Основные функции роговицы связаны со светопроведением, светопреломлением и поддержанием формы глазного яблока, а методы оценки функционального состояния роговицы — с анализом ее структуры, рефракционных и биомеханических свойств [1].
Одним из важных параметров глаза является внутриглазное давление (ВГД), или офтальмотонус (от греч. ophtalmos — глаз и tonos — напряжение), которое расправляет глазное яблоко и тем самым удерживает в правильном положении его внутренние оболочки. Оно также защищает глаз от деформации во время движения [2].
Существует довольно широкий круг офтальмологических заболеваний (травмы и воспалительные процессы переднего отрезка глаза, различные формы и виды глауком) и послеоперационных состояний (после кератопластики, кераторефракционных и антиглаукоматозных операций, экстракции катаракты и др.), при которых большое значение имеют тонометрические исследования. Мониторинг офтальмотонуса до и после операции очень важен для выбора тактики лечения [3].
Измерение ВГД при патологии роговицы несколько затруднено в связи с тем, что сама поверхность роговицы, а также ее толщина в большинстве случаев изменены. Как показали многочисленные исследования, наибольшее воздействие на показатели тонометрии имеет толщина центральной части роговицы (центральная толщина роговицы — ЦТР). Так, наличие толстой роговицы приводит к завышению тонометрических данных, в то время как более тонкая роговица, наоборот, их занижает [4].
Существуют следующие виды тонометрии, воздействие которых приводит к деформации фиброзной оболочки: импрессионные (вызывающие вдавление) и аппланационные (приводящие к уплотнению), однако для каждого тонометра характерна индивидуальная погрешность в зависимости от ЦТР, что, в свою очередь, оказывает значительное влияние на точность измерений [5]. Благодаря современным методам изучения биомеханических свойств фиброзной оболочки глаза и новым способам тонометрии, таким как динамическая контурная тонометрия, точечная контурная тонометрия, включая интракамеральную манометрию, стало возможным повышение точности измерения ВГД у указанной категории пациентов.
Структурные особенности биомеханических свойств роговицы
Роговица — это единственная соединительная ткань, которая должна сочетать в себе прочность и почти 100% прозрачность. Уже около ста лет известно, что данные свойства зависят от ряда характерных особенностей ее состава и строения. Основным составляющим компонентом роговицы является вода, на долю которой в норме приходится около 80%. Еще 18% занимает коллаген и около 2% мукополисахариды, белки (альбумин, глобулин), липиды и витамины.
Очевидно, что напряженно-деформированное состояние роговичной ткани определяется, главным образом, механическими свойствами коллагеновой составляющей, ее особой архитектоникой, конфигурацией, а также молекулярной и биохимической структурой.
Коллагеновые волокна образуются путем агрегации микрофибрилл и отличаются малой растяжимостью и большой прочностью. Приблизительно 70% сухой массы роговицы приходится на коллагеновые волокна, которые организованы в плоские пластинки (ламели). В каждой такой ламели насчитывается около 1000 коллагеновых волокон. Пластинки располагаются от лимба к лимбу практически параллельно поверхности роговицы и ориентированы под определенными углами друг к другу. В центре роговицы расположено около 200 пластин, причем коэффициент их уплотнения выше в передней части стромы, чем в задней [6]. Передние и средние стромальные пластинки сильно переплетаются, при этом первые из них не только идут параллельно, но и сливаются с боуменовой мембраной [7]. Центрально расположенные задние пластины образуют меньше переплетений ввиду большей степени их гидратации. Следовательно, задние слои стромы роговицы в большей степени подвержены риску их отека, чем передние [8].
Назначение коллагеновых фибрилл состоит в противодействии силе растяжения, обусловленной повышением ВГД, и защите глубжележащих структур глаза от внешних механических воздействий.
