玻璃体生物力学特性的活体成像定量评估方法：综述

《Bioengineering》：Imaging Approaches to Quantifying the Biomechanical Properties of the Human Vitreous In Vivo: A Review

　　

摘要专业翻译 玻璃体（vitreous humor）的生物力学特性在正常衰老过程及多种病理状态中均发生重要变化。尽管这些变化在临床上可见，但针对玻璃体生物力学的客观活体测量手段十分有限。新型成像模态有望实现对玻璃体黏弹性（viscoelasticity）等特性的定量活体评估，这对于评估玻璃体视网膜疾病（vitreoretinal diseases）的进展风险具有潜在意义。本文讨论了当前玻璃体生物力学的临床评估方法，并综述了具有临床转化潜力的相关新型成像方法。

论文主体内容总结

1. 引言

玻璃体是眼内位于晶状体与视网膜之间的透明水凝胶。其光学透明性虽有利于清晰视觉，却为活体状态下玻璃体特性的科学研究带来挑战。离体（ex vivo）人眼及动物研究已表征了正常衰老及病理状态（如视网膜裂孔、撕裂及孔源性视网膜脱离）下玻璃体的物理与化学特性。玻璃体的生物力学特性可能直接受到玻璃体视网膜病变（包括玻璃体出血、黄斑裂孔及视网膜撕裂）的影响。玻璃体具有分层及池状的内在精细结构，前部玻璃体基底部及后部视盘处存在广泛的玻璃体视网膜粘连，沿视网膜血管、黄斑及中心凹亦存在局灶性粘连。这些局灶性粘连可通过对黄斑、视网膜血管或周边视网膜产生牵拉而导致病理性损害，最终造成永久性视力丧失。Jules Gonin首次提出视网膜脱离源于视网膜裂孔的理论，并指出玻璃体视网膜界面在病理生理中发挥作用，同时开发了视网膜脱离的首个有效治疗方法。玻璃体生物力学特性的效应已在主观、临床及组织学层面得到充分描述，但由于玻璃体的光学透明性、体积较大及眼球运动等因素，其定量物理特性在活体内的描述仍具挑战。玻璃体生物力学涵盖多种具体特征，包括整体运动、振荡运动与阻尼等动态指标；黏度、弹性与密度等静态指标；以及对轴向应力、剪切应力及扭转应力等力的响应。例如，眼球扫视运动后，玻璃体发生整体旋转及振荡运动，其内部力的传递取决于玻璃体的黏度与弹性。玻璃体随后基于其物理应力发生形变，改变玻璃体视网膜界面，产生牵拉，最终可导致视网膜裂孔及脱离。目前缺乏利用影像学手段定量评估活体玻璃体生物力学特性的研究，也缺乏与离体传统流变学及黏弹性测量的相关性验证。建立这种相关性有助于识别玻璃体视网膜疾病进展的高风险患者，通过早期干预和密切监测改善患者预后。

2. 方法学

本叙述性综述通过PubMed数据库检索，使用以下检索词："vitreous imaging biomechanics"、"vitreous imaging viscosity"及"vitreous imaging viscoelasticity"。纳入动物或人眼玻璃体活体或离体研究。排除未涉及玻璃体的研究，以及研究玻璃体症状性漂浮物、飞蚊症、病例报告及玻璃体视网膜手术技术的研究。检索时间为2025年11月1日至2025年11月14日，共获得107项研究，经排除标准筛选后，13项研究符合标准并纳入分析。纳入研究根据临床可用影像技术的使用情况进行分类，综述各影像模态的机制及其与生理参数的特定生物力学关系，重点关注黏弹性。

3. 玻璃体的临床特征

玻璃体出生时结构完整，但随年龄增长发生液化（syneresis），最终导致玻璃体与后部视网膜分离，即玻璃体后脱离（posterior vitreous detachment）。玻璃体液化可通过裂隙灯临床观察，且随年龄增长而增加。目前缺乏客观或全面的方法来分级或量化玻璃体液化程度。光学相干断层扫描（optical coherence tomography, OCT）已被用于表征正常及病理性玻璃体后脱离和玻璃体黄斑粘连的分期，但这些分期系统仅描述玻璃体视网膜界面的当前状态，无法预测病理进展的风险或时间。合并疾病如Stickler综合征与遗传性胶原突变相关，导致玻璃体外观的临床差异，显著增加视网膜异常（包括格子样变性、视网膜撕裂及视网膜脱离）的风险。对高风险患者进行冷冻治疗或激光视网膜固定术的预防性治疗已被证明可有效降低视网膜脱离的发生率。

