圓錐角膜生物力學研究進展

魏俊超，李曉娜

(太原理工大學 生物醫學工程學院，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生錐形變形為特征的角膜擴張性疾病，臨床表現為高度不規則散光和視力受損，是眼科臨床常見的致盲疾病之一。目前圓錐角膜的發病機制尚不清楚[1-2]。圓錐角膜表現為蛋白水解酶合成增加，膠原降解，板層數量減少，膠原纖維排列紊亂，膠原之間交聯障礙，導致角膜組織力學性能及結構穩定性下降。圓錐角膜早期在形態、屈光度以及力學性能方面沒有明顯變化，且癥狀與近視、散光等屈光不正現象類似，因此很難發現，在出現不適就診時可能已經處于進展期。部分角膜屈光術后引起的繼發性圓錐角膜與術前未檢出圓錐角膜易感者和角膜切削過度有關[3]。因此，對圓錐角膜進行早期篩查則顯得尤為重要。

隨著角膜形態學和生物力學檢測手段的不斷發展，為眼科臨床屈光手術參數設計、手術質量評估和預測，以及圓錐角膜的診斷與治療等過程提供了堅實的技術支撐。本文就圓錐角膜發生發展過程中的相關生物力學問題進行綜述。

1 在體圓錐角膜力學行為的研究

目前在體圓錐角膜力學行為的檢測手段主要有脈沖氣流沖壓法和布里淵光學顯微鏡法[4-7]。臨床上眼反應分析儀(ocular response analyzer，ORA)和可視化角膜生物力學分析儀(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)來檢測在體角膜力學性能。通過分析角膜受到脈沖氣流作用后的動態力學響應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性能顯著低于正常角膜，且在發病早期即發生了變化[10]。此外，CH值有隨圓錐角膜疾病的發展逐漸降低的趨勢[11]。因此，有人建議可將CH值作為診斷圓錐角膜的指標之一[12]。然而僅通過CH與CRF參數很難完全區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個參數后發現，只有CRF與第二峰值曲線下面積(p2 area)區分正常與圓錐角膜效果較好。因此，在體角膜力學性能檢測的精準性仍有待提高。

與ORA相比，最近出現的Corvis ST能夠獲得更精準的角膜變形數據。Corvis ST通過對角膜施加恒定的空氣脈沖，采用高速Scheimpflug成像捕捉角膜發生壓平-凹陷-壓平-恢復的動態變形過程并進行實時分析，獲得能夠反映角膜力學行為的參數，如第一次壓平時間(A1T)表示角膜由初始狀態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經歷最大壓陷后重新回到壓平狀態的時間；角膜硬度參數(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到最大凹陷時的垂直位移量；應力-應變指數(SSI)被用來估算角膜整體變形過程中的應力-應變行為等。

研究認為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特性發現，DA和A1T能夠作為診斷圓錐角膜的主要參數。A2T是反映角膜黏彈性的一個重要參數，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檢測結果不同，即角膜的黏彈性會隨時間發生變化[18]。隨著圓錐角膜病程的進展，角膜的SP-A1值會逐漸降低[19]。也有人認為[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展程度以及評估交聯治療后的療效[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研究的基礎上，進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據中進行了驗證，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。

近年來，研究者們將Corvis ST與角膜地形圖Pentacam檢測結果聯合起來生成了新的評判圓錐角膜的參數，如BAD-D、角膜生物力學指數(corvis biomechanical index，CBI)、斷層生物力學指數(tomographic biomechanical index，TBI)，進一步提高了圓錐角膜診斷的準確性[24-25]。CBI對區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之一[28-29]。

布里淵光學顯微鏡(Brillouin Microscopy)也是一種在體角膜生物力學性能的檢測手段。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分正常角膜與圓錐角膜，還可以反映角膜局部生物力學特征。然而SEILER[33]對布里淵顯微鏡與臨床角膜生物力學檢測儀器檢測結果進行對比后發現其診斷能力尚未超過目前臨床使用的在體角膜力學檢測儀器，仍需進行改進。

ORA和Corvis ST作為臨床無創、非接觸的生物力學檢測手段，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行為的指標，但無法直接得到角膜材料固有的黏彈性屬性，目前這些參數仍需要離體實驗獲取。此外，Corvis ST給出的在體生物力學檢測指標繁多，不同研究結果發現在圓錐角膜進展過程中發生變化的生物力學指標也不盡相同。因此，仍需發展一種新的在體角膜生物力學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鍵生物力學參數。

2 圓錐角膜材料力學性能的研究

角膜組織是典型的非線性、黏彈性材料，具有應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行檢測[34-36]。研究表明圓錐角膜在發生發展過程中角膜組織的彈性發生了不同程度的改變[37]。ANDREASSEN et al[38]進行單軸拉伸實驗發現，在相同應變條件下(≤50%)，圓錐角膜的應力明顯低于正常角膜。而NASH[39]則發現在生理范圍的應變條件下(≤3%)，二者的應力沒有顯著差異。以上兩項研究沒有在相同的條件下進行，因此不能直接進行比較。CARSTEN et al[37]通過數學計算和若干假設推導出角膜的彈性模量，并對29例正常角膜以及27例圓錐角膜研究發現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性能較弱，抵抗變形能力下降，在眼內壓作用下更容易發生變形。

