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首都医科大学 a.生物医学工程学院；b.临床生物力学应用基础研究北市重点实验室，北京 100069

[摘要]可视化角膜生物力学分析仪（Corneal Visualization Scheimpflug Technology，Corvis ST）是目前用来评估角膜在体生物力学特性的临床设备，具有实时记录角膜受压形变过程的优势。目前，Corvis ST受到越来越多研究者及眼科医生的青睐。本文在简要介绍Corvis ST测量原理的基础上，对其在圆锥角膜、近视、青光眼以及白内障等疾病和眼部相关手术前后的应用进行综述。通过本文，读者可对Corvis ST的原理及其在眼科临床中的应用有一个全面的了解。

[关键词]可视化角膜生物力学分析仪；角膜在体力学特性；圆锥角膜；近视检测；青光眼检测；白内障检测

引言

角膜是位于眼睛最前面的透明部分，覆盖虹膜、瞳孔及前房，能够稳定眼球外形，同时也是眼球屈光系统的重要组成部分。屈光不正、圆锥角膜等眼部疾病及其诊治手段，如角膜屈光手术、角膜交联术等均与角膜的生物力学特性紧密相关。目前，角膜生物力学特性研究已经成为临床研究和基础研究的一个重要领域。提升对角膜生物力学特性的认识将对角膜疾病的预防及诊断、角膜屈光手术的个性化设计及预后等方面有着重要的指导作用。

角膜与其它生物软组织一样，是各向异性的非线性黏弹性材料。目前对角膜力学特性的研究多为体外力学测试或对角膜的有限元模型分析[1-2]。虽然离体角膜实验易于实施，但其改变了角膜正常形态和生理环境，故离体角膜的生物力学数据无法代替在体角膜的生物力学数据对疾病的诊断及手术个性化设计的指导意义，这使得对在体角膜生物力学特性的评估变得日趋重要。

眼反应分析仪（Ocular Response Analyzer，ORA）和可视化角膜生物力学分析仪（Corneal Visualization Scheimpflug Technology，Corvis ST）是目前可测量在体角膜生物力学相关性参数的常用临床设备。ORA不仅能获得在体角膜生物力学特性的相关指标，而且其测量的眼压能排除角膜厚度所带来的影响，适用于角膜屈光手术后监测眼压及角膜生物力学特性变化[1]，但ORA无法提供实时性的角膜在外力作用下的形态变化[2-3]。Corvis ST测量时发出脉冲气流引起角膜压陷形变，通过Scheimpflug高速相机记录角膜的形变过程，给出相应的参数。与ORA相比，Corvis ST的优点在于不仅实现了角膜变形的实时可视化，而且通过测量空气脉冲作用下角膜的变化计算出新的生物力学相关性参数，这些在体角膜生物力学数据对相关疾病及手术个性化设计具有指导意义。Corvis ST作为活体角膜生物力学的检测设备，既可以提供实时化的角膜形变过程及相关性参数，又不用接触患者角膜，可有效地避免交叉感染等风险，且设备操作方便。本文将在简要介绍Corvis ST测量原理的基础上，综述其在圆锥角膜、近视、青光眼以及白内障等疾病的诊断和眼部相关手术前和手术后的应用。

1 Corvis ST 的工作原理及输出参数

1.1 Corvis ST的工作原理

Corvis ST主要包括下颌托、测压头、Scheimpflug高速相机、信号处理分析及显示等部分（图1）。下颌托等部分用于稳定患者头部，使患者在受气流压迫时眼球相对稳定不动。测压头可识别角膜中心并产生脉冲气流，引起角膜的压陷变形。在测试过程中，Corvis ST用自带的Scheimpflug高速相机记录角膜中央水平截面的全程动态形变过程及角膜形变幅度图、角膜压平长度图和角膜形变速率图。Scheimpflug高速相机的最高采集速率为每秒4330张图像，采集宽度为水平8 mm，图像分辨率为640×480像素。Corvis ST记录的断层图像经图像软件处理分析后，找出角膜的轮廓边缘并进行标记，通过对不同时间点边缘位置信息的测量给出角膜生物力学相关性参数，对角膜生物力学特性进行分析，同时将角膜形变过程的慢动作显示在控制面板上。

