早期圓錐角膜的診斷技術(shù)研究進(jìn)展

徐 悅，張曉峰

0引言

圓錐角膜(keratoconus，KC)是一種雙側(cè)和不對(duì)稱的擴(kuò)張性角膜疾病，以進(jìn)行性角膜厚度變薄和突出為特征，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的視力障礙[1-2]。中晚期KC的眼部癥狀和體征往往典型，包括角膜基質(zhì)變薄、錐形隆起、Fleischer環(huán)、Vogt條紋等[3]。早期KC常常因癥狀和臨床體征不明顯而易被忽視[4]。目前對(duì)于KC的分期，包括KC嚴(yán)重度評(píng)分和Amsler-Krumeich分類等，都沒(méi)有為早期KC的檢測(cè)提供明確的指導(dǎo)[5]。對(duì)頓挫型KC和可疑KC的定義還在不斷完善中[6-7]。另外，雖然存在許多檢測(cè)技術(shù)，但是臨床醫(yī)生對(duì)多種角膜特征參數(shù)的認(rèn)識(shí)相對(duì)不足，限制了這些技術(shù)在早期KC診斷中的運(yùn)用和價(jià)值。本綜述旨在回顧KC診斷技術(shù)研究進(jìn)展，以期早期識(shí)別KC患者，降低醫(yī)源性角膜擴(kuò)張的風(fēng)險(xiǎn)并減輕角膜移植的負(fù)擔(dān)。

1角膜前表面形態(tài)參數(shù)

角膜前表面曲率和高度值的異常是KC有效的判別參數(shù)，患者角膜前表面曲率異常通常早于角膜厚度和視力的異常?；趐lacido盤(pán)的角膜地形圖可以通過(guò)檢測(cè)角膜前表面局部陡峭程度，生成量化角膜表面不規(guī)則性的多個(gè)參數(shù)，常被用于診斷KC[8]。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)出現(xiàn)以下角膜地形圖參數(shù)異常應(yīng)當(dāng)引起重視并進(jìn)行進(jìn)一步檢查：散光大于5屈光度(diopters，D)，平坦子午線角膜曲率或陡峭子午線角膜曲率大于48D，最大角膜曲率大于49D，角膜非球面系數(shù)大于-0.50μm[9]。改良的Rabinowitz-McDonnell檢驗(yàn)，以正常角膜為標(biāo)準(zhǔn)，將模擬角膜鏡讀數(shù)(simulated keratoscope reading，SimK)介于47.2～48.7D和(或)角膜下方與上方平均屈光度差值(inferior-superior diopter asymmetry，I-S)介于1.4～1.8D歸為疑似KC[10]。

Pentacam眼前節(jié)分析系統(tǒng)中描述角膜前表面形態(tài)特征的參數(shù)包括：表面變異指數(shù)、高度不對(duì)稱指數(shù)、垂直不對(duì)稱指數(shù)、高度離心指數(shù)、KC指數(shù)、最小曲率半徑、中央KC指數(shù)、不規(guī)則指數(shù)[11]。這8個(gè)參數(shù)均具有較高的敏感性，特別是表面變異指數(shù)和最小曲率半徑[3]。Donoso等[12]提出Pentacam系統(tǒng)中的KC指數(shù)、高度離心指數(shù)、BAD增強(qiáng)擴(kuò)張分析(Belin/Ambrosio Enhanced Ectasia Display)的總體偏差，以及OPD-Scan屈光分析儀中的KC預(yù)測(cè)指數(shù)、表面不對(duì)稱指數(shù)和高階三葉草像差的總和，均可用于區(qū)分早期KC和正常眼，而組合兩個(gè)設(shè)備的參數(shù)時(shí)，顯示出了更好的診斷效力。角膜前表面形態(tài)參數(shù)仍然是目前臨床工作中，用于區(qū)分早期KC眼和正常眼最常用的參數(shù)。

2角膜后表面形態(tài)參數(shù)

