角膜生物力學特性的測量方法研究現狀

汪　倩，王琳琳,張　妍，王淑榮

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·文獻綜述·

汪倩1，王琳琳2,張妍1，王淑榮1

Foundation items:Training Plan for Outstanding Young Teachers of Jilin University (No.419080500586); Bethune Project of Jilin University (No.470110000520)

1Department of Ophthalmology,the Second Hospital of Jilin University,Changchun 130041,Jilin Province,China;2Department of Imaging Medical Ultrasound,China-Japan Union Hospital of Jilin University,Changchun 130033,Jilin Province,China

角膜生物力學；測量；眼反應分析儀；可視化角膜生物力學分析儀

引用：汪倩，王琳琳,張妍，等.角膜生物力學特性的測量方法研究現狀.國際眼科雜志2016;16(10):1840-1846

0　引言

生物力學概念主要包括生物材料的彈性、黏彈性及各向異性。彈性，即物質在外力作用下發生形變，當去除外力后恢復原來狀態的性質。楊氏模量為應力- 應變的比值，反映物質剛性。在一定應變范圍之內物質的楊氏模量恒定，則該物質具有線彈性，楊氏模量不恒定則具有非線彈性。角膜作為一種軟組織，具有非線彈性。黏彈性，是指物質對應力的反應兼有固體和黏性液體的雙重特性。角膜內含有大量水分決定角膜具有黏彈性。黏彈性主要包括粘滯性、應力松弛和蠕變。粘滯性是指物質在受到外部剪切力作用時發生形變，其內部產生對形變的抵抗，并以內摩擦的形式表現出來。具有黏彈性的物質，受到應力形變后會有力學能量的損失，滯后性即為這個過程中所丟失的力學能量。各向異性，亦稱“非均質性”，即物質在不同的方向測得的性能數值不同。由于角膜內部膠原纖維直徑、纖維數量及交織程度分布不均勻，且膠原纖維板層按1～2個首選方向分布并非隨機均勻排列，所以角膜具有各向異性。

角膜結構的微小變化即能引起明顯的相應的生物力學特性改變。因此測量角膜生物力學特性有利于早期診斷和治療一些改變了角膜結構的疾病，例如角膜擴張、圓錐角膜等[1]。同時，角膜生物力學特性的測量有利于對某些臨床治療的療效進行評估，如屈光矯正術和角膜交聯治療[2]。屈光矯正術前危險性評估和術前圓錐角膜及潛在角膜擴張的篩查是其另一潛在應用。除此之外，角膜生物力學特性對眼內壓的測量有顯著影響，因此對于角膜生物力學特性的評估可以提高眼內壓測量的準確性[3]。基于以上原因，近些年定量測量角膜生物力學特性成為眼科領域的研究熱點之一。角膜生物力學的測量方法分為離體測量和在體測量兩大類。許多具有臨床應用潛力的新興測量方法正處于快速發展之中，比如光學相干斷層成像法、布里淵光學顯微鏡、超聲彈性成像法、光學相干彈性成像法和電子散斑干涉法。然而，目前僅有眼反應分析儀和可視化角膜生物力學分析儀兩種儀器可以用于臨床進行角膜生物力學的在體測量。

1　離體測量

1.1軸向拉伸試驗軸軸向拉伸試驗是離體測量角膜生物力學方法中最經典和最常用的方法。將離體的角膜水平或垂直的切割為寬度一致的長條狀測量樣本，用機械夾將其固定于軸向拉伸儀上，在特定的濕度及溫度條件下進行拉伸試驗，通過監測角膜的形變獲得角膜的彈性模量、應力-應變曲線和應力松弛等生物力學特性[4]。該測量方法能夠測量應力平衡或者動態情況等不同荷載形式下的一系列角膜生物力學特性[5]。然而，軸向拉伸試驗是一種有創的測量方法，它破壞了纖維的原本走形和角膜的完整性，將原本具有曲度的測量樣本拉直，改變了角膜原本的彎曲度，且忽略了角膜中心區和邊緣區的厚度差異，影響了測量的準確性和可重復性[6]。Hoeltzel等[7]運用此法分別測量了牛、兔和人的角膜生物力學特性。Andreassen等[8]發現在相同的應力條件下，與正常角膜相比，圓錐角膜的應變值更高。Elsheikh等[4]針對本方法的不足提出了校正公式，經過校正后，軸向拉伸試驗的測量結果與膨脹試驗的結果具有了較好的一致性。

