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角膜与圆锥曲线的相关特性

2023-08-19 21:05阅读:
角膜与圆锥曲线的相关特性
最早研究圆锥曲线的是数学家梅内克谬斯(Menaechmus),再后来,阿基米德时期的数学家阿波罗尼奥斯(约公元前262-前190)总结了前人的工作和研究,完成了有关圆锥曲线的巨著《圆锥曲线》一书,是公认的圆锥曲线问题的权威著作,直到约翰·开普勒提出行星椭圆形运动轨道时,圆锥曲线的重要性才得到重视和肯定,此时距离阿波罗尼奥斯写出《圆锥曲线》已经过去了一千多两千年,正因如此,发现彗星的英国科学家埃德蒙·哈雷专用了几年时间来编纂修订《圆锥曲线》。什么是圆锥曲线呢,用不同的平面和圆锥相切就得到圆锥曲线,分别是双曲线、抛物线、椭圆和圆。
角膜与圆锥曲线的相关特性
如果不是接触到眼科,不可能想到眼睛和圆锥曲线相关,即使是研究数学的专业人士也不会想到圆锥曲线能和眼科联系得如此紧密。1841年,Karl提出了近轴光学理论,把角膜视作旋转对称的球面,其实高斯在这之前对此也有涉猎和研究,1924年,亥姆霍兹提出了角膜前表面为椭圆面的假说,开启了对角膜非球面形态的研究,亥姆霍兹在眼科界家喻户晓。随着计算机和角膜地形图的出现,直至1986年,才正式揭开了角膜是中央陡峭周边平坦的非球面形态,现在我们知道,角膜的前后表面都是非球面,前表面中央4mm的区域呈相对规则的球面,之外的区域呈长椭球形,亦即曲率越往周边走曲率半径越大;后表面中央区域曲率半径逐渐增加,周边区域曲率半径逐渐降低,表现出与前表面不同的变化。
借助于建模和数学高次方程,可以得出角膜的二次曲面方程(这里不做过多数学方面的引用),其中方程里面就有我们眼科常用的Q值(非球面参数),当然描述角膜形态的因子还有e(离心率)、e^2、p(二次曲面参数),其实这些参数是可以
相互转换的,Q=p-1,e=(1-p)^1/2,可以推出e^2=-Q。当Q<-1时,角膜表面为双曲面;Q=-1时,角膜表面为抛物面;-1<Q<0时,角膜表面为长椭圆面,即z轴为长轴的横椭圆面;Q=0时表面为球面;Q>0时为表面为短椭圆面,即z轴为短轴的竖椭圆面。
在屈光手术中我们更关心Q值,Q值也较少受性别、年龄等因素的影响,在接触镜的验配中我们更关心e值,当然也可换算为其它形态因子进行验配。可以想象,一般情况下,近视术后的角膜中央变平,Q值增大,正球差加大,甚至对视觉质量和视近产生不良影响,这也是有时需要角膜形态优化切削的原因所在。也正因如此,我们可以借助Q的优化调整进行老视的补偿手术,在一定的范围内,让非主导眼Q值更偏负,引入更多的负球差,达到缓解疲劳和视近的需求。在接触镜验配中,e值可以简单的理解为角膜平坦化的速率,比如OK镜中,角膜e值越大,越往周边走则越平坦,这就要求在配适的时候镜片的弧度需要更平,需要在平K的基础上做出更多的放松。因为e^2=-Q,可以理解,e值越大,周边越平,则Q值越偏负,负球差就会相对增加。
假定正常人眼在视远时具有一定的正球差,其角膜Q值为-0.26,在由远及近的视物过程中,晶状体调节力得到了加强,前表面变凸,贡献了负球差,在某一位置时完全中和了角膜的正球差,使得整个眼球的球差为零,在继续视近,则球差变为负,由此也可以看出,人眼的球差不是固定不变的,而是时刻变化着的;零球差并非完美视力的充分和必要条件,相反一定量的球差还能起到加大景深的作用;如果视远时眼要把全眼球差降为零,则Q值应更偏负;大多人群角膜前表面为顺规散光,其垂直经线Q值较水平经线Q值应更偏负,不同经线的Q值不同,同一经线的不同区域也不同。甚至,我们还能发出这样的疑问,人眼本身具有正的球差,为何周边的近视性离焦没能起到阻止和延缓近视的作用呢?当然在深刻理解了这些之后,可以做出更多的推断,反之,因角膜形态改变而产生的不同变化也能更加深刻的理解,当然,我们还可以人为的改变这些参数达到我们需要达到的目的。

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