眼科學綜覽 Ophthalmology Overview
第2冊 第4章
攝影驗光法 Photorefraction
王藹侯
攝影驗光法是用相片記錄瞳孔反光，由相片上紅眼反光的大小去分析、判讀受測者的屈光值。目前有許多設計，使用同樣的光學原理，不用相片而是用錄影、用電腦，因此統譯為「攝影驗光法」。目前市售的攝影驗光儀(photorefractor)都採用離軸攝影驗光的光學原理。
攝影驗光法的英文是photorefraction。photo指的是相片，原意是用相片記錄瞳孔反光，由瞳孔的反光讀出眼球的屈光值，由英文直譯是「相片驗光法」。目前有許多使用同樣光學原理的設計，但是不用相片，而是用錄影，用電腦，因此統譯為「攝影驗光法」頗為適當。
攝影驗光法是在一段距離
(50~100+cm)之外驗光,
尤其適合嬰幼兒的驗光。在一段距離之外驗光一直是小兒眼科醫師的夢想。一般的驗光機或手持式驗光機
(例如Nikon
Retinomax)、即便是網膜鏡檢影法也得使用中和鏡片，都要非常的靠近受測試者。太近的測試距離嬰幼兒通常會害怕會哭，同時也無法注視驗光機洞裡的視標。
第1
節 攝影驗光法的發展
1.1 攝影驗光儀的發展史
1970年代起，Howland和Kaakinen先後發展了同軸 (coaxial) 和離軸 (off-axis)的攝影驗光法。光源和鏡頭同軸的兩種方式是(1)正交攝影驗光 (Orthogonal photorefraction,
1974) 和(2)各向同性攝影驗光 (Isotropic photorefraction,
1979)。Kaakinen 1979發展出離軸攝影驗光 (Eccentric
photorefraction or Knife edge photorefraction) (圖4-1)，將相機的閃光燈移到接近鏡頭中央，從相片上紅眼反光的大小去分析、判讀受測者的屈光值。目前市售的攝影驗光儀 (photorefractor)都採用離軸攝影驗光的光學原理。
圖4-1 正交攝影驗光、各向同性攝影驗光和離軸攝影驗光
1.2 攝影驗光儀市況
市售攝影驗光儀有Plusoptix S12 (前身為PowerRefractor)，Welch Allyn公司的SPOT
(前身為Suresight)，2Win，iSreen。Gobiquity
GoCheckKids則試圖使用iPhone來作攝影驗光法。早期的攝影驗光儀則有MTI，ViVA，Topcon公司的PR-1000，PR-2000等等。這些儀器大都朝向驗光機的方向設計，但是測量的準確度比傳統的驗光機差很多，不適合作精確的驗光配鏡，而是用於眼科或小兒科門診的初篩或者幼兒園、托兒所的視力篩檢。也有人提議在人潮熱區設置攝影驗光亭 (booth)，好像快拍相片亭一樣，電腦自動判讀，拓廣視力篩檢的範圍與層面。
在網路上，攝影驗光法資料比較詳細的網址是ABCD (Alaske Blind Children Discovery http://abcd-vision.org/ 之下的Vision Sceening，再之下的Photoscreening http://abcd-vision.org/vision-screening/photoscreening.html。
第2節 攝影驗光法的光學
攝影驗光儀的雛形是將拍立得相機的閃光燈拆下，移置到非常靠近鏡頭中央的位置 (圖4-2)，由瞳孔反光(Crescent)的大小來判讀度數。
圖4-2
拍立得相機改裝閃光燈而成的攝影驗光儀的雛形
低度數屈光不正沒有瞳孔反光，高度近視的瞳孔反光在閃光燈的同側，而高度遠視的瞳孔反光在閃光燈的另側 (圖4-3)。在低度數屈光不正，例如遠視+2D和+3D，反光的大小差異很大，對屈光的鑑別度佳；而在高度數屈光不正，例如遠視+7D和+8D，反光大小的差異就很有限，屈光的鑑別度就不好了。
圖4-3橫軸為屈光值，縱軸為反光大小。近視、遠視的瞳孔反光在相反側。
圖形的對稱中點是測試距離的焦度(vergence)。
2.1 攝影驗光法的光學公式
攝影驗光法的光學公式是康乃爾大學Howard
C. Howland (圖4-4)首先提出，1999年我在不知情的情況下也自行導出同樣的公式。
圖4-4 Dr. Howard
C. Howland
基本的光學公式是 d = DF x Pu x L x RR
* d：視線、光線的距離(或者是閃光燈邊緣和鏡頭中心的距離)
* DF
(Dark Fraction)：暗區比例 (=1–Crescent)
(1-亮區比例)
(圖4-5)，
在這個例子裡，暗區=3/4，亮區=1/4)
* Pu：瞳孔直徑
* L：測試距離
* RR (Relative refraction)：相對屈光。例如在1公尺距離作測試，則以 -1D為基準點。- 4D的RR是 -3D、正視眼的RR是 +1D、+3D的RR是 +
4 D等等。
圖4-5 暗區、亮區與瞳孔的比例。本例圖示亮區/瞳孔=1/4，暗區/瞳孔=3/4。
斜向散光的瞳孔反光 (Crescent)也是傾斜的 (圖4-6)。試圖直接從斜向反光的形狀、角度去計算屈光的公式請參考Wesemann
W, Norcia AM, Allen D. Theory of eccentric photorefraction (photoretinoscopy):
astigmatic eyes. J Opt Soc Am A. Dec;8(12):2038-47,
1991.
