基于小动物超声影像系统的高眼压下在体兔眼虹膜形态变化研究*

张昆亚 钱秀清 刘志成*

青光眼是由高眼压、年龄及遗传等因素联合作用产生的以特征性视盘结构、视神经纤维结构及视功能缺损为共同特征的疾病[1]。高眼压是青光眼的重要病理特征，虹膜形态变化是某些青光眼类型的重要表现形式，如色素性青光眼虹膜向后凹陷[2-3]；闭角型青光眼虹膜会向前膨隆[4-5]。因此，研究高眼压过程下的虹膜形态变化有利于认识青光眼的病程发展。

虹膜变形的相关研究主要依赖于虹膜形态图像，目前的成像设备主要为眼前节图像主要通过超声生物显微镜(ultrasound biomicroscopy， UBM)和眼前节光学相干断层扫描仪(anterior segment optical coherence tomography，AS-OCT)。UBM是利用B型超声的成像原理，以高频超声作为探测能源，对眼组织进行扫描，形成完整的眼前节二维断面图像，其具有实时、分辨率高、定量等特点。AS-OCT是基于生物组织的不同光学散射性，将近红外低相干光照射到待测组织，依据光的相干性产生干涉从而实现对浅层生物组织进行横断面成像和定量分析的新技术。而小动物超声影像系统主要由高频探头和信号处理系统所构成，具有高分辨率(可达30 μm)，无创性，可实时连续进行小动物活体结构及功能观察、精确测量及细微构造分析的特点，影像的摄取、标示、储存、实时等符合小动物实验的要求。小动物超声影像设备Vevo 770在成像精度、稳定性等方面均具有优势，已被应用于高眼压下虹膜位移变化的相关研究[6-7]。因此，本研究拟建立急性高眼压动物模型，借助小动物超声系统Vevo 770拍摄眼前节图像，进而获得虹膜形态变化在眼压升高过程中的规律。

1 实验设计

临床高眼压下在体虹膜形态变化的研究中，只有出现瞳孔阻滞时，虹膜形态才能发生变化，即出现向前膨隆或向后凹陷。正常情况下，由于房水从后房流向前房，眼前后房存在较小的压力梯度，但这种梯度不足以使眼虹膜发生形态变化。预实验结果表明，通过对前房进行快速灌注，使眼内压升高，造成反向瞳孔阻滞，眼虹膜形态会发生变化。实验过程中，利用Vevo770型小动物超声影像系统记录眼前节的形态变化图像，同时记录眼内压数值和虹膜形态图像，通过数据处理，获得虹膜形态随眼内压的关系。

2 材料和方法

2.1 实验动物

选用8只成年新西兰白兔，体重为2.5～3.0 kg，普通级，雌雄不拘，无眼疾，由首都医科大学实验动物中心提供。实验过程中对动物的处置方法符合动物伦理学要求。

2.2 实验装置

实验装置主要包括前房灌注装置、眼内压记录装置和眼前节图像获取装置。前房灌注装置为Harvard PHD2000型微量注射泵(美国Harvard Apparatus公司)，对在体兔眼前房以100μl/min的速度进行快速灌注；眼内压记录装置由压力传感器、桥式放大器及采集软件(AD Instrument)构成，实时记录眼内压的变化。利用Vevo770型小动物超声影像系统(加拿大FUJIFILM VisualSonics公司)记录眼前节的形态变化图像(如图1所示)。

图1 实验装置示意图

2.3 实验步骤

称重8只新西兰白兔，采用浓度为20%的乌拉坦溶液以7.5 ml/kg的剂量经耳缘静脉进行麻醉后固定动物，利用盐酸丙美卡进行眼表局部麻醉。连接装置，将压力传感器调至零。取24 G的Y型静脉留置针(BD REF383405)于角巩膜缘以水平向上30°左右进针，针尖于虹膜上方进入前房，到达瞳孔中央上方时将针芯退出，待稳定后记录初始眼压数值。对眼涂耦合剂，调整超声探头至图像清晰，记录眼前节的初始形态。微量注射泵以100 μl/min流速注入生理盐水，眼压达到120 mmHg时停止。注水过程中，小动物超声影像系统实时记录眼前节形态图像，记录间隔为6 s。传感器实时记录8只新西兰白兔眼内压8个样本的变化。