В человеческой роговице диаметр фибрилл не зависит от глубины их расположения и характеризуется относительно постоянной величиной, увеличиваясь по направлению к лимбу, что, вероятно, в сочетании с утолщением роговицы в лимбальной зоне обусловливает различия биомеханических свойств центральной и периферической зон роговицы [9].
Способность поддерживать эластичность и гибкость роговицы непосредственно зависит от количества фибрилл меньшего диаметра, в то время как максимальная прочность отмечается в более широких фибриллах. Возможно, присутствие фибрилл меньшего диаметра вблизи зрительной оси требует более плотного их расположения для обеспечения прозрачности и прочности в более тонкой центральной зоне роговицы. Более мелкие фибриллы в центре роговицы придают большую гибкость, поддерживая, таким образом, целостность ткани и в то же время не исключая риск деформации последней, которая может возникнуть, например, при растирании глаз [10].
В роговице человека содержится большое количество эластических волокон, что обеспечивает спонтанное сокращение ткани в момент снятия нагрузки (силы растяжения). Таким образом, они участвуют в восстановлении прежней формы роговицы после экстраокулярных воздействий, например при проведении аппланационной тонометрии. Помимо коллагеновых и эластических волокон строма роговицы включает внеклеточный (протеогликановый) матрикс, представленный гликозаминогликанами. Данное вещество, окружающее каждое коллагеновое волокно и скрепляющее волокна между собой, имеет такой же коэффициент преломления, как у пластин, и обладает так называемым давлением набухания. Оно составляет около 60 мм рт.ст. и стремится привлечь воду в роговицу. При нормальном функционировании эндотелиального барьера (между стромой и внутриглазной жидкостью передней камеры) и метаболических помп, а также при эффективной работе эпителиального барьера строма поддерживается в относительно дегидратированном состоянии. Это важный фактор прозрачности роговицы [11, 12].
Биомеханические свойства роговицы
Актуальность исследования биомеханических свойств роговицы обусловлена рядом клинических потребностей, связанных с появлением новых методов изучения биомеханики, необходимостью диагностики и мониторинга эктатических заболеваний роговицы, адекватного выбора параметров кераторефракционных операций, правильной интерпретации показателей ВГД и, как следствие, адекватной оценки его уровня и мониторинга возможного развития глаукомного процесса.
Методы изучения биомеханических свойств роговицы разделяют следующим образом: теоретические (математическое моделирование), экспериментальные (изучают биомеханические свойства изолированной роговицы), клинические (применяются in vivo) [13].
Для единого понимания биомеханических характеристик глаза эту терминологию целесообразно представить по анатомическому принципу.
Упругость, или эластичность, роговицы (от лат. elasticus — «упругий», с др.-греч. ἐλαύνω — «гоню») — это свойство роговичной ткани изменять объем или форму, оказывая сопротивление в ответ на механическое воздействие, и самопроизвольно восстанавливать свои исходные параметры при прекращении данного влияния независимо от времени его приложения.
Вязкость роговицы — сопротивление, оказываемое тканью роговицы, движению отдельных слоев без нарушения связей в структуре, зависимое от времени.
Ригидность, или жесткость, глаза (от лат. rigidus — «твердый, оцепенелый») — сопротивление всего глазного яблока изменению формы при внешних воздействиях. Ригидность глаза зависит как от биомеханических свойств структур глаза (склеры, роговицы, хориоидеи, сетчатки и т.д.), так и от их морфологии, а также от объема глазного яблока и ВГД [14].
Первое упоминание о механических свойствах глаза было связано с разработкой офтальмотонометров. Проф. А.Н. Маклаков считал, что «при нормальных условиях индивидуальные колебания в радиусе кривизны роговицы совершенно ничтожны в механическом отношении», не принимая в расчет толщину роговицы [15].
В начале XX века ученые стали исследовать биомеханические свойства роговицы. Множество математических моделей и ряд экспериментальных исследований не могли в достаточной степени соответствовать характеристике роговичной ткани и давали большой разброс показателей.
