戴有孔巩膜镜时的泪液动力学：一项初步研究

《Ophthalmic and Physiological Optics》：Tear Dynamics During Fenestrated Scleral Lens Wear: A Pilot Study

　　**摘要**

**目的**
开发一种基于Scheimpflug技术的图像分析方法，用于量化佩戴巩膜镜片期间的泪液交换情况，并研究带孔镜片佩戴过程中泪液储库的动态变化。

**方法**
九名健康参与者在一只眼睛上佩戴了一片带有0.3毫米直径边缘孔洞的巩膜镜片（KATT?，Capricornia Contact Lenses），持续时间为90分钟。使用光学相干断层扫描（OCT）测量了角膜中央（距离角膜顶点0-2.5毫米）和周边（距离巩膜嵴-1.0至0毫米）的基质层角膜水肿情况。在向球结膜施加荧光素钠后，于多个时间点获取Scheimpflug图像。这些图像被导出并手动标注以选择感兴趣区域（即泪液储库），从中提取每个像素的强度值，以测量整个镜片佩戴期间中央10毫米范围内的荧光强度（以0-255范围内的任意单位[AU]表示）。

**结果**
中央泪液储库强度测量的重复性系数为7 AU（在0-255 AU的范围内）。泪液储库的荧光强度随测量位置而变化（p < 0.001），特别是在周边区域（距离中心4-5毫米处）更强。平均而言，施用荧光素钠后10分钟内，周边和中央泪液储库之间的强度差异减小。观察到两种泪液流动模式，并被分类为低流速和高流速。低流速组参与者（n = 6）的角膜水肿更为明显（中央区域高3.72倍，周边区域高2.25倍），但这种差异不具有统计学意义。

**结论**
在佩戴带孔巩膜镜片10分钟后，荧光素钠在泪液储库中的扩散和混合达到稳定。观察到两种泪液流动模式（低流速和高流速），低流速组参与者表现出更严重的角膜水肿。未来利用该技术开发的研究可能会为不同孔洞大小和配置下的巩膜镜片佩戴期间的泪液交换提供更多见解。

**关键词**
Scheimpflug成像；泪液储库；泪液交换；巩膜镜片；角膜水肿采用了一种体积扫描协议（3×约8毫米的水平线扫描，每条扫描包含平均20个B扫描图像，垂直间距为139微米）。图像处理：从Pentacam设备中导出沿0–180°、45–225°、90–270°和135–315°子午线的四个横截面Scheimpflug图像，并由一名检验者使用定制软件进行分析。在每张图像中标注巩膜镜片的后表面和前角膜边界，以界定中央液体储存区作为感兴趣的区域，从而提取强度数据（图2）。检验者手动选择每个边界上的九个点，然后软件用样条曲线拟合这些点。注意不要将前角膜上皮或任何后镜片沉积物包含在感兴趣区域内，因为它们的强度值比液体储存区高得多。自动从图像中提取液体储存区分割边界之间的每个像素的垂直方向强度值。强度值直接从Scheimpflug图像的灰度值中获取，其范围是0到255个任意单位（AU）。这样就为每个水平像素位置的每个“列”创建了强度数据、平均强度指标（四个子午线的平均值）和最大强度指标（四个子午线的最大强度）（图2）。然而，由于距离图像中心越远，最大指标和平均指标之间的差异越大，因此选择最大指标作为数据分析的最具代表性的值。

图2
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

Scheimpflug图像分割示例。A：在结膜上涂抹荧光素钠后立即捕捉的图像，显示荧光素钠向周围液体储存区的渗入，如白色箭头所示（t=0分钟）。B：t=60分钟时，中央液体储存区显示出大致均匀的强度。红色和绿色线条分别代表前和后液体储存区的边界。C：中央液体储存区的放大图像，显示垂直“列”，表示沿液体储存区水平截面的平均像素强度位置。

