人眼角膜经LASIK术后生物力学特性的变化

马 慧, 郭 凯, 张芙蓉, 刘 鸿, 喻贡友

(贵州医科大学 物理教研室，贵州 贵阳 550004)

人眼角膜经LASIK术后生物力学特性的变化

马 慧, 郭 凯, 张芙蓉, 刘 鸿, 喻贡友

(贵州医科大学 物理教研室，贵州 贵阳 550004)

力图从生物力学的角度，定量、定性研究人眼角膜经LASIK手术后生物力学特性的变化.研究发现，经LASIK手术后角膜生物力学特性(如角膜滞后量CH、角膜阻力系数CRF等)发生明显改变，LASlK术使CH和CRF降低，降低的原因不仅仅是角膜变薄了，关键是手术改变了角膜的粘弹性.LASlK术后角膜生物力学特性发生显著变化，角膜生物力学特性的改变将对LASIK术后安全性产生影响.

LASIK；角膜；眼反应分析仪；生物力学

近些年，近视屈光手术因其良好的预测性、安全性和有效性，越来越多近视眼患者选择用手术方式矫正近视而非佩戴眼镜.近视眼屈光手术主要是通过一定的方法增大角膜的曲率半径，从而降低角膜的屈光度(焦度)，使得远处的物体也能清晰成像于视网膜上，从而到达矫正近视的目的.目前最常用的近视眼屈光手术为准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)，LASIK应用准分子激光对角膜的基质进行切削，使角膜中央部变平，从而增大角膜曲率半径，降低角膜的屈光度.

从生物力学的角度看，角膜作为活体软组织，属于非线性的粘弹性材料.LASIK手术利用准分子激光切削角膜的基质，改变了角膜中央厚度CCT和基质的部分结构，使其发生一系列重构及力学方面新的平衡，这是否会影响到角膜的粘弹性，进而影响角膜承载大气压和眼压的能力，增加医源性角膜膨隆和继发性圆锥角膜等手术并发症的风险？本文试图探讨人眼角膜经LASIK手术后生物力学特性的变化.

1 角膜的结构及力学特性

从组织学看，角膜分为5层，由外向内分别为：上皮细胞层、前弹力层、基质层、后弹力层、内皮细胞层.基质层厚约0.5 mm，占整个角膜厚度的90%，其是角膜承受载荷的主要部分.基质层由胶原纤维、角膜细胞和细胞外粘性物质组成，包含300层平行的连续的胶原纤维束板层，各相邻板层交织成一定的角度.与内侧基质板层相比，外侧基质板层间排列更为细密，拥有更多倾斜分支和交联[1]，所以，外侧基质比内测基质承担更大的生物力学作用.上皮细胞层厚度占角膜厚度的10%，对于角膜的抗张强度几乎没有贡献.内皮细胞层厚5 μm，对角膜生物力学属性贡献甚微.前弹力层和后弹力层的弹性模量均比较小，对角膜的粘弹性影响几乎不用考虑[2].

角膜作为软组织，对应力的反应兼有生物膜的弹性和液体的粘性双重特性，即具有粘弹性.其中角膜的弹性性能主要由基质胶原纤维成分和纤维结构所决定，由于基质内部胶原纤维直径和纤维数量的分布不均匀，使得角膜表现出非线弹性(即应力、应变为非线性关系).而角膜基质包含80%的水分，主要决定了角膜的粘滞性.粘弹性材料在受到应力时将发生形变，继而有力学能量的损失，所损失的力学能量被定义为材料的“滞后性”，用滞后量来反映.角膜的滞后量用CH表示.角膜的CH值与其弹性模量正相关，通常，角膜厚度越大，则粘弹性越高、滞后性越大.不同的人CH值存在个体差异，但同一人的CH值恒定不变[3].角膜生物力学特性另一重要指标为角膜阻力因子CRF，用以表示角膜对外力作用的总体反应，是测量角膜粘滞性和弹性累积效应的指标.

2 角膜生物力学特性的测量

角膜生物力学特性的测量分为离体测量、活体测量.

