眼球力学及临床应用研究课件

眼球力学及临床应用研究 陈 维 毅 太原理工大学 应用力学与生物医学工程研究所 E-mail: 1、眼球的构造 2、角膜屈光手术 3、巩膜的力学特性与后巩膜加固术 4、眼球的运动模型及其应用 提 纲 1. 眼球的构造 眼球的组织结构 眼球在眼眶中的位置 2、角膜屈光手术 角膜的结构 角膜分为5层： 上皮细胞层 前弹力层（Bowman膜） 基质层 后弹力层（Descemet膜）,厚约 10-12m，由极其微细的胶原微 丝构成 内皮细胞层，由一单层细胞构 成 人角膜结构 角膜的力学特性 角膜的应力-应变关系是 非线性的 (Woo,1972) 作为对角膜替代材料的 研究，猪角膜有于人角膜 相近的应力应变关系，但 应力松弛存在较大差异（ 杨坚，2001）。 角膜的应力应变曲线(Woo,1972) 刘志成等(2003)设计了一 套测量离体虹膜及角膜的装置 用面应变来表征变形： 实验结果可用下式拟合： 式中，0，C为常数，P为 试样所受的内外压力差。 角膜、虹膜测试装置图 眼球整体变形测试系统 Instron实验机（Mode 5544） 摄像引伸仪 (No. Sx2663-305) 眼球整体变形与眼内压的关系 实验动物 整体眼变形加卸载曲线 近视眼 近视眼是目前全球发生率最 高的、范围最广的、严重的公共 卫生问题，我国近视眼发病率超 过30%。WTO已将近视眼的防 治列入全球防盲计划。 角膜屈光能力占全眼的70% ，通过改变角膜的厚度来改变眼 球的屈光度是很有效的。 示意图 放射状角膜切开术 发展于上世纪80年代 在角膜前极的3-4mm的 “视区”的周围切一组(4-16 条)径向刀口，改变角膜的 有效弹性，使角膜的前极 变得较平（曲率半径增大 ），调节其折光能力。 经典弹性理论中的无矩理论 手术切开越深效果越好，实际上，手术切开深度 可达角膜厚度的90-95% (Werner,1986)； 眼内压波动大的患者来说，施行角膜切除术后， 带来视力剧烈波动的危险增大了。 缺陷，没有将刚度函数B（）与手术切口数及 深度直接联系起来 。 壳上一点的切向位移v和径向(法向)位移w 数值分析方法 Pinsky等(1990)、王家权等（1999）利用线弹性球壳模 型（王家权等，取E=1.8Mpa，=0.49） 切开的深度与刀口数对手术的效果有最重要的影响。 角膜的屈光度随切口深度的变化 屈光度眼内压曲线（Pinsky，1990) 准分子激光角膜屈光术 准分子激光角膜切削术 Photorefractive Keratectomy ，PRK 准分子激光原位角膜磨镶术 laser in situ keratomileusis, LASIK 目前开展最为广泛且临床疗效明确的治疗 近视的两类角膜屈光手术。我国每年有近百 万人接受该手术治疗。 Lasik手术图示 Lasik手术 准分子激光原理 准分子激光是一种脉冲光，波长范围为157 353nm。 光化反应 组织受到远紫外光作用时，会断裂分子之间结合键，将组织直接分 离成挥发性的碎片而消散，对周围的组织则没有影响。 精确、对周围组织无损害、对眼内部组织无损害 每一发激光可以切削0.2-0.25m厚度的生物组织。由于激光的整个 脉冲只有1020s，因此其热扩散效应非常小，周围仅有0.3-0.8m的组织 会受到伤害；电磁波对于角膜的穿透力随着波长的缩短而减少。在400nm 波长以下，穿透力减至零。 动物术后角膜超微结构检查。 问题：继发性圆锥角膜 1998 年Seiler等首次报道了LASIK 术后产生继发性圆锥角膜, 此后，不断 有病例报告, Pallikaris（2001） 等报道 发生率为0.66 %。(陈跃国 ，2002) 继发性圆锥角膜是严重的角膜并发 症，会对术后视力造成破坏性的影响 ，部分病例不得不进行穿透性角膜移 植术。 病因目前看法不一, 多数认为是生物力学 变化的结果(Seitz, 2001, Piccoli , 2003,Wang,2003) 。 Comaish（2002)认为角膜基质的改变与继 发性圆锥角膜的发病有着密切的关系。 圆锥角膜的主要病理改变为角膜基质变薄，角膜前凸，这可能 与胶原数量减少以及胶原纤维异常分布和排列有关。角膜受损后出现的 炎性反应,能引起角膜基质的分解酶活性增加,导致角膜融解、变薄、从 而导致继发性圆锥角膜。 