Способ прижизненного определения коэффициента упругости роговицы

Способ прижизненного определения коэффициента упругости роговицы

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к медицине, в частности к офтальмологии, и предназначено для прижизненного определения упругости роговицы, исключающее влияние внутриглазного давления на результаты измерения.

Отсутствие фундаментальных знаний о прочностных свойствах фиброзной оболочки глаза, а также способов их оценки не позволяет решать многие практические задачи офтальмологии, такие как прогноз осложнений кераторефракционных операций, ранняя диагностика кератоконуса, интерпретация результатов измерения внутриглазного давления.

В настоящее время в мире ведется активный научный поиск способов прижизненной оценки биомеханических свойств глаза, частности упругости, на основе различных принципов действия, но пока не предложено ни одного универсального, апробированного, точного, информативного и доступного метода.

Для определения упругости роговой оболочки используются следующие способы:

- Определение ригидности по Фриденвальду (Кальфа С.Ф., Вургафт М.Б., Грудский А.З. «Пути развития и современное состояние эластотонометрии глаза», Офтальмологический журнал, 1959 г., №8, стр.451-465).

- Эластотонометрия (С.Э.Аветисов, И.А.Бубнова «Современные возможности прижизненной оценки биомеханических свойств роговицы». Сборник трудов научно-практической конференции «Современные методы диагностики и лечения заболеваний роговицы и склеры» 2007. - Москва. - с.236-239).

- Динамическая двунаправленная аппланация роговицы, как способ определения ее упругости (Luce D.A. Determining in vivo biomechanical properties of the cornea with an ocular response analyzer. J Cataract Refract Surg. - 2005. - №31, p.156-162).

Коэффициент ригидности роговой оболочки по Фриденвальду, по существу косвенно отражающий упругость, определяют по номограмме, в которой учитывают результаты измерения внутриглазного давления тонометром Шиотца с весом 5,5; 7,5; 10 и 15 граммов. Однако проведенные клинические и экспериментальные исследования показали, что данный показатель значительно варьирует на одном и том же глазу при различном внутриглазном давлении (Кальфа С.Ф., Вургафт М.Б., Грудский А.З. «Пути развития и современное состояние эластотонометрии глаза», Офтальмологический журнал, 1959 г., №8, стр.451-465.).

При эластотонометрии о прочностных свойствах роговицы можно судить по величине эластоподъема, обратно пропорционального упругости роговицы. Эластоподъем - это разница показаний измерения внутриглазного давления с помощью тонометра Маклакова грузом 5 и 15 г. При этом, поскольку площадь аппланации достаточно велика 5-7 мм, то локальные изменения биомеханических свойств роговицы в центральной зоне не учитываются, и помимо этого на результаты исследования оказывает влияние уровень ВГД.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является способ того же назначения, включающий в себя проведение динамической двунаправленной аппланации роговицы (Ocular response analyzer, Reichert, USA, WO 2007/053826, 31.10.2006 г.). Показатели, получаемые при данном способе измерения - корнеальный гистерезис и фактор резистентности роговицы косвенно характеризуют вязко-упругие свойства роговицы.

Разработчики прибора предложили выделять биомеханический ответ роговицы за счет оценки разницы давления воздействующей струи воздуха в момент прямого (Р1) и обратного (Р2) прохождения точки аппланации. Из чего вычисляются два показателя, характеризующие биомеханические свойства роговицы. Корнеальный гистерезис определяют по формуле КГ=0,149·(Р1-Р2), а фактор резистентности роговицы ФРР=0,149·(Р1-0,7Р2)-6,12.

В большинстве случаев они детально характеризуют прочностные свойства роговой оболочки: по мере увеличения толщины роговицы - показатели повышаются, при кератоконусе - снижаются, а после сквозной кератопластики - возрастают. Кераторефракционные операции приводят к ослаблению биомеханических свойств роговой оболочки.

Однако в некоторых клинических случаях показатели, полученные с помощью динамической двунаправленной аппланации не отражают в полной мере прочностные свойства роговицы:

- при повышении ВГД показатель корнеального гистерезиса уменьшается пропорционально увеличению ВГД, а фактор резистентности роговицы либо не меняется, либо несколько возрастает.

