角膜生物力學

一目瞭然的要點

角膜生物力學是指角膜的黏彈性特性，其兼具彈性與黏性的性質有助於維持視覺功能。
臨床上可測量的設備有Ocular Response Analyzer（ORA）和Corvis ST兩種，它們分別計算不同的參數。
角膜滯後量（CH）和角膜阻力因子（CRF）是角膜黏彈性的代表性指標，在圓錐角膜、青光眼和屈光矯正手術後降低。
在圓錐角膜的早期檢測中，斷層生物力學指數（tomographic and biomechanical index）顯示出最高的診斷準確性。
角膜生物力學受年齡、中央角膜厚度、眼壓、荷爾蒙、含水量和糖尿病等因素影響。
角膜的力學特性因深度和部位而異；前部基質比後部更硬，下方旁中心區域最脆弱。
布里淵顯微鏡和SSI圖等三維評估技術的開發正在進行中。

1. 什麼是角膜生物力學？

角膜生物力學是涵蓋角膜力學特性的概念。角膜是一種兼具彈性和黏性特性的「黏彈性體」，其在外力作用下的變形和恢復行為決定了其功能。

「彈性」是指固體在壓力下變形後恢復原狀的性質。「黏性」表示液體的黏稠程度。大多數生物組織都是具有這兩種特性的黏彈性體，角膜也不例外。

當壓力施加於角膜時，它會變形；壓力釋放後，它試圖恢復原狀。在此過程中，加載和卸載曲線並不重合。這種現象稱為滯後現象。滯後是變形和恢復過程中耗散能量的指標，反映了角膜的力學特性¹⁾。

角膜的彈性模量（楊氏模量）根據體外測量條件和方法的不同，報告範圍很廣，從0.1到57 MPa不等¹⁾。楊氏模量越高，組織越硬，越不易變形。

角膜生物力學在以下臨床場景中日益重要：

圓錐角膜的早期檢測：生物力學變化先於形態變化⁵⁾。
屈光手術的安全性評估：用於預測術後角膜擴張的風險⁷⁾。
眼壓測量的校正：角膜材料特性影響壓平眼壓計的讀數⁵⁾。

目前，能夠在體內定量評估角膜生物力學的設備有兩種：Ocular Response Analyzer（ORA）和Corvis ST。角膜生物力學的概念仍然較新，測量結果的解釋仍有待進一步研究。

Q 什麼是角膜遲滯？

角膜遲滯（CH）是指角膜在受到氣流衝擊變形時，加壓和減壓階段壓平壓力之差（P1 − P2）所測量的參數。它反映了角膜的黏彈性特性，特別是能量吸收和耗散能力。CH在圓錐角膜中降低，詳見「臨床意義與應用」部分。

3. 影響生物力學的因素

角膜生物力學受多種因素影響¹⁾。臨床重要因素總結如下。

年齡

隨著年齡增長，角膜硬度顯著增加¹⁾。這主要是由於膠原交聯的自然增加和糖化引起的纖維修飾。

Tahsini等人（2025）分析了72名健康受試者的SSI圖，顯示應力-應變指數（SSI）從20-50歲組的0.938 ± 0.067顯著增加到50-80歲組的1.143 ± 0.064（Pearson r = 0.92, p < 0.001）³⁾。硬化速度因區域而異，在原本較硬的區域進展更快。

中央角膜厚度（CCT）

CCT與CH和CRF呈正相關¹⁾。角膜越厚，這些值越高。CCT也影響眼壓測量，較厚的角膜往往高估眼壓。

眼壓

眼壓（IOP）與角膜生物力學的關係複雜¹⁾。IOP升高會降低CH測量值，但這部分是由於測量系統的特性，而非角膜真實材料特性的變化。在青光眼患者中，低CH已被報導為視野進展的風險因素。

