圆锥角膜生物力学研究进展

魏俊超，李晓娜

(太原理工大学 生物医学工程学院，太原 030024)

圆锥角膜(keratoconus)是一种以角膜中央或旁中央变薄、失去正常弧度而发生锥形变形为特征的角膜扩张性疾病，临床表现为高度不规则散光和视力受损，是眼科临床常见的致盲疾病之一。目前圆锥角膜的发病机制尚不清楚[1-2]。圆锥角膜表现为蛋白水解酶合成增加，胶原降解，板层数量减少，胶原纤维排列紊乱，胶原之间交联障碍，导致角膜组织力学性能及结构稳定性下降。圆锥角膜早期在形态、屈光度以及力学性能方面没有明显变化，且症状与近视、散光等屈光不正现象类似，因此很难发现，在出现不适就诊时可能已经处于进展期。部分角膜屈光术后引起的继发性圆锥角膜与术前未检出圆锥角膜易感者和角膜切削过度有关[3]。因此，对圆锥角膜进行早期筛查则显得尤为重要。

随着角膜形态学和生物力学检测手段的不断发展，为眼科临床屈光手术参数设计、手术质量评估和预测，以及圆锥角膜的诊断与治疗等过程提供了坚实的技术支撑。本文就圆锥角膜发生发展过程中的相关生物力学问题进行综述。

1 在体圆锥角膜力学行为的研究

目前在体圆锥角膜力学行为的检测手段主要有脉冲气流冲压法和布里渊光学显微镜法[4-7]。临床上眼反应分析仪(ocular response analyzer，ORA)和可视化角膜生物力学分析仪(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)来检测在体角膜力学性能。通过分析角膜受到脉冲气流作用后的动态力学响应来评估在体角膜的黏弹性行为。

临床上最早采用ORA检测在体角膜的力学行为。其原理是利用快速的空气脉冲使角膜凹陷，测量两次压平过程中的角膜剖面红外反射率，得到两个峰值(p1和p2)，通过计算获得角膜滞后量(corneal hysteresis，CH)以及角膜阻力因子(corneal resistance factor，CRF)[8-9]，二者分别反映角膜黏弹性和弹性特征。研究表明，正常角膜、疑似圆锥角膜与圆锥角膜的CH与CRF值之间存在差异，正常角膜差异最大，圆锥角膜差异最小，提示圆锥角膜生物力学性能显著低于正常角膜，且在发病早期即发生了变化[10]。此外，CH值有随圆锥角膜疾病的发展逐渐降低的趋势[11]。因此，有人建议可将CH值作为诊断圆锥角膜的指标之一[12]。然而仅通过CH与CRF参数很难完全区分正常角膜和早期圆锥角膜[8，11]。MIKIELEWICA et al[13]提取了ORA仪器提供的37个参数后发现，只有CRF与第二峰值曲线下面积(p2 area)区分正常与圆锥角膜效果较好。因此，在体角膜力学性能检测的精准性仍有待提高。

与ORA相比，最近出现的Corvis ST能够获得更精准的角膜变形数据。Corvis ST通过对角膜施加恒定的空气脉冲，采用高速Scheimpflug成像捕捉角膜发生压平-凹陷-压平-恢复的动态变形过程并进行实时分析，获得能够反映角膜力学行为的参数，如第一次压平时间(A1T)表示角膜由初始状态到第一次受压变平的时间；第二次压平时间(A2T)表示角膜从初始状态经历最大压陷后重新回到压平状态的时间；角膜硬度参数(SP-A1)表示第一次压平时角膜的硬度；最大变形幅度(DA Max)表示角膜顶点从初始状态到最大凹陷时的垂直位移量；应力-应变指数(SSI)被用来估算角膜整体变形过程中的应力-应变行为等。

