system: [SYSTEM]

user: 2. 基本原理 眼睛接收外部影像信息，需经过屈光系统才能在视网膜上成像，并透过视网膜感光细胞使产生化学反应，经转化为电流，最后电流集结到神经节细胞，由视神经纤维汇集成束，形成视神经，再藉由视神经传导路径传到大脑皮质接收，解读最后转变成视觉。视神经传导路径(Visual Pathway)依照解剖其构造包含七个部分如图1所示，分别为视网膜(Retina)、视神经(Optic nerve)、视交叉(Optic chiasma)、视束(Optic tracts)、外侧膝状体(Lateral geniculate bodies)、视放射(Optic radiations)及大脑视觉皮质(Visual cortical areas) [ 4 ] [ 5 ]。 图1. 视神经传导路径 [ 4 ] [ 5 ] 2.1. 眼球构造 眼球是十分精密复杂构造，包括三大构造:最外侧是纤维层(fibrous tunic)，中间是血管层(vascular tunic)，内侧是神经层(nervous tunic)。除了眼球相关构造以及眼睛肌，还包括连接到大脑的视神经传导路径与视神经系统。视神经系统再将讯息向后面脑部传递，经过大脑整合处理最后产生视觉。如图2所示 图2. 眼球构造 [ 4 ] [ 5 ] 眼球是由最外层角膜(cornea)、前房(anterior chamber)、后房(posterior chamber)、虹膜(iris)、晶状体(crystalline lens)、玻璃体(vitreous)到眼球最内层视网膜(retina) [ 4 ] [ 5 ]。角膜(cornea)是透明无血管薄膜，是有弹性而且坚韧的组织，具有保护眼球作用是眼球中最重要屈光结构。前房(anterior chamber)在晶状体前面介于角膜与虹膜之间的位置，前房里面充满了房水。后房(posterior chamber)在晶状体与睫状肌及虹膜所围成的空间位置。由睫状肌分泌房水出来后，再由后房经过瞳孔流到前房。虹膜(iris)中央为圆形瞳孔，是控制光线进入眼睛光量使瞳孔产生扩张与收缩。晶状体(crystalline lens)在瞳孔后面，是透明扁平的椭圆形状，由睫状肌控制晶体厚薄度使产生看远近对焦能力。玻璃体(vitreous)无色凝胶状，占总眼球80%容量，主要维持眼球的形状，使光线通过倒影在视网膜上成像。视网膜(retina)眼球最内层，视网膜上感光细胞利用光色素(photo pigment)吸收可见光提供清晰影像转换为神经冲动，刺激视神经(optic nerve)传导到脑部阐释为视觉讯息。视网膜最后面有一个小窝，没有血管称为黄斑部(macula)，这个小窝解剖学上称为黄斑中心窝( fovea central)是视神经最敏锐的部分。 2.2. 感光细胞功能与特性 感光细胞又分为杆状细胞(rod cells)和锥状细胞(cone cells)如图3所示 [ 4 ] [ 5 ]。杆状细胞与锥状细胞各包含外段感旋光性化学物质与细胞核。表1所列为杆状细胞和锥状细胞的两种功能与特性比较表，相关特性简述如下： 1) 杆状细胞功能负责暗视觉(scotopic vision)。杆状细胞的光色素称为视紫质(rhodopsin)是负责夜晚及周边视觉功能。杆状细胞与锥状细胞相比，杆状细胞对光更加敏感对微弱亮光较容易看到，因此极低照明下人类的眼睛仅依赖杆状细胞称为暗视觉，对颜色无法辨别，只有灰阶明暗上的差异。人类眼睛存在约一亿两千五百万杆状细胞，在视网膜的周边无锥状细胞，对周边视野部分有辨色困难。杆状细胞损伤会产生夜盲。 