激素

雌激素影響膠原交聯，降低角膜硬度¹⁾。CH在月經週期和懷孕期間波動。懷孕期間通常應避免屈光手術。

含水量

在角膜水腫中，隨著含水率上升，剛性降低¹⁾。維持正常含水率（約78%）有助於力學穩定性。

糖尿病

在糖尿病中，膠原蛋白的非酶糖化進展，導致角膜剛性升高¹⁾。有報告顯示糖尿病患者的CH和CRF高於健康者。

角膜交聯（CXL）

CXL是一種利用長波長紫外線（UVA）和核黃素增強膠原纖維間交聯，從而提高角膜剛性的治療方法¹⁾。CXL後SP-A1升高，客觀反映剛性改善。關於CXL抑制圓錐角膜進展的詳細內容，請參見「臨床意義與應用」一節。

Q 角膜會隨著年齡增長而變硬嗎？

隨著年齡增長，角膜會變硬。膠原交聯的自然增加和糖化是主要原因，使用SSI圖的研究顯示，從20-50歲組到50-80歲組，SSI上升約22%³⁾。但硬化速度因部位而異，原本較硬的中央部和周邊部進展更快。

4. 測量方法與檢查

目前有兩種臨床設備可在體內測量角膜生物力學。實驗性方法如布里淵顯微鏡和光學相干彈性成像（OCE）正在開發中¹⁾。

主要測量設備的特點如下所示。

設備	主要參數	特點
ORA	CH, CRF	反映黏彈性
Corvis ST	SP-A1, CBI, 創傷性腦損傷	影片變形分析
布里淵顯微鏡	彈性模數	3D深層映射

Ocular Response Analyzer（ORA）

ORA是Reichert公司製造的非接觸式氣噴裝置²⁾。它利用紅外光對角膜中央3-6毫米進行光電監測，同時加壓和減壓，在大約30毫秒內測量角膜的變形和恢復過程。

計算的主要參數如下：

角膜遲滯量（CH）：加壓時氣壓P1與減壓時氣壓P2的差值（P1 − P2）。反映角膜吸收和耗散能量的能力。
角膜阻力因子（CRF）：通過P1 − kP2（k = 0.7）計算²⁾。與CCT的相關性比CH更強，是相對獨立於IOP的角膜阻力指標。
IOPg：Goldmann相關眼壓。
IOPcc：角膜補償眼壓。較不受CCT和CH影響。

CH主要反映角膜的黏性特性，而CRF主要反映彈性特性²⁾。

Corvis ST

Corvis ST（Oculus公司）使用每秒4,330幀的高速Scheimpflug相機連續拍攝水平方向8.5 mm的角膜截面，記錄空氣噴流引起的角膜變形影片²⁾。

角膜變形參數主要在三個時間點計算：

第一次壓平（applanation 1）
最大凹陷（highest concavity）
第二次壓平（applanation 2）

每個時間點計算經過時間、壓平長度、變形速度和角膜頂點位移。主要臨床參數如下：

SP-A1：根據第一次壓平時的氣壓、眼壓和角膜頂點位移計算的角膜剛度參數。圓錐角膜時低值，CXL後升高。
CBI（Corvis生物力學指數）：透過邏輯迴歸整合多個參數的指標。在切點0.5時達到98.2%的正確分類率²⁾。
斷層掃描與生物力學指數（TBI）：利用AI整合Pentacam HR斷層掃描數據和Corvis ST生物力學數據的指標²⁾。在圓錐角膜早期檢測中顯示最高準確性。
SSI（應力-應變指數）：基於有限元素建模估計角膜材料應力-應變特性的指標³⁾。
DA比值：角膜頂點與距離1 mm和2 mm處變形振幅的比值。
IR（積分半徑）：最大凹陷時曲率倒數的積分值。數值越低表示角膜抵抗變形能力越強。