2.4 虹膜形态特征指标的定义及获取

依据文献，选取虹膜前凸量、晶体-虹膜接触距离和前房深度作为特征指标进行研究(如图2所示)。

图2 前房形态特征指标的定义示图

选取虹膜上表面距离根部最近的特征点A作为虹膜远端，虹膜前凸量C至D表示为虹膜上表面到A至B的最大距离，该指标表征虹膜截面上轮廓的变化。晶体-虹膜接触距离表示晶体和虹膜的接触距离，图中用B至E表示，表征反向瞳孔阻滞程度。前房深度表示角膜下表面顶点到晶体最高点的距离，图中用G至H表示，表征实验过程中虹膜位置的变化。考虑到动物的个体差异及拍摄角度等因素的影响，前房深度采用相对量表示，即实验过程中前房深度的变化量与正常眼压下的前房深度比值的百分比。

3 结果

3.1 虹膜形态随眼内压的变化

实验过程中，晶体及虹膜内缘后移，前房深度增加，虹膜由初始的稍有弧度变成完全平直状，随着眼内压的升高，虹膜与晶体接触面积逐渐变大，与晶体的接触使虹膜在某点上出现反折。虹膜形态随眼内压的变化如图3所示。

3.2 虹膜形态特征指标随眼内压的变化

(1)当眼内压低于60 mmHg时，虹膜前凸量、晶体-虹膜接触距离及前房深度变化均随着眼内压的升高而增大，与眼内压近似呈线性关系。随着眼内压的继续升高，特征指标的变化缓慢，并逐渐趋于稳定(如图4所示)。

图3 虹膜形态随眼内压变化的超声图像序列图

图4 虹膜前凸量随眼内压的变化曲线图

(2)眼内压低于60 mmHg时，将虹膜形态特征指标与眼内压进行线性拟合，观察其斜率(k)值和拟合度(R2)情况。虹膜前突量、晶体-虹膜接触距离、前房深度对应的斜率K1、K2和K3分别为(-3.3±1.5)μm/mmHg、(11.4±6.6)μm/mmHg和(0.12±0.02)%/mmHg(见表1，如图5所示)。

图5 晶体-虹膜接触随眼内压的变化曲线图

(3)对比上述3组斜率发现，前房深度随眼内压变化对应的K3较稳定。当眼内压升高相同幅度时，前房深度变化最显著，晶体-虹膜接触距离次之，虹膜前突量变化最不敏感。在体兔眼眼前节形态及虹膜形态随着眼内压呈现一定的变化规律，眼内压低于60 mmHg时，将虹膜形态特征指标与眼内压进行线性拟合，其结果见表1。

虹膜前突量、晶体-虹膜接触距离、前房深度对应的斜率K1、K2和K3分别为(-3.30±1.50)μm/mmHg、(11.40±6.60)μm/mmHg和(0.12±0.02)%/mmHg(如图6所示)。

图6 前房深度随眼内压的变化曲线图

表1 虹膜形态特征指标与眼内压的线性拟合结果

表2 虹膜形态变化特征指标对应的稳定眼内压数值汇总

图4、图5和图6显示，随着眼内压的升高，虹膜形态特征指标变化缓慢，最终达到稳定。本研究对特征指标的稳定作如下定义：①眼内压达到某一数值后，后一时刻与当前时刻某特征指标的相对变化低于5%，虹膜形态变化指标被认为趋于稳定，对应的眼内压定义为稳定眼内压；②所有样本的前房深度均达到稳定；③样本2的虹膜前凸量未达到稳定；④样本2和5的晶体-虹膜接触距离未达到稳定；⑤当眼内压分别达到97.37 mmHg、87.04 mmHg和84.25 mmHg时，对应的虹膜前凸量、晶体-虹膜接触距离、前房深度分别稳定于-0.35 mm、0.90 mm和7.78%。故前房深度最先趋于稳定，虹膜前凸量最后稳定。各特征指标对应的稳定眼内压数值见表2。

