眼球力学及临床应用研究课件1.ppt
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- 眼球 力学 临床 应用 研究 课件
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1、眼球力学及临床应用研究眼球力学及临床应用研究1.眼球的构造眼球的构造眼球的组织结构眼球的组织结构 眼球在眼眶中的位置眼球在眼眶中的位置 2、角膜屈光手术、角膜屈光手术 角膜的结构角膜的结构 角膜分为角膜分为5层:层:上皮细胞层上皮细胞层前弹力层(前弹力层(Bowman膜)膜)基质层基质层后弹力层(后弹力层(Descemet膜)膜),厚约厚约10-12m,由极其微细的胶原微,由极其微细的胶原微丝构成丝构成内皮细胞层,由一单层细胞构成内皮细胞层,由一单层细胞构成 人角膜结构 角膜的力学特性角膜的力学特性 角膜的应力应变关系是角膜的应力应变关系是非线性的非线性的(Woo,1972)作为对角膜替代材料
2、的作为对角膜替代材料的研究,猪角膜有于人角研究,猪角膜有于人角膜相近的应力应变关系,膜相近的应力应变关系,但应力松弛存在较大差但应力松弛存在较大差异(杨坚,异(杨坚,2001)。)。角膜的应力应变曲线(Woo,1972)刘志成等刘志成等(2003)设计了一套设计了一套测量离体虹膜及角膜的装置测量离体虹膜及角膜的装置用面应变来表征变形用面应变来表征变形00SSS 实验结果可用下式拟合:实验结果可用下式拟合:)/exp(0PC式中,式中,0,C为常数,为常数,P为为试样所受的内外压力差。试样所受的内外压力差。角膜、虹膜测试装置图角膜、虹膜测试装置图眼球整体变形测试系统眼球整体变形测试系统Instr
3、on实验机(Mode 5544)摄像引伸仪(No.Sx2663-305)眼球整体变形与眼内压的关系眼球整体变形与眼内压的关系实验动物实验动物 整体眼变形加卸载曲线整体眼变形加卸载曲线近视眼近视眼近视眼是目前全球发生率最近视眼是目前全球发生率最高的、范围最广的、严重的公共高的、范围最广的、严重的公共卫生问题,我国近视眼发病率超卫生问题,我国近视眼发病率超过过30%。WTO已将近视眼的防已将近视眼的防治列入全球防盲计划。治列入全球防盲计划。角膜屈光能力占全眼的角膜屈光能力占全眼的70%,通过改变角膜的厚度来改变眼球通过改变角膜的厚度来改变眼球的屈光度是很有效的。的屈光度是很有效的。示意图放射状角膜
4、切开术放射状角膜切开术 发展于上世纪发展于上世纪80年代年代在角膜前极的在角膜前极的34mm的的“视区视区”的周围切一组的周围切一组(416条条)径向刀口,改变角径向刀口,改变角膜的有效弹性,使角膜的膜的有效弹性,使角膜的前极变得较平(曲率半径前极变得较平(曲率半径增大),调节其折光能力。增大),调节其折光能力。经典弹性理论中的无矩理论经典弹性理论中的无矩理论 手术切开越深效果越好,实际上,手术切开深度手术切开越深效果越好,实际上,手术切开深度可达角膜厚度的可达角膜厚度的9095%(Werner,1986);眼内压波动大的患者来说,施行角膜切除术后,眼内压波动大的患者来说,施行角膜切除术后,带
5、来视力剧烈波动的危险增大了。带来视力剧烈波动的危险增大了。缺陷,没有将刚度函数缺陷,没有将刚度函数B()与手术切口数及深)与手术切口数及深度直接联系起来度直接联系起来。)(2)1(;02Bpawv壳上一点的切向位移壳上一点的切向位移v和径向和径向(法向法向)位移位移w 如在角膜伤口愈合过程中可见角膜上皮细胞、基质细胞及中性粒细胞分泌多种MMPs以促进基底膜重塑、创面收缩及纤维修复组织沉积,当MMPs表达不当则可导致瘢痕的形成。and Stark,L.在角膜前极的34mm的“视区”的周围切一组(416条)径向刀口,改变角膜的有效弹性,使角膜的前极变得较平(曲率半径增大),调节其折光能力。术后1个
