圓錐角膜患者角膜生物力學(xué)特性與高階像差相關(guān)參數(shù)變化及其相關(guān)性分析

劉暢，劉欣，尚玥，呂勇

鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院眼科，鄭州 450052

圓錐角膜是一種常于青春期起病且雙眼發(fā)病的非炎癥性疾病，以角膜擴(kuò)張變薄且呈錐形前突為主要特征，常造成難以矯正的角膜高度不規(guī)則散光，病變呈進(jìn)行性發(fā)展，晚期患者常因患眼視力顯著下降而致盲［1］。普通人群中圓錐角膜發(fā)病率為1/2 000～1/375，急性期部分患者會出現(xiàn)角膜水腫，繼而角膜出現(xiàn)永久性瘢痕，是發(fā)達(dá)國家進(jìn)行角膜移植術(shù)最為常見的原因［2］。因此，早期診斷對于圓錐角膜患者遠(yuǎn)期獲得更好的視覺質(zhì)量具有重要意義。圓錐角膜患者角膜的形態(tài)及結(jié)構(gòu)隨病程進(jìn)展而逐漸變化，角膜生物力學(xué)性能顯著下降［3］。角膜作為人眼中最主要的屈光介質(zhì)，其形態(tài)的任何微小變化均可引起全眼屈光狀態(tài)改變，而角膜像差由角膜的幾何特性以及角膜表面的不規(guī)則性所決定，故角膜波前像差可能與角膜生物力學(xué)特性有關(guān)［4］。目前，圓錐角膜患者角膜生物力學(xué)特性與高階像差（HOAs）的相關(guān)性尚不清楚，二者的相關(guān)性是否有助于圓錐角膜的診斷也鮮見報道。為此，我們進(jìn)行了如下研究。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇2020 年6 月—2021 年6 月于鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院就診的圓錐角膜患者24 例（30眼）作為觀察組，疑似圓錐角膜患者18例（32眼）作為對照組。圓錐角膜診斷標(biāo)準(zhǔn)：有近視、散光病史；最佳矯正視力＜20/20；角膜地形圖的特征性表現(xiàn)或角膜后表面高度＞20μm；裂隙燈檢查發(fā)現(xiàn)角膜前表面曲率進(jìn)行性變陡，相應(yīng)區(qū)域角膜基質(zhì)變薄、Vogt's 線、Flesicher 環(huán)、Munson 征、角膜上皮或上皮下瘢痕中至少存在一項。疑似圓錐角膜診斷標(biāo)準(zhǔn)：無圓錐角膜臨床體征；最佳矯正視力≥20/20；角膜地形圖有特征性的形態(tài)改變，即角膜下方與上方3 mm 處角膜屈光度差值＞1.26 D；同一患者雙眼角膜SimK 差值＞0.92 D 等。排除標(biāo)準(zhǔn)：既往眼部手術(shù)史；合并眼部其他疾??；既往眼外傷史；嚴(yán)重角膜水腫；隱形眼鏡佩戴者需停止佩戴硬鏡1個月以上、軟鏡2周以上；不能配合眼科檢查、依從性差者。觀察組男16 例19 眼、女8 例11 眼，年齡14～45 歲；對照組男12 例21 眼、女6 例11 眼，年齡16～58 歲。兩組性別構(gòu)成比及年齡均具有可比性（P均＞0.05）。本研究通過醫(yī)院倫理委員會審核，患者均簽署知情同意書。

1.2 指標(biāo)觀察方法

1.2.1 角膜生物力學(xué)相關(guān)參數(shù) 使用可視化角膜生物力學(xué)分析儀（Corvis ST，德國Oculus 公司）進(jìn)行角膜生物力學(xué)檢查。囑患者端坐于儀器前，輸入患者信息后囑其于下頜墊處放置下頜，前額靠于前額托上，囑患者瞬目數(shù)次后盡量睜大雙眼，充分暴露角膜，并注視儀器內(nèi)自帶固視燈。檢查者使用自動模式或手動模式控制操縱桿，并根據(jù)屏幕提示進(jìn)行瞄準(zhǔn)和對焦后，噴口發(fā)射60 mmHg 空氣脈沖印壓角膜形變，并由Scheimpflug 相機記錄角膜形變圖像。由同一位經(jīng)驗豐富的臨床醫(yī)師完成對患者的檢查，每眼連續(xù)測量3 次，計算如下參數(shù)：第一次壓平時間（A1T）、第一次壓平長度（A1L）、第一次壓平速率（A1V）、第二次壓平時間（A2T）、第二次壓平長度（A2L）、第二次壓平速率（A2V）、達(dá)到最大凹面的時間（HCT）、達(dá)到最大凹面的峰距（PD）、最大凹面的反向曲率半徑（HCR）、角膜形變幅度比（DA Ratio）、最大凹陷半徑曲線下面積（IR）、最薄點角膜厚度變化率比值（ARTh）、壓平角膜的相對壓力與位移比（SP-A1）、角膜形變特點參數(shù)（CBI）。Corvis ST 測量時角膜形變過程見OSID碼圖1。

