CAJ | 학술논문

力学问题贯穿于生物体的整个生命过程,对生物体中的力学问题进行定量分析,产生了生物学和物理学的交叉学科——生物力学;其研究重点是生理学、医学有关的力学问题.随着医疗检查诊断技术的发展,人们逐渐认识到眼生物力学性能的重要性.角膜生物力学性能测量在角膜疾病诊断、角膜屈光手术效果预测及眼内压测量等方面都具有非常重要的意义.角膜组织主要由致密交错的胶原纤维束和细胞外基质组成,其生物力学特征颇为复杂,表现为非线弹性、各向异性、黏弹性、区域差异性和年龄相关性等特征.生物力学性能测量的关键是找寻描述生物组织力学特性的本构方程,方程内包含的参量为本构参量,包括应力、应变和弹性模量等.根据测量时生物材料初始状态的差异,角膜生物力学性能参数的测量方法可分为离体和在体测量2种.虽然在体测量具有更为广阔的临床应用前景,然而当前在体测量技术并不成熟.临床常用仪器ORA和Corvis无法提供本构参量,尚不能作为眼生物学性能测量的标准实验手段.笔者就目前国际上常见几种离体测量技术的原理及发展做了详细介绍,以方便相关研究者更好地进行选择,这其中包括:轴向拉伸试验、基于薄壳理论的简单离体角膜膨胀试验、基于逆向建模技术的离体角膜膨胀试验和同样基于逆向建模技术的离体全眼球膨胀试验.将切成条状的角膜试件固定于材料试验机进行单向或双向拉伸,获取本构参量,是为轴向拉伸试验.最早用于角膜生物力学性能的测量,此方法设备简单,容易操作,但对角膜的生理结构破坏较大,测量值存在不小的误差.基于薄壳理论的简单离体角膜膨胀试验:将完整分离的角膜试件固定于填充有液体的前房模拟装置,模拟眼内压对角膜后表面施压并实时记录角膜形变;根据薄壳理论推导公式计算得到角膜组织的本构关系方程.离体角膜膨胀试验保持了角膜组织结构的完整性和提供更接近于角膜生理状态的施力方式,但仍存在破坏角巩膜连续解剖结构、机械固定方式导致应力集中等缺点.因薄壳理论的球形角膜结构和均质性生物力学性能假设限制了膨胀试验结果的精确性,通过构建具有个性化几何特征的角膜有限元生物力学模型,模拟角膜在眼内压力作用下的形变过程,将膨胀试验测量所得眼内压和角膜形变关系曲线作为目标曲线,不断调整本构方程系数使得模拟的角膜形变曲线和目标曲线逐渐逼近,反复迭代运算得到角膜组织本构参量的最优化结果,称为基于逆向建模技术的离体角膜嘭胀试验,具有较好的试验测量精度和可重复性.离体全眼球膨胀试验延续了角巩膜完整的曲面形状和采取接近眼球生理的施力方式,是相对最接近角膜生理状态的测量方法,但该试验也存在设备制作复杂、操作繁琐等缺点.如能在试验过程中提供接近生理状态的眼球支撑方式,解决角巩膜随眼内压力变化过程形变数据的准确提取等技术难题,有望实现对角巩膜组织区域差异性、各向异性及黏弹性等生物力学特征的一体化定量测量分析,具有非常广阔的应用前景. 力學問題貫穿于生物體的整箇生命過程,對生物體中的力學問題進行定量分析,產生瞭生物學和物理學的交扠學科——生物力學;其研究重點是生理學、醫學有關的力學問題.隨著醫療檢查診斷技術的髮展,人們逐漸認識到眼生物力學性能的重要性.角膜生物力學性能測量在角膜疾病診斷、角膜屈光手術效果預測及眼內壓測量等方麵都具有非常重要的意義.角膜組織主要由緻密交錯的膠原纖維束和細胞外基質組成,其生物力學特徵頗為複雜,錶現為非線彈性、各嚮異性、黏彈性、區域差異性和年齡相關性等特徵.生物力學性能測量的關鍵是找尋描述生物組織力學特性的本構方程,方程內包含的參量為本構參量,包括應力、應變和彈性模量等.根據測量時生物材料初始狀態的差異,角膜生物力學性能參數的測量方法可分為離體和在體測量2種.雖然在體測量具有更為廣闊的臨床應用前景,然而噹前在體測量技術併不成熟.臨床常用儀器ORA和Corvis無法提供本構參量,尚不能作為眼生物學性能測量的標準實驗手段.筆者就目前國際上常見幾種離體測量技術的原理及髮展做瞭詳細介紹,以方便相關研究者更好地進行選擇,這其中包括:軸嚮拉伸試驗、基于薄殼理論的簡單離體角膜膨脹試驗、基于逆嚮建模技術的離體角膜膨脹試驗和同樣基于逆嚮建模技術的離體全眼毬膨脹試驗.將切成條狀的角膜試件固定于材料試驗機進行單嚮或雙嚮拉伸,穫取本構參量,是為軸嚮拉伸試驗.最早用于角膜生物力學性能的測量,此方法設備簡單,容易操作,但對角膜的生理結構破壞較大,測量值存在不小的誤差.基于薄殼理論的簡單離體角膜膨脹試驗:將完整分離的角膜試件固定于填充有液體的前房模擬裝置,模擬眼內壓對角膜後錶麵施壓併實時記錄角膜形變;根據薄殼理論推導公式計算得到角膜組織的本構關繫方程.離體角膜膨脹試驗保持瞭角膜組織結構的完整性和提供更接近于角膜生理狀態的施力方式,但仍存在破壞角鞏膜連續解剖結構、機械固定方式導緻應力集中等缺點.因薄殼理論的毬形角膜結構和均質性生物力學性能假設限製瞭膨脹試驗結果的精確性,通過構建具有箇性化幾何特徵的角膜有限元生物力學模型,模擬角膜在眼內壓力作用下的形變過程,將膨脹試驗測量所得眼內壓和角膜形變關繫麯線作為目標麯線,不斷調整本構方程繫數使得模擬的角膜形變麯線和目標麯線逐漸逼近,反複迭代運算得到角膜組織本構參量的最優化結果,稱為基于逆嚮建模技術的離體角膜嘭脹試驗,具有較好的試驗測量精度和可重複性.離體全眼毬膨脹試驗延續瞭角鞏膜完整的麯麵形狀和採取接近眼毬生理的施力方式,是相對最接近角膜生理狀態的測量方法,但該試驗也存在設備製作複雜、操作繁瑣等缺點.如能在試驗過程中提供接近生理狀態的眼毬支撐方式,解決角鞏膜隨眼內壓力變化過程形變數據的準確提取等技術難題,有望實現對角鞏膜組織區域差異性、各嚮異性及黏彈性等生物力學特徵的一體化定量測量分析,具有非常廣闊的應用前景.