4. 临床影像模态

眼底照相是记录玻璃体视网膜病理的首个客观方法，可捕捉玻璃体漂浮物、星状玻璃体变性及玻璃体出血等光学变化。然而静态照相无法研究玻璃体最相关的病理性动态力学特性。红外动态摄像虽可捕捉动力学运动，但无法评估可能相关的病理性组织改变。超声（ocular echography）已在临床使用数十年，可获取玻璃体运动、附着、液化及玻璃体后脱离等临床发现，但提供的定量比较有限。实时动态超声可可视化玻璃体运动，有研究尝试量化该运动，如测量眼球运动时玻璃体的角速度，或使用多普勒超声评估玻璃体后脱离后的玻璃体硬度，但这些研究未能产生适合大规模临床研究的稳健定量参数。超声弹性成像在五例玻璃体后脱离患者中显示后部玻璃体弹性下降，但该研究仅限于无视力眼，限制了其普遍应用。OCT可用于描述和分期玻璃体黄斑病变，但通常限于赤道后区域。有研究通过比较玻璃体反射率与外层视网膜反射率来量化OCT上可见的玻璃体混浊，但该研究旨在标准化葡萄膜炎分级，未关注玻璃体本身的物理特性。频率增强OCT可提供玻璃体及玻璃体黄斑病变的额外结构信息，但无法定量评估玻璃体。相位去相关OCT（phase-decorrelation OCT）测量OCT随时间的复杂去相关，与黏度及其他变量（如散射粒子大小和温度）相关，该技术已应用于角膜和晶状体病变研究，在玻璃体研究方面亦具潜力。磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）方面，离体玻璃体的T2弛豫时间已被证明与液化程度对应，随年龄及前后轴方向变化。动态MRI在少量患者中捕捉到玻璃体在眼球运动时的形变，呈与玻璃体凝胶相和液相相对应的多相模式。然而MRI相对昂贵、耗时，且空间和时间分辨率有限。

5. 替代眼科影像

多种研究和临床前影像模态已被用于表征玻璃体，通过测量光的散射而非直接反射光来获取信息。可见光散射研究将玻璃体建模为阻尼振荡器，在六名受试者中测量平均阻尼系数，发现玻璃体水平和垂直运动之间存在显著差异，归因于重力效应。动态可见光散射通过胶原和透明质酸等大分子的布朗运动对激光散射的贡献，有望非侵入性地空间量化玻璃体变化。拉曼散射（Raman scattering）源于光子与分子振动之间的非弹性相互作用，提供分子键和组成信息，波长位移较大但信号幅度较低。拉曼光谱已在离体条件下用于分析玻璃体切除手术中取出的玻璃体标本，如量化增殖性糖尿病视网膜病变中晚期糖基化终末产物的含量。但由于拉曼散射信号强度较低，所需光强度引发光毒性担忧，限制了人玻璃体的活体研究。布里渊光谱（Brillouin spectroscopy）提供材料内固有声波（声子）传播的信息，波长位移较小但信号幅度较大，已被提出作为一种光学弹性成像方法，用于测量黏弹性材料的应力与应变。在高含水量样本中，布里渊线宽测量比布里渊频移测量能更准确地估计材料特性。布里渊光谱的其他潜在优势包括三维高空间分辨率和动态成像。荧光漂白后恢复（fluorescence recovery after photobleaching, FRAP）基于玻璃体中的扩散来测量黏度，但尚未用于活体，且可能受所需蓝光强度的安全性限制。流致胞质流动（flow-induced cytoplasmic streaming, FLUCS）利用热黏性流动，聚焦激光诱导局部加热产生流体流动，其流动特征与黏弹性材料的整体流变学特性相关，但尚未在眼科环境中测试。自适应光学（adaptive optics）可用于成像玻璃体皮质及内界膜中的玻璃体细胞（hyalocytes），提供玻璃体细胞成分的高分辨率视图，但成像玻璃体细胞并不能提供玻璃体或玻璃体视网膜界面物理特性的直接功能信息。

