应用CorVis ST对圆锥角膜及亚临床期圆锥角膜生物力学特性的研究及判别标准分析

吴 元，李晓丽，杨松霖，晏晓明，李海丽△

(1. 北京大学第一医院眼科， 北京 100034； 2. 天津市眼科医院眼科， 天津 300020)

圆锥角膜是一种以角膜变薄，导致角膜扩张为特点的进展性非炎症性疾病[1]。圆锥角膜病因至今尚未完全明确，其中，角膜生物力学性能下降是目前公认的重要病因之一[2]。现有的圆锥角膜的诊断标准主要是结合临床症状体征和特征性的角膜地形图表现，对于矫正视力较好的不典型圆锥角膜，或者达不到角膜地形图诊断标准的角膜，通常难以确诊[3]，而多倾向于诊断为亚临床期圆锥角膜，或者可疑圆锥角膜[4]。

可视化角膜生物力学分析仪(comeal visualization Scheimpflug technology，CorVis ST)是一种联合Scheimflug高速摄像和气冲印压技术测量角膜生物力学的新设备，能实时动态记录角膜受压形变的整个过程，并记录形变参数，分析角膜的生物力学特性。本研究以CorVis ST为工具，对圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜的生物力学性质进行测量，并评估生物力学参数在圆锥角膜疾病的不同状态的差异，分析其是否对圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜以及正常角膜具有判别价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象

纳入2015年10—12月就诊于北京大学第一医院眼科门诊的圆锥角膜患者17例(24只眼)、亚临床期圆锥角膜12例(12眼)及同期正常志愿者40人(40眼)， 平均年龄依次为(25.3±6.6)岁(17～38岁)、(26.17±5.9)岁(18～38岁)和(27.9±4.5)岁(22～41岁)。本研究已通过北京大学第一医院临床研究伦理委员会认证，所有入选者均签署了知情同意书。

1.1.1纳入标准 (1)圆锥角膜组入选标准(参照Rabinowitz[5]诊断标准)：有近视、散光病史；视力下降；最佳矫正视力<1.0；裂隙灯检查中以下体征至少1项阳性：角膜基质变薄、锥状向前膨隆、Fleis-cher 环、Vogt线、上皮或上皮下瘢痕；角膜地形图检查示角膜前表面中央屈光度>47.0 D；角膜中心下方3 mm处与上方3 mm处屈光度差值>1.26 D；双眼角膜中央前表面屈光度差值>0.92 D。因为圆锥角膜多为双眼不对称性发病的特点，故双眼诊断为圆锥角膜的患者双眼纳入研究组。(2)亚临床期圆锥角膜组入选标准[6]：一眼确诊为圆锥角膜，对侧眼最佳矫正视力≥0.8，裂隙灯下检查无圆锥角膜阳性体征改变，角膜地形图检查角膜前表面最高屈光度不超过 46.5 D。取对侧眼为亚临床期圆锥角膜入组。(3)正常对照组入选标准：无任何眼部疾病(屈光不正除外)，无眼部手术及外伤史，角膜透明，最佳矫正视力≥1.0。

1.1.2排除标准 所有入选者均排除圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜和屈光不正以外的其他眼科疾病，排除患有影响眼睛的全身系统性疾病，如胶原病等。软性角膜接触镜配戴者需停戴2周以上，硬性角膜接触镜配戴者需停戴4周以上。

1.2 检查项目及方法

所有入选者均由同一人做眼科检查，包括裸眼视力及最佳矫正视力、散瞳验光、裂隙灯显微镜、眼底、角膜地形图(TMS-4)、CorVis ST。

CorVis ST(Oculus公司，德国)通过自动喷出的脉冲气流对角膜实现两次压平，并经Scheimpflug高速相机记录下角膜的整个形变过程(图1)， 获得反映角膜生物力学特征的10个参数：第一次压平时间(first applanation time，A1T)、第一次压平长度(cord lengths of first applanation，A1L)、第一次压平速度(maximum corneal velocity during the first applanation，Vin)、第二次压平时间(second applanation time，A2T)、第二次压平长度(cord length of second applanation，A2L)、第二次压平速度(maximum corneal velocity during the second applanation，Vout)、最大压陷时间(time taken to reach highest concavity，HCT)、最大压陷深度(maximum deformation amplitude of highest concavity，HCDA)、最大压陷时角膜曲率半径(radius value of central concave curvature at highest concavity，HCR)和最大压陷时两峰间距(distance between both non-deformed peaks，PD)，并显示在控制面板上(图2)。另外，机器还可测量角膜中央厚度(central corneal thickness，CCT)和眼内压(intraocular pressure，IOP)[7-8]。

