使用Corvis ST设备评估LASIK、PRK和CXL手术后角膜的生物力学特性

《Lasers in Medical Science》：Assessment of corneal biomechanical properties using Corvis ST following LASIK, PRK, and CXL

　　摘要
本研究旨在使用Corvis ST设备评估LASIK（激光辅助原位角膜磨镶术）、PRK（光折射性角膜切除术）和CXL（角膜交联术）对角膜生物力学的影响，同时考虑屈光手术患者与圆锥角膜患者之间的基线角膜状况差异。这项前瞻性比较研究包括150名患者的150只眼睛，分别接受LASIK（n=50）、PRK（n=50）或针对圆锥角膜的Epithelium-off CXL（n=50）治疗。术前和术后6个月，使用Corvis ST设备评估了角膜生物力学参数，包括变形幅度（DA）、首次压平时的硬度参数（SP-A1）、2毫米处的DA比值、Ambrósio相对厚度水平（ARTh）、角膜生物力学指数（CBI）以及由Pentacam断层扫描和Corvis ST测量结合得出的断层生物力学指数（TBI）。组内变化通过适当的配对参数检验或非参数检验进行分析；组间比较则采用调整了基线值、年龄、中央角膜厚度和生物力学校正后眼内压的ANCOVA或线性混合效应模型进行。LASIK和PRK组的眼睛在术后表现出DA、2毫米处DA比值、CBI和TBI的显著增加，以及SP-A1和ARTh的显著降低（所有p<0.001），表明其生物力学强度相对于术前有所减弱。在基线校正后，LASIK组的减弱程度比PRK组更明显。相比之下，接受CXL治疗的圆锥角膜患者表现出DA、DA比值、CBI和TBI的显著降低，以及SP-A1的显著增加（p<0.001），这与生物力学硬化一致。尽管各组基线生物力学特征不同，但这些变化仍然发生了。LASIK和PRK与可测量的角膜生物力学减弱相关，而CXL则使圆锥角膜的生物力学强度增强。这些发现应在不同的基线角膜状况背景下进行解释，而不能直接对比手术效果。Corvis ST为在不同临床环境中量化特定手术的生物力学变化提供了可靠的框架。

引言
角膜屈光手术和治疗干预措施彻底改变了屈光不正和角膜扩张性疾病的管理。其中，激光辅助原位角膜磨镶术（LASIK）、光折射性角膜切除术（PRK）和角膜交联术（CXL）被广泛使用。尽管这些技术已得到广泛应用，但仍需了解它们对角膜的生物力学影响，因为这些变化对长期视觉结果、屈光稳定性和并发症发生率具有重要作用[1]。
角膜的生物力学特性（如弹性、粘度和硬度）对于在眼内压（IOP）下维持角膜形状和功能至关重要。这些特性的改变可能影响角膜稳定性，从而在屈光手术后引发并发症（如角膜扩张）。诸如Corvis ST（Oculus Optikger?te GmbH）之类的设备的开发使得这些生物力学特性的精确评估成为可能。Corvis ST利用超高速Scheimpflug成像技术来测量角膜对空气脉冲的变形反应。从Corvis ST得出的常见指标包括首次压平时的硬度参数（SP-A1）、Corvis生物力学指数（CBI）、断层生物力学指数（TBI）、变形幅度（DA）、2毫米处的DA比值以及Ambrósio相对厚度水平（ARTh）。这些参数有助于量化角膜硬度和扩张风险[2, 3]。
LASIK是最常用于矫正近视、远视和散光的屈光手术之一。手术过程中会制作角膜瓣，然后使用准分子激光对基质层进行消融。虽然LASIK能带来优异的视觉效果，但它通过移除基质组织而改变了角膜结构并降低了其生物力学强度。研究表明，术后DA和中央角膜厚度（CCT）显著降低，这与硬度下降和扩张风险增加相关[4, 5]。
PRK是一种表面消融技术，无需制作角膜瓣，而是直接去除角膜上皮以暴露基质层进行激光消融。虽然PRK比LASIK保留了更多的生物力学完整性，但仍会导致角膜硬度和厚度的可测量减少。比较研究表明，PRK引起的生物力学减弱程度较小，表现为DA变化较小和硬度参数较高[4, 6]。CXL主要用于圆锥角膜和其他角膜扩张性疾病的治疗，通过核黄素和紫外线A照射诱导胶原交联来增强角膜的生物力学强度。基于Corvis ST的研究一致显示，CXL术后第一压平时的硬度参数（SP-A1）、角膜生物力学指数（CBI）和断层生物力学指数（TBI）有所改善[2, 7]。
尽管LASIK、PRK和CXL在屈光矫正和结构稳定方面的作用不同，但它们都会显著影响角膜生物力学。直接比较这些变化有助于理解其影响范围并优化手术选择。Corvis ST为临床医生提供了量化不同手术模式下生物力学变化的宝贵平台。最近的研究还探讨了LASIK Xtra和PRK Xtra等辅助CXL技术的益处，这些技术能够进一步改善生物力学效果[6, 8]。
与以往主要报告未校正术后生物力学变化的研究不同，本研究采用了基线校正和深度标准化的分析方法，并结合临床风险分层来量化屈光和角膜治疗手术的生物力学影响。这种方法将重点从描述性确认转向基于机制的、对决策有指导意义的解释。

