Исследование биомеханики глаза представляет несомненный интерес, поскольку имеется целый ряд клинических ситуаций, когда прижизненная оценка механических свойств может помочь как в диагностике, так и в лечении. Так, например, одним из осложнений кераторефракционной хирургии является индукция развития кератоконуса, связанная с ослаблением биомеханических свойств роговицы. Имеющиеся в настоящий момент методы своевременного выявления этой патологии несовершенны, поскольку позволяют поставить диагноз только по наличию структурных деформаций роговицы — изменению профиля роговицы и ее толщины. Своевременное выявление снижения биомеханической стабильности роговичной ткани до появления истончения и деформации позволило бы выявлять такую патологию на более раннем этапе и значительно сократить риск ятрогенной патологии.

Результаты биомеханических исследований в офтальмологии представляют не только теоретический интерес. Уже сейчас существует биомеханическая методика, значительно повышающая точность измерения внутриглазного давления (ВГД). Прибор ORA (Ocular Response Analyzer, Reichert Inc., США) позволяет оценивать влияние биомеханических свойств роговицы на измеряемое ВГД. В этом приборе учитывается биомеханика роговицы, что позволяет значительно повысить точность и повторяемость измерения уровня ВГД и что важно в диагностике и контроле лечения глаукомы [1—4].

В настоящем обзоре рассмотрены различные подходы к исследованию деформационных свойств разных глазных структур: динамометрические методы, эластотонометрия, офтальмомеханография, метод фотоупругости, ультразвуковые методы, анализ пневмоапланации роговицы, атомно-силовая микроскопия, голографическая интерферометрия, оптическая когерентная эластометрия (эластография; ОКЭ).

Динамометрические методы

Одним из первых применявшихся способов исследования биомеханических свойств тканей глаза являлся динамометрический метод, пришедший в медицину из материаловедения. В процессе исследования на образец оказывается механическое воздействие, при этом измеряется зависимость силы деформации образца от прикладываемого усилия. Чаще всего с помощью таких прямых измерений оценивали биомеханические свойства роговицы и склеры [5—8].

В первых исследованиях определяли в основном прочностные свойства тканей глаза in vitro. В ряде работ измеряли модуль Юнга и усилие на разрыв образцов различных тканей глаза, в других исследованиях — усилие, необходимое для получения разрывов роговицы при продавливании ее образца специальным индентором [5]. Данную методику применяли для оценки механической прочности роговицы в норме, после кераторефракционных вмешательств и при ее различной патологии. После механического воздействия образцы исследовали визуально, а также с помощью световой и электронной микроскопии. Динамометрическая методика, в частности, позволяла выявить ослабление прочностных свойств роговицы при кератоконусе [5]. Подобные результаты описаны и в исследованиях, посвященных изучению биомеханических свойств роговицы и деформаций, возникающих после процедуры радиальной кератотомии. Было выявлено, что основная часть механической нагрузки в таких образцах приходится на среднюю периферию; также отмечались локальное истончение роговицы и снижение ее прочности в сочетании с увеличением напряжения в местах нанесения насечек. Применение данной методики позволило подтвердить взаимосвязь между появлением гиперметропии в зрелом возрасте и наличием радиальной кератотомии в анамнезе [9].

Хрусталик в биомеханике можно рассматривать как объект, который постоянно подвергается деформациям при аккомодации, и/или как часть оптической системы глаза, позволяющей четко видеть разноудаленные предметы. Соответственно, исследование свойств хрусталика направлено на изучение двух основных типов его характеристик — оптических и механических. Механические свойства хрусталика весьма вариабельны. Был проведен ряд исследований, которые позволили продвинуться в изучении биомеханики хрусталика [10—13].

При применении теста на вдавление для оценки возрастных уплотнений хрусталика выявлено, что кортикальные слои мягче ядра, и подтверждено возрастное повышение модуля Юнга. При этом у молодых лиц плотность ядра оказалась ниже плотности кортикальных масс [13].