定量测量离体角膜力学特性最常用的方法为轴向拉伸实验.实验将角膜切成长条状测试样本，再将样本固定于拉伸实验机上，在一定温度、湿度条件下对样本进行轴向拉伸，以获得角膜力学性能.轴向拉伸实验的缺点为：实验破坏了角膜的完整性，角膜胶原纤维原始形态、走行被破坏，导致测量结果并不能真实体现角膜整体力学性质；另外，为了防止角膜水肿、皱缩，实验时需特别控制好离体角膜的水合作用，尽管如此，实验样本仍与活体角膜的自然水合状态具有显著差异[4-5].有文献报道过角膜膨胀试验也能离体测量角膜力学特性，该实验保证了角膜组织的完整性，但由于角巩缘的破坏仍不能呈现完整眼球活体状态时的特征.

目前，眼反应分析仪(ORA)是最常用的测量活体角膜生物力学性能的仪器.ORA先采用空气脉冲在角膜上产生压力，使其变形，再用光电信号监视其变形.空气脉冲使角膜向内移，变得扁平，达到第一次压平.数秒后，空气脉冲关闭，眼球压力下降，角膜回到原位.此过程中，角膜又一次处于扁平，达到第二次压平.内外两次压平产生两个眼压值P1、P2.角膜粘弹性特征使得P1、P2值不同，利用波形分析公式并结合两个值的差异，可推导出角膜的生物力学特性参数：(1)模拟Goldmann眼压IO Pg为P1和P2平均值；(2)角膜补偿眼压IOPcc=P2-kP1，k是常数0.43；(3)角膜生物力学特性的重要指标CH=P1-P2，CH表现了角膜的粘弹性，反映了角膜吸收或消散能量的能力；(4)角膜阻力因子CRF=P1-kP2，k=0.7[6]，CRF反映了角膜的硬度，是其生物力学性能指标，表示空气脉冲在压迫角膜过程中受的粘性阻力和弹性阻力的总和.ORA精度好，用于测量活体角膜，可反映LASIK手术前后角膜生物力学性能的变化.

3 LASIK手术安全性、可行性分析

目前，最常用的近视屈光矫正术为LASIK.LASIK手术原理：采用一把精密的自动微型角膜板层切削刀，在角膜表面中央处切削直径约8 mm、厚约0.16 mm的带蒂板层“角膜瓣”，翻转角膜瓣，根据角膜的厚度和需矫正的屈光度等，应用准分子激光对角膜的基质进行适量切削，使角膜的中央变平，从而增大其曲率半径，最后再将角膜瓣复位.

下面，笔者将从定性和定量的角度尝试分析LASIK手术对角膜生物力学特性的影响.

LASIK手术未破坏角膜上皮细胞层和前弹力层的完整性，这将有效规避术后雾状混浊的发生.然而不可否认，LASIK手术改变了角膜的CCT，当激光切削角膜中央前部基质时，由于前部基质较内测基质承担更大的生物力学作用，微小的切削厚度将带来不可忽视的生物力学性能的改变.随着切削深度的增大，角膜抵抗眼压的弹性强度将显著下降，生物力学性能的变化，有可能导致角膜变陡、后表面前移，有进一步继发圆锥角膜和医源性角膜膨隆等风险.

一直以来，用于预测准分子激光角膜切削手术安全性及可行性的非常重要的指标是中央角膜厚度(CCT)，认为剩余中央角膜基质床的厚度大于280 μm(或大于原来CCT的一半)，手术就是安全可行的.然而，角膜是具有粘弹性的生物组织，角膜的粘弹性主要由基质胶原纤维成分和纤维结构及基质包含的水分所决定，角膜基质在LASIK手术切削后将发生一系列重构以及力学方面新的平衡.单纯应用CCT这一指标预测角膜屈光手术安全性，有可能将一些本身角膜生物力学性能薄弱的患者纳入适应症，从而增加手术的风险.

