【作 者】牛耘麗，李厚碩，韓雯婷，陳彥良，榮翱

1 同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院 眼科，上海市，200065

2 上海微創(chuàng)視神醫(yī)療科技有限公司，上海市，200120

0 引言

青光眼是世界范圍內(nèi)排名首位的不可逆性致盲眼病。與糖尿病、高血壓病等疾病相同，青光眼是一種終身疾病，不及時(shí)治療，病情會(huì)一直進(jìn)展直至失明。眼壓升高是青光眼發(fā)生、發(fā)展的最重要的危險(xiǎn)因素[1]。其中，難治性青光眼是一組病因復(fù)雜、藥物和常規(guī)手術(shù)難以控制的特殊類型青光眼，包括新生血管性青光眼、外傷性青光眼、葡萄膜炎性青光眼和虹膜角膜內(nèi)皮綜合征等[2]。難治性青光眼的治療是眼科臨床面臨的一大難題，青光眼引流裝置（glaucoma drainage devices，GDDs）植入手術(shù)是目前治療難治性青光眼最常用的方法[3]。在我國(guó)，應(yīng)用最多的GDDs是美國(guó)New World Medical公司生產(chǎn)的Ahmed青光眼引流閥（Ahmed glaucoma valve，AGV）。

Ahmed引流閥植入術(shù)有較多的并發(fā)癥，如術(shù)后淺前房、前房積血、角膜內(nèi)皮失代償?shù)?。臨床上，對(duì)于前房極淺、周邊房角前粘連、角膜內(nèi)皮失代償?shù)入y治性青光眼患者，Ahmed引流閥無(wú)法植入[4-6]。筆者曾對(duì)這類患者選擇睫狀體平坦部作為手術(shù)植入位點(diǎn)，進(jìn)行全玻璃體切除聯(lián)合AGV睫狀體平坦部植入術(shù)，獲得了較好的手術(shù)效果[7]。但是，AGV主要是基于前房植入設(shè)計(jì)的，應(yīng)用到玻璃體腔植入存在一定問(wèn)題，諸如引流管內(nèi)口在經(jīng)過(guò)鞏膜切口時(shí)管腔明顯受壓變窄，影響房水的引流；另外，硅膠管在結(jié)膜下走行也會(huì)引起患者術(shù)后出現(xiàn)異物感及引流管暴露的風(fēng)險(xiǎn)等。

為解決這一臨床問(wèn)題，筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了一款新型后置式青光眼引流閥。它的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的前置式引流途徑，作為一種新的青光眼房水引流模式，為前房無(wú)法滿足植入條件的難治性青光眼患者提供了一種有效的治療方案。后置式青光眼引流閥后置植入可以有效地避免前房出血、角膜內(nèi)皮失代償?shù)炔l(fā)癥，通過(guò)玻璃體通道引流，可以長(zhǎng)效控制使眼壓平穩(wěn)；同時(shí)，對(duì)于合并有玻璃體視網(wǎng)膜疾病的難治性青光眼患者，進(jìn)行玻璃體切割手術(shù)的同時(shí)完成后置式青光眼引流閥的植入，既能治療原發(fā)疾病又能保持持續(xù)平穩(wěn)的眼壓控制，節(jié)約了手術(shù)成本。

1 設(shè)計(jì)思路

相較常規(guī)的引流管與引流盤分離的結(jié)構(gòu)，后置式青光眼引流閥采用一體化結(jié)構(gòu)。裝在引流管內(nèi)部的預(yù)加載荷的彈性閥片與閥座緊密壓合，以保證開啟壓力在14 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），不會(huì)產(chǎn)生低眼壓的危險(xiǎn)。后置式青光眼引流閥的開口及流量會(huì)隨眼壓的升高而擴(kuò)大。通過(guò)玻璃體切除手術(shù)將閥門植入玻璃體腔內(nèi)，可以有效地避免角膜內(nèi)皮的損失。手術(shù)時(shí)在睫狀體平坦部鞏膜植入位置預(yù)制1/2鞏膜厚、約5 mm×5 mm大小的鞏膜瓣，插入閥門后靠其端部凸肩卡在鞏膜層間，凸肩支起鞏膜瓣，中間形成溢流通道，可有效防止溢流通道的堵塞。

2 基本結(jié)構(gòu)及裝配程序

后置式青光眼引流閥的基本結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分：引流管外管、內(nèi)管、彈簧閥片和限位支撐（見圖1）。引流閥各組件所用材料為醫(yī)用鈦合金，性能穩(wěn)定可靠、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)。

