Методы оценки и клиническое значение биомеханических свойств роговицы (клинико-экспериментальное исследование) (14. 01. 07 глазные болезни)

Вид материала

Исследование

Содержание Научный консультант Официальные оппоненты Цель настоящей работы Научная новизна Практическая значимость работы Основные положения, выносимые на защиту Публикации по теме диссертации Апробация результатов Структура диссертации Содержание работы Критерии включения пациентов в Критерии включения пациентов во Критерии включения пациентов в III группу Критерии включения пациентов в Методы обследования пациентов Методы исследования биомеханических свойств роговицы. Динамическая пневмоимпрессия роговицы Оригинальная методика Результаты собственных исследований Коэффициент упругости ... Полное содержание

Подобный материал:

• Бимануальная и коаксиальная факоэмульсификация в лечении больных с сочетанной патологией, 593.1kb.
• Обоснование применения пармелии в комплексной терапии экземы (клинико-экспериментальное, 349.46kb.
• Клиническое значение оценки цитокинового статуса у больных функциональными заболеваниями, 297.09kb.
• Система комплексной интраоперационной профилактики спаечной болезни брюшины (клинико-экспериментальное, 626.28kb.
• Клиническое течение глаукомы у больных с миопией и гипертонической болезнью 14. 01., 300.51kb.
• Эндокератопластика в лечении эндотелиально-эпителиальной дистрофии роговицы 14. 00., 733.23kb.
• Микроинвазивная десцеметопластика в лечении эндотелиальной дистрофии роговицы 14. 01., 318.07kb.
• Экспериментально клиническое обоснование комплексной терапии больных частичной атрофией, 673.15kb.
• Фотодинамическая терапия с фотосенсибилизатором хлоринового ряда в офтальмологии (Экспериментально-клиническое, 592.83kb.
• Клиническое и прогностическое значение субъективно неманифестированных форм гипертонической, 1477.2kb.

На правах рукописи


Бубнова Ирина Алексеевна


МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И КЛИНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РОГОВИЦЫ

(КЛИНИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)


(14.01.07 – глазные болезни)


АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени

доктора медицинских наук


Москва – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии медицинских наук Научно-исследовательском институте глазных болезней РАМН.


Научный консультант:

член-корреспондент РАМН,

доктор медицинских наук, профессор Аветисов Сергей Эдуардович


Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Ивашина Альбина Ивановна

доктор медицинских наук, профессор Степанов Анатолий Викторович

доктор медицинских наук, профессор Шелудченко Вячеслав Михайлович


Ведущая организация: Российский университет дружбы народов


Защита диссертации состоится «26» сентября 2011 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 001.040.01. при Учреждении Российской академии медицинских наук Научно-исследовательском институте глазных болезней РАМН по адресу: г. Москва, ул. Россолимо, д. 11, корпус А, Б.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИГБ РАМН.


Автореферат разослан «_____»______________ 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор медицинских наук Иванов М.Н.


Актуальность

Биомеханические свойства роговицы имеют важное значение с точки зрения функционирования зрительного анализатора, как оптической системы. От них зависят такие ее качества как способность к правильному преломлению лучей и устойчивость к различным внешним воздействиям (Иомдина Е.Н. 2000, Roberts C. 2005).

На сегодняшний день фундаментальное изучение биомеханических свойств роговицы актуально в силу ряда причин. Под воздействием внешних или внутренних факторов эти свойства могут меняться.

К внешним факторам могут относиться различные виды кераторефракционных операций, поскольку механизм оперативного воздействия предполагает ослабление ее биомеханических свойств. При радиальной кератотомии это происходит посредством нанесения на роговицу радиальных надрезов, которые приводят к увеличению ее податливости, а при эксимерлазерных вмешательствах посредством уменьшения толщины роговицы.

К внутренним факторам можно отнести эктатические заболевания роговицы. Например - кератоконус, при котором происходит нарушение каркасной функции роговой оболочки, что в свою очередь проявляется ее эктазией, т. е. выпячиванием вперед, и ведет к снижению остроты зрения.

Кроме того, изменение биомеханических свойств роговицы вносит существенные сложности в трактовку различных аппланационных методов исследования, в частности измерения внутриглазного давления (ВГД) при обследовании и мониторинге пациентов с глаукомой. А несвоевременная диагностика и лечение при этом заболевании может привести к существенному снижению зрительных функций, вследствие оптической нейропатии и атрофии зрительного нерва.