與正常眼相比，早期KC的角膜后表面主要表現(xiàn)為角膜后表面下方曲率的增加和后表面高度的異常[13]?；诤０蔚慕悄鄬映上癜ɑ诹严稈呙杓夹g(shù)的Orbscan眼前節(jié)分析診斷系統(tǒng)，以及基于Scheimpflug成像原理的Pentacam、Sirius和Galilei眼前節(jié)分析儀。前者由于分辨率低、圖像獲取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和不能獲得角膜后表面的實(shí)際測(cè)量值，已被Scheimpflug成像原理的眼前節(jié)分析系統(tǒng)替代[14-16]。

Pentacam系統(tǒng)提供了可重復(fù)測(cè)量的角膜后表面參數(shù)，主要包括：后表面中央散光度、后表面最小矢狀曲率、后表面高度最大值、最小值和高度差[11]。OCULUS Pentacam軟件還提出了“Belin ABCD”的KC分級(jí)系統(tǒng)[17]。它根據(jù)角膜最薄點(diǎn)3mm區(qū)域的角膜前、后表面角膜曲率半徑，角膜最薄點(diǎn)厚度和最佳矯正視力將KC分為0～4級(jí)[9]。其中，1～4期的角膜前表面曲率與傳統(tǒng)的Amsler-Krumeich分類呈現(xiàn)相關(guān)性，通過(guò)融入對(duì)角膜后表面的評(píng)估和分級(jí)，更全面地描述了角膜結(jié)構(gòu)和功能的改變[17]。De Sanctis等[18]發(fā)現(xiàn)角膜后表面高度大于29μm可作為檢測(cè)亞臨床KC患者相對(duì)特異但不敏感的方法。

Sirius眼前節(jié)分析儀研究的角膜后表面主要參數(shù)包括后表面曲率對(duì)稱指數(shù)，后表面Baiocchi-Calossi-Versaci指數(shù)，角膜后表面膨隆的最高點(diǎn)以及后表面4.5mm或8mm范圍內(nèi)每單位面積均方根值[19]。一項(xiàng)利用Sirius眼前節(jié)分析儀回顧性分析1632眼的角膜前表面、角膜后表面和角膜最薄點(diǎn)厚度的研究提示，在區(qū)分亞臨床KC患者與正常人時(shí)，最敏感的是角膜后表面的參數(shù)[20]。在多種角膜測(cè)量參數(shù)的基礎(chǔ)上，Sirius利用支持向量機(jī)自動(dòng)將所測(cè)量的眼睛歸類正常眼、KC眼和亞臨床KC眼等，同時(shí)提出角膜后表面曲率和測(cè)厚數(shù)據(jù)對(duì)于檢測(cè)亞臨床KC眼十分重要[21]。

Galilei眼前節(jié)分析儀與Pentacam相似，但具有跟蹤眼球運(yùn)動(dòng)的功能，減少了運(yùn)動(dòng)誤差。不規(guī)則散光指數(shù)大于0.450，角膜屈光力標(biāo)準(zhǔn)偏差大于1.065，以及表面規(guī)則指數(shù)大于0.735，被認(rèn)為是利用Galilei眼前節(jié)分析儀評(píng)估頓挫型KC患者具有診斷意義的指標(biāo)[8]。Jafarinasab等[22]使用Galilei眼前節(jié)分析儀評(píng)估了中央3、57mm區(qū)域內(nèi)最大角膜前、后表面高度，發(fā)現(xiàn)中央7mm區(qū)域的最大角膜后表面高度能最好地區(qū)分亞臨床KC。

基于Scheimpflug成像原理的眼前節(jié)分析儀可同時(shí)測(cè)量角膜前、后表面的參數(shù)和角膜厚度。其中，角膜后表面參數(shù)和角膜厚度分布圖是臨床工作中診斷早期KC的重要參數(shù)[23-24]。另外，不同儀器的參數(shù)之間存在差異，不能對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地互換。因此，在診斷早期KC時(shí)，需要強(qiáng)調(diào)對(duì)不同儀器得到的參數(shù)進(jìn)行具體分析[25]。

