高眼压下巩膜生物力学变化及有限元建模分析

Glaucoma is the first leading cause of irreversible blindness worldwide, and affects more than seventy million people around the globe. Studies have shown that the main pathological factor of most glaucoma is elevated intraocular pressure (IOP), and reducing IOP continuously and effectively remains the only proven method for preventing and delaying the progression of glaucomatous visual impairment up to now. However, there are some normal-tension glaucoma and significant numbers of classical glaucoma patients with statistically normal levels of IOP by drug or surgical therapy develop glaucoma that irreversible sustained injury of optic nerve, gradual narrowing of visual field, progressive loss of visual function are still exist even though their IOP are normal even below-normal level. What is the specific role of IOP in the optic nerve injury? How to evaluate the safe target IOP for different patients? This project aimed to study the biomechanical response of special sclera when subject to elevated IOP, and the influence transmited to optic nerve head(ONH) and histopathological changes.This will lay the foundation for building detailed biomechanical models of sclera and provide accurate evidence for evaluating the safe target IOP to different glaucoma patients.

青光眼是全球首位不可逆致盲眼病，世界卫生组织的资料表明目前全球青光眼患者已逾7000万。众所周知，大多数青光眼的主要病理因素是眼压升高，持续有效地降低眼压仍然是目前阻止和延缓青光眼患者视功能进一步丧失的唯一有效措施。然而临床上仍有大量青光眼患者在眼压控制正常后，其视功能的进行性丧失仍不可避免。为什么在相同的眼压状态下，不同青光眼患者的视神经损伤程度会大不相同，治疗过程中怎样的目标眼压才是最安全的，这些问题一直极具争议。本项目旨在通过建立猴慢性高眼压动物模型、理论推导以及利用有限元模型，深入研究眼压升高时，不同力学性质的巩膜其不同的生物力学应答；以及不同力学性质的巩膜传递给视乳头的压力和眼压相关生物力学变化及病理组织学改变。为未来建立能够反应眼内各组织结构相互关系的精细巩膜生物力学模型奠定基础，从而最终为临床确定不同个体的安全目标眼压提供确实依据，为青光眼的早期诊断、治疗和随诊提供新方法。

研究背景：青光眼是全球首位不可逆性致盲眼病，目前全球青光眼患者已逾7000万。病理性眼压升高是青光眼的主要病理生理因素，持续有效地降低眼压仍然是目前阻止和延缓青光眼患者视功能进一步丧失的有效措施。然而临床上仍有大量青光眼患者在眼压控制正常后，其视功能的进行性丧失仍不可避免。为什么在相同的眼压状态下，不同青光眼患者的视神经损伤程度会大不相同，治疗过程中怎样的目标眼压才是最安全的，这些问题一直极具争议。.主要研究内容：本项目通过建立藏酋猴慢性高眼压动物模型，在通过高分辨率动物核磁共振及三维扫描仪获得眼部结构后，利用基于调和场的六面体网格划分法建立巩膜有限元模型，并分为正常眼压眼和慢性高眼压眼，模拟眼压升高时后部巩膜的各类生物力学应答，以及巩膜生物力学与视盘筛板改变间的关系，同时了解慢性高眼压与正常眼压眼巩膜的多种细胞因子的表达改变以及超微结构改变。.重要结果：（1）慢性高眼压会使眼轴增长，眼腔扩大，轴径方向的改变比环向更为明显。同时对巩膜组织的各项生物力学特征造成影响，使巩膜厚度降低、变硬、弹性下降，对外力作用的顺应性降低，在外力减弱后组织的恢复能力下降，同时使筛板刚度明显下降，对外力的抵抗力降低；（2）巩膜组织具有各向异性特征，在正常眼球，后部巩膜生物力学作用以环向为主，推测其纤维走向以环向为主，而慢性高眼压会对这一特征造成影响，使各方向的生物力学特征相似；（3）慢性高眼压长期作用下细胞因子bFGF、TGF-β1表达升高，造成的巩膜组织细胞外基质重塑，同时伴随着巩膜和筛板的超微组织结构改变，从而影响巩膜及筛板的生物力学特征；（4）通过巩膜有限元模型模拟发现巩膜的环形方向更能抵抗高眼压对组织的作用；（5）巩膜和筛板作为一套完整的生物力学系统共同响应眼压的升高作用，高眼压短时间作用于正常眼时不发生明显的筛板凹陷和位移变化；作用于慢性高眼压眼时，筛板会出现明显凹陷和位移。.关键数据：正常眼压有限元模型在模拟高眼压（35mmHg）作用下，筛板轻微向后凹陷，中央部分位移量约为75μm。慢性高眼压有限元模型在模拟高眼压作用下，筛板向后明显凹陷和位移，中央部分位移量大约为186μm。.科学意义：为未来建立能够反应眼内各组织结构相互关系的精细巩膜生物力学模型奠定基础，最终为临床确定不同个体的安全目标眼压提供理论依据，为青光眼的早期诊断、治疗和随诊提供新方法。