4 讨论

关于虹膜形态变化，本研究基于眼前节图像，研究了高眼压下在体兔眼虹膜的形态变化，也有研究者对虹膜形态变化开展了系列的相关研究：①通过多项生物学参数量化了眼前房及虹膜的形态[8-11]；②比较了青光眼患者和正常人在眼前节形态结构上的差别，前房深度、前房面积、虹膜厚度、房角开放距离和晶体拱高等前房生物学参数被用来对多种类型青光眼进行区分[9，12]；③研究了闭角与虹膜的生物学参数之间的关系，结果表明，不同人种的虹膜插入房角位置存在差异[13-15]。暗室激发实验后青光眼患者的虹膜膨隆高度、虹膜面积和厚度的变化均大于正常人。瞳孔放大30 min后闭角型青光眼患者的虹膜体积有所增加[16]。闭角型青光眼患者的瞳孔收缩加速快于开角型青光眼患者，沿着虹膜径向方向的瞳孔加速分量偏低，垂直晶体前表面方向的分量提高[17]。对比了虹膜周边切除术前、术后的眼前节形态变化，并对手术效果进行评估[18]。可见，已有的研究主要针对临床，也只关注了虹膜形态变化的最终结果，对变化的过程并未涉及。而本研究基于小动物超声影像系统获取的眼前节图像，研究了眼压升高过程中在体兔眼虹膜形态的变化，获得了虹膜形态随眼内压的变化规律，为高眼压性青光眼的发病过程解释提供了实验基础。

关于实验结果，灌注初期眼内压低于30 mmHg时，前房和玻璃体间瞬时形成较大压强差，晶体向后移位。而虹膜由于受到括约肌、开大肌等的联合作用，其位置及形态变化不显著，与晶体未形成明显接触。随着眼内压的增加，虹膜内缘明显向后移位，晶体继续后移，二者接触逐渐明显，反向瞳孔阻滞形成。晶体位置后移减缓最终达到稳定，前房深度不再变化。

本研究中，样本2和样本7，在前房深度稳定前，晶体-虹膜接触较少，后续的快速灌注会使得虹膜迅速大面积接触晶体，二者接触瞬时达到最大，其他样本的晶体-虹膜接触则逐渐达到最大。随着晶体虹膜接触区域达到最大，虹膜出现局部塌陷或明显反折，此时，虹膜前凸量达到最大。三者的稳定点存在时间差异，前房深度最先稳定，晶体-虹膜接触次之，虹膜前凸量最后稳定，与表2结果一致。由于样本的个体差异，样本5的前房深度稳定对应的稳定眼内压为96.76 mmHg，至实验结束时虹膜前凸量和晶体-虹膜接触未达到稳定。当眼内压介于30～60 mmHg范围时，前房深度与眼内压基本呈线性关系。前房深度与眼内压的线性变化规律与文献[19]一致，但由于二者的灌注方法和压强范围不同，因此数据不具可比性。

本研究对正常动物在急性高眼压下虹膜形态随眼内压的变化为相关研究提供了方法，考虑到慢性高眼压更有助于认识青光眼的病程发展和虹膜特性的变化，因此后续研究将本研究方法应用于慢性高眼压动物模型造模的不同时间点，找到眼内压与虹膜力学表现之间的关系，从而丰富对青光眼的认识。

5 结语

本研究采用前房穿刺法对在体兔眼进行快速灌注，形成反向瞳孔阻滞，在体虹膜形态发生明显变化，借助小动物超声影像装置记录眼压升高过程中的眼前节形态图像，通过图像和数据处理，可得到虹膜形态随眼内压变化的规律。