Corvis ST與ORA一樣可用作眼壓計，並計算生物力學矯正眼壓（bIOP）。

ORA

空氣脈衝雙向壓平法：透過紅外線追蹤角膜的變形和恢復。

參數：CH、CRF、IOPg、IOPcc。提供整體黏彈性指標。

2005年上市：首款能夠在體內測量角膜生物力學的商用設備。

Corvis ST

高速Scheimpflug相機：以每秒4,330幀的速度記錄角膜橫截面變形的影片。

參數：SP-A1、CBI、TBI、SSI、DA比等。可計算與斷層掃描的綜合指標。

可擴展性：可實現SSI圖等新指標以及與Pentacam HR的AI整合分析。

布里淵顯微鏡

布里淵顯微鏡分析光與聲子之間的相互作用，以非侵入性方式三維映射角膜的生物力學特性¹⁾。透過GHz頻率偏移估計組織的縱向彈性模數。

ORA和Corvis ST測量整個角膜的平均反應，而布里淵顯微鏡具有深度解析度，可以視覺化局部彈性分佈¹⁾。它有望用於CXL後交聯效應的深度依賴性評估以及圓錐角膜局部剛度降低的檢測。目前，測量時間長和環境因素影響仍是挑戰，尚未達到臨床應用。

光學相干彈性成像（OCE）

光學相干彈性成像（OCE）是一種透過外力測量角膜基質內部位移的技術¹⁾。它可以評估角膜中層和後層的應變，有助於分析深度依賴的生物力學特性。

Q ORA和Corvis ST有什麼區別？

ORA透過紅外線訊號的變化計算角膜滯後量（CH）和角膜阻力因子（CRF），整體評估黏彈性。Corvis ST使用高速Scheimpflug相機記錄角膜橫截面的變形影片，並計算多個動態參數。Corvis ST的特點是與Pentacam HR整合後，可以利用基於AI的複合指標，如創傷性腦損傷。

5. 臨床意義與應用

角膜生物力學的測量在圓錐角膜的早期檢測、屈光手術評估、眼壓測量校正以及CXL療效評估中扮演重要角色。

圓錐角膜的早期檢測

在角膜擴張性疾病中，生物力學變化先於形態變化發生⁵⁾。即使在地形圖或斷層掃描無法檢測到異常的階段，生物力學評估也可能實現早期診斷。

在早期圓錐角膜中，局部彈性模數下降與膠原纖維破壞相關，啟動生物力學代償失調循環⁷⁾。應力增加並重新分佈，導致角膜陡峭化和變薄。

早期圓錐角膜檢測中主要指標的診斷性能如下⁷⁾：

指標	SUCRA值	備註
創傷性腦損傷	96.2	精度最高
CBI	83.8	次佳指標
CRF	66.4	ORA來源

Brar等人的標準將生物力學可疑眼定義為CBI > 0.5和TBI > 0.29 ⁷⁾。為避免偽陰性，建議聯合使用角膜斷層掃描（如Scheimpflug成像）和生物力學評估 ⁵⁾⁷⁾。

Wang等人（2025）的綜述指出，斷層掃描與生物力學聯合模型在檢測FFKC（圓錐角膜頓挫型）方面優於單一參數。Luz等人的邏輯回歸模型AUROC達到0.953（敏感性85.71%，特異性98.68%）²⁾。

基於ORA的研究顯示，FFKC眼的CH和CRF顯著低於正常眼 ²⁾。VAE-NT（極不對稱擴張伴正常地形圖）眼的CH為8.5 ± 1.5 mmHg，CRF為8.3 ± 1.5 mmHg，均低於正常對照組 ²⁾。

Corvis ST的TBI在VAE-NT眼中AUROC為0.985，CBI敏感性（99.1%）和TBI敏感性（99.6%）在地形圖異常圓錐角膜檢測中均達到極高值 ²⁾。

