[科普中国]-眼力学

1.简介

眼力学研究眼球相关的力学问题，是生物力学的一个重要研究内容。眼力学研究的目的是认识和解释眼球功能有关的力学现象和规律，为各种眼疾的治疗、眼功能的修复与康复手段开发提供技术基础。

眼球是人体重要的感觉器官之一，它有两个重要功能，一个是眼眶填充功能，保持人的正常脸部形态（美学效果，即他人的视觉效果），也就是当其他人看到这个人的脸部时有一种良好的视觉效果；另一个是视觉功能，即获取外部的光学信息，把光学信息转换成电学信息并把它传送到大脑进行处理，进而做出空间、时间和色彩等判断，指挥人体其他组织或器官作出相应的反应和动作。与眼球相关的力学问题很多，如维持眼球的正常形态，以保证眼球光学功能的实现，控制眼球的运动，以方便捕捉不同空间方位的光学信息学。

特定种类的生物组织按照特定的组合方式构建出特殊的形态结构，目的是实现特殊的生理功能，这是生物体生理功能形成的基本规律。眼球的生理功能形成与维持也是如此。眼球的生理功能正常与否与眼球的内、外力学环境密切相关，眼内压突然急剧升高的结果是眼底神经组织在高压力作用下发生功能丢失或损坏，使其光信号接受和处理能力出现不可修复的损伤，进而影响眼球的光学功能，眼内结构的不正常改变，如房角闭锁等会使眼内的房水排出发生障碍，从而出现房水堆积，使眼压升高；眼球运动的控制是由肌肉来完成的，如果这些肌肉的控制功能发生异常，就造成眼动控制异常，如斜视，双眼视觉效果不一致等。各种与上述问题有关的眼球功能障碍和疾病的研究已经广泛开展。迄今，对眼球运动和眼组织的宏观力学特性已有了相当的了解，力学分析方法已在眼科诊治方面得到应用。

2. 眼球的解剖结构眼球，分成眼球壁和眼内容物两部分。眼球壁：分外层（纤维膜：分角膜和巩膜）、中层（葡萄膜：分虹膜、睫状体和脉络膜3部分）、内层（称视网膜：分视网膜虹膜部、视网膜睫状体部和视网膜脉络膜部3部分）。眼内容物包括房水、晶状体和玻璃体。眼的附属器包括眼眶、眼睑、结膜、泪器和眼外肌。视网膜上视觉纤维汇集穿出眼球的部位，是视盘，全称视神经盘，也叫视神经乳头，包括从视网膜表面到筛板后面的有髓鞘视神经部分。

3.屈光矫正手术及角膜的生物力学研究 为正确评估屈光手术后的效果，深入了解角膜材料本身的生物力学特性显得尤为重要。用生物力学研究数据建立有临床用途及预测性的生物力学模型，可以极大地提高人们对角膜手术的理解及对术后的预测。另外，角膜的力学特性与眼压测量关系密切。

角膜在组织学上可分为5层，其中基质层是承受载荷的主要部分；基质层约占角膜厚度的90%，由近200层排列规则的胶原纤维嵌在基质板中形成，胶原纤维直径很小、呈平行排列，临近的各层纤维以一定角度相互交错，使得角膜保持透明。角膜是生物材料，具有非线性、各向异性、粘弹性（包括蠕变、应力松弛和滞后）的生物力学性能；当应力在一个小范围时，可简化为线弹性，弹性模量和泊松比是描述线弹性的2个重要指标。角膜为非均质材料，不同区域力学特性不同。角膜力学特性的离体测量方法有轴向拉伸试验、膨胀实验、离体全眼球测量、压痕实验等。角膜在体力学特性的测量主要用眼反应分析仪（ORA），但目前尚未建立ORA测量参数与经典的生物力学参数之间的关系。

4.病理性近视、青光眼与及巩膜的生物力学研究巩膜是眼球壁的最外一层，由致密的胶原和弹力纤维构成。巩膜是生物材料，具有非线性、各向异性、粘弹性的生物力学性能。巩膜为非均质材料，不同区域力学特性不同。巩膜力学特性的离体测量方法有单向拉伸试验、双向拉伸试验、压缩试验、压痕实验等。

巩膜的力学特性与进行性近视眼高度相关。高度近视又称病理性近视或变性近视，是常见的致盲性眼病之一，眼轴延长和后巩膜葡萄肿是高度近视的基础病变之一。在近视发展过程中，巩膜的结构、功能及生物力学特性的异常是引起巩膜塑形和病理的基础。