圖4-6 斜向散光的瞳孔反光也是傾斜的
2.2 PowerRefractor
PowerRefractor由三個方向的光源，讀取三個方向的數據去作攝影驗光法
(圖4-7)。這三個方向之中至少有兩個方向的瞳孔反光是傾斜的反光，也必定是利用該篇論文的計算方式去求取屈光值。一般的屈光值包含有球鏡度數、柱鏡度數和柱鏡角度三個變數，PowerRefractor測量三個方向的數值去轉換為屈光值的三個變數，也算是滿合理的。
圖4-7 PowerRefractor測量三個方向的數據去計算眼球屈光值的三變數：
(1)球鏡度數、(2)柱鏡度數、(3)柱鏡角度。
2.3 直接眼底鏡的光學結構
直接眼底鏡的光學結構完全符合攝影驗光法的光學原理，為了能夠經由極小的瞳孔去檢查眼底，它的光源和視線設計成非常的靠近
(圖4-8)，幾乎是同軸的。
圖4-8 直接眼底鏡的光學結構完全符合攝影驗光法的光學原理
從50~
圖 4-9 由直接眼底鏡的視孔看瞳孔反光，瞳孔下方有反光 可判知是高度
近視眼，瞳孔上方有反光是高度遠視眼。
2.4 Brückner反光檢查
瞳孔的Brückner反光檢查的光學原理也如同攝影驗光法一樣。在一段距離、由直接眼底鏡的視孔同時看兩眼的瞳孔反光，瞳孔暗的一眼是注視眼，並且是低度數屈光不正；瞳孔亮的一眼是斜視眼，因為是由斜的方向觀察這個眼睛，光學上是高度遠視，於是瞳孔有反光，是亮的瞳孔 (圖4-10)。
圖4-10 Brückner瞳孔反光檢查。瞳孔亮的一眼是斜視眼。
2.5 一般攝影的紅眼問題
一般的相機拍人像的時候，不希望拍到瞳孔發亮，於是閃光燈的位置儘量不要太靠近鏡頭以免產生紅眼。但是攝影驗光法就是要利用這個反光去判讀眼球的屈光狀態，因此特地將光線和視線靠得很近，如同直接眼底鏡的構造那樣。
2.6 以直接眼底鏡的光源作為間接眼底鏡檢查的光源使用
間接眼底鏡光學原理也是一樣，光線和視線儘量靠近才看得到眼底，光線離視線太遠就看不到眼底了。直接眼底鏡的點光源，可以作為間接眼底鏡檢查的光源使用，因為有調光器可調整亮度，特別適合小兒眼科的眼底檢查 (圖4-11)。從眼底鏡的視孔看出去，間接眼底鏡檢查所用的凸透鏡會反光，因此通常都是由視孔之外的位置去觀察。如果光源和視線的距離 (d) 太大，由公式可知，在低度數屈光不正的暗區會很寬，不利間接眼底鏡檢查眼底。將直接眼底鏡視孔上緣的邊框儘量做小，光學上就可以更符合間接眼底鏡檢查的光源要求。
圖 4-11 以直接眼底鏡的光源作為間接眼底鏡檢查的光源使用
第3
節 手持型攝影驗光儀
d = DF x Pu x L x RR公式裡，DF(暗區)和RR位在等號的同側，二者是雙曲線的關係
(圖4-12)。至於反光的亮區Crescent等於1- DF，於是亮區和屈光的關係便如下圖所示。早期的攝影驗光儀MTI依反光亮區的大小去判讀度數，由Crescent和屈光的關係圖來看，可以知道在低度數屈光範圍，以Crescent的大小去判讀屈光的解析度較佳；在高度數屈光範圍，解析度就很差。
圖4-12 DF(暗區)和RR(屈光)位在等號的同側，二者是雙曲線的關係。
亮區(=1-暗區)和RR(屈光)的曲線是圖2-30的數學計算。
d = DF x Pu x L x RR公式裡，d和RR是位在等號的兩側，兩者是線性關係。無論在任何屈光範圍，以d判讀屈光都有同樣好的解析度。Howard依此概念在手電筒前面放置一片階梯樣的紙板 (圖4-13)，從階梯的邊緣觀測瞳孔反光，順著階梯的數字逐格向上，視線、光線的距離漸漸拉遠，反光Crescent越來越小，到達階梯的某一格時反光消失，這時Crescent=0，DF=1，依據公式，RR = d
/ Pu / L，如果知道瞳孔大小(Pu)和測試距離(L)，就可以由d精準地算出屈光值(RR)了。
圖4-13
手電筒前面放置一片階梯樣的紙板，視線、光線的距離漸漸拉遠，反光Crescent越來越小。
反光消失處，Crescent=0，DF=1，依據公式，RR = d
/ Pu / L。
從這樣的雛形，我們構思並倡議了手持型攝影驗光儀的製作。
之前曾經將這個概念請天津光學廠開模製作，也和台大醫院醫工室合作，改造Heine的眼底鏡，製作過初步的成品 (圖4-14)。測試者上下推動推桿，調變視線、光線的距離，由視孔觀察瞳孔反光的大小， 反光由大漸小，以反光消失點
(DF=100%=1)作為判讀的依據，讀出屈光值。
圖4-14
a天津光學廠製作手持型攝影驗光儀雛型
圖4-14
b台大醫院醫工室製作手持型攝影驗光儀雛型
例如散瞳後瞳孔
和市售的攝影驗光儀不同的是，他們朝向驗光機的方向設計，而我們倡議朝眼底鏡/網膜鏡的方向去設計、去製作一支手持式的攝影驗光儀。冀望在眼科門診常規設置的直接眼底鏡和網膜鏡之外，再添一支小兒驗光用的利器。
