2017年1月23日

眼角膜上的力平衡

作者/顏家鈺(美國加州大學柏克萊分校系統控制博士,現任臺大工學院院長。專長精密系統之機電整合,曾榮獲科技部傑出研究獎。)、王一中(國立臺灣大學臨床醫學博士,現任臺大醫學院教授和臺大醫院眼科主治醫師,專長角結膜疾病、白內障手術和角膜移植。)、施博仁(國立臺灣大學結構工程博士,現任國立高雄大學土木與環境工程系副教授,專長結構力學、波動力學和生物力學。)、賴歆儒(國立臺灣大學機械工程研究所碩士生,專攻生物力學和演算法,熱衷英文教學及世界旅遊,夢想成為出色工程師。)

眼內壓 
眼睛乃靈魂之窗,人類約有90%以上的外界感覺訊息是透過眼睛來取得,而眼壓,又稱之眼內壓(Intraocular pressure, IOP),為眼球內容物對眼球壁所施加的均衡壓力,在標準安全的眼內壓環境中,眼底視網膜的感光視神經系統才能正常運作。

正常人的眼內壓在約在10~20毫米汞柱(mmHg)的範圍,雙眼的差異小於5毫米汞柱,有此一來便能維持眼球的正常形態,並使眼球的屈光能力發揮最大的光學效果。一般來說,眼壓並非固定值,會因晝夜變化而有3~6毫米汞柱的變化。眼壓的維持,主要來自於眼球內睫狀體所分泌的房水,每個睫狀體的中心是一個血管的結構,外面再覆蓋2層的上皮細胞,經由2層上皮細胞的主動運輸,將房水分泌到後房,當房水經過瞳孔流到前房時,開始在眼球內循環,提供眼球內養分輸送到水晶體、虹膜、角膜,並將代謝後的廢物由虹膜交界處的隅角小樑網排出,再經由細微的管道排出(圖一)。


正常情況下房水的生成與排出會維持著動態的平衡,然而當房水產生過多或是排出受阻時,就會導致眼內房水積存使得眼壓升高,而調節眼壓的藥物就是用來調節房水的生成速率和排出阻力。另外,劇烈運動、姿勢變換、血壓變化及服用藥物等,也會造成輕微眼內壓的變動。當眼內壓上升時,眼睛會開始有輕微的不舒服、酸澀或看到虹暈;嚴重時則有頭痛、眼脹或噁心嘔吐的現象。高的眼內壓會壓迫視神經,長期下來會使視神經萎縮、病變,進而造成視野缺損、視力下降等症狀,形成所謂的青光眼。

青光眼是成年人失明的主要原因,目前全世界約870萬人因青光眼而失明,超過6000萬人飽受青光眼疾病困擾,且人數有逐年增加的趨勢,估計到了2040年全世界約有1億人會受青光眼之苦。通常等到病人驚覺視力降低時,多半已經是末期。雖然降低眼壓多半能阻止或減慢青光眼病程的繼續惡化,但青光眼所造成的視神經萎縮或凹陷,引起視野缺損、視力下降一旦發生,這樣的傷害將會是永久性的。

因此,定期做眼壓及視神經的檢查是必須的,尤其是高危險群的病人,如高度的近視、醣尿病、有明顯家族史等更要小心。診斷青光眼的三大要素為眼壓高、視神經盤陷凹與視野變小。雖然無法單純從眼壓的高低就準確地判斷出罹患青光眼與否,仍要進一步透過視神經的眼底檢查及視野分析和視野是否缺損來判別。但是,眼壓的測量仍是第一項重要觀測因素。因此,便有許多量測眼壓的儀器應運而生 。

眼壓計量測的技術
目前市面所使用的眼壓計主要分為接觸式及非接觸式,其中接觸式又依眼壓的測量方法不同,分成平壓式(applanation)及壓凹式(identation)。平壓式的眼壓計在設計上,所測量的是壓平角膜一小塊固定面積所需要的力。在壓凹式的眼壓計設計上,所觀察的則是在角膜施與一個固定的力後,眼球被壓凹或變形的程度。

