人眼角膜經(jīng)LASIK術(shù)后生物力學(xué)特性的變化

馬 慧, 郭 凱, 張芙蓉, 劉 鴻, 喻貢友

(貴州醫(yī)科大學(xué) 物理教研室，貴州 貴陽 550004)

人眼角膜經(jīng)LASIK術(shù)后生物力學(xué)特性的變化

馬 慧, 郭 凱, 張芙蓉, 劉 鴻, 喻貢友

(貴州醫(yī)科大學(xué) 物理教研室，貴州 貴陽 550004)

力圖從生物力學(xué)的角度，定量、定性研究人眼角膜經(jīng)LASIK手術(shù)后生物力學(xué)特性的變化.研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)LASIK手術(shù)后角膜生物力學(xué)特性(如角膜滯后量CH、角膜阻力系數(shù)CRF等)發(fā)生明顯改變，LASlK術(shù)使CH和CRF降低，降低的原因不僅僅是角膜變薄了，關(guān)鍵是手術(shù)改變了角膜的粘彈性.LASlK術(shù)后角膜生物力學(xué)特性發(fā)生顯著變化，角膜生物力學(xué)特性的改變將對LASIK術(shù)后安全性產(chǎn)生影響.

LASIK；角膜；眼反應(yīng)分析儀；生物力學(xué)

近些年，近視屈光手術(shù)因其良好的預(yù)測性、安全性和有效性，越來越多近視眼患者選擇用手術(shù)方式矯正近視而非佩戴眼鏡.近視眼屈光手術(shù)主要是通過一定的方法增大角膜的曲率半徑，從而降低角膜的屈光度(焦度)，使得遠(yuǎn)處的物體也能清晰成像于視網(wǎng)膜上，從而到達(dá)矯正近視的目的.目前最常用的近視眼屈光手術(shù)為準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)(LASIK)，LASIK應(yīng)用準(zhǔn)分子激光對角膜的基質(zhì)進(jìn)行切削，使角膜中央部變平，從而增大角膜曲率半徑，降低角膜的屈光度.

從生物力學(xué)的角度看，角膜作為活體軟組織，屬于非線性的粘彈性材料.LASIK手術(shù)利用準(zhǔn)分子激光切削角膜的基質(zhì)，改變了角膜中央厚度CCT和基質(zhì)的部分結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生一系列重構(gòu)及力學(xué)方面新的平衡，這是否會影響到角膜的粘彈性，進(jìn)而影響角膜承載大氣壓和眼壓的能力，增加醫(yī)源性角膜膨隆和繼發(fā)性圓錐角膜等手術(shù)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)？本文試圖探討人眼角膜經(jīng)LASIK手術(shù)后生物力學(xué)特性的變化.

1 角膜的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性

從組織學(xué)看，角膜分為5層，由外向內(nèi)分別為：上皮細(xì)胞層、前彈力層、基質(zhì)層、后彈力層、內(nèi)皮細(xì)胞層.基質(zhì)層厚約0.5 mm，占整個角膜厚度的90%，其是角膜承受載荷的主要部分.基質(zhì)層由膠原纖維、角膜細(xì)胞和細(xì)胞外粘性物質(zhì)組成，包含300層平行的連續(xù)的膠原纖維束板層，各相鄰板層交織成一定的角度.與內(nèi)側(cè)基質(zhì)板層相比，外側(cè)基質(zhì)板層間排列更為細(xì)密，擁有更多傾斜分支和交聯(lián)[1]，所以，外側(cè)基質(zhì)比內(nèi)測基質(zhì)承擔(dān)更大的生物力學(xué)作用.上皮細(xì)胞層厚度占角膜厚度的10%，對于角膜的抗張強(qiáng)度幾乎沒有貢獻(xiàn).內(nèi)皮細(xì)胞層厚5 μm，對角膜生物力學(xué)屬性貢獻(xiàn)甚微.前彈力層和后彈力層的彈性模量均比較小，對角膜的粘彈性影響幾乎不用考慮[2].

