1、眼球力学及临床应用研究 陈 维 毅 太原理工大学 应用力学与生物医学工程研究所 E-mail: ,1、眼球的构造 2、角膜屈光手术 3、巩膜的力学特性与后巩膜加固术 4、眼球的运动模型及其应用,提 纲,1. 眼球的构造,眼球的组织结构,眼球在眼眶中的位置,2、角膜屈光手术,角膜的结构角膜分为5层： 上皮细胞层 前弹力层（Bowman膜） 基质层 后弹力层（Descemet膜）,厚约10-12m，由极其微细的胶原微丝构成 内皮细胞层，由一单层细胞构成,人角膜结构,角膜的力学特性,角膜的应力-应变关系是非线性的 (Woo,1972) 作为对角膜替代材料的研究，猪角膜有于人角膜相近的应力应变关系，但
2、应力松弛存在较大差异（杨坚，2001）。,角膜的应力应变曲线(Woo,1972),刘志成等(2003)设计了一套测量离体虹膜及角膜的装置 用面应变来表征变形：,实验结果可用下式拟合：,式中，0，C为常数，P为试样所受的内外压力差。,角膜、虹膜测试装置图,眼球整体变形测试系统,Instron实验机（Mode 5544） 摄像引伸仪 (No. Sx2663-305),眼球整体变形与眼内压的关系,实验动物,整体眼变形加卸载曲线,近视眼,近视眼是目前全球发生率最高的、范围最广的、严重的公共卫生问题，我国近视眼发病率超过30%。WTO已将近视眼的防治列入全球防盲计划。 角膜屈光能力占全眼的70%，通过改
3、变角膜的厚度来改变眼球的屈光度是很有效的。,示意图,放射状角膜切开术,发展于上世纪80年代 在角膜前极的3-4mm的“视区”的周围切一组(4-16条)径向刀口，改变角膜的有效弹性，使角膜的前极变得较平（曲率半径增大），调节其折光能力。,经典弹性理论中的无矩理论,手术切开越深效果越好，实际上，手术切开深度可达角膜厚度的90-95% (Werner,1986)； 眼内压波动大的患者来说，施行角膜切除术后，带来视力剧烈波动的危险增大了。 缺陷，没有将刚度函数B（）与手术切口数及深度直接联系起来 。,壳上一点的切向位移v和径向(法向)位移w,数值分析方法,Pinsky等(1990)、王家权等（1999
4、）利用线弹性球壳模型（王家权等，取E=1.8Mpa，=0.49） 切开的深度与刀口数对手术的效果有最重要的影响。,角膜的屈光度随切口深度的变化 屈光度眼内压曲线（Pinsky，1990),准分子激光角膜屈光术,准分子激光角膜切削术Photorefractive Keratectomy ，PRK 准分子激光原位角膜磨镶术laser in situ keratomileusis, LASIK 目前开展最为广泛且临床疗效明确的治疗近视的两类角膜屈光手术。我国每年有近百万人接受该手术治疗。,Lasik手术图示,Lasik手术,准分子激光原理,准分子激光是一种脉冲光，波长范围为157353nm。 光化反
5、应组织受到远紫外光作用时，会断裂分子之间结合键，将组织直接分离成挥发性的碎片而消散，对周围的组织则没有影响。 精确、对周围组织无损害、对眼内部组织无损害每一发激光可以切削0.2-0.25m厚度的生物组织。由于激光的整个脉冲只有1020s，因此其热扩散效应非常小，周围仅有0.3-0.8m的组织会受到伤害；电磁波对于角膜的穿透力随着波长的缩短而减少。在400nm波长以下，穿透力减至零。动物术后角膜超微结构检查。,问题：继发性圆锥角膜,1998 年Seiler等首次报道了LASIK 术后产生继发性圆锥角膜, 此后，不断有病例报告, Pallikaris（2001） 等报道发生率为0.66 %。(陈跃
6、国 ，2002) 继发性圆锥角膜是严重的角膜并发症，会对术后视力造成破坏性的影响，部分病例不得不进行穿透性角膜移植术。,病因目前看法不一, 多数认为是生物力学变化的结果(Seitz, 2001, Piccoli , 2003,Wang,2003) 。 Comaish（2002)认为角膜基质的改变与继发性圆锥角膜的发病有着密切的关系。圆锥角膜的主要病理改变为角膜基质变薄，角膜前凸，这可能与胶原数量减少以及胶原纤维异常分布和排列有关。角膜受损后出现的炎性反应,能引起角膜基质的分解酶活性增加,导致角膜融解、变薄、从而导致继发性圆锥角膜。,Haydee（2005）, Smith（2006）等认为MMP
