近视人群的角膜生物力学特性及其与CCT、SE、CC、年龄和bIOP的相关性*

喻露, 谷浩**, 代智敏, 候莉娜

(1.贵州医科大学 临床医学院, 贵州 贵阳 550004; 2.安徽医科大学 临床医学院, 安徽 合肥 230032)

近视是我国第二大致盲眼病[1],高度近视常伴随一系列并发症如青光眼、近视性黄斑病变、视网膜脱离等,甚至可能导致失明[2]。近视的发展引起眼球结构的变化,如角膜变薄、巩膜重塑等[3],从而导致角膜生物力学改变。角膜屈光手术是矫正近视的主流手术方式之一,通过改变角膜结构影响角膜生物力学,但这可能引发角膜扩张性疾病及其他不良并发症[4]。评估角膜生物力学特性为了解近视的发展提供一种新的思路,对预防高度近视具有重要意义,同时在一定程度上保障角膜屈光手术的安全性和有效性[5]。可视化角膜生物力学分析仪(corneal visualization scheimpflug technology,Corvis ST)是目前常用的角膜生物力学检测仪器之一,能够提供多个生物力学相关参数。应力-应变指数(stress-strain index,SSI)反映了角膜抵抗应力变形的能力,即角膜刚度[6];Pentacam眼前节分析系统能获取角膜曲率、角膜厚度等形态学参数,准确地反映角膜形态所发生的细微变化[7]。角膜生物力学特性的改变先于角膜扩张的形态学变化,因此,监测角膜生物力学是预防角膜扩张性疾病的关键。目前,对于角膜生物力学参数和角膜厚度、角膜曲率等其他眼部测量参数间的关系多集中于圆锥角膜患者,对单纯近视患者的研究相对较少,且鲜有关于SSI的研究。本研究纳入不同程度的近视患者,研究其角膜生物力学特性与生物力学矫正眼内压(biomechanically-corrected intraocular pressure,bIOP)、中央角膜厚度(central corneal thickness,CCT)、等效球镜度数(spherical equivalent,SE)、角膜曲率(corneal curvature,CC)和年龄等的相关性,为了解近视人群角膜生物力学特性并指导临床实践提供参考。

1 对象和方法

1.1 研究对象与纳入标准

选取2021年1月—9月就诊的近视患者共321例(585眼),纳入标准:(1)年龄≥18岁;(2)近视度数≥1.0D(根据散瞳后验光仪测定的SE判断近视度数)。排除标准:(1)各种眼部疾病史,包括眼表疾病如中重度干眼、角膜疾病如角膜内皮营养不良、角膜云翳或斑翳等、眼部炎症性疾病,其他影响视力的屈光性眼病或眼底病、青光眼或诊断为高眼压患者;(2)停戴软性角膜接触镜不足2周,或停戴硬性角膜接触镜不足4周患者;(3)患有糖尿病、自身免疫性疾病等全身疾病患者;(4)影响角膜伤口愈合的全身疾病患者;(5)哺乳期或妊娠期妇女。

1.2 研究方法

1.2.1一般资料 收集所有受检者的一般资料,包括年龄、SE、CCT 、3 mm区平面中心曲率(K1)、3 mm区陡中心曲率(K2)、角膜平均曲率(Km)。

1.2.2Pentacam眼前节分析仪测定角膜生物力学相关参数 采用Pentacam眼前节分析仪(德国Oculus公司)测量CC(包括K1、K2及Km)和CCT,以上检测后要求Pentacam质检系统显示为“OK”,每只眼保留3次有效数据,且均由同一位有经验的医师完成。

1.2.3Corvis ST测定角膜生物力学相关参数 采用Corvis ST(德国Oculus公司)获取CCT、bIOP、SSI及其它10项角膜生物力学参数:第1次压平时间 (the first applanation time,A1T,即角膜由初始状态至第 1次压平时所需的时间),第1次压平速率(the first applanation velocity,A1V,即角膜由初始状态至第 1次压平时的速度,正值),第1次压平长度(the first applanation length,A1L,即角膜第 1次被压平的长度),最大压陷时间(the highest concavity time,HC-T,即角膜由初始状态至最大压陷经过的时间),最大压陷时的峰距(the highest concavity-peak distance, HC-PD,即最大压陷时角膜非变形部分最高点间的距离),最大压陷时的曲率半径(the highest concavity-radius,HC-R,即最大压陷处形成的圆弧曲率半径),最大压陷时的形变幅度(the highest concavity-deformation amplitude,HC-DA,即角膜由初始状态至最大凹陷时角膜顶点的垂直距离),第2次压平时间(the second applanation time,A2T,即角膜由最大压陷处反弹至第 2次压平时所需要的时间),第2次压平速率(the second applanation velocity,A2V,即角膜反弹至第 2次压平时的速度,负值),第2次压平长度(the second applanation length,A2L,即角膜反弹过程中第2次压平的长度)。以上各项检测后要求Corvis ST质检系统显示为“OK”,每只眼保留3次有效数据,且均由同一位有经验的医师完成。见图1。

