Die korneale Biomechanik ist ein Konzept, das die mechanischen Eigenschaften der Hornhaut umfasst. Die Hornhaut ist ein „viskoelastischer Körper“ mit sowohl elastischen als auch viskosen Eigenschaften, und ihr Verformungs- und Rückstellverhalten unter äußeren Kräften charakterisiert ihre Funktion.
„Elastizität“ ist die Eigenschaft eines durch Druck verformten Festkörpers, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. „Viskosität“ bezeichnet den Grad der Zähigkeit einer Flüssigkeit. Die meisten biologischen Gewebe sind viskoelastische Körper mit beiden Eigenschaften, und die Hornhaut ist einer davon.
Wenn Druck auf die Hornhaut ausgeübt wird, verformt sie sich, und bei Druckabnahme versucht sie, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Dabei stimmen die Wege bei Druckbeaufschlagung und Druckentlastung nicht überein. Dieses Phänomen wird als Hysterese bezeichnet. Hysterese ist ein Indikator für die während der Verformungs- und Rückstellprozesse dissipierte Energie und spiegelt die mechanischen Eigenschaften der Hornhaut wider1).
Der Elastizitätsmodul (E-Modul) der Hornhaut wurde je nach In-vitro-Messbedingungen und -methoden in einem weiten Bereich von 0,1 bis 57 MPa berichtet1). Je höher der E-Modul, desto steifer ist das Gewebe und desto weniger verformbar.
Die korneale Biomechanik gewinnt in folgenden klinischen Situationen an Bedeutung:
Derzeit gibt es zwei Geräte zur quantitativen Bewertung der Hornhautbiomechanik in vivo: den Ocular Response Analyzer (ORA) und das Corvis ST. Das Konzept der Hornhautbiomechanik ist noch neu, und die Interpretation der Messergebnisse bleibt Gegenstand zukünftiger Forschung.
Die Hornhauthysterese (CH) ist ein Parameter, der als Differenz der Abflachungsdrücke während der Belastungs- und Entlastungsphase (P1 − P2) gemessen wird, wenn Luft auf die Hornhaut geblasen wird, um sie zu verformen. Sie spiegelt die viskoelastischen Eigenschaften der Hornhaut wider, insbesondere ihre Fähigkeit zur Energieabsorption und -dissipation. Die CH ist bei Keratokonus niedrig; siehe Abschnitt „Klinische Bedeutung und Anwendungen“ für Details.
Die Hornhautbiomechanik wird durch viele Faktoren beeinflusst1). Klinisch wichtige Faktoren sind unten zusammengefasst.
Mit zunehmendem Alter steigt die Hornhautsteifigkeit signifikant an1). Hauptursachen sind die natürliche Zunahme von Kollagenvernetzungen und die Fasermodifikation durch Glykation.
Tahsini et al. (2025) analysierten SSI-Karten von 72 gesunden Probanden und zeigten, dass der Stress-Strain-Index (SSI) von 0,938 ± 0,067 in der Gruppe der 20- bis 50-Jährigen auf 1,143 ± 0,064 in der Gruppe der 50- bis 80-Jährigen signifikant anstieg (Pearson r = 0,92, p < 0,001)3). Die Verhärtungsgeschwindigkeit variiert je nach Region und schreitet in bereits härteren Bereichen schneller voran.
Die CCT korreliert positiv mit CH und CRF1). Je dicker die Hornhaut, desto höher sind diese Werte. Sie beeinflusst auch die Augeninnendruckmessung, wobei bei dicker Hornhaut der Druck tendenziell überschätzt wird.
Die Beziehung zwischen Augeninnendruck (IOP) und Hornhautbiomechanik ist komplex1). Ein Anstieg des IOP senkt den gemessenen CH-Wert, was jedoch eher auf Eigenschaften des Messsystems als auf eine echte Änderung der physikalischen Eigenschaften der Hornhaut zurückzuführen ist. Bei Glaukompatienten wurde ein niedriger CH als Risikofaktor für das Fortschreiten des Gesichtsfelds berichtet.
Östrogen beeinflusst die Kollagenvernetzung und verringert die Hornhautsteifigkeit1). Die CH schwankt während des Menstruationszyklus und der Schwangerschaft. Eine refraktive Chirurgie während der Schwangerschaft sollte vermieden werden.
Bei Hornhautödem nimmt die Steifigkeit mit steigendem Wassergehalt ab1). Die Aufrechterhaltung eines normalen Wassergehalts (ca. 78%) trägt zur mechanischen Stabilität bei.
