可视化角膜生物力学分析仪评估角膜生物力学特性的研究进展

田 磊，黄一飞

解放军总医院 眼科，北京 100853

可视化角膜生物力学分析仪评估角膜生物力学特性的研究进展

田 磊，黄一飞

解放军总医院 眼科，北京 100853

可视化角膜生物力学分析仪(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)是一种联合Scheimpflug高速摄像和气冲印压技术测量角膜生物力学的新设备。该设备能够实时动态记录角膜受压形变的整个过程，记录形变过程参数分析角膜生物力学特性。本文就Corvis ST测量原理、操作方法、测量参数的可靠性和临床应用情况做一综述。

角膜生物力学；可视化角膜生物力学分析仪；眼内压；圆锥角膜

角膜组织是生物黏弹性材料，其生物力学性质对角膜形状和透明度的维持、屈光手术的设计、人工角膜的研发等有重要作用；对角膜疾病如圆锥角膜、角膜变性、角膜外伤修复等的诊断与治疗有重要参考价值。此外，角膜生物力学特性还会影响眼内压的测量结果，并且是青光眼视神经疾病的独立危险因素[1-4]。目前，角膜生物力学特性评价多局限于体外研究以及对角膜的有限元模型分析[5-7]。这些方法很难直接应用于临床疾病的诊断和治疗过程，因此建立活体角膜生物力学测量方法成为目前研究的热点。眼反应分析仪(ocular response analyzer，ORA)是第一个临床应用评估活体角膜生物力学特性的设备，其采用动态双向压平原理，在测量眼压的同时评价角膜的黏滞性和抵抗因子[8]。但有学者认为ORA尚未建立测量参数与经典生物力学参数之间的关系，无法直接展示角膜生物力学特性[9]。此外，其他一些非侵袭性活体角膜生物力学测量方法也有相关报道，包括剪切波传播测量法，布里渊光学显微镜法，相干光断层扫描法等，但上述方法均处于实验室研究阶段，还没有商用设备应用于临床[10-13]。近期，一种新型的联合Scheimpflug高速摄像和气冲印压技术测量角膜生物力学的设备-可视化角膜生物力学分析仪(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST)应用于临床。该设备能够实时动态记录角膜受压形变的整个过程，并记录形变过程参数分析角膜生物力学特性。本文就Corvis ST测量原理、操作方法、测量参数的可靠性和临床应用情况做一综述。

1 测量原理

Corvis ST(软件版本1.00r30)采用气冲印压技术引起角膜压陷形变，同时Scheimpflug高速相机动态记录角膜中央水平截面的形变全过程，经系统软件分析后慢动作显示在控制面板上，同时角膜形变幅度图、角膜压平长度图和角膜形变速率图也被记录下来。Corvis ST配备的Scheimpflug高速相机最高采集速率为4 330张图像/s，采集范围为8.5 mm直径，图像分辨率为640×480像素。Corvis ST在大约30 ms的采集时间内，记录了140张角膜形变过程的断层图像，每张图像有576个测量点，通过图形软件分析找出角膜上下轮廓边缘，并分别以红色和绿色示踪线标记，通过测量不同时间两示踪线的位置信息记录角膜形变过程参数，进而分析角膜生物力学特性。Corvis ST测量时发出的脉冲气流为一束精确计算的机械压缩空气，其空气脉冲呈中心轴对称形态发出，设备空气压缩管道内的最大泵压稳定在25 kPa，以确保每次发从的空气脉冲压力相同。Corvis ST测量过程开始，角膜在气流作用下向内凹陷运动，此过程中角膜会达到一个压平状态(即第一压平状态)，之后角膜继续向内凹陷形变达到最大压陷深度(即最大压陷状态)，此时会有一个短暂的振荡周期。由于气流作用的减弱至消失和眼内压及角膜黏弹性的性质，角膜开始返回到初始状态，这个过程中角膜再次经历一次压平状态(即第二压平状态)，之后角膜恢复到初始状态，角膜形变过程结束。由于气流的动态性和角膜自身的生物力学特性(如弹性、黏滞性等)，使得两次压平状态不一致[14]。

2 测量过程及记录参数

本检查无需表面麻醉，不接触角膜。在计算机中输入患者信息，让被检者将下颌置于设备的下颌垫上，前额靠在前额托上，被检者眨眼数次后睁大双眼，注视中央固视红点。设备正面监视摄像头上安装有角膜曲率计投影系统能够聚焦和对准角膜顶点，检查者使用自动模式控制操纵杆按屏幕提示进行瞄准和对焦，当达到第一个浦氏反射时，自动发射空气脉冲印压角膜形变，测量过程开始。一些表面欠规整或者透光度差的角膜，自动对焦困难，可选择通过按操纵杆中央部测量按钮手动测量。

Corvis ST记录下角膜形变的动态全过程，获得反应角膜生物力学特性的相关形变参数，包括：第一/第二压平时间(the first/second applanation time，A-time1/A-time2)， 即 角膜从初始状态至第一/第二压平状态的时间；第一/第二压平长度(the first/second applanation length，A-length1/A-length2)，即角膜从初始状态至第一/第二压平状态时角膜水平截面压平长度；第一/第二压平速率(corneal velocity during the first/second applanation moment，Vin/Vout)，即第一/第二压平状态时角膜顶点的瞬时速率；最大压陷时间(time from the start until the highest concavity，HC-time)，即角膜从初始状态至最大压陷状态的时间；最大压陷曲率半径(central curvature radius at highest concavity，HC-radius)，即达到最大压陷状态时角膜反向曲率半径；最大压陷屈膝峰间距(distance of the two surrounding “knee's” at highest concavity，PD)，即最大压陷状态时角膜两个屈膝峰之间的距离；最大形变幅度(deformation amplitude，DA)，即角膜从初始状态达最大压陷状态时角膜顶点间垂直距离。Corvis ST还根据角膜形变过程及第一压平状态计算了眼内压(intraocular pressure，IOP)；根据初始状态中央水平截面图测量了该截面角膜中央点的厚度(central corneal thickness，CCT)。

