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青光眼

眼科中的计算流体力学（CFD in Ophthalmology）

1. 眼科中的计算流体力学是什么？

Section titled “1. 眼科中的计算流体力学是什么？”

计算流体力学（CFD）是一种基于纳维-斯托克斯方程，使用数值方法和算法分析流体流动的计算科学技术。通过将流体力学定律应用于表示结构的计算模型，可以推断流动模式、压力分布、剪切应力等。

眼睛是含有高浓度流体（房水、玻璃体）的器官，非常适合作为 CFD 分析的模型。眼科中的主要应用领域如下：

  • 房水动力学与青光眼：前房内流动、小梁网流出阻力、眼压调节机制的分析。
  • 玻璃体内药物动力学：玻璃体注射或植入后药物分布的模拟。
  • 晶状体与调节：热传导模型、调节时晶状体变形、白内障手术中的流体力学。

CFD 在心血管领域（动脉粥样硬化、支架设计）已取得显著成果。近年来，与包括眼科在内的其他医学领域的合作不断推进，多学科团队（医生、数学家、物理学家）协作的研究日益活跃。

纳维-斯托克斯方程的简化阶段：去除粘性项得到欧拉方程，进一步去除涡量项得到全势方程，线性化得到线性化势方程。在前房稳态下，最大雷诺数非常小，约为0.01，但对于瞬目等瞬态现象，需要使用完整的纳维-斯托克斯方程。

Q 什么是CFD？它在眼科中如何应用？
A

CFD（计算流体动力学）是一种用计算机模拟流体流动的技术。在眼科中，它主要应用于分析导致青光眼的房水流动异常、预测玻璃体注射后的药物扩散、以及优化白内障手术中的流体行为。由于眼睛是含有大量液体的器官，它非常适合作为CFD分析的模型。

6. 房水动力学的流体力学基础

Section titled “6. 房水动力学的流体力学基础”

房水的产生与流出

Section titled “房水的产生与流出”

房水由睫状体冠部的无色素上皮分泌到后房。白天的产生量约为3.0 μL/分钟，标准前房容积（约250 μL）的房水每1至2小时更换一次。房水通过瞳孔流入前房，主要通过小梁网-施莱姆管通路（主通路：80-95%）和葡萄膜巩膜流出通路（副通路：5-20%）排出2)。

主通路流出阻力的主要部位是存在细胞外基质（ECM） 的近小管结缔组织区域4)。ECM的持续更新对于维持眼压调节是必要的，并且实验表明，通过操作小梁网的ECM可以改变流出率4)。

“流出通路具有一种稳态机制，能够感知持续的压力偏差，并通过补偿性调整流出阻力来维持眼压在正常范围内”4)

施莱姆管内壁内皮细胞（SCE）的基底膜发育出亚微米级的不连续结构，房水通过巨泡和孔隙经此排出4)。近小管结缔组织（JCT）中的细胞通过操纵多功能蛋白聚糖的取向和浓度来调节流出阻力的假说已得到验证4)。

眼压与机械应力

Section titled “眼压与机械应力”

眼压是一个不能简化为单一数值的复杂参数3)。它随时间变化，在眼内不同位置也不同，并且还受测量方法的影响3)。

眼压的特征内容
定义与大气压的压差（mmHg）
正常眼压约15 mmHg（大气压+2 kPa）
日内波动夜间房水生成减半

眼压产生的机械应变在视神经乳头（ONH）处影响轴突功能，导致局部ECM重塑和视网膜神经节细胞（RGC）死亡3)。筛板（LC）是覆盖巩膜管开口的窗状结构，被认为是青光眼损伤的主要部位3)。

在正常眼中，LC区域的最大主应变在5至45 mmHg加压下约为3%，周边部高于中心部3)。据报道，高眼压症眼（3.96%）、原发性开角型青光眼（POAG）眼（6.04%）和原发性闭角型青光眼（PACG）眼（4.05%）的有效应变因疾病类型而异3)。

眼压依赖性因素

机械应力：眼压使筛板的结缔组织梁变形。高眼压导致LC广泛重塑和后移3)

