薛超 王雁 向堯齊 沈岷 吳迪

角膜的生物力學(xué)性質(zhì)被定義為在承受外界壓力時如何反應(yīng)和變形[1]。以往的研究表明，角膜生物力學(xué)特性對于角膜屈光手術(shù)的最終結(jié)果和可預(yù)測性至關(guān)重要[2-3]，并在眼壓測量、青光眼管理以及角膜病變(如圓錐角膜、Fuchs角膜內(nèi)皮營養(yǎng)不良)等方面發(fā)揮著重要作用。角膜生物力學(xué)特性近年來已成為研究的熱點[4]。 單軸拉伸試驗將特定方向的角膜試件進行測試，獲取精確的角膜應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，被認為是機械工程的金標準[5]。但是，這種測試是破壞性的，只能在離體組織中進行，不能在正常人角膜中使用。角膜生物力學(xué)參數(shù)的在體測量能夠檢測其在外力作用下如何發(fā)生改變。Corvis ST角膜生物力學(xué)分析儀能在體記錄角膜變形及反應(yīng)的整個過程,并能夠直接分析角膜形變來評估角膜生物力學(xué)參數(shù)。但在體測量的角膜生物力學(xué)參數(shù)與離體角膜生物力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系到目前為止仍然還不清楚。

近年來，隨著飛秒激光小切口角膜基質(zhì)透鏡取出術(shù)(SMILE)的出現(xiàn)，我們能夠獲得正常人角膜組織，這使得直接研究正常人離體角膜組織成為可能。另外，我們可以使用Corvis ST角膜生物力學(xué)分析儀獲得同一個體的在體角膜生物力學(xué)參數(shù)。因此，結(jié)合這兩方面的數(shù)據(jù)，或許我們可以更全面地了解近視患者在體和離體角膜生物力學(xué)特性之間的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 一般資料本研究入選近視患者共23例(46眼)，其中，男10例、女13例。對所有研究對象術(shù)前進行嚴格規(guī)范的檢查，包括裸眼視力、裂隙燈顯微鏡、直接檢眼鏡、間接檢眼鏡、角膜地形圖、眼壓、散瞳及小瞳驗光等檢查。排除標準：圓錐角膜或可疑圓錐角膜，活動性的眼部及全身疾病，眼部手術(shù)史、外傷史以及其他影響角膜健康的疾病，以保證手術(shù)的安全性；配戴軟性角膜接觸鏡者停戴時間需大于2周、配戴硬性角膜接觸鏡者停戴時間需1個月以上。

所有入選對象SMILE術(shù)前1 d均使用Corvis ST角膜生物力學(xué)分析儀(Oculus Optikger?te GmbH,Wetzlar,德國) 進行在體角膜生物力學(xué)參數(shù)測量。SMILE術(shù)后，將術(shù)中獲取的角膜基質(zhì)透鏡進行單軸拉伸試驗來獲取其標準的力學(xué)特性。 本研究遵守《赫爾辛基宣言》，并獲得天津市眼科醫(yī)院倫理委員會的批準。所有研究對象進行檢查和手術(shù)前均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 Corvis ST 角膜生物力學(xué)分析儀測量被檢查者坐在設(shè)備前，將下頜放在頜托上，額部靠在額托上。通過調(diào)整操縱桿，使被檢查者能夠看到應(yīng)該凝視的紅燈[6]。在適當?shù)臅r候空氣脈沖會自動啟動，檢查完成后會自動將數(shù)據(jù)輸出到連接的計算機上。 測量均由同一位有經(jīng)驗的技師完成，連續(xù)測量3次。質(zhì)量指標“OK”的檢查結(jié)果被納入分析，取連續(xù)測量3次的平均值用于分析。

1.2.2 SMILE 手術(shù)過程所有手術(shù)均由同一位有經(jīng)驗的醫(yī)師完成。術(shù)前3 d常規(guī)每天4次滴3 g·L-1氧氟沙星滴眼液，術(shù)前使用鹽酸奧布卡因滴眼液滴眼進行表面麻醉。SMILE手術(shù)使用VisuMax型飛秒激光器(德國Carl Zeiss公司)完成；頻率為500 kHz，能量為115～130 nJ，角膜帽厚度為110 μm，角膜基質(zhì)內(nèi)透鏡直徑為6.00～6.50 mm，角膜帽直徑為基質(zhì)內(nèi)透鏡直徑加1.00 mm，側(cè)切角均為90°。SMILE術(shù)中先進行微透鏡下方掃描，然后行透鏡側(cè)切，再行透鏡上方掃描，于12點鐘位制作寬3 mm微切口；基底厚度為10～15 μm。掃描結(jié)束后用顯微分離器先分離透鏡前表面和上方角膜組織，再分離透鏡后表面，將其游離后用顯微鑷取出，并仔細檢查角膜基質(zhì)透鏡是否完整[7-9]。

