田 磊，黃一飛

解放軍總醫(yī)院 眼科，北京 100853

可視化角膜生物力學(xué)分析儀評估角膜生物力學(xué)特性的研究進(jìn)展

田 磊，黃一飛

解放軍總醫(yī)院 眼科，北京 100853

可視化角膜生物力學(xué)分析儀(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)是一種聯(lián)合Scheimpflug高速攝像和氣沖印壓技術(shù)測量角膜生物力學(xué)的新設(shè)備。該設(shè)備能夠?qū)崟r動態(tài)記錄角膜受壓形變的整個過程，記錄形變過程參數(shù)分析角膜生物力學(xué)特性。本文就Corvis ST測量原理、操作方法、測量參數(shù)的可靠性和臨床應(yīng)用情況做一綜述。

角膜生物力學(xué)；可視化角膜生物力學(xué)分析儀；眼內(nèi)壓；圓錐角膜

角膜組織是生物黏彈性材料，其生物力學(xué)性質(zhì)對角膜形狀和透明度的維持、屈光手術(shù)的設(shè)計、人工角膜的研發(fā)等有重要作用；對角膜疾病如圓錐角膜、角膜變性、角膜外傷修復(fù)等的診斷與治療有重要參考價值。此外，角膜生物力學(xué)特性還會影響眼內(nèi)壓的測量結(jié)果，并且是青光眼視神經(jīng)疾病的獨立危險因素[1-4]。目前，角膜生物力學(xué)特性評價多局限于體外研究以及對角膜的有限元模型分析[5-7]。這些方法很難直接應(yīng)用于臨床疾病的診斷和治療過程，因此建立活體角膜生物力學(xué)測量方法成為目前研究的熱點。眼反應(yīng)分析儀(ocular response analyzer，ORA)是第一個臨床應(yīng)用評估活體角膜生物力學(xué)特性的設(shè)備，其采用動態(tài)雙向壓平原理，在測量眼壓的同時評價角膜的黏滯性和抵抗因子[8]。但有學(xué)者認(rèn)為ORA尚未建立測量參數(shù)與經(jīng)典生物力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，無法直接展示角膜生物力學(xué)特性[9]。此外，其他一些非侵襲性活體角膜生物力學(xué)測量方法也有相關(guān)報道，包括剪切波傳播測量法，布里淵光學(xué)顯微鏡法，相干光斷層掃描法等，但上述方法均處于實驗室研究階段，還沒有商用設(shè)備應(yīng)用于臨床[10-13]。近期，一種新型的聯(lián)合Scheimpflug高速攝像和氣沖印壓技術(shù)測量角膜生物力學(xué)的設(shè)備-可視化角膜生物力學(xué)分析儀(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)應(yīng)用于臨床。該設(shè)備能夠?qū)崟r動態(tài)記錄角膜受壓形變的整個過程，并記錄形變過程參數(shù)分析角膜生物力學(xué)特性。本文就Corvis ST測量原理、操作方法、測量參數(shù)的可靠性和臨床應(yīng)用情況做一綜述。

