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高眼压青光眼是一组以病理性眼压升高为特征的严重眼科疾病。高眼压(Intraocular Pressure,IOP)导致以视神经乳头(Optic Nerve Head,ONH)和视网膜为主的眼睛后节受压而产生损伤。研究表明,位于眼后节的视神经乳头在高眼压下的形态学改变早于视网膜神经纤维层(Retinal Nerve Fiber Layer,RNFL)的缺损,这种形态学改变导致视神经乳头内部的筛板(Lamina Cribrosa,LC)凹陷和横向牵张,对穿行筛板其中的视神经轴索产生力学损伤。因此,研究高眼压下的视神经乳头形态和力学损伤规律,对青光眼早期诊断具有重要意义。本文利用兔眼的急性高眼压模型和人青光眼临床数据,展开基于活体的力学实验仿真研究。
首先,采用光学相干断层成像(Optic Coherence Tomography,OCT)进行兔眼视神经乳头的在体三维成像,通过一系列图像处理过程,获得有限元(FiniteElement Model,FEM)模型。并对兔眼进行急性物理性高眼压造模,连续采集正常和高眼压下的OCT影像。将造模过程中的眼压值,应用于有限元模型,进行高眼压下视神经乳头的有限元分析。同时,将有限元分析结果同实际高眼压下的同一样本活体影像进行比较和相互验证,分析以视杯为主的高眼压下ONH形态学变化。
其次,我们根据不同的高眼压段分组,进行兔眼急性高眼压造模,采集正常及分组高眼压下的ONH影像;并对正常值下的ONH影像进行三维建模,获得实体模型并进行分组高眼压下rim区域力学分析结果。将分析结果和实际实验结果进行比较,研究视神经乳头rim区的形态学改变。
最后,我们采集正常人和青光眼病人的ONH三维影像,通过分割、配准和三维重建。获得基于OCT图像的视神经乳头三维模型、筛板三维模型和基于MRI的人眼巩膜模型。组合模型后进行高眼压下的有限元力学分析,获得ONH、筛板、视网膜和巩膜的应力场和变形场结果。通过对临床正常人眼和青光眼的形态学数据相比较,验证力学分析结果。总结青光眼高眼压下ONH变形受损的生物力学变化规律。
分析力学仿真和试验测量的结果,获得了高眼压下ONH形态学变化的一致的结论:高眼压下,视神经乳头承受较大的应力,产生明显的变形;变形主要体现在视杯底部凹陷,视杯rim区塌陷,视杯开口增大,并导致杯盘比增大;rim区域的形态学变化中,rim高度和宽度均明显降低,造成盘沿变薄或缺失;人眼的筛板区域受压下凹,单个筛孔上端开口变小,下端开口变大;这些眼后节的形态学变化,将对穿行其中的视神经束造成挤压和横向牵张的力学损伤。
研究具有以下创新点:研究所采用的基于活体影像的有限元建模方法,保持了ONH的在体状态,模型形态学仿真度高;对建模后的力学分析结果,进行了基于同一样本的有限元分析和实际形态学数据验证;课题针对同一动物样本进行了动态的形态学变化跟踪,该方法有望应用于人眼研究,对人眼的病程变化进行仿真分析和进程预测。