OCT图像也使用定制软件由一名检验者导出进行分析。该软件分割了后巩膜镜片表面、前上皮、前基质和内皮。如有需要，手动校正任何分割错误，并在周边扫描中标记巩膜棘的位置。每个时间点对每个受试者的三个测量值进行平均。中央厚度测量限制在中央5毫米范围内（距角膜顶点0至2.5毫米），而周边（-1.0至0毫米）角膜厚度测量则以巩膜棘的位置为参考（0毫米）。每个时间点的测量值是在鼻侧和颞侧的平均值。

数据分析：每个时间点选定的四个Scheimpflug图像提供了来自一个中心位置（四个重复测量）和八个半子午线（每个半子午线一个测量）的数据（图3）。从每个Scheimpflug图像的中心位置（0毫米）以及每个半子午线距中心1、2、3、4和5毫米的位置提取最大液体储存区强度。未考虑距离图像中心>5毫米的测量位置，因为对于某些受试者，由于巩膜的反射伪影，这些位置的强度值非常高[33]。

图3
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

数据分析位置的示意图：提取了四个Scheimpflug图像进行分析：0–180°、45–225°、90–270°和135–315°子午线（黑色虚线）。黄色线条表示巩膜镜片窗孔的大致位置（距镜片中心6.25毫米）。从图像中心0到5毫米的每个测量位置提取最大和平均强度。

统计分析：为了估计中央液体储存区强度测量的重复性，使用公式{\mathrm{CR}}=1.96\,\times \,\sqrt{2}\,\times \,{\mathrm{SD}}计算了每次佩戴带窗孔镜片时每个子午线四个中心最大液体储存区强度测量的重复系数（CR），其中SD是受试者内部的标准差（即每个受试者在每个时间点的四个中心测量的标准差）。

统计分析使用IBM SPSS（ibm.com）进行，使用Kolmogorov–Smirnov检验确认数据的正态性。进行了重复测量方差分析（RM-ANOVA），以比较不同位置的最大液体储存区强度（受试者内部效应，距图像中心0–5毫米），每个时间点（受试者内部效应，0–90分钟）及其交互作用，并使用Bonferroni校正进行事后比较，以确定感兴趣的显著效应（即位置与时间的交互作用）。另一个RM-ANOVA用于比较具有“低”或“高”流动液体储存动力学的受试者的液体储存区强度随时间的变化（受试者内部效应，0–90分钟）。在佩戴镜片的最初0–20分钟内液体储存区强度逐渐增加，随后达到平台期，被认为是“低流动”。在佩戴镜片的最初0–10分钟内液体储存区强度增加，然后从峰值下降，随后达到平台期，被认为是“高流动”。根据Mauchly的检验，在必要时使用Greenhouse-Geisser校正来调整非球形性。使用双尾非配对t检验比较两种泪液动力学组（“低”和“高”流动）之间的中央和周边基质角膜水肿的幅度。数据以平均值±标准误差表示，p值<0.05被认为是统计学上显著的。

结果：
中央液体储存区强度随时间的重复性：在所有测量时间点，中央（0毫米位置）液体储存区的平均CR范围为4至11 AU（在0–255 AU的范围内）（图4）。所有时间点的平均CR为7 AU。

图4
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

在佩戴带窗孔巩膜镜片的90分钟内，液体储存区内的平均最大中央液体储存区强度（蓝色，任意单位，AU）（蓝色，左侧轴）。黑色圆圈代表每个测量时间的组平均重复系数（四个中心测量），黑色线条表示所有测量时间的平均重复系数（黑色，右侧轴）。

中央液体储存区强度随时间的变化：当在所有测量位置上平均时，中央液体储存区（0毫米位置）的强度随时间没有显著变化（F=3.09，p=0.07）。图4显示了佩戴镜片最初15分钟内强度的轻微增加（平均增加18 AU），然后在剩余的佩戴时间内略微下降。

液体储存区强度随测量位置的变化：液体储存区强度随测量位置而变化（F=85.57，p<0.001）。在所有时间点上平均后，事后成对比较显示，4毫米（54±9 AU）和5毫米（100±14 AU）位置的液体储存区强度大于中央0毫米位置（37±7 AU）（p=0.047和p=0.04）。