6、月,炎性细胞浸润到移植体,可见成纤维细胞、淋巴细胞,嗜伊红粒细胞.病因目前看法不一,多数认为是生物力学变化的结果(Seitz,2001,Piccoli,2003,Wang,2003)。眼球运动系统图 分析坐标系统加固术后2个月眼球与对照组眼球的表观人眼球运动模型的建立与分析人眼球运动模型的建立与分析圆锥角膜的主要病理改变为角膜基质变薄,角膜前凸,这可能与胶原数量减少以及胶原纤维异常分布和排列有关。加固术后1个月眼球与对照组眼球的表观两眼球协同运动是由大脑中枢所管制,使分开的两只眼变为同一功能单位,如果中枢管制失调,眼外肌力量不平衡,两眼不能同时注视目标,视轴呈分离状态,其中一眼注视目标,另一偏
7、离目标称为斜视(Strabismus)。羟脯氨酸测定原理:先把含有羟脯氨酸的多肽(或蛋白质)用蛋白水解酶初步水解为小分子肽链,再用盐酸进一步水解成游离的氨基酸,其中游离的羟脯氨酸被氧化成吡咯,与对二甲氨基苯甲醛在一定温度下反应,生成一种红色化合物,在562nm处有最大吸收。目前开展最为广泛且临床疗效明确的治疗近视的两类角膜屈光手术。用粘弹性材料模型,根据实验得到的数据处理导入,对眼球的变形进行模拟分析。术后各月加固条带区巩膜Hyp含量及模量的比较数值分析方法数值分析方法 Pinsky等等(1990)、王家权等(、王家权等(1999)利用线弹性球壳模)利用线弹性球壳模型(王家权等,取型(王家权等
8、,取E=1.8Mpa,=0.49)切开的深度与刀口数对手术的效果有最重要的影响。切开的深度与刀口数对手术的效果有最重要的影响。角膜的屈光度随切口深度的变化 屈光度眼内压曲线(Pinsky,1990)准分子激光角膜屈光术准分子激光角膜屈光术 准分子激光角膜切削术准分子激光角膜切削术 Photorefractive Keratectomy,PRK 准分子激光原位角膜磨镶术准分子激光原位角膜磨镶术 laser in situ keratomileusis,LASIK 目前开展最为广泛且临床疗效明确的治疗目前开展最为广泛且临床疗效明确的治疗近视的两类角膜屈光手术。我国每年有近近视的两类角膜屈光手术。我
9、国每年有近百万人接受该手术治疗。百万人接受该手术治疗。Lasik手术图示手术图示Lasik手术手术准分子激光原理准分子激光原理 准分子激光是一种脉冲光,波长范围为准分子激光是一种脉冲光,波长范围为157353nm。光化反应光化反应 组织受到远紫外光作用时,会断裂分子之间结组织受到远紫外光作用时,会断裂分子之间结合键,将组织直接分离成挥发性的碎片而消散,对合键,将组织直接分离成挥发性的碎片而消散,对周围的组织则没有影响。周围的组织则没有影响。精确、对周围组织无损害、对眼内部组织无损害精确、对周围组织无损害、对眼内部组织无损害 动物术后角膜超微结构检查。动物术后角膜超微结构检查。问题继发性圆锥角膜
10、问题继发性圆锥角膜 1998 年年Seiler等首次报道了等首次报道了LASIK 术后产生继发性圆锥角膜术后产生继发性圆锥角膜,此后,不此后,不断有病例报告断有病例报告,Pallikaris(2001)等报道发生率为等报道发生率为0.66%。(陈跃国陈跃国,2002)继发性圆锥角膜是严重的角膜并发继发性圆锥角膜是严重的角膜并发症,会对术后视力造成破坏性的影症,会对术后视力造成破坏性的影响,部分病例不得不进行穿透性角响,部分病例不得不进行穿透性角膜移植术。膜移植术。术后2个月,更多的炎性细胞浸润到移植体,使其内部的胶原纤维被破坏.近视眼是目前全球发生率最高的、范围最广的、严重的公共卫生问题,我国
11、近视眼发病率超过30%。手术Hyp含量(g/mg)人眼球运动模型的建立与分析350Pa下吸入长度随时间的关系术后2个月,更多的炎性细胞浸润到移植体,使其内部的胶原纤维被破坏.在角膜前极的34mm的“视区”的周围切一组(416条)径向刀口,改变角膜的有效弹性,使角膜的前极变得较平(曲率半径增大),调节其折光能力。术后免疫排斥反应造成对异体巩膜胶原的破坏:这种力学环境的改变对Lasik术后圆锥角膜病变的发展是一个不可忽视的因素。如在角膜伤口愈合过程中可见角膜上皮细胞、基质细胞及中性粒细胞分泌多种MMPs以促进基底膜重塑、创面收缩及纤维修复组织沉积,当MMPs表达不当则可导致瘢痕的形成。Haydee
