牛雨，焦一典，马铭绅，赵海霞

内蒙古医科大学附属医院近视眼治疗中心，呼和浩特 010050

屈光不正是全世界可逆性视力损害的主要原因，近视是最常见的屈光不正[1]。全球近视患病率呈上升趋势[1-2]。目前最有效的矫正屈光问题的方法是角膜屈光手术。在过去几十年中，角膜屈光手术在矫正屈光不正如近视、远视、散光等方面引起了广泛关注。在屈光手术决策过程中，识别临床圆锥角膜患者及易患角膜扩张症的患者至关重要。手术后角膜扩张可能是因为正常角膜过度切除导致生物力学损害或对未知圆锥角膜的患眼进行手术[3-4]。目前尚缺乏准确、完整测量角膜生物力学特性的检查手段，使得角膜生物力学评估及圆锥角膜疾病的临床诊断效率受到限制[5]。测量角膜生物力学的新指标和技术正成为屈光手术研究的焦点。对角膜生物力学的全面理解有助于早期发现易发生扩张的角膜，增强对术后角膜扩张风险及屈光治疗效果稳定性的评估效能。现就新兴角膜生物力学测量技术在屈光手术中的应用研究进展综述如下。

1 布里渊显微镜

布里渊显微镜是一种新兴的微创生物力学测量技术，可以检测激光束的光谱位移。布里渊光散射是由组织中的光和固有声波相互作用产生的。声波自然存在于组织中。它们起源于分子的热波动，产生以声速传播的压力波动（角膜基质中为1 620 m/s）。声波周期性地调制折射率，当光从这种调制中反射时，就会发生多普勒频移。频率偏移与声速成正比，声速与纵向模量的平方成正比。纵向模量定义为引起分数体积变化所需的静水压力大小，近似为压缩性的反比。布里渊显微镜使用低功率聚焦激光束和高分辨率共焦光谱仪测量焦点处的布里渊频率[6]，通过扫描光束，可绘制组织纵向模量的空间变化图。

布里渊显微镜可以直接反映局部组织的特性[7]。布里渊显微镜对声速信息的反映类似于高频超声显微镜。然而，作为一种全光技术，布里渊显微镜不需要任何物理接触，在组织中不沉积声能，并可提供微观三维分辨率[8]。布里渊显微镜为测量眼组织纵向弹性模量提供了安全、非接触的方法。它提供的成像组织的三维分辨率，可揭示机械性能的空间变化，其临床实用性已在角膜诊断和治疗监测中得到证实[7，9-10]，有助于屈光手术和治疗程序规划。研究显示，圆锥角膜患者的平均布里渊频率明显低于正常人群，并且随着疾病的严重程度而增加；布里渊频率降低在角膜圆锥区最为明显，而周围的角膜组织具有正常的布里渊频率；通过比较左眼和右眼之间的布里渊频率差异，可以识别轻度圆锥角膜。上述结果表明，圆锥角膜的生物力学组织特性发生改变，双侧角膜生物力学参数的不对称性可作为早期圆锥角膜的诊断指标。相关研究也证实，在许多圆锥角膜患者中，疾病的严重程度是不对称的[7，11-12]。布里渊显微镜能够测量纵向模量和静水压组织特性，便于临床医生为屈光手术创建患者的个性列线图，减少结果变异性和屈光异常值，避免二次手术。研究表明，在准分子激光原位角膜磨镶手术中，角膜水合作用影响准分子激光消融率[13-14]。角膜生物力学差异可以解释白内障和散光角膜切开术后屈光结果的可变性[15]。据治疗前的布里渊显微镜测量结果，可以单独定制消融参数或散光角膜切开术列线图。然而，鉴于纵向模量和剪切模量之间缺乏先验相关性，对于布里渊显微镜的测量数据是否及如何集成到有限元建模中尚不确定。尽管如此，仍有必要将布里渊显微镜的测量数据纳入各种屈光手术患者的特定模拟中，以增加患者和外科医生对测量结果的信心。布里渊显微镜还可用于角膜交联患者，评估角膜交联程序的有效性，包括组织变化和重塑空间图。有研究表明，在手术前，圆锥角膜患者和对照组在布里渊纵向模量方面存在显著差异。手术后，交联角膜的纵向模量恢复到正常范围[7]。此外，有学者对接受角膜交联治疗的圆锥角膜患者进行队列测量显示，治疗后布里渊频率有增加的趋势[16]。未来临床研究中，布里渊显微镜还可用于测量Fuchs营养不良患者的异常水合变化，并帮助监测疾病的进展[17]。除了角膜应用之外，晶状体成像还可以帮助临床医生评估老视及各种恢复晶状体弹性治疗方法的有效性[18]；巩膜成像可以评价患者进行性近视的易感性，并允许在屈光不正出现之前进行早期干预[19]。

2 超声弹性成像

超声弹性成像是另一种新兴的角膜生物力学测量技术，它使用高频超声，通过测量组织位移作为施加应力的函数，从而确定局部材料特性。激发应力可以通过各种方式提供，例如眼内压的自然脉动、外部震动器或声辐射力。声辐射力是声场向组织的动量传递[5，20-21]。超声弹性成像可系统评估两种不同类型角膜对该应力的反应：沿作用力轴的组织压缩应变或横向传播波产生的剪切应变。通过测量波速并将其与假定的波传播模型进行比较，更容易获得基本的材料特性[22]。

