Skip to main content
Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering logoLink to Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering
. 2022 Aug 25;39(4):679–684. [Article in Chinese] doi: 10.7507/1001-5515.202203069

不同残余基质床厚度SMILE术对兔角膜在体力学性能的影响

Effects of SMILE with different residual stromal thicknesses on corneal biomechanical properties of rabbits in vivo

Yuan JIA 1, Rui HE 2, Xiaona LI 1,*, Yaowen SONG 2, Junchao WEI 1, Hongwei QIN 1, Xin YANG 1, Weiyi CHEN 1
PMCID: PMC10957367  PMID: 36008331

Abstract

Femtosecond laser small incision lenticule extraction (SMILE) with different residual stromal thicknesses (RST) is set to investigate its effect on corneal biomechanical properties of rabbits in vivo. In this study, 24 healthy adult Japanese rabbits were randomly divided into group A and B. The RST of group A was set 30% of the corneal central thickness (CCT), and the RST of group B was 50% of the CCT. The thickness of the corneal cap in both groups was set one third of CCT. Corneal visualization Scheimpflug technology (Corvis ST) and Pentacam three-dimensional anterior segment analyzer were used to determine corneal biomechanical and morphological parameters before surgery, and 1 week, 1 month and 3 months after surgery. Pearson correlation analysis was used to analyze factors affecting corneal biomechanical parameters after SMILE. The results showed that the corneal stiffness of group A was significantly higher than that of group B at 1 week and 1 month after surgery, and most biomechanical parameters returned to preoperative levels at 3 months postoperatively. The results of correlation analysis showed that postoperative CCT and RST were the main factors affecting corneal biomechanical parameters after SMILE. There was no significant difference in corneal posterior surface height (PE) between 3 months after surgery and before surgery in both two groups. It indicates that although the ability to resist deformation of cornea decreases in SMILE with thicker corneal cap and less RST, there is no tendency to keratoconus, which may be related to the preservation of more anterior stromal layer.

Keywords: Femtosecond laser small incision lenticule extraction, Residual stromal thickness, Corvis ST, Corneal biomechanical properties, Corneal morphology

引言

飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术(femtosecond laser small incision lenticule extraction,SMILE)因无瓣与微创化优势成为近视性屈光手术的主流术式之一[1]。专家建议屈光术中残余基质床厚度(residual stromal thickness,RST)应不低于250 μm,在患者筛选上对术前角膜中央厚度(corneal central thickness,CCT)较薄的患者存在一定限制[2]。此外,由于临床上角膜帽厚度多设定在110~120 μm,在保证现有安全残余基质床条件下限制了SMILE的矫正范围:球镜度数−1.00 D~−10.00 D,柱镜度数 ≤ −5.00 D,使手术适应证受限[2]。因此,在保证手术安全性条件下是否可以矫正更高程度近视、保留较少残余基质床仍需进一步验证。

研究表明基质切削深度越大,屈光术后早期角膜高阶像差增加越明显,角膜上皮下雾状混浊现象和角膜知觉下降也越明显,同时角膜生物力学特性改变速度加快,屈光回退现象更明显,视觉质量越差,术后恢复时间也越长[3-6]。是否可以突破现有范围RST,体现SMILE术保留了更多前基质层、微创的优势仍需进一步研究。

本文制备了较厚角膜帽以及保留不同残余基质床的SMILE动物模型,采用可视化角膜生物力学分析仪(corneal visualization Scheimpflug technology,Corvis ST)和Pentacam三维眼前节分析仪研究了术后不同时期在体角膜生物力学和形态学指标,以期为SMILE的参数优化提供实验依据。

1. 方法

1.1. 实验动物分组及术前准备

选取24只健康成年日本大耳兔(由山西医科大学动物实验中心提供,实验动物批号:No. 18359),雌雄不分,体重约2.5 kg,术前裂隙灯显微镜常规检查无明显眼部疾病。实验动物随机分为两组:A组13只,B组11只,均取右眼作为术眼,实施SMILE术;左眼为对照眼,不做任何处理。以Pentacam(德国Oculus公司)中的角膜瞳孔中心厚度值作为CCT[7]。两组角膜帽厚度均设置为CCT的1/3;A组保留的RST为CCT的30%,B组为CCT的50%。

