新興角膜生物力學(xué)測量技術(shù)在屈光手術(shù)中的應(yīng)用研究進展

牛雨，焦一典，馬銘紳，趙海霞

內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院近視眼治療中心，呼和浩特 010050

屈光不正是全世界可逆性視力損害的主要原因，近視是最常見的屈光不正[1]。全球近視患病率呈上升趨勢[1-2]。目前最有效的矯正屈光問題的方法是角膜屈光手術(shù)。在過去幾十年中，角膜屈光手術(shù)在矯正屈光不正如近視、遠視、散光等方面引起了廣泛關(guān)注。在屈光手術(shù)決策過程中，識別臨床圓錐角膜患者及易患角膜擴張癥的患者至關(guān)重要。手術(shù)后角膜擴張可能是因為正常角膜過度切除導(dǎo)致生物力學(xué)損害或?qū)ξ粗獔A錐角膜的患眼進行手術(shù)[3-4]。目前尚缺乏準(zhǔn)確、完整測量角膜生物力學(xué)特性的檢查手段，使得角膜生物力學(xué)評估及圓錐角膜疾病的臨床診斷效率受到限制[5]。測量角膜生物力學(xué)的新指標(biāo)和技術(shù)正成為屈光手術(shù)研究的焦點。對角膜生物力學(xué)的全面理解有助于早期發(fā)現(xiàn)易發(fā)生擴張的角膜，增強對術(shù)后角膜擴張風(fēng)險及屈光治療效果穩(wěn)定性的評估效能?，F(xiàn)就新興角膜生物力學(xué)測量技術(shù)在屈光手術(shù)中的應(yīng)用研究進展綜述如下。

1 布里淵顯微鏡

布里淵顯微鏡是一種新興的微創(chuàng)生物力學(xué)測量技術(shù)，可以檢測激光束的光譜位移。布里淵光散射是由組織中的光和固有聲波相互作用產(chǎn)生的。聲波自然存在于組織中。它們起源于分子的熱波動，產(chǎn)生以聲速傳播的壓力波動（角膜基質(zhì)中為1 620 m/s）。聲波周期性地調(diào)制折射率，當(dāng)光從這種調(diào)制中反射時，就會發(fā)生多普勒頻移。頻率偏移與聲速成正比，聲速與縱向模量的平方成正比?？v向模量定義為引起分數(shù)體積變化所需的靜水壓力大小，近似為壓縮性的反比。布里淵顯微鏡使用低功率聚焦激光束和高分辨率共焦光譜儀測量焦點處的布里淵頻率[6]，通過掃描光束，可繪制組織縱向模量的空間變化圖。

布里淵顯微鏡可以直接反映局部組織的特性[7]。布里淵顯微鏡對聲速信息的反映類似于高頻超聲顯微鏡。然而，作為一種全光技術(shù)，布里淵顯微鏡不需要任何物理接觸，在組織中不沉積聲能，并可提供微觀三維分辨率[8]。布里淵顯微鏡為測量眼組織縱向彈性模量提供了安全、非接觸的方法。它提供的成像組織的三維分辨率，可揭示機械性能的空間變化，其臨床實用性已在角膜診斷和治療監(jiān)測中得到證實[7，9-10]，有助于屈光手術(shù)和治療程序規(guī)劃。研究顯示，圓錐角膜患者的平均布里淵頻率明顯低于正常人群，并且隨著疾病的嚴重程度而增加；布里淵頻率降低在角膜圓錐區(qū)最為明顯，而周圍的角膜組織具有正常的布里淵頻率；通過比較左眼和右眼之間的布里淵頻率差異，可以識別輕度圓錐角膜。上述結(jié)果表明，圓錐角膜的生物力學(xué)組織特性發(fā)生改變，雙側(cè)角膜生物力學(xué)參數(shù)的不對稱性可作為早期圓錐角膜的診斷指標(biāo)。相關(guān)研究也證實，在許多圓錐角膜患者中，疾病的嚴重程度是不對稱的[7，11-12]。布里淵顯微鏡能夠測量縱向模量和靜水壓組織特性，便于臨床醫(yī)生為屈光手術(shù)創(chuàng)建患者的個性列線圖，減少結(jié)果變異性和屈光異常值，避免二次手術(shù)。研究表明，在準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲手術(shù)中，角膜水合作用影響準(zhǔn)分子激光消融率[13-14]。角膜生物力學(xué)差異可以解釋白內(nèi)障和散光角膜切開術(shù)后屈光結(jié)果的可變性[15]。據(jù)治療前的布里淵顯微鏡測量結(jié)果，可以單獨定制消融參數(shù)或散光角膜切開術(shù)列線圖。然而，鑒于縱向模量和剪切模量之間缺乏先驗相關(guān)性，對于布里淵顯微鏡的測量數(shù)據(jù)是否及如何集成到有限元建模中尚不確定。盡管如此，仍有必要將布里淵顯微鏡的測量數(shù)據(jù)納入各種屈光手術(shù)患者的特定模擬中，以增加患者和外科醫(yī)生對測量結(jié)果的信心。布里淵顯微鏡還可用于角膜交聯(lián)患者，評估角膜交聯(lián)程序的有效性，包括組織變化和重塑空間圖。有研究表明，在手術(shù)前，圓錐角膜患者和對照組在布里淵縱向模量方面存在顯著差異。手術(shù)后，交聯(lián)角膜的縱向模量恢復(fù)到正常范圍[7]。此外，有學(xué)者對接受角膜交聯(lián)治療的圓錐角膜患者進行隊列測量顯示，治療后布里淵頻率有增加的趨勢[16]。未來臨床研究中，布里淵顯微鏡還可用于測量Fuchs營養(yǎng)不良患者的異常水合變化，并幫助監(jiān)測疾病的進展[17]。除了角膜應(yīng)用之外，晶狀體成像還可以幫助臨床醫(yī)生評估老視及各種恢復(fù)晶狀體彈性治療方法的有效性[18]；鞏膜成像可以評價患者進行性近視的易感性，并允許在屈光不正出現(xiàn)之前進行早期干預(yù)[19]。