研究认为A1T、A2T、SP-A1、DA Max、SSI等对圆锥角膜的诊断敏感性较高[14-23]。ALI et al[14]比较了正常角膜与圆锥角膜的生物力学特性发现，DA和A1T能够作为诊断圆锥角膜的主要参数。A2T是反映角膜黏弹性的一个重要参数，在正常角膜与圆锥角膜之间存在显著差异，但在同一天的不同时间内检测结果不同，即角膜的黏弹性会随时间发生变化[18]。随着圆锥角膜病程的进展，角膜的SP-A1值会逐渐降低[19]。也有人认为[20]最大压陷时角膜曲率半径(HC-R)和中央角膜厚度(CCT)对诊断圆锥角膜有较高敏感性和特异性。SSI可以用来跟踪圆锥角膜疾病进展程度以及评估交联治疗后的疗效[21]。

由于对角膜施加空气脉冲时，气流的动能被角膜和角膜周围软组织吸收，因此，MATALIA et al[22]将角膜变形与眼球整体位移从压平变形的波形中分离出来，并建立角膜黏弹性模型，分析获得了角膜与角膜周围软组织的刚度。FRANCIS et al[23]在MATALIA研究的基础上，进行拟合分析得出了圆锥角膜的线性刚度Kconstant和非线性刚度Kmean，并在59例正常角膜、45例疑似病例和160例圆锥角膜的检查数据中进行了验证，提示角膜波形与Kmean可作为疑似圆锥角膜与正常角膜的鉴别指标。

近年来，研究者们将Corvis ST与角膜地形图Pentacam检测结果联合起来生成了新的评判圆锥角膜的参数，如BAD-D、角膜生物力学指数(corvis biomechanical index，CBI)、断层生物力学指数(tomographic biomechanical index，TBI)，进一步提高了圆锥角膜诊断的准确性[24-25]。CBI对区分正常角膜与圆锥角膜有较高的敏感性和特异性[26-27]，但对亚临床期圆锥角膜的诊断效率较低。而TBI对亚临床期圆锥角膜的检出率则相对较高，可作为亚临床期圆锥角膜的诊断指标之一[28-29]。

布里渊光学显微镜(Brillouin Microscopy)也是一种在体角膜生物力学性能的检测手段。该方法基于布里渊散射，通过测量声光相互作用引起的频移可以获得材料的弹性。布里渊显微镜法检测结果显示，在体与离体圆锥角膜锥体部位弹性模量均显著降低，而锥体以外的圆锥角膜组织与正常角膜相比无明显差异[30-32]，提示该方法不仅可以用来区分正常角膜与圆锥角膜，还可以反映角膜局部生物力学特征。然而SEILER[33]对布里渊显微镜与临床角膜生物力学检测仪器检测结果进行对比后发现其诊断能力尚未超过目前临床使用的在体角膜力学检测仪器，仍需进行改进。

ORA和Corvis ST作为临床无创、非接触的生物力学检测手段，虽然能够通过角膜变形获得在体生理条件下反映角膜力学行为的指标，但无法直接得到角膜材料固有的黏弹性属性，目前这些参数仍需要离体实验获取。此外，Corvis ST给出的在体生物力学检测指标繁多，不同研究结果发现在圆锥角膜进展过程中发生变化的生物力学指标也不尽相同。因此，仍需发展一种新的在体角膜生物力学检测手段或分析方法，以获得评判圆锥角膜尤其早期圆锥角膜的关键生物力学参数。

2 圆锥角膜材料力学性能的研究

角膜组织是典型的非线性、黏弹性材料，具有应力松弛和蠕变的特性。对角膜组织材料属性的研究一般采用离体单轴拉伸、双轴拉伸和膨胀实验等进行检测[34-36]。研究表明圆锥角膜在发生发展过程中角膜组织的弹性发生了不同程度的改变[37]。ANDREASSEN et al[38]进行单轴拉伸实验发现，在相同应变条件下(≤50%)，圆锥角膜的应力明显低于正常角膜。而NASH[39]则发现在生理范围的应变条件下(≤3%)，二者的应力没有显著差异。以上两项研究没有在相同的条件下进行，因此不能直接进行比较。CARSTEN et al[37]通过数学计算和若干假设推导出角膜的弹性模量，并对29例正常角膜以及27例圆锥角膜研究发现圆锥角膜组的弹性模量显著低于正常角膜组，提示圆锥角膜组织本身的材料力学性能较弱，抵抗变形能力下降，在眼内压作用下更容易发生变形。