Значительную актуальность данной проблеме придает тот факт, что широко применяемые в клинической практике кераторефракционные вмешательства существенно нарушают биомеханику роговицы, что объективно вносит погрешность в измерения ВГД различными методами.

Изучение прочностных свойств роговицы в основном носит экспериментальный характер, а результаты, полученные в различных исследованиях трудносопоставимы, что обусловлено разными методами измерения, особенностью препаровки ткани, анизотропностью роговицы и т.д (Аветисов С.Э. 1988).

Попытки исследования биомеханических свойств роговицы in vivo, как правило, основаны на оценке изменения ее формы в ответ на какое-либо механическое воздействие. Это воздействие может осуществляться путем аппланации роговой оболочки струей воздуха - пневмотонометрия с динамической двунаправленной аппланацией роговицы (Luce D. 2005) или тонометром Маклакова различного веса - эластотонометрия (Кальфа С.Ф. 1937, Нестеров А.П. 1967, Пинтер Л.Б. 1978), а также импрессии роговицы тонометром Шиотца - определение коэффициента ригидности по Фриденвальду (Friedenewald J.S. 1937). Однако, при этом нельзя исключить возможное влияние внутриглазного давления на показатели биомеханических свойств, поскольку механическому усилию противодействуют две близкие по своей направленности силы: внутриглазное давление и «упругость» роговицы. Кроме того, четко не определены клинические ситуации, в которых исследование биомеханических свойств роговицы может помочь в диагностике и мониторинге заболеваний.

Таким образом, разнообразие методов исследования биомеханических свойств роговицы говорит о том, что ни один из них полностью не удовлетворяет требованиям практической офтальмологии. Необходимы дальнейшие исследования с целью разработки простого, доступного, информативного метода исследования биомеханических свойств роговой оболочки глаза.


Цель настоящей работы: Разработка методов исследования и оценка клинического значения биомеханических свойств роговицы.


Задачи:

1. Разработать новый метод исследования биомеханических свойств роговицы, основанный на принципе динамической пневмоимпрессии роговицы, в меньшей степени зависящий от уровня внутриглазного давления.
   
2. Исследовать возможность применения эластотонометрии тонометром Маклакова весом 5, 10, 15 г. для прижизненной оценки биомеханических свойств роговицы.
   
3. Оценить возможность применения принципа динамической двунаправленной пневмоаппланации роговицы для прижизненной оценки биомеханических свойств роговицы.
   
4. Провести прижизненный анализ биомеханических свойств роговицы на основе различных методов в норме, при заболеваниях и после кераторефракционных операций.
   
5. Изучить влияние биомеханических свойств роговицы на результаты различных методов измерения внутриглазного давления.
   
6. Изучить функциональные связи между степенью поляризации света, испускаемого тканями роговицы при люминесценции, и механическим состоянием вещества роговицы и построить карты напряжений стромы роговицы для различных экспериментальных моделей (эксперимент).
   
7. Провести анализ изменений биомеханических свойств роговой оболочки для различных экспериментальных моделей на основе исследования поляризации света, испускаемого тканями роговицы при люминесценции (эксперимент).
   
8. Разработать практические рекомендаций для прижизненного исследования биомеханических свойств роговицы в различных клинических случаях.
   

Научная новизна

1. Впервые на большом клиническом материале были разработаны новые и апробированы известные методы исследования биомеханических свойств роговицы и проведена оценка их клинического значения в различных ситуациях.
   
2. Разработан новый способ определения биомеханических свойств роговицы – динамическая пневмоимпрессия роговицы, который отражает упругие свойства роговицы практически независимо от уровня ВГД.
   
3. Разработан новый принцип исследования распределения напряжения коллагена роговицы на основе люминесцентной полярископии.
   
4. Создана экспериментальная установка с контролируемым уровнем интракамерального давления для исследования распределения напряжения коллагена роговицы.
   
5. Изучено распределение напряжения коллагена роговицы на основе люминесцентной полярископии на различных моделях в эксперименте.
   
6. Проведено математическое моделирование процесса динамической двунаправленной пневмоаппланации роговицы для изучения оптико-механического ответа центральной зоны роговицы в промежутке между прохождением двух точек апплпнации.
   
