角膜屈光手术通过对角膜基质的切削改变前表面曲率,进而达到矫正屈光不正的目的。正如前文所述,角膜具有软组织的生物材料特性,手术使角膜结构有所改变,板层数量减少,增加角膜在眼压作用下所受的应力,不同的切削方式和深度影响有所不同。可能会影响到手术可预测性,以及屈光回退、角膜扩张等并发症的发生等。
角膜对屈光手术的生物力学反应
角膜屈光手术中,角膜力学特性不仅因基质的板层的结构变化受到影响,由于角膜还有水及黏多糖等成分,会引起角膜流体静力学等多方面变化,因此,最终角膜手术后生物力学的变化以及由其引起的角膜形状的变化是多种因素综合作用的结果。
正常情况下,角膜基质内的黏多糖具有亲水性,产生膨胀压,使角膜处于紧绷状态。正常状态下,眼压产生的向心力及角膜板层间张力可以抵抗此膨胀压。同时,泪液蒸发、上皮细胞和内皮细胞的屏障功能,以及内皮细胞的主动转运都参与了平衡这种膨胀压的作用。除此之外,角膜基质板层间黏合力可进一步对抗胶原纤维间在膨胀时所产生的离隙。这些因素的综合作用有助于抵制角膜的水肿趋势,维持生物力学稳定状态(下图A)。
A.正常状态下维持正常角膜力学形态示意图;B.角膜屈光手术(PRK等)进行前部中央基质浅层切削后角膜力学改变示意图(根据William J. Dupps Jr等角膜力学模型,吴迪绘制)
角膜屈光手术后,由于进行了前部中央基质浅层切削,角膜前部基质胶原纤维减少,角膜的抗张性可以因不同的手术方式、组织切削的深度、切削的面积、个体差异(如眼压)乃至伤口愈合等发生不同形式的变化。例如在PRK手术后,在早期,角膜中央组织的切削释放了周边部角膜基质层间张力,使局部组织对膨胀力的抵抗作用减小,从而导致周边部角膜基质层增厚,增加了周边组织对相邻切削区板层基质的牵拉,中央角膜变平。形成了所谓的远视漂移,而非如想象般在眼压作用下前凸(上图B)。
LASIK手术不主张做较深的角膜切削,这是因为传统LASIK手术需要做一角膜瓣,切断了角膜前部大部分纤维,虽留角膜蒂部,作为角膜前部抗张最强部分被影响,有研究显示角膜强度较正常眼明显下降,即使是角膜瓣边缘也下降约1/4,如果切削过深,随着切削深度的增加,中央角膜抗张强度减弱,无法有效抵抗眼压的作用,导致角膜前凸(下图),在临床可表现屈光回退甚至角膜扩张。
角膜扩张是指角膜曲率进行性增加和角膜厚度进行性变薄,临床上常表现为近视或散光度数增加,角膜形态发生改变及最佳矫正视力下降等,是角膜屈光手术后较为棘手的并发症。角膜屈光手术通过组织切削,改变了角膜的形状、厚度、曲率,削弱其整体抗张强度,当角膜的抗张力不足以中和眼压对角膜的作用时,角膜扩张便随之出现。其发生率为0. 04%~0. 6%。角膜扩张的病程特点表现为迟发性和进行性,存在较明显的个体差异,其发生可早在术后1周,亦可迟于术后数年。
自1998年Seiler首次对LASIK术后发生角膜扩张进行报道以来,因其对视力的严重影响,引起了学者们的广泛探讨与研究。角膜扩张的预防措施以及术前筛查标准,尚未达成统一结论。目前,较为公认的危险因素有:
术前角膜地形图异常(顿挫型圆锥角膜);
角膜残余基质床厚度(RSB)较薄;
患者较年轻;
术前角膜厚度较薄;
高度近视;
其他,包括:经常揉眼,有圆锥角膜家族史,最佳矫正视力不稳定且小于1. 0等。
其中,RSB较薄是主要危险因素之一。LASIK术后形成的角膜瓣对角膜的抗张力贡献甚微,所以RSB是维持角膜生物力学强度的重要部分。全面了解角膜屈光手术后角膜生物力学变化规律,改良传统术式,才是提高手术安全性的关键。
飞秒激光的应用与角膜生物力学
飞秒激光因良好的精确性、可预测性,且能够减少制瓣相关的一系列并发症,减少手术源性散光及高阶像差等优点,现已成为角膜屈光手术中不可或缺的切削工具。另外,飞秒激光在临床中的应用也催化了全飞秒术式的产生。飞秒激光小切口角膜微透镜取出术(SMILE)在安全性、有效性、可预测性以及角膜知觉方面的优势已基本得到证实,而其对角膜生物力学稳定性的保护作用则仍被给予更多关注。
一、飞秒激光制瓣(LASIK)
在飞秒激光应用以前,角膜板层机械刀是LASIK手术中最为常用的制瓣方法。但此方法可能引起游离瓣、纽扣瓣、碎瓣等不仅直接影响视力恢复的严重并发症,并且容易受角膜曲率等形态因素影响而使角膜瓣厚度产生较大个体性差异,降低手术可预测性,例如形成过厚的角膜瓣。飞秒激光所制角膜瓣的形态相对于机械刀而言,理论上在以下几方面可更好地保护角膜生物力学强度。
灰色区域为飞秒激光制瓣形态,红色区域为机械刀制瓣形态,后者对前部和周边基质纤维的离断较飞秒激光制瓣增多
