圓錐角膜生物力學(xué)研究進(jìn)展

魏俊超，李曉娜

(太原理工大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，太原 030024)

圓錐角膜(keratoconus)是一種以角膜中央或旁中央變薄、失去正?；《榷l(fā)生錐形變形為特征的角膜擴張性疾病，臨床表現(xiàn)為高度不規(guī)則散光和視力受損，是眼科臨床常見的致盲疾病之一。目前圓錐角膜的發(fā)病機制尚不清楚[1-2]。圓錐角膜表現(xiàn)為蛋白水解酶合成增加，膠原降解，板層數(shù)量減少，膠原纖維排列紊亂，膠原之間交聯(lián)障礙，導(dǎo)致角膜組織力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。圓錐角膜早期在形態(tài)、屈光度以及力學(xué)性能方面沒有明顯變化，且癥狀與近視、散光等屈光不正現(xiàn)象類似，因此很難發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)不適就診時可能已經(jīng)處于進(jìn)展期。部分角膜屈光術(shù)后引起的繼發(fā)性圓錐角膜與術(shù)前未檢出圓錐角膜易感者和角膜切削過度有關(guān)[3]。因此，對圓錐角膜進(jìn)行早期篩查則顯得尤為重要。

隨著角膜形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)檢測手段的不斷發(fā)展，為眼科臨床屈光手術(shù)參數(shù)設(shè)計、手術(shù)質(zhì)量評估和預(yù)測，以及圓錐角膜的診斷與治療等過程提供了堅實的技術(shù)支撐。本文就圓錐角膜發(fā)生發(fā)展過程中的相關(guān)生物力學(xué)問題進(jìn)行綜述。

1 在體圓錐角膜力學(xué)行為的研究

目前在體圓錐角膜力學(xué)行為的檢測手段主要有脈沖氣流沖壓法和布里淵光學(xué)顯微鏡法[4-7]。臨床上眼反應(yīng)分析儀(ocular response analyzer，ORA)和可視化角膜生物力學(xué)分析儀(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)來檢測在體角膜力學(xué)性能。通過分析角膜受到脈沖氣流作用后的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)來評估在體角膜的黏彈性行為。

臨床上最早采用ORA檢測在體角膜的力學(xué)行為。其原理是利用快速的空氣脈沖使角膜凹陷，測量兩次壓平過程中的角膜剖面紅外反射率，得到兩個峰值(p1和p2)，通過計算獲得角膜滯后量(corneal hysteresis，CH)以及角膜阻力因子(corneal resistance factor，CRF)[8-9]，二者分別反映角膜黏彈性和彈性特征。研究表明，正常角膜、疑似圓錐角膜與圓錐角膜的CH與CRF值之間存在差異，正常角膜差異最大，圓錐角膜差異最小，提示圓錐角膜生物力學(xué)性能顯著低于正常角膜，且在發(fā)病早期即發(fā)生了變化[10]。此外，CH值有隨圓錐角膜疾病的發(fā)展逐漸降低的趨勢[11]。因此，有人建議可將CH值作為診斷圓錐角膜的指標(biāo)之一[12]。然而僅通過CH與CRF參數(shù)很難完全區(qū)分正常角膜和早期圓錐角膜[8，11]。MIKIELEWICA et al[13]提取了ORA儀器提供的37個參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，只有CRF與第二峰值曲線下面積(p2 area)區(qū)分正常與圓錐角膜效果較好。因此，在體角膜力學(xué)性能檢測的精準(zhǔn)性仍有待提高。

與ORA相比，最近出現(xiàn)的Corvis ST能夠獲得更精準(zhǔn)的角膜變形數(shù)據(jù)。Corvis ST通過對角膜施加恒定的空氣脈沖，采用高速Scheimpflug成像捕捉角膜發(fā)生壓平-凹陷-壓平-恢復(fù)的動態(tài)變形過程并進(jìn)行實時分析，獲得能夠反映角膜力學(xué)行為的參數(shù)，如第一次壓平時間(A1T)表示角膜由初始狀態(tài)到第一次受壓變平的時間；第二次壓平時間(A2T)表示角膜從初始狀態(tài)經(jīng)歷最大壓陷后重新回到壓平狀態(tài)的時間；角膜硬度參數(shù)(SP-A1)表示第一次壓平時角膜的硬度；最大變形幅度(DA Max)表示角膜頂點從初始狀態(tài)到最大凹陷時的垂直位移量；應(yīng)力-應(yīng)變指數(shù)(SSI)被用來估算角膜整體變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變行為等。