- при отеке роговицы после факоэмульсификации происходит увеличение ее толщины и снижение биомеханических свойств за счет излишней гидратации, при этом корнеальный гистерезис и фактор резистентности роговицы повышаются.

Все эти особенности могут приводить к ложной трактовке показателей биомеханических свойств роговицы в отношении ее упругости и к выбору неправильной тактики лечения пациента.

Так как измерить истинную упругость роговицы in vivo не удавалось, то все измеряемые показатели (коэффициент ригидности, эластоподъем, корнеальный гистерезис и фактор резистентности роговицы) являются авторскими названиями измеренной упругости роговицы с теми или иными погрешностями.

Теоретические предпосылки.

Механическому вдавливанию роговицы противодействуют две близкие по своей природе силы: внутриглазное давление и биомеханические свойства роговицы. Это справедливо и для любого пневмотонометра, в том числе с двунаправленной аппланацией роговицы, и для контактного прибора, оборудованного механическим плунжером.

Анализ различий между силами, противодействующими механическому вдавливанию, показал, что при воздействии упругие свойства оболочек глаза, связанные с внутриглазным давлением, проявляются достаточно линейно (тангенциальное напряжение фиброзной оболочки глаза). Тогда как упругие свойства, обусловленные локальными напряжениями в роговице, нелинейно возрастают в момент ее максимального вдавливания. Таким образом, изучая противодействие роговицы механическому вдавливанию в начале и конце процесса можно выделить локальные напряжения роговицы, которые характеризуют исключительно ее упругие свойства. Динамика торможения поверхности роговицы в начале и конце процесса вдавливания, характеризуется второй производной от глубины вдавливания.

Таким образом, конечный интеграл второй производной глубины вдавливания от времени, взятый на отрезке от момента максимального торможения до максимального вдавливания роговицы, в равной степени характеризует, как упругие свойства оболочек глаза, связанные с внутриглазным давлением, так и упругие свойства, обусловленные локальными напряжениями в роговице.

Однако конечный интеграл второй производной глубины вдавливания от времени, взятый на отрезке от момента максимального торможения до максимального вдавливания роговицы и домноженный на модельную функцию, возрастающую на том же отрезке, в большей степени характеризует упругие свойства, обусловленные локальными напряжениями в роговице.

Отношение конечных интегралов и определяет упругость роговицы.

Задачей изобретения является разработка нового способа прижизненного определения упругости роговицы.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность прогнозирования осложнений кераторефракционных операций, развития кератоконуса, а также интерпретация результатов измерения внутриглазного давления.

Технический результат достигается за счет определения коэффициента упругости роговицы путем анализа динамики торможения роговицы в момент вдавливания с помощью предложенной нами математической формулы с исключением влияния внутриглазного давления и степени гидратации роговицы на результат измерения.

Исходя из данных, изложенных в теоретических предпосылках, чем больше глубина вдавливания, тем больший вклад вносит в сопротивление роговицы ее упругие свойства. Допустим, что масса системы (роговица - перемещаемая внутриглазная жидкость) остается неизменной. Тогда, величина замедления поверхности роговицы при воздействии на нее пропорциональна усилию, противодействующему вдавливанию.

При условии сохранения постоянного момента импульса. Перейдем к динамике процесса. Рассмотрим перемещение поверхности роговицы от времени. Непрерывная функция положения поверхности роговицы от времени, будет иметь вид x(t).

В первом случае, возьмем конечный интеграл второй производной функции положения роговицы от времени, на отрезке от момента максимального замедления поверхности роговицы до полной остановки (максимальный прогиб).

Во втором случае, вторую производную функции положения роговицы от времени, на отрезке от момента максимального замедления поверхности роговицы до полной остановки, домножим на модельную логарифмическую функцию ln(t-t_(min(x"(t)))), увеличивающую вес кривой замедления на заключительном этапе вдавливания. Проинтегрируем на том же отрезке.

Отношение первой и второй полученных величин, будет характеризовать долю собственных упругих сил, противодействующих вдавливанию.