近年來，有學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產生的微泡，同時使用高頻、低強度的超聲來跟蹤組織內微泡的位置。微泡可以在角膜的任何位置產生，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域以及不同層的力學性能變化。相關研究發現，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層和后基質層的彈性模量分別低于正常角膜，且前基質層的彈性模量顯著高于后基質層，這與角膜微觀結構觀測到的前基質層纖維更加致密的結果一致[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性能，而雙軸拉伸則可實現角膜組織各向異性材料特性的檢測，將離體材料力學性能與在體生物力學行為之間建立有效聯系，將獲得更可靠的評價圓錐角膜的體系。

3 交聯后圓錐角膜組織力學性能研究

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

目前對圓錐角膜交聯后角膜材料力學性能的研究很少。HU et al[51]建立兔圓錐角膜模型后施行角膜交聯術，雙軸拉伸實驗結果顯示角膜的彈性模量顯著增加，說明交聯術能夠增強圓錐角膜的力學性能，支持了臨床上角膜交聯術能夠減緩或阻止圓錐角膜發展。但關于圓錐角膜交聯程度與交聯效果之間的關系尚不明確，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境和力學環境，實現對不同工況下角膜力學行為動態響應的模擬分析，以云圖形式直觀地表現角膜的變形、應力、應變等結果。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行為，也可以結合在體角膜生物力學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。另有研究表明[55-56]，眼內壓和角膜局部力學性能的改變加速了圓錐角膜的進程。文獻[57-58]通過建立人角膜有限元模型，模擬了角膜基質板層間和板層內膠原纖維的滑移，發現角膜出現圓錐的位置不在角膜中心發生了偏移，這與臨床檢測結果一致，提示膠原纖維板層間和板層內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超彈性本構模型參數，獲得了角膜的應力分布情況，并結合Corvis ST檢測的生物力學參數，利用人工神經網絡算法提高了區分正常角膜、疑似圓錐角膜與圓錐角膜的準確性。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。孟喬宇[60]根據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構的本構模型，模擬了Corvis ST檢測過程，并與臨床檢測結果對比，確定了圓錐角膜超彈性本構參數。其結果顯示圓錐角膜應力和位移并不呈對稱分布，最大應力和最大位移均出現在角膜最薄處，而并非角膜中心位置；眼壓升高會導致角膜變薄區域擴大，進一步加速了圓錐角膜發展。

有限元方法還能夠模擬角膜交聯術后形態及力學性能的變化。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準的9 mm直徑交聯，發現交聯術后角膜曲率減小，說明交聯能改善角膜形態。此外，該課題組還利用圓錐角膜患者角膜交聯前后的幾何參數進行了有限元模擬[62]，并通過逆向優化方法估算了交聯后角膜彈性模量隨時間的變化，結果表明交聯區域角膜彈性模量至少增加一倍，驗證了角膜交聯術的有效性。

5 圓錐角膜動物模型及角膜力學性能研究

由于圓錐角膜發病機制復雜，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進行降解，實驗動物主要為小鼠和兔。

FARHAD et al[63]首次在小鼠角膜基質內注射6 mg/mL質量濃度的Ⅰ型膠原酶溶液，于術后1、3、5 d檢測發現角膜呈錐形突出，認為角膜發生了圓錐病變。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，術后14 d發現角膜曲率增加、厚度減??；Corvis ST檢測發現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性能下降。角膜條帶單軸拉伸實驗發現模型組的彈性模量降低[65]。HU et al[51]對兔角膜基質內注射0.1 mg/mL Ⅰ型膠原酶，術后2個月發現角膜膠原纖維結構破壞，角膜中央厚度減小；雙軸拉伸實驗結果表明沿X與Y方向角膜的力學性能均顯著下降；紫外交聯后角膜曲率減小，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，研究了術后3個月角膜的黏彈性變化，發現模型眼在低應變區(0.02～0.04)與高應變區(0.10～0.12)均表現出較低的彈性模量；模型眼的應力松弛值低于對照眼，提示經過膠原酶處理后角膜黏彈性下降。

目前，關于圓錐角膜動物模型的建立仍不成熟，圓錐角膜發生發展過程中力學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性能，結合角膜超微結構變化，能夠更好地理解圓錐角膜發病機制，為疾病診斷和治療提供實驗支持和指導。

6 展望

在體角膜生物力學結合角膜形態學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，但其精準性仍有待提高。建立穩定的圓錐角膜動物模型，深入探討圓錐角膜疾病發生發展過程中角膜力學行為的變化，結合有限元模擬，解析在體角膜生物力學檢測參數中的力學意義，將為探索圓錐角膜的發病機制、診斷與治療提供有價值的參考。