研究目的
本研究旨在使用Corvis ST设备量化LASIK、PRK和CXL后角膜生物力学的变化，同时明确考虑健康屈光手术患者与圆锥角膜患者之间的基线差异。次要分析探讨了调整后的组间差异，并对其临床局限性进行了细致解读。

研究对象与方法
这项前瞻性比较研究旨在评估和比较接受LASIK、PRK和CXL治疗的患者的角膜生物力学变化。研究时间为2024年1月至2025年5月。
符合条件的参与者为18–40岁的成年人。考虑接受LASIK或PRK的患者必须适合屈光不正矫正；而接受CXL的患者必须有确诊的圆锥角膜。其他纳入标准包括无既往眼部手术史以及愿意签署知情同意书参与研究。
排除标准包括存在角膜瘢痕、活动性眼部炎症或其他可能干扰手术或结果的眼部病变。患有系统性疾病（如糖尿病或结缔组织疾病）的患者也被排除，以消除潜在的混杂因素。此外，如果患者在入组前两周内佩戴过隐形眼镜，或预计无法完成随访或遵守研究方案，也被排除在外。所有参与者均接受了全面的术前眼科检查，包括未矫正和最佳矫正视力（UCVA和BCVA）评估、裂隙灯生物显微镜检查、散瞳后眼底检查以及角膜地形图检查（用于确认圆锥角膜或评估屈光不正）。各组的具体手术方式如下：LASIK组使用飞秒激光制作角膜瓣，然后对基质层进行准分子激光消融；PRK组去除角膜上皮，对基质表面进行准分子激光消融，并术后佩戴绷带型隐形眼镜；CXL组采用标准的Epithelium-off方案，包括核黄素滴眼后进行3 mW/cm2强度的紫外线A照射30分钟。我们记录了手术过程中进行的辅助交联操作（如LASIK-Xtra、PRK-Xtra），并将这些病例单独处理（排除在主要分析之外），因为CXL会改变即时的生物力学反应。术后随访安排在1周、1月、3月和6个月。所有三组的角膜生物力学评估均在术前和术后6个月使用Corvis ST设备进行。

数据分析
数据分析使用IBM SPSS Statistics（版本25）完成。组内变化通过适当的配对t检验或Wilcoxon符号秩检验进行分析；为调整基线差异而对组间进行比较时，使用协方差分析（ANCOVA），以术后值为因变量，手术组为固定因子，相应的基线值、年龄、基线CCT和基线bIOP作为协变量。当ANCOVA假设不成立时，使用具有相同协变量的线性混合效应模型（以受试者为随机效应）。敏感性分析排除了接受辅助交联（“Xtra”）的眼睛，并根据基线扩张状态进行了分层分析。多重比较采用Bonferroni校正；p<0.05被视为显著。
为确保透明性和可重复性，统计分析遵循生物医学研究的推荐报告标准。使用Shapiro–Wilk检验评估参数检验的假设合理性，Levene检验评估方差的方差齐性。配对t检验或Wilcoxon符号秩检验的选择基于这些诊断结果。ANCOVA模型还评估了线性、回归斜率的齐性以及无多重共线性。当这些假设不成立时，采用具有受试者水平随机效应的线性混合效应模型。多重比较使用Bonferroni校正进行校正，所有效应估计均附带相应的95%置信区间。
本研究遵循《赫尔辛基宣言》中规定的伦理标准进行。研究获得了医学院研究伦理委员会的伦理批准（批准号FMBSUREC/05012025/SAIF），临床试验注册号为ClinicalTrials.gov Identifier:: NCT06818461，注册日期为2024年4月。所有参与者在入组前均签署了书面知情同意书，并被告知随时有权退出研究。所有患者数据均经过匿名处理以保护隐私和数据安全。