1 測量原理

Corvis ST(軟件版本1.00r30)采用氣沖印壓技術(shù)引起角膜壓陷形變，同時Scheimpflug高速相機動態(tài)記錄角膜中央水平截面的形變?nèi)^程，經(jīng)系統(tǒng)軟件分析后慢動作顯示在控制面板上，同時角膜形變幅度圖、角膜壓平長度圖和角膜形變速率圖也被記錄下來。Corvis ST配備的Scheimpflug高速相機最高采集速率為4 330張圖像/s，采集范圍為8.5 mm直徑，圖像分辨率為640×480像素。Corvis ST在大約30 ms的采集時間內(nèi)，記錄了140張角膜形變過程的斷層圖像，每張圖像有576個測量點，通過圖形軟件分析找出角膜上下輪廓邊緣，并分別以紅色和綠色示蹤線標(biāo)記，通過測量不同時間兩示蹤線的位置信息記錄角膜形變過程參數(shù)，進(jìn)而分析角膜生物力學(xué)特性。Corvis ST測量時發(fā)出的脈沖氣流為一束精確計算的機械壓縮空氣，其空氣脈沖呈中心軸對稱形態(tài)發(fā)出，設(shè)備空氣壓縮管道內(nèi)的最大泵壓穩(wěn)定在25 kPa，以確保每次發(fā)從的空氣脈沖壓力相同。Corvis ST測量過程開始，角膜在氣流作用下向內(nèi)凹陷運動，此過程中角膜會達(dá)到一個壓平狀態(tài)(即第一壓平狀態(tài))，之后角膜繼續(xù)向內(nèi)凹陷形變達(dá)到最大壓陷深度(即最大壓陷狀態(tài))，此時會有一個短暫的振蕩周期。由于氣流作用的減弱至消失和眼內(nèi)壓及角膜黏彈性的性質(zhì)，角膜開始返回到初始狀態(tài)，這個過程中角膜再次經(jīng)歷一次壓平狀態(tài)(即第二壓平狀態(tài))，之后角膜恢復(fù)到初始狀態(tài)，角膜形變過程結(jié)束。由于氣流的動態(tài)性和角膜自身的生物力學(xué)特性(如彈性、黏滯性等)，使得兩次壓平狀態(tài)不一致[14]。

2 測量過程及記錄參數(shù)

本檢查無需表面麻醉，不接觸角膜。在計算機中輸入患者信息，讓被檢者將下頜置于設(shè)備的下頜墊上，前額靠在前額托上，被檢者眨眼數(shù)次后睜大雙眼，注視中央固視紅點。設(shè)備正面監(jiān)視攝像頭上安裝有角膜曲率計投影系統(tǒng)能夠聚焦和對準(zhǔn)角膜頂點，檢查者使用自動模式控制操縱桿按屏幕提示進(jìn)行瞄準(zhǔn)和對焦，當(dāng)達(dá)到第一個浦氏反射時，自動發(fā)射空氣脈沖印壓角膜形變，測量過程開始。一些表面欠規(guī)整或者透光度差的角膜，自動對焦困難，可選擇通過按操縱桿中央部測量按鈕手動測量。

Corvis ST記錄下角膜形變的動態(tài)全過程，獲得反應(yīng)角膜生物力學(xué)特性的相關(guān)形變參數(shù)，包括：第一/第二壓平時間(the first/second applanation time，A-time1/A-time2)， 即 角膜從初始狀態(tài)至第一/第二壓平狀態(tài)的時間；第一/第二壓平長度(the first/second applanation length，A-length1/A-length2)，即角膜從初始狀態(tài)至第一/第二壓平狀態(tài)時角膜水平截面壓平長度；第一/第二壓平速率(corneal velocity during the first/second applanation moment，Vin/Vout)，即第一/第二壓平狀態(tài)時角膜頂點的瞬時速率；最大壓陷時間(time from the start until the highest concavity，HC-time)，即角膜從初始狀態(tài)至最大壓陷狀態(tài)的時間；最大壓陷曲率半徑(central curvature radius at highest concavity，HC-radius)，即達(dá)到最大壓陷狀態(tài)時角膜反向曲率半徑；最大壓陷屈膝峰間距(distance of the two surrounding “knee's” at highest concavity，PD)，即最大壓陷狀態(tài)時角膜兩個屈膝峰之間的距離；最大形變幅度(deformation amplitude，DA)，即角膜從初始狀態(tài)達(dá)最大壓陷狀態(tài)時角膜頂點間垂直距離。Corvis ST還根據(jù)角膜形變過程及第一壓平狀態(tài)計算了眼內(nèi)壓(intraocular pressure，IOP)；根據(jù)初始狀態(tài)中央水平截面圖測量了該截面角膜中央點的厚度(central corneal thickness，CCT)。