7. В результате проведенных исследований была подтверждена эффективность применения двунаправленной пневмоаппланации роговицы для определения ее биомеханических свойств.
   
8. Изучена возможность применения эластотонометрии в качестве ориентировочного и доступного метода оценки биомеханических свойств роговицы.
   
9. Изучено влияние биомеханических свойств роговицы на результаты различных методов измерения внутриглазного давления глаукомы.
   

Практическая значимость работы

1. В данной работе разработаны новые и апробированы известные методы исследования биомеханических свойств роговицы, основанные на механическом воздействии и анализе биомеханического ответа:
   

- динамическая пневмоимпрессия роговицы;

- эластотонометрия;

- динамическая двунаправленная пневмоаппланация роговицы.

2. В результате проведенного анализа была определена клиническая значимость изучаемых методов исследования биомеханических свойств роговицы, а также выявлены наиболее информативные биомеханические показатели в зависимости от различных клинических ситуаций.
   
3. Выявлено, что показатели роговично-компенсированного ВГД и тонометрии по Маклакову в наименьшей степени подвержены влиянию биомеханических свойств роговицы в различных клинических ситуациях в отличие от показателей пневмотонометрии и ВГД, приравненного к тонометрии по Гольдману.
   
4. Сформулированы практические рекомендации для прижизненного исследования биомеханических свойств роговицы в различных клинических случаях.
   

Основные положения, выносимые на защиту:

Разработан новый способ определения биомеханических свойств роговицы на основе предложенного принципа динамической пневмоимпрессии роговицы. Получаемый, новый показатель - коэффициент упругости, отражает упругие свойства роговицы. Выявлена меньшая степень зависимости измерений биомеханических свойств роговицы от уровня ВГД при использовании принципа динамической пневмоимпрессии по сравнению с известными методами.

Разработан новый принцип исследования распределения напряжения коллагена роговицы на основе люминесцентной полярископии. Оригинальный алгоритм обработки изображений, программное обеспечение и экспериментальная установка позволили изучить распределение напряжения коллагена роговицы для различных моделей.

Разработан способ, позволяющий применять эластотонометрию по упрощенной схеме в качестве доступного метода оценки биомеханических свойств роговицы.

Определена клиническая значимость изучаемых методов исследования биомеханических свойств роговицы, а также выявлены наиболее информативные биомеханические показатели в зависимости от различных клинических ситуаций.

Проведена оценка степени влияния биомеханических свойств роговицы на точность определения внутриглазного давления традиционными методами в различных клинических случаях. Разработаны практические рекомендации по выбору метода измерения ВГД у пациентов с различными нарушениями биомеханических свойств роговицы.


Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, из них 12 – в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, определенных ВАК. Получено 3 патента РФ на изобретение.


Апробация результатов

Основные положения диссертации доложены на международном конгрессе катарактальных и рефракционных хирургов. -2007 г, Сан-Диего, США; на научно-практической конференции "Современные методы диагностики и лечения заболеваний роговицы и склеры" - 2007.- Москва; на научно-практической конференции «Глаукома: реальность и перспективы». -2008г., Москва; на научной конференции «Биомеханика». – 2009г., Москва; на международном офтальмологическом конгрессе «Белые ночи».- 2010г., Санкт-Петербург.


Структура диссертации

Диссертация изложена на 207 страницах, состоит из введения, обзора литературы, 3 глав собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы. Работа содержит 54 рисунка, 5 таблиц, 267 источников (85 отечественных и 182 зарубежных).


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Характеристика обследованных пациентов.

Для решения основных задач работы необходимо было провести исследования у пациентов с предположительно различными биомеханическими свойствами роговицы.

Исходя из этого, в I группу были включены 84 пациента (168 глаз) в возрасте от 17 до 47 лет с условно «нормальной» роговицей.

Критерии включения пациентов в I группу:

- рефракция роговицы в центральной зоне от 40,25 до 45,75 дптр с равномерным распределением на кератотопограмме;

- роговичный астигматизм не более 1,5 дптр;

- толщина роговицы в центре от 470 мкм до 660 мкм;

- отсутствие данных за наличие кератоконуса;

- отсутствие сопутствующей глазной патологии;

По данным ультразвуковой биометрии в среднем длина переднезадней оси (ПЗО) глаза составляла 24,1 мм с разбросом значений от 20,8 до 26,5 мм.