Предложенный Дж. Фриденвальдом показатель «коэффициент ригидности» давал большую погрешность при отклонении биометрических параметров глаза (толщины и кривизны роговицы) от среднестатистической нормы и зависел от уровня ВГД. Эластотонометрия, разработанная С.Ф. Кальфа, позволяла измерять величину эластоподъема. Ее позиционировали как исследование реакции оболочек глаза, но в основном оценивали роль сосудистого фактора и применяли для диагностики глаукомы. В 1978 г. Л.А. Пинтер доказал, что с помощью эластоподъема можно изучать ригидность глаза, но его практические рекомендации были сформулированы некорректно. Ряд разработанных методик (голографическая интерферометрия, электронная спекл-интерферометрия, метод фотоупругости и др.) не применялись в широкой клинической практике, но способствовали развитию нового этапа в изучении биомеханики роговицы на мировом уровне [16—19].
В последние годы в клинической практике для оценки вязкоэластических свойств роговицы активно используют двунаправленную пневмоаппланацию, выполняемую с помощью прибора Ocular Response Analyzer (ORA) фирмы Reichert (США). Прогибаясь внутрь под воздействием воздушной струи и возвращаясь к первоначальному положению, роговица дважды проходит стадию относительного уплощения, при этом определяется величина давления в обеих точках аппланации. На основании этих данных рассчитываются показатель ВГД, близкий к таковому при тонометрии по Гольдману (Goldmann-Correlated Intraocular Pressure, IOPg), и роговично-компенсированное, т. е. не зависящее от биомеханических свойств роговицы, ВГД (Corneal-Compensated Intraocular Pressure, IOPcc), а также два параметра, отражающих биомеханические свойства роговицы: фактор резистентности роговицы (Corneal Resistance Factor, CRF), характеризующий ее упругие свойства и прямо коррелирующий с ее толщиной, и роговичный гистерезис (Corneal Hysteresis, CH), который отражает способность роговицы поглощать энергию воздушного импульса, т.е. ее вязкоэластические свойства [20, 21].
В отдельно опубликованных работах имеются сведения, что при ряде патологий, таких как эндотелиальная дистрофия Фукса [21, 22], кератоконус [21, 23], миопия высокой степени [24], глаукома [21, 25], состояние после кераторефракционных операций [26, 27] и кератопластик [28, 29], наблюдаются изменения биомеханических свойств роговицы, ведущие к снижению показателя CH. Более того, данный показатель играет ключевую роль как в ранней диагностике глаукомы, так и в прогнозировании ее прогрессирования, в том числе на фоне разных методов лечения [30].
Как упоминалось выше, существует выраженная взаимосвязь между CRF и толщиной роговицы [31]. CRF снижен у пациентов с кератоконусом и после лазерного кератомилеза, так же как и толщина роговицы [32]. На фоне ношения контактных линз CRF имеет тенденцию к повышению в прямой корреляции с увеличением толщины роговицы из-за отека [33]. На здоровых глазах также отмечается прямая корреляции этих показателей, тогда как при эндотелиальной дистрофии Фукса выявлена обратная зависимость CRF от толщины роговицы в центре [22].
Известно, что биомеханические свойства роговицы потенциально влияют на точность измерения ВГД. Данные IOPg, как правило, завышены у пациентов с толстой роговицей и занижены у больных с тонкой роговицей [34].
Между толщиной роговицы и ВГД существует нелинейная взаимосвязь, которая может различаться как в здоровых глазах, так и при различной хронической патологии [35]. Биомеханические свойства фиброзной оболочки глаза лучше характеризуют поправку к аппланационной тонометрии [36, 37].
Методы исследования внутриглазного давления
Методы измерения ВГД условно разделяют на аппланационные (предполагающие уплощение контактируемой поверхности) и импрессионные (основанные на вдавлении поверхности в зоне контакта) [38].