3 參數(shù)可靠性

新設(shè)備應(yīng)用于臨床，需要評估參數(shù)測量的重復(fù)性和一致性，這樣才能了解設(shè)備應(yīng)用的可靠性。Hon和Lam[15]應(yīng)用Corvis ST測量37名正常角膜志愿者發(fā)現(xiàn)，測量參數(shù)中重復(fù)性最好的是CCT(ICC：0.96)，其次是DA、A-time1和IOP(ICC：0.80、0.77和0.75)，其余參數(shù)重復(fù)性較差。由于軟件版本限制，Hon等的研究未測量參數(shù)PD和HC-radius。Nemeth等[16]也有相似的結(jié)論，重復(fù)性最好的是CCT，其次分別是IOP、A-time1和DA，其余參數(shù)ICC均＜0.6，并發(fā)現(xiàn)PD和HC-radius的ICC分別為0.216和0.56。分析部分參數(shù)重復(fù)性較弱的原因可能為，角膜黏彈性和各向異性使角膜每次受壓形變情況不盡相同；設(shè)備的部分參數(shù)獲取對外界條件敏感性高，較難精確計算從而出現(xiàn)誤差。

Hong等[17]應(yīng)用Corvis ST、非接觸眼壓計(nonconnect tonometer，NCT)和Goldmann眼 壓 計(goldmann applanation tonometer，GAT)測量23例正常志愿者和36例青光眼患者的IOP，發(fā)現(xiàn)Corvis ST與另外兩種測量方法測量IOP的一致性好。Reznicek等[18]在IOP測量一致性方面報道了相似的結(jié)論，并且對比了Corvis ST和超聲測量的CCT，發(fā)現(xiàn)兩組相關(guān)性明顯，測量一致性好。

4 臨床應(yīng)用

Corvis ST作為一種新型非接觸眼壓計，于2012年11月通過美國食品藥品監(jiān)督管理局(food and drug administration，F(xiàn)DA)認(rèn)證，我國于2013年應(yīng)用于臨床研究。由于設(shè)備尚未廣泛應(yīng)用，所以臨床數(shù)據(jù)有限，相關(guān)研究報道主要集中于設(shè)備測量參數(shù)的重復(fù)性和一致性。近期有報道介紹，Corvis ST臨床應(yīng)用于測量眼壓；診斷圓錐角膜和評估角膜交聯(lián)術(shù)效果。

Corvis ST是唯一能夠觀察到角膜受氣沖印壓形變?nèi)^程的眼壓計，其測量的眼壓值接近真實眼壓值。有研究發(fā)現(xiàn)Corvis ST和GAT測量的IOP相關(guān)性好，組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但Corvis ST測量的IOP比GAT和NCT測得IOP偏低[17]，而Reznicek等[18]的研究發(fā)現(xiàn)Corvis ST比GAT測得IOP偏高。分析原因可能為兩個研究中檢測樣本量數(shù)量不同或者所檢測人種不同引起的系統(tǒng)誤差導(dǎo)致；組間角膜厚度不同引起的測量誤差。所以在排查青光眼的臨床應(yīng)用中，還應(yīng)綜合不同設(shè)備的眼壓測量結(jié)果綜合考慮。Leung等[19]研究發(fā)現(xiàn)角膜生物力學(xué)參數(shù)DA對GAT測量精度的影響比CCT貢獻(xiàn)更大，所以角膜生物力學(xué)特性有可能矯正眼壓測量中受到的CCT和生物力學(xué)特性等相關(guān)干擾因素引起的測量誤差，這需要更進(jìn)一步深入研究。

圓錐角膜是一種局部角膜擴張性疾病，臨床上對于亞臨床和初期圓錐角膜的診斷還是一個難題[20]。目前，診斷圓錐角膜的輔助方法主要是角膜地形圖和角膜斷層攝影術(shù)，但是這兩種方法均容易受到淚膜、眼表疾病及角膜接觸鏡佩戴的影響，對于早期圓錐角膜的診斷具有一定的局限性，而角膜生物力學(xué)特性改變可能在典型角膜形態(tài)學(xué)改變之前發(fā)生[21]。Ambrósio等[22]對比圓錐角膜和正常角膜后，發(fā)現(xiàn)兩組間大多數(shù)Corvis ST生物力學(xué)參數(shù)差異存在顯著統(tǒng)計學(xué)意義，但各參數(shù)組間仍存在比較高的重疊區(qū)間，這限制了生物力學(xué)參數(shù)在臨床診斷中的應(yīng)用。但是Ambrósio等通過統(tǒng)計學(xué)方法得到新參數(shù)Corvis Combol1，其ROC曲線分析發(fā)現(xiàn)該參數(shù)能夠更好地區(qū)分圓錐角膜與正常角膜。在一項涉及119例正常角膜和19例頓挫圓錐角膜的研究中，Corvis ST和Pentacam參數(shù)聯(lián)合應(yīng)用診斷圓錐角膜，ROC曲線下面積達(dá)到0.999，診斷敏感度和特異度分別為100%和99.2%[23]。我們也研究對比了90例正常角膜和90例圓錐角膜，并按照Amsler-Krumeich分級法分為輕度、中度和重度圓錐角膜，ROC曲線分析顯示DA對于圓錐角膜的診斷效率最高(曲線下面積0.865、敏感度84.5%、特異度75.6%、截斷點1.14 mm)，并且隨著圓錐角膜嚴(yán)重程度的升級其診斷效率逐漸提高。