角膜作為軟組織，對應(yīng)力的反應(yīng)兼有生物膜的彈性和液體的粘性雙重特性，即具有粘彈性.其中角膜的彈性性能主要由基質(zhì)膠原纖維成分和纖維結(jié)構(gòu)所決定，由于基質(zhì)內(nèi)部膠原纖維直徑和纖維數(shù)量的分布不均勻，使得角膜表現(xiàn)出非線彈性(即應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系).而角膜基質(zhì)包含80%的水分，主要決定了角膜的粘滯性.粘彈性材料在受到應(yīng)力時將發(fā)生形變，繼而有力學(xué)能量的損失，所損失的力學(xué)能量被定義為材料的“滯后性”，用滯后量來反映.角膜的滯后量用CH表示.角膜的CH值與其彈性模量正相關(guān)，通常，角膜厚度越大，則粘彈性越高、滯后性越大.不同的人CH值存在個體差異，但同一人的CH值恒定不變[3].角膜生物力學(xué)特性另一重要指標(biāo)為角膜阻力因子CRF，用以表示角膜對外力作用的總體反應(yīng)，是測量角膜粘滯性和彈性累積效應(yīng)的指標(biāo).

2 角膜生物力學(xué)特性的測量

角膜生物力學(xué)特性的測量分為離體測量、活體測量.

定量測量離體角膜力學(xué)特性最常用的方法為軸向拉伸實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)將角膜切成長條狀測試樣本，再將樣本固定于拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上，在一定溫度、濕度條件下對樣本進(jìn)行軸向拉伸，以獲得角膜力學(xué)性能.軸向拉伸實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)為：實(shí)驗(yàn)破壞了角膜的完整性，角膜膠原纖維原始形態(tài)、走行被破壞，導(dǎo)致測量結(jié)果并不能真實(shí)體現(xiàn)角膜整體力學(xué)性質(zhì)；另外，為了防止角膜水腫、皺縮，實(shí)驗(yàn)時需特別控制好離體角膜的水合作用，盡管如此，實(shí)驗(yàn)樣本仍與活體角膜的自然水合狀態(tài)具有顯著差異[4-5].有文獻(xiàn)報(bào)道過角膜膨脹試驗(yàn)也能離體測量角膜力學(xué)特性，該實(shí)驗(yàn)保證了角膜組織的完整性，但由于角鞏緣的破壞仍不能呈現(xiàn)完整眼球活體狀態(tài)時的特征.

目前，眼反應(yīng)分析儀(ORA)是最常用的測量活體角膜生物力學(xué)性能的儀器.ORA先采用空氣脈沖在角膜上產(chǎn)生壓力，使其變形，再用光電信號監(jiān)視其變形.空氣脈沖使角膜向內(nèi)移，變得扁平，達(dá)到第一次壓平.數(shù)秒后，空氣脈沖關(guān)閉，眼球壓力下降，角膜回到原位.此過程中，角膜又一次處于扁平，達(dá)到第二次壓平.內(nèi)外兩次壓平產(chǎn)生兩個眼壓值P1、P2.角膜粘彈性特征使得P1、P2值不同，利用波形分析公式并結(jié)合兩個值的差異，可推導(dǎo)出角膜的生物力學(xué)特性參數(shù)：(1)模擬Goldmann眼壓IO Pg為P1和P2平均值；(2)角膜補(bǔ)償眼壓IOPcc=P2-kP1，k是常數(shù)0.43；(3)角膜生物力學(xué)特性的重要指標(biāo)CH=P1-P2，CH表現(xiàn)了角膜的粘彈性，反映了角膜吸收或消散能量的能力；(4)角膜阻力因子CRF=P1-kP2，k=0.7[6]，CRF反映了角膜的硬度，是其生物力學(xué)性能指標(biāo)，表示空氣脈沖在壓迫角膜過程中受的粘性阻力和彈性阻力的總和.ORA精度好，用于測量活體角膜，可反映LASIK手術(shù)前后角膜生物力學(xué)性能的變化.