Haydee（2005）, Smith（2006）等认为MMPs在 角膜的多种生理及病理反应中发挥作用 如在角膜伤口愈合过程中可见角膜上皮细胞、基质细胞及中性粒 细胞分泌多种MMPs以促进基底膜重塑、创面收缩及纤维修复组织沉积 ，当MMPs表达不当则可导致瘢痕的形成。 如果LASIK术后MMPs表达异常就会使胶原的降 解发生改变，使角膜的力学性能降低，可能诱发继 发性圆锥角膜的发生 (Dupps, 2005) 。 此外，术后角膜层变薄，所受的应力明显增大。这种力 学环境的改变对Lasik术后圆锥角膜病变的发展是一个不可 忽视的因素。 LASIK手术研究初步 对44只实验动物（兔）分四组，每一个手术组接受一种 切削量的角膜切削术实验。术后6个月，用明胶酶谱分析法 检查术后各组角膜之间明胶酶含量的变化、及生物力学测试 分析。 角膜松弛实验过程图 术后各组角膜的明胶酶含量 及弹性模型比较 王爱玉，陈维毅，贺瑞，王晓君，刘春生，兔眼LASIK术后角膜生物力学特 性的实验研究，生物医学工程学杂志（In Press） 用粘弹性材料模型，根据实验得到的数据 处理导入，对眼球的变形进行模拟分析。 D 角膜顶点相对角膜边缘处的位移随眼内压的变化 3、巩膜的力学特性与后巩膜加固术 问题的提出: （1）高度近视眼对引起视网膜病变 高度近视又称病理性近视或变性近视，是常见的致盲性 眼病之一，可以出现多种病理改变，甚至发生视网膜脱离 ，对视功能损害严重。 (Rada et al2006) 单纯性近视眼成像图 进行性近视眼成像图 （2）我国高度近视的患病率高 据调查，我国的近视群体发病率达30，高度近视的患病 率为0.722，有的地区高达6.98，但高度近视眼的发病机 制目前尚不完全清楚。 （3）巩膜的在维持眼球形状方面起着关键作用 眼轴延长和后巩膜葡萄肿是高度近视的基础病变之一，巩 膜壁的力学特点和自身的缺陷是重要因素之一。 眼球壁外层（前面1/6为角膜，其余5/6为白色不透明的巩 膜）、中层（虹膜、睫状体与脉络膜）、内层（视网膜）切线 模量依次一个比一个高出一个数量级,即 (Graebel，1977) 正常人巩膜壁的不同部位其应力应变曲 线是不同的，在同样的压力下，眼球后部的 巩膜发生变形的程度最大，赤道部巩膜次之 ，眼前部巩膜最小（ Curtin，1969）。 从八十年代中期开始，国外利用生物力学 的研究方法，来研究巩膜壁的生物力学特征 。 Prett（1987）提出球壁模型： S=(Pi-Po)r/2h。 后巩膜加固术机理研究 后巩膜加固术是治疗后巩膜葡萄肿的方法之一，也是目前治疗进 行性近视眼并防止其致盲的唯一方法 (Wollensak et al，2005) 这种手术已有几十年的历史，但是关于该术式的 疗效则是众说纷纭，甚至有些是相互矛盾。造成 这种现象的主要原因是 ： 该手术有三种不同的方法，即四直肌间加固 法、后巩膜兜带法和鼻侧加固法； 用于后巩膜加固的材料各不相同，目前已知的 材料就有七，八种； 不同的作者所选择的病例的不同。 存在的问题 巩膜生物力学特性测试分析 方法: Instron5544, 环境箱, 37 Ringers 液 环境箱 试验装置 试件 预循环实验 眼内压为10 30mmHg（兔的正常 眼内压为10-21mmHg ），对应的巩膜试件 上的拉力0.023N- 0.07N，在这一范围内 ，实验测得正常兔眼 巩膜弹性模型约为 2.2MPa。 巩膜的力学特性 巩膜拉伸试验曲线 (王晓君等，2004) 不同组织材料的蠕变曲线与弹性模型比较 加固术后巩膜的力学特性与胶原含量测定 加固材料： 95% 酒精保存的人眼巩膜。 动物实验： 成年新西兰白色家兔50只，随机分5组，每组10只，每只兔 子随机选择一眼作为手术眼，行单条兜带式后巩膜加固术，另 一眼作为对照眼，只进行与手术眼相同的操作，不放置加固条 带。分别于术后1月、2月、3月、6月、9月将动物处死，摘除 双眼球，置于保存液中放入液氮中深低温保存。 力学特性测试试件： 从眼球的巩膜壳上将手术眼巩膜沿加固条带剪成宽 3.5mm，长约20mm的试件，对照眼试件也以同样方法取 得。 胶原含量测定： 选用Hyp含量测定作为胶原测量的指标。 