可視化角膜生物力學(xué)分析儀評(píng)估角膜生物力學(xué)特性的研究進(jìn)展

田 磊，黃一飛

解放軍總醫(yī)院 眼科，北京 100853

可視化角膜生物力學(xué)分析儀評(píng)估角膜生物力學(xué)特性的研究進(jìn)展

田 磊，黃一飛

解放軍總醫(yī)院 眼科，北京 100853

可視化角膜生物力學(xué)分析儀(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)是一種聯(lián)合Scheimpflug高速攝像和氣沖印壓技術(shù)測(cè)量角膜生物力學(xué)的新設(shè)備。該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)記錄角膜受壓形變的整個(gè)過(guò)程，記錄形變過(guò)程參數(shù)分析角膜生物力學(xué)特性。本文就Corvis ST測(cè)量原理、操作方法、測(cè)量參數(shù)的可靠性和臨床應(yīng)用情況做一綜述。

角膜生物力學(xué)；可視化角膜生物力學(xué)分析儀；眼內(nèi)壓；圓錐角膜

角膜組織是生物黏彈性材料，其生物力學(xué)性質(zhì)對(duì)角膜形狀和透明度的維持、屈光手術(shù)的設(shè)計(jì)、人工角膜的研發(fā)等有重要作用；對(duì)角膜疾病如圓錐角膜、角膜變性、角膜外傷修復(fù)等的診斷與治療有重要參考價(jià)值。此外，角膜生物力學(xué)特性還會(huì)影響眼內(nèi)壓的測(cè)量結(jié)果，并且是青光眼視神經(jīng)疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[1-4]。目前，角膜生物力學(xué)特性評(píng)價(jià)多局限于體外研究以及對(duì)角膜的有限元模型分析[5-7]。這些方法很難直接應(yīng)用于臨床疾病的診斷和治療過(guò)程，因此建立活體角膜生物力學(xué)測(cè)量方法成為目前研究的熱點(diǎn)。眼反應(yīng)分析儀(ocular response analyzer，ORA)是第一個(gè)臨床應(yīng)用評(píng)估活體角膜生物力學(xué)特性的設(shè)備，其采用動(dòng)態(tài)雙向壓平原理，在測(cè)量眼壓的同時(shí)評(píng)價(jià)角膜的黏滯性和抵抗因子[8]。但有學(xué)者認(rèn)為ORA尚未建立測(cè)量參數(shù)與經(jīng)典生物力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，無(wú)法直接展示角膜生物力學(xué)特性[9]。此外，其他一些非侵襲性活體角膜生物力學(xué)測(cè)量方法也有相關(guān)報(bào)道，包括剪切波傳播測(cè)量法，布里淵光學(xué)顯微鏡法，相干光斷層掃描法等，但上述方法均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還沒(méi)有商用設(shè)備應(yīng)用于臨床[10-13]。近期，一種新型的聯(lián)合Scheimpflug高速攝像和氣沖印壓技術(shù)測(cè)量角膜生物力學(xué)的設(shè)備-可視化角膜生物力學(xué)分析儀(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)應(yīng)用于臨床。該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)記錄角膜受壓形變的整個(gè)過(guò)程，并記錄形變過(guò)程參數(shù)分析角膜生物力學(xué)特性。本文就Corvis ST測(cè)量原理、操作方法、測(cè)量參數(shù)的可靠性和臨床應(yīng)用情況做一綜述。