1.2角膜膨脹試驗角膜膨脹試驗是另一種代表性的離體測量方法。

1.2.1基于薄殼理論的簡單離體角膜膨脹試驗取下附帶部分鞏膜緣的完整角膜，將其固定于前房模擬器上，向前房模擬器中注入鹽水來模擬眼內壓，通過激光束或者超聲裝置等非接觸的光電設備來測量連續變化壓力下的角膜形變[9]。并基于薄殼理論，設定角膜為球形結構、厚度均勻且具有均質性的生物力學特性，通過分析試驗過程中角膜形變和壓力的關系，推導出角膜的生物力學特性。該方法對完整角膜進行測量，保持了角膜組織結構的完整性，彌補了軸向拉伸試驗的不足，使其具有更好的可重復性和可靠性。但基于薄殼理論的角膜球形結構與均質性的角膜生物力學特性假設降低了測量結果的準確性，限制了其進一步應用。Elsheikh等[9]運用此方法分別測量了豬和人的角膜生物力學。

1.2.2基于逆向建模技術的離體角膜膨脹試驗通過高分辨率相機等設備捕獲角膜表面各個監測點在膨脹試驗過程中的形變，應用逆向建模技術構建具有個性化幾何特征的角膜有限元生物力學模型，模擬角膜在眼內壓作用下的形變過程，通過反復迭代運算獲得角膜組織本構參量的最優化結果，這種測量方法考慮了角膜的各向異性，與基于薄殼理論的簡單離體角膜膨脹試驗相比，測量結果具有更好的精確度和可重復性。然而，即使是對完整的角膜進行測量，由于在測量過程中約束了角膜緣，限制了角膜緣的形變，所以本試驗并不能完全的模擬出角膜的在體狀態，影響了測量結果的準確性[5]。

1.2.3離體全眼球膨脹試驗獲得完整的眼球，去除眼內容物，從視神經向眼球內注入生理鹽水,模擬眼壓升高,用超聲彈性顯微鏡、全息干涉、散斑干涉、激光共焦顯微鏡等方法測量不同眼壓作用下角膜的形變，分析獲得角膜的生物力學特性。該方法基本上保持了正常情況下角膜的受力狀態并維持了角膜形狀的完整性,是相對最接近角膜生理狀態的測量方法，測量結果更加精確，但該試驗測量設備制作復雜，數據繁雜，分析耗時，且需要進一步解決在測量過程中提供接近生理狀態的眼球支撐方式和消除鞏膜對試驗結果的影響等難題。Hjordal[10]應用此方法對角膜不同區域的生物力學特性進行了測量，發現在相同應力下，在經線方向上楊氏模量最大的是角膜中央區和旁中央區，而緯線方向上彈性模量最大的則為邊緣區。

2　在體測量

2.1眼反應分析儀眼反應分析儀(ocular response analyzer,ORA)是最早應用于臨床的在體測量角膜生物力學的儀器。基于非接觸的雙向壓平原理，ORA不僅可以測量角膜生物力學特性，同時還可以測量眼內壓(intraocular pressure,IOP)[11]。 ORA由一個空氣泵和一個光電系統所構成。其中空氣泵可以發射出經精確計量的空氣脈沖，光電系統包括一個紅外線發射器、一個光密度測量儀和一個壓力傳感器。在測量過程中，紅外線發射器向角膜投射紅外線，光密度測量儀測量經角膜反射的反射光的密度。首先空氣泵向角膜投射精確計量的空氣脈沖，引起角膜向內運動。在向內運動過程中，角膜會經歷第一次的壓平(P1)，此時反射光密度會達到其最大值。隨后空氣脈沖壓力減小，角膜將從最大凹陷狀態回復到自然狀態，在此過程中角膜會經歷其第二次壓平(P2)。兩次壓平的間隔時間約為20ms。光電系統會監測整個測量過程并記錄下兩次壓平時分別所對應的壓力值(P1,P2)。角膜的黏彈性會使這兩個壓力值不同[12]。