3角膜曲率數(shù)學(xué)分析模型

Maeda等[26]通過(guò)對(duì)SimK1、SimK2、表面不對(duì)稱指數(shù)、差異扇區(qū)指數(shù)、對(duì)側(cè)扇區(qū)指數(shù)、中央/周圍指數(shù)、不對(duì)稱散光指數(shù)和分析面積8個(gè)地形圖參數(shù)的計(jì)算分析得出KC預(yù)測(cè)指數(shù)，該指數(shù)大于0.23的患者被提示為KC患者。其中差異扇區(qū)指數(shù)和對(duì)側(cè)扇區(qū)指數(shù)對(duì)周邊角膜異常陡峭的鑒別較為敏感，而中央/周圍指數(shù)對(duì)中央角膜異常陡峭的鑒別較為敏感。KC百分比指數(shù)是基于中央角膜屈光力、I-S值、角膜散光指數(shù)和最陡峭軸的相對(duì)偏移量計(jì)算得出的，KC百分比指數(shù)在60%～100%被認(rèn)為是可疑KC[27]。此外，還有研究構(gòu)建了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將10種不同的地形圖參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，以計(jì)算KC嚴(yán)重程度指數(shù)，當(dāng)KC嚴(yán)重程度指數(shù)介于15%～30%被認(rèn)為是可疑KC眼。BAD增強(qiáng)擴(kuò)張分析通過(guò)將角膜海拔和厚度數(shù)據(jù)相結(jié)合，并將其與“增強(qiáng)的最佳擬合球面”相比較，從而更敏感地獲取早期KC的改變[28]。Pentacam中的BAD將測(cè)得的角膜前、后表面海拔數(shù)據(jù)與8mm范圍固定光學(xué)區(qū)計(jì)算出的最佳擬合球面數(shù)據(jù)相比較，對(duì)角膜前后表面海拔變化、角膜最薄點(diǎn)厚度、角膜最薄點(diǎn)位移和厚度改變與正常人數(shù)據(jù)庫(kù)的各參數(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行回歸分析，從而做到更為靈敏地對(duì)早期KC進(jìn)行篩查[29]。

4角膜像差

KC患者的角膜上下方不對(duì)稱膨隆、角膜頂點(diǎn)移位，導(dǎo)致彗差明顯增加；而角膜中央相較于周邊屈光力的明顯增加，也可導(dǎo)致角膜球差的顯著增加。KC眼的角膜總高階像差約是正常眼的38倍，其中最顯著的差異體現(xiàn)在垂直彗差，大約是正常眼的78倍[30]。因此，以垂直彗差為代表的角膜波前像差被認(rèn)為可用于區(qū)分早期可疑KC眼和正常眼[8]。同時(shí)，將角膜前表面波前像差和眼波前像差納入分析，可將診斷的敏感度和特異度提高到80%以上[30]。Naderan等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，相較于角膜像差，全眼像差更能區(qū)分頓挫型KC和正常眼，提示眼內(nèi)像差和角膜后表面的改變發(fā)生在角膜前表面改變之前[31]。在區(qū)分早期KC和正常眼時(shí)，以Zernike像差為基礎(chǔ)的三階像差、球差被認(rèn)為具有最高的判別能力，可以識(shí)別非常早期的KC患眼[32-33]。同時(shí)需要注意，角膜高階像差隨著瞳孔直徑大小的增大而增加，但可疑KC和KC患者的增加幅度比正常眼更大，其中三階像差對(duì)角膜總像差的貢獻(xiàn)隨瞳孔增大而減小，而四階像差的貢獻(xiàn)隨瞳孔增大而增大。因此，在鑒別早期KC時(shí)，應(yīng)以較大的瞳孔直徑為宜，可取瞳孔直徑為6mm時(shí)，觀察像差的變化。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總高階像差，尤以彗差或負(fù)性球差增高時(shí)，應(yīng)引起重視，并結(jié)合角膜曲率、海拔和厚度等角膜地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)一步排查KC。結(jié)合角膜像差參數(shù)，可將早期KC診斷的敏感度和特異度提高到90%以上[34-36]。