В других исследованиях [10, 13, 14] измеряли жесткость капсулы хрусталика, проводя различные механические испытания на разрывной машине. Результаты показали, что толщина капсулы не сказывается на аккомодации, при этом механическая прочность задней капсулы, как и ее предельная (разрушающая) деформация, значительно снижается с возрастом, в отличие от параметров передней капсулы. Поскольку зависимости «нагрузка — деформация» и «напряжение — деформация» задней капсулы нелинейны, жесткость в пределах упругих деформаций и модуль упругости меняются в зависимости от диапазона нагрузки. Таким образом, возрастная потеря механической прочности в задней капсуле хрусталика происходит раньше, чем в передней.

В настоящее время достаточно велик интерес к изучению биомеханики трабекулярного аппарата. При исследовании механической прочности и биохимического состава образцов трабекулярной ткани отмечено усиление ригидности данной структуры при глаукоме. Кроме того, данные напрямую коррелируют с легкостью оттока внутриглазной жидкости, а следовательно, с изменением уровня ВГД [15].

Основным недостатком динамометрических измерений является выраженная зависимость механических свойств тканей от большого количества плохо контролируемых факторов, таких как гидратация образца, тщательность его подготовки, возраст пациента, индивидуальная изменчивость, локализация исходного расположения образца в глазу. В результате этого данные имеют большой разброс и могут применяться при различных теоретических построениях лишь в ограниченном объеме. Их практически невозможно применить в клинической практике для предсказания поведения конкретного глаза.

Эластотонометрия

Метод эластотонометрии был разработан В.П. Филатовым в 1913 г. для диагностики глаукомы. Большой вклад во внедрение метода внес С.Ф. Кальфа. Кроме измерения ВГД метод позволяет оценить биомеханические свойства фиброзной оболочки живого глаза. Суть метода заключается в последовательном измерении ВГД апланационными тонометрами Маклакова разной массы (5; 7,5; 10 и 15 г). На основании полученных измерений строится эластотонометрическая кривая (эластокривая), по форме которой можно судить о биомеханических свойствах глаза [16].

Изначально (по мнению С.Ф. Кальфа) различные формы эластокривой трактовались как характеристики конкретного состояния нервно-сосудистого рефлекса глаза, не имеющего отношения к биомеханике напрямую. Сегодня превалирует точка зрения, объясняющая форму эластокривой биомеханическими свойствами глаза. Если бы фиброзная оболочка обладала очень высокой жесткостью, то наблюдался бы линейный подъем эластокривой, поскольку результаты измерений напрямую зависели бы от массы тонометра. Отклонения от данной линейной зависимости объясняются нелинейным растяжением фиброзной оболочки под воздействием возрастающего давления.

В последние 10 лет наблюдается возрождение интереса к этому методу. Выявлено, что на конфигурацию эластокривой влияет изменение формы и размеров глаза, а на тонометрическое давление — патологические изменения фиброзной оболочки [16]. «Изломы» эластокривой могут быть связаны с увеличением жесткости склеры при глаукоме или с патологией роговицы (особенно такие изменения характерны для значительного истончения роговицы в лимбальной зоне, например при краевой пеллюцидной дегенерации).

Офтальмомеханография

Одним из методов клинической оценки биомеханических свойств фиброзной оболочки глаза является офтальмомеханография. Принцип работы офтальмомеханографа основан на возможности в циклическом режиме оказывать локальное механическое воздействие на участок склеры, измеряя при этом смещение (прогиб) в соседних участках. Данный способ позволил оценить зависимость «напряжение — деформация» (модуль Юнга) склеры в живом глазу, а также установить соответствие между показателями упругости и вязкости склеры.

Исследование модуля Юнга в норме и при миопии показало неравномерность биомеханических свойств склеры в разных областях, а также изменения этих свойств в зависимости от степени миопии. Были выявлены сокращение упругих свойств склеры и накопление признаков пластической деформации при прогрессировании близорукости [10].