ORA提供了角膜滯后量(corneal hysteresis,CH)和角膜阻力因子(corneal resistance factor,CRF)兩個角膜生物力學參數。其中CH是兩個壓力的差值(CH=P1-P2)，主要反映角膜的粘性特征，即角膜組織吸收和損耗能量的能力。CRF由公式(P1-kP2)計算得出，其中k為一個經驗常數，通過對P1、P2和角膜中心厚度(central corneal thickness,CCT)之間關系的經驗性分析得出。CRF主要反映了角膜組織的彈性特征，代表了角膜組織對施加的外力的抵抗力之和。CH和CRF均為經驗性參數，尚未建立與楊氏模量、柏松比等經典物理參數的直接聯系，因此，這種測量方法的可靠性受到部分研究者的質疑[13]。CH和CRF均與CCT呈顯著的正相關，與年齡、眼軸長度和角膜曲率呈負相關，并且CH和CRF的測量結果還受到IOP、角膜溫度、屈光不正和病理改變的影響[3,14-18]。盡管在正常角膜中CH和CRF測量結果的變化范圍較廣，但它們仍有助于正常角膜與青光眼、圓錐角膜等病變角膜的區分。一些研究者報道了與正常角膜相比，CH和CRF在不同亞型的青光眼中顯著降低[19-20]。部分研究者發現與正常角膜相比，圓錐角膜的CH和CRF值明顯降低，且CH和CRF值與圓錐角膜的嚴重程度相關[21]。除此之外，CH和CRF在其他的一些病理改變下也顯著降低，比如糖尿病[22]、風濕性關節炎[23]、甲狀腺相關性眼病[24-25]、酒渣鼻性眼病[26]、眼瞼松軟綜合征[27]、富克斯角膜營養不良[28]和屈光矯正術后[29-31]。

除了CH和CRF，ORA同時還測量Goldmann相關眼壓(Goldmann intraocular pressure,IOPG)和角膜補償眼壓(corneal-compensated intraocular pressure,IOPCC)兩個眼內壓參數。IOPG是P1和P2的平均值，其測量值與Goldmann壓平眼壓計的測量值近似。IOPCC是通過計算得出的校正眼壓值，與Goldmann壓平眼壓計測量值相比，其受角膜厚度等角膜特性的影響較小[32]。

對于可疑性圓錐角膜，僅憑CH和CRF確診是完全不夠的，因此ORA制造商通過分析測量過程中的ORA應答曲線波形，提出了37個新的測量參數，如應答曲線的曲線下面積、上升和下降斜率、頂點縱橫比等。制造商并未對新參數進行明確的解釋，只是給出了大致思路，如：曲線下面積與角膜經歷從凸狀到凹狀或從凹狀到凸狀的時間成正相關，曲線下面積越小，代表角膜變化速度越快，說明角膜阻尼越小；曲線頂點的粗糙度與測量的噪音成正相關，頂點粗糙度值越低，表征位移越小，角膜越光滑，頂點粗糙度值越高，角膜越不光滑。尚未有研究表明這些新的測量參數與生物力學參數有確切關系，其準確性及臨床應用價值有待進一步研究。Mikielewicz等[33]通過比較正常角膜和圓錐角膜的42個新參數，發現其中的12個具有區分正常角膜和早期圓錐角膜的能力。Hallahan等[34]提出了自定義的新參數，并發現其對于圓錐角膜的診斷有較高的精確度。Goebels等[35]界定了一些新參數的閾值，用于圓錐角膜分級。Trivizki等[36]研究發現信號曲線第二峰下面積可以用以區分中高度規則散光、不規則散光和正常角膜。