巩膜的力学特性与与青光眼发病机制密切相关。视乳头附近筛板组织的变形与巩膜的力学特性关系密切；青光眼猴的巩膜的粘弹性特性发生了改变。

5.白内障与及晶状体的生物力学研究在眼的调节过程中，当睫状肌放松时，悬韧带收紧，这时晶状体处于最大张力状态，晶体变扁，睫状肌收缩时，要牵引脉络膜，并使悬韧带处于低应力状态，晶体变圆，便于对近距离目标聚焦。可见，脉络膜和悬韧带如同吸震器，可以缓和睫状肌突然收缩的影响。Czygan等在分离老年人眼晶状体核的力学试验中发现晶状体核具有线性粘弹性特性，可观察到滞后、蠕变、松弛等典型现象。

研究眼部组织的力学特性可以增强术后的预测性，帮助提高临床效果。如Effer等对人工晶状体植入囊袋内进行定量分析发现，除了人工晶状体袢的形状，压袢所必用的力也影响最终囊袋的形成。Mor-gan等在对连续环形撕囊术与射频透热囊膜切开术后的囊膜切开边缘的生物力学特性研究中发现连续环形撕囊术可提供一个更为稳定的囊膜口，在常规的白内障手术中是一种较好的方法。

6. 眼球运动及斜视的治疗眼球是人体的重要器官，建立眼球运动的力学模型，从理论上分析眼球的运动，对弄清眼球的运动机理及临床眼外肌疾病的外科手术治疗有着重要的意义。

眼球在眼眶中的运动由6条眼外肌精确控制完成。当其中某条眼外肌处于病理状态（麻痹时、过短、间歇性抽搐等）时，眼球的运动就会处于非正常状态．会产生斜视或眼球振颤。

眼球震颤是指两眼发生不自主的有节律的往返运动，常是某些视觉的、神经的前庭机能失调的表现。对眼球震颤进行模拟与理论上的分析对进一步弄清眼球震颤的实质及对手术治疗眼球震颤都有着重要的实际意义。

斜视手术是加强或减弱眼外肌的力量，改变其解剖因素及神经因素（眼位调正因素），从而达到矫正眼位异常和恢复两眼单一视。斜视手术从原理上讲，完全是一个生物力学问题。引入一个眼球静平衡模型，可模拟各种情况的斜视，并可计算出矫正不同的斜视角度所需的手术量。

7.瞳孔阻滞、房水循流及虹膜的生物力学研究1920年Curran提出瞳孔阻滞概念，认为瞳孔处虹膜与晶体接触，对房水从后房到前房的循流产生一定的阻滞，导致前后房压强差增大。瞳孔阻滞力的改变和房水循流状态改变一直被认为是原发性闭角型青光眼发病的重要病理因素之一。虹膜的生物力学特性与瞳孔阻滞的发生密切相关。

虹膜由前面的基质层和后面的色素上皮层构成。虹膜的力学特性与瞳孔括约肌和瞳孔开大肌有关。虹膜是生物材料，具有非线性、各向异性、粘弹性的生物力学性能。虹膜力学特性的离体测量方法有轴向拉伸试验、膨胀实验、压痕实验等。虹膜在体力学特性的测量目前主要基于超声生物显微镜（UBM）获取图像，结合数值模拟方法确定虹膜的在体力学特性。

房水循流状态改变与青光眼的致病机理相关。眼前房的房水流场可借助离子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）测量，有限元方法可进行房水流场的数值模拟。

8.小梁网与房水流出通道小梁网是房水流出的最关键部位，85-90%的房水经小梁网房水流出通道流出。小梁网的韧性、强度、细胞间粘附性和房水流出通道的整体构型，在调控小梁网房水流出中发挥重要作用。病理性眼压升高是青光眼的主要危险因素，大多数情况下，眼压升高是由于房水常规外流途径中流动阻力增加导致的。研究发现，小梁网的刚度与房水外流阻力变化有关。

9.筛板变形、视神经损伤与跨筛板压力差视盘的生物力学结构是指视盘的力学行为环境，即有关它的几何学形状、材料性质、周边环境的力学行为。当眼压间断或持续性升高的水平超过眼球所能耐受的程度时，会给眼球各部分组织和视功能带来损害，将导致筛板变形。

筛板是青光眼视神经损害的原发部位，在青光眼的发病过程中筛板的结构和功能会产生一系列的青光眼病理改变，包括筛板结构的压缩变薄后后凸，筛板的细胞外基质重构以及生物力学改变。对于正常眼压性青光眼，高眼压模型无法解释其发病机制，而低颅压所致的跨筛板压力差增大对解释视神经损害具有重要意义，跨筛板压力差增大是原发性开角型青光眼视神经损害的重要因素，跨筛板压力差与脑脊液压力、眼内压和血压密切相关，其损害机制有待进一步阐明。

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本词条内容贡献者为:

刘志成 - 教授 - 首都医科大学生物医学工程学院