早期的非球面晶体技术，其实国内研究起步很早。上世纪80年代中期，姚克等在中国人模型眼的基础上，运用技术Rays-tracing程序设计了非球面晶体。临床应用结果表明，这种非球面晶体能够获得满意的视力结果，基本上无球差或正球差，平均表观调节能力明显高于球面人工晶体，人工晶体眼放大率仅为-0.08%，双眼能取得等视像效果。遗憾的是没有得到商业化的应用和推广。
【参考文献】非球面等视象后房型人工晶体的临床应用 《中华眼科杂志》1989年 第5期
90年代，眼科医生开始将在激光视力矫正术中学到的经验教训应用到白内障手术，非球面人工晶体已成为新的一类人工晶体，引起了白内障临床医生极大的兴趣。
01 为什么会出现非球面人工晶体？
人工晶体自从一诞生，生产的晶体就是球面的（加工容易）。球面折射类的透镜带来的主要问题就是在聚焦的时候，可以发现焦点附近有严重的衍射现象，从点扩散函数可以明显看出，这被称为球面像差（Spherical aberration，SA）。这影响了成像的锐利度，影响了病人的对比敏感度。
市场上的第一个负性非球面晶体是2000年的Tecnis Z9000（强生公司），它来自持续十年多的基础研究，显示人类视觉系统的正性球面像差会随着年龄的增长而增加。
全球第一片非球面人工晶体TECNIS Z9000光学部硅凝胶材料，襻PVDF。
Tecnis经过改良的扁平前表面进行优化，以抵消早期研究中发现的角膜正球差（ 0.27 µm）的平均数值。该技术取得非球面晶体设计的9项专利。
【参考文献】【1】 Artal，P等 J Opt Soc Am A 1993；10(7):1656–1662 【2】Guirao，A.等 Invest Ophthalmol Vis Sci 1999; 40(1):203–213 【3】Holladay, JT等 J Refract Surg 2002；18(6):683-691。
TECNIS非球面光学技术的专利：
U.S. Patent No: 6,609,793; 7,241,311;7,615,073; 7,621,949; 7,955,704; 8,012,203; 8,020,995; 8,323,723; 8,382,832。
人眼毕生球差的变化趋势如何？
年轻的晶状体的球差负性，可以补偿正常角膜的正性球差。随着时间的流逝，晶状体的球差呈正值，破坏角膜球差的平衡，增加全眼的整体正性球差。这些球差对降低视网膜图像质量有重大影响。
传统的球面人工晶体的球差就是类似于老年人的晶状体的球差，为正性球差。
所以，非球面晶体的出现，其初衷就是为了解决人眼的球面像差的问题而来的。
02 球差的概念、单位和测量方法
那么，到底什么是球差，又是如何产生的呢？
球面像差是具有球形表面的光学系统导致的结果，而这又却是折射型透镜设计的唯一实用方法。人眼中球面像差，由角膜和晶体的球形弯曲表面所造成的。
球形表面上，偏离中心的光线比靠近中心的光线折射或反射更多或更少，导致边缘部分和近轴光线有不同的聚焦点，就会发生球面像差（如下图所示）。结果是：不存在清晰定义的图像平面，并且无法正确聚焦物体。这种偏差降低了光学系统产生的图像质量。瞳孔的大小影响球面相差的数值大小，小瞳孔尺寸的球差的量是较小的。
晶体的球差可以分为横向球差和纵向球差。
其中，纵向球差分为正球差、负球差和零球差（如下图所示）。
聚焦光束的纵向截面，顶行为负球差，中间行零球差，底行为正球差。透镜在左边。
Source：https://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_aberration
球差的大小是如何测量的呢？
全眼球差可以通过波前像差仪直接测量，角膜的球差还可以通过角膜地形图用数学方法转换。
泽尼克多项式中的像差图（低阶和高阶）
提 示：
严格地说，球面像差是属于单色像差。也就是说，是某个波长的单色光在近光轴和周边区的聚焦不在一处而形成的像差。同一个非球晶体，红、蓝、绿三色光的球差值是不等的。一般非球晶体所标示的零点几的球差，通常指的是黄光波段的球差。
色差的存在会加大球差的弥散效果，而同时消除色差和球差会取得1 1>2的协同效果，提升对比敏感度。
