圓錐角膜患者角膜光密度與形態及生物力學的相關性研究

李彩紅，趙 宏，鄒鵬飛

0引言

圓錐角膜是一種表現為漸進性角膜擴張，伴隨有角膜厚度變薄和不規則散光，晚期可能出現急性水腫或瘢痕的非炎癥性眼病，部分患者最終只能進行角膜移植手術。角膜膠原交聯術通過增加角膜膠原纖維之間的化學鏈接，提高角膜基質的硬度和強度，從而控制或延緩圓錐角膜的進展，但角膜曲率過高會增加手術的失敗率及術后視力的不確定性[1]，因此早期診斷早期手術非常重要。在形態上，圓錐角膜表現為角膜前后表面異常抬高及角膜厚度分布異常[2]。生物力學方面的研究發現在角膜形態出現異常之前，已經出現了角膜生物力學的改變[3-4]。近年的研究發現，圓錐角膜患者的角膜光密度值較正常人高[5]，這又給圓錐角膜的觀察提供了另外的途徑。本研究目的在于評估圓錐角膜患者的角膜光密度與角膜形態以及生物力學的相關性，并分析其臨床意義。

1對象和方法

1.1對象回顧性病例研究。收集2020-01/12于鄭州市第二人民醫院接診的原發性圓錐角膜患者48例70眼納入本研究。圓錐角膜診斷標準[1]：(1)裂隙燈顯微鏡檢查見角膜中央變薄并呈錐形前突或伴隨Fleischer環、Vogt線、Munson征等典型體征；(2)角膜地形圖檢查發現角膜前后表面異常抬高；(3)A超或角膜光學相干斷層成像檢查發現角膜中央或旁中央厚度明顯變薄；(4)角膜生物力學檢查顯示生物力學指標下降。納入標準：停止配戴硬性接觸鏡3wk以上及軟性接觸鏡1wk以上的患者。排除標準：出現后彈力層破裂、水腫和/或角膜瘢痕者，具有其他眼部疾病者。本研究符合《赫爾辛基宣言》并經醫院倫理委員會批準(No.KY2017002)，所有患者均簽署手術知情同意書。

1.2方法角膜光密度測量：應用Pentacam三維眼前節分析儀，采用附加的角膜光密度分析軟件測量(版本：1.21r41)。選取以角膜頂點為中心測量≤2mm、>2mm且≤6mm、>6～10mm直徑范圍的角膜光密度。并且將角膜厚度分為三層，前層(靠近角膜上皮前表面120μm)、后層(靠近角膜內皮面的60μm)、中間層(前后層之間厚度)，分別分析各個區域的角膜光密度。角膜光密度用灰度值表示，范圍為0～100，其中0代表角膜完全透明，表示光線在通過角膜組織時沒有發生損耗；100則代表角膜完全混濁，光線完全無法穿過角膜。

角膜形態測量：應用Pentacam三維眼前節分析儀測量角膜前后表面形態，包括角膜前表面中央扁平子午線曲率(flat keratometry,K1)、角膜前表面陡峭子午線曲率(steep keratometry,K2)、角膜前表面中央平均曲率(mean keratometry,Km)、角膜前表面最大曲率(maximum keratometry，Kmax)、角膜前表面高度(anterior corneal elevation，ACE)、角膜后表面高度(posterior corneal elevation，PCE)、最薄點角膜厚度(thinnest corneal thickness，TCT)，以及圓錐錐頂距角膜頂點的距離(distance from cone to apex，DCA)。

角膜生物力學測量：使用可視化角膜生物力學測量儀觀察角膜形變過程并測量相關參數，包括第一次壓平時間(time of the first applanation，AT1)，第一次壓平長度(length of the first applanation，AL1)，第一次壓平速度(velocity of the first applanation，V1)，第二次壓平時間(time of the second applanation，AT2)，第二次壓平長度(length of the second applanation，AL2)，第二次壓平速度(velocity of the second applanation，V2)，最大壓陷時間(the highest concavity time，HCT)，最大壓陷形變幅度(the highest concavity deformation amplitude，HCDA)，最大壓陷曲率半徑(the highest concavity radius，HCR)，最大壓陷峰距(the highest concavity peak distance，HCPD)，硬度參數(stiffness parameter applanation 1，SPA1)，水平方向Ambrósio相關厚度(Ambrósio’s relational thickness horizontal，ARTh)。