Corvis ST還被用來評價角膜膠原交聯(lián)的有效性。一項FDA支持的試驗結(jié)果顯示，角膜交聯(lián)術(shù)后Corvis ST測量的HC-radius明顯變大，這與預(yù)期交聯(lián)后角膜硬度增加的效果一致[23]。隨著進(jìn)一步深入的研究，Corvis ST的臨床應(yīng)用范圍必將不斷擴展，如在角膜屈光手術(shù)術(shù)前篩查、青光眼排查等方面都將起到重要作用。

綜上所述，Corvis ST不僅可以獲得重要的生物力學(xué)參數(shù)，還可以觀察角膜形變過程，所得主要參數(shù)大部分具有較好的重復(fù)性，并且IOP和CCT的測量與其他測量方法一致性較好，已有報道其在臨床眼壓測量、圓錐角膜診斷和角膜交聯(lián)術(shù)效果評估中起到明確的作用，隨著研究的深入，Corvis ST的臨床應(yīng)用范圍必將不斷擴展。

1 Kwon TH， Ghaboussi J， Pecknold DA， et al. Role of corneal biomechanical properties in applanation tonometry measurements［J］.J Refract Surg， 2010， 26（7）： 512-519.

2 Scheler A， Spoerl E， Boehm AG. Effect of diabetes mellitus on corneal biomechanics and measurement of intraocular pressure［J］.Acta Ophthalmol， 2012， 90（6）：e447-e451.

3 Kaushik S， Pandav SS， Banger A， et al. Relationship between corneal biomechanical properties， central corneal thickness， and intraocular pressure across the spectrum of glaucoma［J］. Am J Ophthalmol，2012， 153（5）： 840-849.e2.

4 Prata TS， Lima VC， Guedes LM， et al. Association between corneal biomechanical properties and optic nerve head morphology in newly diagnosed glaucoma patients［J］. Clin Experiment Ophthalmol，2012， 40（7）： 682-688.

5 Kling S， Marcos S. Effect of hydration state and storage media on corneal biomechanical response from in vitro inflation tests［J］. J Refract Surg， 2013， 29（7）： 490-497.

6 Hjortdal JO， Jensen PK. In vitro measurement of corneal strain，thickness， and curvature using digital image processing［J］. Acta Ophthalmol Scand， 1995， 73（1）： 5-11.

7 Yang YF， Zhang J， Wang XH， et al. Simulation of corneal tissue mechanical deformation due to laser thermokeratoplasty： a finite element methods study［J］. Australas Phys Eng Sci Med， 2009， 32（4）： 220-225.

8 Luce DA. Determining in vivo biomechanical properties of the cornea with an ocular response analyzer［J］. J Cataract Refract Surg，2005， 31（1）： 156-162.

9 Mcmonnies CW. Assessing corneal hysteresis using the Ocular Response Analyzer［J］. Optom Vis Sci， 2012， 89（3）： E343-E349.

10 Liu J， He X， Pan X， et al. Ultrasonic model and system for measurement of corneal biomechanical properties and validation on phantoms［J］. J Biomech， 2007， 40（5）： 1177-1182.

11 Tanter M， Touboul D， Gennisson JL， et al. High-resolution quantitative imaging of cornea elasticity using supersonic shear imaging［J］. IEEE Trans Med Imaging， 2009， 28（12）： 1881-1893.