3 LASIK手術(shù)安全性、可行性分析

目前，最常用的近視屈光矯正術(shù)為LASIK.LASIK手術(shù)原理：采用一把精密的自動微型角膜板層切削刀，在角膜表面中央處切削直徑約8 mm、厚約0.16 mm的帶蒂板層“角膜瓣”，翻轉(zhuǎn)角膜瓣，根據(jù)角膜的厚度和需矯正的屈光度等，應(yīng)用準(zhǔn)分子激光對角膜的基質(zhì)進(jìn)行適量切削，使角膜的中央變平，從而增大其曲率半徑，最后再將角膜瓣復(fù)位.

下面，筆者將從定性和定量的角度嘗試分析LASIK手術(shù)對角膜生物力學(xué)特性的影響.

LASIK手術(shù)未破壞角膜上皮細(xì)胞層和前彈力層的完整性，這將有效規(guī)避術(shù)后霧狀混濁的發(fā)生.然而不可否認(rèn)，LASIK手術(shù)改變了角膜的CCT，當(dāng)激光切削角膜中央前部基質(zhì)時，由于前部基質(zhì)較內(nèi)測基質(zhì)承擔(dān)更大的生物力學(xué)作用，微小的切削厚度將帶來不可忽視的生物力學(xué)性能的改變.隨著切削深度的增大，角膜抵抗眼壓的彈性強(qiáng)度將顯著下降，生物力學(xué)性能的變化，有可能導(dǎo)致角膜變陡、后表面前移，有進(jìn)一步繼發(fā)圓錐角膜和醫(yī)源性角膜膨隆等風(fēng)險(xiǎn).

一直以來，用于預(yù)測準(zhǔn)分子激光角膜切削手術(shù)安全性及可行性的非常重要的指標(biāo)是中央角膜厚度(CCT)，認(rèn)為剩余中央角膜基質(zhì)床的厚度大于280 μm(或大于原來CCT的一半)，手術(shù)就是安全可行的.然而，角膜是具有粘彈性的生物組織，角膜的粘彈性主要由基質(zhì)膠原纖維成分和纖維結(jié)構(gòu)及基質(zhì)包含的水分所決定，角膜基質(zhì)在LASIK手術(shù)切削后將發(fā)生一系列重構(gòu)以及力學(xué)方面新的平衡.單純應(yīng)用CCT這一指標(biāo)預(yù)測角膜屈光手術(shù)安全性，有可能將一些本身角膜生物力學(xué)性能薄弱的患者納入適應(yīng)癥，從而增加手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn).

LASIK手術(shù)將影響角膜生物力學(xué)性能，關(guān)于這一點(diǎn)不難驗(yàn)證，在進(jìn)行LASIK手術(shù)前后用ORA測量患者角膜生物力學(xué)性能，并用A超(測量CCT的金標(biāo)準(zhǔn))或OCT(無創(chuàng)測量CCT)測量LASIK手術(shù)前、手術(shù)后CCT.這方面的相關(guān)研究已有報(bào)道，香港中文大學(xué)教授張銘志對24例(48眼)行LASIK手術(shù)前后角膜生物力學(xué)的測量發(fā)現(xiàn)：患者術(shù)前CH、CRF分別為(9.75±1.79)mmHg、(15.12±2.49)mmHg，手術(shù)6個月后為(6.83±1.32)mmHg、(13.84±2.32)mmHg，術(shù)前后比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)[7].華西醫(yī)院眼科吳東芳對27例(54眼)行LASIK手術(shù)前后角膜生物力學(xué)的測量發(fā)現(xiàn)：術(shù)前CCT、CH、CRF分別為(534.4±25.9)μm、(9.34±2.60)mmHg、(10.07±2.48)mmHg，手術(shù)5個月后為(463.66±25.9)μm、(8.36±1.47)mmHg、(8.32±1.72)mmHg，術(shù)前后比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P=0.00)[8].Pepose等發(fā)現(xiàn)在LASIK手術(shù)后角膜CH值降低，不僅僅是角膜變薄的原因?qū)е逻@種降低，關(guān)鍵是LASIK手術(shù)改變了角膜粘彈性[9].