术前对实验动物行Pentacam检查以获取角膜形态学参数,同时使用Corvis ST(德国Oculus公司)测量手术前兔角膜在体生物力学相关参数。

1.2. SMILE术

术前3天对术眼滴加氯霉素滴眼液。采用复合麻醉方法对实验动物进行麻醉:0.2 mL/kg肌肉注射速眠新Ⅱ,5~10 min后以1~1.5 mL/kg静脉注射10%水合氯醛[8]。麻醉完成后对术眼滴加0.4%盐酸丙美卡因滴眼液行表面麻醉。

手术操作均由同一位医师完成。采用Visumax飞秒激光系统(德国Carl Zeiss公司),负压吸引后进行飞秒激光扫描,扫描顺序为:透镜后表面、360°透镜边缘侧切、透镜前表面、角膜帽边缘3.5 mm弧形切口。扫描完成后解除负压吸引,在切口处用显微分离铲完整分离透镜后用显微镊取出,使用平衡盐溶液对基质进行冲洗并用海绵吸干层间水分,手术即完成。

术后对术眼进行常规处理以预防感染。分别于术后1周、1月及3月对术眼行Corvis ST和Pentacam检查。每只术眼重复测量三次,以QS显示“OK”作为结果的纳入标准。

1.3. 角膜生物力学指标测量

采用Corvis ST获得以下反映角膜变形能力的参数:

(1)基础参数:CCT和眼内压(intraocular pressure,IOP)。

(2)角膜动态反应参数:第一次压平状态时角膜前表面长度(A1L)、第二次压平状态时角膜前表面长度(A2L)、角膜由初始状态到第一次压平时所用的时间(A1T)、角膜由初始状态到第二次压平时所用的时间(A2T)、角膜从初始状态到第一次压平状态的形变速度(A1V)、角膜从初始状态到第二次压平状态的形变速度(A2V)、角膜从初始状态到最大形变状态时的时间(HC Time)、最大形变状态时角膜非形变部分最高点之间的距离(HC PD)、最大形变状态时角膜前表面曲率半径(HC R)、最大变形幅度(Def Amp Max)、最大反向半径(Max Inverse Radius)。上述参数数值越大,表明角膜硬度越小,抵抗变形能力越差。

(3)经过内部程序计算获得的综合参数:角膜顶点与中央直径2 mm间形变幅度比值(DA Ratio 2 mm)、综合半径(IR)、角膜顶点到周围2.5 mm处的厚度变化(Pachy Slope)、硬度参数(SP-A1)、应力应变指数(SSI)、最薄点厚度/厚度变化率(ARTh)。DA Ratio 2 mm、IR和Pachy Slope值越小,SP-A1、SSI和ARTh值越高,表明角膜抵抗变形能力越强,硬度越大。

1.4. 角膜形态学指标测量

采用Pentacam获取角膜形态学相关参数。由于角膜后表面环境受外界因素影响较小,且不受术后角膜组织修复过程的影响,对术后圆锥角膜的预测敏感度较高[9-10],因此本文主要研究的形态学参数有:后表面扁平子午线曲率(K1 B)、后表面陡峭子午线曲率(K2 B)和后表面高度(PE)。

1.5. 统计学分析方法

采用SPSS 25.0统计学软件对数据进行分析。对实验数据进行正态性检验,符合正态分布的数据以平均值±标准差表示,组间比较采用独立样本t检验,组内四个时间点的两两比较采用配对样本t检验;不服从正态分布的实验数据以中位数(下四分位数,上四分位数)表示,组间比较采用两个独立样本非参数检验,组内四个时间点的两两比较采用两个相关样本非参数检验。两变量间的相关性检验采用Pearson相关性分析,校正术后CCT影响的相关性检验采用偏相关分析。以上检验水准均为0.05。

2. 结果

2.1. 不同组同一时间点角膜生物力学参数的比较

通过对Corvis ST数据进行分析得出:术前组间各项参数比较均不存在显著差异(P > 0.05)。术后1周,仅SP-A1表现为A组明显高于B组(P < 0.05)。术后1月,A组SSI值明显高于B组(P < 0.05);CCT、A1V、A2V、Def Amp Max和IR值则表现为B组明显高于A组(P < 0.05)。术后3月,B组ARTh值明显高于A组(P < 0.05)。其余参数在同一时间点的组间比较中均不存在显著差异(P > 0.05)。具体数据见表1。鉴于纳入分析的参数较多,故表1仅列出组间比较中存在显著差异的参数。

表 1. Comparison of corneal biomechanical parameters between different groups at same time point.