LASIK手术将影响角膜生物力学性能，关于这一点不难验证，在进行LASIK手术前后用ORA测量患者角膜生物力学性能，并用A超(测量CCT的金标准)或OCT(无创测量CCT)测量LASIK手术前、手术后CCT.这方面的相关研究已有报道，香港中文大学教授张铭志对24例(48眼)行LASIK手术前后角膜生物力学的测量发现：患者术前CH、CRF分别为(9.75±1.79)mmHg、(15.12±2.49)mmHg，手术6个月后为(6.83±1.32)mmHg、(13.84±2.32)mmHg，术前后比较差异有统计学意义(P<0.001)[7].华西医院眼科吴东芳对27例(54眼)行LASIK手术前后角膜生物力学的测量发现：术前CCT、CH、CRF分别为(534.4±25.9)μm、(9.34±2.60)mmHg、(10.07±2.48)mmHg，手术5个月后为(463.66±25.9)μm、(8.36±1.47)mmHg、(8.32±1.72)mmHg，术前后比较差异有统计学意义(均P=0.00)[8].Pepose等发现在LASIK手术后角膜CH值降低，不仅仅是角膜变薄的原因导致这种降低，关键是LASIK手术改变了角膜粘弹性[9].

各种研究结果均指示同一结论：患者术后CH、CRF均比术前下降；近视患者CH和CRF与CCT之间存在正相关性，然而并非手术过程切削的厚度越小对CH、CRF的影响就越小，因为LASIK手术破坏了角膜基质的结构，这与定性分析结果是一致的.

4 结语

本文从定量和定性的角度分析了人眼角膜经LASIK手术后生物力学特性的变化.LASIK手术利用准分子激光切削角膜的基质，改变了角膜CCT和基质的部分结构，使其发生一系列重构及力学方面新的平衡，故而LASlK术后角膜生物力学特性发生显著变化，患者术后CH、CRF均比术前下降.如果这种改变不是在一个安全的范围，患者有进一步继发圆锥角膜和医源性角膜膨隆的风险.

LASIK术对角膜生物力学的改变使我们不得不思考此种手术的安全性.如果术前做好足够全面的检查和可信的风险评估，对于角膜生物力学性能薄弱的患者绝不施行手术；如果制定和实施手术计划时对于切削体积和切削层面充分考虑安全性；同时，术后及时、持续的检测角膜生物力学特性各项指标，并作出相应的评价和补救，这些行为可能将有利于缩小LASIK术对角膜生物力学特性的影响.而角膜生物力学特性的改变，在什么程度下会导致继发圆锥角膜和医源性角膜膨隆等LASIK术手术并发症的出现？这还有待进一步研究.

[1] KOMAI Y,USHIKI T.The three-dimensional organization of collagen fibrils in the human cornea and sclera[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，1991,32(8)：2244-2258.

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[7] 张铭志，张日平.近视患者角膜生物力学特性的相关性研究[G].角膜屈光手术高峰论坛，天津,2011.

[8] 吴东芳,邓应平,王顺清,等.不同准分子激光角膜屈光手术对近视眼角膜滞后量和角膜阻力因子的影响[J].中华实验眼科杂志,2015,33(6):541-545.

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[责任编辑 马云彤]

Changes of Biomechanical Properties ofthe Human Eye Cornea After LASIK Surgery

MA Hui, GUO Kai, ZHANG Fu-rong, LIU Hong, YU Gong-you

(Department of Physics, Guizhou Medical University, Guiyang 550004, China)

In this paper, from the angle of biomechanics, it tries to study changes of the biomechanical properties of human eye cornea after LASIK surgery quantitatively and qualitatively. The study found that the biomechanical properties of the cornea after LASIK surgery (such as the lag of the cornea CH, corneal resistance coefficient CRF, etc.) have changed significantly. LASlK surgery reduces the CH and CRF, and the cause of the decrease is more than just a thinning of the cornea, the key is tLASlK surgery changes the viscoelastic properties of the cornea. The biomechanical properties of the cornea after LASlK are significantly changed. The changes of corneal biomechanical properties will affect the safety after LASIK surgery.

LASIK; cornea; ocular response analyzer; biomechanics

1008-5564(2016)06-0071-03

2016-07-18

贵阳医学院基金资助项目(2012035)

马 慧(1982—)，女，贵州安顺人，贵州医科大学物理教研室副教授，主要从事物理学、虚拟现实技术在眼科医学中的应用研究.

R778

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