测试时，患者将下颌置于Corvis ST下颌托上，额头顶住额托，双眼睁开向前注视。Corvis ST装有的角膜曲率计投影系统能对准角膜中央。当瞄准对焦完成后，测压头产生脉冲气流，使角膜由凸向内压平，系统将此阶段记录为第一阶段；此后，角膜继续内陷，产生最高凹陷，系统记录为第二阶段；角膜形变回程中产生第二次压平，系统记录为第三阶段。初始阶段及三个变化阶段的角膜形态，见图2[4]。

图2 Corvis ST测试过程中角膜形态变化

注：a.初级阶段；b.第一阶段；c.第二阶段；d.第三阶段。

根据角膜的形变过程，Corvis ST 给出的参数，见表1[5]。此外，Corvis ST还计算了眼内压（Intraocular Pressure，IOP）及角膜中央厚度（Central Corneal Thickness，CCT）。

1.2 Corvis ST输出参数的相关研究

在Corvis ST输出参数的重复性和一致性的研究中，Hon等[6]发现CCT的重复性最好，其次是DA、1st-A time以及IOP，其余的参数重复性较差。祖培培等[7]的结果显示1st-A time、2nd-A time、Vout、DA、IOP和CCT的重复性较好，1st-A length、2nd-A length和Vin的重复性较弱。部分参数重复性较弱可能是由于角膜的粘弹性等力学特性使得角膜每次受压情况不一致，从而导致获得的数据出现差异。

表1 Corvis ST测量所得参数

Goldmann压平眼压计（Goldmann Applanation Tonometer，GAT）、动态轮廓眼压计（Dynamic Contour Tonometry，DCT）、ORA及Corvis ST均可以给出眼压值。Lanza等[8]对76只健康人眼用以上设备对眼压进行测量，得到的GAT及ORA测得的IOP没有明显差异，Corvis ST及DCT所得的IOP没有明显差异，但Corvis ST所测得的眼压值却显著高于GAT，所以二者不可相互替换。将Corvis ST所得数据与ORA所测得数据对比发现，二者测得的IOP存在差异，且随着眼压的升高，差异越发明显[9]。

Corvis ST和ORA均能给出反映在体角膜力学特性的一系列相关性参数。对健康人群的研究结果显示，Corvis ST所测得的参数与ORA所得的角膜滞后量（Corneal Hysteresis，CH）与角膜阻力因子（Corneal Resistance Factor，CRF）相关性较弱[9]。但是对47例行准分子激光屈光手术的患者的相关研究结果却显示1st-A time、Vout和DA与CRF、CH均有较高相关性[7]。这说明针对不同的人群，Corvis ST和ORA所给出的在体角膜力学相关性参数的关联存在差异。

另外，Corvis ST所给出的参数中，DA与年龄显著相关，但与性别及种族并无明显联系[10-11]。Baknielsen[9]的研究表明，年龄较大者所测得的DA显著大于年龄较小者，而IOP或者CCT都不具有年龄相关性。随着年龄的增大，Vin、DA、2nd-A time都有了显著的上升，1st-A time则明显下降[12]。

2 Corvis ST在临床中的应用

目前，Corvis ST在临床上多用于测量术前及术后角膜生物力学参数的变化，以对手术进行评估。但运用Corvis ST所测得参数对疾病的诊断还未形成统一的认识。以下将介绍Corvis ST在近视、圆锥角膜和青光眼等疾病的辅助诊断和眼部相关手术中的应用进行综述。