屈光手術與生物力學

屈光手術通過切除或變形角膜基質改變角膜生物力學特性 ⁴⁾。術後角膜擴張雖罕見（0.04–0.6%）但嚴重，術前生物力學評估至關重要 ⁴⁾。

Pniakowska等人（2023）對17項前瞻性研究的系統評價發現，生物力學下降程度依次為：LASIK（製作角膜瓣的基質切削）最大，其次為SMILE（透鏡取出），表面切削術（PRK/LASEK）最小 ⁴⁾。

術後生物力學的主要發現：

角膜瓣厚度：LASIK中較薄的角膜瓣能更好地保留生物力學性能 ⁴⁾
帽厚度：SMILE中較厚的帽（140 µm vs 110 µm）有利於保留生物力學性能 ⁴⁾
切削量：切除的角膜組織厚度直接影響生物力學強度，建議盡量減少切削量 ⁷⁾
光學區直徑：不合理地擴大光學區會導致CRF下降，不推薦 ⁷⁾

表面切除術後CH及CRF的一般平均值分別為CH 8.68 ± 0.94 mmHg、CRF 8.39 ± 1.08 mmHg ⁴⁾。SMILE術後3個月時CH顯著高於LASEK，但3年後兩組間差異消失⁴⁾。

有報告指出，合併使用生物力學指標與地形圖參數可將屈光手術的預測精度提升25%以上⁷⁾。角膜剛性低的患者術後殘餘屈光異常的風險高出2~3倍⁷⁾。

對眼壓測量的影響

Goldmann壓平眼壓計（GAT）測量眼壓會受到角膜厚度與生物力學特性的影響⁵⁾。

在角膜擴張性疾病或屈光手術後的角膜，組織變薄與生物力學脆弱化會導致壓平眼壓人為偏低⁵⁾。建議使用以下替代裝置：

氣動眼壓計
角膜厚度補償眼壓（IOPcc）
動態輪廓眼壓計（DCT）
反彈式眼壓計

ORA計算的IOPcc較不受CCT及CH影響，能更準確反映真實眼壓。

角膜交聯術（CXL）

CXL是一種利用核黃素與UVA增強角膜基質交聯的治療方法，對阻止圓錐角膜進展有效⁶⁾。它增加角膜的生物力學剛性，但直接超微結構層級的作用機轉證據尚不充分⁶⁾。

Larkin等人（2021）在Keralink多中心隨機對照試驗中探討了年輕圓錐角膜患者CXL的療效。圓錐角膜盛行率在荷蘭為1:375，在澳洲20歲族群中達1:84⁶⁾。CXL據報告對大多數成人圓錐角膜進展的抑制有效，但信賴區間寬且存在偏誤風險⁶⁾。

CXL後SP-A1上升，可透過Corvis ST客觀評估角膜剛性的改善¹⁾。需注意需要一定的角膜厚度；對於高度變薄的病例，已有如sub400方案等改良方法的報告。

Q 哪種屈光手術對生物力學影響最小？

表面切削術（PRK/LASEK）對生物力學影響最小，其次是SMILE，再次是LASIK ⁴⁾。SMILE由於不製作角膜瓣，角膜前表面的結構完整性更容易保持。LASIK中製作薄瓣、SMILE中製作厚帽有利於保持。

6. 病理生理學與詳細發病機制

角膜微結構與生物力學

角膜由五層結構（上皮、鮑曼層、基質、後彈力層、內皮）組成，佔厚度約90%的基質決定了生物力學特性 ¹⁾。基質由I型和V型膠原纖維及蛋白聚醣構成。膠原纖維的取向、密度和交聯是決定生物力學特性的主要因素。

角膜的力學行為具有以下特性 ¹⁾：

非線性應力-應變響應：在高應變下逐漸硬化。
非線性黏彈性響應：每次加載循環產生不同的遲滯。
深度依賴性：前部基質比後部基質強度更高。
區域差異：由於膠原纖維取向和密度的差異，旁中央區和周邊區與中央區表現出不同的剛度。

