角膜生物力学测量方法及临床应用

角膜是人眼球屈光系统的重要组成部分,角膜的生物材料性质确定了其在角膜扩张和相关疾病中发挥重要作用。本文对角膜生物力学的离体测量、在体测量方法进行了总结,并对角膜生物力学在系统性疾病、扩张性角膜病、青光眼、近视等眼科疾病中的特点与临床应用进行了回顾。     

角膜生物力学性能测量方法的研究进展

角膜为黏弹性生物组织,其生物力学性能测量方法主要可分为离体测量法和活体测量法。其中离体测量法又分为角膜轴向拉伸法、角膜膨胀法、离体全眼球测量法等;活体测量法以眼反应分析仪测量法为主。几种方法各有优缺点,均不能全面反映角膜的生物力学性能。在基础试验离体测量法中,角膜膨胀法具有较好的可操作性和重复性;活体测量方法中眼反应分析仪测量法如能建立与经典生物力学参数之间的关系,在临床检查和诊断中将具有更大的潜力和推广性。就目前角膜生物力学性能测量方法的研究现状做一综述。     

角膜生物力学特性的测量方法研究现状

角膜是人眼的主要屈光介质。作为一种黏弹性生物组织,角膜具有非线弹性、黏弹性和各向异性的复杂生物力学特性。角膜的生物力学特性对维持角膜的正常形态及功能具有重要作用。在许多眼部疾病中,角膜生物力学的改变常常早于临床症状的出现。因此对角膜生物力学特性的定量测量有利于疾病的早期诊断和治疗。目前测量角膜生物力学有多种方法,包括经典的体外实验,已应用于临床的在体测量法和其他的一些具有临床应用潜力的在体测量法。各种方法测量原理不同并有其相应的优缺点。     

角膜生物力学应用研究进展

角膜作为人体的软组织材料,具有黏弹性材料共有的应力-应变曲线、应力-松弛曲线特征及蠕变的特点,具有弹性模量、角膜滞后量（corneal hysteresis,CH）效应及剪切模量等生物力学指标。临床医生越来越重视角膜的生物力学指标与临床的相关性。眼反应分析仪(ocular response analyzer,ORA)在目前所用的角膜生物力学测量方法中最方便实用,应用范围较广,对屈光手术的评估、术后圆锥角膜、青光眼等疾病的诊断有一定应用价值。本文就目前角膜生物力学应用研究进展做一综述。     

角膜生物力学检测方法介绍

力学问题贯穿于生物体的整个生命过程,对生物体中的力学问题进行定量分析,产生了生物学和物理学的交叉学科——生物力学;其研究重点是生理学、医学有关的力学问题.随着医疗检查诊断技术的发展,人们逐渐认识到眼生物力学性能的重要性.角膜生物力学性能测量在角膜疾病诊断、角膜屈光手术效果预测及眼内压测量等方面都具有非常重要的意义.角膜组织主要由致密交错的胶原纤维束和细胞外基质组成,其生物力学特征颇为复杂,表现为非线弹性、各向异性、黏弹性、区域差异性和年龄相关性等特征.生物力学性能测量的关键是找寻描述生物组织力学特性的本构方程,方程内包含的参量为本构参量,包括应力、应变和弹性模量等.根据测量时生物材料初始状态的差异,角膜生物力学性能参数的测量方法可分为离体和在体测量2种.虽然在体测量具有更为广阔的临床应用前景,然而当前在体测量技术并不成熟.临床常用仪器ORA和Corvis无法提供本构参量,尚不能作为眼生物学性能测量的标准实验手段.笔者就目前国际上常见几种离体测量技术的原理及发展做了详细介绍,以方便相关研究者更好地进行选择,这其中包括：轴向拉伸试验、基于薄壳理论的简单离体角膜膨胀试验、基于逆向建模技术的离体角膜膨胀试验和同样基于逆向建模技术的离体全眼球膨胀试验.将切成条状的角膜试件固定于材料试验机进行单向或双向拉伸,获取本构参量,是为轴向拉伸试验.最早用于角膜生物力学性能的测量,此方法设备简单,容易操作,但对角膜的生理结构破坏较大,测量值存在不小的误差.基于薄壳理论的简单离体角膜膨胀试验：将完整分离的角膜试件固定于填充有液体的前房模拟装置,模拟眼内压对角膜后表面施压并实时记录角膜形变;根据薄壳理论推导公式计算得到角膜组织的本构关系方程.离体角膜膨胀试验保持了角膜组织结构的完整性和提供更接近于角膜生理状态的施力方式,但仍存在破坏角巩膜连续解剖结构、机械固定方式导致应力集中等缺点.因薄壳理论的球形角膜结构和均质性生物力学性能假设限制了膨胀试验结果的精确性,通过构建具有个性化几何特征的角膜有限元生物力学模型,模拟角膜在眼内压力作用下的形变过程,将膨胀试验测量所得眼内压和角膜形变关系曲线作为目标曲线,不断调整本构方程系数使得模拟的角膜形变曲线和目标曲线逐渐逼近,反复迭代运算得到角膜组织本构参量的最优化结果,称为基于逆向建模技术的离体角膜嘭胀试验,具有较好的试验测量精度和可重复性.离体全眼球膨胀试验延续了角巩膜完整的曲面形状和采取接近眼球生理的施力方式,是相对最接近角膜生理状态的测量方法,但该试验也存在设备制作复杂、操作繁琐等缺点.如能在试验过程中提供接近生理状态的眼球支撑方式,解决角巩膜随眼内压力变化过程形变数据的准确提取等技术难题,有望实现对角巩膜组织区域差异性、各向异性及黏弹性等生物力学特征的一体化定量测量分析,具有非常广阔的应用前景.     