12、(2005),Smith(2006)等认为MMPs在角膜的多种生理及病理反应中发挥作用Photorefractive Keratectomy,PRK准分子激光是一种脉冲光,波长范围为157353nm。(陈跃国,2002)对44只实验动物(兔)分四组,每一个手术组接受一种切削量的角膜切削术实验。眼球在眼眶中的位置术后2个月手术眼 术后2个月对照眼缺陷,没有将刚度函数B()与手术切口数及深度直接联系起来。内皮细胞层,由一单层细胞构成 病因目前看法不一病因目前看法不一,多数认为是生物力学多数认为是生物力学变化的结果变化的结果(Seitz,2001,Piccoli,2003,Wang,2003)。Co
13、maish(2002)认为角膜基质的改变与继认为角膜基质的改变与继发性圆锥角膜的发病有着密切的关系。发性圆锥角膜的发病有着密切的关系。圆锥角膜的主要病理改变为角膜基质变薄,角膜前凸,这可能与胶圆锥角膜的主要病理改变为角膜基质变薄,角膜前凸,这可能与胶原数量减少以及胶原纤维异常分布和排列有关。角膜受损后出现的原数量减少以及胶原纤维异常分布和排列有关。角膜受损后出现的炎性反应炎性反应,能引起角膜基质的分解酶活性增加能引起角膜基质的分解酶活性增加,导致角膜融解、变薄、导致角膜融解、变薄、从而导致继发性圆锥角膜。从而导致继发性圆锥角膜。Haydee(2005),Smith(2006)等认为)等认为MM
14、Ps在在角膜的多种生理及病理反应中发挥作用角膜的多种生理及病理反应中发挥作用 如在角膜伤口愈合过程中可见角膜上皮细胞、基质细胞及中性粒细胞如在角膜伤口愈合过程中可见角膜上皮细胞、基质细胞及中性粒细胞分泌多种分泌多种MMPs以促进基底膜重塑、创面收缩及纤维修复组织沉积,以促进基底膜重塑、创面收缩及纤维修复组织沉积,当当MMPs表达不当则可导致瘢痕的形成。表达不当则可导致瘢痕的形成。如果如果LASIK术后术后MMPs表达异常就会使胶原的降表达异常就会使胶原的降解发生改变,使角膜的力学性能降低,可能诱发解发生改变,使角膜的力学性能降低,可能诱发继发性圆锥角膜的发生继发性圆锥角膜的发生(Dupps,2
15、005)。此外,术后角膜层变薄,所受的应力明显增大。这种力学此外,术后角膜层变薄,所受的应力明显增大。这种力学环境的改变对环境的改变对Lasik术后圆锥角膜病变的发展是一个不可术后圆锥角膜病变的发展是一个不可忽视的因素。忽视的因素。LASIK手术研究初步手术研究初步 对对44只实验动物(兔)分四组,每一个手术组接受一种切只实验动物(兔)分四组,每一个手术组接受一种切削量的角膜切削术实验。术后削量的角膜切削术实验。术后6个月,用明胶酶谱分析法个月,用明胶酶谱分析法检查术后各组角膜之间明胶酶含量的变化、及生物力学测检查术后各组角膜之间明胶酶含量的变化、及生物力学测试分析。试分析。角膜松弛实验过程图
16、角膜松弛实验过程图术后各组角膜的明胶酶含量术后各组角膜的明胶酶含量及弹性模型比较及弹性模型比较王爱玉,陈维毅陈维毅,贺瑞,王晓君,刘春生,兔眼LASIK术后角膜生物力学特性的实验研究,生物医学工程学杂志(In Press)用粘弹性材料模型,根据实验得到的数用粘弹性材料模型,根据实验得到的数据处理导入,对眼球的变形进行模拟分析。据处理导入,对眼球的变形进行模拟分析。D 角膜顶点相对角膜边缘处的位移随眼内压的变化角膜顶点相对角膜边缘处的位移随眼内压的变化 3、巩膜的力学特性与后巩膜加固术、巩膜的力学特性与后巩膜加固术问题的提出问题的提出:(1 1)高度近视眼对引起视网膜病变)高度近视眼对引起视网膜
17、病变高度近视又称病理性近视或变性近视,是常见的致盲性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,可以出现多种病理改变,甚至发生视网膜脱离,眼病之一,可以出现多种病理改变,甚至发生视网膜脱离,对视功能损害严重。对视功能损害严重。(Rada et al.2006)单纯性近视眼成像图单纯性近视眼成像图 进行性近视眼成像图进行性近视眼成像图 (2 2)我国高度近视的患病率高)我国高度近视的患病率高 据调查,我国的近视群体发病率达据调查,我国的近视群体发病率达3030,高度近视的患病,高度近视的患病率为率为0.720.722 2,有的地区高达,有的地区高达6.986.98,但高度近视眼的发