1.2.2 角膜高階像差相關(guān)參數(shù) 使用有計算機輔助的三維SIRIUS（意大利CSO 公司）角膜地形圖儀進(jìn)行角膜地形圖檢查。囑患者將下頜置于下頜墊，前額貼靠于前額條帶，雙眼瞬目后睜大，充分暴露角膜，固視前方藍(lán)色條帶中央小黑圈。檢查者操縱搖桿，根據(jù)計算機顯示屏提示進(jìn)行對焦與拍攝，檢查在暗室中進(jìn)行。選取質(zhì)量為OK 且覆蓋率為90%以上的圖像進(jìn)行分析，獲取角膜6 mm 直徑角膜前表面、后表面及全表面的角膜總高階像差（總HOAs）、彗差、三葉草差、球差、四葉草差均方根（RMS）值等。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS23.0 統(tǒng)計軟件。計量資料采用K-S正態(tài)性檢驗，呈正態(tài)分布以±s表示，結(jié)果比較采用t檢驗；非正態(tài)分布以M（P25，P75）表示，結(jié)果比較采用秩和檢驗。角膜生物力學(xué)參數(shù)與高階像差參數(shù)的關(guān)系采用Spearman分析法。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組角膜生物力學(xué)參數(shù)比較 觀察組A1L、A1T、A2L、A2V、HCR、SP-A1、ARTh 均低于對照組，A1V、A2T、PD、DA ratio、IR、CBI 均高于對照組（P均＜0.05），兩組HCT 比較無明顯差異（P＞0.05）。見表1、2。

表1 兩組角膜生物力學(xué)參數(shù)比較［M（P25，P75）］

2.2 兩組角膜高階像差相關(guān)參數(shù)比較 觀察組總HOAs、彗差、三葉草差、球差、四葉草差的RMS 值均高于對照組（P均＜0.05）。見表3。

表2 兩組角膜生物力學(xué)參數(shù)比較［M（P25，P75）］

表3 兩組角膜高階像差相關(guān)參數(shù)的RMS值比較［M（P25，P75）］

2.3 觀察組角膜生物力學(xué)參數(shù)與角膜高階像差參數(shù)RMS 值的相關(guān)性分析結(jié)果 觀察組A1V 與總HOAs、彗差、三葉草差、球差、四葉草差RMS 值均呈正相關(guān)關(guān)系（r分別為0.636、0.684、0.367、0.405、0.438），CBI 與總HOAs、彗差、三葉草差、球差RMS值均呈正相關(guān)關(guān)系（r分別為0.662、0.400、0.377、0.651），A2T、DA ratio、IR 指數(shù)與總HOAs、彗差、球差RMS 值均呈正相關(guān)關(guān)系，HCR、SP-A1、ARTh 與總HOAs、彗差、球差RMS 值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P均＜0.05）。見表4。

表4 觀察組角膜生物力學(xué)參數(shù)與角膜高階像差參數(shù)RMS值的相關(guān)系數(shù)（r）

2.4 對照組角膜生物力學(xué)參數(shù)與角膜高階像差RMS值的相關(guān)性分析結(jié)果 對照組PD 與總HOAs、彗差RMS值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（r分別為-0.436、-0.440），HCR、ARTh與總HOAs、彗差、三葉草差、四葉草差RMS值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，DA ratio 與總HOAs、三葉草差、球差RMS值均呈正相關(guān)關(guān)系，IR與總HOAs、彗差、三葉草差RMS值均呈正相關(guān)關(guān)系，CBI與總HOAs、彗差、四葉草差RMS值均呈正相關(guān)關(guān)系（P均＜0.05）。見表5。