结果
本研究共纳入150名患者的150只眼睛，平均分为三组：LASIK组（n=50）、PRK组（n=50）和CXL组（n=50）。如表1所示，三组在年龄、性别分布或术前中央角膜厚度（CCT）方面没有统计学上的显著差异，p值均大于0.05，表明研究人群分布均衡。表1 显示了接受LASIK、PRK或CXL治疗的患者的基线人口统计学和临床特征。表1 中列出了所有患者的详细信息。

术前和术后均分析了Goldmann相关眼内压（IOPg）和生物力学校正眼内压（bIOP）（见表2）。在LASIK组中，IOPg从15.3±2.1毫米汞柱降至13.2±1.5毫米汞柱（p<0.001），bIOP从16.0±2.2毫米汞柱降至14.7±2.1毫米汞柱，平均差异为1.28±1.76毫米汞柱（95%置信区间，0.78–1.78；p<0.001）。同样，在PRK组中，IOPg从15.6±2.4毫米汞柱降至13.5±1.4毫米汞柱（p<0.001），bIOP从16.0±1.7毫米汞柱降至14.7±1.6毫米汞柱，平均差异为1.32±1.72毫米汞柱（95%置信区间，0.83–1.81；p<0.001）。相比之下，CXL组没有显著变化：IOPg保持稳定（14.9±2.2毫米汞柱 vs 14.8±1.8毫米汞柱；p=0.184），bIOP也没有显著差异（16.2±1.5毫米汞柱 vs 16.1±3.0毫米汞柱；平均差异0.10±2.91毫米汞柱；95%置信区间，-0.73至0.93；p=0.805）。表2 对比了LASIK、PRK和CXL组术前和术后通过Goldmann相关IOP（IOPg）和生物力学校正IOP（bIOP）测量的眼内压。

LASIK组和PRK组的中央角膜厚度（CCT）显著降低（p<0.001），这与预期的基质组织去除一致（表3）。CXL组术后仅显示出轻微的CCT下降（p=0.043），这可能是由于交联后的基质紧缩所致。表3 显示了LASIK、PRK和CXL组术前、术后以及经过ANCOVA调整后的中央角膜厚度（CCT）。

使用Corvis ST仪器在术前和术后评估了关键的角膜生物力学参数，表4显示了相关结果。LASIK组和PRK组的变形幅度（DA）显著增加（p<0.001），表明生物力学硬度降低。相反，CXL组的DA显著降低（p<0.001），反映出硬度的增加。同样，首次压平时的硬度参数（SP-A1）在LASIK组和PRK组也显著降低（p<0.001），而在CXL组中则显著增加（p<0.001），进一步证明了角膜生物力学特性的增强。表4 显示了LASIK、PRK和CXL术前后的动态生物力学参数，并进行了组间比较。

LASIK组和PRK组的角膜生物力学指数（CBI）和层析生物力学指数（TBI）术后均显著增加（p<0.001），表明生物力学强度减弱。相反，CXL组的这两个指数显著降低（p<0.001），表明生物力学完整性增强。表5 显示了LASIK、PRK和CXL组术前、术后以及经过ANCOVA调整后的角膜生物力学指数。

总体而言，LASIK和PRK手术导致角膜硬度显著降低，这从DA的增加和SP-A1水平的降低中可以看出。相比之下，CXL手术显著增强了角膜的生物力学性能，表现为DA的降低、SP-A1的增加以及CBI和TBI scores的改善。组间比较显示所有生物力学参数和指数均存在统计学上的显著差异（p<0.001），见表6。表6 显示了LASIK、PRK和CXL组术后Corvis生物力学指数的变化。