03 非球面晶体是如何矫正球面像差的呢？
非球面人工晶体就是通过修饰前后表面，形成各种非球面的形态，例如：扁长型，椭圆型，抛物线型等，包含设定数量的球差值（负或者零）。
举例：
强生公司的TECNIS非球面技术，就是从中央3mm左右的区域开始改变成非球形，一直到光学部的边缘，形成-0.27μm的球差。下图中红色的部分即为与球面晶体不同之处。类似于英文字母Z，所以，TECNIS家族的产品都以Z开头，例如ZCB00, ZMB00，ZXR00，ZA9003等等，意味着都是TECNIS非球技术（初期业界称为Z-sharp Technology）。
TECNIS的非球表面是做在前表面，其他非球晶体也有做在后表面，还有前后双表面。从光学原理看没有区别。高端的非球面晶体，可以在非球表面上叠加Toric柱镜面，或者在另一表面叠加衍射光学面。
请留意：
由于球差值受瞳孔大小的直接影响，呈正相关。所以，人工晶体的光学部的球差从中央区到边缘区是变化的。设计的基本原则是：不论瞳孔多大，人工晶体的球差 角膜的球差 = 预设全眼球差值。
瞳孔大小同时影响角膜和晶体的球差大小。
04 非球面人工晶体真的有用吗？
研究表明，白内障手术后非球面和球面人工晶体的最佳矫正视力BCVA并没有太大差异。
那么，最新的非球面IOL可以取代白内障外科医生常规武器库中的球面IOL的原因是什么？答案可以通过做对比敏感度（CS）测试找到。
【Source】https://www.eyeworld.org/article-aspheric已经进行了多项研究，其中具有相同平台模型的IOL，双眼植入球面和非球面IOL的患者很难看到两只眼睛之间的视力差异。虽然矫正角膜球差带来的视觉差异虽然微妙，但仍会逐渐改善视力。
小诀窍：参考什么文件来评价一枚晶体的确切临床功效呢？最权威的莫过于FDA批准的产品说明书的声明内容了。
各位可以去查询一下，市场上绝大多数人工晶体的功能，FDA对其适应症的表述都是类似这样的套路：
“成年白内障患者在囊外摘除晶状体后，作为无晶体眼的视力矫正，建议植入囊袋内”。。。。
而世界上第一枚非球晶体获得FDA的批准文件里，标称除了替换摘除的白内障之外，还具有额外的功能声明（Claims）：
TECNIS晶体FDA批准的说明书内容摘录
例如：TECNIS晶体的测试显示：
在使用ACE眼模的美国空军视功能测试中，TECNIS® IOL在低光照条件下 (5 mm瞳孔)比球面人工晶体有更好的视力.†
†Data on file JJSV
不同球差的非球面晶体模拟成像显示视觉质量的区别。
研究通常表明，与球面IOL相比，Tecnis的对比度敏感更高，尤其是在昏暗的光线下，在夜间驾驶测试中表现更好，在某些情况下，与其他非球面相比也更好。但是如果IOL倾斜或偏心过大，则会引起光学性能下降。
【参考文献】【1】 Packer，M 等 J Cataract Refract Surg 2004；30（5）:986–992。【2】Denoyer，A。等。J Cataract Refract Surg 2009；35（3）:496-503。【3】 Marcos，S。等。J Refract Surg 2005; 21（3）：223–235。【4】Altmann，GE等。J Cataract Refract Surg 2005；31：574-585。球差和色差同时矫正的效果
多项研究表明联合矫正色差和球面像差，可产生更优异的视觉质量，更高的MTF 。
对TECNIS一片式和IQ IOL的球面像差和色差的降低进行比较，研究发现TECNIS一片式IOL可使MTF值显著提高29％。
【参考文献】Zhao H, Piers PA, MainsterMA. The additive effects of different optical Ddent aspheric IOLs. Presented at: 27thCongress ofthe ESCRS;2009 Sep 4-8; Paris, France.05 目前市场上的球面晶体各具特色，到底多大球差值最好？