研究認(rèn)為A1T、A2T、SP-A1、DA Max、SSI等對圓錐角膜的診斷敏感性較高[14-23]。ALI et al[14]比較了正常角膜與圓錐角膜的生物力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，DA和A1T能夠作為診斷圓錐角膜的主要參數(shù)。A2T是反映角膜黏彈性的一個重要參數(shù)，在正常角膜與圓錐角膜之間存在顯著差異，但在同一天的不同時間內(nèi)檢測結(jié)果不同，即角膜的黏彈性會隨時間發(fā)生變化[18]。隨著圓錐角膜病程的進(jìn)展，角膜的SP-A1值會逐漸降低[19]。也有人認(rèn)為[20]最大壓陷時角膜曲率半徑(HC-R)和中央角膜厚度(CCT)對診斷圓錐角膜有較高敏感性和特異性。SSI可以用來跟蹤圓錐角膜疾病進(jìn)展程度以及評估交聯(lián)治療后的療效[21]。

由于對角膜施加空氣脈沖時，氣流的動能被角膜和角膜周圍軟組織吸收，因此，MATALIA et al[22]將角膜變形與眼球整體位移從壓平變形的波形中分離出來，并建立角膜黏彈性模型，分析獲得了角膜與角膜周圍軟組織的剛度。FRANCIS et al[23]在MATALIA研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行擬合分析得出了圓錐角膜的線性剛度Kconstant和非線性剛度Kmean，并在59例正常角膜、45例疑似病例和160例圓錐角膜的檢查數(shù)據(jù)中進(jìn)行了驗證，提示角膜波形與Kmean可作為疑似圓錐角膜與正常角膜的鑒別指標(biāo)。

近年來，研究者們將Corvis ST與角膜地形圖Pentacam檢測結(jié)果聯(lián)合起來生成了新的評判圓錐角膜的參數(shù)，如BAD-D、角膜生物力學(xué)指數(shù)(corvis biomechanical index，CBI)、斷層生物力學(xué)指數(shù)(tomographic biomechanical index，TBI)，進(jìn)一步提高了圓錐角膜診斷的準(zhǔn)確性[24-25]。CBI對區(qū)分正常角膜與圓錐角膜有較高的敏感性和特異性[26-27]，但對亞臨床期圓錐角膜的診斷效率較低。而TBI對亞臨床期圓錐角膜的檢出率則相對較高，可作為亞臨床期圓錐角膜的診斷指標(biāo)之一[28-29]。

布里淵光學(xué)顯微鏡(Brillouin Microscopy)也是一種在體角膜生物力學(xué)性能的檢測手段。該方法基于布里淵散射，通過測量聲光相互作用引起的頻移可以獲得材料的彈性。布里淵顯微鏡法檢測結(jié)果顯示，在體與離體圓錐角膜錐體部位彈性模量均顯著降低，而錐體以外的圓錐角膜組織與正常角膜相比無明顯差異[30-32]，提示該方法不僅可以用來區(qū)分正常角膜與圓錐角膜，還可以反映角膜局部生物力學(xué)特征。然而SEILER[33]對布里淵顯微鏡與臨床角膜生物力學(xué)檢測儀器檢測結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)其診斷能力尚未超過目前臨床使用的在體角膜力學(xué)檢測儀器，仍需進(jìn)行改進(jìn)。

ORA和Corvis ST作為臨床無創(chuàng)、非接觸的生物力學(xué)檢測手段，雖然能夠通過角膜變形獲得在體生理條件下反映角膜力學(xué)行為的指標(biāo)，但無法直接得到角膜材料固有的黏彈性屬性，目前這些參數(shù)仍需要離體實驗獲取。此外，Corvis ST給出的在體生物力學(xué)檢測指標(biāo)繁多，不同研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在圓錐角膜進(jìn)展過程中發(fā)生變化的生物力學(xué)指標(biāo)也不盡相同。因此，仍需發(fā)展一種新的在體角膜生物力學(xué)檢測手段或分析方法，以獲得評判圓錐角膜尤其早期圓錐角膜的關(guān)鍵生物力學(xué)參數(shù)。

