего антиагрегантное и антигипоксическое действие. Взаимодействуя с перекисными и гидроксильными радикалами липидов, метилэтилпиридинол подавляет свободнорадикальное окисление последних, повышая активность антиоксидантных ферментов, что приводит к стабилизации клеточных мембран и уменьшению апоптоза клеток. В исследовании назначение инстилляций препарата Эмоксипин^® 1% пациентам с гипоксическими осложнениями на фоне ношения мягких контактных линз позволило нивелировать гипоксические изменения роговицы и улучшить состояние слезной пленки [41]. Помимо этого, эффективность данного препарата доказана в ряде клинических исследований при комплексном лечении глаукомы, а также различных заболеваний сетчатки [42, 43]. При наличии явлений кератопатии рекомендуется добавление гелевого корнеопротектора, содержащего в своем составе 5% декспантенол, для ускорения процессов эпителизации, восстановления стабильности слезной пленки и, как следствие, уменьшения индуцированных ССГ оптических аберраций.

Повышение уровня оптических аберраций при КК приводит к значительному снижению показателей пространственной контрастной чувствительности [2], ухудшению зрительных функций и, как следствие, к зрительной нетрудоспособности [2, 11, 44].

Если говорить о методах компенсации оптических аберраций при КК, то на сегодняшний день контактная коррекция жесткими газопроницаемыми линзами (ЖГКЛ) остается самым эффективным и предсказуемым в плане функциональных результатов и безопасности методом зрительной реабилитации [45, 46–48].

Доказана возможность значительного снижения уровня аберраций высших порядков (при I стадии заболевания — на 38,2%, при II стадии — на 55,5%, при III стадии — на 54,9% и на 55,2% при IV стадии) при применении ЖГКЛ, что сопровождается повышением пространственной контрастной чувствительности и зрительной трудоспособности [48]. Помимо этого, ношение ЖГКЛ способствует изменению направления вертикальной комы от -0,185 до 0,134 мкм, а суммарные аберрации высших порядков снижаются с 0,54 до 0,36 мкм [49]. Однако полностью нивелировать влияние аберраций при помощи ЖГКЛ невозможно. Уровень остаточных аберраций в ЖГКЛ в ряде случаев остается выше, а зрительная работоспособность — ниже показателей в здоровых глазах [32]. Причинами могут служить ротация и нестабильная посадка ЖГКЛ, износ материала линзы, а также не полностью компенсированные аберрации высшего порядка задней поверхности роговицы [35, 36, 47]. Остаточное среднее значение аберраций свыше 3-го порядка в ЖГКЛ составляет 0,8, 0,5 и 0,34 мкм для III, II и I стадий КК соответственно [35].

Для минимизации влияния аберраций волнового фронта глаза и повышения зрительных функций конструкции и материалы ЖГКЛ постоянно совершенствуются. На сегодняшний день перспективным в коррекции аберраций при КК является применение склеральных жестких газопроницаемых линз (СЖГКЛ) [50]. Благодаря большому диаметру опорная часть линзы располагается на бульбарной конъюнктиве, что обеспечивает ее стабильную посадку на глазу и субъективный комфорт со стороны пациента даже при выраженной деформации роговицы. Наличие так называемого слезного клиренса между задней поверхностью СЖГКЛ и передней поверхностью роговицы позволяет нейтрализовать иррегулярный роговичный астигматизм и индуцируемые им аберрации высших порядков, создавая тем самым единую структуру с меньшими оптическими погрешностями.

Заключение

Таким образом, иррегулярность и высокие значения астигматизма передней и задней поверхности роговицы, возникающие при такой патологии роговицы, как КК, вносят существенный вклад аберраций высшего порядка в общий аберрационный фон глаза, значительно снижая зрительные функции. Выдвинутая теория происхождения остаточных аберраций в ЖГКЛ от задней поверхности роговицы при КК требует дальнейшего уточнения как с научной точки зрения, так и с практической (их значимое влияние на остроту зрения). Помимо этого, актуальным остается поиск оптимизации оптической реабилитации при КК, способствующий максимальной нейтрализации роговичных аберраций высших порядков.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:

Аверич Вероника Валерьевна — к.м.н., младший научный сотрудник отдела рефракционных нарушений ФГБНУ «НИИГБ»; 119021, Россия, г. Москва, ул. Россолимо, д. 11А, Б; ORCID iD 0000-0001-5778-4123.

Егорова Галина Борисовна — д.м.н., главный научный сотрудник отдела рефракционных нарушений ФГБНУ «НИИГБ»; 119021, Россия, г. Москва, ул. Россолимо, д. 11А, Б; ORCID iD 0000-0001-8557-0288.

Контактная информация: Аверич Вероника Валерьевна, e-mail: veronikky@mail.ru.

Прозрачность финансовой деятельности: авторы не имеют финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах.

Конфликт интересов отсутствует.

Статья поступила 10.12.2021.

Поступила после рецензирования 08.01.2022.

Принята в печать 27.01.2022.

ABOUT THE AUTHORS:

Veronika V. Averich — C. Sc. (Med.), Junior Researcher of the Department of Refractive Disorders, Research Institute of Eye Diseases; 11A, B, Rossolimo str., Moscow, 119021, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-5778-4123.

Galina B. Egorova — Dr. Sc. (Med.), Leading Researcher of the Department of Refractive Disorders, Research Institute of Eye Diseases; 11A, B, Rossolimo str., Moscow, 119021, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-8557-0288. Contact information: Veronika V. Averich, e-mail: veronikky@mail.ru.

Financial Disclosure: no authors have a financial or property interest in any material or method mentioned.

There is no conflict of interests.

Received 10.12.2021.

Revised 08.01.2022.

Accepted 27.01.2022.