2) 锥状细胞功能:负责明视觉(photopic vision)，人类眼睛视网膜内的锥状细胞约有七百万，多数集中在视网膜中央中心窝(fovea)位置，负责彩色视觉。锥状细胞分三种不同光色素接受器，接收来自光谱中的红、绿、蓝波长的色光带，吸收高峰值主要在440 nm、540 nm、570 nm处，人类眼睛所见物体颜色，由此三色组合成为视觉彩色范围。在明亮下出现色彩视觉称明视觉。锥状细胞功能下降或失去会产生色盲。 图3. 感光细胞种类 [ 4 ] [ 5 ] Table 1 Characteristics of photoreceptor 杆状细胞的特性 锥状细胞的特性 暗(夜晚)视觉 亮(白天)视觉 暗适应 亮适应 视敏锐度不佳 视敏锐度佳 暗视觉无色彩(黑白) 明视觉有彩色 集中在视网膜周边(一亿两千五百万个) 集中在中心窝(七百万个) 表1. 感光细胞特性 2.3. 视力检查 视力检查是眼睛最基本的视觉功能检查项目，它是测量眼睛对二维物体形状的分辨能力，代表视网膜上黄斑部中心窝对最小物体的成像能力。 视力(Visual Acuity)定义为眼睛侦测物体的存在及辨识分析物体型态和细部构造的能力，称为视力。视力在临床上常用一个实际的数量来表示，表2所列为分数与小数表示法。 Table 2 Visual representations of fraction and decima 分数 小数 20/20 1.0 20/40 0.5 20/200 0.1 表2. 分数与小数视力表示法 视力又分中心视力与周边视力简述如下： 1) 中心视力又称直接视力，是视觉机能最敏锐的视力，在视网膜黄斑部中心窝，视线方向之物体，眼睛能清晰辨识之视力。 2) 周边视力又称间接视力，视觉机能较差而且弱的视力，在黄斑部中心窝5度以外的视网膜部位。 眼睛判断物体影像清晰度，是受影像大小成像在视网膜上决定，物体大小与眼睛距离息息相关。眼睛与物体距离愈远，分辨率愈小，愈难分辨。在适当距离正常眼睛能辨识两点之间的最小解析角度称为视角。视力表中1.0视标就是以1分视角(1’)为单位进行设计有效的检测视力，整个E字为5分视角，线宽1分如图4所示 [ 6 ]。 图4. 视角 [ 6 ] 最小可解析视角计算方法，用5分角视角表示，20/40是指视标设计距离为40英尺，而测试距离在20英尺处，其对应为10分角。E字形状视标以一分视角制作，表3所列为最小视角与E字形状视标相关参数关系。 Table 3 Correlation parameters between E chart and minimum visual angl 最小视角 缺口宽度(mm) 总宽度(mm) 视标等级 1分角 1.746 8.730 1.0 1.5分角 2.619 13.095 0.67 2分角 3.492 17.460 0.5 2.5分角 3.365 21.825 0.4 5分角 8.73 43.65 0.2 10分角 17.46 87.300 0.1 表3. E字视标与最小视角相关参数 2.4. 对比敏感度 由视觉敏锐度的观点，影响眼睛判别物体因素有两个:对比度和空间频率。对比度是物体本身颜色亮度和该物体背景颜色亮度的关系，空间频率是单位视角包含的线条数。图5所示为空间频率与对比度关系。1) 空间频率由左(a)至右(c)频率越来越高，2) 对比度由左(a)至右(c)线条边界对比清晰度越来越模糊 [ 7 ]。 图5. 空间频率与对比度关系 [ 7 ] 一般视力表检查是检测眼睛的中心视力辨识能力，而对比敏感度是测量眼睛对空间物体大小与照明对比的敏感度，是一种形觉功能检查。对比敏感度视标是线形条纹，采用方波(square wave)或正弦波(sinusoidal wave)，常用为正弦波，当受离焦和像差影响时正弦照明下条纹保持不变，图6所示分别为(a)方波与(b)正弦波。