Фотоупругость

Под действием механической нагрузки в прозрачных твердых телах возникает или изменяется оптическая анизометропия (двулучепреломление). В технике до появления современных компьютерных методов эффект фотоупругости использовали при исследовании напряжений в сложных конструкциях. В самом простом виде для реализации метода достаточно поместить прозрачный объект между двумя скрещенными поляризаторами. Наличие и выраженность двулучепреломления в таком случае будут заметны по появлению цветных разводов на изображении объекта исследования. Более сложные методики подразумевают интегральную оценку данных эффектов при разном наклоне поляризаторов.

С помощью эффекта фотоупругости стало возможно показать, что хирургическая коррекция рефракционных нарушений методом эксимерлазерной фотоабляции в парацентральной зоне не отражается на биомеханических свойствах роговицы. Кроме того, доказано, что роговица сохраняет свои свойства даже при утрате морфологически упорядоченной структуры [17, 18].

Ультразвуковые методы

Методы ультразвуковой визуализации позволяют с некоторой степенью достоверности судить о биомеханических свойствах тканей. Оценка может осуществляться по акустическому ответу ткани, с помощью регистрации структурных изменений, а также путем регистрации деформаций в результате механической нагрузки.

При сравнительной оценке изменений склеры воспалительного генеза на основе ультразвуковой биомикроскопии были выявлены гиперрефлективные зоны истончения склеры и гипоэхогенные неоднородно рефлектирующие участки с признаками фокального отека, что косвенно могло свидетельствовать об изменении ее биомеханических свойств [19].

Выявлено, что показатели акустической плотности передней и задней капсул «катарактальных» и условно прозрачных хрусталиков практически идентичны. Однако при наличии помутнений происходило существенное статистически значимое усиление 2D-акустической плотности передних кортикальных, ядерных и задних кортикальных слоев, а также 3D-акустической плотности ядра хрусталика по сравнению с аналогичными показателями условно прозрачных хрусталиков [20].

Пневмоапланация роговицы

Как указывалось выше, интерес к исследованию биомеханических свойств фиброзной оболочки связан с возможными ошибками при измерении ВГД. Более ригидная фиброзная оболочка глаза приводит к завышению измеряемых значений. Одно из решений, позволяющих исключить влияние вариабельности биомеханических свойств роговицы на показатель тонометрии, связано с применением так называемой двунаправленной апланации роговицы с помощью прибора ORA (Ocular Response Analyzer, Reichert Inc., США) [3, 21—23].

Принцип работы ORA основан на модифицированной пневмотонометрии. При этой методике определяется динамика деформации роговицы и восстановления ее формы под воздействием динамического воздушного потока. Основным параметром, позволяющим достоверно определить биомеханические свойства роговицы и фиброзной оболочки в целом (и учесть их при измерении ВГД), является корнеальный гистерезис (КГ), который отражает вязкое затухание колебаний роговицы. Данные, полученные с помощью двунаправленной апланационной тонометрии, характеризуют биомеханические свойства фиброзной оболочки в целом, но на результат исследования влияют также свойства роговицы, поскольку именно на поверхность роговицы в ходе тонометрии оказывается непосредственное воздействие. Кроме того, применение ORA в исследовании биомеханических свойств роговицы позволило вычислить коэффициент упругости, характеризующий эластические свойства роговицы (исследовались данные ORA на основе динамики торможения центральной зоны в момент максимальной импрессии) [4, 21—24]. Благодаря применению этого метода исследования удалось выявить изменения, происходящие с тканями глаза на фоне повышения ВГД (либо иных патологических процессов), а также взаимное влияние исследуемых параметров друг на друга. Например, у пациентов с кератоконусом выявлено снижение КГ и фактора резистентности роговицы (ФРР), при этом амплитуда снижения данных параметров коррелировала со стадией кератоконуса [22, 23]. У пациентов с повышенным ВГД уменьшалось значение КГ и увеличивалось значение ФРР [21, 25, 26]. Следует также отметить, что у пациентов, подвергшихся процедуре эксимерлазерной коррекции зрения, отмечалось снижение показателей КГ и ФРР, при этом показатели не возвращались к прежним значениям даже спустя длительное время [24].