2 超聲彈性成像

超聲彈性成像是另一種新興的角膜生物力學(xué)測量技術(shù)，它使用高頻超聲，通過測量組織位移作為施加應(yīng)力的函數(shù)，從而確定局部材料特性。激發(fā)應(yīng)力可以通過各種方式提供，例如眼內(nèi)壓的自然脈動、外部震動器或聲輻射力。聲輻射力是聲場向組織的動量傳遞[5，20-21]。超聲彈性成像可系統(tǒng)評估兩種不同類型角膜對該應(yīng)力的反應(yīng)：沿作用力軸的組織壓縮應(yīng)變或橫向傳播波產(chǎn)生的剪切應(yīng)變。通過測量波速并將其與假定的波傳播模型進行比較，更容易獲得基本的材料特性[22]。

最近研究已經(jīng)證實超聲彈性成像系統(tǒng)的可行性，該系統(tǒng)利用了由血流脈動自然產(chǎn)生的角膜變形。PAVLATOS等[20]創(chuàng)建了一個人工系統(tǒng)，模擬動物和人類的眼部血流脈動，并在亞微米水平上構(gòu)建了軸向組織位移的二維應(yīng)變圖。盡管挑戰(zhàn)依然存在，但這種被動聲學(xué)方法與小尺寸超聲換能器相結(jié)合，為角膜生物力學(xué)的實時微創(chuàng)測量提供了可能，從而有可能在術(shù)中控制屈光手術(shù)系統(tǒng)。另外，TANTER等[23]開發(fā)了一種稱為超聲剪切成像的新方法，使用15 MHz陣列傳感器測量豬角膜的定量剪切模量，但相對低頻率限制了獲得圖像的空間分辨率。為了提高空間分辨率，SHIH等[24-25]使用共焦對準(zhǔn)雙元件換能器、URS等[26]使用單元件高頻換能器實施了聲輻射力脈沖成像（ARFI），以表征交聯(lián)角膜的生物力學(xué)特性。然而，共焦換能器的固定結(jié)構(gòu)和單元件換能器都缺乏量化角膜楊氏模量的能力。QIAN等[5]使用了多功能超聲微彈性成像技術(shù)，該技術(shù)能夠通過ARFI以微米分辨率提供定性角膜剛度分布，并通過剪切波彈性成像技術(shù)重建感興趣區(qū)域的楊氏模量。使用高分辨率剛度圖，在感興趣區(qū)標(biāo)記重建的楊氏模量，評估在交聯(lián)干預(yù)或眼壓作用下角膜局部變形的直接輪廓。因此，該研究提出的超聲微彈性成像方法可以用來評估眼組織的形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)特性，有可能在眼科領(lǐng)域形成一種新的常規(guī)成像方式。盡管以往研究證明了該技術(shù)的可行性，但其限制因素如需要液體耦合介質(zhì)接觸角膜、較長的圖像采集時間、數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性等阻礙了該技術(shù)在臨床大規(guī)模應(yīng)用[5，21]。

3 光學(xué)相干彈性成像（OCE）

OCE是超聲彈性成像的一個概念擴展，是一種很有前途的技術(shù)，具有高空間分辨率和對組織機械變形的高靈敏度[22]。OCE能夠在高采集率下以測微計分辨率成像。機械加載方法包括接觸和非接觸系統(tǒng)中的靜態(tài)和動態(tài)方法。動態(tài)非接觸方法有光激勵、空氣耦合聲輻射力和微型噴氣系統(tǒng)。最相關(guān)的接觸系統(tǒng)將安裝在力傳感器上的光學(xué)透鏡轉(zhuǎn)換為對著角膜的方向[27]。與超聲彈性成像一樣，OCE可繪制模型系統(tǒng)中的彈性圖，如瓊脂模型和離體動物角膜，并且顯示彈性模量依賴于眼壓[28-29]。

