关于使用3D打印技术模拟硬性透气性隐形眼镜适配的可行性研究

《Journal of Oral Biology and Craniofacial Research》：A feasibility study of 3D printing technology for simulating rigid gas permeable contact lens fitting

3D打印人工角膜模型在硬性透气性隐形眼镜验配中的可行性研究，通过制作双曲面SCS并比较荧光素图案模拟结果，发现22位验光师在6项测试中正确率均超过70%，其中4项达90%以上，验证了3D打印技术能可靠模拟角膜表面，为临床培训提供新工具。

　　3-D打印技术在接触镜适配模拟中的应用展现出巨大潜力，特别是在模拟硬性透气性角膜接触镜（RGP-CL）适配过程中。本研究旨在评估一种新型方法的可行性，该方法利用3-D打印的角膜-巩膜表面（SCSs）来模拟RGP-CL的适配效果。通过比较实验中获得的荧光素图案与理论模拟生成的图案，研究团队发现，即使没有额外的抛光处理，3-D打印的SCSs也能生成足够清晰且可解读的荧光素图案，从而为接触镜适配训练提供一种高效、经济且灵活的工具。

### 研究背景与意义

接触镜适配是一个复杂的过程，尤其对于具有旋转不对称性的角膜形状（如散光性角膜）更为困难。传统方法通常依赖于角膜数据（如角膜曲率和白-白距离）来评估不同荧光素图案，并使用试戴镜片进行观察。然而，这种方法存在一定的局限性。首先，临床环境中难以获取多样化的患者案例，尤其是那些具有不规则角膜的患者。其次，患者的治疗时间有限，这限制了学生或初学者在真实环境中进行充分练习的机会。对于不规则角膜患者，RGP-CL能够提供比眼镜或软性接触镜更好的视觉矫正效果，因此，这类患者特别需要接触镜适配的培训。然而，传统的临床训练方法无法满足这一需求。

为了解决这些问题，软件模拟技术应运而生。该技术基于角膜地形图数据，允许调整接触镜参数并可视化预期的适配效果，无需患者参与。这种方法的灵活性和低成本使其成为接触镜适配教学的一种有效手段。然而，软件模拟无法提供实际操作的经验，学生缺乏在实际操作中掌握接触镜处理和荧光素应用的机会。因此，研究团队提出了一种混合方法，结合了真实临床操作和软件模拟，以生成一组人工SCSs，用于接触镜适配的培训。这些人工SCSs不仅能够提供真实的角膜曲率，还能通过3-D打印技术制造出多样化的角膜表面形态，从而更全面地模拟各种临床情况。

### 3-D打印技术的适用性

3-D打印技术在光学领域的应用已经取得了一定的进展，尤其是在高精度光学元件的制造方面。然而，传统的3-D打印方法（如熔融沉积建模FDM）在制造具有复杂曲率的角膜模型时存在一定的局限性。这些方法通常难以达到所需的表面精度和光滑度，导致模拟效果不够理想。相比之下，光固化（SLA）技术因其高空间分辨率和表面质量，成为制造SCSs的更优选择。SLA技术能够生成更精细的表面结构，从而更真实地模拟自然角膜的形态。此外，该技术允许在无需额外机械加工的情况下生成高质量的模型，这对于实验的标准化和可重复性至关重要。

本研究中使用的3-D树脂打印机（Peopoly Moai 130）具有较高的打印精度和表面质量，能够生成符合实验需求的SCSs。打印过程中，研究团队采用了专门的树脂材料，以确保表面的平滑度和光学特性。打印后的模型经过清洗和固化处理，以去除未完全固化的树脂并提高其稳定性。最终，SCSs的表面质量足够支持生成清晰的荧光素图案，从而能够有效地用于接触镜适配的模拟和评估。

### 荧光素图案的生成与分析

本研究采用了两种类型的荧光素图案：理论荧光素图案（TFPs）和实验荧光素图案（EFPs）。TFPs是基于SCSs的曲率和接触镜后表面的几何参数，通过计算机模拟生成的。EFPs则是通过将荧光素溶液涂抹在SCSs和接触镜之间，并使用蓝色光源和数码相机进行拍摄获得的。为了增加图案的多样性，研究团队对SCSs进行了90°的旋转处理，以模拟不同的角膜形态和接触镜适配情况。

在实验过程中，22名验光师参与了问卷调查，比较了实验和理论荧光素图案的相似性。问卷由6个问题组成，每个问题展示一个主图案（可以是实验或理论）和四个其他方法生成的图案。参与者需要选择与主图案最相似的选项。结果显示，至少70%的参与者选择了正确的图案，其中4个问题的正确率超过了90%，而其中一个问题甚至达到了100%的正确率。这表明，实验荧光素图案与理论模拟之间的相似性较高，且参与者能够准确区分两者。