A, initial stage of cornea; B, stage offirst applanation; C, stage of highest concavity; D, stage of second applanation.图1 角膜形变过程Figure 1 Deformation stages of cornea

1.3 统计学方法

2 结果

2.1 三组角膜生物力学参数的差异分析

三组角膜的所有角膜力学参数平均值依次递减，即正常对照组角膜生物力学性质最强，圆锥角膜组角膜生物力学性质最弱，亚临床期圆锥角膜组居于二者之间(表1)。所测得的参数中，A2T、HCT、A1L、Vin、PD等数据不符合正态分布，A1T、A2L、Vout、HCR、HCDA、IOP、CCT符合正态分布。

对所有力学参数进行方差分析(符合正态分布的参数)或Friedman检验(不符合正态分布的参数)，发现绝大多数指标均能反映出三组角膜的差异，而只有Vin、A2T和HCT在三组之间差异无统计学意义。

剔除无意义的3个参数Vin、A2T和HCT，将剩下的力学参数进一步进行两两比较，可见HCR和CCT在两两之间差异均具有统计学意义，可以较好地区分出圆锥角膜和亚临床期圆锥角膜以及正常角膜和亚临床期圆锥角膜，其余参数的差异仅体现在正常对照组和圆锥角膜组(或亚临床期圆锥角膜组)之间，而在圆锥角膜组和亚临床圆锥角膜组之间差异无统计学意义。

表1 三组角膜生物力学参数比较Table 1 Corneal biomechanical parameters comparison of three groups

A1T, first applanation time; A2T, second applanation time; HCT, time taken to reach highest concavity; A1L, cord lengths of first applanation; Vin, maximum corneal velocity during the first applanation; A2L, cord length of second applanation; Vout, maximum corneal velocity during the second applanation; PD, distance between both non-deformed peaks; HCR, radius value of central concave curvature at highest concavity; HCDA, maximum deformation amplitude of highest concavity; IOP, intraocular pressure; CCT, central corneal thickness. 1 mmHg=0.133 kPa. *Statistically significant difference were found between every two of the groups.

2.2 圆锥角膜和亚临床期圆锥角膜的生物力学参数判别函数的建立

将10种角膜生物力学参数和IOP、CCT作为参数引入判别分析,建立起2个典则判别函数：

D1(x)=1.359A1T+0.335A1L+0.082Vin-0.118A2T-0.245A2L+0.073Vout-0.390HCT+0.971HCR+0.648HCDA-0.438PD-0.648IOP+0.644CCT，

D2(x)=3.228A1T-0.050A1L+0.202Vin-1.004A2T-0.486A2L+0.412Vout-1.078HCT-0.330HCR+0.126HCDA-0.239PD-2.576IOP+0.495CCT。

这2个典则判别函数的特征值分别为2.018和0.575，能解释的模型方差变化分别为 77.8%和22.2%，可见该判别公式可以将圆锥角膜和亚临床期圆锥角膜从正常角膜中鉴别出来。通过对判别函数进行显著性检验，其Wiks’λ值分别为0.210和0.635，χ2值分别为91.191和26.567，P分别为小于0.001和等于0.005，可以认为判别有效。

对两个公式中所有参数的系数进行判别载荷分析，对函数D1(x)贡献大的参数分别为CCT(0.603)、HCR(0.582)和HCDA(0.490)，对函数D2(x)贡献较大的参数为Vout(0.474)。图3为角膜力学参数在两个函数上的得分图，可见，圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜和正常角膜从空间上基本可以区分出来，三组仍有少量交集，也就是存在少量的误判。