近视患者角膜在体与离体生物力学特性相关性初步研究

目的　探讨近视患者角膜在体与离体生物力学参数的关系。方法　对拟行飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术（SMILE）的近视患者术前利用Corvis ST角膜生物力学分析仪行在体角膜生物力学参数测量，术后将术中获取的角膜基质透镜进行单轴拉伸试验来获取其离体生物力学参数。采用Pearson相关分析法探讨近视患者角膜在体与离体生物力学参数的关系。结果　近视患者离体角膜基质在应力为0.02 MPa时，对应的弹性模量为（1.26±0.71）MPa。相关性分析结果表明，弹性模量与Corvis ST角膜生物力学分析仪测量得到的17个在体动态角膜反应参数中的14个参数均显著相关；回归分析得到的回归方程为:弹性模量=-49.470+9.188A1Time+9.946A1Velocity-0.195DefA_Max（ms)+0.077SP-HC［A1Time:第1次压平时间，A1Velocity:第1次压平速度，DefA_Max:最大的偏离幅度(ms)，SP-HC:最大凹陷时角膜硬度参数］，回归模型具有统计学意义(F=883.948，P=0.000)。结论　近视患者角膜基质弹性模量可以通过在体角膜生物力学参数测量结果初步推算。     

从被动到主动——圆锥角膜诊疗思路的改变

圆锥角膜是一种常见的角膜变性疾病,随着角膜屈光手术的广泛开展,圆锥角膜的早期诊断和合理治疗变得更为重要.传统依靠临床表现或角膜地形图变化进行诊断往往已为时过晚且不能阻止病情进展;而目前除角膜地形图外,综合利用三维眼前节分析系统、共聚焦显微镜、生物力学眼反应分析仪、OCT等仪器分析可以在早期筛查出圆锥角膜或疑似病例,通过主动进行角膜胶原交联术等预防性治疗可在早期阻止病情进展.现就目前圆锥角膜的诊断及治疗新进展进行简要评述.     

非接触眼压分析仪（ORA）在准分子激光手术中的应用

非接触眼压分析仪（ORA）在眼科领域的应用已经成为研究的焦点,在青光眼、白内障、遗传等方面均有涉及,其在屈光手术中的应用尤为突出。ORA在分析眼压的同时,可测算出相应的角膜生物力学参数：角膜滞后量（CH）和角膜阻力因子（CRF）,为在体测量角膜生物力学参数提供了可能。就ORA在准分子激光手术术前检查、术后随访等方面的应用进行综述。     