为了进一步量化荧光素图案的相似性，研究团队使用了结构相似性指数（SSIM）作为评估指标。SSIM能够从亮度、对比度和结构三个方面评估图像的相似性，因此特别适用于荧光素图案的比较。结果显示，正确选项的SSIM值普遍高于错误选项，表明实验荧光素图案与理论模拟之间的匹配度较高。然而，SSIM值的差异相对较小（0.83 vs. 0.77），且错误选项的SSIM值存在较大的变异性，这表明在某些情况下，实验和理论图案之间的区分度仍有待提高。

### 研究结果与意义

本研究的结果表明，3-D打印的SCSs能够生成与理论模拟高度相似的荧光素图案，为接触镜适配训练提供了一种新的工具。通过比较实验和理论图案，研究团队发现，实验图案的生成具有较高的可重复性和一致性，能够有效反映接触镜的适配效果。此外，问卷调查的结果显示，大多数参与者能够准确识别正确的图案，说明3-D打印技术在模拟接触镜适配过程中具有较高的可行性。

在几何参数方面，研究团队对SCSs的曲率和锥形常数进行了详细分析。结果显示，SCSs的曲率与理论模型的差异较小，特别是在最平坦的轴线上（如SCS1的曲率半径为9.06 mm，与理论值9.00 mm相差不大），而在最陡峭的轴线上（如SCS1的曲率半径为7.66 mm，与理论值7.40 mm相差较大）。这表明，尽管3-D打印技术能够生成高精度的角膜模型，但在某些曲率方向上仍存在一定的偏差。然而，这些偏差的系统性趋势较小，表明打印过程的稳定性较高。

此外，研究团队还分析了低阶和高阶Zernike多项式对表面偏差的贡献。低阶Zernike多项式（ZLO_Dif）主要反映曲率和不规则性的基础特征，而高阶Zernike多项式（ZHO_Dif）则捕捉更复杂的表面不规则性。结果显示，ZLO_Dif的贡献较小（范围在4.12%至16.25%之间），而ZHO_Dif的贡献较大（范围在83.75%至95.88%之间）。这表明，高阶不规则性对荧光素图案的影响更大，而低阶不规则性的影响相对较小。尽管如此，由于实验和理论图案之间的高度一致性，这些不规则性对整体视觉相似性的影响可以忽略不计。

### 讨论与展望

本研究的结果表明，3-D打印技术在接触镜适配模拟中的应用具有较高的可行性。然而，该方法仍存在一些局限性。首先，研究团队仅分析了有限数量的角膜表面和接触镜，未来的研究需要扩大样本范围，以验证该方法在更广泛临床情况下的适用性。其次，实验中使用数码图像进行比较，虽然能够提供标准化的评估方式，但无法完全替代实时观察和操作。因此，未来的研究可以探索更先进的图像处理技术，以提高实验和理论图案之间的区分度。

此外，问卷中某些问题的难度不一致，可能影响结果的可靠性。因此，未来的研究需要优化问卷设计，确保所有问题的难度水平相近，以提高评估的准确性和一致性。通过这些改进，3-D打印技术在接触镜适配模拟中的应用可以更加完善。

本研究的另一个重要发现是，3-D打印的SCSs在没有额外抛光的情况下仍能生成高质量的荧光素图案，这为未来的教学和研究提供了便利。同时，研究团队还强调了该方法在临床实践中的潜力，认为其可以作为一种辅助工具，帮助学生和临床医生更好地理解和掌握接触镜适配技术。

### 未来研究方向

未来的研究可以进一步探索3-D打印技术在其他类型接触镜适配中的应用，如硬性角膜接触镜（HCLs）、软性接触镜（SCLs）和混合型接触镜（Hybrid CLs）。这些不同类型的接触镜在适配过程中可能具有不同的挑战，因此需要进一步研究3-D打印技术在这些情况下的适用性。此外，研究团队还建议将该方法应用于接触镜适配教学，以提高学生的实践能力和临床技能。

在临床应用方面，未来的研究可以评估3-D打印SCSs在真实患者中的效果，特别是那些具有不规则角膜的患者。这将有助于验证该方法在实际临床环境中的可靠性，并为未来的接触镜适配提供更全面的解决方案。此外，研究团队还建议进一步优化打印参数和材料选择，以提高表面质量和适配精度。

总的来说，本研究为3-D打印技术在接触镜适配模拟中的应用提供了有力的证据，表明其在教学和临床实践中的潜力。随着技术的不断进步，3-D打印SCSs有望成为接触镜适配领域的重要工具，为未来的培训和研究提供新的可能性。