角膜生物力學與光密度相關性研究

李躍祖，梁 剛，張潔瑩，張媛媛，張曉帆，李 俊

0引言

角膜作為眼球組織結構的一部分，起到保護眼內(nèi)組織，應對眼內(nèi)容物壓力，維持眼球形態(tài)的作用，同時是眼球的主要屈光介質(zhì)，承擔了眼屈光系統(tǒng)中43D左右的屈光力。角膜特有的生物力學特性和光學特性，均基于角膜各層組織結構的完整和功能的正常，其中角膜基質(zhì)層厚度占角膜厚度的90%，主要由Ⅰ型膠原纖維和細胞外基質(zhì)組成，其規(guī)則有序的排列可使98%的入射光線通透，使角膜呈相對透明狀態(tài)，同時賦予了角膜彈性、張力及硬度的生物力學特性[1]。目前多有單獨針對角膜光密度、角膜生物力學的研究，認為兩項指標均可以作為評價角膜健康狀況、輔助疾病診斷的有效參考，但缺乏關于角膜生物力學與角膜光密度之間相互關系的研究。

Pentacam HR眼前節(jié)分析系統(tǒng)和可視化角膜生物力學分析儀Corvis ST均采用Scheimpflug圖像采集技術，是臨床中檢查角膜形態(tài)，定量評價全角膜光密度，分析角膜生物力學的常用設備[2-3]。近年來，將兩項檢查相結合分析的Corvis ST & Pentacam生物力學聯(lián)合診斷平臺(CP聯(lián)合診斷平臺)軟件，可以同時對同一患者的眼前節(jié)數(shù)據(jù)(包括角膜光密度)和生物力學數(shù)據(jù)進行綜合分析，在以往單獨Corvis角膜生物力學所提供的角膜壓平寬度、時間、壓陷幅度等指標的基礎上，進一步為臨床提供了直觀的角膜生物力學指數(shù)(CBI)值。Vinciguerra等[4]研究顯示，CBI值對圓錐角膜診斷的敏感度和特異度可達98%以上。本研究旨在借助此設備，探討角膜光密度與角膜生物力學間的關系，并以此提高臨床工作中相關疾病的診療技術。

1對象和方法

1.1對象前瞻性研究。選取2019-03/06在我院眼科屈光中心檢查的健康人群為研究對象。納入標準：(1)年齡18～40歲；(2)除屈光不正外無其他眼部疾病的健康人群；(3)軟性角膜接觸鏡停戴2wk以上、硬性角膜接觸鏡停戴4wk以上、角膜塑形鏡停戴3mo以上；(4)角膜厚度500～600μm，眼壓10～21mmHg，等效球鏡-3.00～-8.00D。排除標準：(1)患有眼科其他疾病如青光眼、白內(nèi)障、圓錐角膜、角膜炎癥活動期或者存在眼底病變、視神經(jīng)病變等；(2)角膜云翳、瘢翳、白斑；(3)有眼部手術史、外傷史；(4)患有全身結締組織疾病、代謝性疾病以及自身免疫性疾?。?5)無法配合檢查者。最終納入患者26例50眼，其中男15例28眼，女11例22眼，年齡18～40(平均22.96±6.62)歲。本次研究經(jīng)云南省第二人民醫(yī)院倫理委員會審批通過，且所有受檢者均已簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1角膜光密度檢測運用Pentacam三維眼前節(jié)分析診斷系統(tǒng)中光密度分析軟件進行測量分析，此設備采用360°旋轉式Scheimpflug攝像掃描原理，利用光學原理對角膜密度進行綜合測量，重復測量3次，以從Pentacam三維眼前節(jié)分析診斷系統(tǒng)上獲取成像質(zhì)量最佳的圖像進行數(shù)據(jù)采集。選取以角膜頂點為中心≤2mm、>2～6mm、>6～10mm直徑范圍的角膜光密度平均值。設備還可得到的10～12mm直徑范圍角膜光密度值，但此范圍測量值受到角膜直徑、眼瞼情況、測量誤差等因素影響變異度較大，故不對其進行分析。依據(jù)不同的厚度層面將角膜分3層分析，前層為距離角膜前表面120μm的層面，后層為距離角膜后表面60μm的層面，中間層為前后層之間的組織。角膜光密度值用灰度值0～100表示，0為完全透明，100為完全混濁不透光。同時選取Pentacam中角膜最薄點厚度值納入研究。