Bei Diabetes schreitet die nicht-enzymatische Glykation von Kollagen voran, was die Hornhautsteifigkeit erhöht1). Es gibt Berichte, dass CH und CRF bei Diabetikern höher sind als bei Gesunden.
CXL ist eine Behandlung, die mit langwelligem UV-Licht (UVA) und Riboflavin die Quervernetzung zwischen Kollagenfasern verstärkt und so die Hornhautsteifigkeit erhöht1). SP-A1 steigt nach CXL an und spiegelt objektiv die Verbesserung der Steifigkeit wider. Die Unterdrückung des Fortschreitens des Keratokonus durch CXL wird im Abschnitt „Klinische Bedeutung und Anwendungen“ ausführlich beschrieben.
Mit zunehmendem Alter wird die Hornhaut härter. Die natürliche Zunahme von Kollagenquervernetzungen und Glykation sind die Hauptursachen. Studien mit SSI-Kartierung zeigen einen Anstieg des SSI um etwa 22% zwischen den Altersgruppen 20–50 Jahre und 50–80 Jahre3). Die Verhärtungsgeschwindigkeit variiert jedoch je nach Region: Sie schreitet in den bereits härteren zentralen und peripheren Bereichen schneller voran.
Derzeit sind zwei klinische Geräte zur In-vivo-Messung der Hornhautbiomechanik im Handel erhältlich. Die Brillouin-Mikroskopie und die optische Kohärenzelastographie (OCE) werden als experimentelle Methoden entwickelt1).
Die Merkmale der wichtigsten Messgeräte sind unten aufgeführt.
| Gerät | Hauptparameter | Merkmale |
|---|---|---|
| ORA | CH, CRF | Spiegelt Viskoelastizität wider |
| Corvis ST | SP-A1, CBI, traumatische Hirnverletzung | Video-Verformungsanalyse |
| Brillouin-Mikroskop | Elastizitätsmodul | 3D-Tiefenkartierung |
Der ORA ist ein berührungsloses Luftstoßgerät von Reichert2). Er überwacht die zentrale Hornhaut (3–6 mm) elektrooptisch mit Infrarotlicht, während er Druck aufbaut und ablässt, und misst den Verformungs- und Erholungsprozess der Hornhaut über etwa 30 Millisekunden.
Die berechneten Hauptparameter sind wie folgt:
Es wird angenommen, dass CH hauptsächlich die viskosen Eigenschaften der Hornhaut widerspiegelt, während CRF hauptsächlich die elastischen Eigenschaften widerspiegelt2).
Der Corvis ST (Oculus) verwendet eine Hochgeschwindigkeits-Scheimpflug-Kamera mit 4.330 Bildern pro Sekunde, um kontinuierlich einen horizontalen 8,5 mm großen Hornhautquerschnitt aufzunehmen und die durch einen Luftstoß verursachte Hornhautverformung als Video aufzuzeichnen2).
Die Parameter der Hornhautverformung werden hauptsächlich zu drei Zeitpunkten berechnet:
Zu jedem Zeitpunkt werden die verstrichene Zeit, die Länge des abgeflachten Bereichs, die Verformungsgeschwindigkeit und die Verschiebungsdistanz des Hornhautscheitels berechnet. Die wichtigsten klinischen Parameter sind:
Das Corvis ST kann wie das ORA auch als Tonometer verwendet werden und berechnet den biomechanisch korrigierten Augeninnendruck (bIOP).
ORA
Bidirektionale Applanation durch Luftstoß : Verfolgt die Verformung und Erholung der Hornhaut mittels Infrarot.
Parameter : CH, CRF, IOPg, IOPcc. Bietet globale Indikatoren für Viskoelastizität.
Einführung 2005 : Erstes kommerzielles Gerät, das die In-vivo-Messung der Hornhautbiomechanik ermöglichte.
Corvis ST
Hochgeschwindigkeits-Scheimpflug-Kamera : Zeichnet die Verformung des Hornhautquerschnitts mit 4.330 Bildern pro Sekunde auf.
Parameter : SP-A1, CBI, TBI, SSI, DA-Verhältnis usw. Kann integrierte Indikatoren mit der Tomographie berechnen.
Erweiterbarkeit : Neue Indikatoren wie die SSI-Karte und KI-integrierte Analyse mit dem Pentacam HR sind möglich.
Die Brillouin-Mikroskopie (Brillouin microscopy) analysiert die Wechselwirkung zwischen Licht und akustischen Phononen und kartiert die biomechanischen Eigenschaften der Hornhaut nicht-invasiv in 3D 1). Aus der Frequenzverschiebung im GHz-Bereich wird der longitudinale Elastizitätsmodul des Gewebes geschätzt.