远视眼与近视眼角膜生物力学研究及眼压的比较

目的　比较远视眼与近视眼角膜生物力学参数和眼压的差异。方法　分别选取远视眼与近视眼各６０眼,应用眼反应分析仪测量角膜生物力学的指标:角膜滞后量和角膜阻力因子量,模拟Ｇｏｌｄｍａｎｎ眼压,角膜补偿眼压。对远视组和近视组的角膜屈光力、中央角膜厚度及角膜生物力学相关参数进行ｔ检验;对角膜生物力学特性的影响因素进行相关性分析;对中央角膜厚度与眼压的关系进行Ｐｅａｒｓｏｎ相关分析。结果　远视组与近视组之间角膜屈光力差异有显著统计学意义（ｔ＝－４．１０３,Ｐ＜０．０１）。仅中央角膜厚度与角膜滞后量和角膜阻力因子量呈显著正相关（ｒ＝０．６３７、０．５１９,均为Ｐ＜０．０１）。中央角膜厚度与非接触眼压计测得的眼压和模拟Ｇｏｌｄｍａｎｎ眼压均呈正相关（ｒ＝０．４２８、０．４０６,均为Ｐ＜０．０１）,与角膜补偿眼压不相关（ｒ＝０．０７５,Ｐ＝０．４６６）。角膜屈光力与非接触眼压计测得的眼压呈正相关（ｒ＝０．２８３,Ｐ＜０．０１）,与模拟Ｇｏｌｄｍａｎｎ眼压和角膜补偿眼压无相关性（ｒ＝０．１８６、０．１１７,Ｐ＝０．０６７、０．２５１）。结论　角膜的生物力学参数主要与角膜厚度呈正相关,不受眼屈光状态影响。     

ORA眼反应分析仪的临床应用价值

眼反应分析仪(reichert ocular response analyzer,ORA)是一种新型非接触喷气式眼压计。它利用一种动态双向压平过程测量眼压,不仅使测得的眼压值真实可靠,免受中央角膜厚度和硬度的影响,而且可得到反应角膜生物力学特性的新指标:角膜滞后量和角膜阻力因素。其操作简单,能自动显示眼压读数及角膜生物力学特性。该仪器精确度高,可重复性好,非接触特性,因此可广泛用于临床监测眼压,尤其适用于已行准分子激光角膜屈光手术后的患者,但仍需进一步明确其对青光眼诊断和治疗的指导作用。     

What biomechanical properties of the cornea are relevant for the clinician?

Although the effects of central corneal thickness and corneal curvature on intraocular pressure measurement are well known, it has only recently become possible to measure the biomechanical properties of the cornea in vivo. This article reviews the structural and material properties of the cornea and considers the effects of corneal parameters, including biomechanics, on IOP measurement. The role of corneal biomechanics as a potential indicator of the structural integrity of the globe will also be discussed. Current evidence suggests that the importance of corneal biomechanics to the glaucoma clinician rests primarily with its effects on IOP measurement. However, the possibility that corneal biomechanics may give an indication of the structural integrity of the optic nerve head cannot be completely excluded. Further population and longitudinal studies are needed to clarify whether current in vivo measures of corneal biomechanical properties, including corneal hysteresis, prove to be independent predictors of glaucoma susceptibility.     

眼组织生物力学的研究

生物力学是研究组织或器官的力量与功能之间关系的学科,对研究眼科疾病的预防、发生、发展、诊疗具有重要作用.眼球是一个封闭的近似球体的器官,眼球内外的每一组织都有一定张力,而且相互联系,互为影响.眼内外及球壁某一局部组织的改变,可能会影响眼球某一区域组织的生物力学或功能的改变.随着生物力学的方法增多,大家越来越重视对眼部组织生物力学的研究,达到预防和治疗眼部疾病的目的.如使用胶原交联增强角膜的强度,防治圆锥角膜或扩张性角膜疾病;又如后巩膜加固术增强巩膜力学的方法来治疗或预防高度近视等.对眼外肌、角膜、巩膜、虹膜、晶状体的生物力学的研究是目前热点,本文就目前眼部生物力学的研究热点做一综述.     

正常兔角膜生物力学特性和参数的测定

背景 研究证实软体生物组织在受力状态下具有稳定的生物力学特性.对于人的眼球来说,全面研究其生物力学特性较为困难,常常受到仪器设备、跨学科知识及材料获得等多因素的影响.兔是眼科学研究的主要动物模型之一,有关正常兔中央角膜的生物力学特性尚不清楚. 目的 了解兔角膜生物力学特性,获得正常兔角膜中央区的生物力学参数.方法 10只清洁级家兔处死后沿角膜缘分离完整的角膜,按照7 mm×5 mm的模具制备20个长方形角膜组织试件,在常温和空气加湿器加湿以模拟活体组织环境下,用BOSE electroforce3220-AT型生物力学试验机进行拉伸破坏试验、应力-应变试验、应力松弛试验和蠕变试验,得到角膜组织的拉伸破坏曲线、应力-应变关系曲线、应力松弛曲线和蠕变曲线,评估兔角膜组织的生物力学参数.结果 兔角膜的最大强度为(7.7432±0.6099) MPa,经过3次循环加载后,应力-应变曲线逐渐平稳.应力随着时间的延长逐渐衰减,前期衰减较快,随着时间的延长曲线趋于平缓,松弛率为30.33％;而角膜试件的形变随时间的延长而逐渐增大,早期形变较快,后期逐渐变缓,蠕变率为24.33％. 结论 揭示了兔角膜生物力学特性,为以后能否用兔眼模型研究人类眼部疾病提供力学指导.     