1 測(cè)量原理

Corvis ST(軟件版本1.00r30)采用氣沖印壓技術(shù)引起角膜壓陷形變，同時(shí)Scheimpflug高速相機(jī)動(dòng)態(tài)記錄角膜中央水平截面的形變?nèi)^(guò)程，經(jīng)系統(tǒng)軟件分析后慢動(dòng)作顯示在控制面板上，同時(shí)角膜形變幅度圖、角膜壓平長(zhǎng)度圖和角膜形變速率圖也被記錄下來(lái)。Corvis ST配備的Scheimpflug高速相機(jī)最高采集速率為4 330張圖像/s，采集范圍為8.5 mm直徑，圖像分辨率為640×480像素。Corvis ST在大約30 ms的采集時(shí)間內(nèi)，記錄了140張角膜形變過(guò)程的斷層圖像，每張圖像有576個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)圖形軟件分析找出角膜上下輪廓邊緣，并分別以紅色和綠色示蹤線標(biāo)記，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)間兩示蹤線的位置信息記錄角膜形變過(guò)程參數(shù)，進(jìn)而分析角膜生物力學(xué)特性。Corvis ST測(cè)量時(shí)發(fā)出的脈沖氣流為一束精確計(jì)算的機(jī)械壓縮空氣，其空氣脈沖呈中心軸對(duì)稱形態(tài)發(fā)出，設(shè)備空氣壓縮管道內(nèi)的最大泵壓穩(wěn)定在25 kPa，以確保每次發(fā)從的空氣脈沖壓力相同。Corvis ST測(cè)量過(guò)程開(kāi)始，角膜在氣流作用下向內(nèi)凹陷運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程中角膜會(huì)達(dá)到一個(gè)壓平狀態(tài)(即第一壓平狀態(tài))，之后角膜繼續(xù)向內(nèi)凹陷形變達(dá)到最大壓陷深度(即最大壓陷狀態(tài))，此時(shí)會(huì)有一個(gè)短暫的振蕩周期。由于氣流作用的減弱至消失和眼內(nèi)壓及角膜黏彈性的性質(zhì)，角膜開(kāi)始返回到初始狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程中角膜再次經(jīng)歷一次壓平狀態(tài)(即第二壓平狀態(tài))，之后角膜恢復(fù)到初始狀態(tài)，角膜形變過(guò)程結(jié)束。由于氣流的動(dòng)態(tài)性和角膜自身的生物力學(xué)特性(如彈性、黏滯性等)，使得兩次壓平狀態(tài)不一致[14]。

2 測(cè)量過(guò)程及記錄參數(shù)

本檢查無(wú)需表面麻醉，不接觸角膜。在計(jì)算機(jī)中輸入患者信息，讓被檢者將下頜置于設(shè)備的下頜墊上，前額靠在前額托上，被檢者眨眼數(shù)次后睜大雙眼，注視中央固視紅點(diǎn)。設(shè)備正面監(jiān)視攝像頭上安裝有角膜曲率計(jì)投影系統(tǒng)能夠聚焦和對(duì)準(zhǔn)角膜頂點(diǎn)，檢查者使用自動(dòng)模式控制操縱桿按屏幕提示進(jìn)行瞄準(zhǔn)和對(duì)焦，當(dāng)達(dá)到第一個(gè)浦氏反射時(shí)，自動(dòng)發(fā)射空氣脈沖印壓角膜形變，測(cè)量過(guò)程開(kāi)始。一些表面欠規(guī)整或者透光度差的角膜，自動(dòng)對(duì)焦困難，可選擇通過(guò)按操縱桿中央部測(cè)量按鈕手動(dòng)測(cè)量。

Corvis ST記錄下角膜形變的動(dòng)態(tài)全過(guò)程，獲得反應(yīng)角膜生物力學(xué)特性的相關(guān)形變參數(shù)，包括：第一/第二壓平時(shí)間(the first/second applanation time，A-time1/A-time2)， 即 角膜從初始狀態(tài)至第一/第二壓平狀態(tài)的時(shí)間；第一/第二壓平長(zhǎng)度(the first/second applanation length，A-length1/A-length2)，即角膜從初始狀態(tài)至第一/第二壓平狀態(tài)時(shí)角膜水平截面壓平長(zhǎng)度；第一/第二壓平速率(corneal velocity during the first/second applanation moment，Vin/Vout)，即第一/第二壓平狀態(tài)時(shí)角膜頂點(diǎn)的瞬時(shí)速率；最大壓陷時(shí)間(time from the start until the highest concavity，HC-time)，即角膜從初始狀態(tài)至最大壓陷狀態(tài)的時(shí)間；最大壓陷曲率半徑(central curvature radius at highest concavity，HC-radius)，即達(dá)到最大壓陷狀態(tài)時(shí)角膜反向曲率半徑；最大壓陷屈膝峰間距(distance of the two surrounding “knee's” at highest concavity，PD)，即最大壓陷狀態(tài)時(shí)角膜兩個(gè)屈膝峰之間的距離；最大形變幅度(deformation amplitude，DA)，即角膜從初始狀態(tài)達(dá)最大壓陷狀態(tài)時(shí)角膜頂點(diǎn)間垂直距離。Corvis ST還根據(jù)角膜形變過(guò)程及第一壓平狀態(tài)計(jì)算了眼內(nèi)壓(intraocular pressure，IOP)；根據(jù)初始狀態(tài)中央水平截面圖測(cè)量了該截面角膜中央點(diǎn)的厚度(central corneal thickness，CCT)。