По данным клинической рефракции среднее значение сфероэквивалента составляло (-) 0,89 дптр. с разбросом значений от (+) 6,37 до (-) 8,42 дптр.

II группу составили 44 пациента (70 глаз) в возрасте от 23 до 36 лет с кератоконусом.


Критерии включения пациентов во II группу:

- отсутствие данных о хирургических вмешательствах на роговице

- отсутствие данных о проведении процедуры перекрестной сшивки коллагена (cross-linking));

- отсутствие сопутствующей глазной патологии.

Рефракция роговицы в центральной зоне у пациентов этой группы колебалась от 48,25 до 56,75 дптр, толщина роговицы составляла от 279 до 558 мкм, на кератотопограмме имел место типичный паттерн кератоконуса.

Распределение пациентов по степени развития кератоконуса проводили согласно классификации Amsler:

- I степень – 16 глаз;

- II степень – 29 глаз;

- III степень – 15 глаз;

- IV степень – 8 глаз.

В III группе было 26 пациентов (52 глаза, возраст от 19 до 47 лет), перенесших эксимерлазерную коррекцию методом LASIK.

Критерии включения пациентов в III группу:

- исходная рефракция – миопия от (-)1,5 до (-) 6,5 дптр., сложный миопический астигматизм от 0,5 до 1,75 дптр.

- отсутствие сопутствующей глазной патологии.

Среднее уменьшение сферического эквивалента, астигматизма и толщины роговицы в центральной зоне составило (-)5,34±2,76 дптр, 1,07±0,93 дптр и 93±18,4 мкм соответственно, при этом на кератотопограмме имело место типичное «уплощение» центральной зоны роговицы и ободок «укручения» на периферии.

IV группу составили 8 пациентов (16 глаз, возраст от 19 до 28 лет), перенесших эксимерлазерную коррекцию методом LASЕK (лазерный субэпителиальный кератомилез).


Критерии включения пациентов в IV группу:

- исходная рефракция – миопия от (-)1,5 до (-) 6,5 дптр., сложный миопический астигматизм от 0,5 до 1,75 дптр.

- отсутствие сопутствующей глазной патологии.

Среднее уменьшение сферического эквивалента, астигматизма и толщины роговицы в центральной зоне составило (-)4,89±1,96 дптр, 0,79±0,53 дптр и 87±12,5 мкм соответственно, при этом на кератотопограмме имело место типичное «уплощение» центральной зоны роговицы и ободок «укручения» на периферии.

V группу составили 14 пациентов (28 глаз, возраст от 49 до 57 лет), перенесших радиальную кератотомию без сопутствующей глазной патологии.

В VI группу были включены 21 пациент (34 глаза, возраст от 43 до 68 лет) с первичной открытоугольной глаукомой (уровень внутриглазного давления - от 25 до 49, в среднем – 34,0±5,7 мм рт. ст.). Исследования в этой группе проводили дважды: в условиях повышенного давления и после его компенсации на фоне применения гипотензивных препаратов.


Методы обследования пациентов

Обследование пациентов проводили с помощью общепринятых (стандартных) офтальмологических методик: визометрии без коррекции и со сфероцилиндрической коррекцией, рефрактометрии, офтальмометрии, статической периметрии, пневмотонометрии, тонометрии по Маклакову, компьютерной кератотопографии, УЗ-биометрии, УЗ-пахиметрии, биомикроскопии переднего отрезка глаза и офтальмоскопии.


Методы исследования биомеханических свойств роговицы.

Для определения биомеханических свойств роговицы in vivo применяли три метода:

1. динамическая пневмоимпрессия роговицы (оригинальная методика)
   
2. эластотонометрия (адаптированная методика)
   
3. динамическая двунаправленная пневмоаппланация роговицы (стандартная методика)
   

Динамическая пневмоимпрессия роговицы

Математическое моделирование.

Было проведено численное моделирование деформации глаза при измерении внутриглазного давления с помощью анализатора биомеханических свойств прибором ORA (Ocular Response Analyzer, Reichert). Расчет оптической системы проводили на основе представлений геометрической оптики. Роговицу и склеру рассматривали как осесимметрично деформируемые оболочки вращения с жестким закреплением по краям, пространство между которыми заполнено несжимаемой жидкостью. Для описания напряженно-деформируемого состояния роговицы и склеры использовали систему из шести нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Решение по нагрузке вели пошаговым методом.