液体储存区强度随测量位置和时间的变化：测量位置和时间之间存在显著交互作用（F=2.46，p=0.04）。图5显示了与中央0毫米位置相比，每个非中心位置的液体储存区强度随时间的变化。RM-ANOVA显示，在荧光素钠应用后，5毫米位置的液体储存区强度显著高于中央位置（5毫米位置高138±25 AU，p<0.001），5分钟后再次高75±17 AU（p=0.04）（图5E）。然而，10分钟后这种差异减少到48±16 AU（p=0.40），表明荧光素钠应用后10分钟时中央和周边液体储存区的强度达到相似水平。

图5
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

绿色线条表示在佩戴带窗孔镜片的90分钟内，不同位置相对于中央0毫米测量的液体储存区荧光素强度（任意单位，AU）（A：1毫米，B：2毫米，C：3毫米，D：4毫米，E：5毫米）。图F为了便于比较而显示了每个位置（0–5毫米）的平均值，没有误差条。注意，图A–F中的y轴是不同的。在虚线红色线（E）内的数据点在每个时间点上的0毫米和5毫米位置之间有显著差异。在虚线绿色线（F）内的数据点在每个时间点上没有统计学差异。

受试者变异性和角膜水肿：图6突出了佩戴镜片90分钟内观察到的两种液体储存区强度变化模式（平均跨越中央5毫米）。最常见的模式是“低流动”（图6中的红线），即在佩戴镜片的最初0–20分钟内液体储存区强度逐渐增加，随后达到平台期（9名受试者中有6名）。三名受试者在佩戴镜片的最初0–10分钟内液体储存区强度增加，然后从峰值下降并达到平台期（“高流动”，图6中的蓝线）。RM-ANOVA显示，在镜片应用后0至15分钟内，“高流动”组的液体储存区强度增加幅度大于“低流动”组（所有p<0.05）。在佩戴镜片的90分钟后，虽然“低流动”组的基质角膜水肿程度略高（n=6，平均中央水肿0.93±0.63%，周边水肿0.63±1.18%），但这种差异没有达到统计学显著性（中央p=0.39，周边p=0.87）。

图6
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

顶部面板：每个受试者的平均液体储存区强度数据（跨越中央5毫米），显示出“高流动”（蓝线，n=3）或“低流动”（红线，n=6）。中间面板：每个组的平均液体储存区强度数据（跨越中央5毫米）。下部面板：每个组相对于基线测量（0分钟）的液体储存区强度变化的相对平均值±标准误差（跨越中央5毫米）。误差条是标准误差。AU为任意单位。

讨论：这项初步研究使用Scheimpflug成像和定制的图像分析软件检查了短期佩戴带窗孔巩膜镜片期间液体储存区的荧光强度变化。所开发技术的CR为7 AU；然而，分析区域需要仔细选择，以消除可能显著增加强度读数的潜在图像伪影，如前角膜上皮、巩膜和后镜片表面的沉积物。虽然这项研究仅考虑了将荧光素钠涂抹在结膜上的带窗孔巩膜镜片的泪液动力学（“外向内”方法），但该成像技术也可以用于在巩膜碗内涂抹染料之前跟踪泪液流动（“内向外”方法）。

这项初步研究的一个主要发现是，荧光素钠进入液体储存区并与储存区内的无防腐剂生理盐水混合后，对于直径为0.3毫米、初始中央液体储存层厚度约为150微米的巩膜镜片，中央和周边位置之间的浓度迅速趋于均衡。图5显示，在佩戴镜片10分钟后，中央10毫米（0–5毫米位置）的液体储存区荧光强度保持稳定。之前只有Ko等人[9]研究过佩戴直径为1–1.5毫米的角膜镜片1小时期间的液体储存区荧光。与当前实验不同，他们在镜片应用前在巩膜镜片碗内混合了荧光素和生理盐水，并检查了液体储存区与自然泪液混合后的稀释情况（“外向内”方法）。Ko等人[9]观察到受试者和同一眼睛之间的泪液交换程度存在较大差异，这与当前研究的发现相似（图6，顶部面板）。