图2 CorVis ST软件控制界面及各个参数Figure 2 Control surface and all parameters of CorVis ST

图3 所有角膜的力学参数在2个判别函数中的得分图Figure 3 Score plot of all the corneal biomechanical parameters in the 2 discrimination functions

为更好地对角膜类型加以区分和判别，建立典则判别函数如下：

F0(x)=-14 490.551+3 942.755A1T+401.792A1L+2 273.050Vin+66.581A2T+14.246A2L-259.741Vout-54.723HCT-8.162HCR+610.851HCDA+13.063PD-338.749IOP+0.938CCT，

F1(x)=-14 233.174+3 916.121A1T+397.788A1L+2 252.466Vin+65.355A2T+18.234A2L-266.642Vout+53.763HCT-9.059HCR+600.525HCDA+14.095PD-337.003IOP+0.891CCT，

F2(x)=-14 393.221+3 932.283A1T+393.923A1L+2 265.248Vin+67.095A2T+16.096A2L-260.582Vout+55.928HCT-10.451HCR+596.675HCDA+14.130PD-338.370IOP+0.897CCT。

2.3 圆锥角膜和亚临床期圆锥角膜生物力学参数判别效果检验

用自身验证法和交叉验证法对各组进行回判(表2)，自身验证法对圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜、正常角膜的判对率分别为 75.0%、91.7%和90.0%，总体判对率为85.0%，判别效果较好；交叉验证法对圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜、正常角膜的判对率分别为66.7%、50.0%、82.5%，总体判对率为72.3%，判别结果可以接受。

3 讨论

圆锥角膜的发病一般为双眼，但是双侧眼的发病并不同步。早期人们认为，单眼圆锥角膜是存在的，但很少见，大约占圆锥角膜的0.5%～4.0%[9-10]。后来的研究改变了这一认识，Holland等[9]观察了4年，发现圆锥角膜的正常对侧眼都发生了圆锥角膜的体征。Li等[11]也观察到在圆锥角膜的正常对侧眼中，半数患者可在未来的16年里也发生圆锥角膜，并且早期6年里发生比率最高。这些观察促使人们认识到，当观察时间足够长，单眼圆锥角膜的患者双眼迟早都会出现圆锥角膜[9]。鉴于此，2015年《圆锥角膜和角膜扩张疾病的全球共识》明确提出，真正的单眼圆锥角膜并不存在[1]，单眼圆锥角膜的对侧正常眼，事实上都是亚临床期圆锥角膜。

表2 回判分析结果Table 2 The results of return analysis

亚临床期圆锥角膜，也称为顿挫型圆锥角膜，目前尚无统一的诊断标准。对于角膜地形图等检查结果异常，但又达不到圆锥角膜诊断标准的视力正常患者，通常会更谨慎地诊断为可疑圆锥角膜。有学者提出KISA指数，用以诊断可疑圆锥角膜[12]，可疑圆锥角膜未必会进展到圆锥角膜。

不同于可疑圆锥角膜，单眼圆锥角膜的对侧正常眼和已发生圆锥角膜的眼有同样的基因组组成，可以认为它们是圆锥角膜的最早期状态。对于那些对侧眼已经诊断为圆锥角膜，而尚未表现出临床或角膜地形图特征者，可以明确地诊断为亚临床期圆锥角膜[13]，是研究圆锥角膜早期或发病初期的理想模型[14]，也是很多亚临床期圆锥角膜研究中所采用的标准。本研究以此类明确诊断的亚临床期圆锥角膜为研究组，观察其和圆锥角膜、正常角膜力学特性的差异。

尽管目前圆锥角膜的具体病因并不十分清楚[15]，家族遗传、胶原发生障碍、内分泌与细胞代谢紊乱、变态反应、免疫缺陷等都可能参与了其发生，但力学因素毫无疑问是其中最关键的因素之一。本研究采用的CorVis ST是临床上使用的可测量角膜力学特征的设备，该设备将精确计量的脉冲空气投射到角膜表面，引起角膜形变，并通过高速摄影记录形变的过程。全过程可分为三个时期：第一阶段是角膜从自然状态到内向凹陷的内向运动期，并经历第一次压平，相关的力学参数为A1T、A1L和Vin；第二阶段是在最大凹陷状态的短暂震荡期，此时产生的相关力学参数为HCDA、HCT、HCR和PD；第三个阶段是从其最大的压陷状态恢复到自然状态的外向运动期，并经历第二次压平状态，此阶段产生的生物力学参数有A2T、A2L和Vout[16]。这些角膜生物力学参数可以反映出角膜的生物力学特性。