最近研究已经证实超声弹性成像系统的可行性，该系统利用了由血流脉动自然产生的角膜变形。PAVLATOS等[20]创建了一个人工系统，模拟动物和人类的眼部血流脉动，并在亚微米水平上构建了轴向组织位移的二维应变图。尽管挑战依然存在，但这种被动声学方法与小尺寸超声换能器相结合，为角膜生物力学的实时微创测量提供了可能，从而有可能在术中控制屈光手术系统。另外，TANTER等[23]开发了一种称为超声剪切成像的新方法，使用15 MHz阵列传感器测量猪角膜的定量剪切模量，但相对低频率限制了获得图像的空间分辨率。为了提高空间分辨率，SHIH等[24-25]使用共焦对准双元件换能器、URS等[26]使用单元件高频换能器实施了声辐射力脉冲成像（ARFI），以表征交联角膜的生物力学特性。然而，共焦换能器的固定结构和单元件换能器都缺乏量化角膜杨氏模量的能力。QIAN等[5]使用了多功能超声微弹性成像技术，该技术能够通过ARFI以微米分辨率提供定性角膜刚度分布，并通过剪切波弹性成像技术重建感兴趣区域的杨氏模量。使用高分辨率刚度图，在感兴趣区标记重建的杨氏模量，评估在交联干预或眼压作用下角膜局部变形的直接轮廓。因此，该研究提出的超声微弹性成像方法可以用来评估眼组织的形态学和生物力学特性，有可能在眼科领域形成一种新的常规成像方式。尽管以往研究证明了该技术的可行性，但其限制因素如需要液体耦合介质接触角膜、较长的图像采集时间、数据处理的复杂性等阻碍了该技术在临床大规模应用[5，21]。

3 光学相干弹性成像（OCE）

OCE是超声弹性成像的一个概念扩展，是一种很有前途的技术，具有高空间分辨率和对组织机械变形的高灵敏度[22]。OCE能够在高采集率下以测微计分辨率成像。机械加载方法包括接触和非接触系统中的静态和动态方法。动态非接触方法有光激励、空气耦合声辐射力和微型喷气系统。最相关的接触系统将安装在力传感器上的光学透镜转换为对着角膜的方向[27]。与超声弹性成像一样，OCE可绘制模型系统中的弹性图，如琼脂模型和离体动物角膜，并且显示弹性模量依赖于眼压[28-29]。

一种基于压缩的OCE技术已经在人类受试者身上进行了测试[30]，但定量测量弹性模量的能力仍有待开发。基于弹性波激发的定量方法已在离体组织和活体动物中得到广泛研究。RAMIER等[31]在一项用OCE技术体测量人角膜剪切模量的研究中首次报告了人角膜剪切模量的活体定量测量结果。研究者通过使用OCE系统和微型接触探头，在以10 kHz为中心的频率范围内，在人类角膜上安全地激发低能弹性波，从而实现测量。这种相对较高的激发频率会在人类角膜中诱发瑞利型弹性波，从而实现高测量精度和高空间分辨率。该研究还发现，剪切模量与年龄存在关联。先前关于角膜生物力学年龄依赖性的研究发现，随着年龄的增长，拉伸模量显著增加[32]。相比之下，这项研究中，剪切模量测量结果相反：剪切模量随着年龄的增长而降低。如果此项研究的测量数据是准确的，这种差异表明面内剪切模量和拉伸杨氏模量受到老化的不同影响。

ZVIETCOVICH 等[28]发明了混响三维 OCE 技术，这是一种利用漫射场的物理特性检测角膜横向和纵轴弹性梯度的新方法。离体猪角膜实验表明，混响三维OCE能够实现单层的弹性表征，与角膜层的解剖学描述相匹配，对比度高。近期一项使用混响三维OCE评价角膜交联的研究表明，混响三维OCE技术可以识别与低剂量和高剂量角膜交联治疗相关的弹性增加，此外，该技术能够识别角膜的哪些层可能受到角膜交联治疗的影响。该方法可用于评估和监测不同临床环境下的角膜交联治疗效果[33]。有学者[30]使用OCE进行了一项体内对比研究，评估正常角膜和圆锥角膜的深度依赖性角膜生物力学特性。这是OCE首次应用于人类圆锥角膜受试者。在此研究中，正常受试者和圆锥角膜受试者深度依赖性角膜生物力学特性有显著差异，揭示了正常前后间质刚度梯度的改变，所观察到的差异不仅对潜在的疾病筛查和屈光手术适应证的选择具有重要意义，而且为圆锥角膜基质特性的深度依赖性分布改变提供了体内生物力学证据。

然而，大多数OCE方法都有局限性，如需要患者接触或角膜扰动、眼内压依赖性、依赖于分析简化或复杂逆有限元方法来确定机械性能等[34]。BLACKBURN等[34]提出了一种新的方法，为相位去相关光学相干断层扫描（PhD-OCT），以确定与交联相关的角膜特性。PhD-OCT可以获得快速、非眼内压依赖的角膜交联术后生物力学刚度评估，而不会对眼睛造成干扰。而且，PhD-OCT不需要修改现有临床眼科眼前节OCT系统的硬件，这大大减少了临床翻译的障碍。研究者认为，PhD-OCT可能有助于临床医生理解角膜交联期间产生的分界线，这被认为是交联组织与非交联组织的边界，有望为临床医生提供有关角膜交联程序的实时反馈，以便于调整程序，达到预期效果[34]。

总之，准确评估角膜生物力学特性对角膜扩张症的诊断和屈光手术具有重要意义。布里渊显微镜、超声弹性成像和OCE是定量测量角膜生物力学的有前途的技术，这些技术的相关研究证实了对角膜进行空间分辨生物力学评估的可行性，有望成为可供选择的检测手段，用于筛选屈光手术对象，评估角膜交联治疗效果和屈光手术效率，提高对有角膜扩张风险患者的识别能力。另外，在临床上结合角膜生物力学指标还有助于建立精确模型和实施术中实时监测，从而实现个性化屈光手术，更好服务于患者。