坐著量,站著量,不如讓微流道系統幫你24小時量

Edited from Jean Julien

普遍大眾覺得陌生的「眼壓」一詞,往往受限於量測方法而被大眾忽略其重要性,殊不知高眼壓是造成失明的第二大視力殺手!有別於忍受量測時的不舒適感和須由專業醫療人員操作等缺點,Standford和Bar-Ilan大學團隊聯手打造出一款「可植入微流體眼壓感測器(Implantable microfluidic device)」,讓患者無論在何時何地,都可透過手機鏡頭自行量測眼壓!

什麼是眼壓?
眼壓,又稱之眼內壓(Intraocular pressure, IOP),是透過睫狀體(Ciliary body)所分泌的房水(Aqueous humour)達成的動態平衡而維持(下圖),正常情況下,每隻眼睛分泌房水的速度約為每小時 150 mL,其功能為供應前眼部的組織養分、清除自由基等代謝廢物。一般而言,正常眼壓的範圍為10~21mmHg,眼壓過大時眼睛會有輕微酸澀、紅痛,嚴重時可能會感覺到頭痛、噁心的現象。長期的眼內高壓壓迫視神經,導致視神經傷害而造成「青光眼(Glaucoma)」,症狀為所見視野收窄,嚴重恐造成不可逆的失明。全世界青光眼患者約6500萬人,以老年人口居多,然而近年因不當使用3C產品而患者有年輕化的趨勢。

眼睛解剖構造以及房水分泌路徑(圖片來源:HELDA

常見眼壓測量儀器
眼壓並非固定值,受晝夜變化、運動、姿勢、荷爾蒙、飲食等因素起伏,正常人一天的眼壓平均的變化為 3–6 mmHg,而青光眼患者的變化則相對大。目前使用的眼壓測量方法主要分為「平壓式(applanation)」及「壓凹式(identation)」。顧名思義,平壓式方法為測量壓平角膜一小塊固定面積所需要的力;而壓凹式則是觀察角膜施與一個固定的力後,眼球被壓凹或變形的程度。目前市面上常見的平壓式量測眼壓計為戈德曼眼壓計(GAT, Goldmann applanation tonometry)[註1]。壓凹式眼壓計則以肖茲眼壓計(Schiotz tonometer)為例,病人需仰臥並點麻藥,透過砝碼施予壓力將角膜壓陷深度1毫米,再從計算圖表中查出對應的眼壓值。另種壓凹式眼壓計為愛克明(Icare rebound tonometer),原理為將探針瞬間磁化彈出,探針上的塑膠圓頭接觸到角膜後回彈,再依照電磁感應原理產生的感應電壓與彈回時間來估測眼壓大小。

左:Goldmann(圖片來源:opthalmic technician.org);中:Schiotz(圖片來源:Western Ophthalmics); 右:Icare rebound tonometer(圖片來源:Icare

微流道內的小原理大應用
上述幾款眼壓計有使用不便和令病人感到不舒適等缺點,且量測時受中央角膜厚度(CCT)影響而造成極大的誤差,對於青光眼患者這類需持續監控眼壓的族群而言可謂十分的「痛點」。2014年由Stanford和Bar-Ilan合作的團隊在Nature med.發表了一篇用設計精巧的微流道裝置解決了這個難題。這是一款眼睛可植入的微流道系統,在患者進行白內障手術的時候將裝置一起植入,術後就可在居家及時量測監控。製程方法是利用可撓性奈米轉印(Soft lithography)技術在PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基矽氧烷)上設計長寬高各為50 µm的液體通道,並將此微流道的開口端接觸房水,末端有一微小氣槽。眼內的壓力將液體推入微流道內,壓縮氣槽的氣體直到壓力平衡,此時氣泡就會停留在透明的微流道管中的平衡位置;若眼壓高時,液體則會擠壓氣泡而刻度就會往氣槽方向移動,反之則遠離(實驗影片)。此時可用智慧型手機的相機外接放大鏡頭對瞳孔拍照,該資料就可回傳給眼科醫生達即時監控。該團隊也將此裝置植入豬的眼睛進行動物實驗,透過iPhone 4S手機擷取的相片並比較市面上的眼壓計,發現此裝置穩定精確且實驗再現性高,靈敏度可達1mm Hg。其實這背後的原理僅是國中就學過的「理想氣體方程式」:同溫度、分子數量,壓力和體積的乘積為定值(PV=const.),但設計這精巧的微流道應用於眼壓量測上實在令人不得不佩服其巧思。

左:可植入微流道系統於眼睛示意圖;右:微流道裝置
左:升壓往氣槽方向前進,反之降壓則遠離氣槽;右a,b:裝置植入豬眼並由iPhone 4S手機擷取相片 (圖片來源:Nature medicine

這個微流道裝置經測試後使用期限為十年,專利也已申請完成。但此裝置設計的最大缺點為若患者角膜過於混濁,則判讀不易;還有氣體隨時間外洩造成讀值失真等。為改良此裝置需要手術植入的缺點和上述的不便性,研究團隊於2016年發表將微流道系統設計為可拋棄式的眼壓量測隱形眼鏡,預期可為量測眼壓提供更便捷的方法。

綜觀目前生理量測裝置,有越來越多利用手機當作讀取數值的趨勢。例如由H.Spectrum主辦的第一屆「TRANS論壇」中,獲得國內外關注的「iXensor安盛生科」,即是利用手機前鏡頭和專屬App,讓血糖量測更為方便。從「個人行動醫療照護」的觀點將既有技術重新思考應用,或許會碰撞出不一樣的創業火花!

[註1]:戈德曼眼壓計原理,為量測壓平直徑 3.06 mm 角膜面積所需的力,再根據Imbert-Fick公式:(眼內壓)=(壓平角膜的外力)/(壓平面積)推算出眼內壓大小。

參考資料
Araci, Ismail E., et al. “An implantable microfluidic device for self-monitoring of intraocular pressure.” Nature medicine 20.9 (2014): 1074–1078.

Matthew Martini, et al.“A Disposable Contact Lens as a Wearable Pressure Sensor for Glaucoma Management.”

眼壓、房水的形成臺大醫院眼科部

眼壓-影響的因素及測量的方法臺大醫院眼科部

青光眼的診斷與治療臺大醫院眼科部

眼壓維基百科

青光眼(維基百科)

眼角膜上的力平衡(科學月刊)

眼壓的測量方法(科學月刊)

作者:Amy Chen(陳郁婷)
校稿:卓筱涵