Т.к. измерения производятся дискретно, т.е. через каждые 1×10^-3 сек измеряется отстояние (х) поверхности роговицы от ее положения до начала механического воздействия на нее, то вместо непрерывной функции x(t), мы получаем ряд значений: {x(t₀), x(t₁), x(t₂)…x(t_n)}.

Дискретный способ измерений предполагает следующий окончательный вид формулы:

где k - коэффициент упругости роговицы, k_p - пересчетный коэффициент, t - время от начала вдавливания, x(t) - глубина вдавливания центральной зоны роговицы.

Пересчетный коэффициент k_p вычисляется эмпирически, для приведения величины К, к порядку модуля Юнга. k_p зависит от метода измерений.

метод исследования	на основе ORA (струя воздуха)	на основе тонометра Шиотца (механический плунжер)
kp	0,65	290,3

Способ осуществляют следующим образом.

Определение коэффициента ригидности проводят на основе исследования биомеханических свойств роговицы с помощью двунаправленной аппланации роговицы (Ocular response analyzer, Reichert, USA, 2005 г.). Пациент садится перед прибором, прижимается лбом к специальной опоре и глазом фиксирует изображение 5 точек в подвижной головке прибора. Далее прибор автоматически проводит измерение посредством воздействия на роговицу струи воздуха и одновременной регистрации движения центральной зоны роговицы в ответ на воздушный импульс. Числа, характеризующие глубину вдавливания роговицы {x(t₀),x(t₁),x(t₂)…x(t_n)}, автоматически записываются в базу данных на жесткий диск. Либо пациента укладывают на горизонтальную поверхность и закапывают в глаз анестетик. Далее на центральную зону роговицы устанавливают контактный прибор с механическим плунжером, весом достаточным, чтобы обеспечить вдавливание центральной зоны роговицы на 500 мкм, и одновременно регистрируют сверхбыстрой камерой Videoscan-114 движение центральной зоны роговицы в ответ на действие плунжера. С каждого кадра выписываются значения глубины погружения плунжера {x(t₀),x(t₁),x(t₂)…x(t_n)}. Анализ ряда значений аппланации (импрессии при работе с плунжером) {x(t₀),x(t₁),x(t₂)…x(t_n)} проводят по предложенной нами математической формуле:

где k - коэффициент упругости роговицы, k_p - пересчетный коэффициент, t - время от начала вдавливания, x(t) - глубина вдавливания центральной зоны роговицы.

Расчет проводят с помощью компьютерной программы «Биомеханика 1.0» для MS Windows 1998-2000. Упругость роговицы оценивают на основании вычисленного коэффициента упругости.

Было проведено исследование в группе здоровых 47 пациентов (94 глаза) по определению значения коэффициента упругости роговицы. Предварительные обследования с помощью общепринятых методов верифицировали нормальное состояние роговицы. В результате получено значение коэффициента упругости величиной 7 и более (р<0,05). Это значение было принято как нормальное и использовалось в дальнейшем для сравнительной оценки величины коэффициента упругости в различных группах пациентов.

Примеры.

Пример 1. Пациент В. 18 лет

Клинический диагноз: OU: миопия средней степени. Сложный миопический астигматизм высокой степени.

Vis: OD 0,05 sph - 1,75 cyl - 3,5 ax 176=0,8;

OS 0,05 sph - 2,25 cyl - 3,75 ax 176=0,6

Офтальмометрия OD 42,25 ax 1° - OS 42,50 ax 176°;

OD 45,75 ax 91° - OS 46,25 ax 86°.

Передне-задняя ось глаза: OD=24,5 мм; OS=24,6 мм.

Внутриглазное давление: OD=18 мм рт.ст.; OS=19 мм рт.ст.

Центральная толщина роговицы: OD=514 µк; OS=511 µк.

На кератотопограмме типичный паттерн песочных часов.