Математическое моделирование процесса динамической двунаправленной аппланации роговицы с помощью анализатора биомеханических свойств роговицы выявило, что:

• в начале процесса импрессии прибор получает оптико-механический отклик от центра роговицы;
  
• после прохождения точки аппланации информация считывается прибором с кольцевой зоны, окружающей область импрессии;
  
• по мере увеличения импрессии прибор получает оптико-механический отклик от кольцевой зоны, расширяющейся в соответствии с глубиной вдавливания.
  

Следовательно, измерение отраженного света в области, где имеются наибольшие напряжения изгиба, которые определяют упругие свойства роговицы, является важным для исследования биомеханики роговой оболочки глаза.

Оригинальная методика

В начале изгибания, возникающего на границе зоны импрессии, пневматической струе противодействуют силы ВГД и упругости роговицы, в равной степени. В момент максимальной импрессии пневматической струе противодействуют в основном упругие свойства роговицы, вследствие её максимальной деформации.

Показания датчика аппланации могут приблизительно характеризовать позицию центральной точки роговицы во времени x(t)~ B(t).

Для оценки распределения энергии, между началом и концом процесса изгибания удобней перейти к анализу ускорения центральной точки роговицы a(t)=x''(t).

Нас будет интересовать кривая ускорения от момента когда роговица испытывает максимальное торможение (минимальное ускорение) t₁ до момента когда роговица максимально вдавлена t₂. Изменение скорости роговицы за этот промежуток времени будет описываться конечным интегралом от ускорения.

Для оценки доли изменения скорости в конце процесса изгибания введем весовую функцию:

, где f_w – коэффициент упругости роговицы, t₁ – момент достижения минимального ускорения движения центральной точки роговицы, t – время, t_k – единица размерности времени.

Таким образом, изменение скорости, приходящееся на конец изгибания, может оцениваться так:

, где Kу – коэффициент упругости роговицы, t₁ – момент достижения минимального ускорения движения центральной точки роговицы, t₂ – момент достижения максимальной импрессии роговицы, t – время, t_k – единица размерности времени.

Этот показатель (Kу) характеризует упругие свойства роговицы. Он может быть вычислен приближённо, с использованием данных ORA:

,где Kу – коэффициент упругости роговицы, n₁ – значение счетчика прибора в момент минимального ускорения движения центральной точки роговицы, вычисленное по двум смежным измерениям прибора, n₂ – значение счетчика прибора в момент максимальной импрессии роговицы, n – текущее значение счетчика прибора (безразмерная величина - номер записи в базе данных).

Коэффициент упругости – это безразмерная величина, для удобства интерпретации приведенная к порядку модуля Юнга.

Расчет проводят с помощью компьютерной программы «Биомеханика 1.0» для MS Windows 1998-2000. Упругость роговицы оценивают на основании вычисленного коэффициента упругости. (Патент РФ на изобретение № 2361504 от 07.12.2007).


Эластотонометрия

Всем пациентам проводили эластотонометрию по упрощенной методике с помощью тонометра Маклакова массой 5, 10 и 15 г. В качестве критерия оценки результатов использовали величину эластоподъема (разницу между показателями внутриглазного давления, измеренного тонометрами Маклакова массой 5 и 15 г в мм. рт. ст.). При значении эластоподъема более 11 мм рт ст определяли упругие свойства роговицы как сниженные, при значении от 9 до 11 мм рт ст – как нормальные, при значении менее 9 мм рт. ст. – как повышенные (патент на изобретение РФ № 2391951 от 22.12.2008).


Динамическая двунаправленная пневмоаппланация роговицы предложена D.A.Luce в 2005. Данная методика реализована в приборе Ocular Response Analyzer (ORA), фирмы Reichert (USA). При этом анализировали два показателя, характеризующих биомеханические свойства роговицы: корнеальный гистерезис (КГ) и фактор резистентности роговицы (ФРР); и два показателя ВГД: показатель ВГД, приравненный к тонометрии по Гольдману (ВГДг) и роговично-компенсированное ВГД (ВГДрк), показатель ВГД.