不同组同一时间点角膜生物力学参数的比较

手术前后
各时间点
CCT/μm A1V/
(m·s−1)
A2V/
(m·s−1)
Def Amp
Max/mm
IR/mm−1 SP-A1 SSI ARTh
术前 A组
n = 13)
350.08±20.11 0.15±0.03 −0.30±0.06 1.21±0.11 14.52±1.89 40.23±20.04 0.80±0.44 241.21±239.82
B组
n = 11)
342.09±26.88 0.15±0.04 −0.28±0.12 1.19±0.16 14.25±2.20 37.85±19.28 0.81±0.33 223.00±131.68
P 0.414 0.990 0.478 0.677 0.746 0.777 0.973 0.874
术后1周 A组
n = 9)
232.78±42.99 0.16±0.02 −0.31±0.04 1.24±0.12 15.06±1.23 47.25±17.83 0.68±0.07 45.74±41.13
B组
n = 8)
255.00±33.20 0.17±0.02 −0.30±0.09 1.30±0.11 15.21±1.07 27.54±8.38 0.71
(0.69,0.73)
82.54±49.48
P 0.256 0.185 0.693 0.310 0.798 0.012 0.067 0.235
术后1月 A组
n = 13)
229.77±35.77 0.14±0.03 −0.28±0.08 1.14±0.16 13.78±1.72 55.15±26.67 0.71
(0.66,0.80)
99.30±54.54
B组
n = 11)
247.00
(231.00,268.00)
0.17±0.02 −0.35±0.07 1.28±1.21 15.11±0.81 36.67±15.36 0.64±0.10 161.10±94.13
P 0.040 0.047 0.041 0.027 0.028 0.055 0.034 0.095
术后3月 A组
n = 12)
264.67±36.66 0.13±0.02 −0.28±0.06 1.12±0.14 13.11±1.65 50.76±18.55 0.73
(0.70,1.20)
128.19±49.60
B组
n = 11)
295.36±39.65 0.14±0.02 −0.29±0.07 1.14±0.10 13.39±1.70 48.70±15.56 0.73±0.32 181.55
(139.09,380.28)
P 0.067 0.347 0.617 0.599 0.689 0.777 0.129 0.030

2.2. 同一组不同时间点角膜生物力学参数的比较

图1所示,两组CCT、A1V、Def Amp Max、SSI和ARTh在手术前后不同时间点的变化规律基本一致;两组SP-A1变化趋势不同:A组在术后1周及1月时上升、3月时下降,B组术后1周较术前有所下降、1月时上升。与术前比较,术后3月两组A2V、Def Amp Max、SP-A1、SSI和ARTh均未见显著差异(P > 0.05)。

图 1.

Comparison of corneal biomechanical parameters at different time points within the same group

同一组不同时间点角膜生物力学参数的比较

* P < 0.05,** P < 0.01,*** P < 0.001

* P < 0.05, ** P < 0.01, *** P < 0.001

图 1

2.3. SMILE术后3月角膜生物力学参数的影响因素

表2所示,SMILE术后3月Pachy Slope与术后CCT存在高度负相关(P < 0.01),ARTh与术后CCT和RST存在高度正相关(P < 0.05)。由于术后CCT与形态学参数RST、组织切除厚度百分比(percent tissue altered,PTA,透镜厚度/术前CCT)、透镜厚度等参数存在关联,故采用偏相关分析来校正术后CCT的影响。校正术后CCT影响后,ARTh仍与RST存在高度正相关(P < 0.05),SP-A1与PTA和角膜帽厚度/RST存在中度及高度负相关(P < 0.05)、与RST和RST厚度百分比存在高度正相关(P < 0.05)。其余参数间均无相关性(P > 0.05)。

表 2. The correlation coefficient (r value) between corneal biomechanical properties and morphological parameters at 3 months after SMILE.