近年来，有学者尝试采用声辐射力显微镜(acoustic radiation force elastic microscopy，ARFEM)检测离体角膜组织生物力学性能。其原理是使用低频、高强度的声力来移动飞秒激光在角膜内产生的微泡，同时使用高频、低强度的超声来跟踪组织内微泡的位置。微泡可以在角膜的任何位置产生，因此能够测量角膜各个部位的弹性模量。该方法可以检测角膜组织不同区域以及不同层的力学性能变化。相关研究发现，正常角膜的中央、旁中央以及外围的弹性模量均不相同，中央最大，外围最小，提示角膜组织为不均匀材料[40]。此外，圆锥角膜组织的前基质层和后基质层的弹性模量分别低于正常角膜，且前基质层的弹性模量显著高于后基质层，这与角膜微观结构观测到的前基质层纤维更加致密的结果一致[41]。

以上研究仅限于圆锥角膜的弹性特征，目前尚未见离体圆锥角膜组织黏弹性的报道。此外，角膜为各向异性材料，单轴拉伸只能获得角膜沿某一方向的力学性能，而双轴拉伸则可实现角膜组织各向异性材料特性的检测，将离体材料力学性能与在体生物力学行为之间建立有效联系，将获得更可靠的评价圆锥角膜的体系。

3 交联后圆锥角膜组织力学性能研究

临床上角膜交联术已被用于圆锥角膜等角膜疾病的治疗中。核黄素紫外交联术通过紫外线照射使角膜胶原发生共价交联，达到增强角膜组织力学性能的目的[42-43]。若交联术后较长时间内圆锥角膜患者的裸眼视力、最佳矫正视力、角膜曲率、角膜内皮细胞密度等未见异常，则表明圆锥角膜疾病进展减慢或停止，交联术有较好的安全性和有效性[44-45]。大多数ORA检测结果发现圆锥角膜行交联术后角膜CH与CRF值未发生显著变化[46-49]。MIKIELEWICZ et al[13]在ORA检测结果中获得的37个参数中也仅发现p2 area和time1在交联后发生了显著变化。采用Corvis ST检测研究发现交联术后圆锥角膜曲率减小[17]，DAmax值降低[50]，说明交联可以提高角膜生物力学性能。但与在体角膜生物力学检测方法结果并不一致，提示交联后角膜力学行为变化的在体检测敏感度不高。

目前对圆锥角膜交联后角膜材料力学性能的研究很少。HU et al[51]建立兔圆锥角膜模型后施行角膜交联术，双轴拉伸实验结果显示角膜的弹性模量显著增加，说明交联术能够增强圆锥角膜的力学性能，支持了临床上角膜交联术能够减缓或阻止圆锥角膜发展。但关于圆锥角膜交联程度与交联效果之间的关系尚不明确，仍需深入研究。

4 圆锥角膜的有限元建模分析

与实验研究相比，有限元模拟易于操作，成本较低，能够避免实验所面临的伦理问题。有限元模拟方法可以模拟真实的生理环境和力学环境，实现对不同工况下角膜力学行为动态响应的模拟分析，以云图形式直观地表现角膜的变形、应力、应变等结果。通过建立正常及圆锥角膜的有限元模型，不仅可以分析角膜的力学行为，也可以结合在体角膜生物力学检测手段反推角膜的材料属性，为圆锥角膜的成因、早期诊断以及疗效预测和评估提供参考[52-53]。

SHALOM et al[54]通过有限元分析提出圆锥角膜的形成与角膜局部变薄、弹性模量降低和垂直于角膜表面的剪切模量降低有关。另有研究表明[55-56]，眼内压和角膜局部力学性能的改变加速了圆锥角膜的进程。文献[57-58]通过建立人角膜有限元模型，模拟了角膜基质板层间和板层内胶原纤维的滑移，发现角膜出现圆锥的位置不在角膜中心发生了偏移，这与临床检测结果一致，提示胶原纤维板层间和板层内滑移可能是圆锥角膜成因之一。

