角膜生物力学

一目了然的要点

角膜生物力学是指角膜的粘弹性特性，其兼具弹性和粘性的性质有助于维持视觉功能。
临床上可测量的设备有Ocular Response Analyzer（ORA）和Corvis ST两种，它们分别计算不同的参数。
角膜滞后量（CH）和角膜阻力因子（CRF）是角膜粘弹性的代表性指标，在圆锥角膜、青光眼和屈光矫正手术后降低。
在圆锥角膜的早期检测中，断层生物力学指数（tomographic and biomechanical index）显示出最高的诊断准确性。
角膜生物力学受年龄、中央角膜厚度、眼压、激素、含水量和糖尿病等因素影响。
角膜的力学特性因深度和部位而异；前部基质比后部更硬，下方旁中心区域最脆弱。
布里渊显微镜和SSI图等三维评估技术的开发正在进行中。

1. 什么是角膜生物力学？

角膜生物力学是涵盖角膜力学特性的概念。角膜是一种兼具弹性和粘性特性的“粘弹性体”，其在外力作用下的变形和恢复行为决定了其功能。

“弹性”是指固体在压力下变形后恢复原状的性质。“粘性”表示液体的粘稠程度。大多数生物组织都是具有这两种特性的粘弹性体，角膜也不例外。

当压力施加于角膜时，它会变形；压力释放后，它试图恢复原状。在此过程中，加载和卸载曲线并不重合。这种现象称为滞后现象。滞后是变形和恢复过程中耗散能量的指标，反映了角膜的力学特性¹⁾。

角膜的弹性模量（杨氏模量）根据体外测量条件和方法的不同，报告范围很广，从0.1到57 MPa不等¹⁾。杨氏模量越高，组织越硬，越不易变形。

角膜生物力学在以下临床场景中日益重要：

圆锥角膜的早期检测：生物力学变化先于形态变化⁵⁾。
屈光手术的安全性评估：用于预测术后角膜扩张的风险⁷⁾。
眼压测量的校正：角膜材料特性影响压平眼压计的读数⁵⁾。

目前，能够在体内定量评估角膜生物力学的设备有两种：Ocular Response Analyzer（ORA）和Corvis ST。角膜生物力学的概念仍然较新，测量结果的解释仍有待进一步研究。

Q 什么是角膜滞后？

角膜滞后（CH）是指角膜在受到气流冲击变形时，加压和减压阶段压平压力之差（P1 − P2）所测量的参数。它反映了角膜的粘弹性特性，特别是能量吸收和耗散能力。CH在圆锥角膜中降低，详见“临床意义与应用”部分。

3. 影响生物力学的因素

角膜生物力学受多种因素影响¹⁾。临床重要因素总结如下。

年龄

随着年龄增长，角膜硬度显著增加¹⁾。这主要是由于胶原交联的自然增加和糖化引起的纤维修饰。

Tahsini等人（2025）分析了72名健康受试者的SSI图，显示应力-应变指数（SSI）从20-50岁组的0.938 ± 0.067显著增加到50-80岁组的1.143 ± 0.064（Pearson r = 0.92, p < 0.001）³⁾。硬化速度因区域而异，在原本较硬的区域进展更快。

中央角膜厚度（CCT）

CCT与CH和CRF呈正相关¹⁾。角膜越厚，这些值越高。CCT也影响眼压测量，较厚的角膜往往高估眼压。

眼压

眼压（IOP）与角膜生物力学的关系复杂¹⁾。IOP升高会降低CH测量值，但这部分是由于测量系统的特性，而非角膜真实材料特性的变化。在青光眼患者中，低CH已被报道为视野进展的风险因素。