一種基于壓縮的OCE技術(shù)已經(jīng)在人類受試者身上進行了測試[30]，但定量測量彈性模量的能力仍有待開發(fā)。基于彈性波激發(fā)的定量方法已在離體組織和活體動物中得到廣泛研究。RAMIER等[31]在一項用OCE技術(shù)體測量人角膜剪切模量的研究中首次報告了人角膜剪切模量的活體定量測量結(jié)果。研究者通過使用OCE系統(tǒng)和微型接觸探頭，在以10 kHz為中心的頻率范圍內(nèi)，在人類角膜上安全地激發(fā)低能彈性波，從而實現(xiàn)測量。這種相對較高的激發(fā)頻率會在人類角膜中誘發(fā)瑞利型彈性波，從而實現(xiàn)高測量精度和高空間分辨率。該研究還發(fā)現(xiàn)，剪切模量與年齡存在關(guān)聯(lián)。先前關(guān)于角膜生物力學(xué)年齡依賴性的研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，拉伸模量顯著增加[32]。相比之下，這項研究中，剪切模量測量結(jié)果相反：剪切模量隨著年齡的增長而降低。如果此項研究的測量數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，這種差異表明面內(nèi)剪切模量和拉伸楊氏模量受到老化的不同影響。

ZVIETCOVICH 等[28]發(fā)明了混響三維 OCE 技術(shù)，這是一種利用漫射場的物理特性檢測角膜橫向和縱軸彈性梯度的新方法。離體豬角膜實驗表明，混響三維OCE能夠?qū)崿F(xiàn)單層的彈性表征，與角膜層的解剖學(xué)描述相匹配，對比度高。近期一項使用混響三維OCE評價角膜交聯(lián)的研究表明，混響三維OCE技術(shù)可以識別與低劑量和高劑量角膜交聯(lián)治療相關(guān)的彈性增加，此外，該技術(shù)能夠識別角膜的哪些層可能受到角膜交聯(lián)治療的影響。該方法可用于評估和監(jiān)測不同臨床環(huán)境下的角膜交聯(lián)治療效果[33]。有學(xué)者[30]使用OCE進行了一項體內(nèi)對比研究，評估正常角膜和圓錐角膜的深度依賴性角膜生物力學(xué)特性。這是OCE首次應(yīng)用于人類圓錐角膜受試者。在此研究中，正常受試者和圓錐角膜受試者深度依賴性角膜生物力學(xué)特性有顯著差異，揭示了正常前后間質(zhì)剛度梯度的改變，所觀察到的差異不僅對潛在的疾病篩查和屈光手術(shù)適應(yīng)證的選擇具有重要意義，而且為圓錐角膜基質(zhì)特性的深度依賴性分布改變提供了體內(nèi)生物力學(xué)證據(jù)。

然而，大多數(shù)OCE方法都有局限性，如需要患者接觸或角膜擾動、眼內(nèi)壓依賴性、依賴于分析簡化或復(fù)雜逆有限元方法來確定機械性能等[34]。BLACKBURN等[34]提出了一種新的方法，為相位去相關(guān)光學(xué)相干斷層掃描（PhD-OCT），以確定與交聯(lián)相關(guān)的角膜特性。PhD-OCT可以獲得快速、非眼內(nèi)壓依賴的角膜交聯(lián)術(shù)后生物力學(xué)剛度評估，而不會對眼睛造成干擾。而且，PhD-OCT不需要修改現(xiàn)有臨床眼科眼前節(jié)OCT系統(tǒng)的硬件，這大大減少了臨床翻譯的障礙。研究者認為，PhD-OCT可能有助于臨床醫(yī)生理解角膜交聯(lián)期間產(chǎn)生的分界線，這被認為是交聯(lián)組織與非交聯(lián)組織的邊界，有望為臨床醫(yī)生提供有關(guān)角膜交聯(lián)程序的實時反饋，以便于調(diào)整程序，達到預(yù)期效果[34]。

總之，準(zhǔn)確評估角膜生物力學(xué)特性對角膜擴張癥的診斷和屈光手術(shù)具有重要意義。布里淵顯微鏡、超聲彈性成像和OCE是定量測量角膜生物力學(xué)的有前途的技術(shù)，這些技術(shù)的相關(guān)研究證實了對角膜進行空間分辨生物力學(xué)評估的可行性，有望成為可供選擇的檢測手段，用于篩選屈光手術(shù)對象，評估角膜交聯(lián)治療效果和屈光手術(shù)效率，提高對有角膜擴張風(fēng)險患者的識別能力。另外，在臨床上結(jié)合角膜生物力學(xué)指標(biāo)還有助于建立精確模型和實施術(shù)中實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)個性化屈光手術(shù)，更好服務(wù)于患者。