3 參數(shù)可靠性

新設(shè)備應(yīng)用于臨床，需要評(píng)估參數(shù)測(cè)量的重復(fù)性和一致性，這樣才能了解設(shè)備應(yīng)用的可靠性。Hon和Lam[15]應(yīng)用Corvis ST測(cè)量37名正常角膜志愿者發(fā)現(xiàn)，測(cè)量參數(shù)中重復(fù)性最好的是CCT(ICC：0.96)，其次是DA、A-time1和IOP(ICC：0.80、0.77和0.75)，其余參數(shù)重復(fù)性較差。由于軟件版本限制，Hon等的研究未測(cè)量參數(shù)PD和HC-radius。Nemeth等[16]也有相似的結(jié)論，重復(fù)性最好的是CCT，其次分別是IOP、A-time1和DA，其余參數(shù)ICC均＜0.6，并發(fā)現(xiàn)PD和HC-radius的ICC分別為0.216和0.56。分析部分參數(shù)重復(fù)性較弱的原因可能為，角膜黏彈性和各向異性使角膜每次受壓形變情況不盡相同；設(shè)備的部分參數(shù)獲取對(duì)外界條件敏感性高，較難精確計(jì)算從而出現(xiàn)誤差。

Hong等[17]應(yīng)用Corvis ST、非接觸眼壓計(jì)(nonconnect tonometer，NCT)和Goldmann眼 壓 計(jì)(goldmann applanation tonometer，GAT)測(cè)量23例正常志愿者和36例青光眼患者的IOP，發(fā)現(xiàn)Corvis ST與另外兩種測(cè)量方法測(cè)量IOP的一致性好。Reznicek等[18]在IOP測(cè)量一致性方面報(bào)道了相似的結(jié)論，并且對(duì)比了Corvis ST和超聲測(cè)量的CCT，發(fā)現(xiàn)兩組相關(guān)性明顯，測(cè)量一致性好。

4 臨床應(yīng)用

Corvis ST作為一種新型非接觸眼壓計(jì)，于2012年11月通過(guò)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(food and drug administration，F(xiàn)DA)認(rèn)證，我國(guó)于2013年應(yīng)用于臨床研究。由于設(shè)備尚未廣泛應(yīng)用，所以臨床數(shù)據(jù)有限，相關(guān)研究報(bào)道主要集中于設(shè)備測(cè)量參數(shù)的重復(fù)性和一致性。近期有報(bào)道介紹，Corvis ST臨床應(yīng)用于測(cè)量眼壓；診斷圓錐角膜和評(píng)估角膜交聯(lián)術(shù)效果。

Corvis ST是唯一能夠觀察到角膜受氣沖印壓形變?nèi)^(guò)程的眼壓計(jì)，其測(cè)量的眼壓值接近真實(shí)眼壓值。有研究發(fā)現(xiàn)Corvis ST和GAT測(cè)量的IOP相關(guān)性好，組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但Corvis ST測(cè)量的IOP比GAT和NCT測(cè)得IOP偏低[17]，而Reznicek等[18]的研究發(fā)現(xiàn)Corvis ST比GAT測(cè)得IOP偏高。分析原因可能為兩個(gè)研究中檢測(cè)樣本量數(shù)量不同或者所檢測(cè)人種不同引起的系統(tǒng)誤差導(dǎo)致；組間角膜厚度不同引起的測(cè)量誤差。所以在排查青光眼的臨床應(yīng)用中，還應(yīng)綜合不同設(shè)備的眼壓測(cè)量結(jié)果綜合考慮。Leung等[19]研究發(fā)現(xiàn)角膜生物力學(xué)參數(shù)DA對(duì)GAT測(cè)量精度的影響比CCT貢獻(xiàn)更大，所以角膜生物力學(xué)特性有可能矯正眼壓測(cè)量中受到的CCT和生物力學(xué)特性等相關(guān)干擾因素引起的測(cè)量誤差，這需要更進(jìn)一步深入研究。