激素

雌激素影响胶原交联，降低角膜硬度¹⁾。CH在月经周期和怀孕期间波动。怀孕期间通常应避免屈光手术。

含水量

在角膜水肿中，随着含水率升高，刚度降低¹⁾。维持正常含水率（约78%）有助于力学稳定性。

糖尿病

在糖尿病中，胶原蛋白的非酶糖化进展，导致角膜刚度升高¹⁾。有报告显示糖尿病患者的CH和CRF高于健康者。

角膜交联（CXL）

CXL是一种利用长波长紫外线（UVA）和核黄素增强胶原纤维间交联，从而提高角膜刚度的治疗方法¹⁾。CXL后SP-A1升高，客观反映刚度改善。关于CXL抑制圆锥角膜进展的详细内容，请参见“临床意义与应用”一节。

Q 角膜会随着年龄增长而变硬吗？

随着年龄增长，角膜会变硬。胶原交联的自然增加和糖化是主要原因，使用SSI图的研究显示，从20-50岁组到50-80岁组，SSI上升约22%³⁾。但硬化速度因部位而异，原本较硬的中央部和周边部进展更快。

4. 测量方法与检查

目前有两种临床设备可在体内测量角膜生物力学。实验性方法如布里渊显微镜和光学相干弹性成像（OCE）正在开发中¹⁾。

主要测量设备的特点如下所示。

设备	主要参数	特点
ORA	CH, CRF	反映粘弹性
Corvis ST	SP-A1, CBI, 创伤性脑损伤	视频变形分析
布里渊显微镜	弹性模量	3D深层映射

Ocular Response Analyzer（ORA）

ORA是Reichert公司生产的非接触式气喷装置²⁾。它利用红外光对中央3-6毫米的角膜进行光电监测，同时施加和释放压力，在大约30毫秒内测量角膜的变形和恢复过程。

计算的主要参数如下：

角膜滞后量（CH）：加压时的气压P1与减压时的气压P2之差（P1 − P2）。反映角膜吸收和耗散能量的能力。
角膜阻力因子（CRF）：通过P1 − kP2（k = 0.7）计算²⁾。与CCT的相关性比CH更强，是相对独立于IOP的角膜阻力指标。
IOPg：Goldmann相关眼压。
IOPcc：角膜补偿眼压。受CCT和CH影响较小。

CH主要反映角膜的粘性特性，而CRF主要反映弹性特性²⁾。

Corvis ST

Corvis ST（Oculus公司）使用每秒4,330帧的高速Scheimpflug相机连续拍摄水平方向8.5 mm的角膜截面，记录空气喷射引起的角膜变形视频²⁾。

角膜变形参数主要在三个时间点计算：

第一次压平（applanation 1）
最大凹陷（highest concavity）
第二次压平（applanation 2）

每个时间点计算经过时间、压平长度、变形速度和角膜顶点位移。主要临床参数如下：

SP-A1：根据第一次压平时的气压、眼压和角膜顶点位移计算的角膜刚度参数。圆锥角膜时低值，CXL后升高。
CBI（Corvis生物力学指数）：通过逻辑回归整合多个参数的指标。在截断值0.5时达到98.2%的正确分类率²⁾。
断层扫描与生物力学指数（TBI）：利用AI整合Pentacam HR断层扫描数据和Corvis ST生物力学数据的指标²⁾。在圆锥角膜早期检测中显示出最高准确性。
SSI（应力-应变指数）：基于有限元建模估计角膜材料应力-应变特性的指标³⁾。
DA比值：角膜顶点与距离1 mm和2 mm处变形振幅的比值。
IR（积分半径）：最大凹陷时曲率倒数的积分值。数值越低表示角膜抵抗变形能力越强。

Corvis ST与ORA一样可用作眼压计，并计算生物力学矫正眼压（bIOP）。

ORA

空气脉冲双向压平法：通过红外线追踪角膜的变形和恢复。

参数：CH、CRF、IOPg、IOPcc。提供整体粘弹性指标。

2005年上市：首款能够在体内测量角膜生物力学的商用设备。

Corvis ST

高速Scheimpflug相机：以每秒4,330帧的速度记录角膜横截面变形的视频。

参数：SP-A1、CBI、TBI、SSI、DA比等。可计算与断层扫描的综合指标。

可扩展性：可实现SSI图等新指标以及与Pentacam HR的AI集成分析。

布里渊显微镜

布里渊显微镜分析光与声子之间的相互作用，以非侵入性方式三维映射角膜的生物力学特性¹⁾。通过GHz频率偏移估计组织的纵向弹性模量。

ORA和Corvis ST测量整个角膜的平均响应，而布里渊显微镜具有深度分辨率，可以可视化局部弹性分布¹⁾。它有望用于CXL后交联效应的深度依赖性评估以及圆锥角膜局部刚度降低的检测。目前，测量时间长和环境因素影响仍是挑战，尚未达到临床应用。

