基于小動物超聲影像系統(tǒng)的高眼壓下在體兔眼虹膜形態(tài)變化研究*

張昆亞 錢秀清 劉志成*

青光眼是由高眼壓、年齡及遺傳等因素聯(lián)合作用產生的以特征性視盤結構、視神經(jīng)纖維結構及視功能缺損為共同特征的疾病[1]。高眼壓是青光眼的重要病理特征，虹膜形態(tài)變化是某些青光眼類型的重要表現(xiàn)形式，如色素性青光眼虹膜向后凹陷[2-3]；閉角型青光眼虹膜會向前膨隆[4-5]。因此，研究高眼壓過程下的虹膜形態(tài)變化有利于認識青光眼的病程發(fā)展。

虹膜變形的相關研究主要依賴于虹膜形態(tài)圖像，目前的成像設備主要為眼前節(jié)圖像主要通過超聲生物顯微鏡(ultrasound biomicroscopy， UBM)和眼前節(jié)光學相干斷層掃描儀(anterior segment optical coherence tomography，AS-OCT)。UBM是利用B型超聲的成像原理，以高頻超聲作為探測能源，對眼組織進行掃描，形成完整的眼前節(jié)二維斷面圖像，其具有實時、分辨率高、定量等特點。AS-OCT是基于生物組織的不同光學散射性，將近紅外低相干光照射到待測組織，依據(jù)光的相干性產生干涉從而實現(xiàn)對淺層生物組織進行橫斷面成像和定量分析的新技術。而小動物超聲影像系統(tǒng)主要由高頻探頭和信號處理系統(tǒng)所構成，具有高分辨率(可達30 μm)，無創(chuàng)性，可實時連續(xù)進行小動物活體結構及功能觀察、精確測量及細微構造分析的特點，影像的攝取、標示、儲存、實時等符合小動物實驗的要求。小動物超聲影像設備Vevo 770在成像精度、穩(wěn)定性等方面均具有優(yōu)勢，已被應用于高眼壓下虹膜位移變化的相關研究[6-7]。因此，本研究擬建立急性高眼壓動物模型，借助小動物超聲系統(tǒng)Vevo 770拍攝眼前節(jié)圖像，進而獲得虹膜形態(tài)變化在眼壓升高過程中的規(guī)律。

1 實驗設計

臨床高眼壓下在體虹膜形態(tài)變化的研究中，只有出現(xiàn)瞳孔阻滯時，虹膜形態(tài)才能發(fā)生變化，即出現(xiàn)向前膨隆或向后凹陷。正常情況下，由于房水從后房流向前房，眼前后房存在較小的壓力梯度，但這種梯度不足以使眼虹膜發(fā)生形態(tài)變化。預實驗結果表明，通過對前房進行快速灌注，使眼內壓升高，造成反向瞳孔阻滯，眼虹膜形態(tài)會發(fā)生變化。實驗過程中，利用Vevo770型小動物超聲影像系統(tǒng)記錄眼前節(jié)的形態(tài)變化圖像，同時記錄眼內壓數(shù)值和虹膜形態(tài)圖像，通過數(shù)據(jù)處理，獲得虹膜形態(tài)隨眼內壓的關系。

2 材料和方法

2.1 實驗動物

選用8只成年新西蘭白兔，體重為2.5～3.0 kg，普通級，雌雄不拘，無眼疾，由首都醫(yī)科大學實驗動物中心提供。實驗過程中對動物的處置方法符合動物倫理學要求。

2.2 實驗裝置

實驗裝置主要包括前房灌注裝置、眼內壓記錄裝置和眼前節(jié)圖像獲取裝置。前房灌注裝置為Harvard PHD2000型微量注射泵(美國Harvard Apparatus公司)，對在體兔眼前房以100μl/min的速度進行快速灌注；眼內壓記錄裝置由壓力傳感器、橋式放大器及采集軟件(AD Instrument)構成，實時記錄眼內壓的變化。利用Vevo770型小動物超聲影像系統(tǒng)(加拿大FUJIFILM VisualSonics公司)記錄眼前節(jié)的形態(tài)變化圖像(如圖1所示)。

圖1 實驗裝置示意圖

2.3 實驗步驟

稱重8只新西蘭白兔，采用濃度為20%的烏拉坦溶液以7.5 ml/kg的劑量經(jīng)耳緣靜脈進行麻醉后固定動物，利用鹽酸丙美卡進行眼表局部麻醉。連接裝置，將壓力傳感器調至零。取24 G的Y型靜脈留置針(BD REF383405)于角鞏膜緣以水平向上30°左右進針，針尖于虹膜上方進入前房，到達瞳孔中央上方時將針芯退出，待穩(wěn)定后記錄初始眼壓數(shù)值。對眼涂耦合劑，調整超聲探頭至圖像清晰，記錄眼前節(jié)的初始形態(tài)。微量注射泵以100 μl/min流速注入生理鹽水，眼壓達到120 mmHg時停止。注水過程中，小動物超聲影像系統(tǒng)實時記錄眼前節(jié)形態(tài)圖像，記錄間隔為6 s。傳感器實時記錄8只新西蘭白兔眼內壓8個樣本的變化。