역학문제관천우생물체적정개생명과정,대생물체중적역학문제진행정량분석,산생료생물학화물이학적교차학과——생물역학;기연구중점시생이학、의학유관적역학문제.수착의료검사진단기술적발전,인문축점인식도안생물역학성능적중요성.각막생물역학성능측량재각막질병진단、각막굴광수술효과예측급안내압측량등방면도구유비상중요적의의.각막조직주요유치밀교착적효원섬유속화세포외기질조성,기생물역학특정파위복잡,표현위비선탄성、각향이성、점탄성、구역차이성화년령상관성등특정.생물역학성능측량적관건시조심묘술생물조직역학특성적본구방정,방정내포함적삼량위본구삼량,포괄응력、응변화탄성모량등.근거측량시생물재료초시상태적차이,각막생물역학성능삼수적측량방법가분위리체화재체측량2충.수연재체측량구유경위엄활적림상응용전경,연이당전재체측량기술병불성숙.림상상용의기ORA화Corvis무법제공본구삼량,상불능작위안생물학성능측량적표준실험수단.필자취목전국제상상견궤충리체측량기술적원리급발전주료상세개소,이방편상관연구자경호지진행선택,저기중포괄:축향랍신시험、기우박각이론적간단리체각막팽창시험、기우역향건모기술적리체각막팽창시험화동양기우역향건모기술적리체전안구팽창시험.장절성조상적각막시건고정우재료시험궤진행단향혹쌍향랍신,획취본구삼량,시위축향랍신시험.최조용우각막생물역학성능적측량,차방법설비간단,용역조작,단대각막적생리결구파배교대,측량치존재불소적오차.기우박각이론적간단리체각막팽창시험:장완정분리적각막시건고정우전충유액체적전방모의장치,모의안내압대각막후표면시압병실시기록각막형변;근거박각이론추도공식계산득도각막조직적본구관계방정.리체각막팽창시험보지료각막조직결구적완정성화제공경접근우각막생리상태적시력방식,단잉존재파배각공막련속해부결구、궤계고정방식도치응력집중등결점.인박각이론적구형각막결구화균질성생물역학성능가설한제료팽창시험결과적정학성,통과구건구유개성화궤하특정적각막유한원생물역학모형,모의각막재안내압력작용하적형변과정,장팽창시험측량소득안내압화각막형변관계곡선작위목표곡선,불단조정본구방정계수사득모의적각막형변곡선화목표곡선축점핍근,반복질대운산득도각막조직본구삼량적최우화결과,칭위기우역향건모기술적리체각막팽창시험,구유교호적시험측량정도화가중복성.리체전안구팽창시험연속료각공막완정적곡면형상화채취접근안구생리적시력방식,시상대최접근각막생리상태적측량방법,단해시험야존재설비제작복잡、조작번쇄등결점.여능재시험과정중제공접근생리상태적안구지탱방식,해결각공막수안내압력변화과정형변수거적준학제취등기술난제,유망실현대각공막조직구역차이성、각향이성급점탄성등생물역학특정적일체화정량측량분석,구유비상엄활적응용전경.
This study assesses the various methods of ex-vivo material testing for corneal biomechanical properties.Strip-extensometry,corneal inflation and eye globe inflation tests are compared by their experimental methods and results.The range of experimental techniques used to determine the biomechanics of the cornea exhibit individual benefits and complications.Strip-extensometry is the simplest and least costly test,however it is also the least representative of in-vivo conditions; eye globe inflation is the most representative of in-vivo conditions,while being the most costly and complex; and corneal button inflation testing provides representation and complexity somewhere between.