1.2.3 試件制作和單軸拉伸試驗SMILE術(shù)中取出角膜基質(zhì)透鏡后，用龍膽紫標記12點鐘位，然后立即放入角膜保存液(Eusol-C，Alchima,Padova,意大利)中置于4 ℃的冰箱中保存，保存時間不超過 24 h。開始實驗時，將角膜基質(zhì)透鏡置于橡膠墊上展平，再使用自制雙刃刀沿上方-下方(垂直)方向裁切成寬1 mm的角膜試件。將試件夾持于夾具上，兩端用帶有螺紋的夾頭用螺絲固定夾緊，先對試件進行預(yù)調(diào)，然后使用力學(xué)試驗系統(tǒng)進行試驗，以0.01 mm·s-1的速度進行單軸拉伸直至試件斷裂。單軸拉伸試驗在室溫下進行，使用生理鹽水水浴裝置保持試件的濕潤。本研究采用凱爾原位拉壓力學(xué)試驗系統(tǒng)[IBTC-50,凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司]。

1.2.4 彈性模量計算方法分析單軸拉伸試驗前面的小區(qū)域(對應(yīng)小于5%的應(yīng)變)，通過線性回歸分析確定楊氏模量(E)。本研究中使用σ=A(eBe-1)描述應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，使用E=B(σ+A)推導(dǎo)彈性模量的線性關(guān)系。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法本研究使用SPSS 20．0統(tǒng)計學(xué)軟件進行統(tǒng)計分析。應(yīng)用Pearson相關(guān)分析法分析變量之間的相關(guān)性。采用多元線性回歸分析法探討彈性模量與測量的動態(tài)角膜反應(yīng)(DCR)參數(shù)之間的關(guān)系。檢驗水準：α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 一般結(jié)果23例(46眼)近視患者的基本參數(shù)見表1。Corvis ST角膜生物力學(xué)分析儀測量得到的17個在體DCR參數(shù)見表2。單軸拉伸試驗中，應(yīng)力為0.02 MPa時，對應(yīng)的彈性模量為(1.26±0.71)MPa(圖1)。

2.2 相關(guān)分析結(jié)果單軸拉伸試驗和Corvis ST角膜生物力學(xué)分析儀測量得到的DCR參數(shù)之間的相關(guān)性結(jié)果見表3，結(jié)果表明，除最大的偏離幅度(DefAMax)、弦長變化量和反向凹面半徑外，其余DCR參數(shù)與單軸拉伸試驗得到的彈性模量均顯著相關(guān)(均為P<0.05)。

表1 近視患者的基本參數(shù)

表2 Corvis ST測量得到的DCR參數(shù)

圖1 彈性模量計算中的實驗數(shù)據(jù)和擬合曲線

表3 彈性模量與Corvis ST測量參數(shù)間相關(guān)性分析結(jié)果

表4 被納入回歸方程的相關(guān)影響因素的回歸系數(shù)

3 討論

角膜基質(zhì)由數(shù)百層膠原板層構(gòu)成，每一層由相互平行的膠原纖維和細胞外基質(zhì)組成[10-11]。角膜基質(zhì)占據(jù)了90%角膜厚度，其決定了角膜的生物力學(xué)特性。 因此，可以通過研究角膜基質(zhì)的生物力學(xué)特性來了解角膜的生物力學(xué)性質(zhì)。

彈性模量是評估角膜生物力學(xué)性能的重要參數(shù)，它被定義為應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率，描述了在特定條件下載荷(應(yīng)力)影響材料形變(應(yīng)變)的程度。彈性模量越高，材料越硬，較硬的材料需要更大的力量才能發(fā)生變形[12]。眼壓是角膜生物力學(xué)評估中一個較為復(fù)雜的變量，較軟的角膜在較高眼壓下，可能比較硬的角膜在較低的眼壓下表現(xiàn)出更硬的生物力學(xué)特性[12]。 bIOP是生物力學(xué)校正眼壓，它是考慮中央角膜厚度、年齡和DCR參數(shù)的影響，通過有限元模擬推導(dǎo)出來的，已經(jīng)得到實驗和臨床的驗證[13-14]。本研究中近視患者的bIOP為(15.08±1.67)mmHg。根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)，該眼壓水平接近于應(yīng)力0.02 MPa時的眼壓[15-16]。因此，本研究中選取了應(yīng)力為0.02 MPa時對應(yīng)的彈性模量。本研究中離體角膜彈性模量為(1.26±0.71)MPa，與Wollensak等[17]對人眼球摘除后角膜彈性模量的研究值相近。 另外，本研究利用Corvis ST測量得到的17個在體DCR參數(shù)平均值、范圍和95%置信區(qū)間與以前的研究結(jié)果相接近[18-22]。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，Corvis ST測量得到的大部分DCR參數(shù)與單軸拉伸試驗得到的彈性模量顯著相關(guān)；并且，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DefAMax(ms)、弧長變化量、反向凹面半徑與彈性模量均無顯著相關(guān)性(均為P>0.05)。 由于這些參數(shù)的復(fù)雜性，需要今后進一步研究。