2 圓錐角膜材料力學(xué)性能的研究

角膜組織是典型的非線性、黏彈性材料，具有應(yīng)力松弛和蠕變的特性。對角膜組織材料屬性的研究一般采用離體單軸拉伸、雙軸拉伸和膨脹實驗等進(jìn)行檢測[34-36]。研究表明圓錐角膜在發(fā)生發(fā)展過程中角膜組織的彈性發(fā)生了不同程度的改變[37]。ANDREASSEN et al[38]進(jìn)行單軸拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，在相同應(yīng)變條件下(≤50%)，圓錐角膜的應(yīng)力明顯低于正常角膜。而NASH[39]則發(fā)現(xiàn)在生理范圍的應(yīng)變條件下(≤3%)，二者的應(yīng)力沒有顯著差異。以上兩項研究沒有在相同的條件下進(jìn)行，因此不能直接進(jìn)行比較。CARSTEN et al[37]通過數(shù)學(xué)計算和若干假設(shè)推導(dǎo)出角膜的彈性模量，并對29例正常角膜以及27例圓錐角膜研究發(fā)現(xiàn)圓錐角膜組的彈性模量顯著低于正常角膜組，提示圓錐角膜組織本身的材料力學(xué)性能較弱，抵抗變形能力下降，在眼內(nèi)壓作用下更容易發(fā)生變形。

近年來，有學(xué)者嘗試采用聲輻射力顯微鏡(acoustic radiation force elastic microscopy，ARFEM)檢測離體角膜組織生物力學(xué)性能。其原理是使用低頻、高強度的聲力來移動飛秒激光在角膜內(nèi)產(chǎn)生的微泡，同時使用高頻、低強度的超聲來跟蹤組織內(nèi)微泡的位置。微泡可以在角膜的任何位置產(chǎn)生，因此能夠測量角膜各個部位的彈性模量。該方法可以檢測角膜組織不同區(qū)域以及不同層的力學(xué)性能變化。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，正常角膜的中央、旁中央以及外圍的彈性模量均不相同，中央最大，外圍最小，提示角膜組織為不均勻材料[40]。此外，圓錐角膜組織的前基質(zhì)層和后基質(zhì)層的彈性模量分別低于正常角膜，且前基質(zhì)層的彈性模量顯著高于后基質(zhì)層，這與角膜微觀結(jié)構(gòu)觀測到的前基質(zhì)層纖維更加致密的結(jié)果一致[41]。

以上研究僅限于圓錐角膜的彈性特征，目前尚未見離體圓錐角膜組織黏彈性的報道。此外，角膜為各向異性材料，單軸拉伸只能獲得角膜沿某一方向的力學(xué)性能，而雙軸拉伸則可實現(xiàn)角膜組織各向異性材料特性的檢測，將離體材料力學(xué)性能與在體生物力學(xué)行為之間建立有效聯(lián)系，將獲得更可靠的評價圓錐角膜的體系。

3 交聯(lián)后圓錐角膜組織力學(xué)性能研究

臨床上角膜交聯(lián)術(shù)已被用于圓錐角膜等角膜疾病的治療中。核黃素紫外交聯(lián)術(shù)通過紫外線照射使角膜膠原發(fā)生共價交聯(lián)，達(dá)到增強角膜組織力學(xué)性能的目的[42-43]。若交聯(lián)術(shù)后較長時間內(nèi)圓錐角膜患者的裸眼視力、最佳矯正視力、角膜曲率、角膜內(nèi)皮細(xì)胞密度等未見異常，則表明圓錐角膜疾病進(jìn)展減慢或停止，交聯(lián)術(shù)有較好的安全性和有效性[44-45]。大多數(shù)ORA檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓錐角膜行交聯(lián)術(shù)后角膜CH與CRF值未發(fā)生顯著變化[46-49]。MIKIELEWICZ et al[13]在ORA檢測結(jié)果中獲得的37個參數(shù)中也僅發(fā)現(xiàn)p2 area和time1在交聯(lián)后發(fā)生了顯著變化。采用Corvis ST檢測研究發(fā)現(xiàn)交聯(lián)術(shù)后圓錐角膜曲率減小[17]，DAmax值降低[50]，說明交聯(lián)可以提高角膜生物力學(xué)性能。但與在體角膜生物力學(xué)檢測方法結(jié)果并不一致，提示交聯(lián)后角膜力學(xué)行為變化的在體檢測敏感度不高。