圖1 后置式青光眼引流閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the posterior integral glaucoma valve

2.1 引流管外管

引流管外管為兩端開口的中空?qǐng)A管狀結(jié)構(gòu)，尖端呈60°斜角便于手術(shù)中植入。另一端平面邊緣設(shè)有三個(gè)固定引腳以及擋片，方便鞏膜的層間固定，利于建立持久的結(jié)膜下引流，其內(nèi)壁設(shè)有兩條導(dǎo)軌，可以方便各組件之間的對(duì)接安裝。

2.2 引流管內(nèi)管

引流管內(nèi)管包括引流部和安裝部，引流部為具有一斜切口的半圓形管狀通道，安裝部為與斜切口成90°角的平面結(jié)構(gòu)，引流管內(nèi)管的外管壁設(shè)有與外管內(nèi)側(cè)壁導(dǎo)軌相適配的導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)。

2.3 彈簧閥片

彈簧閥片的活動(dòng)面基本形狀是半橢圓結(jié)構(gòu)，從短軸向下的半圓形為固定部分。閥片自由狀態(tài)夾角大于內(nèi)管的90°，安裝時(shí)被外力緊壓在90°的內(nèi)管切面上，閥片的彈性變形將產(chǎn)生預(yù)定的11 mmHg預(yù)壓力。

2.4 限位支撐

限位支持為半圓柱體結(jié)構(gòu)，其一端與閥片固定部位角度相適配，其外壁同樣設(shè)有與導(dǎo)軌相適配的兩根導(dǎo)槽，安裝于閥片固定部位與引流外管擋片之間，可以限制彈簧閥片的極限位置，避免過(guò)大的閥片開口。

3 工作過(guò)程

當(dāng)眼內(nèi)壓超過(guò)14 mmHg，即眼內(nèi)壓超過(guò)彈簧閥片預(yù)加載荷11 mmHg及鞏膜靜脈壓的3 mmHg壓力后，閥片將繞其固定軸線旋轉(zhuǎn)打開閥門，從而在閥片與管內(nèi)壁間形成間隙溢流而降低眼壓：眼壓越高，閥門轉(zhuǎn)角越大，溢流量就越大。后置式青光眼引流閥植入前先需要切除玻璃體，在角鞏膜緣后3.8 mm的睫狀體平坦部做1/2鞏膜厚、5 mm×5 mm大小的鞏膜瓣，在鞏膜瓣下切口將閥門植入玻璃體腔內(nèi)，直至引流管端部?jī)赏辜缈ㄔ陟柲娱g。凸肩支起鞏膜瓣，中間形成溢流通道，可有效防止因溢流通道的堵塞導(dǎo)致的手術(shù)失敗。

4 有限元分析

基于Abaqus有限元分析軟件（Dassault Systems Simulia.,Providence,RI,USA）對(duì)后置式青光眼引流閥的彈簧閥片及裝配體進(jìn)行有限元分析，為后置式青光眼引流閥樣品定型及生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

4.1 閥片的有限元仿真分析

為保證后置式青光眼引流閥閥門的開口適度，既不能過(guò)大使眼壓降低過(guò)快造成眼內(nèi)出血，也不能過(guò)小造成引流不暢，因此要求后置式青光眼引流閥閥片的剛度適中。閥片頂端的剛度設(shè)定應(yīng)保證在眼壓升高1 mmHg時(shí)開口在0.02～0.05 mm，即剛度在20～50 mmHg/mm。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算修正數(shù)據(jù)，最后取閥片厚度0.1 mm，閥片橢圓長(zhǎng)半軸3.4 mm，短軸1.96 mm，為降低剛度，閥片轉(zhuǎn)軸處寬度縮小為0.8 mm。通過(guò)有限元計(jì)算，單位眼壓最大開口為0.028 mm/mmHg，剛度為35.6 mmHg/mm。彈性閥片的預(yù)壓力11 mmHg是靠加大自由狀態(tài)的角度實(shí)現(xiàn)的。安裝后閥片角度縮小，從而形成預(yù)加載荷，故角度加大量是保證閥開啟壓力的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為此，在閥片有限元模型中對(duì)閥片增加剛性約束Constraint-Rigid body，使閥片半橢圓部分保持平面形狀不變，僅能整體與其半圓部分發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在后置式青光眼引流閥閥片的背面施加相當(dāng)于作用在正面閥口面積上11 mmHg的壓力進(jìn)行有限元仿真，則閥片發(fā)生變形，夾角相應(yīng)變大，圖2所示為鈦合金0.1 mm厚閥片的有限元ODB圖形，通過(guò)計(jì)算可求得閥片的自由狀態(tài)角度應(yīng)為92.7°。