5角膜上皮及角膜全層厚度地形圖

在KC中，角膜上皮會(huì)通過(guò)在頂點(diǎn)處變薄而周圍的環(huán)形區(qū)域內(nèi)增厚來(lái)補(bǔ)償角膜基質(zhì)的變薄和膨隆，一定范圍內(nèi)代償不規(guī)則的前表面，稱之為“角膜上皮重塑”[37-38]。因此，僅檢測(cè)角膜前表面難以發(fā)現(xiàn)這一微小改變，加入對(duì)上皮和全層厚度的檢查，有助于早期KC的診斷。目前，角膜上皮和全層厚度的檢測(cè)方法主要包括：接觸式測(cè)量(超高頻率數(shù)字超聲儀)與非接觸式測(cè)量光學(xué)相干斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)[10]。Feng等[39]利用超高頻率數(shù)字超聲儀發(fā)現(xiàn)角膜全層厚度的測(cè)量對(duì)區(qū)分地形圖異常的可疑KC眼具有重要意義。Silverman等[40]根據(jù)超高頻率數(shù)字超聲儀衍生的上皮和基質(zhì)厚度圖開(kāi)發(fā)了一種基于6個(gè)角膜上皮和基質(zhì)厚度相關(guān)變量的模型，并報(bào)道該模型與KC嚴(yán)重程度等級(jí)相關(guān)。

角膜厚度相對(duì)應(yīng)區(qū)域的不對(duì)稱性是診斷早期KC的關(guān)鍵。OCT不僅構(gòu)建了角膜全層和上皮厚度地形圖，顯示了角膜頂點(diǎn)和最薄點(diǎn)的位置，還自動(dòng)比較了I-S角膜及上皮厚度差值，以及鼻上-顳下角膜厚度差值，這些對(duì)早期KC均具有提示作用[41]。Rattan等[42]發(fā)現(xiàn)，可疑KC眼角膜下方上皮厚度更薄，上皮最薄點(diǎn)厚度的偏移是早期KC診斷的有利指征。更為重要的是，OCT可以檢測(cè)到早期KC患者中“角膜上皮重塑”等早期征象[43-44]。Li等[45]發(fā)現(xiàn)角膜各亞層厚度分布與角膜生物力學(xué)相關(guān)參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。因此，OCT可用于獲取角膜全層厚度以及角膜上皮厚度、角膜最薄點(diǎn)厚度、角膜最薄點(diǎn)相對(duì)瞳孔中心的坐標(biāo)，這些OCT參數(shù)對(duì)早期KC的診斷具有重要提示作用。