如前所述，驗光機型式的攝影驗光儀是由斜向的瞳孔反光去計算屈光值，而我們倡議的手持式攝影驗光儀是由測試者將光源調整至散光軸的方向 (圖4-15)，之後由正向的瞳孔反光判讀屈光值，類似於網膜鏡檢影法判讀散光角度的作法。我們感覺由正向的瞳孔反光去判讀屈光度數應該會更加直接和準確。
圖4-15
手持式攝影驗光儀是由測試者將光源調整至散光軸的方向
手持式攝影驗光法首先觀察瞳孔反光的方向，調變散光的角度；之後調變反光的大小，去讀取這個軸向的屈光值，再轉90度，調變反光大小，讀取另一個軸向的屈光值。 非常類似於網膜鏡檢影的操作方法，但是不需要放置中和鏡片，靠近嬰幼兒的眼前，可以避免嬰幼兒害怕、逃避和哭鬧。
市售的攝影驗光儀要在固定的距離作測試，調整測試的距離常常需要花時間去瞄準視標。現今的科技有非常精確的測距儀，如果可以內建測距儀，直接得到公式裡的L，就不必在固定的距離測試，而且屈光值R=RR-1/L也可以由L值輕鬆計算得到。
公式中瞳孔的直徑Pu，無論散瞳與否，也可以利用電腦圖學的科技測量得知。此一手持式攝影驗光儀的倡議需得依賴工研院的參與、設計與付諸執行。
建議讀物及參考文獻
1. Howland
HC, Howland B. Photorefraction: a technique for study of refractive state at a distance. J Opt Soc Am 1974;64:240-9.
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Atkinson J, Howland B. Optics of photorefraction: orthogonal and isotropic
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3. Howland HC. Photorefraction of eyes: history and future
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Cacciotti C, Howland M. Simple pointspread
retinoscope suitable for vision screening. Am J Optom Physiol Opt 1987;64(2):114-22.
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for screening of children with strabismus,
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6. Kaakinen K. Photographic
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Acta Ophthalmol (Copenh) 1981;59:38–44.
7. Wang AH. Photorefraction and
retinoscopy with direct ophthalmoscope and laser pointer. Invest Ophthalmol
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8. Wang AH. Handheld photorefractor. 18th Congress of the
9. Wesemann W, Norcia AM, Allen
D. Theory of eccentric photorefraction (photoretinoscopy):
astigmatic eyes. J
Opt Soc Am (A) 1991;8:2038–47.
謹以本文獻給
The Smith-Kettlewell
Eye Research Institute (SKERI)的老師們
Dr. Arthur Jampolsky
Dr. Alan Scott
Dr. Anthony Norcia
Dr. Eric Sutter
Dr. Christopher Tyler
長記得1990-1991
地靈人傑的舊金山 小兒眼科fellowship的一年
作者 王藹侯
學歷： 台灣大學 醫學士
台灣大學 臨床醫學博士
美國舊金山The
Smith-Kettlewell Eye Research
Institute (SKERI)暨Pacific
Presbyterian Medical Center 小兒眼科暨斜視研究員
經歷： 台大醫院 眼科 住院醫師 主治醫師
台大醫學院 眼科 副教授
現職： 國泰醫院 眼科
大學眼科 主治醫師