DAMax為最大壓陷時變形幅度，本研究顯示其與彈性模量呈負相關(guān)。以往有研究報道[23-24],圓錐角膜的DAMax與正常角膜相比更大，這表明較硬的角膜DAMax較小，與本研究結(jié)果一致。 Roberts等[18]發(fā)現(xiàn)，正常角膜較圓錐角膜更硬，表現(xiàn)為較長的A1Time和較慢A1Velocity。Huseynova等[1]發(fā)現(xiàn)，較硬的角膜預(yù)示著較大的最大壓陷時曲率半徑，回彈較快，從而導(dǎo)致第2次壓平時間較短，但在恢復(fù)期第2次壓平速度較快。與此相一致，本研究發(fā)現(xiàn)角膜彈性模量與A1Time、第2次壓平速度和最大壓陷時反向曲率半徑均呈正相關(guān)，而與第2次壓平時間和A1Velocity均呈負相關(guān)。

最大壓陷時峰距為最大凹度時角膜顳側(cè)-鼻側(cè)截面的兩個最高點之間的距離[25]，較硬的角膜最大凹陷時峰距較短[18]。以往有研究證實[13,19]，較軟的角膜DA比較高。 本研究發(fā)現(xiàn)彈性模量與最大凹陷時峰距、DA比2 mm、DA比1 mm均呈負相關(guān)。

DefAMax是最大的偏離幅度，弧長變化量是另一個DCR參數(shù)，用于描述從初始狀態(tài)到最大凹陷時，從角膜頂點到3.5 mm范圍兩側(cè)的弧長改變[13]。Roberts等[18]發(fā)現(xiàn)，正常人角膜中DefAMax(mm)改變與弧長變化量相一致。具有較大的抗變形能力的角膜在承受外界壓力時，DefAMax(mm)較小，弧長縮短較小。由此可以得到彈性模量應(yīng)該與DefAMax(mm)和弧長變化量均呈負相關(guān)。同時，更高的DefAMax(mm)意味著更長的DefAMax(ms)。本研究結(jié)果與以上研究結(jié)果相一致。

反向凹面半徑是在角膜發(fā)生形變的凹面階段反向曲率半徑最大值的倒數(shù)，較軟的或擴張的角膜具有較大的反向凹面半徑[19]。綜合半徑隨著角膜硬度的減小而增加[20]。水平方向Ambrosio相關(guān)厚度是一個新的DCR參數(shù)，較低的值表明較薄的角膜和(或)從中央到周邊角膜厚度增加得更快[13]，提示角膜較軟。本研究發(fā)現(xiàn)，角膜彈性模量與綜合半徑呈負相關(guān)，與水平方向Ambrosio相關(guān)厚度呈正相關(guān)。

角膜硬度被定義為校正的氣體壓力值與生物力學(xué)校正眼壓的差值除以角膜的偏移。角膜硬度參數(shù)A1(SP-A1)使用未變形時與A1Time角膜的偏移幅度，SP-HC使用從A1Time到產(chǎn)生最大壓陷的時間期間的偏移變化[18]。 Lee等[20]發(fā)現(xiàn)，較小的SP-A1和SP-HC與角膜硬度下降或抗變形能力降低相一致。由此可以推斷，彈性模量與SP-A1和SP-HC均呈正相關(guān)。

我們使用測量獲取的DCR參數(shù)，初步構(gòu)建了預(yù)測獲取角膜基質(zhì)彈性模量的模型，使用此模型來初步評估人眼角膜生物力學(xué)特性。在本研究中，最適合的模型可以解釋98.9%的變量。在該模型中，A1Time是彈性模量的主要預(yù)測指標；另外，A1Velocity、DefAMax(ms)和SP-HC也被納入了該模型?？梢酝ㄟ^檢查未調(diào)整和調(diào)整的R2值之間的差異(0.990 和0.989)來評估回程方程的穩(wěn)健性。0.001的差異表明，如果該方程式來自更大的樣本量，那么差異僅減少0.1%[26]。

綜上所述，本研究首次嘗試探討近視患者角膜在體與離體生物力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。從離體角膜生物力學(xué)參數(shù)的角度對臨床生物力學(xué)測量DCR參數(shù)的內(nèi)在意義進行了研究，發(fā)現(xiàn)測量得到的角膜基質(zhì)組織的彈性模量與Corvis ST角膜生物力學(xué)分析儀測量獲取的大部分DCR參數(shù)顯著相關(guān)。將來有可能使用DCR參數(shù)通過回歸方程預(yù)測近視患者角膜的彈性模量。但我們也應(yīng)該認識到，雖然可以通過研究角膜基質(zhì)透鏡的生物力學(xué)特性來了解角膜的生物力學(xué)性質(zhì)，但由于不同深度的角膜基質(zhì)生物力學(xué)強度存在差異，本研究測量得到的角膜基質(zhì)透鏡的彈性模量跟真實的全基質(zhì)和全角膜彈性模量可能還存在一定的差距，這是本研究的局限之處。將來需要更大樣本量、更深入的研究來進一步了解近視患者角膜生物力學(xué)特性。