18、病,但高度近视眼的发病机制目前尚不完全清楚。机制目前尚不完全清楚。(3 3)巩膜的在维持眼球形状方面起着关键作用)巩膜的在维持眼球形状方面起着关键作用 眼轴延长和后巩膜葡萄肿是高度近视的基础病变之一,巩眼轴延长和后巩膜葡萄肿是高度近视的基础病变之一,巩膜壁的力学特点和自身的缺陷是重要因素之一。膜壁的力学特点和自身的缺陷是重要因素之一。眼球壁外层(前面眼球壁外层(前面1/61/6为角膜,其余为角膜,其余5/65/6为白色不透明的巩为白色不透明的巩膜)、中层(虹膜、睫状体与脉络膜)、内层(视网膜)切膜)、中层(虹膜、睫状体与脉络膜)、内层(视网膜)切线模量依次一个比一个高出一个数量级线模量依次一个
19、比一个高出一个数量级,即即(Graebel,1977)100:10:1:SCREEE正常人巩膜壁的不同部位其应力应变曲正常人巩膜壁的不同部位其应力应变曲线是不同的,在同样的压力下,眼球后部的线是不同的,在同样的压力下,眼球后部的巩膜发生变形的程度最大,赤道部巩膜次之,巩膜发生变形的程度最大,赤道部巩膜次之,眼前部巩膜最小(眼前部巩膜最小(Curtin,1969)。)。从八十年代中期开始,国外利用生物力学从八十年代中期开始,国外利用生物力学的研究方法,来研究巩膜壁的生物力学特征。的研究方法,来研究巩膜壁的生物力学特征。Prett(1987)提出球壁模型:)提出球壁模型:S=(Pi-Po)r/2h
20、。后巩膜加固术机理研究后巩膜加固术机理研究后巩膜加固术是治疗后巩膜葡萄肿的方法之一,也是目前治疗进后巩膜加固术是治疗后巩膜葡萄肿的方法之一,也是目前治疗进行性近视眼并防止其致盲的唯一方法行性近视眼并防止其致盲的唯一方法(Wollensak et al,2005)(陈维毅、杨桂通、吴文周,2000)外直肌依次受100 pps的神经脉冲作用时,角膜中点的运动轨迹在Listing平面上的投影。内皮细胞层,由一单层细胞构成这种力学环境的改变对Lasik术后圆锥角膜病变的发展是一个不可忽视的因素。实验性近视组巩膜成纤维细胞的力学特性与对照组有明显差异(陈维毅,王超英,张全有等,2007)眼球运动系统图
21、分析坐标系统后弹力层(Descemet膜),厚约10-12m,由极其微细的胶原微丝构成术后免疫排斥反应造成对异体巩膜胶原的破坏:在我国,儿童斜发病率约为1%。试验采用95%酒精保存的人眼巩膜作为移植物,组织细胞多被破坏而死亡,仅留有细胞间质成分中的胶原纤维作为支架,相应的位于细胞表面的抗原含量低,免疫原性弱,其诱发的免疫应答强度较小,故虽用作异种异体移植物,术后并未引起移植物脱落、排出等强烈排斥反应。外直肌依次受100 pps的神经脉冲作用时,角膜中点的运动轨迹在Listing平面上的投影。据调查,我国的近视群体发病率达30,高度近视的患病率为0.Comaish(2002)认为角膜基质的改变与
22、继发性圆锥角膜的发病有着密切的关系。眼轴延长和后巩膜葡萄肿是高度近视的基础病变之一,巩膜壁的力学特点和自身的缺陷是重要因素之一。术后各月加固条带区巩膜Hyp含量及模量的比较(Rada et al.Haydee(2005),Smith(2006)等认为MMPs在角膜的多种生理及病理反应中发挥作用这种力学环境的改变对Lasik术后圆锥角膜病变的发展是一个不可忽视的因素。病因目前看法不一,多数认为是生物力学变化的结果(Seitz,2001,Piccoli,2003,Wang,2003)。(陈跃国,2002)肌肉收缩力(Zahalak,GI,1981,1990,1997)这种手术已有几十年的历史,但是
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