Während ORA und Corvis ST die durchschnittliche Reaktion der gesamten Hornhaut messen, bietet die Brillouin-Mikroskopie eine Tiefenauflösung und visualisiert die lokale Elastizitätsverteilung 1). Sie wird für die tiefenabhängige Bewertung des Crosslinking-Effekts nach CXL und die Erkennung lokaler Steifigkeitsverluste bei Keratokonus erwartet. Derzeit sind die lange Messzeit und der Einfluss von Umweltfaktoren Herausforderungen, und eine klinische Anwendung steht noch aus.
Die optische Kohärenzelastographie (Optical Coherence Elastography; OCE) misst die Verschiebung im Hornhautstroma unter äußerer Krafteinwirkung 1). Sie kann die Verformung der mittleren und hinteren Hornhautschichten bewerten und ist nützlich für die Analyse tiefenabhängiger biomechanischer Eigenschaften.
Das ORA berechnet die korneale Hysterese (CH) und den kornealen Resistenzfaktor (CRF) aus Veränderungen des Infrarotsignals und bewertet die Viskoelastizität insgesamt. Das Corvis ST zeichnet die Verformung des Hornhautquerschnitts mit einer schnellen Scheimpflug-Kamera auf und berechnet zahlreiche dynamische Parameter. Das Corvis ST zeichnet sich dadurch aus, dass es durch die Integration mit dem Pentacam HR KI-basierte zusammengesetzte Indikatoren wie traumatische Hirnverletzung nutzen kann.
Die Messung der Hornhautbiomechanik spielt eine wichtige Rolle bei der Früherkennung des Keratokonus, der Bewertung refraktiver Chirurgie, der Korrektur der Augeninnendruckmessung und der Beurteilung der CXL-Wirksamkeit.
Bei ekstatischen Hornhauterkrankungen treten biomechanische Veränderungen vor morphologischen Veränderungen auf 5). Selbst in einem Stadium, in dem Topographie oder Tomographie keine Anomalien erkennen können, kann die biomechanische Bewertung eine Frühdiagnose ermöglichen.
Im frühen Keratokonus ist eine lokale Abnahme des Elastizitätsmoduls mit dem Kollagenfaserabbau verbunden, und ein biomechanischer Dekompensationszyklus beginnt 7). Die Spannung steigt und verteilt sich neu, was zu einer Versteilerung und Ausdünnung der Hornhaut führt.
Die diagnostische Leistungsfähigkeit der wichtigsten Indikatoren für die Früherkennung des Keratokonus ist wie folgt 7).
| Indikator | SUCRA-Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Traumatische Hirnverletzung | 96,2 | Am genauesten |
| CBI | 83,8 | Zweitbester Indikator |
| CRF | 66,4 | ORA-abgeleitet |
Nach den Kriterien von Brar et al. wird ein biomechanisch verdächtiges Auge als CBI > 0,5 und TBI > 0,29 definiert7). Um falsch-negative Ergebnisse zu vermeiden, wird die Kombination von Hornhauttomographie (Scheimpflug-Bildgebung usw.) und biomechanischer Beurteilung empfohlen5)7).
Laut einer umfassenden Übersicht von Wang et al. (2025) übertreffen kombinierte Modelle aus Tomographie und Biomechanik einzelne Parameter bei der Erkennung von FFKC (Forme fruste Keratokonus). Das logistische Regressionsmodell von Luz et al. erreichte eine AUROC von 0,953 (Sensitivität 85,71 %, Spezifität 98,68 %)2).
In ORA-Studien zeigten FFKC-Augen im Vergleich zu normalen Augen signifikant niedrigere CH- und CRF-Werte2). VAE-NT-Augen (sehr asymmetrische Ektasie mit normaler Topographie) hatten CH 8,5 ± 1,5 mmHg und CRF 8,3 ± 1,5 mmHg, niedriger als die normale Kontrollgruppe2).
Der TBI des Corvis ST zeigt bei VAE-NT-Augen eine AUROC von 0,985, und die Sensitivität des CBI (99,1 %) und des TBI (99,6 %) erreichen extrem hohe Werte bei der Erkennung von topographisch abnormalem Keratokonus2).
Die refraktive Chirurgie entfernt oder verformt das Hornhautstroma und beeinflusst dadurch die biomechanischen Eigenschaften4). Die postoperative Hornhautektasie ist selten (0,04–0,6 %), aber eine schwerwiegende Komplikation, weshalb die präoperative biomechanische Beurteilung wichtig ist4).