各種研究結(jié)果均指示同一結(jié)論：患者術(shù)后CH、CRF均比術(shù)前下降；近視患者CH和CRF與CCT之間存在正相關(guān)性，然而并非手術(shù)過程切削的厚度越小對CH、CRF的影響就越小，因?yàn)長ASIK手術(shù)破壞了角膜基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這與定性分析結(jié)果是一致的.

4 結(jié)語

本文從定量和定性的角度分析了人眼角膜經(jīng)LASIK手術(shù)后生物力學(xué)特性的變化.LASIK手術(shù)利用準(zhǔn)分子激光切削角膜的基質(zhì)，改變了角膜CCT和基質(zhì)的部分結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生一系列重構(gòu)及力學(xué)方面新的平衡，故而LASlK術(shù)后角膜生物力學(xué)特性發(fā)生顯著變化，患者術(shù)后CH、CRF均比術(shù)前下降.如果這種改變不是在一個安全的范圍，患者有進(jìn)一步繼發(fā)圓錐角膜和醫(yī)源性角膜膨隆的風(fēng)險(xiǎn).

LASIK術(shù)對角膜生物力學(xué)的改變使我們不得不思考此種手術(shù)的安全性.如果術(shù)前做好足夠全面的檢查和可信的風(fēng)險(xiǎn)評估，對于角膜生物力學(xué)性能薄弱的患者絕不施行手術(shù)；如果制定和實(shí)施手術(shù)計(jì)劃時對于切削體積和切削層面充分考慮安全性；同時，術(shù)后及時、持續(xù)的檢測角膜生物力學(xué)特性各項(xiàng)指標(biāo)，并作出相應(yīng)的評價和補(bǔ)救，這些行為可能將有利于縮小LASIK術(shù)對角膜生物力學(xué)特性的影響.而角膜生物力學(xué)特性的改變，在什么程度下會導(dǎo)致繼發(fā)圓錐角膜和醫(yī)源性角膜膨隆等LASIK術(shù)手術(shù)并發(fā)癥的出現(xiàn)？這還有待進(jìn)一步研究.

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[責(zé)任編輯 馬云彤]

Changes of Biomechanical Properties ofthe Human Eye Cornea After LASIK Surgery

MA Hui, GUO Kai, ZHANG Fu-rong, LIU Hong, YU Gong-you

(Department of Physics, Guizhou Medical University, Guiyang 550004, China)

In this paper, from the angle of biomechanics, it tries to study changes of the biomechanical properties of human eye cornea after LASIK surgery quantitatively and qualitatively. The study found that the biomechanical properties of the cornea after LASIK surgery (such as the lag of the cornea CH, corneal resistance coefficient CRF, etc.) have changed significantly. LASlK surgery reduces the CH and CRF, and the cause of the decrease is more than just a thinning of the cornea, the key is tLASlK surgery changes the viscoelastic properties of the cornea. The biomechanical properties of the cornea after LASlK are significantly changed. The changes of corneal biomechanical properties will affect the safety after LASIK surgery.

LASIK; cornea; ocular response analyzer; biomechanics

1008-5564(2016)06-0071-03

2016-07-18

貴陽醫(yī)學(xué)院基金資助項(xiàng)目(2012035)

馬 慧(1982—)，女，貴州安順人，貴州醫(yī)科大學(xué)物理教研室副教授，主要從事物理學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在眼科醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究.

R778

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