眼力學

1.簡介

眼力學研究眼球相關的力學問題，是生物力學的一個重要研究內容。眼力學研究的目的是認識和解釋眼球功能有關的力學現象和規律，為各種眼疾的治療、眼功能的修復與康復手段開發提供技術基礎。

眼球是人體重要的感覺器官之一，它有兩個重要功能，一個是眼眶填充功能，保持人的正常臉部形態（美學效果，即他人的視覺效果），也就是當其他人看到這個人的臉部時有一種良好的視覺效果；另一個是視覺功能，即獲取外部的光學信息，把光學信息轉換成電學信息並把它傳送到大腦進行處理，進而做出空間、時間和色彩等判斷，指揮人體其他組織或器官作出相應的反應和動作。與眼球相關的力學問題很多，如維持眼球的正常形態，以保證眼球光學功能的實現，控制眼球的運動，以方便捕捉不同空間方位的光學信息學。

特定種類的生物組織按照特定的組合方式構建出特殊的形態結構，目的是實現特殊的生理功能，這是生物體生理功能形成的基本規律。眼球的生理功能形成與維持也是如此。眼球的生理功能正常與否與眼球的內、外力學環境密切相關，眼內壓突然急劇升高的結果是眼底神經組織在高壓力作用下發生功能丟失或損壞，使其光信號接受和處理能力出現不可修復的損傷，進而影響眼球的光學功能，眼內結構的不正常改變，如房角閉鎖等會使眼內的房水排出發生障礙，從而出現房水堆積，使眼壓升高；眼球運動的控制是由肌肉來完成的，如果這些肌肉的控制功能發生異常，就造成眼動控制異常，如斜視，雙眼視覺效果不一致等。各種與上述問題有關的眼球功能障礙和疾病的研究已經廣泛開展。迄今，對眼球運動和眼組織的巨觀力學特性已有了相當的了解，力學分析方法已在眼科診治方面得到套用。

2. 眼球的解剖結構

眼球，分成眼球壁和眼內容物兩部分。眼球壁：分外層（纖維膜：分角膜和鞏膜）、中層（葡萄膜：分虹膜、睫狀體和脈絡膜3部分）、內層（稱視網膜：分視網膜虹膜部、視網膜睫狀體部和視網膜脈絡膜部3部分）。眼內容物包括房水、晶狀體和玻璃體。眼的附屬器包括眼眶、眼瞼、結膜、淚器和眼外肌。視網膜上視覺纖維匯集穿出眼球的部位，是視盤，全稱視神經盤，也叫視神經乳頭，包括從視網膜表面到篩板後面的有髓鞘視神經部分。

3.屈光矯正手術及角膜的生物力學研究

為正確評估屈光手術後的效果，深入了解角膜材料本身的生物力學特性顯得尤為重要。用生物力學研究數據建立有臨床用途及預測性的生物力學模型，可以極大地提高人們對角膜手術的理解及對術後的預測。另外，角膜的力學特性與眼壓測量關係密切。

角膜在組織學上可分為5層，其中基質層是承受載荷的主要部分；基質層約占角膜厚度的90%，由近200層排列規則的膠原纖維嵌在基質板中形成，膠原纖維直徑很小、呈平行排列，臨近的各層纖維以一定角度相互交錯，使得角膜保持透明。角膜是生物材料，具有非線性、各向異性、粘彈性（包括蠕變、應力鬆弛和滯後）的生物力學性能；當應力在一個小範圍時，可簡化為線彈性，彈性模量和泊松比是描述線彈性的2個重要指標。角膜為非均質材料，不同區域力學特性不同。角膜力學特性的離體測量方法有軸向拉伸試驗、膨脹實驗、離體全眼球測量、壓痕實驗等。角膜在體力學特性的測量主要用眼反應分析儀（ORA），但目前尚未建立ORA測量參數與經典的生物力學參數之間的關係。

4.病理性近視、青光眼與及鞏膜的生物力學研究

鞏膜是眼球壁的最外一層，由緻密的膠原和彈力纖維構成。鞏膜是生物材料，具有非線性、各向異性、粘彈性的生物力學性能。鞏膜為非均質材料，不同區域力學特性不同。鞏膜力學特性的離體測量方法有單向拉伸試驗、雙向拉伸試驗、壓縮試驗、壓痕實驗等。

鞏膜的力學特性與進行性近視眼高度相關。高度近視又稱病理性近視或變性近視，是常見的致盲性眼病之一，眼軸延長和後鞏膜葡萄腫是高度近視的基礎病變之一。在近視發展過程中，鞏膜的結構、功能及生物力學特性的異常是引起鞏膜塑形和病理的基礎。