LASIK组和PRK组术后CBI和TBI均显著增加（p<0.001），反映出角膜生物力学的受损。相比之下，CXL组这些指数显著降低（p<0.001），表明生物力学特性得到增强。表7 综合回顾了基于Corvis ST的研究，比较了LASIK、PRK和CXL后的生物力学变化。

LASIK组和PRK组的术后硬度参数（SP-A1）显著降低（p<0.001），表明角膜硬度减少。CXL组SP-A1显著增加（p<0.001），表明生物力学得到增强。这些变化在图1中有所体现。图1 显示了LASIK、PRK和CXL组首次压平时的硬度参数（SP-A1）的术前和术后值。

LASIK组和PRK组的ARTh值显著降低（p<0.001），表明中央角膜变薄。有趣的是，CXL组术后ARTh有轻微但统计学上显著的增加（p<0.001），表明基质发生了一定的重组。LASIK组和PRK组的2毫米处的DA比率显著增加（p<0.001），表明中央角膜变形更大。相比之下，CXL组DA显著降低（p<0.001），与角膜生物力学稳定性的增强一致。这些差异在图1中也有体现。

LASIK组和PRK组的生物力学校正眼内压（bIOP）显著降低（p<0.001），反映了消融后角膜特性的改变。CXL组术后bIOP略有但统计学上显著的增加（p<0.001），可能表明抗变形能力和结构完整性的保持。

当生物力学变化按基质消融深度标准化后，LASIK组每微米组织的SP-A1降低幅度显著大于PRK组（β=-0.082 vs -0.051 N/mm每微米，p=0.004）。同样，LASIK组每微米消融的变形幅度增加也高于PRK组（p<0.01），表明除了组织去除之外，瓣膜创建本身对角膜生物力学的影响更大。表8 显示了这种差异。

LASIK组的生物力学效率指数（BEI）显著较低（-0.096 vs -0.061 N/mm每微米，p=0.01），尽管屈光矫正效果相当，但生物力学效率较低。表9 显示了这一点。

使用术后CBI/TBI阈值进行的风险分层分析显示，28%的LASIK患者术后TBI超过0.79（膨出风险阈值），而PRK组仅为14%（p=0.03），CXL组没有患者超过这个阈值。这突显了仅通过平均参数变化无法捕捉到的临床相关差异。表10 显示了术后生物力学风险分层。

6个月的时间点可能代表了屈光手术后的早期生物力学稳定，但CXL术后仍存在持续的重塑过程。SP-A1和DA趋势的不同表明，生物力学的恢复和增强具有不同的时间动力学，这取决于是否去除了胶原蛋白或进行了交联。

本研究全面评估了使用Corvis ST进行的LASIK、PRK和角膜交联（CXL）后的角膜生物力学变化。结果发现LASIK和PRK显著降低了角膜的生物力学稳定性，而CXL则增强了其稳定性。这些发现与早期和最近的研究结果一致，并对其进行了扩展。我们的数据表明，LASIK和PRK都显著降低了角膜硬度，表现为变形幅度的增加和首次压平时硬度参数（SP-A1）的降低。这些变化还伴随着角膜生物力学指数（CBI）和层析生物力学指数（TBI）的增加。这些趋势与Kandavel等人[4]和Liu等人[5]的报告结果一致，他们使用Corvis ST评估了屈光手术后的类似生物力学减弱模式。

LASIK和PRK之间的相对差异值得注意。虽然两种手术都削弱了角膜，但PRK在保持生物力学稳定性方面略优于LASIK。这支持了Roberts等人[9]和Kanellopoulos等人[10]的早期比较研究，他们得出结论认为LASIK中的瓣膜创建比PRK更严重地破坏了前部基质结构。最近的研究也证实了这一点。Chen等人[11]发现，经上皮PRK（tPRK）相比飞秒LASIK（FS-LASIK）引起的生物力学削弱较小，这使用了包括2毫米DA比率和积分逆半径（IIR）在内的先进Corvis ST参数。Eid等人[12]也发现PRK对应力-应变指数（SSI）的降低程度小于LASIK和FS-LASIK，强调了PRK在保持生物力学完整性方面的优势。