表5 對照組角膜生物力學(xué)參數(shù)與角膜高階像差RMS值的相關(guān)系數(shù)（r）

3 討論

角膜是人眼最重要的屈光界面，呈非球面形態(tài)，視網(wǎng)膜成像的質(zhì)量很大程度取決于其非球面形態(tài)［5］。角膜作為非均質(zhì)、各向異性的黏彈性組織，其張力、硬性、彈性、黏滯性等生物力學(xué)特性是維持角膜形態(tài)的基礎(chǔ)［4］。研究表明，任何因素引起的角膜非球面形態(tài)改變，將會誘發(fā)角膜像差的改變，從而引起視覺質(zhì)量下降［6］。既往研究發(fā)現(xiàn)，圓錐角膜眼的角膜高階像差以彗差為主，早期圓錐角膜眼較正常眼的高階像差也明顯升高［7］。YOON 等［8］對高階像差被完全矯正后的理論視覺改善進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)矯正高階像差后的視覺質(zhì)量得到改善，以圓錐角膜眼的視覺質(zhì)量改善尤為顯著。因此，早期診斷圓錐角膜對患者遠(yuǎn)期獲得更好的視覺質(zhì)量意義重大。

MEEK 等［9］對離體角膜進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著圓錐角膜的進(jìn)展，角膜基質(zhì)層的膠原排列逐漸趨于紊亂，角膜基質(zhì)的交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞；膠原在前彈力層的錨定作用缺失，前彈力層發(fā)生斷裂，角膜厚度逐漸變薄，直接導(dǎo)致角膜的硬度、彈性、黏滯性等生物力學(xué)性能下降，即在外力下其抵抗形變的能力及發(fā)生形變后恢復(fù)原狀的能力均下降。本研究采用的角膜生物力學(xué)分析儀能夠?qū)崟r可視化動態(tài)記錄角膜組織在氣流脈沖下受壓形變后的生物力學(xué)參數(shù)，并還原整個過程，變化過程可分為3個時期：第一階段是角膜由自然狀態(tài)到受力向內(nèi)發(fā)生凹陷的內(nèi)向運動期，并達(dá)到第一次壓平狀態(tài)，此階段相關(guān)的生物力學(xué)參數(shù)為A1T、A1L 和A1V；第二階段是達(dá)到最大壓陷狀態(tài)的短暫震蕩期，此時相關(guān)的生物力學(xué)參數(shù)為DA ratio、HCT、HCR、IR和PD等；第三階段是從角膜最大凹陷狀態(tài)恢復(fù)至自然狀態(tài)的外向運動期，并經(jīng)歷角膜的第二次壓平，與此階段有關(guān)的生物力學(xué)參數(shù)為A2L、A2T 和A2V［10］。本研究顯示，觀察組PD、DA ratio、IR、CBI 均明顯高于對照組，而A1L、A2L、HCR、ARTh、SP-A1 均明顯低于對照組，即與疑似圓錐角膜患者相比，圓錐角膜患者角膜硬度下降、黏滯性及彈性變差，角膜擴(kuò)張變薄，抵抗形變阻力變小，在外力作用下更容易發(fā)生改變、最大形變幅度變大等。因此，角膜生物力學(xué)指標(biāo)與圓錐角膜病變的診斷及嚴(yán)重程度有關(guān)，與SHIZUKA 等［11］、REN 等［12］對圓錐角膜和可疑圓錐角膜患者進(jìn)行角膜生物力學(xué)測量后所得出的結(jié)論一致。

人眼并非是一個完美的光學(xué)系統(tǒng)，由于其屈光成分表面發(fā)生變化、屈光介質(zhì)間光軸產(chǎn)生偏差等，常引起視網(wǎng)膜成像質(zhì)量下降，導(dǎo)致人眼屈光系統(tǒng)不僅存在離焦、像散等低階像差，還存在彗差、球差和三葉草差等許多非規(guī)則的高階像差。CHALITA 等［13］研究發(fā)現(xiàn)，正常瞳孔直徑下，彗差與復(fù)視存在相關(guān)性；而在暗適應(yīng)瞳孔直徑下，光暈的發(fā)生與球差存在相關(guān)性，星芒則與球差和總高階像差顯著相關(guān)。而SHNEOR 等［14］研究表明，即使在視力正常的圓錐角膜患者中，隨著其角膜的高階像差增加，患者的對比敏感度降低。本研究結(jié)果顯示，觀察組總HOAs、彗差、三葉草差、球差、四葉草差的RMS 值均高于對照組。彗差屬于第三階像差，反映人眼屈光成分的非對稱性，而圓錐角膜患者往往上下方角膜不對稱，故而其光學(xué)系統(tǒng)偏軸現(xiàn)象較為明顯，彗差RMS 增大；球差屬于第四階像差，隨距離瞳孔中心的徑向距離改變而發(fā)生變化，反映角膜中央與周邊區(qū)域的平衡性，圓錐角膜患者角膜凸出的最薄點可能出現(xiàn)在角膜中央或旁中央，球差RMS 值明顯增加，與PéREZRUEDA 等［15］、COLAK 等［16］所得出的結(jié)果一致。因此，圓錐角膜患者患眼的角膜高階像差RMS 值增加，其視網(wǎng)膜成像質(zhì)量下降。