所有檢查均由同一位操作熟練的檢查人員在暗室完成，每眼重復檢測3次，受試者被要求測量前眨眼，測量時盡量睜大眼睛注視固視目標，選取成像質量最佳的圖像進行數據分析。

2結果

2.1圓錐角膜患者臨床資料本研究納入圓錐角膜患者48例70眼，其中男37例55眼，女11例15眼；年齡12～38(平均20.5±6.2)歲。應用Pentacam三維眼前節分析儀測量的角膜形態參數見表1，應用可視化角膜生物力學測量儀測量角膜生物力學參數見表2，應用Pentacam三維眼前節分析儀測量圓錐角膜患者不同區域不同層次的角膜光密度見表3。

表1 圓錐角膜患者角膜形態學參數

表2 圓錐角膜患者角膜生物力學參數

表3 圓錐角膜患者不同區域不同層次的角膜光密度

2.2圓錐角膜患者不同區域不同層次的角膜光密度與角膜形態參數的相關性距角膜頂點≤2mm前層光密度與K1、K2、Km、Kmax均呈正相關(r=0.291、0.315、0.315、0.387；P=0.015、0.008、0.008、0.001)，見圖1。距角膜頂點≤2mm、>2mm且≤6mm的前層及全層、>2mm且≤6mm后層光密度均與ACE均呈正相關(r=0.465、0.302、0.317、0.291、0.335；P<0.01，P=0.011、0.008、0.014、0.005)，見圖2；上述各區域各層的光密度與PCE亦均呈正相關(r=0.565、0.369、0.348、0.306、0.284；P<0.01，P=0.002、0.003、0.010、0.017)，見圖3。

圖1 距角膜頂點≤2mm前層光密度與角膜前表面曲率的相關性。

圖2 距角膜頂點≤2mm、>2mm且≤6mm的前層及全層、>2mm且≤6mm后層光密度與ACE的相關性。

圖3 距角膜頂點≤2mm、>2mm且≤6mm的前層及全層、>2mm且≤6mm后層光密度與PCE的相關性。

2.3圓錐角膜患者角膜光密度與角膜生物力學的相關性距角膜頂點≤2mm前、中、后及全層光密度，>2mm且≤6mm中、后及全層光密度與AL1均呈負相關(r=-0.284、-0.290、-0.245、-0.326、-0.282、-0.395、-0.310；P=0.017、0.015、0.041、0.006、0.018、0.001、0.009)，見圖4。距角膜頂點≤2mm中層光密度、>2mm且≤6mm中、后層光密度與AL2均呈負相關(r=-0.246、-0.256、-0.256；P=0.041、0.032、0.032)，見圖5。

圖4 距角膜頂點≤2mm前、中、后及全層光密度值，>2mm且≤6mm中、后及全層光密度與AL1的相關性。

圖5 距角膜頂點≤2mm中層光密度值、>2mm且≤6mm中、后層光密度與AL2的相關性。

距角膜頂點≤2mm前層光密度與HCR呈負相關(r=-0.308，P=0.010)，見圖6。距角膜頂點≤2mm中、后層光密度、>2mm且≤6mm中層光密度與HCT均呈負相關(r=-0.292、-0.340、-0.262；P=0.014、0.004、0.028)，見圖7。距角膜頂點≤2mm前層及全層光密度、>2mm且≤6mm后層光密度與ARTh均呈負相關(r=-0.430、-0.293、-0.319；P<0.01，P=0.014、0.007)，見圖8。