SMILE术后3月角膜生物力学参数与形态学参数的相关系数(r 值)

角膜生物力学参数 术前对应角膜
生物力学参数
术后CCT 透镜厚度 PTA RST RST厚度百分比 角膜帽
厚度/RST
注:* P<0.05,** P<0.01;#表示采用了偏相关分析校正术后CCT影响;表内空格处表示无此项数据
DA Ratio 2 mm 校正前 − 0.158 − 0.083 − 0.034 − 0.030 − 0.029 0.003 0.052
校正后# − 0.167 0.266 0.229 − 0.262 − 0.268 0.328
Pachy Slope/mm 校正前 − 0.221 − 0.689** 0.225 0.195 − 0.154 − 0.207 0.215
校正后# − 0.057 0.039 − 0.034 0.081 − 0.018 0.098
IR/mm− 1 校正前 0.280 − 0.023 − 0.261 − 0.237 0.175 0.226 − 0.197
校正后# 0.292 − 0.017 − 0.033 0.037 0.015 0.022
SSI 校正前 − 0.224 0.017 0.216 0.237 − 0.222 − 0.225 0.194
校正后# − 0.306 0.138 0.193 − 0.213 − 0.164 0.110
SP-A1 校正前 − 0.136 − 0.335 0.078 0.081 − 0.051 − 0.052 − 0.004
校正后# − 0.200 − 0.487 − 0.499* 0.548* 0.533* − 0.566*
ARTh 校正前 − 0.165 0.532* − 0.378 − 0.445 0.546* 0.433 − 0.395
校正后# − 0.535 − 0.694 − 0.755 0.914* 0.782 − 0.808

2.4. SMILE术后三月与术前角膜形态学参数的比较

表3所示,与术前相比,两组术后3月K1 B和K2 B的绝对值均显著下降(P < 0.05),PE值则均无显著变化(P > 0.05)。

表 3. Comparison of corneal morphological parameters between 3 months after SMILE and before SMILE.

SMILE术后3月与术前角膜形态学参数的比较

参数 A组(n = 12) B组(n = 11)
术前 术后3月 P 术前 术后3月 P
K1 B/D − 6.20(− 6.30,− 6.00) − 5.60(− 5.75,− 5.40) 0.001 − 6.23 ± 0.28 − 5.62 ± 0.18 0.000
K2 B/D − 6.30(− 6.40,− 6.20) − 5.80(− 6.05,− 5.65) 0.002 − 6.35 ± 0.26 − 5.77 ± 0.17 0.000
PE/μm 11.00(10.00,22.50) 18.00(12.00,29.50) 0.388 18.18 ± 7.73 17.36 ± 10.64 0.786

3. 讨论

SMILE手术方式理论上可以较好地保护角膜结构的完整性,降低了发生角膜扩张的风险,对角膜生物力学影响相对较小[11-12]。然而,制备更厚的角膜帽是否对SMILE术后角膜力学性能的维持更有利,是否可以在更深的组织取出透镜、切削更多的基质(保留更少的残余基质床)目前尚不清楚。研究认为在圆锥角膜病变早期(顿挫期和亚临床期)角膜力学性能的改变可能早于形态学,故角膜力学性能的检测对早期圆锥角膜的筛查更加敏感[13-14]