当前实验观察到两种不同的液体储存区动力学模式：（1）“低流动”，其特征是在30分钟内荧光强度逐渐增加，随后达到平台期；或者较少见的是（2）“高流动”，其特征是在10分钟内荧光强度更快更明显地增加，随后迅速减少（荧光素扩散或被自然泪液替换），然后再达到平台期。对于那些表现出“低流量”模式的参与者来说，通过窗口结构或着陆区与结膜之间的错位区域，泪液交换可能非常有限。相比之下，表现出“高流量”模式的三名参与者的流体储存库动态表明，荧光素钠进入了储存库，与不含防腐剂的生理盐水混合后，由于通过窗口结构的进一步泪液交换或着陆区错位，其强度有所降低。未来的研究应包括一个未设置窗口结构的巩膜镜对照组，使用相同的镜片设计但不带有周边窗口结构，以确定泪液交换的增加是由于窗口结构还是着陆区本身的问题导致的。尽管先前的研究表明，带有单个周边窗口结构的巩膜镜相比无窗口结构的镜片可显著减少中央水肿[21]和周边水肿[22]，但本研究探讨了两种不同流体储存库动态模式下的水肿程度（图6）。在佩戴巩膜镜期间泪液交换较少的六名参与者中，中央角膜水肿比泪液快速渗入的三名参与者高出3.72倍，周边角膜水肿高出2.25倍。虽然这种差异在统计上并不显著，但流体储存库动态与巩膜镜引起的水肿之间的关联仍需在更大样本群体中进行进一步研究。Ko等人[9]在对四只佩戴有窗口结构巩膜镜（单个角膜缘窗口）的眼睛进行的研究中得出结论，只有其中一只眼睛能够获得足够的氧气供应来满足理论上的角膜代谢需求，这表明泪液动态可能因镜片不同而存在显著差异。这项探索性研究的样本量相对较小（选择这个小样本量是为了考察先前报道的角膜水肿变化[23, 24]），特别是因为根据当前研究和以往的研究[7,8,9]，不同个体之间的流体储存库动态存在显著差异。此外，本研究仅限于使用一种具有单个0.3毫米直径周边窗口结构的镜片设计。未来利用不同巩膜镜设计（包括无窗口结构对照组）并进行更多窗口数量和直径变化的研究可能会揭示不同的流体储存库动态模式。Scheimpflug成像方法的一个缺点是，周边区域的流体储存库可能会受到巩膜反射造成的伪影影响，从而限制了可用周边数据的数量。最近开发了一种新的反射测量方法，可以在佩戴巩膜镜期间更广泛地测量泪液交换[34]。然而，反射测量方法无法区分巩膜镜表面之前的荧光变化（镜片前后的荧光情况），而Pentacam方法则可以通过在Scheimpflug横截面图像中选择感兴趣的区域，将分析局限于流体储存库本身。

总之，本研究开发了一种利用Scheimpflug成像和定制软件的方法，用于量化佩戴有窗口结构的巩膜镜时由于外部施加的荧光素钠进入而导致的流体储存库荧光强度的变化（即“由外向内”的方法）。在本次实验中使用的巩膜镜设计下，流体储存库内的荧光素钠强度在10分钟内达到了中央和周边位置的平衡。观察到了两种流体储存库荧光强度动态模式：一种是逐渐增加后达到平台期（“低流量”），另一种是迅速增加随后减少并达到平台期（“高流量”）。表现出“高流量”模式的参与者表现出较少的中央和周边角膜水肿，但这种差异在统计上并不显著。未来需要利用这种开发的成像和分析技术，对不同窗口大小和配置下的泪液交换情况进行进一步研究，以及它们对更大样本群体中角膜水肿的潜在影响。