6角膜共聚焦顯微鏡

角膜共聚焦顯微鏡(invivoconfocal microscopy，IVCM)是一種在細(xì)胞水平上非侵入式活體成像的技術(shù)[46]。在臨床上沒(méi)有明顯Vogt條紋的患者中，50%患者在IVCM的角膜基質(zhì)圖像中觀察到了條帶[47]。IVCM的使用有助于觀察KC患者Bowman層的破裂和中央上皮下神經(jīng)叢的變化，同時(shí)，還可能觀察到上皮細(xì)胞拉長(zhǎng)、基質(zhì)皺褶、上皮基底膜下神經(jīng)增厚以及內(nèi)皮細(xì)胞的多形性增加[48]。體外研究提示KC患者的角膜上皮基底膜細(xì)胞密度降低，IVCM證實(shí)并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這一差異與KC的嚴(yán)重程度無(wú)關(guān)[49-50]。Bitirgen等[47]研究發(fā)現(xiàn)，在KC的早期階段，角膜上皮基底細(xì)胞的退行性改變先于角膜上皮基底細(xì)胞的丟失。許多研究表明KC患者角膜神經(jīng)纖維出現(xiàn)異常的分支模式、密度降低、彎曲度增加和增粗，角膜基底下神經(jīng)失去正常的放射狀和中央螺紋狀的形態(tài)，取而代之的是，錐頂處基底下神經(jīng)形成一個(gè)包含許多閉合環(huán)形的曲折的網(wǎng)絡(luò)，而圓錐基底部神經(jīng)圍繞底部呈同心圓式地延展[47]。在輕度KC患者中，角膜上皮基底細(xì)胞的密度明顯降低，而角膜淺層及深層基質(zhì)細(xì)胞密度和內(nèi)皮細(xì)胞密度沒(méi)有顯著差異，提示KC變性過(guò)程開(kāi)始于上皮基底細(xì)胞水平，為利用IVCM進(jìn)行早期KC的診斷提供了依據(jù)。Ozgurhan等[51]則提出早期KC患者的淺層和深層角膜基質(zhì)細(xì)胞密度較正常眼降低，而平均基質(zhì)神經(jīng)直徑較正常眼增高。

7角膜生物力學(xué)

角膜基質(zhì)纖維的丟失、單個(gè)膠原纖維的方向改變、交聯(lián)數(shù)減少以及角膜細(xì)胞功能障礙，都會(huì)導(dǎo)致角膜機(jī)械穩(wěn)定性的下降，KC發(fā)生發(fā)展過(guò)程中均伴有角膜生物力學(xué)的改變，而角膜曲率、高度和厚度的變化均是角膜擴(kuò)張的繼發(fā)表現(xiàn)[52]。因此，對(duì)角膜生物力學(xué)特性的研究可能有助于早期KC的診斷。眼反應(yīng)分析儀可以測(cè)定包括角膜遲滯和角膜阻力因子等多種角膜生物力學(xué)參數(shù)，兩者在KC眼中均降低，但受中央角膜厚度和眼壓的影響很大，難以區(qū)分早期KC眼和正常眼[53]。Corvis ST角膜生物力學(xué)分析儀可動(dòng)態(tài)記錄、分析角膜受壓形變和復(fù)原過(guò)程中發(fā)生的生物力學(xué)改變，并記錄角膜厚度、眼內(nèi)壓及角膜變形幅度、壓平長(zhǎng)度、反向曲率半徑、壓平速率等生物力學(xué)數(shù)據(jù)。在控制了眼壓和角膜厚度后，變形幅度是臨床前期KC診斷中比角膜遲滯更為敏感的參數(shù)，但在用于區(qū)分早期KC眼和正常眼時(shí)仍存在較大的重疊區(qū)[54]。Brillouin顯微鏡是一種新型光學(xué)彈性成像技術(shù)，目前被用于體外檢測(cè)角膜，該技術(shù)的體內(nèi)版本正在開(kāi)發(fā)中，被認(rèn)為可能是評(píng)估KC生物力學(xué)特性更靈敏的工具[55]。KC患者的平均Brillouin頻率降低，在錐體區(qū)域最為明顯，且隨著疾病的嚴(yán)重程度增加而增加，輕度KC眼可通過(guò)Brillouin頻率來(lái)區(qū)分雙眼嚴(yán)重程度。因此，雙側(cè)生物力學(xué)的不對(duì)稱性可作為早期KC的診斷指標(biāo)。

8基因檢測(cè)