6. 玻璃体生物力学评估的离体方法

评估基于影像的人玻璃体生物力学特性需要离体验证，但目前尚无共识方法。传统流变测量因玻璃体体积小和微结构复杂而面临挑战，因此采用磁性微流变测量等替代方法测量供体人眼玻璃体的黏弹性参数，研究报告了较大的测量变异性，归因于个体差异或可能的采样和处理伪影，但该研究证明了玻璃体区域之间的显著差异。另一种离体方法是稀释人玻璃体、测量黏度后外推原始玻璃体特性。一项研究比较了白内障摘除术后玻璃体变化，在晶状体眼中后部玻璃体黏度较前部玻璃体降低，但白内障摘除后该梯度逆转。稀释玻璃体可能影响其微结构，限制了该方法的应用。微吸管可测量相对于参考化合物（如蒸馏水）的相对黏度，供体人眼研究显示双眼间的一致性，但眼间存在显著差异，归因于年龄相关变化。多种动物模型已被采用，但即使在哺乳动物模型间玻璃体组成和行为也存在显著差异。兔模型中，正常玻璃体与注射透明质酸酶（作为玻璃体降解模型）的玻璃体之间的相对黏度以与生理盐水比较的方式计算，总体值低于牛玻璃体。近期研究使用旋转流变仪比较人、牛和猪玻璃体，发现黏弹性随年龄下降，与性别和糖尿病无关，两种动物玻璃体均与老年人玻璃体相似。

7. 挑战与未来方向

利用影像研究玻璃体生物力学特性面临诸多挑战，也提供了许多潜在的研究方向。临床影像模态在动态使用时能提供玻璃体生物力学的部分评估，包括整体运动和振荡行为，但无法评估黏度等其他重要物理特性。替代影像模态能以高空间分辨率测量黏弹性，但由于缺乏已证实的有效性，这些模态主要局限于研究环境。最大的挑战是缺乏基于影像的玻璃体生物力学测量与有意义的患者结局（如孔源性视网膜脱离发生风险）之间的临床相关性。尽管存在生物学合理性，但由于多种因素，缺乏与玻璃体影像的临床相关性。某些影像模态尚未在活体研究，安全性是光学评估方法的限制因素，需符合美国国家标准学会制定的眼部安全标准。已进行活体研究的模态（如超声和结构OCT）患者数量少，限制了可重复性和准确性的评估，且没有研究进行纵向随访。另一个限制因素是缺乏玻璃体物理特性的离体定量，人玻璃体黏度的离体估计值范围广泛，眼内和眼间变异性高，缺乏公认的玻璃体生物力学金标准测量。理想方法需能可靠分析微升级玻璃体以解释玻璃体内的异质性。虽然难以直接比较影像模态，但潜在转化影像模态需具备安全性、成本可及性，以及直接关联黏弹性测量且经离体流变学评估验证的定量输出。本综述未发现单一模态能满足这些要求，但两种方法——布里渊光谱和相位去相关OCT——最具前景，两者均已证明眼科使用的安全性，具有与黏度相关的定量输出，且能以高空间分辨率获取。未来方向包括使用微流变和微黏度测量技术对影像黏弹性指标进行离体验证，随后在人群中进行横断面研究，最终通过前瞻性纵向研究量化与影像识别的玻璃体生物力学变化相关的视网膜脱离发生风险。

8. 结论

玻璃体生物力学的临床重要性在一系列可能致盲的玻璃体视网膜病变中显而易见。尽管经过数十年的基础到临床科学研究，评估玻璃体生物力学特性的定量方法仍然有限，尤其是在活体眼中。已有几种较新的光学方法可非侵入性研究人玻璃体的生物力学特性，但这些测量与临床意义异常之间的关系尚不明确。进一步了解玻璃体的物理行为可能通过更早识别可治疗病变而改善患者的视觉预后。