目前，圆锥角膜的诊断标准是临床症状体征和角膜地形图参数标准的结合体系。这个诊断标准中，重视了疾病的临床表现和角膜曲率的改变，却没有关于角膜生物力学的指标。CorVis ST这一生物力学设备的问世，将弥补这一不足。已有研究显示，多个角膜生物力学参数可在圆锥角膜和正常角膜之间表现出明显的差异，如HCR、HCDA、A1T、IOP、CCT等[17]。本研究观察到亚临床期圆锥角膜的生物力学参数以及同时测得的眼压、CCT等各项指标的数值都处在圆锥角膜和正常角膜之间，可以认为角膜生物力学参数变化的程度和圆锥角膜或亚临床期圆锥角膜的发病有关。

通过进一步对上述指标的评估，我们首先淘汰了A2T、HCT、Vin这三个指标，因为它们虽然能反映出亚临床期圆锥角膜这一生物力学性质居中的特点，但是并不能区分出圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜和正常角膜的不同。作为时间指标，HCT和A2T是在A1T之后，分别经历一次压平和两次压平之后的累计时间，故其会分别受到前驱参数的影响，且混杂因素较多，从原理上看，并不是理想的力学参数。与时间指标相反，速度指标则应该是生物材料在长时间运动后，更容易体现生物材料力学差异的指标。Vin是第一次的压平速度，气体自设备喷气口出，生物材料处在起始运动状态，尚不容易体现出生物力学性能的差别。同时，上述指标也可能存在一定的测量误差，有文献指出，CorVis ST的生物力学参数除IOP、CCT、HCDA和A1T等少数指标外，都存在着可重复性差、测量不稳定的特点[18]。

余下的指标中，经过两两比较发现，多数参数只能较好地区别出圆锥角膜和亚临床期圆锥角膜的不同，而不能区别出亚临床期圆锥角膜和正常角膜的差异，说明亚临床期圆锥角膜的力学性质或许和正常角膜更为接近，需要有更显著的生物力学性能下降才可导致圆锥角膜的发病。HCR和CCT这两个参数可以同时区别出圆锥角膜与其余二组角膜的差异，以及亚临床期圆锥角膜和正常角膜的差异。换言之，HCR和CCT是较为敏感的判别指标。

在进一步建立的判别函数中，判别率可以达到85%，从判别函数的空间得分图可见，三组角膜基本上可以区分。由于角膜是生物力学材料，测量过程中也存在较多的偶然因素，测得的生物力学参数多，因此，回归所得判别公式的判别率不算很高，但作为临床检查是可以接受的。进一步对方程的系数进行旋转，发现对判别公式中贡献最大的4个参数依次是CCT、HCR、HCDA和Vout。

综上所述，本研究发现，经CorVis ST测得的角膜生物力学参数可以理想地反映出角膜的生物力学状态，区分出圆锥角膜、亚临床期圆锥角膜以及正常角膜的不同，其中，最为敏感的指标是CCT和HCR，较为敏感的指标为HCDA和Vout。也有研究认为CCT、HCR、HCDA、A1T、A1L、A2L等几个指标均可较好地区分圆锥角膜、可疑圆锥角膜以及正常角膜[17,19]。不同研究中得出的有效指标略有差异，源于各研究中心的样本差异以及设备本身的测量误差。总体上看，形态学指标(HCR、HCDA、A1L、A2L)、前期时间指标(A1T)和后期速度指标(Vout)是较好的判别指标，进一步的研究可围绕上述指标，探索基于力学性质指标的圆锥角膜的诊断和分级标准。但本研究收集病例时间较短，病例数稍显不足，将来的研究需扩大样本量，以验证上述力学参数在圆锥角膜病理生理过程中的作用。