目前對圓錐角膜交聯(lián)后角膜材料力學(xué)性能的研究很少。HU et al[51]建立兔圓錐角膜模型后施行角膜交聯(lián)術(shù)，雙軸拉伸實驗結(jié)果顯示角膜的彈性模量顯著增加，說明交聯(lián)術(shù)能夠增強圓錐角膜的力學(xué)性能，支持了臨床上角膜交聯(lián)術(shù)能夠減緩或阻止圓錐角膜發(fā)展。但關(guān)于圓錐角膜交聯(lián)程度與交聯(lián)效果之間的關(guān)系尚不明確，仍需深入研究。

4 圓錐角膜的有限元建模分析

與實驗研究相比，有限元模擬易于操作，成本較低，能夠避免實驗所面臨的倫理問題。有限元模擬方法可以模擬真實的生理環(huán)境和力學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)對不同工況下角膜力學(xué)行為動態(tài)響應(yīng)的模擬分析，以云圖形式直觀地表現(xiàn)角膜的變形、應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果。通過建立正常及圓錐角膜的有限元模型，不僅可以分析角膜的力學(xué)行為，也可以結(jié)合在體角膜生物力學(xué)檢測手段反推角膜的材料屬性，為圓錐角膜的成因、早期診斷以及療效預(yù)測和評估提供參考[52-53]。

SHALOM et al[54]通過有限元分析提出圓錐角膜的形成與角膜局部變薄、彈性模量降低和垂直于角膜表面的剪切模量降低有關(guān)。另有研究表明[55-56]，眼內(nèi)壓和角膜局部力學(xué)性能的改變加速了圓錐角膜的進(jìn)程。文獻(xiàn)[57-58]通過建立人角膜有限元模型，模擬了角膜基質(zhì)板層間和板層內(nèi)膠原纖維的滑移，發(fā)現(xiàn)角膜出現(xiàn)圓錐的位置不在角膜中心發(fā)生了偏移，這與臨床檢測結(jié)果一致，提示膠原纖維板層間和板層內(nèi)滑移可能是圓錐角膜成因之一。

有限元模擬在圓錐角膜的診斷方面也具有一定的參考價值。KARIMI et al[59]建立了正常與圓錐角膜有限元模型，采用Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型參數(shù)，獲得了角膜的應(yīng)力分布情況，并結(jié)合Corvis ST檢測的生物力學(xué)參數(shù)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高了區(qū)分正常角膜、疑似圓錐角膜與圓錐角膜的準(zhǔn)確性。該研究提示角膜變形幅度可作為鑒別正常角膜與圓錐角膜的指標(biāo)。孟喬宇[60]根據(jù)圓錐角膜患者地形圖逆向建立個性化圓錐角膜幾何模型，采用考慮角膜膠原纖維微結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型，模擬了Corvis ST檢測過程，并與臨床檢測結(jié)果對比，確定了圓錐角膜超彈性本構(gòu)參數(shù)。其結(jié)果顯示圓錐角膜應(yīng)力和位移并不呈對稱分布，最大應(yīng)力和最大位移均出現(xiàn)在角膜最薄處，而并非角膜中心位置；眼壓升高會導(dǎo)致角膜變薄區(qū)域擴大，進(jìn)一步加速了圓錐角膜發(fā)展。