1.2.2角膜生物力學檢查Corvis ST采用氣沖印壓技術引起角膜壓陷形變，借助超高速Scheimpflug圖像采集技術，實時動態(tài)記錄角膜中央水平截面的形變?nèi)^程，經(jīng)系統(tǒng)軟件分析后獲得角膜形變參數(shù)。重復測量3次，選取質(zhì)量最好的一次作為最終測量結果，結果參數(shù)包括：第一次壓平的長度(AP1L)和速率(AP1V)、第2次壓平的長度(AP2L)和速率(AP2V)、最大形變時頂點距離(PD)、曲率半徑(HCR)和形變幅度(DA)。以上檢查均在同一暗室內(nèi)進行，且全部過程中所有受檢者頭部及設備掃描頭均用同一塊黑色遮光布完全遮蓋，由同一名熟練技術人員進行操作。

1.2.3 CP聯(lián)合診斷平臺分析CP聯(lián)合診斷平臺可以將Corvis ST與Pentacam HR的檢測數(shù)據(jù)傳輸至同一臺計算機，通過綜合分析軟件，得出綜合分析數(shù)據(jù)，其中反映角膜生物力學參數(shù)包括：CBI以及其它獨立參數(shù)包括硬度參數(shù)(SP)、綜合半徑(IR)、Ambrosio相關厚度-水平方向(ARTh)、形變幅度比(DAR)。

統(tǒng)計學分析：采用統(tǒng)計學軟件SPSS19.0進行分析。連續(xù)變量經(jīng)單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗其正態(tài)性，符合正態(tài)分布的計量資料用均數(shù)±標準差表示，不服從正態(tài)分布的計量資料以M(P25，P75)表示。角膜光密度參數(shù)與生物力學參數(shù)間相關性采用Pearson相關性或Spearman相關性分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2結果

2.1角膜厚度及各區(qū)域角膜光密度值患者平均角膜厚度為544.90±25.89μm。0～2mm、>2～6mm、>6～10mm各區(qū)域范圍內(nèi)光密度分別為18.95±0.84、17.00±0.59、17.04±2.06，各區(qū)域間光密度值差異有統(tǒng)計學意義(F=35.101,P<0.01)；前、中、后各層光密度分別為26.66±2.18、16.20±1.25、13.36±1.01，各層次間光密度值差異有統(tǒng)計學意義(F=1002.897,P<0.01)。

2.2角膜生物力學指標CBI與獨立生物力學參數(shù)AP2L、AP2V、PD、DA、SP、IR、ARTh、DAR有相關性(均P<0.05，表1)，提示CBI值大小受多個獨立生物力學參數(shù)共同影響。

2.3 CBI與角膜光密度指標相關性分析CBI與0～2mm范圍內(nèi)角膜光密度值呈正相關(r=0.343，P<0.05)，與其他區(qū)域和各層次光密度均無相關(P>0.05，表2)。

2.4 0～2mm范圍內(nèi)光密度與生物力學參數(shù)相關性0～2mm范圍內(nèi)光密度與獨立生物力學參數(shù)中的AP2L、IR、ARTh、DAR有相關性(rs=-0.298、0.368、-0.419、0.493，P=0.035、0.009、0.002、<0.01)，與AP1L、AP1V、AP2V、PD、HCR、DA、SP無相關性(rs=-0.175、0.065、-0.057、-0.030、-0.243、0.132、-0.085，P=0.225、0.653、0.693、0.838、0.089、0.360、0.559，表3)。表明AP2L、IR、ARTh、DAR是0～2mm范圍內(nèi)光密度與CBI的共同影響因素，二者通過這幾項獨立的生物力學指標而產(chǎn)生相關性。