史上第一臺眼壓計在1863年問世,由荷蘭眼科學家東德爾(Fransciscu Cornelius Donder)設計,為在鞏膜上測量眼壓的壓陷式眼壓計。雖然,後來該儀器因設計不良,不適用於臨床,但卻代表著眼壓計發展過程中的重大突破。在1905年,挪威眼科醫師肖茲(Hjalmar Schiøtz)則發表較實用的壓陷式眼壓計。經不斷改良,因該儀器簡價廉且易於操作,至今仍為多國所通用。在1954年,瑞士眼科學家戈德曼(Hans Gold-mann)所設計的壓平式眼壓計,克服了肖茲眼壓計受眼球壁彈性影響的缺點,使其量測結果更加準確可靠。而在20世紀末,透過壓力傳感器所設計的Tono-Pen手持式眼壓計開始被應用於臨床上,其後隨著電子科技快速發展,許多加入電子系統的眼壓計也相繼問世。

現今國際通用的眼壓測量標準為戈德曼所設計的壓平眼壓計,稱之「黃金標準」眼壓計(Goldman’s standard),它是目前公認的設計完美,結果準確的眼壓計,利用測壓頭來壓平眼角膜,以進行間接地測量眼內壓。在戈德曼眼壓計上有一個刻度盤,藉由調整此刻度盤來控制對眼角膜的施力。另外,有一稜鏡置於眼角膜前方,使用者可以透過此稜鏡與藍光濾波器觀察2個半圓形,當角膜被壓平至直徑為3.06毫米(mm)的面積時,2個半圓形的內角落會剛好疊合(圖二)。再根據Imbert-Fick原理:

(眼內壓)=(壓平角膜的外力)/(壓平面積)

此時戈德曼眼壓計所紀錄到刻度盤的數值就定為眼內壓大小。


接觸式眼壓計是使用壓頭探針來接觸眼睛量測眼壓,和眼睛有一定的接觸面積,除上述的戈德曼壓平式眼壓計外,壓凹式眼壓計則以肖茲眼壓計為代表(圖三),此眼壓計會以一圓柱形活塞直接與眼角膜接觸,並透過砝碼來施予壓力將角膜壓陷1毫米的深度,透過量規上的指針可得知眼壓與施予壓力之間的力平衡關係。最後根據所用砝碼的重量及刻度讀數,從計算圖表中查出眼壓數值。另一種較為廣泛應用且為典型的壓凹式眼壓計為Icare®(圖四),是一種彈回式眼壓計(rebound tonometer),其量測原理是藉由儀器探針瞬間磁化彈出,與眼角膜接觸後彈回,Icare®上的螺旋型線圈系統會因此而產生一感應電壓,再依照其感應電壓與彈回時間來估測眼壓大小。


而Tono-Pen眼壓計,為一種新型的電子壓平眼壓計,具有體積小、重量輕與手持式攜帶方便等優點,故使用上亦能適用於臥床的患者。透過與角膜接觸的量測頭上裝置一個壓力傳感器,隨著眼球壓陷程度的不同可以得到一壓力與時間的關係曲線,當眼球被壓平的面積與傳感器面積相等時,將測得壓力的峰值,再藉由電路偵測其峰谷值經過計算後便能得到正確眼壓。其他常見接觸式眼壓計還有Perkins手持式眼壓計、動態輪廓眼壓計(dynamic contour tonometer)、聲學眼壓計(acoustic tonometer)等。

非接觸式眼壓計(Noncontact tonom-eter, NCT),其特色即不需直接接觸患者眼睛,減少患者不舒服的狀況,亦可避免疾病接觸傳染與過敏問題。易於操作且量測快速,為目前醫院診所常見的量測儀器。原理是利用空氣脈衝正面撞擊角膜,讓空氣脈衝的力道隨時間呈現性增加,讓角膜產生壓平甚至微微凹陷。最具代表性為光學反應分析儀( Ocular Response Analyzer, ORA),經由一空氣槍噴出氣體,打至眼角膜表面,在吹氣過程中,眼角膜表面因受力而從凸起變形至平坦,再到凹陷。眼角膜又會隨著吹氣力量的減弱,漸漸地由凹陷至平坦,再回復至原本的形狀。在吹氣的20毫秒內,透過發射紅外線以偵測角膜反射光的能量,來推測得知角膜的凹陷程度,不同的曲率使得紅外線的反射角度也會有所不同,儀器接受紅外線訊號最強的時間點定為壓平點,並且將第一個壓平點的吹氣壓力定為眼壓(圖五)。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第566期】




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