光学相干弹性成像（OCE）

光学相干弹性成像（OCE）是一种通过外力测量角膜基质内部位移的技术¹⁾。它可以评估角膜中层和后层的应变，有助于分析深度依赖的生物力学特性。

Q ORA和Corvis ST有什么区别？

ORA通过红外信号的变化计算角膜滞后量（CH）和角膜阻力因子（CRF），整体评估粘弹性。Corvis ST使用高速Scheimpflug相机记录角膜横截面的变形视频，并计算多个动态参数。Corvis ST的特点是与Pentacam HR集成后，可以利用基于AI的复合指标，如创伤性脑损伤。

5. 临床意义与应用

角膜生物力学的测量在圆锥角膜的早期检测、屈光手术评估、眼压测量校正以及CXL疗效评估中发挥重要作用。

圆锥角膜的早期检测

在角膜扩张性疾病中，生物力学变化先于形态变化发生⁵⁾。即使在地形图或断层扫描无法检测到异常的阶段，生物力学评估也可能实现早期诊断。

在早期圆锥角膜中，局部弹性模量下降与胶原纤维破坏相关，启动生物力学失代偿循环⁷⁾。应力增加并重新分布，导致角膜陡峭化和变薄。

早期圆锥角膜检测中主要指标的诊断性能如下⁷⁾：

指标	SUCRA值	备注
创伤性脑损伤	96.2	精度最高
CBI	83.8	次优指标
CRF	66.4	ORA来源

Brar等人的标准将生物力学可疑眼定义为CBI > 0.5和TBI > 0.29 ⁷⁾。为避免假阴性，建议联合使用角膜地形图（如Scheimpflug成像）和生物力学评估 ⁵⁾⁷⁾。

Wang等人（2025）的综述指出，地形图与生物力学联合模型在检测FFKC（圆锥角膜顿挫型）方面优于单一参数。Luz等人的逻辑回归模型AUROC达到0.953（敏感性85.71%，特异性98.68%）²⁾。

基于ORA的研究显示，FFKC眼的CH和CRF显著低于正常眼 ²⁾。VAE-NT（极不对称扩张伴正常地形图）眼的CH为8.5 ± 1.5 mmHg，CRF为8.3 ± 1.5 mmHg，均低于正常对照组 ²⁾。

Corvis ST的TBI在VAE-NT眼中AUROC为0.985，CBI敏感性（99.1%）和TBI敏感性（99.6%）在地形图异常圆锥角膜检测中均达到极高值 ²⁾。

屈光手术与生物力学

屈光手术通过切除或变形角膜基质改变角膜生物力学特性 ⁴⁾。术后角膜扩张虽罕见（0.04–0.6%）但严重，术前生物力学评估至关重要 ⁴⁾。

Pniakowska等人（2023）对17项前瞻性研究的系统评价发现，生物力学下降程度依次为：LASIK（制作角膜瓣的基质切削）最大，其次为SMILE（透镜取出），表面切削术（PRK/LASEK）最小 ⁴⁾。

术后生物力学的主要发现：

角膜瓣厚度：LASIK中较薄的角膜瓣能更好地保留生物力学性能 ⁴⁾
帽厚度：SMILE中较厚的帽（140 µm vs 110 µm）有利于保留生物力学性能 ⁴⁾
切削量：切除的角膜组织厚度直接影响生物力学强度，建议尽量减少切削量 ⁷⁾
光学区直径：不合理地扩大光学区会导致CRF下降，不推荐 ⁷⁾