LASIK和PRK术后IOP的降低也与Kohlhaas等人[13]的早期发现一致，他们认为屈光手术后的较薄和生物力学减弱的角膜可能导致IOP估计不足，从而给术后青光眼管理带来挑战。与屈光手术不同，CXL旨在增强角膜的生物力学性能。我们的研究证实CXL后SP-A1显著增加，DA、CBI和TBI降低，表明生物力学得到了显著增强。这些结果与Wollensak等人[14]的基础工作一致，他们首次使用条带延伸仪证明了CXL后角膜硬度增加了300%。Vinciguerra等人[15]和Matalia等人[2]的报告也证实了CXL后角膜硬度指数的显著改善。

基于Corvis ST的评估进一步证实了这些效果。我们的研究结果与之前的研究一致，表明LASIK和PRK会导致角膜生物力学的显著减弱，而CXL则增强了角膜的生物力学性能。结合屈光手术和CXL的新兴手术（如LASIK Xtra和PRK Xtra）旨在减轻生物力学减弱。Wang等人[8]和Chen等人[11]的报告表明，这些联合手术比传统手术对生物力学指数的影响更小。他们的发现表明，辅助CXL有助于保护高风险或临界患者的角膜硬度。

我们的结果和先前文献一致，即LASIK由于瓣膜创建和更深层次的基质消融导致最大的生物力学减弱。PRK由于保留了前部基质层而减少了削弱。CXL显著增强了角膜硬度，表现为SP-A1的增加、DA的降低以及CBI/TBI的改善。这些模式得到了Eid等人[12]和Chen等人[11]的全面研究的支持，他们直接比较了LASIK、PRK、FS-LASIK和辅助CXL的干预效果。表7提供了比较LASIK、PRK和CXL的Corvis ST基础研究的总结。

CXL组包括圆锥角膜患者，而LASIK和PRK组主要是健康的屈光手术适合者。这些术前差异，包括角膜几何形状、CCT和基线生物力学指数，可能会影响术后参数的绝对值和变化幅度/方向。因此，虽然组内术前/术后比较可以可靠地反映手术本身的效果，但未经调整的组间比较可能会受到其他因素的干扰。为了解决这个问题，我们进行了调整基线值、CCT、bIOP和年龄的ANCOVA和混合模型分析，并排除了辅助Xtra手术的影响。尽管进行了这些调整，仍可能存在残留的混杂因素，因此在解释组间效应大小时应谨慎。了解这些手术的差异性生物力学效应对于术前规划至关重要。Corvis ST等工具能够客观且可重复地评估角膜稳定性，有助于指导手术选择，特别是对于有膨出风险的患者。角膜厚度边界不清或有轻微生物力学异常的患者可能更适合接受PRK而不是LASIK，或者可以考虑进行辅助CXL。对于进展性圆锥角膜患者，单独使用CXL可以阻止疾病进展并恢复生物力学稳定性。

尽管我们的研究样本丰富且随访一致，但6个月的随访期可能无法捕捉到长期的生物力学重塑。Seiler等人的长期研究表明，生物力学重塑会持续超过12个月。此外，尽管Corvis ST提供了详细的动态参数，但结合其他设备（如ORA [19, 20]、Brillouin显微镜）的结果可以提供更全面的生物力学概况。

总之，这项研究表明LASIK和PRK会导致角膜生物力学的显著减弱，而角膜交联则会导致生物力学的增强，这一点通过多种Corvis ST参数得到了量化。重要的是，这些效应发生在两种截然不同的角膜人群中：屈光手术是在生物力学上正常的眼球上进行的，而圆锥角膜矫正手术（CXL）则是在基线稳定性受损的圆锥角膜上实施的。因此，这些结果应主要被解读为同组内的方向性生物力学变化，而不是不同手术方式之间的直接效果比较。即便进行了基线数据校正，健康角膜与扩张性角膜在结构和微结构上的差异仍然限制了组间绝对比较的可靠性。研究结果凸显了Corvis ST在客观描述手术引起的特定生物力学变化以及支持个性化手术规划方面的临床价值，尤其是在术后可能出现角膜扩张风险的患者中。需要开展更长期的随访和专项研究，以确定这些生物力学变化的持久性，并评估辅助生物力学稳定策略在屈光手术中的作用。