本研究相關(guān)性分析結(jié)果顯示，圓錐角膜組中除HCR、IR、SP-A1、ARTH、DA 等與角膜高階像差存在明顯相關(guān)性的生物力學(xué)形態(tài)學(xué)指標(biāo)外，A1V、A2V、A2T、HCT 等參數(shù)也與部分高階像差存在相關(guān)性；作為時間指標(biāo)，HCT、A2T 分別是角膜經(jīng)歷最大壓陷和第二次壓平時的累計時間，受到前驅(qū)因素影響較大，故而混雜因素較大。速度指標(biāo)是生物材料在經(jīng)歷較長時間的運動后，更容易體現(xiàn)其生物力學(xué)差異的相關(guān)指標(biāo)，A1V 和A2V 分別是角膜達(dá)到第一次壓平和第二次壓平時的運動速度，由于角膜的運動狀態(tài)來源于設(shè)備口噴出的氣體，故在較短的時間內(nèi)A1V、A2V不易體現(xiàn)角膜的生物力學(xué)性能。本研究觀察組HCR、SP-A1、ARTh、DA ratio、IR、CBI 等生物力學(xué)形態(tài)學(xué)指標(biāo)均與總HOAs、彗差、球差RMS 值均存在明顯相關(guān)性，其中HCR、SP-A1、ARTh 與總高階像差、彗差、球差RMS 值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，DA ratio、IR、CBI與總高階像差、彗差、球差RMS 值呈正相關(guān)關(guān)系；圓錐角膜患者的總HOAs 和彗差RMS 值與IR 均呈正相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性最強，即圓錐角膜眼在角膜生物力學(xué)測量過程中，角膜達(dá)到最大凹陷狀態(tài)時，反向凹陷半徑曲線下的面積越大，總高階像差及彗差越大；球差RMS 值與ARTh 均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性最強，即角膜最薄點厚度與距離其3.5 mm處角膜厚度變化率的比值越小，球差越大；而在疑似圓錐角膜患者中，PD 與總高階像差、彗差RMS 值均呈正相關(guān)關(guān)系，HCR、ARTh 與總HOAs、彗差、三葉草差、四葉草差RMS 值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，DA ratio 與總HOAs、三葉草差、球差RMS 值均呈正相關(guān)關(guān)系，CBI 與總HOAs、彗差、四葉草差RMS 值均呈正相關(guān)關(guān)系，IR與總HOAs、彗差RMS 值均呈正相關(guān)關(guān)系，而SP-A1與高階像差的相關(guān)性較弱。由此可見，圓錐角膜患者及疑似圓錐角膜患者生物力學(xué)參數(shù)與角膜高階像差參數(shù)均存在相關(guān)關(guān)系，但兩者的相關(guān)模式不盡相同，在圓錐角膜患者中角膜生物力學(xué)參數(shù)與角膜高階像差之間的相關(guān)性更好，而疑似圓錐角膜患者的相關(guān)系數(shù)則明顯低于圓錐角膜患者，與SHUGYO等［17］結(jié)論一致?？赡苁且伤茍A錐角膜患者由于角膜病變程度較輕，所測得的角膜高階像差RMS 值較小，故而這種相關(guān)性可能較之圓錐角膜患者稍差。

綜上所述，與疑似圓錐角膜患者相比，圓錐角膜患者A1L、A1T、A2L、A2V、HCR、SP-A1、ARTh 均降低，A1V、A2T、PD、DA ratio、IR、CBI及角膜高階像差相關(guān)參數(shù)總HOAs、彗差、三葉草差、球差、四葉草差的RMS 值均升高，且圓錐角膜患者多種角膜生物力學(xué)指標(biāo)與角膜高階像差相關(guān)參數(shù)RMS 值的相關(guān)性較強，有助于圓錐角膜的診斷。而疑似圓錐角膜患者生物力學(xué)參數(shù)與角膜高階像差相關(guān)參數(shù)RMS 值的相關(guān)性相對則明顯較弱，即隨著圓錐角膜疾病的發(fā)生，患者角膜生物力學(xué)發(fā)生改變，角膜抵抗形變及形變后復(fù)原能力下降，角膜高階像差增大，患眼視覺質(zhì)量下降，且對于早期圓錐角膜患者，這種相關(guān)性已經(jīng)存在。