目前，包括VSX1、DOCK9、TGFβ1、SOD1、miR-184、COL4A3、COL4A4在內(nèi)的多個(gè)基因，因在KC患者中被檢測(cè)到相應(yīng)突變或是與KC發(fā)病機(jī)制相關(guān)而被選為KC的候選基因[29]。其中，VSX1和SOD1這2個(gè)基因被關(guān)注得最多[56]。Li等[57]第一個(gè)報(bào)道了關(guān)于KC的全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies，GWAS)，提示2q21.3染色體上RAB3GAP1基因附近的一個(gè)基因組區(qū)域與KC存在潛在的關(guān)聯(lián)，且被Bae等[58]的另一項(xiàng)獨(dú)立的研究驗(yàn)證。Burdon等[59]之后進(jìn)行了第二次關(guān)于KC的GWAS研究，報(bào)道的最顯著的關(guān)聯(lián)位于HGF基因的上游，其特異性變異也與正常人的血清HGF水平有關(guān)，且該關(guān)聯(lián)被Sahebjada等[60]的獨(dú)立的研究復(fù)制。一項(xiàng)GWAS研究提示2個(gè)中央角膜厚度相關(guān)的基因組區(qū)域FOXO1和FNDC3B與KC風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[61]。最新的關(guān)于KC轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究除了鑒定了編碼基因的組織特異性作用外，還開(kāi)始評(píng)估新型非編碼RNA靶標(biāo)，KC患者角膜中許多基因發(fā)生了嚴(yán)重的改變，特別是那些影響角膜組織生物力學(xué)特性的基因[62]。從KC患者中收集的角膜上皮微小RNA微陣列中鑒定出許多上調(diào)和下調(diào)的微小RNA，提示在微小RNA對(duì)應(yīng)的靶基因中細(xì)胞連接、細(xì)胞分裂和運(yùn)動(dòng)活性過(guò)表達(dá)[63]。通過(guò)對(duì)KC相關(guān)基因組區(qū)域進(jìn)行高通量生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)微小RNA基因和單核苷酸突變?cè)诎琄C基因座的區(qū)域中非隨機(jī)分布，以微小RNA為基礎(chǔ)的研究雖尚不成熟，但或?qū)⒊蔀槲磥?lái)基因研究的重點(diǎn)，從而為早期KC診斷的生物標(biāo)記物和潛在治療靶標(biāo)提供新的思路。

9小結(jié)

綜上所述，基于placido盤(pán)角膜地形圖獲得的角膜前表面形態(tài)特征僅依賴于角膜前表面曲率圖，單獨(dú)用于診斷早期KC患者的靈敏度較低?；赟cheimpflug成像原理的眼前節(jié)分析系統(tǒng)增加了對(duì)角膜厚度和角膜后表面形態(tài)特征的分析，是當(dāng)前診斷早期KC最主要的手段。OCT檢測(cè)角膜上皮層及全層厚度地形圖，可獲得角膜最薄點(diǎn)厚度及坐標(biāo)，其偏離角膜中心情況的分析對(duì)早期KC的診斷具有重要的提示作用。綜合角膜前、后表面形態(tài)特征、角膜以及角膜最薄點(diǎn)厚度及其偏離角膜中心等檢測(cè)結(jié)果是目前診斷早期KC相對(duì)最有效和可靠的方法。角膜曲率數(shù)學(xué)分析模型則進(jìn)一步優(yōu)化了KC相關(guān)參數(shù)的選擇和計(jì)算模型，有助于簡(jiǎn)化評(píng)估流程。角膜波前像差、IVCM和角膜生物力學(xué)的改變對(duì)早期KC的診斷均具有一定的提示作用，但這些檢查相應(yīng)指標(biāo)的敏感度和特異度有待進(jìn)一步提高。以上對(duì)于早期KC診斷的技術(shù)手段，多僅關(guān)注患者單眼的情況。今后通過(guò)人工智能對(duì)患者的雙眼數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和判斷或?qū)⒊蔀樵缙贙C診斷研究的熱點(diǎn)?；驒z測(cè)為早期KC的診斷提供了新的方向，但由于KC發(fā)病基因目前尚不明確，并且不同人種之間遺傳特性差異也很大，因此早期KC基因診斷技術(shù)尚不成熟。