鞏膜的力學特性與與青光眼發病機制密切相關。視乳頭附近篩板組織的變形與鞏膜的力學特性關係密切；青光眼猴的鞏膜的粘彈性特性發生了改變。

5.白內障與及晶狀體的生物力學研究

在眼的調節過程中，當睫狀肌放鬆時，懸韌帶收緊，這時晶狀體處於最大張力狀態，晶體變扁，睫狀肌收縮時，要牽引脈絡膜，並使懸韌帶處於低應力狀態，晶體變圓，便於對近距離目標聚焦。可見，脈絡膜和懸韌帶如同吸震器，可以緩和睫狀肌突然收縮的影響。Czygan等在分離老年人眼晶狀體核的力學試驗中發現晶狀體核具有線性粘彈性特性，可觀察到滯後、蠕變、鬆弛等典型現象。

研究眼部組織的力學特性可以增強術後的預測性，幫助提高臨床效果。如Effer等對人工晶狀體植入囊袋內進行定量分析發現，除了人工晶狀體袢的形狀，壓袢所必用的力也影響最終囊袋的形成。Mor-gan等在對連續環形撕囊術與射頻透熱囊膜切開術後的囊膜切開邊緣的生物力學特性研究中發現連續環形撕囊術可提供一個更為穩定的囊膜口，在常規的白內障手術中是一種較好的方法。

6. 眼球運動及斜視的治療

眼球是人體的重要器官，建立眼球運動的力學模型，從理論上分析眼球的運動，對弄清眼球的運動機理及臨床眼外肌疾病的外科手術治療有著重要的意義。

眼球在眼眶中的運動由6條眼外肌精確控制完成。當其中某條眼外肌處於病理狀態（麻痹時、過短、間歇性抽搐等）時，眼球的運動就會處於非正常狀態．會產生斜視或眼球振顫。

眼球震顫是指兩眼發生不自主的有節律的往返運動，常是某些視覺的、神經的前庭機能失調的表現。對眼球震顫進行模擬與理論上的分析對進一步弄清眼球震顫的實質及對手術治療眼球震顫都有著重要的實際意義。

斜視手術是加強或減弱眼外肌的力量，改變其解剖因素及神經因素（眼位調正因素），從而達到矯正眼位異常和恢復兩眼單一視。斜視手術從原理上講，完全是一個生物力學問題。引入一個眼球靜平衡模型，可模擬各種情況的斜視，並可計算出矯正不同的斜視角度所需的手術量。

7.瞳孔阻滯、房水循流及虹膜的生物力學研究

1920年Curran提出瞳孔阻滯概念，認為瞳孔處虹膜與晶體接觸，對房水從後房到前房的循流產生一定的阻滯，導致前後房壓強差增大。瞳孔阻滯力的改變和房水循流狀態改變一直被認為是原發性閉角型青光眼發病的重要病理因素之一。虹膜的生物力學特性與瞳孔阻滯的發生密切相關。

虹膜由前面的基質層和後面的色素上皮層構成。虹膜的力學特性與瞳孔括約肌和瞳孔開大肌有關。虹膜是生物材料，具有非線性、各向異性、粘彈性的生物力學性能。虹膜力學特性的離體測量方法有軸向拉伸試驗、膨脹實驗、壓痕實驗等。虹膜在體力學特性的測量目前主要基於超聲生物顯微鏡（UBM）獲取圖像，結合數值模擬方法確定虹膜的在體力學特性。

房水循流狀態改變與青光眼的致病機理相關。眼前房的房水流場可藉助離子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）測量，有限元方法可進行房水流場的數值模擬。

8.小梁網與房水流出通道

小梁網是房水流出的最關鍵部位，85-90%的房水經小梁網房水流出通道流出。小梁網的韌性、強度、細胞間粘附性和房水流出通道的整體構型，在調控小梁網房水流出中發揮重要作用。病理性眼壓升高是青光眼的主要危險因素，大多數情況下，眼壓升高是由於房水常規外流途徑中流動阻力增加導致的。研究發現，小梁網的剛度與房水外流阻力變化有關。

9.篩板變形、視神經損傷與跨篩板壓力差

視盤的生物力學結構是指視盤的力學行為環境，即有關它的幾何學形狀、材料性質、周邊環境的力學行為。當眼壓間斷或持續性升高的水平超過眼球所能耐受的程度時，會給眼球各部分組織和視功能帶來損害，將導致篩板變形。

篩板是青光眼視神經損害的原發部位，在青光眼的發病過程中篩板的結構和功能會產生一系列的青光眼病理改變，包括篩板結構的壓縮變薄後後凸，篩板的細胞外基質重構以及生物力學改變。對於正常眼壓性青光眼，高眼壓模型無法解釋其發病機制，而低顱壓所致的跨篩板壓力差增大對解釋視神經損害具有重要意義，跨篩板壓力差增大是原發性開角型青光眼視神經損害的重要因素，跨篩板壓力差與腦脊液壓力、眼內壓和血壓密切相關，其損害機制有待進一步闡明。

擴展閱讀

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