Пациенту было проведено исследование упругости роговицы с помощью прибора (Ocular response analyzer, Reichert, USA). При этом пациент сел перед прибором, прижался лбом к специальной опоре и глазом фиксировал изображение 5 точек в подвижной головке прибора. Далее прибор автоматически провел измерение посредством воздействия на роговицу струи воздуха и одновременной регистрации движения центральной зоны роговицы в ответ на воздушный импульс. Числа, характеризующие глубину вдавливания роговицы {x(t₀),x(t₁),x(t₂)…x(t_n)}, автоматически были записаны в базу данных на жесткий диск. Далее был выполнен анализ полученного ряда значений аппланации {x(t₀),x(t₁),x(t₂)…x(t_n)} по предложенной нами математической формуле:

где k - коэффициент упругости роговицы, k_p - пересчетный коэффициент - 0,65, t - время от начала вдавливания, x(t) - глубина вдавливания центральной зоны роговицы. Расчет проводили с помощью компьютерной программы «Биомеханика 1.0» для MS Windows 1998-2000.

В результате было получено значение коэффициента упругости роговицы, на правом глазу равного 9,3, на левом - 9,6, что свидетельствует о высокой упругости роговицы (норма 7,0 и более). Таким образом, было выявлено, что упругие свойства роговицы соответствуют нормальным и пациенту может быть предложена эксимерлазерная коррекция миопии и миопического астигматизма без угрозы развития в позднем послеоперационном периоде кератэктазии.

Пример 2. Пациентка С. 63 лет

Клинический диагноз: OD: Открытоугольная глаукома IV-a;

OS: Открытоугольная глаукома III-а.

Vis: OD 0,05 sph-3,75=0,8; OS 0,05 sph-4,25=0,7.

ВГД (пневмотонометрия): OD=19 мм рт.ст.; OS=18 мм рт.ст.

По данным динамического наблюдения отмечено прогрессирующее:

- сужение полей зрения по глаукомному типу (кинетическая периметрия),

- снижение световой чувствительности сетчатки (статическая периметрия).

- увеличение экскавации диска зрительного нерва.

Пациентке закапали в глаз анестетик, уложили на кушетку. Далее на центральную зону роговицы установили контактный прибор с механическим плунжером, весом достаточным, чтобы обеспечить вдавливание центральной зоны роговицы на 500 мкм, и одновременно регистрировали сверхбыстрой камерой Videoscan-114 движение центральной зоны роговицы в ответ на действие плунжера. С каждого кадра выписали значения глубины погружения плунжера {x(t₀),x(t₁),x(t₂)…x(t_n)}. Анализ ряда значений импрессии {x(t₀),x(t₁),x(t₂)…x(t_n)} провели по предложенной нами математической формуле:

где k - коэффициент упругости роговицы, k_p - пересчетный коэффициент - 290,3, t - время от начала вдавливания, x(t) - глубина вдавливания центральной зоны роговицы. Расчет проводят с помощью компьютерной программы «Биомеханика 1.0» для MS Windows 1998-2000.

В результате было получено значение коэффициента упругости, на правом глазу равного 6,3, на левом - 6,8, что соответствует сниженной упругости роговицы. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о неправильной интерпретации показателей тонометрии, которые занижены за счет слабых упругих свойств роговицы. В конечном итоге недиагностированная декомпенсация уровня внутриглазного давления привела к прогрессированию глаукомной оптической нейропатии и значительному сужению полей зрения.

Таким образом, предложенный способ позволяет с достаточной степенью точности прогнозировать возможность осложнений кераторефракционных операций, развития кератоконуса, а также интерпретировать результаты измерения внутриглазного давления.

Способ определения коэффициента упругости роговицы, включающий механическое воздействие продолжительностью от 1·10^-2 до 2·10^-2 с, направленное на вдавливание центральной зоны роговицы, отличающийся тем, что механическое воздействие осуществляют до достижения глубины вдавливания в 500 мкм; одновременно, через каждые 1·10^-3 с, регистрируют глубину вдавливания в центральной зоне роговицы и вычисляют коэффициент упругости роговицы по формуле: где k - коэффициент упругости роговицы, t - время от начала вдавливания, x(t) - глубина вдавливания центральной зоны роговицы, k_p - пересчетный коэффициент для приведения коэффициента упругости, к размерности модуля Юнга, при использовании данных пневмотонометра k_p=0,65, при использовании механического плунжера k_p=290,3.