不同厂商设计的非球面晶体，意在消除传统IOL植入后增加的正性球面像差。但是，各制造商虽然都同意人类角膜的球差平均值约为 0.27μm，而大家走的非球面性的路线却各不相同，于是产生了一系列的非球面晶体，它们都试图以各种方式抵消视觉系统自然产生的角膜球面像差的全部或部分。
目前主要的非球面人工晶体的球差值：
生产商
IOL球差值
-0.27μm
-0.17μm
0 μm
？μm
美国的Devgan博士认为,“每种非球面IOL类型都有其优势。您只需要根据患者的眼部特征做出选择。”
可能有医生说，"每个生产商呈现给我看的MTF结果都是说各家自己的非球晶体最好，为什么会这样呢"？
这是因为每个生产者从生产设计非球到最后检测评估非球晶体，所用到的眼模（Eye Model）不一样。 例如，TECNIS用的是ACE眼模，即Average Cornea Eye眼模。它的最大特征就是眼模中的角膜包含的球差为 0.27μm。这正是体现人类眼角膜的真实球差的平均数值，有现实意义。
其他生产商用的眼模有ISO眼模（角膜球差为0），或者用modified修正的ISO眼模。
人工晶体眼模基本构造原理示意图. ACE眼模球差 0.27μm
各家用自己的眼模测试各家的非球晶体，当然MTF是比其他非球晶体高。所以，归根结底就要看哪个眼模最能代表真实的人眼的角膜值。
ACE眼模采用了多个研究统计的人类平均角膜球差值*
【*】1. Package Insert. TECNIS™ Foldable Posterior Chamber Intraocular Lens. JJSV. 2. Holladay JT, Piers PA, Koranyi G, et al. A new intraocular lens design to reduce spherical aberration of pseudophakic eyes. J Refract Surg. 2002;18:683-691. 3. Mester U, Dillinger P, Anterist N. Impact of a modified optic design on visual function: clinical comparative study. J Cataract Refract Surg. 2003;29:652-660. 4. Wang L, Dai E, Koch DD, Nathoo A. Optical aberrations of the human anterior cornea. J Cataract Refract Surg. 2003;29(8):1514-1521. 5. Bellucci R, Morselli S, Piers P. Comparison of wavefront aberrations and optical quality of eyes implanted with five different intraocular lenses. J Refract Surg. 2004;20:297-306. 6. Guirao A, Tejedor J, Artal P. Corneal aberrations before and after small-incision cataract surgery. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004 Dec;45(12):4312-9. 7. Piers PA. Data on file. Advanced Medical Optics, Inc. 8. Data on file. Advanced Medical Optics, Inc. 9. Mainster MA, Sparrow JR. How much blue light should an IOL transmit? Br J Ophthalmol. 2003;87(12):1523-9.还有非球面晶体说，“球差矫正时应该残留一些球差，可以加大景深”。
客观地说，残留球差确实可以增加景深。但是，不能忽视硬币还有另外一面：残留球差降低了成像的聚焦清晰度、对比敏感度。