2.1 Corvis ST与近视

近视影响着将近三分之一的成年人[13]。近几年，在中国、新加坡等地，年龄在13～39岁的青年近视的患病率迅速上升到71%～96%[14]。Lee等[13]用Corvis ST对比测量近视患者角膜与正常角膜的生物力学相关参数，结果显示与正常角膜相比，近视患者角膜Vout，PD和DA有着显著的不同；与低至中度近视（-0.5～-6.0 D）或正视（-0.5～+0.5 D）相比，高度近视（SE大于-6.0 D）具有较大的Vout、PD和DA；并且近视眼的Vout、PD和DA均与IOP强相关，与CCT呈弱相关。DA随近视程度加深变大的现象也有类似的观察[15]。同时，该研究[15]还发现近视程度更深的角膜显示出更低小的HC radius及更小的刚度，这意味着在相同的压力下近视程度高的角膜更易于形变。虽然这一点也有研究[11]认同，但Matalia等[11]认为这一趋势并不是十分明显。

角膜屈光手术通过准分子激光对角膜进行屈光性切削，以改变瞳孔区的角膜曲率，达到矫正视力的目的。准分子激光屈光性角膜切削术（Photorefractive Keratectomy，PRK）、准分子激光原位角膜磨镶术（Laser in Situ Keratomileusis，LASIK）、飞秒激光小切口微透镜切除术（Small Incision Lenticule Extraction，SMILE）等角膜屈光手术已经得到越来越多近视眼患者的认可，屈光术前和术后角膜力学特性的评估已经成为临床上日益关注的问题。目前，临床上可以运用Corvis ST对近视眼进行角膜屈光手术前后角膜结构与功能预测，但用Corvis ST对近视眼角膜各形变参数的测定值范围还尚未明确[16]。

PRK手术通过应用准分子激光切削角膜中央前表面，即上皮层的前弹力层和浅层基质，来达到降低角膜前表面弯曲度的目的。PRK手术前后Corvis ST参数1st-A time、Vin、2nd-A time、Vout、DA和HC radius的变化具有统计学差异[17]，而且PRK术后角膜显示出更短的1st-A time以及更长的DA[18]。PRK术后1st-A time变短，DA变长，表明角膜对变形的阻力变小，角膜硬度降低[19-20]。

LASIK手术是先在角膜表面制作一带蒂的板层角膜瓣，然后翻转角膜瓣，应用准分子激光电脑对角膜基质进行切削，最后复位角膜瓣。运用Corvis ST对LASIK术前与术后的角膜进行测试，可发现术后角膜生物力学特性有了明显改变，变化与CCT相关性明显[21]。且LASIK术后的1st-A length、DA、HC radius较术前都有了显著下降[22-23]。同时，Corvis ST测量所得的数据显示，LASIK术后角膜生物力学的改变要大于PRK术后[24]。

SMILE手术的原理是应用飞秒激光系统先在角膜的较深层面切割一个特定直径和弯曲度的界面，然后再在角膜较浅层面切削一个直径稍大的特定弯曲度的界面，最后用特制的工具把两个界面周边相形成的凸透镜形状的角膜薄层组织取出。运用Corvis ST测量对比分析SMILE术前与术后的生物力学参数后发现，1st-A time、1nd-A time、DA和IOP有显著差异[25]，且SMILE术后1st-A time和IOP下降，2nd-A time、PD和DA增大[26]。对比不同角膜屈光术后发现不同角膜屈光手术对角膜的改变程度是不一样的[27]，但也有研究显示SMILE和LASIK术后角膜生物力学参数不具有明显的差异[28]。

目前，相关研究多将Corvis ST运用于角膜屈光手术的术前与术后较短时间角膜生物力学特性变化的观察，关于术后长时间追踪的研究还较少。对于屈光术后角膜修复过程中其力学特性的变化规律的获得仍需要更多的临床数据的支持。

2.2 Corvis ST与圆锥角膜

圆锥角膜是一种以角膜扩张为特征，角膜中央变薄前突呈圆锥形的原发性角膜变性疾病，常导致产生高度不规则近视散光和视力损害。圆锥角膜的早期诊断仍是临床中的一个难题[29]。