圖6 距角膜頂點≤2mm前層光密度與HCR的相關性。

圖7 距角膜頂點≤2mm中、后層光密度、>2mm且≤6mm中層光密度與HCT的相關性。

圖8 距角膜頂點≤2mm前層及全層光密度、>2mm且≤6mm后層光密度與ARTh的相關性。

3討論

圓錐角膜是一種以角膜前凸和變薄為特點的嚴重致盲性眼病，發病于青春期，漸進性發展，晚期需要進行角膜移植手術。圓錐角膜最早只能通過眼部體征來診斷；角膜地形圖測量儀器出現后，形態學參數開始成為圓錐角膜診斷的主要指標；隨著在體角膜生物力學測量技術的發展，我們認識到角膜生物力學性質的改變是圓錐角膜發生的根本原因[6]。近幾年，角膜光密度通過光的散射描述人眼角膜組織透光性，正成為角膜組織的另一特性而被重視和研究。有研究發現，即便是角膜透明的圓錐角膜，其光密度值也明顯高于正常人群[7-8]，且與圓錐角膜的嚴重程度存在正相關[5]。Rehnman等[9]發現圓錐角膜交聯術后光密度增高的程度與曲率降低幅度呈正比，光密度測定也被認為可能成為評估交聯效果的補充措施。目前圓錐角膜光密度與角膜地形參數及生物力學特性的相關性方面的研究鮮有報道，本文旨在對這方面進行探討。

角膜前表面Kmax是圓錐角膜重要的形態學指標，也是觀察疾病進展的一個最常用參數。本研究發現，距角膜頂點≤2mm前層光密度與K1、K2、Km、Kmax均呈正相關。這與張夢雨等[10]的結果相一致，該研究認為圓錐角膜中央前層的光密度與Kmax顯著正相關，與中央角膜厚度和最薄點角膜厚度顯著負相關。此外，角膜后表面高度在一定程度上也衡量了角膜擴張的嚴重程度，本研究發現距角膜頂點≤2mm、>2mm且≤6mm前層及全層、>2mm且≤6mm后層光密度與前、后表面高度亦均呈正相關。這意味著角膜光密度，特別是前層的升高與圓錐角膜的嚴重程度相關。這與以往的研究相似，Anayol等[8]和Lopes等[11]也發現圓錐角膜中前部基質≤2mm、>2mm且≤6mm區域的角膜光密度較正常人群高；而且圓錐角膜越嚴重，角膜光密度越高。

圓錐角膜中膠原纖維生物力學性質減弱，角膜黏彈性降低，角膜對外力抵抗能力下降[6]。因此在外力的作用下更易發生變形，并且角膜變形時間縮短、變形的幅度增加[12]。Corvis作為一種在體測量角膜生物力學的儀器，可以很好評估角膜生物力學特性，在圓錐角膜診斷中提供了眾多重要的參數，研究發現HCR、AL1、AL2在圓錐角膜中均顯著降低，是圓錐角膜診斷的良好指標[4,12-13]；HCT對圓錐角膜亦具有較好的診斷價值[14]，角膜越軟，越容易變形，在氣壓的作用下達到最大凹陷所需要的時間就越短。ARTh是指最薄點角膜厚度與角膜厚度變化率的比值，其值越小，代表中央角膜厚度薄或角膜厚度由內向外變化的幅度較大，圓錐角膜可能性越大。本研究中距角膜頂點≤2mm及>2mm且≤6mm的角膜光密度與AL1、AL2、HCR、HCT、ARTh均呈負相關，角膜中央區光密度的增高與生物力學的下降相一致。這與Shen等[15]的觀點相似，都認為角膜光密度與圓錐角膜嚴重程度及生物力學相關，但Shen的結果顯示角膜硬度相關參數SP-A1與角膜光密度呈負相關，而在本研究中未觀察到這一點。

本研究結果顯示很多形態學和生物力學的參數都與角膜中央區的光密度呈現相關性，這可能與錐頂距離角膜頂點平均距離為1.03mm有關。組織病理學研究顯示，相對于其它部位，圓錐角膜錐頂周圍的基質組織結構變化最為顯著[6]，角膜細胞活化，板層間出現位移和滑動，膠原纖維分布不均并且排列扭曲[16-17]。因此，圓錐角膜中央區光密度與圓錐角膜的形態及生物力學變化聯系最為密切。

角膜光密度可以客觀的反映角膜的透光性，精確洞察角膜光學質量變化。本研究結果顯示圓錐角膜中央區光密度與角膜形態及生物力學參數存在一定相關性，可以考慮將其作為圓錐角膜的一個參考指標，用來評估疾病進展及治療效果。本研究未設正常人群對照組，因為重點在于研究圓錐角膜光密度與角膜形態及生物力學的相關性，而不是比較圓錐角膜與正常人群的光密度差異。另外本研究樣本量偏小，尚需進一步擴大樣本量進行更深入的評估，以進一步驗證上述結論，這也是我們下一步研究的方向。