空间频率定义为每一度视角的周数(周/度)，空间频率数值表示用条纹粗细。当条纹宽度越细，空间频率就越高；条纹越粗，则空间频率越低 [ 8 ]。 每一个空间频率皆有“对比度临界值”，对比度临界值是指眼睛能够辨别最低对比度。在对比度比这临界值低时，条纹会形成均匀一片的灰色，使眼睛无法分辨条纹。对比度临界值的倒数就是对比敏感度值。当对比度敏感度临界值越低，对比敏感度数值越高，代表视觉系统越敏锐。最高对比度度是对比度在l00%时条纹边界最为清晰。 图6. 方波与正弦波光强度轮廓 [ 8 ] 正常人眼睛对比敏感度函数的图形是呈现倒“U”形，最高空间频率位置在中间区域，最右边区域是“高频区域”主要反映视觉敏锐度情形，最左边区域是“低频区域”主要反映视觉对比度情形，中间区域是空间频率区，负责集中反应中心视力与视觉对比敏感度情况。正常人眼睛的中间频率区域对比敏感度值较高，因为眼睛的视觉系统活动主要依赖对比敏感度中频区域决定的。 眼睛视觉发展成熟后，视功能和对比敏感度随着年龄的增加有下降趋势，而且主要在高频率区域明显下降。当年龄越增加，眼球屈光介质清晰度逐渐下降，视网膜解析能力与感光细胞的功能也在退化，光学系统中对比敏感度中、高频区域作用变得渐渐明显。一般对比敏感度在20至30岁时全频区域都很高，40岁以后高频区域随着年龄的增加而下降，低频区域较不明显。图7所示为在相同空间条纹数时，视网膜解析能力，(a)图所呈现是低密度感光细胞矩阵，视网膜解析能力较高时，(b)图所呈现是高密度感光细胞矩阵 [ 9 ]。 图7. 视网膜解析能力 [ 9 ] 对比敏感度定义为视觉系统能察觉对比度临界值倒数。对比敏感度=1/对比度临界值。对比临界值低，对比敏感度高，视觉相对好，此两样功能是相关联。在某一个空间频率，对比敏感度的视觉系统是一定的，相反，在另一个确定对比敏感度时，视觉系统有一定的空间频率分辨率，坐标图横坐标为空间频率，纵坐标为对比敏感度，以此绘出对比敏感度的函数。对比敏感度曲线比单一对比敏感度与视力能提供更多的讯息，由此去发现与视功能障碍和视觉相关疾病，图8所示为一对比敏感度检测曲线图 [ 6 ] [ 10 ]。 图8. 对比敏感度与空间频率关系 [ 10 ] 对比敏感度以干涉条纹做检测，对比度最大时没改变对比度只改变空间频率即可测出视力。一般用能分辨最高空间频率的1/30周表示，Snellen’s视力表示以分辨1分角时的视力为1.0。1分角定义为正常眼睛在适当距离两点之间所能分辨最小的解析角度(MAR)，若能辨认的空间频率为30周/度(c/d)，每条条纹所对应的1.0视角正好为1分角，所以可辨识最高空间频率的1/30即为视力表所对应视力。对比敏感度Contrast Sensitivity Function用公式来表示： C S F = ( L max − L min ) / ( L max + L min ) (1) 公式(1)中，L max 表示亮度最大，L min 表示亮度最小，单位是周期/度。将每个空间频率的对比敏感度链接起来能得到一个曲线，称为对比敏感度功能曲线，此功能曲线图是呈现倒“U”形。低空间频率代表眼睛可以判断出物体较大形状，高空间频率代表眼睛能够判断物体线条的边缘轮廓与较细微的部分，图9所示为对比敏感度标准曲线图检测范围，黑色线条是测出数值线型，绿色带状线型为对比敏感度正常检测范围。对比敏感度正常检测范围，量测数据在绿色带状范围为正常值，数据高于绿色带状表示优于正常值，低于绿色带状表示不佳。量测数据最高为334，量测数据需再换算成百分比。 图9. 对比敏感度检测曲线图 [ 11 ] [ 12 ]