2.4 虹膜形態(tài)特征指標的定義及獲取

依據(jù)文獻，選取虹膜前凸量、晶體-虹膜接觸距離和前房深度作為特征指標進行研究(如圖2所示)。

圖2 前房形態(tài)特征指標的定義示圖

選取虹膜上表面距離根部最近的特征點A作為虹膜遠端，虹膜前凸量C至D表示為虹膜上表面到A至B的最大距離，該指標表征虹膜截面上輪廓的變化。晶體-虹膜接觸距離表示晶體和虹膜的接觸距離，圖中用B至E表示，表征反向瞳孔阻滯程度。前房深度表示角膜下表面頂點到晶體最高點的距離，圖中用G至H表示，表征實驗過程中虹膜位置的變化?？紤]到動物的個體差異及拍攝角度等因素的影響，前房深度采用相對量表示，即實驗過程中前房深度的變化量與正常眼壓下的前房深度比值的百分比。

3 結果

3.1 虹膜形態(tài)隨眼內壓的變化

實驗過程中，晶體及虹膜內緣后移，前房深度增加，虹膜由初始的稍有弧度變成完全平直狀，隨著眼內壓的升高，虹膜與晶體接觸面積逐漸變大，與晶體的接觸使虹膜在某點上出現(xiàn)反折。虹膜形態(tài)隨眼內壓的變化如圖3所示。

3.2 虹膜形態(tài)特征指標隨眼內壓的變化

(1)當眼內壓低于60 mmHg時，虹膜前凸量、晶體-虹膜接觸距離及前房深度變化均隨著眼內壓的升高而增大，與眼內壓近似呈線性關系。隨著眼內壓的繼續(xù)升高，特征指標的變化緩慢，并逐漸趨于穩(wěn)定(如圖4所示)。

圖3 虹膜形態(tài)隨眼內壓變化的超聲圖像序列圖

圖4 虹膜前凸量隨眼內壓的變化曲線圖

(2)眼內壓低于60 mmHg時，將虹膜形態(tài)特征指標與眼內壓進行線性擬合，觀察其斜率(k)值和擬合度(R2)情況。虹膜前突量、晶體-虹膜接觸距離、前房深度對應的斜率K1、K2和K3分別為(-3.3±1.5)μm/mmHg、(11.4±6.6)μm/mmHg和(0.12±0.02)%/mmHg(見表1，如圖5所示)。

圖5 晶體-虹膜接觸隨眼內壓的變化曲線圖

(3)對比上述3組斜率發(fā)現(xiàn)，前房深度隨眼內壓變化對應的K3較穩(wěn)定。當眼內壓升高相同幅度時，前房深度變化最顯著，晶體-虹膜接觸距離次之，虹膜前突量變化最不敏感。在體兔眼眼前節(jié)形態(tài)及虹膜形態(tài)隨著眼內壓呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，眼內壓低于60 mmHg時，將虹膜形態(tài)特征指標與眼內壓進行線性擬合，其結果見表1。

虹膜前突量、晶體-虹膜接觸距離、前房深度對應的斜率K1、K2和K3分別為(-3.30±1.50)μm/mmHg、(11.40±6.60)μm/mmHg和(0.12±0.02)%/mmHg(如圖6所示)。

圖6 前房深度隨眼內壓的變化曲線圖

表1 虹膜形態(tài)特征指標與眼內壓的線性擬合結果

表2 虹膜形態(tài)變化特征指標對應的穩(wěn)定眼內壓數(shù)值匯總

圖4、圖5和圖6顯示，隨著眼內壓的升高，虹膜形態(tài)特征指標變化緩慢，最終達到穩(wěn)定。本研究對特征指標的穩(wěn)定作如下定義：①眼內壓達到某一數(shù)值后，后一時刻與當前時刻某特征指標的相對變化低于5%，虹膜形態(tài)變化指標被認為趨于穩(wěn)定，對應的眼內壓定義為穩(wěn)定眼內壓；②所有樣本的前房深度均達到穩(wěn)定；③樣本2的虹膜前凸量未達到穩(wěn)定；④樣本2和5的晶體-虹膜接觸距離未達到穩(wěn)定；⑤當眼內壓分別達到97.37 mmHg、87.04 mmHg和84.25 mmHg時，對應的虹膜前凸量、晶體-虹膜接觸距離、前房深度分別穩(wěn)定于-0.35 mm、0.90 mm和7.78%。故前房深度最先趨于穩(wěn)定，虹膜前凸量最后穩(wěn)定。各特征指標對應的穩(wěn)定眼內壓數(shù)值見表2。