Самый простой и общедоступный способ диагностики офтальмотонуса — метод бимануальной пальпации. Данная техника дает ориентировочную, но достаточно информативную оценку ВГД. Степень плотности склеры устанавливается путем надавливания на нее пальцами через верхнее веко.
Современные «роговичные» методики тонометрии предполагают контакт тонометра с центральной — наиболее регулярной по форме — зоной роговицы. При воздействии на периферические участки биомеханический ответ менее стабилен и в большей степени зависит от индивидуальных свойств роговицы и удаленности от центральной зоны [39].
При аппланационной тонометрии возможны два подхода к оценке взаимодействия тонометра с роговицей: использование постоянной массы с измерением зоны аппланации (тонометр Маклакова) или определение силы воздействия, необходимой для достижения определенной (заданной) формы поверхности (тонометр Гольдмана, бесконтактный тонометр). В России для измерения ВГД наибольшее распространение получил тонометр Маклакова с грузом массой 10 г [15]. При тонометрии по Гольдману измеряется аппланационная сила, необходимая для создания зоны сплющивания диаметром 3,06 мм (площадью 7,3542 мм2). В зарубежной практике данный метод тонометрии является «золотым стандартом». При бесконтактной пневмотонометрии аппланацию роговицы обеспечивают кратковременным воздушным импульсом, а оптические датчики регистрируют изменение формы роговицы.
Использование контактного тонометра Tonopen XL за счет меньшей поверхности соприкосновения, чем у тонометра Гольдмана, подходит для измерения давления у пациентов с неровной роговицей. Транспальпебральные тонометры (тонометр ТГДц-01 diaton) позволяют производить измерения уровня ВГД через верхнее веко у пациентов с патологическими состояниями роговицы [40].
Контурная динамическая тонометрия с помощью прибора Pascal предполагает использование одноразового наконечника, который прикладывают к центру роговицы пациента со слабым постоянным усилием. Уровень ВГД измеряют с помощью пьезодатчика внутри наконечника прибора, при контакте образующего единый контур с роговицей. Датчик генерирует электрический сигнал, пропорциональный ВГД. Отличием от других тонометров является отсутствие аппланации, поэтому свойства роговицы теоретически не влияют на показания прибора, но все же данный процесс измерения ВГД сложен, требует анестезии и более длительного времени измерения [41].
Любые манипуляции, при которых осуществляется даже минимальное воздействие на роговицу, могут оказаться небезопасными для глаза. Так, контакт роговицы с рабочей площадкой тонометра несет риск возникновения микроэрозий с последующим инфицированием. Использование анестетиков, специального красителя и дезинфицирующих препаратов нежелательно при конъюнктивитах и противопоказано при наличии какой-либо патологии роговицы.
В последнее время растет интерес к разработке новых приборов и методов измерения ВГД, обладающих минимальной инвазивностью и не требующих применения анестезии. Принципиально новые методы тонометрии позволяют уменьшить влияние биомеханических свойств фиброзной оболочки глаза на измеряемые показатели. Точечная контактная тонометрия (серия тонометров Icare, Финляндия) предполагает уменьшение механического воздействия на роговицу за счет быстрого «отскока» миниатюрного наконечника. Малая масса (26,5 мг) и оптимальная скорость (0,3 м/с) перемещения наконечника позволяют определять уровень ВГД практически без изменения формы роговицы [42].
Проведен ряд исследований, в которых сравнивали результаты измерений ВГД с применением Icare и методом тонометрии по Гольдману. В некоторых исследованиях оценивались зависимость результатов тонометрии от ЦТР, ее переносимость и безопасность. Тонометрия с помощью Icare хорошо переносится, не вызывая эпителиальных дефектов роговицы и дискомфорта, и может считаться надежной альтернативой измерению ВГД по Гольдману для пациентов с низким и средним диапазоном значений ВГД. Однако у больных с высокими значениями ВГД данные измерений плохо коррелировали с результатами тонометрии по Гольдману [43]. Ряд иностранных авторов объясняют это большей зависимостью измерений ВГД прибором Icare от ЦТР [41, 43].