Tecnis非球面晶体达到球差、清晰度和景深最佳的平衡
Dr Alessandro Franchini 2007年发表在JCRS的研究报告指出，残留的球差和色差，降低了图像的清晰度或中央凹上的光量，但是会增加一些景深。而TECNIS 非球面晶体提供了最佳折衷方案，来平衡球差、色差和景深。
【参考文献】J Cataract Refract Surg. 2007 Mar;33(3):497-509. DOI: 10.1016/j.jcrs.2006.11.01806 球差对于视觉质量的影响到底有多重要？
从球差的圈子跳出来，再看看球差对总体视觉质量的影响。我们知道，球差的单位是μm，指的是均方根 RMS的值：微米。而球镜和柱镜的单位是屈光度Diopter。1米=1,000,000微米；1D = 1/F(米)。
所以，简单粗略地比较，球差和屈光不正（近视远视散光）和色差（D）的比较，不是一个数量级的区别，而类似于1微米和1米的差别。
美国著名眼科专家Uday Devgan博士说：“在眼睛的整个屈光度处方中，低阶像差（近视，远视和散光）占90％。” “盯住低阶像差（下图中1、2阶）比追求Zernike多项式上的高阶像差更重要。我宁愿有一个没有残留散光的患者，而不是一个没有球差和其他高阶像差的患者。”
泽尼克多项式中的像差图（低阶和高阶）
首先务必搞定Zernike的低阶相差。实际上，无论选择哪种非球面IOL，外科医生生物测量和度数计算时瞄准屈光目标的准确性都是屈光性白内障手术成功最重要的决定因素之一。对散光大于1.5 D的患者使用Toric复曲面IOL，并通过角膜缘松弛切口LRI或沿陡峭子午线进行超声乳化主切口来矫正较低水平的散光。
概括来说，如果您消除了眼睛的所有球差，而且您正好碰到术后正视眼，效果就会很好。
近视眼激光矫正术后需要什么样的非球面晶体？
远视眼激光矫正术后，植入传统的球状面人工晶体可以用来抵消他们在术后LASIK眼中的负球差。
而在接受近视激光矫正术后，角膜正性球差增大，平均为 0.35微米。所以LASIK,、PRK术后，患者需要负性球差最大的非球晶体，而目前市场上非球晶体最大的负球差为 -0.27μm。
【参考文献】J Cataract Refract Surg 2011; 37:1109–1115 oi:10.1016/j.jcrs.2010.12.05807 非球面晶体的未来应用
20年前，非球面技术的应用，在人工晶体发展道路上是一个重要的里程碑。而目前业界利用非球技术来处理球面相差仅仅是临床应用之一。利用非球技术还可以制造EDOF晶体：
1、利用非球面的构型来提供一定的景深，但是仍然维持全眼球差为零。例如TECNIS单焦晶体Eyhance。
2、人为设计制造大量的正性和负性的球面相差来增大景深。缺点在于：虽然获得EDOF景深，但是牺牲对比度，视觉质量降低。
08 总 结
非球面晶体选择的决策：
一些研究人员希望通过患者角膜球差值来对患者进行分层，简化非球面IOL的选择。这个想法是：如果某人的角膜正球面像差很高，则可以使用Tecnis。如果他们的水平适中，则可以使用Alcon IQ。然后在角膜球差低的眼睛中，将使用零球差晶体。但是，有一个真正的问题：单纯追求球差矫正来获得对比敏感度的微小提高是否值得？是否要对晶体的其他方面进行权衡？
单凭一个患者角膜的球面相差值，来为其选择相应的非球面人工晶体，这种路径是片面的：因为球差值是一枚晶体的数十个评价指标中的一个而已。如下图所示：
非球面人工晶体的选择三要素中，球差仅仅是其中一个指标。
若为患者选择非球面的单焦晶体，不妨参考一下这几个问题：
提问
1、该晶体的光学技术如何：
光学部本身的球差是多少？它能矫正全眼球差到多少微米？厂家设计此非球的初衷是想给患者带来什么？
2、该晶体采用的材质是什么？
亲水性还是疏水性？有无闪辉？阻断可见光吗？
3、该晶体的设计如何？
有没有预防PCO发生的相关设计？在囊袋内的持久的稳定性和居中性如何？晶体推注植入系统多大切口？一次性预装还是推注器分装？
不论贵贱，选择适合患者需求的非球晶体就是最好的晶体。
本文为微信公众号作者： Happy He
,