2.2可視化角膜生物力學分析儀可視化角膜生物力學分析儀(corneal visualization Scheimpflug technology,Corvis ST)是另一個已用于臨床的可在體測量角膜生物力學特性的儀器。它主要采用了氣沖印壓技術、高速Scheimpflug相機和可視化的Scheimpflug技術。在測量過程中，經精確計量的空氣脈沖投射到角膜表面，引起角膜形變，該過程分為三個時期。從測量開始時角膜處于自然曲率狀態到角膜向內的凹陷狀態這一過程為內向運動期，在此過程中，角膜會經歷第一次壓平狀態。隨后角膜達到最大壓陷狀態，此時會有一個短暫的振蕩期。由于角膜的黏彈性，角膜會從最大壓陷狀態回復到其自然狀態，這是第三個時期即外向運動期，在此過程中角膜會經歷第二次壓平狀態。高速Scheimpflug相機捕獲了角膜橫斷面的形變，其水平掃描深度達到8.5mm，隨后整個形變過程慢動作顯示在控制面板上。高速Scheimpflug相機可達到每秒4330幀的采集速度，由于整個測量過程耗時約30ms，因此最終可采集到140張的角膜形變過程中的斷層圖像。該設備實時動態記錄了角膜形變的全過程并通過直接分析獲得了角膜生物力學特性[37]。

Corvis ST主要測量了以下的角膜生物力學參數：兩次壓平狀態所分別對應的壓平時間(第一/第二壓平時間)、壓平長度(第一/第二壓平長度)和壓平速率(第一/第二壓平速率)，及最大壓陷狀態所對應的最大形變幅度、最大壓陷屈膝峰間距和最大壓陷時間[15]。此外，Corvis ST還測量了角膜中心厚度，以及依據第一壓平時間與IOP間的相關性計算出了相應的IOP。一些研究報道了Corvis ST的某些參數具有良好的可重復性和再現性，比如IOP、CCT、最大形變幅度和第一壓平時間，其中CCT的可重復性最佳[38-40]。某些參數的測量也受到IOP[41]、年齡[42]以及青光眼、糖尿病等疾病及屈光手術的影響[29,43]。Tian等[44]提出了在正常角膜和圓錐角膜中具有顯著差異的一些新參數，如最大內向運動速率、最大外向運動速率、最大形變面積和最大凹陷曲率。Tian等[45]報道了在正常角膜和初期的開角型青光眼中，第一壓平速率、第二壓平時間、峰間距及最大壓陷幅度等參數具有明顯差異，因而有利于青光眼的篩查及治療。Lee等[46]發現外向運動的平均速率、第一/第二壓平速率、峰間距及最大壓陷時間在正常角膜和青光眼中具有顯著差異，且最大壓陷時間與青光眼的嚴重程度相關。而Perez-Rico等[22]發現最大形變幅度、第一/第二壓平時間及第一壓平速率對于區分經治療控制的糖尿病的角膜、未控制的糖尿病的角膜及正常角膜具有重要意義。

該測量方法的局限之處在于它只記錄了角膜橫斷面的形變，而忽略了其他方向上的形變。尤其是圓錐角膜和角膜屈光術后，角膜的運動方向發生改變，在測量其形變過程時，該方法欠佳[47]。Ail 等[48]發現大多數Corvis ST生物力學參數在正常角膜和圓錐角膜中存在顯著統計學差異，但各參數組間存在比較高的重疊區間，限制了Corvis ST在圓錐角膜臨床診斷中的應用。

3　光學相干斷層成像技術

光學相干斷層成像技術(optical coherence tomography,OCT)是一種新興的生物力學特性測量方法，主要基于弱相干光干涉原理，獲得角膜橫斷面的二維或三維成像，且其具有較高的空間分辨率和時間分辨率[49]。由于角膜的不同結構對入射光的反射能力不同，該方法通過測量反射光的光強度和分析其與參照光間的延遲時間，來確定角膜組織的不同結構及其相應深度[50]。隨后通過特殊計算處理，以偽彩形式顯示角膜組織的斷層結構。隨著OCT技術的快速發展，OCT現已可以測量納米數量級的角膜位移和測量角膜中的低振幅波的傳播[51]。