有研究表明，Corvis ST具有将正常人群同圆锥角膜患者区分开来的能力[30-32]，故可将Corvis ST应用于圆锥角膜的早期诊断。运用Corvis ST对正常角膜及圆锥角膜分别进行测量，结果显示圆锥角膜的Vin、Vout和DA明显高于正常角膜，圆锥角膜的HC radius与健康角膜相比明显减小，且有明显统计学意义（F=5.277，P=0.023）[33]。对比正常人群与圆锥角膜患者，差异最具有代表性的Corvis参数是DA、1st-A time及CCT，且DA与1st-A time需要先用CCT进行校准后再进行对比[31]。所有测量参数中，DA对圆锥角膜最具有诊断意义，但眼内压对于最大压陷深度有较大的影响效果，故在应用DA去评估角膜生物力学特征时，需注意先经过IOP及CCT校准[34-35]。虽然圆锥角膜与正常角膜之间大多数生物力学参数存在显著统计学意义的差异，但各参数组之间依旧存在着较高的重叠区间，这限制了这些生物力学参数在临床诊断中的应用。Ambrósio等[36]通过统计学方法得到新参数orvis Combol1，发现其ROC曲线能更好的区分圆锥角膜与正常角膜。

角膜交联术逐渐成为治疗圆锥角膜病的有效手段之一。角膜交联术是一种光化学方法，使用光敏剂和光照射在角膜胶原纤维中产生共价键以增加角膜刚度。对比圆锥角膜患者角膜交联术前与术后Corvis ST的输出参数，无论是采用 RGX（rose bengal-green light）或者 UVX（riboflavin-UVA）进行的交联术，术后DA都有明显的下降[37]。

目前，临床上成熟期和进展期圆锥角膜的诊断已经日趋成熟，但对于亚临床和初期圆锥角膜的诊断还需要更为深入的研究。目前圆锥角膜的诊断主要从角膜形态变化入手，但角膜形态改变多发生在病情中晚期，对早期圆锥角膜的诊断具有一定的局限性。Pentacam眼前节分析系统的断层摄影分析技术，可以对圆锥角膜进行初步评价，在描述及诊断圆锥角膜方面有极大的应用[38-39]。且在圆锥角膜病变早期，角膜生物力学特征的改变可能发生于典型角膜形态学的改变之前，或许Pentacam和Corvis ST联合从形态和力学特性等多方面出发将使圆锥角膜的早期诊断成为可能。

2.3 Corvis ST与青光眼

青光眼是一种眼球内压力超越眼球内部组织而引起的视神经萎缩及视野缺损。眼压IOP是青光眼患者最直观的体现，获得准确的IOP值对于青光眼的诊断和治疗都具有非常重要的意义。目前的共识是眼压的测量值受角膜厚度影响，而越来越多研究表明，眼压的测量值不仅受角膜厚度影响，也受角膜生物力学参数的影响[40]。

钱朝旭等[41]指出Corvis ST给出了IOP值重复性较好，但也有研究显示[42-43]，Corvis ST测量所得的IOP与GAT存在差异，在青光眼的诊治中不能完全取代GAT，不能将Corvis ST测量所得的IOP作为单一诊断标准。故在排查青光眼的临床应用中，应当综合不同设备的眼压测量结果进行综合考虑。在Corvis ST所测得的其他参数中，青光眼患者也与健康人群存在差异。与正常眼相比，原发性开角型青光眼的角膜表现出更快Vin，更大的PD及更低的DA[4]。但也有研究表明青光眼患者的DA、Vin、2nd-A time更低，而 1st-A time、Vout、PD 更大[12,44]。

青光眼患者伴有的角膜直径增大引起的角膜组织的机械力量重新分布，及散光、年龄等因素均可引起干扰。故为了获得准确的IOP ，不仅需要考虑CCT的影响，还需全面考虑角膜的生物力学因素。Corvis ST相比于GAT，不仅更加方便，而且可以根据角膜生物力学参数对IOP进行校正。特别是在患者不适合接触式测量时，Corvis ST是测量IOP的最佳选择之一。

