《Medicine in Novel Technology and Devices》：Whole-eye Stress-Strain Index mapping from collagen microstructure: A finite element approach to assess scleral and corneal biomechanics
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新型全眼应力–应变指数（Stress–Strain Index, SSI）映射将角膜映射扩展至巩膜。整合胶原与有限元法（finite element method, FEM）以揭示用于近视治疗的刚度分布。模拟病理状态以推进靶向治疗的生物力学定制化。
新型全眼应力–应变指数（Stress–Strain Index, SSI）映射将角膜映射扩展至巩膜。整合胶原与有限元法（finite element method, FEM）以揭示用于近视治疗的刚度分布。模拟病理状态以推进靶向治疗的生物力学定制化。
研究人员针对巩膜生物力学在体内评估困难的问题开展研究。巩膜是高度弹性、结构复杂的结缔组织，对维持眼球完整性和功能至关重要；其抗变形能力主要源于胶原纤维含量。后部巩膜顺应性增加与近视进展中的眼轴延长相关，巩膜弱化如后巩膜葡萄肿（staphyloma）可导致视网膜变形和视力损害。现有离体（ex vivo）研究显示巩膜生物力学特性随年龄、种族和近视进展变化，但体内测量仍处于初期，受巩膜可见性、噪声敏感性和方案标准化限制。传统逆有限元建模（inverse finite element modeling, IFEM）、虚拟场法（virtual fields method）和预拟合方法依赖高质量成像和边界条件，临床复杂。因此，研究人员旨在利用胶原微结构与生物力学联系，将角膜应力–应变指数（Stress–Strain Index, SSI）映射扩展至巩膜，构建全眼 SSI 映射，以评估角膜和巩膜刚度分布，并模拟近视和 staphyloma 的病理变化。
研究人员基于七只人眼眼球的广角X射线散射（wide-angle X-ray scattering, WAXS）胶原纤维方向和密度数据，经 Zernike 多项式拟合生成连续纤维分布，并构建全眼有限元（finite element, FE）模型：各向异性 Aniso-Model 和等向同性 Iso-Model。通过逆分析迭代调整各向异性模型区域刚度，使其在眼压（intraocular pressure, IOP）下位移与由 CorVis ST 获得的 CVS-SSI 匹配的等向同性模型一致，生成 SSI maps。研究结论为：该方法可产生与已知微结构模式一致的区域刚度分布，并模拟病理弱化。其意义在于为巩膜生物力学临床评估、近视进展手术干预提供理论基础。
关键方法方面，研究人员采集七只人眼眼球的 WAXS 数据，量化胶原纤维方向与密度；用 Zernike 多项式生成连续纤维分布图；建立全眼 FE 模型，包含角膜和巩膜厚度、曲率、白到白直径、赤道直径和眼轴长度，采用 15 节点连续单元 C3D15H，单层网格，25 个角膜环和 25 个巩膜环，设置流体腔代表房水和玻璃体，IOP 通过腔压控制；构建各向异性 Aniso-Model 和等向同性 Iso-Model，进行逆分析，以均方根误差（root mean square error, RMSE）最小化监测点位移差，迭代缩放区域刚度；临床模拟基于 CorVis ST 的 CVS-SSI 测量及健康眼、近视眼和 staphyloma 模拟病例。样本来源为七只人眼眼球及一名 19 岁男性健康眼随访数据。
3.1 健康眼分析：对一名 19 岁男性健康眼，2019 年 CVS-SSI 为 0.72。前、后半球 SSI maps 显示角膜、巩膜、角膜缘（limbus）和后极刚度分布，与健康角膜胶原纤维分布一致，包括角膜缘高纤维含量和筛板（lamina cribrosa）周围区域。5 年后 CVS-SSI 为 0.92，SSI maps 趋势相似但所有区域刚度增加；沿颞-鼻子午线 SSI 一致增加且几乎恒定。将巩膜厚度降低 20% 后，SSI 分布几乎独立于组织厚度，最大变化低于 1%。
3.2 近视眼分析：分析四只模拟近视眼，均设 CVS-SSI 为 0.92。两例后巩膜刚度从赤道 0% 逐步降低至后极 30% 和 60%；另两例在后巩膜均匀降低 30% 和 60%。健康眼平均巩膜位移为平均角膜位移的 14%。逐步降低 30% 和 60% 时，后极位移分别增加 37.9% 和 118.8%；均匀降低 30% 和 60% 时，后极位移分别增加 51.8% 和 170.4%；两种情况下角膜位移变化均低于 1%。
3.3 后巩膜葡萄肿眼分析：将 CVS-SSI 为 0.92 的健康眼重新分析，引入半径 2.5 mm、直径 5.0 mm 的圆形区域，中心位于筛板中心，刚度降低 50%。SSI maps 显示后巩膜刚度降低；在 IOP 为 15 mmHg 下，后极位移增加 87.3%，角膜位移变化小，表明后极附近后巩膜变化对角膜影响小。
讨论部分总结：该研究提出将角膜 SSI 方法扩展至巩膜，实现从前极到后极的区域刚度评估。该方法整合 WAXS 实验微结构、各向异性 FE 建模和逆分析。以往体内巩膜生物力学受巩膜可及性低于角膜限制，依赖离体充气试验或视神经头变形间接估计；本研究通过耦合健康眼一致微结构与 CorVis ST 患者特异 CVS-SSI，绕过限制。各向异性材料模型包含两个胶原纤维家族和 Zernike 多项式拟合的纤维密度；将 256 个纤维方向降至 16 个对变形预测影响可忽略。健康眼 SSI maps 重现预期模式：中央角膜刚度较低，角膜缘升高，向赤道下降，后极和视乳头周围巩膜再次增加；与 Pijanka et al. 的 X 射线衍射微结构图一致。5 年随访显示总体 SSI 增加，符合年龄相关眼组织硬化，且分布模式相似，提示衰老主要为均匀刚度缩放。巩膜厚度减少 20% 后 SSI 几乎不变，支持 SSI 是独立于几何的材料属性。近视模拟中，后巩膜逐步或均匀刚度降低均导致后极位移显著增加，而角膜变形可忽略，与巩膜顺应性决定后部扩张、角膜力学不受后部变化影响的既往研究一致。staphyloma 模拟中，50% 局部刚度降低导致后极位移增加 87%，强调前后极力学隔离，局部后巩膜弱化可造成显著应变放大，可能促成进行性眼变形和视网膜牵拉；临床上有助于风险评估和巩膜 reinforcement 手术规划。替代方法如 Brillouin microscopy、shear wave elastography 和基于光学相干断层扫描（optical coherence tomography, OCT）的变形追踪可提供局部测量，但受穿透深度、空间覆盖或直接成像巩膜限制；本方法无需后部成像，更适于常规临床。局限性包括：无金标准体内全眼刚度测量，仅间接验证；需与离体巩膜充气试验或体内弹性成像直接比较；使用人群平均纤维分布，可能不反映患者特异变化，尤其晚期病理；假设均匀 IOP，未建模动态负荷；目前为静态刚度图。讨论提及 Gawargious et al. 2020 尸眼巩膜杨氏模量与相应 SSI 均值比值差异最大 17%；光学相干弹性成像（optical coherence elastography, OCE）研究尚无等效刚度映射可直接比较。研究结论翻译：总之，本研究将 SSI 映射从角膜扩展至全眼，产生与已知微结构模式一致的区域刚度分布，并能够模拟病理性弱化情景。尽管仍需进一步验证与改进，该方法在推进巩膜生物力学科学和临床管理方面具有强大潜力。