4 討論

關于虹膜形態(tài)變化，本研究基于眼前節(jié)圖像，研究了高眼壓下在體兔眼虹膜的形態(tài)變化，也有研究者對虹膜形態(tài)變化開展了系列的相關研究：①通過多項生物學參數(shù)量化了眼前房及虹膜的形態(tài)[8-11]；②比較了青光眼患者和正常人在眼前節(jié)形態(tài)結構上的差別，前房深度、前房面積、虹膜厚度、房角開放距離和晶體拱高等前房生物學參數(shù)被用來對多種類型青光眼進行區(qū)分[9，12]；③研究了閉角與虹膜的生物學參數(shù)之間的關系，結果表明，不同人種的虹膜插入房角位置存在差異[13-15]。暗室激發(fā)實驗后青光眼患者的虹膜膨隆高度、虹膜面積和厚度的變化均大于正常人。瞳孔放大30 min后閉角型青光眼患者的虹膜體積有所增加[16]。閉角型青光眼患者的瞳孔收縮加速快于開角型青光眼患者，沿著虹膜徑向方向的瞳孔加速分量偏低，垂直晶體前表面方向的分量提高[17]。對比了虹膜周邊切除術前、術后的眼前節(jié)形態(tài)變化，并對手術效果進行評估[18]?？梢?，已有的研究主要針對臨床，也只關注了虹膜形態(tài)變化的最終結果，對變化的過程并未涉及。而本研究基于小動物超聲影像系統(tǒng)獲取的眼前節(jié)圖像，研究了眼壓升高過程中在體兔眼虹膜形態(tài)的變化，獲得了虹膜形態(tài)隨眼內壓的變化規(guī)律，為高眼壓性青光眼的發(fā)病過程解釋提供了實驗基礎。

關于實驗結果，灌注初期眼內壓低于30 mmHg時，前房和玻璃體間瞬時形成較大壓強差，晶體向后移位。而虹膜由于受到括約肌、開大肌等的聯(lián)合作用，其位置及形態(tài)變化不顯著，與晶體未形成明顯接觸。隨著眼內壓的增加，虹膜內緣明顯向后移位，晶體繼續(xù)后移，二者接觸逐漸明顯，反向瞳孔阻滯形成。晶體位置后移減緩最終達到穩(wěn)定，前房深度不再變化。

本研究中，樣本2和樣本7，在前房深度穩(wěn)定前，晶體-虹膜接觸較少，后續(xù)的快速灌注會使得虹膜迅速大面積接觸晶體，二者接觸瞬時達到最大，其他樣本的晶體-虹膜接觸則逐漸達到最大。隨著晶體虹膜接觸區(qū)域達到最大，虹膜出現(xiàn)局部塌陷或明顯反折，此時，虹膜前凸量達到最大。三者的穩(wěn)定點存在時間差異，前房深度最先穩(wěn)定，晶體-虹膜接觸次之，虹膜前凸量最后穩(wěn)定，與表2結果一致。由于樣本的個體差異，樣本5的前房深度穩(wěn)定對應的穩(wěn)定眼內壓為96.76 mmHg，至實驗結束時虹膜前凸量和晶體-虹膜接觸未達到穩(wěn)定。當眼內壓介于30～60 mmHg范圍時，前房深度與眼內壓基本呈線性關系。前房深度與眼內壓的線性變化規(guī)律與文獻[19]一致，但由于二者的灌注方法和壓強范圍不同，因此數(shù)據(jù)不具可比性。

本研究對正常動物在急性高眼壓下虹膜形態(tài)隨眼內壓的變化為相關研究提供了方法，考慮到慢性高眼壓更有助于認識青光眼的病程發(fā)展和虹膜特性的變化，因此后續(xù)研究將本研究方法應用于慢性高眼壓動物模型造模的不同時間點，找到眼內壓與虹膜力學表現(xiàn)之間的關系，從而豐富對青光眼的認識。

5 結語

本研究采用前房穿刺法對在體兔眼進行快速灌注，形成反向瞳孔阻滯，在體虹膜形態(tài)發(fā)生明顯變化，借助小動物超聲影像裝置記錄眼壓升高過程中的眼前節(jié)形態(tài)圖像，通過圖像和數(shù)據(jù)處理，可得到虹膜形態(tài)隨眼內壓變化的規(guī)律。