正视眼圆锥角膜发展的光学生物力学模拟

《Journal of Optometry》：Opto-biomechanical simulation of keratoconus development in emmetropic eyes

本研究利用有限元方法，在5个不同生物测量和光学特性的合成角膜模型中，于中心、1mm及2mm下位置引入60%的刚度弱点，模拟角膜圆锥形变发展。结果显示，中心弱点导致中央前曲率增加51.76±1.38D，厚度减少50μm；下弱点引发下方陡峭变形及上方变平，前曲率变化达23.23D。结论表明角膜初始形态显著影响圆锥形变模式，为个性化干预提供理论依据。

　　这项研究通过有限元方法（Finite Element Method, FEM）探讨了不同角膜在相同结构薄弱点影响下的反应差异。研究者选取了五只具有不同生物测量参数和光学特性的正常角膜模型，模拟了角膜锥形变（keratoconus）的发展过程，并分析了角膜形状如何影响最终的病变形态。研究发现，即使在相同的结构削弱条件下，不同初始角膜形状的个体表现出不同的角膜变形模式，这提示我们角膜的几何特性在疾病进展中起着重要作用。

角膜作为眼球最外层的透明组织，其结构和功能对于视力的维持至关重要。角膜的稳定性和弹性主要依赖于其内部高度组织化的胶原纤维网络。当这些纤维的结构被破坏时，角膜会失去其正常的机械支撑，导致局部的力学不稳定，进而引发角膜的锥形变。这种变形通常表现为角膜变薄和曲率增加，光学上则表现为高阶像差增多和视觉质量下降。在临床上，角膜锥形变往往无法通过常规眼镜完全矫正，因此常采用硬性透气性角膜接触镜（RGP）或角膜交联术（CXL）等方法进行干预。

角膜交联术是一种通过引入维生素B2并暴露于紫外线A（UVA）来增强角膜组织的治疗方法。该过程能够增加角膜胶原纤维之间的交联，使角膜变得更坚硬，从而阻止其进一步变形。然而，这种治疗并不能逆转已经发生的损害。在更为严重的病例中，可能需要考虑角膜移植手术，但这种方法不仅成本高昂，还伴随着诸如排斥反应、感染等风险。因此，早期发现和干预成为控制角膜锥形变进展的关键。

研究中使用的SyntEyes模型是一种高阶统计眼模型，用于生成与健康成年人角膜生物参数一致的合成数据集。通过MATLAB和ANSYS等软件工具，研究人员能够构建出角膜的几何形状，并进行材料属性的设定。他们采用Holzapfel-Gasser-Ogden（HGO）超弹性材料模型来模拟角膜的非线性机械行为，这种模型特别适用于描述纤维增强的软组织特性，如角膜中的胶原纤维。

为了模拟角膜锥形变的发展，研究者在角膜的三个位置（中心、1 mm下方、2 mm下方）引入了结构削弱，削弱程度达到原始值的60%。这些位置的选择基于角膜锥形变的典型表现，其中中心性病变通常表现为明显的中央隆起，而下方病变则可能伴随上方区域的扁平化。研究者还特别考虑了角膜边缘区域的过渡带，以确保模拟的准确性。

在有限元分析中，研究者采用了四层不同的网格密度进行收敛性测试，以确保模拟结果的可靠性。结果表明，即使在相同的结构削弱条件下，不同角膜的变形模式仍存在显著差异。例如，中央位置的削弱会导致角膜中央显著变薄，同时前表面曲率显著增加，而后表面曲率则出现一定程度的负变化。这种变化与临床观察结果相符，即角膜锥形变通常伴随着前表面的弯曲和后表面的变平。

对于下方位置的削弱，研究发现角膜下方区域的曲率会更加陡峭，而上方区域则表现出一定的扁平化趋势。这种现象在临床中也较为常见，尤其是在与角膜边缘相关的疾病，如透明边缘角膜变性（pellucid marginal degeneration）中。这些变形模式表明，角膜的初始几何形状在疾病发展过程中起到了重要的调节作用，影响了最终形成的病变形态。

研究还分析了角膜前表面和后表面的面积变化。结果显示，无论是中央还是下方的角膜锥形变，前表面面积都会增加，而后表面面积则略有增加。这些变化可能反映了角膜在变形过程中的扩展和调整，从而影响其光学特性。

从研究结果来看，角膜的初始形状不仅决定了其在结构削弱下的变形程度，还影响了病变的分布模式。这意味着，在临床实践中，个体化的角膜评估和治疗策略可能更为有效。例如，如果某个患者的角膜具有更容易变形的几何特性，那么即使是在轻微的结构削弱下，也可能出现更严重的病变表现。因此，早期筛查和干预应更加关注角膜的个体差异。

研究还提到，尽管角膜的机械反应在不同个体之间可能相似，但其表面形态的变化却因初始形状的不同而有所差异。这为临床提供了新的视角，即在诊断和治疗角膜锥形变时，需要综合考虑角膜的形状特征。此外，研究结果可能有助于优化角膜交联术的治疗区域，使治疗更加精准和个性化。

综上所述，这项研究通过有限元模拟揭示了角膜初始几何形状在角膜锥形变发展中的重要影响。它不仅加深了我们对角膜力学行为的理解，也为临床诊断和治疗提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索如何利用这些信息，为角膜锥形变患者提供更有效的个性化治疗方案。