3討論

角膜獨特的生物力學取決于各層組織獨特的結構特性，其中基質(zhì)層由致密排列有序的膠原纖維束薄板組成，其厚度占角膜的90%，其中所含有的水份、膠原纖維、黏蛋白、糖蛋白等成分使角膜成為一種既堅韌又富于彈性的軟組織結構[5]。Elsheikh等[6]在人類供體眼中顯示，上皮對角膜硬度的貢獻遠低于基質(zhì)的貢獻，基質(zhì)層作為決定角膜生物力學性質(zhì)的主要結構。有學者[7-8]對圓錐角膜患者的觀察發(fā)現(xiàn)，在進行了角膜膠原交聯(lián)術后，角膜的生物力學發(fā)生了顯著變化。另外在對多種角膜屈光手術的研究中[9-11]，也發(fā)現(xiàn)在屈光手術后，由于角膜基質(zhì)的減少以及基質(zhì)膠原的改變，術后生物力學參數(shù)下降，進一步說明基質(zhì)層中的膠原纖維對角膜生物力學起著至關重要的作用。

Pentacam系統(tǒng)通過對角膜Scheimpflug圖像進行分析，采用灰度值對角膜的透明性進行定量、定位評價，使角膜光密度指標成為一種評價角膜健康狀況的有效指標[2]。角膜基質(zhì)內(nèi)膠原纖維整齊排列，以及完整的角膜上皮和內(nèi)皮細胞是保持角膜透明的重要因素，其中膠原纖維的致密排列在角膜透明度中起到極其重要的作用[12]。病理狀態(tài)下，角膜基質(zhì)細胞由靜止狀態(tài)轉變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，分化為成纖維細胞和肌成纖維細胞，導致透明度下降[13]，表現(xiàn)在Pentacam光密度檢測中即為光密度值增加。

角膜基質(zhì)在角膜生物力學和角膜光密度方面均扮演著重要角色，那么兩種指標之間是否存在相互聯(lián)系呢？?zyol等[14]運用Pentacam對糖尿病患者角膜光密度的觀察顯示，糖尿病患者角膜中心0～2mm范圍及前層光密度明顯高于正常人，并且光密度值隨糖尿病病程延長而增加，認為角膜光密度的變化可以被當作評估角膜病理生理超微結構變化的反應指標。同樣是以糖尿病患者為研究對象的一項研究中，Pérez-Rico等[15]對運用Corvis ST對糖尿病患者角膜生物力學的研究表明，糖尿病患者角膜生物力學參數(shù)中的眾多指標與正常人具有顯著差異。兩項研究均認為，其研究結果差異性的產(chǎn)生均與糖尿病患者角膜中糖基化終產(chǎn)物的累積導致的基質(zhì)膠原結構變化，角膜細胞活化和膠原纖維重排等一系列反應有關。

表1 CBI與各獨立生物力學參數(shù)相關性分析

獨立生物力學參數(shù) x±sCBI0.02(0,0.41)rsPAP1L(mm)2.34±0.27-0.0420.771AP1V(m/s)0.12(0.11,0.13)0.1910.185AP2L(mm)2.00±0.28-0.502<0.01AP2V(m/s)-0.24±0.03-0.4570.001PD(mm)4.71±0.280.4280.002HCR(mm)6.58±0.70-0.1970.169DA(mm)0.95±0.090.539<0.01SP113±15.03-0.687<0.01IR8.02±0.830.716<0.01ARTh477.15±79.26-0.728<0.01DAR4.19±0.380.750<0.01

表2 CBI與光密度相關性分析

區(qū)域CBIrP0^2mm0.3430.015>2^6mm0.0650.652>6^10mm-0.0840.563前層-0.0740.608中層0.0800.579后層0.1290.372

表3 0～2mm光密度與各獨立生物力學參數(shù)相關性分析

參數(shù)0^2mm光密度rsPAP1L-0.1750.225AP1V0.0650.653AP2L-0.2980.035AP2V-0.0570.693PD-0.0300.838HCR-0.2430.089DA0.1320.360SP-0.0850.559IR0.3680.009ARTh-0.4190.002DAR0.493<0.01