表面切削术后CH和CRF的一般平均值分别为CH 8.68 ± 0.94 mmHg、CRF 8.39 ± 1.08 mmHg ⁴⁾。SMILE术后3个月时CH显著高于LASEK，但3年后两组间差异消失⁴⁾。

有报道称，联合使用生物力学指标和地形图参数可将屈光手术的预测精度提高25%以上⁷⁾。角膜刚度低的患者术后残余屈光不正的风险高出2~3倍⁷⁾。

对眼压测量的影响

Goldmann压平眼压计（GAT）测量眼压受角膜厚度和生物力学特性的影响⁵⁾。

在角膜扩张性疾病或屈光手术后，组织变薄和生物力学脆弱化会导致压平眼压人为偏低⁵⁾。推荐使用以下替代设备：

气动眼压计
角膜厚度补偿眼压（IOPcc）
动态轮廓眼压计（DCT）
回弹式眼压计

ORA计算的IOPcc受CCT和CH影响较小，能更准确地反映真实眼压。

角膜交联术（CXL）

CXL是一种利用核黄素和UVA增强角膜基质交联的治疗方法，对阻止圆锥角膜进展有效⁶⁾。它增加角膜的生物力学刚度，但直接超微结构水平的作用机制证据尚不充分⁶⁾。

Larkin等人（2021）在Keralink多中心随机对照试验中研究了年轻圆锥角膜患者CXL的疗效。圆锥角膜患病率在荷兰为1:375，在澳大利亚20岁人群中达1:84⁶⁾。据报道CXL对大多数成人圆锥角膜进展的抑制有效，但置信区间宽且存在偏倚风险⁶⁾。

CXL后SP-A1升高，可通过Corvis ST客观评估角膜刚度的改善¹⁾。需要注意需要一定的角膜厚度；对于高度变薄的病例，已有如sub400方案等改良方法的报道。

Q 哪种屈光手术对生物力学影响最小？

表面切削术（PRK/LASEK）对生物力学影响最小，其次是SMILE，再次是LASIK ⁴⁾。SMILE由于不制作角膜瓣，角膜前表面的结构完整性更容易保持。LASIK中制作薄瓣、SMILE中制作厚帽有利于保持。

6. 病理生理学与详细发病机制

角膜微结构与生物力学

角膜由五层结构（上皮、鲍曼层、基质、后弹力层、内皮）组成，占厚度约90%的基质决定了生物力学特性 ¹⁾。基质由I型和V型胶原纤维及蛋白聚糖构成。胶原纤维的取向、密度和交联是决定生物力学特性的主要因素。

角膜的力学行为具有以下特性 ¹⁾：

非线性应力-应变响应：在高应变下逐渐硬化。
非线性粘弹性响应：每次加载循环产生不同的滞后。
深度依赖性：前部基质比后部基质强度更高。
区域差异：由于胶原纤维取向和密度的差异，旁中央区和周边区与中央区表现出不同的刚度。

区域刚度分布

Tahsini等人（2025）使用SSI图将角膜分为中央区、旁中央区（4个区域）和周边区（4个区域）共9个区域，并分析了各区域的硬度。中央区和周边区的平均SSI较高，为1.153 ± 0.079，而旁中央区较低，为0.890 ± 0.057。特别是下方旁中央区（区域4和5）最脆弱，SSI为0.833³⁾。

下方旁中央区的脆弱性与圆锥角膜典型地发生在下方的临床事实一致³⁾。这表明原本力学上较弱的部位更容易发生生物力学代偿失调。

上方旁中央区（SSI = 0.945）和下方旁中央区（SSI = 0.833）之间也存在显著差异，鼻侧（SSI = 0.903）比颞侧（SSI = 0.879）显示出略高的硬度³⁾。