區域剛度分佈

Tahsini等人（2025）使用SSI圖將角膜分為中央區、旁中央區（4個區域）和周邊區（4個區域）共9個區域，並分析了各區域的硬度。中央區和周邊區的平均SSI較高，為1.153 ± 0.079，而旁中央區較低，為0.890 ± 0.057。特別是下方旁中央區（區域4和5）最脆弱，SSI為0.833³⁾。

下方旁中央區的脆弱性與圓錐角膜典型地發生在下方的臨床事實一致³⁾。這表明原本力學上較弱的部位更容易發生生物力學代償失調。

上方旁中央區（SSI = 0.945）和下方旁中央區（SSI = 0.833）之間也存在顯著差異，鼻側（SSI = 0.903）比顳側（SSI = 0.879）顯示出略高的硬度³⁾。

圓錐角膜中的生物力學代償失調

在圓錐角膜早期，局部彈性模量下降，膠原纖維開始崩解和變性⁷⁾。這啟動了生物力學代償失調循環：

局部彈性模量下降
應力水平升高和重新分佈
角膜變陡和變薄
進一步力學脆弱化

在病變區域，觀察到膠原降解增加、角膜細胞（角膜基質細胞）消失、膠原交聯減少以及應力-應變反應顯著減弱。遺傳、揉眼習慣、隱形眼鏡引起的微創傷和特應性體質被認為是導致生物力學變性的因素。

Q 角膜的哪個部分最弱？

根據SSI圖分析，下方旁中央區顯示出最低的硬度值（SSI = 0.833）³⁾。該區域與圓錐角膜的好發部位一致，表明固有的力學脆弱性可能參與疾病的發生。

7. 最新研究與未來展望

SSI II地圖（二維剛性映射）

SSI II（SSI地圖）是一種基於有限元素建模和膠原纖維分佈模型，以二維方式可視化角膜表面剛性分佈的新技術²⁾³⁾。

Tahsini等人（2025）使用SSI地圖分析了與年齡相關的角膜剛性區域變化。硬化在原本較硬的區域（周邊部：0.0058–0.0067/年）進展較快，在較弱的區域（下方旁中心部：0.0039/年）進展較慢。右眼和左眼的SSI顯示出極高的相關性（Pearson r = 0.96）³⁾。

SSI地圖有望用於理解圓錐角膜的發生和進展機制，以及個性化CXL治療。預計將根據患者年齡和角膜區域進行個性化治療應用³⁾。

人工智慧（AI）早期診斷

引入AI和機器學習方法提高了圓錐角膜檢測的準確性²⁾。

根據Wang等人（2025）的綜述，AI演算法在檢測顯性圓錐角膜方面達到約98%的準確率，但在亞臨床型中僅約90%，仍存在漏診風險²⁾。

使用隨機森林方法，整合Pentacam HR和Corvis ST指標，在亞臨床圓錐角膜分類中報告了93%的特異性和86%的敏感性²⁾。使用反向傳播神經網路的診斷模型實現了0.877的AUROC，顯示出優於CBI（0.610）和TBI（0.659）的FFKC檢測能力²⁾。

布里淵顯微鏡的進展

布里淵顯微鏡作為一種能夠實現角膜三維彈性映射的技術而受到關注¹⁾。它在CXL後交聯效應的深度評估和圓錐角膜局部剛性降低的可視化方面顯示出實用性。未來方向包括通過AI整合提高測量精度和臨床實用化¹⁾。

利用雙眼不對稱性檢測

圓錐角膜是雙眼發病的，但一隻眼可能保持無症狀（FFKC/VAE-NT）²⁾。通過生物力學評估單眼臨床圓錐角膜患者的對側眼，正在嘗試預測未來的發病風險。TBI在VAE-NT眼中顯示出高檢測敏感性，雙眼比較可能為早期診斷提供線索²⁾。

8. 參考文獻

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