Laut einer systematischen Übersicht von Pniakowska et al. (2023) mit 17 prospektiven Studien ist die biomechanische Abnahme bei LASIK (Stromablation mit Klappenerstellung) am größten, gefolgt von SMILE (Lentikelextraktion) und Oberflächenablation (PRK/LASEK)4).
Wichtigste Erkenntnisse zur postoperativen Biomechanik:
Die allgemeinen Durchschnittswerte von CH und CRF nach Oberflächenablation betrugen CH 8,68 ± 0,94 mmHg und CRF 8,39 ± 1,08 mmHg4). Bei SMILE blieb der CH 3 Monate postoperativ signifikant höher als bei LASEK, aber nach 3 Jahren verschwand der Unterschied zwischen den beiden Gruppen4).
Es wurde berichtet, dass die Kombination von biomechanischen Indizes und topografischen Parametern die Vorhersagegenauigkeit refraktiver Chirurgie um mehr als 25 % verbessert7). Patienten mit geringer Hornhautsteifigkeit haben ein 2- bis 3-fach höheres Risiko für postoperative Restrefraktion7).
Die Messung des Augeninnendrucks (IOD) mit dem Goldmann-Applanationstonometer (GAT) wird von der Hornhautdicke und den biomechanischen Eigenschaften beeinflusst5).
Bei Hornhäuten mit ekstatischen Erkrankungen oder nach refraktiver Chirurgie führt die Gewebeverdünnung und biomechanische Schwäche zu einer künstlich niedrigen Applanationstonometrie5). Folgende alternative Geräte werden empfohlen:
Der mittels ORA berechnete IOPcc wird weniger von der zentralen Hornhautdicke (CCT) und dem CH beeinflusst und spiegelt den wahren IOD genauer wider.
CXL ist eine Behandlung, die die Quervernetzung des Hornhautstromas mit Riboflavin und UVA verstärkt und wirksam das Fortschreiten des Keratokonus verlangsamt6). Sie erhöht die biomechanische Steifigkeit der Hornhaut, aber die Evidenz für den Wirkmechanismus auf direkter ultrastruktureller Ebene ist unzureichend6).
Larkin et al. (2021) untersuchten in der multizentrischen randomisierten kontrollierten Keralink-Studie die Wirksamkeit von CXL bei jungen Keratokonus-Patienten. Die Prävalenz des Keratokonus beträgt in den Niederlanden 1:375 und in Australien bei 20-Jährigen 1:846). CXL wird als wirksam zur Hemmung des Keratokonus-Fortschreitens bei der Mehrheit der Erwachsenen berichtet, aber die Konfidenzintervalle sind breit und es wurde auch ein Bias-Risiko festgestellt6).
Nach CXL steigt SP-A1 an, und der Corvis ST kann die Verbesserung der Hornhautsteifigkeit objektiv bewerten1). Es ist zu beachten, dass eine ausreichende Hornhautdicke erforderlich ist; bei schwerer Ausdünnung wurden Protokolle wie sub400 berichtet.
Die Oberflächenablation (PRK/LASEK) hat den geringsten Einfluss auf die Biomechanik, gefolgt von SMILE und dann LASIK4). Bei SMILE wird kein Flap erzeugt, sodass die strukturelle Integrität der Hornhautvorderfläche besser erhalten bleibt. Bei LASIK ist ein dünner Flap, bei SMILE eine dicke Kappe vorteilhaft für den Erhalt.
Die Hornhaut besteht aus fünf Schichten (Epithel, Bowman-Schicht, Stroma, Descemet-Membran, Endothel). Das Stroma, das etwa 90 % der Dicke ausmacht, bestimmt die Biomechanik1). Das Stroma besteht aus Kollagenfasern vom Typ I und V sowie Proteoglykanen. Die Ausrichtung, Dichte und Vernetzung der Kollagenfasern sind die Hauptfaktoren, die die biomechanischen Eigenschaften bestimmen.
Das mechanische Verhalten der Hornhaut weist folgende Eigenschaften auf1):
Tahsini et al. (2025) unterteilten die Hornhaut mithilfe der SSI-Karte in 9 Zonen: zentral, parazentral (4 Zonen) und peripher (4 Zonen) und analysierten die Steifigkeit nach Region. Die mittlere SSI der zentralen und peripheren Zonen war hoch (1,153 ± 0,079), während die der parazentralen Zonen niedrig war (0,890 ± 0,057). Besonders die untere parazentrale Zone (Zonen 4 und 5) war mit einer SSI von 0,833 am schwächsten3).