2.4 Corvis ST与白内障

白内障是由于各种原因引起眼内晶状体代谢紊乱，导致晶状体蛋白质变性而发生混浊的常见的致盲性眼病。白内障超声乳化术是利用超乳探头从在眼角膜或巩膜的小切口处伸入，将浑浊的晶状体和皮质击碎为乳糜状吸出，同时保持前房充盈，植入人工晶体。目前认为白内障手术会带来稳定持续的眼内压下降，但其生理机制还并未完全清楚[45]。徐凌霄等[46]将传统超声乳化术后一周与术前、术后一个月进行相比，数据显示1st-A length、2nd-A length、IOP均变大，CCT变厚，PD及DA变大；且差异有统计学意义。术前与术后一个月进行传统超声乳化术的患者与飞秒激光术患者比较，所有角膜生物力学参数无统计学差异；术后一周传统超声乳化术组与飞秒激光术组比较，1st-A length较长、2nd-A length较短，PD、DA较大，CCT较厚；差异有统计学意义。

2.5 Corvis ST与其他疾病

华闪闪[47]通过对应用生物性人工角膜治疗感染性角膜炎患者的随访观察，对术后手术眼与对照眼进行Corvis ST测量分析，发现除1st-A time、1st-A length、2nd-A time、2nd-A length以外，其余参数均无统计学差异。因此得出了生物型人工角膜是安全、有效，并具有提高术后视力的显著临床应用价值的结论。

郑学燕等[48]将Corvis ST应用与抗炎药物对前葡萄膜炎患者角膜生物力学影响的研究之中，测量局部应用地塞米松类抗炎药物的全部葡萄炎膜患者前后的角膜生物力学，结果显示应用抗炎药物前后角膜DA、PD差异具有统计学意义，即角膜生物力学可能发生改变。了解此药物对角膜的影响程度，可为临床激素应用提供指导。

3 总结与展望

综上所述，Corvis ST不仅可以实时测量并给出角膜在外部气流作用下的形变状态，还给出了压平时间、压平速率等与角膜生物力学特性具有相关性的参数。临床研究表明，大部分参数都具有较好的重复性与一致性。但是，目前Corvis ST的软件版本尚只能将形变的原始状态表现为测量参数显示出来，且这些测量参数IOP等因素的影响较大，若能通过这些原始测量参数进一步得出受IOP等其他因素干扰小的参数，想必对疾病的诊断及治疗的评估会有较大的帮助。

目前对Covis ST研究多集中在对角膜疾病和相关手术的术前与术后较短时间内获得的参数对比，研究结果尚未能对疾病的诊断提供具体明确的指导参考，对术后中长期内的持续测试以考察术后角膜生物力学特性的变化也需要进一步积累。随着Corvis ST临床数据的逐渐丰富，若能够，例如借助于大数据分析技术，给出区分正常角膜和病理性角膜的特异性参数，这些参数必将使相关角膜疾病的诊断更加准确。

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CHEN Xinyana, QIN Xiaob, ZHANG Haixiab, LI Linb
a.School of Biomedical Engineering; b.Basic Research of Clinical Biomechanical Application in North City Key Laboratory, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Abstract:Corneal visualization scheimpflug technology (Corvis ST) is a new device which can record the process of corneal deformation and measure the corneal biomechanics. Corvis ST is favored by more and more researchers and ophthalmologists currently. The principles and measurement characteristics of Corvis ST was reviewed comprehensively in this paper. Meanwhile, the application of Corvis ST in cornea, myopia, glaucoma, cataract and other diseases and eyes was introduced. We hope that readers can have a comprehensive understanding of Corvis ST’s principle and its application in ophthalmology clinic through this article.

Key words:corneal visualization scheimpflug technology (Corvis ST); biomechanical properties; keratoconus; myopia detection;glaucoma detection; cataract detection

基金项目：国家自然科学基金（31470914，31370952）；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目（No.CIT&TCD201504096）。

通讯作者：李林，教授，博士生导师，主要研究方向为角膜生物力学研究。

可视化角膜生物力学分析仪在眼科临床中的应用

引言