圆锥角膜形成过程中的力学机制认识研究

Corneal optical function is closely related with corneal shape. The refractive surgery greatly enhanced the incidence of keratoconus. It is very imperative to exclude the subclinical keratoconus from the candidates of refractive surgery. However, the effective method of screening for subclinical keratoconus is scarce. Clinical studies suggested that corneal biomechanical properties may be an effective indicator for keratoconus. But clinical corneal biomechanical parameters, such as corneal hysteresis and corneal resistance factor, cannot explain the mechanics of the process of keratoconus. In this project, we intend to change corneal thickness, and infiltrate the cornea with drugs to change corneal stiffness and then exert the external force on cornea to study the corneal biomechanical properties. During half year, we measured the morphological indicators of cornea, and do in vitro inflation test and in vivo mechanical test regularly. We use data of corneal inflation test to obtain the in vitro corneal biomechanical properties. We dynamically simulate the in vivo mechanical test to obtain the in vivo corneal biomechanical properties. We compare these biomechanical properties to find the difference or relationship between the in vitro and vivo biomechanical properties. We combine the clinic biomechanical parameters, in vitro mechanical properties, and morphological indicators to indicate the mechanics of the process of keratoconus. The results of this project would be the theoretical basis for screening and early treatment of keratoconus.

角膜的光学功能与其形态紧密联系。屈光手术致使圆锥角膜发病率大为提升，将亚临床期圆锥角膜从屈光手术候选人中排除成为当务之急。但目前能够有效筛查亚临床期圆锥角膜的方法匮乏。临床研究提示，角膜生物力学特性可能是判别圆锥角膜的一个有效指标，但角膜滞后量和角膜阻力因子等临床生物力学参数尚不能解释圆锥角膜进程中的生物力学机制。本项目拟先对兔眼角膜进行切削，然后用药物浸润同时在体实施不同的外力干预，研究圆锥角膜形成过程中的力学机制。项目在半年的时间内定期对角膜分别进行厚度等形态指标测量、在体和离体力学测试；利用离体角膜力学测试结果，确定离体角膜力学特性；用有限元方法动力学模拟在体角膜力学测试过程，比对在体和离体角膜测试的差异并寻找其对应关系；联合不同阶段角膜临床生物力学参数、离体角膜力学特性与角膜形态指标揭示圆锥角膜形成的生物力学机制。本项目的研究结果可以为圆锥角膜的治疗和早期筛查提供前期理论基础。

角膜屈光手术后发生角膜扩张的可能性大大提升，角膜生物力学特性可能是判别圆锥角膜的重要因素，但对临床生物力学相关性参数（CCBP）的力学意义认识不够，以及圆锥角膜进程中的生物力学机制不明，限制了其作用的发挥。本项目探索建立了CCBP与角膜经典力学参数的关联；研究了角膜厚度、软硬改变和外力作用下角膜形态参数和力学参数的变化规律，探索了导致角膜扩张的影响因素。具体结果有：①提出了一种探索CCBP和经典力学参数关系的研究方案。方案以兔眼为研究对象，以月龄为参量，利用在体测试、离体力学测试和数值模拟计算，建立了角膜迟滞量CH和角膜阻力因子CRF与角膜经典力学参数的关联。结果显示，CH、CRF与月龄呈负相关；CRF与角膜高应力区弹性模量（E_high）、非线性区参数B呈正相关，与应力松弛极限呈负相关。有限元方法模拟ORA测试过程，建立了CH、CRF与角膜弹性模量E和粘弹性参数关系。②通过构建角膜厚度，软硬度改变的动物模型和搭建负压装置，探索了角膜厚度、软硬度，外力作用对角膜形态及力学特性的影响。结果显示，切削后的角膜的几何参数和CH、CRF在3个月内波动明显，6月时达到稳定。角膜低应力区弹性模量（E_low）和应力松弛极限随切削量的增加而增大，（E_low）随术后时间延长先增大后减小。蛋白酶作用后的角膜个体差异明显，2周内出现角膜扩张特征，3月后恢复至与对照眼无差异。蛋白酶作用可使角膜弹性模量减小。胶原交联作用后，角膜的弹性模量明显增加，角膜的应力松弛变慢。外力作用引起角膜轻微增厚及曲率变化；CH和CRF无明显规律性变化，未出现角膜扩张特征。综上，角膜厚度是导致角膜扩张的最重要因素，蛋白酶作用可使角膜弹性模量减小，短期出现角膜扩张。大切削量角膜也可以支撑正常的眼内压，但对于眼压过高或者眼球遇到突然撞击，薄的基质床厚度就成为一个风险因素。本研究的成果将有望用于评估人眼角膜在体力学特性，进而为圆锥角膜的早期筛查和屈光术后评估积累前期基础。