角膜生物力学检测方法介绍

Corneal biomechanics testing methods

力学问题贯穿于生物体的整个生命过程,对生物体中的力学问题进行定量分析,产生了生物学和物理学的交叉学科——生物力学;其研究重点是生理学、医学有关的力学问题.随着医疗检查诊断技术的发展,人们逐渐认识到眼生物力学性能的重要性.角膜生物力学性能测量在角膜疾病诊断、角膜屈光手术效果预测及眼内压测量等方面都具有非常重要的意义.角膜组织主要由致密交错的胶原纤维束和细胞外基质组成,其生物力学特征颇为复杂,表现为非线弹性、各向异性、黏弹性、区域差异性和年龄相关性等特征.生物力学性能测量的关键是找寻描述生物组织力学特性的本构方程,方程内包含的参量为本构参量,包括应力、应变和弹性模量等.根据测量时生物材料初始状态的差异,角膜生物力学性能参数的测量方法可分为离体和在体测量2种.虽然在体测量具有更为广阔的临床应用前景,然而当前在体测量技术并不成熟.临床常用仪器ORA和Corvis无法提供本构参量,尚不能作为眼生物学性能测量的标准实验手段.笔者就目前国际上常见几种离体测量技术的原理及发展做了详细介绍,以方便相关研究者更好地进行选择,这其中包括：轴向拉伸试验、基于薄壳理论的简单离体角膜膨胀试验、基于逆向建模技术的离体角膜膨胀试验和同样基于逆向建模技术的离体全眼球膨胀试验.将切成条状的角膜试件固定于材料试验机进行单向或双向拉伸,获取本构参量,是为轴向拉伸试验.最早用于角膜生物力学性能的测量,此方法设备简单,容易操作,但对角膜的生理结构破坏较大,测量值存在不小的误差.基于薄壳理论的简单离体角膜膨胀试验：将完整分离的角膜试件固定于填充有液体的前房模拟装置,模拟眼内压对角膜后表面施压并实时记录角膜形变;根据薄壳理论推导公式计算得到角膜组织的本构关系方程.离体角膜膨胀试验保持了角膜组织结构的完整性和提供更接近于角膜生理状态的施力方式,但仍存在破坏角巩膜连续解剖结构、机械固定方式导致应力集中等缺点.因薄壳理论的球形角膜结构和均质性生物力学性能假设限制了膨胀试验结果的精确性,通过构建具有个性化几何特征的角膜有限元生物力学模型,模拟角膜在眼内压力作用下的形变过程,将膨胀试验测量所得眼内压和角膜形变关系曲线作为目标曲线,不断调整本构方程系数使得模拟的角膜形变曲线和目标曲线逐渐逼近,反复迭代运算得到角膜组织本构参量的最优化结果,称为基于逆向建模技术的离体角膜嘭胀试验,具有较好的试验测量精度和可重复性.离体全眼球膨胀试验延续了角巩膜完整的曲面形状和采取接近眼球生理的施力方式,是相对最接近角膜生理状态的测量方法,但该试验也存在设备制作复杂、操作繁琐等缺点.如能在试验过程中提供接近生理状态的眼球支撑方式,解决角巩膜随眼内压力变化过程形变数据的准确提取等技术难题,有望实现对角巩膜组织区域差异性、各向异性及黏弹性等生物力学特征的一体化定量测量分析,具有非常广阔的应用前景.

This study assesses the various methods of ex-vivo material testing for corneal biomechanical properties. Strip-extensometry, corneal inflation and eye globe inflation tests are compared by their experimental methods and results. The range of experimental techniques used to determine the biomechanics of the cornea exhibit individual benefits and complications. Strip-extensometry is the simplest and least costly test, however it is also the least representative of in-vivo conditions; eye globe inflation is the most representative of in-vivo conditions, while being the most costly and complex; and corneal button inflation testing provides representation and complexity somewhere between.