表1離體測量法的比較

離體測量原理優點缺點軸向拉伸試驗將離體角膜切割為長條狀,固定于軸向拉伸儀上進行軸向拉伸試驗,監測角膜形變。可測量不同荷載形式下的角膜生物力學特性。破壞角膜完整性和纖維走形,改變角膜彎曲度,忽略角膜中心區和邊緣區厚度差異,影響測量準確性和可重復性。角膜膨脹試驗基于薄殼理論的簡單離體角膜膨脹試驗離體完整角膜固定于前房模擬器,注入鹽水模擬眼內壓,光電設備測量角膜形變,基于薄殼理論推導角膜生物力學特性。保持了角膜組織結構的完整性,測量簡便,計算簡單。基于薄殼理論的角膜球形結構與均質性的角膜生物力學特性假設降低了測量結果的準確性。基于逆向建模技術的離體角膜膨脹試驗應用逆向建模技術構建具有個性化幾何特征的角膜有限元生物力學模型,反復迭代運算獲得角膜組織本構參量的最優化結果。考慮了角膜的各向異性,測量結果具有更好的精確度和可重復性。測量中約束了角膜緣,不能完全模擬角膜在體狀態。離體全眼球膨脹試驗從視神經向完整眼球內注入生理鹽水,模擬眼壓升高,監測角膜形變,獲得角膜的生物力學特性。最接近角膜生理狀態的測量方法,測量結果更加精確。測量設備制作復雜,數據繁雜,分析耗時,難以消除鞏膜對試驗結果的影響。

表2在體測量法的比較

在體測量原理優點缺點ORA非接觸的雙向壓平原理,光電系統監測記錄兩次壓平對應的壓力值。非接觸性及非破壞性測量,已用于臨床,同時可測眼內壓。CH和CRF均為經驗性參數,尚未建立與經典物理參數的直接聯系,降低了可信度。CorvisST非接觸雙向壓平原理,高速Scheimpflug相機記錄形變全過程。實時動態記錄角膜形變全過程,數據采集頻率高,測量參數多。只記錄了角膜橫斷面的形變,忽略了其他方向上的形變。OCT基于弱相干光干涉原理,獲得角膜橫斷面的二維或三維成像。快速實時測量,空間分辨率及時間分辨率高,可測量納米數量級的角膜位移。分析散射光強度只考慮了單次背向散射光,未包含多次散射光,需進一步完善理論基礎。布里淵光學顯微鏡基于布里淵散射光譜,測量散射光頻移,確定角膜彈性特征。可測量角膜的彈性模量,空間分辨率及敏感性較高。探測布里淵散射信號的信噪比低,成像測量時間過長。超聲彈性成像依賴負荷方式激勵角膜,引起角膜形變,超聲測量及成像。實時定量測量角膜彈性特性。空間分辨率相對較低,一般為數十或數百微米。OCE依賴負荷方式激發角膜形變,OCT成像系統測量角膜形變。分辨率高,可達納米量級,可對較小形變量進行測量。需進一步完善簡化的角膜模型,提升位移估算及彈性模量計算的精確度。ESPI激光散斑的可視化原理,通過干涉散斑場相關條紋來檢測雙光束波前后間相位變化。測量簡便,可實時測量,測量精確度高,可達微米量級,測量范圍廣,可全角膜測量,檢測結果易于儲存。過大的形變將導致散斑之間喪失相關性,降低條紋可見度。

注：ORA: ocular response analyzer,眼反應分析儀;CH: corneal hysteresis,角膜滯后量;CRF: corneal resistance factor,角膜阻力因子;Corvis ST: corneal visualization Scheimpflug technology,可視化角膜生物力學分析儀;OCT: optical coherence tomography,光學相干斷層成像技術;OCE: optical coherence elastography,光學相干彈性成像技術; ESPI: electronic speckle pattern interferometry,電子散斑干涉。

4　布里淵光學顯微鏡

布里淵光學顯微鏡是一項非接觸性的基于布里淵散射光譜并以3D形式對角膜內部的黏彈性進行成像的創新技術。它可以測量角膜不同深度下的彈性模量，并具有較高的空間分辨率及敏感性[52]。布里淵光散射本質是角膜組織中入射光與聲頻聲子的相互作用，由于聲頻聲子的傳播速度與角膜的力學特性相關，所以可以通過測量散射光的頻移來確定角膜的彈性特征。布里淵光學顯微鏡由一個高分辨率的布里淵光譜儀和一個共聚焦顯微鏡組成，其中布里淵光譜儀用于測量布里淵散射光的頻移，共聚焦顯微鏡用于角膜的彈性成像。布里淵光學顯微鏡現已成功用于體外測量和人眼角膜的在體測量，展現了其在臨床診斷及治療中的應用潛力，例如對圓錐角膜及角膜擴張的早期診斷[53]和對角膜交聯治療后的療效評估[54-55]。然而，目前的一些技術難題限制了布里淵光學顯微鏡在臨床中的應用。一個是目前布里淵掃描儀的分辨率達不到從其他散射光如米爾散射及瑞利散射光中完全精確地分離出布里淵散射光的要求。另一個是由于需要達到一定深度的掃描，所以測量時間相對較長[56-58]。