7、s在角膜的多种生理及病理反应中发挥作用如在角膜伤口愈合过程中可见角膜上皮细胞、基质细胞及中性粒细胞分泌多种MMPs以促进基底膜重塑、创面收缩及纤维修复组织沉积，当MMPs表达不当则可导致瘢痕的形成。 如果LASIK术后MMPs表达异常就会使胶原的降解发生改变，使角膜的力学性能降低，可能诱发继发性圆锥角膜的发生 (Dupps, 2005) 。 此外，术后角膜层变薄，所受的应力明显增大。这种力学环境的改变对Lasik术后圆锥角膜病变的发展是一个不可忽视的因素。,LASIK手术研究初步,对44只实验动物（兔）分四组，每一个手术组接受一种切削量的角膜切削术实验。术后6个月，用明胶酶谱分析法检查术后各组
8、角膜之间明胶酶含量的变化、及生物力学测试分析。,王爱玉，陈维毅，贺瑞，王晓君，刘春生，兔眼LASIK术后角膜生物力学特性的实验研究，生物医学工程学杂志（In Press）,用粘弹性材料模型，根据实验得到的数据处理导入，对眼球的变形进行模拟分析。,D,角膜顶点相对角膜边缘处的位移随眼内压的变化,3、巩膜的力学特性与后巩膜加固术,问题的提出:,（1）高度近视眼对引起视网膜病变 高度近视又称病理性近视或变性近视，是常见的致盲性眼病之一，可以出现多种病理改变，甚至发生视网膜脱离，对视功能损害严重。 (Rada et al2006),单纯性近视眼成像图,进行性近视眼成像图,（2）我国高度近视的患病率高据
9、调查，我国的近视群体发病率达30，高度近视的患病率为0.722，有的地区高达6.98，但高度近视眼的发病机制目前尚不完全清楚。（3）巩膜的在维持眼球形状方面起着关键作用眼轴延长和后巩膜葡萄肿是高度近视的基础病变之一，巩膜壁的力学特点和自身的缺陷是重要因素之一。眼球壁外层（前面1/6为角膜，其余5/6为白色不透明的巩膜）、中层（虹膜、睫状体与脉络膜）、内层（视网膜）切线模量依次一个比一个高出一个数量级,即 (Graebel，1977),正常人巩膜壁的不同部位其应力应变曲线是不同的，在同样的压力下，眼球后部的巩膜发生变形的程度最大，赤道部巩膜次之，眼前部巩膜最小（ Curtin，1969）。从八十
10、年代中期开始，国外利用生物力学的研究方法，来研究巩膜壁的生物力学特征。Prett（1987）提出球壁模型：S=(Pi-Po)r/2h。,后巩膜加固术机理研究,后巩膜加固术是治疗后巩膜葡萄肿的方法之一，也是目前治疗进行性近视眼并防止其致盲的唯一方法 (Wollensak et al，2005),这种手术已有几十年的历史，但是关于该术式的疗效则是众说纷纭，甚至有些是相互矛盾。造成这种现象的主要原因是 ：该手术有三种不同的方法，即四直肌间加固法、后巩膜兜带法和鼻侧加固法； 用于后巩膜加固的材料各不相同，目前已知的材料就有七，八种； 不同的作者所选择的病例的不同。,存在的问题,巩膜生物力学特性测试分析
11、,方法: Instron5544, 环境箱, 37 Ringers 液,环境箱,试验装置,试件,预循环实验,眼内压为1030mmHg（兔的正常眼内压为10-21mmHg），对应的巩膜试件上的拉力0.023N-0.07N，在这一范围内，实验测得正常兔眼巩膜弹性模型约为2.2MPa。,巩膜的力学特性,巩膜拉伸试验曲线 (王晓君等，2004),不同组织材料的蠕变曲线与弹性模型比较,加固术后巩膜的力学特性与胶原含量测定,加固材料：95% 酒精保存的人眼巩膜。 动物实验：成年新西兰白色家兔50只，随机分5组，每组10只，每只兔子随机选择一眼作为手术眼，行单条兜带式后巩膜加固术，另一眼作为对照眼，只进行与
12、手术眼相同的操作，不放置加固条带。分别于术后1月、2月、3月、6月、9月将动物处死，摘除双眼球，置于保存液中放入液氮中深低温保存。,力学特性测试试件：从眼球的巩膜壳上将手术眼巩膜沿加固条带剪成宽3.5mm，长约20mm的试件，对照眼试件也以同样方法取得。 胶原含量测定：选用Hyp含量测定作为胶原测量的指标。 羟脯氨酸测定原理：先把含有羟脯氨酸的多肽（或蛋白质）用蛋白水解酶初步水解为小分子肽链，再用盐酸进一步水解成游离的氨基酸，其中游离的羟脯氨酸被氧化成吡咯，与对二甲氨基苯甲醛在一定温度下反应，生成一种红色化合物，在562nm处有最大吸收。,可用摄像引伸计的夹持方法,生理盐水中巩膜的固定,加固术
13、后1个月眼球与对照组眼球的表观,术后1个月手术眼 术后1个月对照眼,加固术后2个月眼球与对照组眼球的表观,术后2个月手术眼 术后2个月对照眼,加固术后9个月眼球与对照组眼球的表观,术后9个月手术眼 术后9个月对照眼,术后各月加固条带区巩膜Hyp含量及模量的比较,术后各月加固条带区巩膜Hyp含量及模量的比较,关于Hyp含量变化的讨 论,术后免疫排斥反应造成对异体巩膜胶原的破坏：通过病理切片及透射电镜发现，术后前6月移植物胶原纤维发生不同程度变性、崩解及断裂，巨噬细胞吞噬变性的胶原纤维，移植物受到一定程度破坏。随免疫耐受性的产生，机体对异体胶原的破坏逐渐减轻，至术后9月，手术眼、对照眼Hyp含量基