有限元方法還能夠模擬角膜交聯(lián)術(shù)后形態(tài)及力學(xué)性能的變化。ROY et al[61]建立圓錐角膜有限元模型后，通過增加角膜彈性模量模擬標(biāo)準(zhǔn)的9 mm直徑交聯(lián)，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)術(shù)后角膜曲率減小，說明交聯(lián)能改善角膜形態(tài)。此外，該課題組還利用圓錐角膜患者角膜交聯(lián)前后的幾何參數(shù)進(jìn)行了有限元模擬[62]，并通過逆向優(yōu)化方法估算了交聯(lián)后角膜彈性模量隨時間的變化，結(jié)果表明交聯(lián)區(qū)域角膜彈性模量至少增加一倍，驗證了角膜交聯(lián)術(shù)的有效性。

5 圓錐角膜動物模型及角膜力學(xué)性能研究

由于圓錐角膜發(fā)病機制復(fù)雜，且臨床樣本有限，因此，建立圓錐角膜動物模型不僅有助于更好地理解圓錐角膜的發(fā)病機制，對圓錐角膜的診斷和治療也具有重要意義。近年來，有學(xué)者開始嘗試建立圓錐角膜動物模型，目前普遍采用Ⅰ型或Ⅱ型膠原酶對角膜基質(zhì)進(jìn)行降解，實驗動物主要為小鼠和兔。

FARHAD et al[63]首次在小鼠角膜基質(zhì)內(nèi)注射6 mg/mL質(zhì)量濃度的Ⅰ型膠原酶溶液，于術(shù)后1、3、5 d檢測發(fā)現(xiàn)角膜呈錐形突出，認(rèn)為角膜發(fā)生了圓錐病變。喬靜等[64]將5 mg/mL Ⅱ型膠原酶浸潤角膜建立了兔圓錐角膜動物模型，術(shù)后14 d發(fā)現(xiàn)角膜曲率增加、厚度減?。籆orvis ST檢測發(fā)現(xiàn)模型組最大角膜壓陷深度平均值顯著高于對照組，提示模型組在體角膜力學(xué)性能下降。角膜條帶單軸拉伸實驗發(fā)現(xiàn)模型組的彈性模量降低[65]。HU et al[51]對兔角膜基質(zhì)內(nèi)注射0.1 mg/mL Ⅰ型膠原酶，術(shù)后2個月發(fā)現(xiàn)角膜膠原纖維結(jié)構(gòu)破壞，角膜中央厚度減?。浑p軸拉伸實驗結(jié)果表明沿X與Y方向角膜的力學(xué)性能均顯著下降；紫外交聯(lián)后角膜曲率減小，X方向和Y方向的彈性模量均顯著增加。

此外，陳昕妍等[66]使用18 g/L Ⅱ型膠原酶浸潤角膜建立兔圓錐角膜模型，研究了術(shù)后3個月角膜的黏彈性變化，發(fā)現(xiàn)模型眼在低應(yīng)變區(qū)(0.02～0.04)與高應(yīng)變區(qū)(0.10～0.12)均表現(xiàn)出較低的彈性模量；模型眼的應(yīng)力松弛值低于對照眼，提示經(jīng)過膠原酶處理后角膜黏彈性下降。

目前，關(guān)于圓錐角膜動物模型的建立仍不成熟，圓錐角膜發(fā)生發(fā)展過程中力學(xué)性能如何變化尚不清楚。建立長期有效的動物模型，檢測在體和離體角膜力學(xué)性能，結(jié)合角膜超微結(jié)構(gòu)變化，能夠更好地理解圓錐角膜發(fā)病機制，為疾病診斷和治療提供實驗支持和指導(dǎo)。

6 展望

在體角膜生物力學(xué)結(jié)合角膜形態(tài)學(xué)檢測對圓錐角膜的診斷(尤其是早期篩查)和治療效果評估具有重要價值，但其精準(zhǔn)性仍有待提高。建立穩(wěn)定的圓錐角膜動物模型，深入探討圓錐角膜疾病發(fā)生發(fā)展過程中角膜力學(xué)行為的變化，結(jié)合有限元模擬，解析在體角膜生物力學(xué)檢測參數(shù)中的力學(xué)意義，將為探索圓錐角膜的發(fā)病機制、診斷與治療提供有價值的參考。