12 Scarcelli G， Pineda R， Yun SH. Brillouin optical microscopy for corneal biomechanics［J］. Invest Ophthalmol Vis Sci， 2012， 53（1）：185-190.

13 Dorronsoro C， Pascual D， Pérez-Merino P， et al. Dynamic OCT measurement of corneal deformation by an air puff in normal and cross-linked corneas［J］. Biomed Opt Express， 2012， 3（3）：473-487.

14 Ambr ósio R， Ramos I， Luz A， et al. Dynamic ultra high speed Scheimpflug imaging for assessing corneal biomechanical properties［J］. Brazilian Journal of Ophthalmology， 2013， 72（2）： 99-102.

15 Hon Y， Lam AK. Corneal deformation measurement using Scheimpflug noncontact tonometry［J］. Optom Vis Sci， 2013， 90（1）：e1-e8.

16 Nemeth G， Hassan Z， Csutak A， et al. Repeatability of ocular biomechanical data measurements with a Scheimpflug-based noncontact device on normal corneas［J］. J Refract Surg， 2013， 29（8）： 558-563.

17 Hong J， Xu J， Wei A， et al. A new tonometer--the Corvis ST tonometer： clinical comparison with noncontact and Goldmann applanation tonometers［J］. Invest Ophthalmol Vis Sci， 2013， 54（1）： 659-665.

18 Reznicek L， Muth D， Kampik A， et al. Evaluation of a novel Scheimpflug-based non-contact tonometer in healthy subjects and patients with ocular hypertension and glaucoma［J］. Br J Ophthalmol， 2013， 97（11）： 1410-1414.

19 Leung CK， Ye C， Weinreb RN. An ultra-high-speed Scheimpflug camera for evaluation of corneal deformation response and its impact on IOP measurement［J］. Invest Ophthalmol Vis Sci， 2013， 54（4）：2885-2892.

20 U?akhan ??， Cetinkor V， ?zkan M， et al. Evaluation of Scheimpflug imaging parameters in subclinical keratoconus， keratoconus， and normal eyes［J］. J Cataract Refract Surg， 2011， 37（6）：1116-1124.

21 Konstantopoulos A， Hossain P， Anderson DF. Recent advances in ophthalmic anterior segment imaging： a new era for ophthalmic diagnosis?［J］. Br J Ophthalmol， 2007， 91（4）： 551-557.

22 Ambrósio R， Caldas D， Ramos I， et al. Corneal Biomechanical Assessment Using Dynamic Ultra High-Speed Scheimpflug Technology Non-contact Tonometry （UHS-ST NCT）： Preliminary Results［J/OL］. http：//www.optomes.com.tr/TR/dosya/1-604/h/corvisstascrs2011final.pdf

23 Ambrósio R， Valbon BF， Faria-Correia F， et al. Scheimpflug imaging for laser refractive surgery［J］. Curr Opin Ophthalmol，2013， 24（4）： 310-320.

Advances in corneal biomechanical properties of corneal visualization scheimp fl ug technology assessment

TIAN Lei, HUANG Yi-fei
Department of Ophthalmology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China
Corresponding author: HUANG Yi-fei. Email: huangyf301@gmail.com

Corneal visualization scheimp fl ug technology (Corvis ST) is a new device that combines Scheimp fl ug high-speed camera with air-jet indentation system to measure the corneal biomechanics. Corvis ST can monitor the whole process of real-time dynamic corneal deformation, and record the deformation parameters to analyze the corneal biomechanical properties. Measurement principle and operation method, the reliability of parameters and clinical applications of Corvis ST are reviewed in this study.

corneal biomechanics; corneal visualization scheimp fl ug technology; intraocular pressure; keratoconus

R 77

A

2095-5227(2014)05-0502-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.05.029

時間：2014-02-25 11:11

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140225.1111.001.html

2014-01-08

國家自然科學(xué)基金項目(81271052)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81271052)

田磊，男，在讀博士。研究方向：角膜生物力學(xué)。Email: tianlei0131@163.com

黃一飛，男，博士，主任醫(yī)師，教授。Email: huangyf301@gmail.com