轴突运输障碍：眼压相关应变在LC处阻断顺行性和逆行性轴突运输3)

机械传感器：细胞膜变形→离子通道开放、整合素结合信号→细胞反应3)

非眼压依赖性因素

循环障碍：与视盘出血、视盘周围萎缩、低眼灌注压、低舒张压相关

风险因素：高龄、家族史、大杯盘比、薄角膜、低角膜滞后1)2)

RGC死亡：凋亡途径、神经营养因子耗竭、线粒体聚集

Q 房水流出阻力发生在哪里？
A

房水流出阻力的主要部位是小梁网最深层的近Schlemm管结缔组织（JCT）的细胞外基质。该区域的ECM持续更新以维持眼压在正常范围。青光眼时，这种调节机制失效，导致流出阻力异常升高。CFD通过数值分析这一微结构水平的流体行为，有助于理解病理机制。

7. 最新研究与未来展望

Section titled “7. 最新研究与未来展望”

前房内房水流动的计算建模

Section titled “前房内房水流动的计算建模”

已确定以下五种物理机制可引起前房内的房水流动：

  1. 角膜前表面与虹膜之间的温差引起的浮力驱动流（自然对流）
  2. 睫状体产生房水引起的流动
  3. 仰卧位时浮力与重力的相互作用
  4. 晶状体振荡（phacodonesis）引起的流动
  5. REM睡眠期间快速眼球运动引起的流动

温度梯度引起的浮力驱动流最为主要，其流速比其他物理机制引起的流速高出几个数量级。通过CFD计算剪切应力表明，仅靠浮力驱动流无法解释虹膜色素颗粒的脱落。

激光虹膜切开术后的剪切应力

Section titled “激光虹膜切开术后的剪切应力”

利用CFD分析了激光虹膜切开术（LI）后房水流动变化对角膜内皮细胞（CEC）产生的剪切应力。特别是在前房较浅的眼睛中，LI后CEC受到的剪切应力可能达到足以引起细胞损伤和丢失的程度。

玻璃体内药物动力学模拟

Section titled “玻璃体内药物动力学模拟”

玻璃体注射或植入物后眼后段药物分布的CFD模拟显示，注射时间、针头规格和刺入角度会影响药物浓度分布。植入物的放置位置（前部 vs 后部）和形状也会影响眼内药物浓度。此类模型可能有助于优化治疗效果并降低组织毒性。

晶状体与调节的CFD分析

Section titled “晶状体与调节的CFD分析”

晶状体的热传递模型表明，职业性热暴露（如面包房）可能对晶状体造成损伤。此外，对色素性青光眼中调节作用的计算评估证实，调节会导致虹膜后部向后弯曲，且弯曲程度强烈依赖于调节量。

目前也在尝试利用CFD研究改良型有晶状体眼后房型人工晶状体（ICL）的房水流体力学特性，该晶状体中央开孔以改善房水循环。

Q CFD如何为青光眼研究做出贡献？
A

CFD在多个方面有助于理解青光眼的病理生理学。具体包括：(1)前房内房水流动模式和温度分布的分析，(2)通过小梁网的流出阻力的定量评估，(3)激光治疗后角膜内皮细胞剪切应力的预测，(4)房水与虹膜相互作用的建模，(5)瞳孔阻滞机制的分析。未来，通过与临床数据的整合，有望应用于为个体患者制定优化的治疗策略。

8. 参考文献

Section titled “8. 参考文献”
  1. European Glaucoma Society. European Glaucoma Society Terminology and Guidelines for Glaucoma, 5th Edition. Br J Ophthalmol. 2025.
  2. 日本緑内障学会. 緑内障診療ガイドライン（第5版）. 日眼会誌. 2022;126(2):85-177.
  3. Pitha IA, Du L, Nguyen TD, Quigley HA. 眼圧 and glaucoma damage: The essential role of optic nerve head and retinal mechanosensors. Prog Retin Eye Res. 2023;99:101232.
  4. Acott TS, Vranka JA, Keller KE, Raghunathan V, Kelley MJ. Normal and glaucomatous outflow regulation. Prog Retin Eye Res. 2021;82:100897.

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