注：A为角膜在初始位置,B为角膜在第一次压平位置,C为角膜在最大凹陷位置,D为角膜在第二次压平位置,E为角膜恢复至最终位置。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 一般资料

所有受检者的年龄18～52岁、平均(24.238±6.764)岁,SE为-10.625～-1.00 D、平均(-5.898±1.822) D,K1为38.80～46.00 D、平均(42.691±1.329) D,K2为39.60～47.70 D、平均(43.975±1.398) D,Km为39.20～47.40 D、平均(43.345±1.326) D,CCT为481～666 μm、平均 (545.79±27.183) μm。

2.2 Corvis ST测定角膜生物力学相关参数

采用Corvis ST测量的受检者角膜生物力学相关参数见表1。

表1 Corvis ST测量的角膜生物力学相关参数Tab.1 Corneal biomechanical parameters measured with Corvis ST

2.3 两种设备测量CCT值的差异

Corvis ST测的CCT为 (550.932±27.839) μm,略高于Pentacam的CCT测量值(545.79±27.183) μm,差异有统计学意义(t=-12.303,P<0.001)。

2.4 相关性分析

2.4.1CCT与角膜生物力学参数相关性分析 CCT与角膜生物力学参数 CCT与A1T、A1L、A2V、A2L、HC-R、SSI呈正相关(P<0.001);与A1V、A2T、HC-PD、HC-DA呈负相关(P<0.05);与HC-T无明显相关性(P>0.05)。见表2。

表2 CCT、SE、K1、K2、Km、年龄、bIOP与角膜生物力学参数相关性分析 Tab.2 Correlation analysis between CCT,SE,K1,K2,Km,age,bIOP, and corneal biomechanical parameters

2.4.2SE与角膜生物力学参数相关性分析 SE与A2T、A2V、SSI呈正相关(P<0.05);A1T、A1L、HC-PD与HC-DA呈负相关(P<0.05),与A1V、A2L、HC-T、HC-R无相关性(P>0.05)。见表2。

2.4.3CC(包括K1、K2、Km)与角膜生物力学参数相关性分析 K1、K2、Km分别与A1V、A2T、HC-T(均呈正相关(P<0.05),与HC-PD、HC-R呈负相关(P<0.001);此外, K2与HC-DA呈正相关(r=0.081,P=0.050); 与SSI呈负相关(r=-0.136、P=0.001);A1T、A1L、A2V、A2L、bIOP与K1、K2、Km无相关性(P>0.05)。见表2。

2.4.4年龄与角膜生物力学参数相关性分析 年龄与A1V、A2T、HC-T、HC-DA、SSI呈正相关(P<0.05),与A1T呈负相关(r=-0.110、P=0.008),与A1L、A2V、A2L、HC-PD、HC-R、bIOP均无相关性(均为P>0.05)。见表2。

2.4.5bIOP与角膜生物力学参数相关性分析 bIOP与A1T、A1L、A2V、HC-R、SSI呈正相关(P<0.05),与、A2T、HC-T、HC-PD、HC-DA呈负相关(P<0.001),与A2L无相关性(P>0.05)。CCT与bIOP无相关性(r=-0.071,P=0.088)。见表2。

3 讨论

角膜微结构复杂,具有非线性弹性、黏弹性及各向异性[8],其生物力学特性较为复杂。随着近视度数的加深,眼球结构改变,可引起角膜生物力学的变化。关注角膜生物力学不仅有利于了解近视发生的病理生理基础,还在提高角膜屈光术的安全性、稳定性及可预测性等方面具有重要意义。Corvis ST临床应用广,其参数具有较好的准确性和可重现性[9]。本研究结合Pentacam和Corvis ST,分析角膜结构参数、年龄、IOP和角膜生物力学参数间的相关性,旨在进一步指导临床。