SP-A1和ARTh值越大,A1V、A2V、Def Amp Max和IR越小,表明角膜硬度越大,抵抗形变的能力越强。本文通过比较A、B两组术后不同时间点的角膜生物力学参数发现:术后1周时A组SP-A1明显高于B组;术后1月时,A组A1V、A2V、Def Amp Max和IR值均明显低于B组,提示角膜组织硬度在术后1月内随残余基质床的减少而增加。有研究在对兔角膜实施不同切削深度的准分子激光原位角膜磨镶术(laser-assisted in situ keratomileusis,LASIK)时发现,术后1月时切削量70%组的角膜弹性模量显著高于切削量50%组[15],与本文结果一致。提示屈光术后1月内角膜组织可能通过损伤修复等机制提高角膜抵抗形变的能力,以积极应对基质切削过多引起的组织结构完整性的改变。研究认为ARTh越小时出现圆锥角膜的可能性越大[16]。我们发现,SMILE术后3月时A组ARTh明显低于B组,其余参数组间比较均不存在显著差异。提示A组在术后3月时抵抗变形能力可能有所下降。刘晶等[6]发现,术后3月DA Ratio、SP-A1和IR的变化量随RST的减少而增加,虽然发生变化的生物力学参数与本文有所不同,但趋势基本一致,猜测可能与物种及保留的RST有关。

我们通过比较生物力学参数随时间的变化规律发现,两组角膜CCT在术后1周及1月时均较术前有显著下降,术后3月有所回升,两组变化规律一致,说明术后角膜组织存在一定程度的损伤修复。A组仅A1V及IR在术后3月与术前比较时显著下降,提示多数生物力学参数在术后3月时已基本恢复至术前水平。这与临床观测结果基本一致[17]

本文通过对术后3月角膜生物力学参数和形态学参数进行相关性分析发现,Pachy Slope和ARTh均与术后CCT之间存在相关关系;在校正术后CCT影响后,ARTh仍与RST存在高度正相关,SP-A1与PTA、角膜帽厚度/RST存在负相关,与RST、RST厚度百分比存在正相关。说明在排除术后CCT影响后,当RST越少时,ARTh和SP-A1也越小,角膜硬度越低,抵抗变形能力越差。提示术后CCT和RST是SMILE术后3月角膜生物力学参数的主要影响因素,与文献[6]报道一致。

目前认为将Pentacam和Corvis ST检查结果进行综合分析可提高早期圆锥角膜筛查的准确性[18]。研究发现Pentacam的PE值可作为区分正常人眼和可疑圆锥角膜的敏感指标[19]。我们发现,与术前相比,术后3月两组PE值均并未发生显著变化,且K1 B和K2 B均较术前显著降低,说明两组均未出现圆锥角膜倾向。但术后3月A组PE值有上升趋势,是否有发生圆锥角膜的风险,仍需长时间观测。值得一提的是,术后3月A组CCT较术后理论值增加了约50 μm,提示角膜基质过度切削有发生屈光回退的可能。

4. 结论

本文制备了较厚角膜帽、保留不同RST的SMILE动物模型。虽然保留RST为CCT的30%组术后3月时角膜力学性能有所下降,但多数参数已恢复至术前水平,形态学参数也未发生显著变化。提示制备更厚的角膜帽对SMILE术后角膜力学性能的维持有利,可以在更深的组织取出透镜,切削更多的基质。本研究不足之处在于样本量相对较少,术后观察时间较短,因此对结果的解释仍需谨慎。

重要声明

利益冲突声明:本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明:贾园负责数据收集、分析和论文写作;贺瑞负责手术开展;李晓娜、陈维毅负责实验设计和论文修改;宋耀文、魏俊超、秦宏伟及杨昕负责数据收集。

伦理声明:本研究通过了太原理工大学生物与医学伦理委员会的审批(批文编号:TYUT202103001)。

Funding Statement

国家自然科学基金(12072218,11872262,12172243);山西省自然科学基金(20210302123150)