Corneal biomechanics: a review

Biomechanics is often defined as ‘mechanics applied to biology’. Due to the variety and complexity of the behaviour of biological structures and materials, biomechanics is better defined as the development, extension and application of mechanics for a better understanding of physiology and physiopathology and consequently for a better diagnosis and treatment of disease and injury. Different methods for the characterisation of corneal biomechanics are reviewed in detail, including those that are currently commercially available (Ocular Response Analyzer and CorVis ST). The clinical applicability of the parameters provided by these devices are discussed, especially in the fields of glaucoma, detection of ectatic disorders and orthokeratology. Likewise, other methods are also reviewed, such as Brillouin microscopy or dynamic optical coherence tomography and others with potential application to clinical practice but not validated for in vivo measurements, such as ultrasonic elastography. Advantages and disadvantages of all these techniques are described. Finally, the concept of biomechanical modelling is revised as well as the requirements for developing biomechanical models, with special emphasis on finite element modelling.     

角膜硬度的测量方法及与眼部疾病相关性研究进展

角膜主要由胶原纤维构成,具有弹性和韧性,其生物力学特性对维持角膜正常功能具有重要作用,且与眼部疾病发生密切相关。硬度是角膜最重要的生物力学指标之一,圆锥角膜、青光眼、Fuchs角膜营养不良等疾病均与角膜硬度异常相关。随着角膜硬度的相关研究增多,其在疾病发展及诊疗中的重要作用得到广泛关注。本文着眼于角膜硬度这一常用生物力学参数,对其测量方式、影响因素、临床应用进行综述。     

Biomechanische Zustand der Hornhaut als neuer Indikator für pathologische und strukturelle Veränderungen

Aim

Several methods permit the measurement of geometric parameters of the cornea, but until now biomechanical conditions of the cornea have been ignored (e.g. in refractive corneal surgery). Besides the geometric condition, biomechanical properties of the cornea have been shown to influence applanation measurement of intra-ocular pressure (IOP) and epidemiological studies have identified corneal thickness as an independent risk factor for the development and progression of glaucoma. The aim of this investigation was to characterize the biomechanical properties of the cornea using the ocular response analyzer (ORA).

Methods

The ocular response analyzer (ORA) is a new method available for non-contact measurement of the biomechanical properties of the cornea. We evaluated the reproducibility of measurements, the difference between static and dynamic factors and the impact of independent factors (e.g. IOP, age, CCT, swelling of the cornea) on 2,500 measurements of corneal hysteresis (CH) and corneal resistance factor (CRF).

Results

In a large sample size we observed changes in CH and CRF after refractive surgery procedures (LASIK, UV-A cross-linking, keratoplasty) and in other corneal disorders (keratoconus, corneal dystrophies).

Conclusions

CRF and CH changes may reflect structural changes of the cornea. Thus, the ORA provides valuable information for a better understanding and characterization of the biomechanical condition of the cornea, especially with regard to diseases such as keratoconus and glaucoma.     

角膜力学生物学的研究进展

近年来角膜生物力学已成为研究的热点。随着其研究的深入,逐渐产生了一门新兴的交叉学科—— 力学生物学。力学生物学是从细胞、分子、基因水平应用力学原理和方法研究生物体中的力学过程 与生物学过程之间的相互关系的一门学科。角膜在眼内压的作用下处于复杂的力学环境中,各种疾 病、手术等会导致其受力环境的改变。力学刺激会对角膜组织和细胞产生生物学影响,对此进行研 究对于认识和理解角膜的生理病理过程、疾病的诊治具有重要意义。现对近年来角膜的力学生物学 研究现状及相关进展进行阐述,以期为角膜相关力学生物学研究提供新的研究方向和思路。