圓錐角膜是一種局部角膜擴(kuò)張性疾病，臨床上對(duì)于亞臨床和初期圓錐角膜的診斷還是一個(gè)難題[20]。目前，診斷圓錐角膜的輔助方法主要是角膜地形圖和角膜斷層攝影術(shù)，但是這兩種方法均容易受到淚膜、眼表疾病及角膜接觸鏡佩戴的影響，對(duì)于早期圓錐角膜的診斷具有一定的局限性，而角膜生物力學(xué)特性改變可能在典型角膜形態(tài)學(xué)改變之前發(fā)生[21]。Ambrósio等[22]對(duì)比圓錐角膜和正常角膜后，發(fā)現(xiàn)兩組間大多數(shù)Corvis ST生物力學(xué)參數(shù)差異存在顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但各參數(shù)組間仍存在比較高的重疊區(qū)間，這限制了生物力學(xué)參數(shù)在臨床診斷中的應(yīng)用。但是Ambrósio等通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到新參數(shù)Corvis Combol1，其ROC曲線分析發(fā)現(xiàn)該參數(shù)能夠更好地區(qū)分圓錐角膜與正常角膜。在一項(xiàng)涉及119例正常角膜和19例頓挫圓錐角膜的研究中，Corvis ST和Pentacam參數(shù)聯(lián)合應(yīng)用診斷圓錐角膜，ROC曲線下面積達(dá)到0.999，診斷敏感度和特異度分別為100%和99.2%[23]。我們也研究對(duì)比了90例正常角膜和90例圓錐角膜，并按照Amsler-Krumeich分級(jí)法分為輕度、中度和重度圓錐角膜，ROC曲線分析顯示DA對(duì)于圓錐角膜的診斷效率最高(曲線下面積0.865、敏感度84.5%、特異度75.6%、截?cái)帱c(diǎn)1.14 mm)，并且隨著圓錐角膜嚴(yán)重程度的升級(jí)其診斷效率逐漸提高。

Corvis ST還被用來(lái)評(píng)價(jià)角膜膠原交聯(lián)的有效性。一項(xiàng)FDA支持的試驗(yàn)結(jié)果顯示，角膜交聯(lián)術(shù)后Corvis ST測(cè)量的HC-radius明顯變大，這與預(yù)期交聯(lián)后角膜硬度增加的效果一致[23]。隨著進(jìn)一步深入的研究，Corvis ST的臨床應(yīng)用范圍必將不斷擴(kuò)展，如在角膜屈光手術(shù)術(shù)前篩查、青光眼排查等方面都將起到重要作用。

綜上所述，Corvis ST不僅可以獲得重要的生物力學(xué)參數(shù)，還可以觀察角膜形變過(guò)程，所得主要參數(shù)大部分具有較好的重復(fù)性，并且IOP和CCT的測(cè)量與其他測(cè)量方法一致性較好，已有報(bào)道其在臨床眼壓測(cè)量、圓錐角膜診斷和角膜交聯(lián)術(shù)效果評(píng)估中起到明確的作用，隨著研究的深入，Corvis ST的臨床應(yīng)用范圍必將不斷擴(kuò)展。

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Advances in corneal biomechanical properties of corneal visualization scheimp fl ug technology assessment

TIAN Lei, HUANG Yi-fei
Department of Ophthalmology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China
Corresponding author: HUANG Yi-fei. Email: huangyf301@gmail.com

Corneal visualization scheimp fl ug technology (Corvis ST) is a new device that combines Scheimp fl ug high-speed camera with air-jet indentation system to measure the corneal biomechanics. Corvis ST can monitor the whole process of real-time dynamic corneal deformation, and record the deformation parameters to analyze the corneal biomechanical properties. Measurement principle and operation method, the reliability of parameters and clinical applications of Corvis ST are reviewed in this study.

corneal biomechanics; corneal visualization scheimp fl ug technology; intraocular pressure; keratoconus

R 77

A

2095-5227(2014)05-0502-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.05.029

時(shí)間：2014-02-25 11:11

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140225.1111.001.html

2014-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81271052)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81271052)

田磊，男，在讀博士。研究方向：角膜生物力學(xué)。Email: tianlei0131@163.com

黃一飛，男，博士，主任醫(yī)師，教授。Email: huangyf301@gmail.com