5　彈性成像

彈性成像技術是另一個新興的角膜生物力學特性的測量技術。其測量過程通常包括兩步，首先施加一個激勵于角膜上，引起角膜的形變，其后測量角膜對于該激勵的應答反應。施加于角膜的激勵可以由機械力、聲輻射力或激光脈沖器等產生。應用于眼科領域的彈性測量及成像技術主要是超聲彈性成像和光學相干彈性成像[50]。彈性成像技術在臨床的其他領域也有廣泛的應用，如乳房腫物、動脈粥樣硬化及肝纖維化等疾病的診斷[59]。

5.1超聲彈性成像超聲彈性成像技術是通過對角膜施加一個外部或者內部的激勵，引起角膜產生形變，并應用超聲測量成像方法直接測量角膜的彈性特征并對其進行成像。超音速剪切波成像(supersonic shear imaging,SSI)和超聲彈性顯微鏡是目前在眼科領域最常用的兩種超聲彈性成像技術。SSI的測量原理是利用超聲波輻射力激勵角膜，在角膜內產生剪切波，并利用超高速的超聲掃描儀記錄剪切波的傳播并對其進行成像。由于剪切波傳播速度與楊氏模量直接相關，所以通過測量剪切波的傳播速度，SSI可以實現對角膜彈性特征的實時定量測量并繪制相應的實時角膜彈性圖[60]。基于此測量方法，Tanter等[2]實現了對完整的豬角膜的彈性特征的實時定量測量及成像；Nguyen等[60]和Touboul等[61]監視了角膜膠原交聯治療后的彈性特性的改變；Deffieux等[62]通過特殊的信號處理，實時定量測量了剪切彈性模量及其離散度。而應用超聲彈性顯微鏡，Hollman等[63]測量了完整的牛眼角膜的不同深度的應力，并發現角膜的彈性分布具有非均一性。通過測量由超聲波輻射力引起的角膜內的蘭姆波的傳播速度，研究者定量地測得了角膜的彈性和粘性特性[64]。Mikula等[65]應用聲輻射力彈性顯微鏡，測量了角膜不同區域的生物力學特性，并發現其與所在部位的纖維板的密度密切相關。Beshtawi等[6,66]應用掃描光學顯微鏡，比較了不同角膜膠原交聯方案治療后的角膜生物力學特性的改變。

超聲彈性成像技術的空間分辨率相對較低，一般為數十或數百微米，因而在測量過程中常需要被測物發生相對較大的形變，此特點削弱了其在臨床應用中的潛力。

5.2光學相干彈性成像技術光學相干彈性成像技術(optical coherence elastography,OCE)是基于OCT的另一個新興的非侵入性的彈性成像技術，它能夠定量測量角膜的彈性特性[58]。OCE通過測量由外部或者內部的激勵所引起的角膜縱向振動、剪切波傳播速度或表面波傳播速度來獲得角膜的彈性特性[67]。基于OCT的固有優點，OCE可以達到納米量級的分辨率，因而可以對較小的形變量進行測量，并對角膜彈性特性進行高分辨率成像,此特點彌補了分辨率相對較低的超聲彈性成像技術的不足[57]。根據激勵方式的不同，OCE可以分為靜態的光學相干彈性成像技術和動態的光學相干彈性成像技術[59]。靜態OCE是由外部激勵引起角膜形變，通常是由靜態壓縮等機械力引起。而動態OCE，則是由聲輻射力等各種波形引起角膜內部產生動態負荷，從而引起角膜內部的振蕩和形變[68-69]。

應用剪切波光學相干彈性成像技術，Wang等[51,57]通過測量彈性波群的傳播速率，定量測量了角膜不同深度的生物力學特性。離體的豬角膜的靜態的三維彈性成像也已有報道[70]。Song等[68]通過測量剪切波的傳播速度，精確繪制了剪切模量圖。Qi等[67,69]通過測量由聲輻射力引起的角膜位移，定量測量了彈性特性和楊氏模量。Manapuram等[71]和Dorronsoro等[72]展現了OCE在體測量生物力學特性的可行性。