CCT与角膜生物力学特性密切相关。在本研究中,CCT越大, A1T越长、A1V变慢, A1L越大,即角膜对外力具有更强的抵抗作用,不易产生形变。角膜达到最大凹陷状态时,HC-R越大,HC-PD及HC-DA越小,即角膜产生形变的幅度小。A2T变短、A2V变大、A2L变长,即停止空气脉冲的作用后,角膜恢复能力更强。故CCT越厚,角膜生物力学越稳定,与王丹等[10]的研究结果一致。本研究发现CCT与SSI相关,推测即使对SSI进行了矫正,也无法使其完全独立于角膜厚度,得到与Han等[11]相同的结论,但Han等[11]同时也发现Pentacam的CCT值略高于Corvis ST,与本研究相悖,考虑与纳入的样本有关。此外,Pentacam为360 °全角膜扫描,Corvis ST仅对角膜中央8 mm水平子午线的横截面进行二维成像,此横截面顶点厚度即为CCT值,不排除该横截面偏离全角膜最薄点位置的可能性,可能导致CCT偏高。

本研究中,随着SE的增加,A1T越长、A1L越大,HC-PD及HC-DA越大,A2T越长、A2V越快,说明角膜抵抗外力的作用弱、形变幅度大、角膜恢复能力减弱;He等[12]认为高度近视眼的HC-R越小、HC-DA越大,A2V越快,A2L越短,说明高度近视眼的角膜更软、易变形。Yu等[13]也报道了类似的结果,并提出A2V反映角膜弹性,可以作为评估近视患者角膜生物力学性质的新指标,这些发现与我们的结果一致。SSI是材料刚度参数,SE越高,SSI越低,提示角膜的机械强度可能因近视度数的加深受到损害。近视的发展过程中,巩膜组织进行性丢失,巩膜变薄、眼轴拉长[14],巩膜生物力学下降。角膜是巩膜组织的延续,生物力学受巩膜的影响,也发生了改变。因此监测角膜生物力学在预防近视发生和预测近视发展上具有一定的参考价值。

本研究发现,K1、K2、Km与A1V、A2T、HC-T、HC-PD、HC-R均存在相关性,即角膜曲率在一定程度上影响角膜生物力学。其中K2还与HC-DA、SSI存在相关性,K2越大,角膜形变幅度越大,刚度越小。窦瑞等[15]发现,K2 对角膜形变参数的影响更大,与本研究结果相似。

随着年龄的增加,角膜基质的微观结构发生变化,包括非酶交联、胶原糖基化等[16]。结构的改变导致角膜硬度增加、弹性下降,角膜硬化等。因此不难解释本研究中年龄与多个生物力学参数所展现的相关性;本研究表明,SSI与年龄呈正相关,即角膜刚度随年龄增长而增加,得到了Eliasy等[17]相似的结论。Liu等[18]研究了我国健康人群SSI的年龄分布特点及相关因素,发现SSI与年龄呈正相关,且35岁以后更明显。本研究尚未根据年龄进行分组,分析不同年龄段SSI的变化差异。此外,近视程度和眼轴可能会影响角膜随年龄增长而硬化的趋势,仍需进一步探索,考虑混杂因素的作用。

准确测量眼压不仅是评估青光眼风险和指导治疗的关键,更是保障角膜屈光手术安全进行、减少术后并发症的重要指标。目前,眼内压测量的金标准是Goldmann眼压计(goldmann applanation tonometer,GAT),但是该设备假设眼内压与压平角膜中心3.06 mm范围所需的压力成正比,没有考虑角膜厚度和角膜材料特性的影响。然而研究表明,IOP受多种因素影响,并与角膜厚度和角膜硬度存在明显的相关性[19]。为获得更精准的IOP测量值,Joda等[20]开发了一种新的算法即bIOP,矫正了CCT、年龄、角膜形态、材料属性等方面的影响,获得更精确、更接近真实眼内压的测量值,且显著降低了与CCT的关联[6]。研究证实[21],bIOP测量值与CCT无关,与本研究结果相同。角膜形变是外界施加的力、角膜自身材料特性和眼内压共同作用的结果,本研究发现,眼内压较高时角膜在外力作用下不易发生形变,且恢复能力更强。Matsuura等[22]发现,使用Corvis ST测得的bIOP比GAT测量值低,且随着眼压值的增加,这种趋势更明显,提示对于较高眼压患者,在使用bIOP作为参考时需注意可能与GAT眼压存在较大差异。值得注意的是,眼压具有生物节律性,体位、调节以及情绪等均会影响眼压。本研究中所有受检者均在坐位、非调节状态下接受检测,但没有固定测量时间,不排除由此引起的偏倚,在今后的研究中需要更严格的研究设计。

综上所述,近视人群的角膜生物力学特性随着SE及角膜曲率(尤其是3 mm区陡中心曲率K2)的增加而下降;CCT、年龄和bIOP是重要的影响因素,CCT越厚,角膜生物力学越稳定。参数bIOP更接近真实的眼内压,且操作安全、方便,是临床工作中的更好选择。参数SSI与年龄相关,且随着SE增加而增大。关注近视人群角膜生物力学的变化,为研究近视的发生发展提供了新的思路。