有限元模拟在圆锥角膜的诊断方面也具有一定的参考价值。KARIMI et al[59]建立了正常与圆锥角膜有限元模型，采用Mooney-Rivlin超弹性本构模型参数，获得了角膜的应力分布情况，并结合Corvis ST检测的生物力学参数，利用人工神经网络算法提高了区分正常角膜、疑似圆锥角膜与圆锥角膜的准确性。该研究提示角膜变形幅度可作为鉴别正常角膜与圆锥角膜的指标。孟乔宇[60]根据圆锥角膜患者地形图逆向建立个性化圆锥角膜几何模型，采用考虑角膜胶原纤维微结构的本构模型，模拟了Corvis ST检测过程，并与临床检测结果对比，确定了圆锥角膜超弹性本构参数。其结果显示圆锥角膜应力和位移并不呈对称分布，最大应力和最大位移均出现在角膜最薄处，而并非角膜中心位置；眼压升高会导致角膜变薄区域扩大，进一步加速了圆锥角膜发展。

有限元方法还能够模拟角膜交联术后形态及力学性能的变化。ROY et al[61]建立圆锥角膜有限元模型后，通过增加角膜弹性模量模拟标准的9 mm直径交联，发现交联术后角膜曲率减小，说明交联能改善角膜形态。此外，该课题组还利用圆锥角膜患者角膜交联前后的几何参数进行了有限元模拟[62]，并通过逆向优化方法估算了交联后角膜弹性模量随时间的变化，结果表明交联区域角膜弹性模量至少增加一倍，验证了角膜交联术的有效性。

5 圆锥角膜动物模型及角膜力学性能研究

由于圆锥角膜发病机制复杂，且临床样本有限，因此，建立圆锥角膜动物模型不仅有助于更好地理解圆锥角膜的发病机制，对圆锥角膜的诊断和治疗也具有重要意义。近年来，有学者开始尝试建立圆锥角膜动物模型，目前普遍采用Ⅰ型或Ⅱ型胶原酶对角膜基质进行降解，实验动物主要为小鼠和兔。

FARHAD et al[63]首次在小鼠角膜基质内注射6 mg/mL质量浓度的Ⅰ型胶原酶溶液，于术后1、3、5 d检测发现角膜呈锥形突出，认为角膜发生了圆锥病变。乔静等[64]将5 mg/mL Ⅱ型胶原酶浸润角膜建立了兔圆锥角膜动物模型，术后14 d发现角膜曲率增加、厚度减小；Corvis ST检测发现模型组最大角膜压陷深度平均值显著高于对照组，提示模型组在体角膜力学性能下降。角膜条带单轴拉伸实验发现模型组的弹性模量降低[65]。HU et al[51]对兔角膜基质内注射0.1 mg/mL Ⅰ型胶原酶，术后2个月发现角膜胶原纤维结构破坏，角膜中央厚度减小；双轴拉伸实验结果表明沿X与Y方向角膜的力学性能均显著下降；紫外交联后角膜曲率减小，X方向和Y方向的弹性模量均显著增加。

此外，陈昕妍等[66]使用18 g/L Ⅱ型胶原酶浸润角膜建立兔圆锥角膜模型，研究了术后3个月角膜的黏弹性变化，发现模型眼在低应变区(0.02～0.04)与高应变区(0.10～0.12)均表现出较低的弹性模量；模型眼的应力松弛值低于对照眼，提示经过胶原酶处理后角膜黏弹性下降。

目前，关于圆锥角膜动物模型的建立仍不成熟，圆锥角膜发生发展过程中力学性能如何变化尚不清楚。建立长期有效的动物模型，检测在体和离体角膜力学性能，结合角膜超微结构变化，能够更好地理解圆锥角膜发病机制，为疾病诊断和治疗提供实验支持和指导。

6 展望

在体角膜生物力学结合角膜形态学检测对圆锥角膜的诊断(尤其是早期筛查)和治疗效果评估具有重要价值，但其精准性仍有待提高。建立稳定的圆锥角膜动物模型，深入探讨圆锥角膜疾病发生发展过程中角膜力学行为的变化，结合有限元模拟，解析在体角膜生物力学检测参数中的力学意义，将为探索圆锥角膜的发病机制、诊断与治疗提供有价值的参考。