羟脯氨酸测定原理：先把含有羟脯氨酸的多肽（或蛋白质）用蛋 白水解酶初步水解为小分子肽链，再用盐酸进一步水解成游离的氨基 酸，其中游离的羟脯氨酸被氧化成吡咯，与对二甲氨基苯甲醛在一定 温度下反应，生成一种红色化合物，在562nm处有最大吸收。 可用摄像引伸计的夹持方法 生理盐水中巩膜的固定 加固术后1个月眼球与对照组眼球的表观 术后1个月手术眼 术后1个月对照眼 加固术后2个月眼球与对照组眼球的表观 术后2个月手术眼 术后2个月对照眼 加固术后9个月眼球与对照组眼球的表观 术后9个月手术眼 术后9个月对照眼 术后各月加固条带区巩膜Hyp含量及模量的比较 术术后 月份 手术术眼巩膜弹弹性模量 (Mpa) n=7 手术术Hyp含量 (g/mg) n=10 对对照Hyp含量 (g/mg) n=10 P value 10.1935.780.426.960.640.05* 20.4176.490.307.440.460.05* 30.2846.100.468.470.680.05* 60.1356.010.897.630.610.05* 90.4036.720.357.030.590.05* 术后各月加固条带区巩膜Hyp含量及模量的比较 关于Hyp含量变化的讨 论 术后免疫排斥反应造成对异体巩膜胶原的破坏： 通过病理切片及透射电镜发现，术后前6月移植物胶原纤维 发生不同程度变性、崩解及断裂，巨噬细胞吞噬变性的胶原纤 维，移植物受到一定程度破坏。随免疫耐受性的产生，机体对 异体胶原的破坏逐渐减轻，至术后9月，手术眼、对照眼Hyp含 量基本相等。 试验采用95%酒精保存的人眼巩膜作为移植物，组织细胞多被破坏而死 亡，仅留有细胞间质成分中的胶原纤维作为支架，相应的位于细胞表面的抗 原含量低，免疫原性弱，其诱发的免疫应答强度较小，故虽用作异种异体移 植物，术后并未引起移植物脱落、排出等强烈排斥反应。但它作为“异己”成 分植入受体巩膜，必然会导致机体产生防御性应答反应，表现为术后1月自体 巩膜血管内的淋巴细胞溢出，术后2月异体巩膜内大量淋巴细胞浸润，胶原纤 维崩解断裂，排斥反应开始。 炎性细胞浸润 术后1个月，炎性细胞浸润到 移植体，可见成纤维细胞、淋 巴细胞 , 嗜伊红粒细胞. LM 100 术后2个月，更多的炎性细胞 浸润到移植体，使其内部的胶 原纤维被破坏. LM 400 高度近视眼巩膜成纤维细胞粘弹性研究 方法： 取2周龄豚鼠10只，制备镜片诱导型近视眼 （LIM）动物模型，对侧眼为自身对照眼，再 随机选取10只正常2周龄豚鼠作为正常对照眼。 将各组豚鼠后极部巩膜成纤维细胞作体外培 养，并传1代，行光镜观察与免疫细胞化学染色 法进行细胞鉴定，采用微管吸吮技术表征巩膜 成纤维细胞的黏弹性特性。 近视眼模型 将上述豚鼠于室内标准化喂养，45天 后摘除实验组豚鼠镜片，豚鼠实验眼形成 了明显的近视，诱导了约（-8.950.60）D 的相对近视，眼轴相对延长了（0.600.12 ，原长7.30）mm，实验前后差异有显著性 （P0.05）。 巩膜成纤维细胞的形态学观察 AB 原代培养的豚鼠巩膜成纤 维细胞从组织块周围爬出 生长（25） HE染色结果：传1代豚鼠 巩膜成纤维细胞汇合期排 列成簇状或漩涡状细胞（ 40） 测试方法 标标准线线性固体黏弹弹性模型 微吸管测试吸入长度随时间的关系 NC组、SC组及LIM 组巩膜成纤维细胞在恒负压 350Pa下吸入长度随时间的关系 结论: 凹透镜诱导可以 引起明显轴性近 视（10%） 实验性近视组巩 膜成纤维细胞的 力学特性与对照 组有明显差异（ 陈维毅，王超英， 张全有等，2007) 3、眼球的运动模型及其应用 问题的提出: 眼睛是人体的重要感觉器管，而眼外肌疾病严 重影响了眼的视力与美观。在我国，仅儿童斜视 发病率就为1%。 眼外肌手术的手术量经常是根据临床医生自己 的经验或参照别人的经验来决定（申长礼，1993） 。 Kunz理论 =360/2 r 动眼肌肉系统眼外肌 上斜肌 下直肌 上直肌 外直肌 眼眶中左眼球的附视图及水平运动模型（ Cook, G. and Stark, L.，1967） 已有的眼球运动模型 眼球运动模型 眼球运动系统图 分析坐标系统 （陈维毅、杨桂通、吴文周，2000） 眼外肌的三线模型 眼外肌模型 骨骼肌的收缩机制（Gordon M. Sheoherd, Neurobiology, 1992） 骨骼肌