14、本相等。 试验采用95%酒精保存的人眼巩膜作为移植物，组织细胞多被破坏而死亡，仅留有细胞间质成分中的胶原纤维作为支架，相应的位于细胞表面的抗原含量低，免疫原性弱，其诱发的免疫应答强度较小，故虽用作异种异体移植物，术后并未引起移植物脱落、排出等强烈排斥反应。但它作为“异己”成分植入受体巩膜，必然会导致机体产生防御性应答反应，表现为术后1月自体巩膜血管内的淋巴细胞溢出，术后2月异体巩膜内大量淋巴细胞浸润，胶原纤维崩解断裂，排斥反应开始。,炎性细胞浸润,术后1个月，炎性细胞浸润到移植体，可见成纤维细胞、淋巴细胞 , 嗜伊红粒细胞. LM 100,术后2个月，更多的炎性细胞浸润到移植体，使其内部的胶原
15、纤维被破坏. LM 400,高度近视眼巩膜成纤维细胞粘弹性研究,方法：取2周龄豚鼠10只，制备镜片诱导型近视眼（LIM）动物模型，对侧眼为自身对照眼，再随机选取10只正常2周龄豚鼠作为正常对照眼。将各组豚鼠后极部巩膜成纤维细胞作体外培养，并传1代，行光镜观察与免疫细胞化学染色法进行细胞鉴定，采用微管吸吮技术表征巩膜成纤维细胞的黏弹性特性。,近视眼模型,将上述豚鼠于室内标准化喂养，45天后摘除实验组豚鼠镜片，豚鼠实验眼形成了明显的近视，诱导了约（-8.950.60）D的相对近视，眼轴相对延长了（0.600.12，原长7.30）mm，实验前后差异有显著性（P0.05）。,巩膜成纤维细胞的形态学观察
16、,原代培养的豚鼠巩膜成纤维细胞从组织块周围爬出生长（25）,HE染色结果：传1代豚鼠巩膜成纤维细胞汇合期排列成簇状或漩涡状细胞（40）,测试方法,标准线性固体黏弹性模型,微吸管测试吸入长度随时间的关系,NC组、SC组及LIM 组巩膜成纤维细胞在恒负压 350Pa下吸入长度随时间的关系,结论: 凹透镜诱导可以引起明显轴性近视（10%） 实验性近视组巩膜成纤维细胞的力学特性与对照组有明显差异（陈维毅，王超英，张全有等，2007),3、眼球的运动模型及其应用,问题的提出:,眼睛是人体的重要感觉器管，而眼外肌疾病严重影响了眼的视力与美观。在我国，仅儿童斜视发病率就为1%。 眼外肌手术的手术量经常是根据
17、临床医生自己的经验或参照别人的经验来决定（申长礼，1993） 。 Kunz理论 =360/2 r,动眼肌肉系统眼外肌,眼眶中左眼球的附视图及水平运动模型（ Cook, G. and Stark, L.，1967）,已有的眼球运动模型,眼球运动模型,眼球运动系统图 分析坐标系统 （陈维毅、杨桂通、吴文周，2000）,眼外肌的三线模型,眼外肌模型,骨骼肌的收缩机制（Gordon M. Sheoherd, Neurobiology, 1992）,骨骼肌收缩的模型,骨骼肌收缩的生化模型,钙离子释放模型,肌钙蛋白对与钙的结合,钙向肌浆网的泵回,肌肉收缩力 (Zahalak, GI ,1981,1990,
18、1997),眼外肌在一个动作电位脉冲诱导下的收缩力,眼外肌的一个动作电位脉冲 眼外肌的收缩力(gf) (图中A为实测的动作电位曲线),骨骼肌收缩的力及Hill模型,人眼球运动模型的建立与分析,动系o相对于静系oxyz的转动,这里，J、J 、J ，分别为刚体 绕动坐标系o中o，o，o三 轴的惯性矩； M、M 、M，分别为外力系对 此三轴之矩的代数和。,眼球水平运动实例与模型计算的比较,外直肌依次受100 pps的神经脉冲作用时，角膜中点的运动轨迹在Listing平面上的投影 。,眼球水平快速向外侧扫描又向内侧扫描最后返回到第一眼位时，角膜中点的运动轨迹在Listing平面上的投影 。,斜视及手术治疗,两眼球协同运动是由大脑中枢所管制，使分开的两只眼变为同一功能单位，如果中枢管制失调，眼外肌力量不平衡，两眼不能同时注视目标，视轴呈分离状态，其中一眼注视目标，另一偏离目标称为斜视(Strabismus)。在我国，儿童斜发病率约为1%。,斜视手术量计算结果分析,其他问题,老视机理与对策 眼液流动与青光眼 眼睛运动与人体运动平衡,太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所,谢 谢 ！,E-mail: ,