多項運用Pentacam對圓錐角膜光密度的研究[16-18]發(fā)現(xiàn)，圓錐角膜光密度高于正常人群，亞臨床圓錐角膜患者，即使裂隙燈下未發(fā)現(xiàn)明顯的角膜混濁等體征，其角膜光密度也高于正常角膜，尤其在角膜中央?yún)^(qū)域，具有更高的光密度值。對于圓錐角膜生物力學的研究中[19-21]也發(fā)現(xiàn)，圓錐角膜的生物力學發(fā)生了明顯的改變，其硬度、粘滯力等指標均較正常角膜明顯降低?？梢?，在角膜相關疾病中，角膜光密度及其生物力學均發(fā)生了變化，均可以作為評價疾病的有效指標，且兩項指標的變化存在部分共同的影響因素，然而這些研究均從單一角度進行研究，對角膜生物力學與光密度之間的關系未進行深入觀察。本次研究結果顯示，CBI值與角膜光密度的各項指標中的0～2mm范圍內(nèi)光密度具有相關性，此范圍內(nèi)的光密度與Corvis ST中AP2L、IR、ARTh、DAR具有相關性，由此，我們推斷0～2mm范圍內(nèi)的光密度大小主要是與以上4項指標相互聯(lián)系從而與CBI值大小產(chǎn)生相關性，尤其與IR、ARTh、DAR具有更高的相關性。在Corvis ST指標中，IR值越大，說明角膜抵抗形變能力越差，硬度越低。本次研究中0～2mm范圍內(nèi)光密度與IR呈正相關，也說明了當此范圍內(nèi)膠原纖維排列紊亂或發(fā)生其他結構變化時，角膜的硬度將降低。0～2mm范圍內(nèi)光密度與ARTh呈負相關。ARTh越小，說明角膜厚度由中央向周邊的變化越快。Smolek[22]認為，角膜中央的膠原纖維板層數(shù)量及排列較周邊角膜少且松散，Boote等[23]研究也顯示角膜中央與角膜周邊的膠原纖維分布不同，接近角膜周邊的膠原纖維的排列方向以及直徑和膠原之間的距離大于角膜中央部分的膠原纖維，排列規(guī)則均勻的角膜基質(zhì)的膠原纖維之間可以互相抵消散射光線。故角膜中央厚度與周邊厚度相差越大時，中央?yún)^(qū)域表現(xiàn)出更高的光密度值。0～2mm范圍內(nèi)光密度與DAR呈正相關，DAR為頂點和2mm位置之間的形變幅度比值，越大表面角膜受外力后中央發(fā)生形變越大，本次研究發(fā)現(xiàn)二者呈正相關，進一步說明中央基質(zhì)膠原排列相對紊亂及松散在導致光密度增加的同時，中央?yún)^(qū)域硬度將更低，將發(fā)生更大的形變。

通常認為由于角膜前部基質(zhì)細胞密度大于后部基質(zhì)，故角膜前1/3基質(zhì)抗張能力明顯大于后2/3[24]。本次研究顯示，角膜前中后三層光密度逐漸降低，從光學角度驗證了角膜基質(zhì)細胞分布的特點，而這三層光密度值與生物力學指標之間沒有顯著相關性，說明角膜生物力學并非僅僅依靠某一層面的作用，而是通過各層組織間相互聯(lián)系產(chǎn)生，其力學具有非線彈性的特性[3]，并且前層與后層光密度值分別只代表前120μm和后60μm的位置，不足以說明該位置范圍內(nèi)的總體水平。本次研究結果中的光密度值，在各區(qū)域各層面上與武志清等[25]、Otri等[2]觀察結果均有明顯差距，既往研究中多認為是由于不同研究對象的種族和地域差異造成。然而我們發(fā)現(xiàn)在既往關于光密度的檢測時，多描述為在暗室中進行，對暗室環(huán)境實際光照度未給予明確描述，這可能是造成各研究結果中光密度值差異的一個因素。本次研究運用設備標配的遮光布，嚴格對檢查過程進行遮光處理，所以患者檢查時均處于相同的接近黑暗的環(huán)境中。

綜上所述，本研究證實在角膜生物力學與光密度之間存在相關性，尤其是角膜中央?yún)^(qū)域光密度與生物力學具有更顯著的關聯(lián)，臨床中可以通過對光密度和生物力學兩方面對角膜健康狀況進行綜合評價，對角膜疾病提供多方面的診斷治療參考。