圆锥角膜中的生物力学代偿失调

在圆锥角膜早期，局部弹性模量下降，胶原纤维开始崩解和变性⁷⁾。这启动了生物力学代偿失调循环：

局部弹性模量下降
应力水平升高和重新分布
角膜变陡和变薄
进一步力学脆弱化

在病变区域，观察到胶原降解增加、角膜细胞（角膜基质细胞）消失、胶原交联减少以及应力-应变反应显著减弱。遗传、揉眼习惯、隐形眼镜引起的微创伤和特应性体质被认为是导致生物力学变性的因素。

Q 角膜的哪个部分最弱？

根据SSI图分析，下方旁中央区显示出最低的硬度值（SSI = 0.833）³⁾。该区域与圆锥角膜的好发部位一致，表明固有的力学脆弱性可能参与疾病的发生。

7. 最新研究与未来展望

SSI II地图（二维刚度映射）

SSI II（SSI地图）是一种基于有限元建模和胶原纤维分布模型，以二维方式可视化角膜表面刚度分布的新技术²⁾³⁾。

Tahsini等人（2025）使用SSI地图分析了与年龄相关的角膜刚度区域变化。硬化在原本较硬的区域（周边部：0.0058–0.0067/年）进展较快，在较弱的区域（下方旁中心部：0.0039/年）进展较慢。右眼和左眼的SSI显示出极高的相关性（Pearson r = 0.96）³⁾。

SSI地图有望用于理解圆锥角膜的发生和进展机制，以及个性化CXL治疗。预计将根据患者年龄和角膜区域进行个性化治疗应用³⁾。

人工智能（AI）早期诊断

引入AI和机器学习方法提高了圆锥角膜检测的准确性²⁾。

根据Wang等人（2025）的综述，AI算法在检测显性圆锥角膜方面达到约98%的准确率，但在亚临床型中仅约90%，仍存在漏诊风险²⁾。

使用随机森林方法，整合Pentacam HR和Corvis ST指标，在亚临床圆锥角膜分类中报告了93%的特异性和86%的敏感性²⁾。使用反向传播神经网络的诊断模型实现了0.877的AUROC，显示出优于CBI（0.610）和TBI（0.659）的FFKC检测能力²⁾。

布里渊显微镜的进展

布里渊显微镜作为一种能够实现角膜三维弹性映射的技术而受到关注¹⁾。它在CXL后交联效应的深度评估和圆锥角膜局部刚度降低的可视化方面显示出实用性。未来方向包括通过AI集成提高测量精度和临床实用化¹⁾。

利用双眼不对称性检测

圆锥角膜是双眼发病的，但一只眼可能保持无症状（FFKC/VAE-NT）²⁾。通过生物力学评估单眼临床圆锥角膜患者的对侧眼，正在尝试预测未来的发病风险。TBI在VAE-NT眼中显示出高检测敏感性，双眼比较可能为早期诊断提供线索²⁾。

8. 参考文献

Komninou MA, Seiler TG, Enzmann V. Corneal biomechanics and diagnostics: a review. Int Ophthalmol. 2024;44:132.
Wang X, Maeno S, Wang Y, et al. Early diagnosis of keratoconus using corneal biomechanics and OCT derived technologies. Eye Vis (Lond). 2025;12:18.
Tahsini V, Jiménez-García M, Makarem A, et al. Regional corneal biomechanics assessment as a function of age using Strain-Stress Index maps. Ophthalmic Physiol Opt. 2025;45:1773-1779.
Pniakowska Z, Jurowski P, Wierzbowska J. Clinical evaluation of corneal biomechanics following laser refractive surgery in myopic eyes: a review of the literature. J Clin Med. 2023;12:243.
American Academy of Ophthalmology Corneal/External Disease Preferred Practice Pattern Panel. Corneal Ectasia Preferred Practice Pattern. 2024.
Larkin DFP, Chowdhury K, Burr JM, et al. Effect of corneal cross-linking versus standard care on keratoconus progression in young patients: The Keralink randomized controlled trial. Ophthalmology. 2021;128:1516-1526.
Evidence-based guidelines for keratorefractive lens extraction. Ophthalmology. 2025;132(4):395-423.