The National Natural Science Foundation of China

References

  • 1.林青鸿, 郑林, 王骞 飞秒激光小切口微透镜取出术并发症分析. 国际眼科杂志. 2017;17(7):1378–1380. doi: 10.3980/j.issn.1672-5123.2017.7.48. [DOI] [Google Scholar]
  • 2.中华医学会眼科学分会眼视光学组 我国飞秒激光小切口角膜基质透镜取出手术规范专家共识(2018年) 中华眼科杂志. 2018;54(10):729–736. doi: 10.3760/cma.j.issn.0412-4081.2018.10.003. [DOI] [Google Scholar]
  • 3.曾丽娟, 左慧懿, 韦琦, 等 不同切削比全飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术后早期角膜高阶像差的比较. 眼科新进展. 2019;39(7):674–677. doi: 10.13389/j.cnki.rao.2019.0155. [DOI] [Google Scholar]
  • 4.张华, 胡海涛, 任惠民, 等 家兔PRK术后角膜的组织病理、免疫组化及超微结构的实验研究. 眼视光学杂志. 2000;2(2):94–98. [Google Scholar]
  • 5.栗慧娜. 超薄瓣LASIK手术后角膜知觉的变化及基质切削深度对角膜知觉的影响. 南京: 南京大学, 2013.
  • 6.刘晶, 王雁, 邹昊翰, 等 SMILE术后角膜生物力学特性改变与切削厚度关系的研究. 中华眼科杂志. 2021;57(2):104–112. [Google Scholar]
  • 7.He Miao, Wang Wei, Ding Hui, et al Comparison of two cap thickness in small incision lenticule extraction: 100μm versus 160μm. Plos One. 2016;11(9):e0163259. doi: 10.1371/journal.pone.0163259. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 8.郑静, 黄志, 沈蓉, 等 兔全身麻醉的研究进展. 中国比较医学杂志. 2017;27(7):107–110. [Google Scholar]
  • 9.Seitz B, Torres F, Langenbucher A, et al Posterior corneal curvature changes after myopic laser in situ keratomileusis. Ophthalmology. 2001;108(4):666–672. doi: 10.1016/S0161-6420(00)00581-9. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 10.龙克利, 朱冉, 程蕾, 等 应用Pentacam分析3种近视激光矫正术后角膜后表面高度和曲率的变化. 眼科新进展. 2015;35(1):67–70. [Google Scholar]
  • 11.王雁, 李华 关注临床研究, 积极稳妥推广SMILE手术. 中华眼视光学与视觉科学杂志. 2016;18(3):129–132. doi: 10.3760/cma.j.issn.1674-845X.2016.03.001. [DOI] [Google Scholar]
  • 12.Ganesh S, Brar S, Arra R R Refractive lenticule extraction small incision lenticule extraction: a new refractive surgery paradigm. Indian J Ophthalmol. 2018;66(1):10–19. doi: 10.4103/ijo.IJO_761_17. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 13.Ma Jiaonan, Wang Yan, Wei Pinghui, et al Biomechanics and structure of the cornea: implications and association with corneal disorders. Surv Ophthalmol. 2018;63(6):851–861. doi: 10.1016/j.survophthal.2018.05.004. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 14.Roberts C J, Dupps W J Biomechanics of corneal ectasia and biomechanical treatments. J Cataract Refract Surg. 2014;40(6):991–998. doi: 10.1016/j.jcrs.2014.04.013. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 15.Wang Xiaojun, Li Xiaona, Chen Weiyi, et al Effects of ablation depth and repair time on the corneal elastic modulus after laser in situ keratomileusis. Biomed Eng Online. 2017;16(1):20. doi: 10.1186/s12938-017-0311-5. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 16.Vinciguerra R, Ambrósio R, Elsheikh A, et al Detection of keratoconus with a new biomechanical index. J Refract Surg. 2016;32(12):803–810. doi: 10.3928/1081597X-20160629-01. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 17.张明悦, 张丰菊, 宋彦铮, 等 SMILE手术前后角膜形态学和生物力学特性变化的研究. 中华眼科杂志. 2020;56(2):103–109. doi: 10.3760/cma.j.issn.0412-4081.2020.02.005. [DOI] [Google Scholar]
  • 18.刘佳, 贺瑞, 李晓娜, 等 角膜屈光手术术前筛查早期圆锥角膜的研究进展. 中华眼科医学杂志(电子版) 2021;11(6):375–379. [Google Scholar]
  • 19.徐艺, 戴锦晖, 褚仁远, 等 Pentacam三维眼前节分析系统对各期圆锥角膜后表面形态的研究. 眼科研究. 2009;27(3):229–233. [Google Scholar]

Articles from Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering are provided here courtesy of West China Hospital of Sichuan University

RESOURCES