首先,机械刀所制角膜瓣呈半月形,周边较厚,对抗张强度较大的前部和周边的角膜胶原纤维的离断较多。而飞秒激光制得的角膜瓣较平坦且厚度均一,可以较少地损害角膜纤维(上图)。
另外,两种制瓣方式下,角膜瓣的愈合方式亦不相同。飞秒激光术后早期会出现更明显的炎症反应,共聚焦显微镜下可在周边区见到较多的纤维化瘢痕,使得术后晚期角膜瓣黏附力更强。而机械刀所制角膜瓣与基质间以少细胞原始基质瘢痕化(hypocellular primitive stromal scarring)方式愈合,黏合力较弱。
非常重要的是,飞秒激光可以制作一较薄的角膜瓣,薄的角膜瓣更好地保护角膜浅基质不受损伤,特别是角膜浅层基质组织,可以使角膜的生物力学受到更好的保护,稳定性更好。
二、飞秒激光小切口角膜微透镜取出术(SMILE)
在角膜屈光手术中,影响角膜生物力学的主要因素为角膜瓣的制作及基质纤维的切断。特别是在LASIK手术时,需要在浅层基质做一角膜瓣,制作过程中切割前弹力层并破坏了胶原的板层结构。由于角膜的抗张强度集中于角膜前1/3及周边部,角膜瓣的制作使得中央直径为8~9mm的角膜组织与周边组织离断,因此,在手术中单纯制作角膜瓣即可明显削弱角膜的生物力学抗张强度(下图A)。同时,基质床的切削使中央胶原板层数目减少,角膜相对变薄,削弱了角膜整体的抗张性。
A为LASIK术后,B为SMILE术后。红色区域为角膜生物力学强度削弱区域
SMILE作为一种无瓣膜的新型角膜屈光手术术式,从理论上讲,该设计最大限度地保护了角膜生物力学结构的完整性。首先,此术式由于不需要在角膜浅层制作一角膜瓣,仅在角膜表面制作一弧长2~4mm的微小切口,保留了承载角膜生物力强度最多的区域,避免对前部角膜板层基质的骚扰,使其与剩余基质床共同发挥原有的抗张强度,抵抗眼压的作用力。其次,SMILE手术中虽然角膜基质制作的微透镜直径多为6~6. 5mm多同准分子切削,但角膜帽的直径与LASIK术中角膜瓣的直径相比较小,且不需要增加过渡区的切削,较大程度地保留了周边角膜胶原纤维的完整性,亦减少了手术对角膜生物力学强度的影响(上图B)。
从维持生物力学稳定性角度,角膜帽的设计不宜过薄,附加透镜基底不应过厚,否则也会影响到生物力学稳定性。因为在SMILE术中,角膜帽(cap)位于角膜前基质层,维持角膜帽一定厚度具有重要的生物力学意义,因此手术中角膜帽(cap)不宜过薄,过薄不仅将增加手术操作难度及角膜帽穿透或撕裂的风险,更重要的是薄帽会使微透镜的位置相对前移,进而较多地移除前部角膜组织,影响生物力学稳定性(下图A)。但也不能过厚,角膜帽厚度的增加使角膜的光学前表面与透镜距离相对过远,也是由于表面张力的作用,削弱了组织切削对角膜前表面曲率的重塑作用,可能会影响屈光矫正效果(下图B、C)。同时过深可能影响到角膜内皮细胞。同样,应尽可能减少附加基底的厚度。
A.不同的透镜位置对角膜表面形态的影响:薄帽会使微透镜的位置相对前移;厚角膜帽(B)与薄角膜帽(C)对角膜前表面曲率可能的影响
此外,SMILE手术的生物力学优势还体现在术后早期屈光矫正效果的可预测性较好。
如前文所述,角膜前部浅基质的切削将削弱对膨胀压具有抵御作用的板层间张力,增厚的周边组织对中央角膜的牵拉将产生术后早期远视漂移现象。至于SMILE手术,由于术中保留了角膜浅基质板层结构,并未对该位置的层间张力产生明显影响,进而使周边角膜组织保持较为正常的生理厚度,对相邻中央角膜组织无牵拉作用,较为原本地反映了手术设计中仅由组织切削引起的前表面曲率改变,因而提高了术后早期屈光矫正的可预测性。
事实上,影响角膜生物力学的因素不仅仅是手术方式,在角膜屈光手术中,预计矫正的屈光度数的大小、角膜伤口愈合方式以及患者个体生物力学特性等诸多因素均可能成为主要的影响因素。在目前实施的多数手术中,预计矫正的屈光度数越高,去除角膜组织较多,角膜剩余基质的抗张性会较弱;不同的伤口愈合类型,会影响角膜组织之间的黏滞性和剪切力,进一步影响其抗张强度;同样,每个人的生物力学特性差异性也较大,亦不容忽视。因此,手术后生物力学的变化较复杂,需综合考虑。
综上所述,角膜生物力学是角膜结构特性和材料特性的反映,在角膜屈光手术后则体现了角膜组织对机械反应的变化力学特点及角膜结构特性和材料特性相互作用情况的综合情况,进一步可影响到手术后的光学特性。生物力学变化对手术结果的可预测性、屈光矫正的稳定性,以及远期的安全性具有重要影响。相信随着对角膜力学特性的不断探索以及对各种新的手术方式各种技术对生物力学的影响的不断认识,最终能寻找出一种方式,在矫正视力、提高视功能的同时,还能最大限度地保护角膜结构的完整性和角膜生物力学的完整性,获得生理功能和生理结构均趋于自然的眼睛,这或许也是屈光手术的终极目标。