Атомно-силовая микроскопия

Одним из перспективных направлений исследования локальных биомеханических свойств тканей глазного яблока является атомно-силовая микроскопия.

На основе атомно-силовой микроскопии была доказана возможность создания на склере с помощью лазерного излучения участка с повышенной гидропроницаемостью [2, 27]. С помощью этого метода изучалась модуляция ответа фибробластов как одного из возможных способов изменения биомеханических свойств склеры [27]. В проведенных опытах применялось неабляционное воздействие на склеру инфракрасным лазером (эксперимент in vivo). Клеточный ответ на воздействие заключался в активной пролиферации склеробластов и миофибробластов, приводящей к изменению толщины и биомеханических свойств склеры.

В другом исследовании благодаря применению атомно-силовой микроскопии удалось установить, что лазерно-индуцированное формирование пор повышает проницаемость склеры, при этом биомеханические свойства склеры остаются неизменными [27].

Атомно-силовую микроскопию применяли для оценки изменения биомеханических свойств роговицы после процедуры кросслинкинга [28]. В ходе эксперимента была выявлена экспоненциальная зависимость длительности ультрафиолетового облучения и характеристик жесткости стромы роговицы, подвергшейся данной процедуре. Это исследование позволило оценить эффективность применения различных модификаций кросслинкинга.

Большая разрешающая способность атомно-силовой микроскопии позволяет также оценивать структурные изменения, влияющие на механические свойства ткани, недоступные визуализации другими методами, например, микроструктуры капсулы хрусталика [12]. Были определены параметры шероховатости поверхности капсулы хрусталика и выявлена взаимосвязь между механическим напряжением и шероховатостью поверхности.

Голографическая интерферометрия

Голографическая интерферометрия включает в себя методики, в которых различными способами осуществляется запись голограммы объекта на один и тот же носитель до и после какого-либо воздействия. В результате на получившейся голограмме хорошо визуализируются даже минимальные деформации поверхности исходного объекта. Преимуществом данного метода является наличие цветовой шкалы, которая облегчает автоматическую обработку результатов [29]. Метод позволяет достаточно точно определить порядок помех, сопоставив две цветовые шкалы разных испытаний. В эксперименте изучены образцы бычьей роговичной ткани после механической абразии и лазерной абляции различной интенсивности [30]. Выявлено, что более интенсивное воздействие приводило к выраженному повреждению структуры роговицы; в частности, в области абляций были обнаружены разрывы, что могло указывать на изменение параметров жесткости роговицы в этом месте. Следует также отметить, что слабая абляция роговицы не приводила к значительным изменениям ее структуры, что позволило сделать вывод о влиянии толщины роговицы на ее биомеханические свойства.

Данная методика не получила широкого применения в клинической практике, что может быть связано с локальностью исследования (например, только в центре роговицы) и невозможностью получения объемной картины деформаций.

Оптическая когерентная эластометрия (эластография)

ОКЭ позволяет получать объемную карту механических свойств (деформации) разнородного тканевого массива с помощью точной регистрации карты деформации данного массива под воздействием дозированной механической нагрузки.

В первых исследованиях, посвященных изучению этого метода, авторы рассматривали возможность проведения лазерной термокератопластики под контролем ОКЭ на экспериментальных образцах. Применение ОКЭ позволило исследовать динамику лазерно-индуцированных деформаций [31, 32].

Дальнейшая работа этой исследовательской группы была направлена на поиск корреляций между результатами измерений методом ОКЭ и микроструктурными изменениями тканей.

Также авторы изучали чувствительность атомно-силовой микроскопии и оптической когерентной томографии в оценке деформации (механических свойств) выделенных образцов роговицы и склеры [32, 33].

Заключение

Следует отметить, что развитие биомеханических исследований ускоряет внедрение их результатов в клиническую практику. Информация об особенностях деформаций тканей в ходе проведенных разноплановых исследований может расширить наши представления о механизмах развития патологических изменений в различных структурах органа зрения, что позволит разработать новые методы их диагностики и лечения.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ, проект №20-52-00041.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.