Die Schwäche der unteren parazentralen Zone stimmt mit der klinischen Tatsache überein, dass der Keratokonus typischerweise inferior auftritt3). Dies deutet darauf hin, dass mechanisch schwache Bereiche anfälliger für eine biomechanische Dekompensation sind.
Auch zwischen der oberen parazentralen Zone (SSI = 0,945) und der unteren parazentralen Zone (SSI = 0,833) wurde ein signifikanter Unterschied festgestellt, wobei die nasale Seite (SSI = 0,903) eine etwas höhere Steifigkeit als die temporale Seite (SSI = 0,879) aufwies3).
Im frühen Stadium des Keratokonus kommt es zu einer lokalen Abnahme des Elastizitätsmoduls, was den Kollagenfaserabbau und die Degeneration einleitet7). Dadurch wird ein biomechanischer Dekompensationszyklus in Gang gesetzt:
Im erkrankten Bereich werden ein verstärkter Kollagenabbau, ein Verlust von Keratozyten, eine verminderte Kollagenvernetzung und eine deutliche Abschwächung der Spannungs-Dehnungs-Reaktion beobachtet. Genetik, Augenreiben, Mikrotrauma durch Kontaktlinsen und Atopie werden als Faktoren genannt, die zur biomechanischen Degeneration beitragen.
Laut SSI-Kartenanalyse zeigt die untere parazentrale Zone den niedrigsten Steifigkeitswert (SSI = 0,833)3). Diese Zone entspricht der Prädilektionsstelle des Keratokonus, und ihre inhärente mechanische Schwäche könnte zur Krankheitsentstehung beitragen.
Die SSI II (SSI-Karte) ist eine neue Technologie, die auf Finite-Elemente-Modellierung und einem Kollagenfaserverteilungsmodell basiert und die Steifigkeitsverteilung der Hornhautoberfläche zweidimensional visualisiert2)3).
Tahsini et al. (2025) analysierten altersbedingte regionale Veränderungen der Hornhautsteifigkeit mittels SSI-Karte. Die Verhärtung schreitet in bereits steifen Bereichen (Peripherie: 0,0058–0,0067/Jahr) schneller voran und in schwachen Bereichen (unterer parazentraler Bereich: 0,0039/Jahr) langsamer. Es wurde eine sehr hohe Korrelation (Pearson r = 0,96) zwischen den SSI-Werten des rechten und linken Auges festgestellt3).
Die SSI-Karte wird als nützlich angesehen, um die Entstehungs- und Progressionsmechanismen des Keratokonus zu verstehen und die CXL-Behandlung zu individualisieren. Eine Anwendung für eine personalisierte Behandlung entsprechend dem Alter des Patienten und der Hornhautregion wird in Aussicht gestellt3).
Die Einführung von KI und maschinellen Lernmethoden verbessert die Genauigkeit der Keratokonus-Erkennung2).
Laut einer Übersichtsarbeit von Wang et al. (2025) erreichen KI-Algorithmen eine Genauigkeit von etwa 98 % bei der Erkennung von manifestem Keratokonus, aber nur etwa 90 % bei der subklinischen Form, sodass ein Risiko des Übersehens besteht2).
Eine Analyse mit der Random-Forest-Methode, die Metriken von Pentacam HR und Corvis ST integrierte, berichtete eine Spezifität von 93 % und eine Sensitivität von 86 % für die Klassifikation des subklinischen Keratokonus2). Ein Diagnosemodell mit einem Backpropagation-Neuronalen Netz erreichte einen AUROC von 0,877 und zeigte eine bessere FFKC-Erkennungsfähigkeit als CBI (0,610) und TBI (0,659)2).
Die Brillouin-Mikroskopie ist eine vielversprechende Technologie, die eine dreidimensionale elastische Kartierung der Hornhaut ermöglicht1). Sie hat sich als nützlich für die tiefenabhängige Beurteilung der Vernetzungswirkung nach CXL und die Visualisierung der lokalen Steifigkeitsabnahme bei Keratokonus erwiesen. Die Verbesserung der Messgenauigkeit durch KI-Integration und die klinische Umsetzung sind zukünftige Richtungen1).
Keratokonus tritt bilateral auf, aber ein Auge kann asymptomatisch bleiben (FFKC/VAE-NT)2). Es werden Anstrengungen unternommen, das zukünftige Entwicklungsrisiko vorherzusagen, indem das kontralaterale Auge von Patienten mit klinischem Keratokonus auf einem Auge biomechanisch beurteilt wird. TBI zeigt eine hohe Erkennungssensitivität bei VAE-NT-Augen, und der Vergleich zwischen beiden Augen könnte ein Hinweis für die Frühdiagnose sein2).