3 参数可靠性

新设备应用于临床，需要评估参数测量的重复性和一致性，这样才能了解设备应用的可靠性。Hon和Lam[15]应用Corvis ST测量37名正常角膜志愿者发现，测量参数中重复性最好的是CCT(ICC：0.96)，其次是DA、A-time1和IOP(ICC：0.80、0.77和0.75)，其余参数重复性较差。由于软件版本限制，Hon等的研究未测量参数PD和HC-radius。Nemeth等[16]也有相似的结论，重复性最好的是CCT，其次分别是IOP、A-time1和DA，其余参数ICC均＜0.6，并发现PD和HC-radius的ICC分别为0.216和0.56。分析部分参数重复性较弱的原因可能为，角膜黏弹性和各向异性使角膜每次受压形变情况不尽相同；设备的部分参数获取对外界条件敏感性高，较难精确计算从而出现误差。

Hong等[17]应用Corvis ST、非接触眼压计(nonconnect tonometer，NCT)和Goldmann眼 压 计(goldmann applanation tonometer，GAT)测量23例正常志愿者和36例青光眼患者的IOP，发现Corvis ST与另外两种测量方法测量IOP的一致性好。Reznicek等[18]在IOP测量一致性方面报道了相似的结论，并且对比了Corvis ST和超声测量的CCT，发现两组相关性明显，测量一致性好。

4 临床应用

Corvis ST作为一种新型非接触眼压计，于2012年11月通过美国食品药品监督管理局(food and drug administration，FDA)认证，我国于2013年应用于临床研究。由于设备尚未广泛应用，所以临床数据有限，相关研究报道主要集中于设备测量参数的重复性和一致性。近期有报道介绍，Corvis ST临床应用于测量眼压；诊断圆锥角膜和评估角膜交联术效果。

Corvis ST是唯一能够观察到角膜受气冲印压形变全过程的眼压计，其测量的眼压值接近真实眼压值。有研究发现Corvis ST和GAT测量的IOP相关性好，组间差异无统计学意义，但Corvis ST测量的IOP比GAT和NCT测得IOP偏低[17]，而Reznicek等[18]的研究发现Corvis ST比GAT测得IOP偏高。分析原因可能为两个研究中检测样本量数量不同或者所检测人种不同引起的系统误差导致；组间角膜厚度不同引起的测量误差。所以在排查青光眼的临床应用中，还应综合不同设备的眼压测量结果综合考虑。Leung等[19]研究发现角膜生物力学参数DA对GAT测量精度的影响比CCT贡献更大，所以角膜生物力学特性有可能矫正眼压测量中受到的CCT和生物力学特性等相关干扰因素引起的测量误差，这需要更进一步深入研究。

圆锥角膜是一种局部角膜扩张性疾病，临床上对于亚临床和初期圆锥角膜的诊断还是一个难题[20]。目前，诊断圆锥角膜的辅助方法主要是角膜地形图和角膜断层摄影术，但是这两种方法均容易受到泪膜、眼表疾病及角膜接触镜佩戴的影响，对于早期圆锥角膜的诊断具有一定的局限性，而角膜生物力学特性改变可能在典型角膜形态学改变之前发生[21]。Ambrósio等[22]对比圆锥角膜和正常角膜后，发现两组间大多数Corvis ST生物力学参数差异存在显著统计学意义，但各参数组间仍存在比较高的重叠区间，这限制了生物力学参数在临床诊断中的应用。但是Ambrósio等通过统计学方法得到新参数Corvis Combol1，其ROC曲线分析发现该参数能够更好地区分圆锥角膜与正常角膜。在一项涉及119例正常角膜和19例顿挫圆锥角膜的研究中，Corvis ST和Pentacam参数联合应用诊断圆锥角膜，ROC曲线下面积达到0.999，诊断敏感度和特异度分别为100%和99.2%[23]。我们也研究对比了90例正常角膜和90例圆锥角膜，并按照Amsler-Krumeich分级法分为轻度、中度和重度圆锥角膜，ROC曲线分析显示DA对于圆锥角膜的诊断效率最高(曲线下面积0.865、敏感度84.5%、特异度75.6%、截断点1.14 mm)，并且随着圆锥角膜严重程度的升级其诊断效率逐渐提高。

Corvis ST还被用来评价角膜胶原交联的有效性。一项FDA支持的试验结果显示，角膜交联术后Corvis ST测量的HC-radius明显变大，这与预期交联后角膜硬度增加的效果一致[23]。随着进一步深入的研究，Corvis ST的临床应用范围必将不断扩展，如在角膜屈光手术术前筛查、青光眼排查等方面都将起到重要作用。

综上所述，Corvis ST不仅可以获得重要的生物力学参数，还可以观察角膜形变过程，所得主要参数大部分具有较好的重复性，并且IOP和CCT的测量与其他测量方法一致性较好，已有报道其在临床眼压测量、圆锥角膜诊断和角膜交联术效果评估中起到明确的作用，随着研究的深入，Corvis ST的临床应用范围必将不断扩展。

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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

时间：2014-02-25 11:11

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

2014-01-08

国家自然科学基金项目(81271052)

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

田磊，男，在读博士。研究方向：角膜生物力学。Email: tianlei0131@163.com

黄一飞，男，博士，主任医师，教授。Email: huangyf301@gmail.com