圖2 后置式青光眼引流閥閥片的有限元仿真Fig.2 Finite element simulation of the posterior iontegral glaucoma valve plate

4.2 后置式青光眼引流閥裝配體有限元分析

根據(jù)后置式青光眼引流閥實(shí)際尺寸首先生成各零件模型（part）、輸入材料性能（property）、劃分單元（mesh），然后完成各零件的裝配（assembly）（見圖3）。編輯各零件間的約束（constraint）及配合關(guān)系（interaction），除閥片兩面分別與內(nèi)管閥座面及支撐外露表面設(shè)定為可脫離的接觸配合（contact）外，其余零件皆用約束tie固定。下一步設(shè)置限制外管6個(gè)自由度為0的邊界條件（boundary condition），并在閥片背面加14 mmHg的背壓，其中3 mmHg為閥片后鞏膜靜脈等造成的背壓，11 mmHg為彈簧閥片預(yù)壓力，在閥片的正面施加被計(jì)算的眼壓（load），如圖4所示。

圖3 后置式青光眼引流閥裝配體有限元模型Fig.3 Finite element model of assembly body of posterior integral glaucoma valve

圖4 后置式青光眼引流閥閥片的有限元模型及載荷分布Fig.4 Finite element model and load distribution of valve plate of posterior integral glaucoma valve

設(shè)定后置式青光眼引流閥閥片背面半橢圓長(zhǎng)半軸各節(jié)點(diǎn)的變形（displacement）及應(yīng)力（stresses）為歷史輸出（history output）。在Job項(xiàng)目提交Submit進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到對(duì)應(yīng)不同眼壓力的閥片變形（即閥片開口），而閥片長(zhǎng)半軸各點(diǎn)相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角可用其對(duì)應(yīng)開口量除以其與轉(zhuǎn)軸的距離求得。閥片的啟閉是由閥片前后的壓力差自動(dòng)控制的，當(dāng)眼壓高于臨界14 mmHg時(shí)，后置式青光眼引流閥便會(huì)開啟。眼壓越高，閥片開口及轉(zhuǎn)角越大。在閥片的正面加載區(qū)按斜坡函數(shù)加壓14～70 mmHg，背面加載區(qū)加壓14 mmHg的數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖5。當(dāng)眼壓達(dá)到60～65 mmHg時(shí)，閥片的開口達(dá)到最大極限值，閥片背面將與限位支撐接觸。同時(shí)限位支撐也起到了防止閥片過(guò)度彎曲的安全保護(hù)作用。

圖5 眼壓與后置式青光眼引流閥開口的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between intraocular pressure and posterior integral glaucoma valve opening

5 有效性、安全性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證后置式青光眼引流閥玻璃體腔植入的安全性，我們選取了10只正?；铙w新西蘭大白兔，充分麻醉后打開球結(jié)膜，在兔眼顳上象限角膜緣后3 mm做穿刺切口，將后置式青光眼引流閥植入玻璃體腔，術(shù)后觀察一個(gè)月，兔眼眼壓正常，未見晶狀體損傷、視網(wǎng)膜脫離及眼內(nèi)感染等并發(fā)癥（見圖6）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型后置式青光眼引流閥植入對(duì)兔眼眼球無(wú)不良作用。

圖6 后置式青光眼引流閥植入兔眼的術(shù)后觀察Fig.6 Postoperative observation of posterior integral glaucoma valve implantation into rabbit eyes

6 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，完成了新型后置式青光眼引流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用有限元分析的方法計(jì)算了閥片受力與變形的關(guān)系以及閥片剛度、轉(zhuǎn)角與開口大小的匹配程度，為完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定型、原型的制備提供理論依據(jù)，并通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型后置式青光眼引流閥的安全性和有效性。新型后置式青光眼引流閥的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的前置式引流途徑，作為一種新的青光眼引流模式，為前房無(wú)法滿足植入條件的難治性青光眼患者提供了一種新的治療方案，為臨床上治療難治性青光眼提供新的方法，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的一項(xiàng)空白，在難治性青光眼治療上具有重大的應(yīng)用價(jià)值。