Повышение ВГД происходит регулярно после эндотелиальной кератопластики с трансплантацией десцеметовой мембраны (Descemet membrane endothelial keratoplasty, DMEK). В одном из исследований оценивалось влияние ЦТР на ВГД после DMEK. Измерение проводилось с помощью бесконтактной пневматической тонометрии, тонометрии с использованием прибора Icare, аппланационной тонометрии Гольдмана и динамической контурной тонометрии пациентам до операции, а затем через 1 и 3 мес после DMEK. Хотя тонометрия по Гольдману регистрировала приблизительно стабильные значения ВГД, остальные методы имели тенденцию демонстрировать более высокое ВГД после DMEK, чем до оперативного вмешательства. Через 3 мес ВГД, измеренное пневмотонометром и Icare, значительно коррелировало с ЦТР. Тем не менее все методы выявляли повышение ВГД во время последующего послеоперационного наблюдения, что требовало гипотензивной терапии. Таким образом, измерение ВГД до операции и через 3 мес после DMEK следует осуществлять пневмотонометром или с помощью Icare, а непосредственно после DMEK — тонометром Гольдмана [44].
Анализ сравнительных исследований контрольной группы пациентов с нормальными значениями ВГД показал, что результаты измерений с помощью тонометров Icare и Tono-Pen были значительно выше по сравнению с тонометрией по Гольдману. Однако при стандартной средней толщине роговицы использование тонометра Icare или Tono-Pen давало высокую положительную корреляцию с тонометрией по Гольдману. Между их результатами не было весомой разницы [45].
Относительно точное определение истинного ВГД возможно только методом прямой (манометрической) тонометрии с катетеризацией передней камеры глаза. Прочие методы регистрируют показатель тонометрии, или тонометрическое ВГД (Pt). Поскольку принцип действия большинства тонометров предполагает в различной степени выраженную деформацию роговицы, вариабельность именно ее свойств (ригидности, кривизны и толщины) оказывает влияние на показатель Pt.
Большая серия исследований первой половины ХХ в. посвящена манометрическому измерению ВГД и изучению его зависимости от кровообращения, иннервации, воздействия физических факторов и химических веществ (лекарств).
В 2016 г. в ФГБНУ «НИИ глазных болезней» было разработано устройство для прижизненного прямого измерения ВГД в передней камере глаза. Оно отличается от аналогов высокой точностью получаемых результатов (погрешность 0,125 мм рт.ст.), низкой инертностью (обусловлено использованием минимального объема жидкости в системе), высоким временным разрешением (частота измерения 1000 Гц) и удобством использования (компактный эргономичный дизайн) с возможностью online-контроля с последующим анализом полученных данных (специальное программное обеспечение) [46, 47].
Заключение
На сегодняшний день имеется много различных устройств для измерения ВГД. Большинство современных методов офтальмотонометрии (аппланационные, импрессионные и трансфигурационные) являются транскорнеальными, производящими измерение ВГД через роговицу. Поэтому в первую очередь необходимо учитывать биомеханические свойства и толщину роговицы. Появление приборов ORA позволяет осуществлять измерение ВГД с определением и учетом биомеханических показателей. Результаты измерений, выполненных тонометром Icare, показывают приемлемое соответствие по сравнению с использованием тонометрии по Гольдману; метод сопоставим и с контурной динамической тонометрией, которая также дает положительную корреляцию результатов, но является более сложной в исполнении, требует применения анестезии и большего времени измерения.
На основании анализа собранных данных литературы можно утверждать, что измерение ВГД с помощью тонометра Icare является наиболее рациональным методом в клинической практике офтальмолога при изучении состояний после кератопластики.
С учетом многообразия современных методов офтальмотонометрии возникает необходимость выявления наиболее оптимального из них в соответствии с данными прямой интракамеральной манометрии при патологических состояниях роговицы до и после кератопластики.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.