6　電子散斑干涉

電子散斑干涉(electronic speckle pattern interferometry,ESPI)技術是一種基于激光散斑的可視化原理的非接觸式的全場實時測量成像技術。當激光照射到光學上粗糙的表面時就會產生激光散斑。在測量過程中，一束激光被投射到被檢測物體的表面，反射光與參考光光束發生干涉，在被測物體表面形成干涉圖[1]。當被測物體發生形變時，被測物表面的干涉條紋會隨之發生變化，且這些變化表征了被測物體表面的位移、形變信息。使用攝像機捕獲這些干涉圖，通過數值計算，這些干涉信息將轉化為表面位移量，經過進一步的計算處理，最終轉化為楊氏模量、應變密度等傳統力學參數。與其他測量方法相比，ESPI具有測量簡便、實時測量、測量范圍廣可進行全角膜測量、測量精確度高可達到微米量級和檢測結果以數字形式儲存易于保存等優點。

對角膜生物力學特性的測量有利于更好地認識、理解角膜的生理及病理狀態，也有利于疾病的早期診斷和治療。目前已有多種測量角膜生物力學的方法，但是尚無一種方法可以全面反映角膜的生物力學特性。每種測量技術及方法的原理不同并有其各自的優點及缺點見表1,2。如何準確地在體測量角膜生物力學特性在臨床中仍是一大挑戰。研發出能精確地在體測量角膜生物力學特性的新技術新方法和提出界定角膜生物力學特性的新參數將是眼科領域新的研究方向。

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Progress on the measurement of corneal biomechanical properties

Qian Wang1,Lin-Lin Wang2,Yan Zhang1,Shu-Rong Wang1

Shu-Rong Wang.Department of Ophthalmology,the Second Hospital of Jilin University,Changchun 130041,Jilin Province,China.srwang@jlu.edu.cn

2016-06-12Accepted：2016-09-05

corneal biomechanics; measurement; ocular response analyzer; corneal visualization Scheimpflug technology

吉林大學優秀青年教師培養計劃(No.419080500586)；吉林大學白求恩計劃項目(No.470110000520)

1(130041)中國吉林省長春市，吉林大學第二醫院眼科；2(130033)中國吉林省長春市,吉林大學中日聯誼醫院影像醫學超聲科作者簡介：汪倩，在讀碩士研究生，研究方向：角膜病、屈光手術。

王淑榮，博士，碩士研究生導師,副教授，副主任醫師，研究方向：角膜病、屈光手術.srwang@jlu.edu.cn

2016-06-12

2016-09-05

Abstract

?Cornea is the major refractive components of the eye.As a viscoelastic tissue,cornea exhibits complicated biomechanical properties: non-linear elasticity,anisotropy and viscoelasticity.The biomechanical properties play an important role in keeping the normal structureand function.Changes in biomechanical properties are always earlier than the clinical symptoms.So quantitative measurement of the biomechanical properties benefits the early diagnosis and treatment of diseases.Different methods to measure the biomechanical properties of cornea were reviewed in detail,including classic ex vivo destructive tests,commercially available in vivo measuring methods and other emerging methods with the potential for clinical application but not validated for in vivo measurement.The operating principles,advantages as well as limitations of these methods were also described.

Wang Q,Wang LL,Zhang Y,et al.Progress on the measurement of corneal biomechanical properties.Guoji Yanke Zazhi(Int Eye Sci) 2016;16(10):1840-1846

角膜是人眼的主要屈光介質。作為一種黏彈性生物組織，角膜具有非線彈性、黏彈性和各向異性的復雜生物力學特性。角膜的生物力學特性對維持角膜的正常形態及功能具有重要作用。在許多眼部疾病中，角膜生物力學的改變常常早于臨床癥狀的出現。因此對角膜生物力學特性的定量測量有利于疾病的早期診斷和治療。目前測量角膜生物力學有多種方法，包括經典的體外實驗，已應用于臨床的在體測量法和其他的一些具有臨床應用潛力的在體測量法。各種方法測量原理不同并有其相應的優缺點。

10.3980/j.issn.1672-5123.2016.10.13