Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics: CFD) ist eine computergestützte wissenschaftliche Technik, die Strömungen mit numerischen Methoden und Algorithmen auf der Grundlage der Navier-Stokes-Gleichungen analysiert. Durch Anwendung der Gesetze der Strömungsmechanik auf ein Rechenmodell, das die Struktur darstellt, können Strömungsmuster, Druckverteilung, Scherspannung usw. abgeschätzt werden.
Das Auge ist ein Organ, das Flüssigkeiten hoher Konzentration (Kammerwasser, Glaskörper) enthält, und daher ein sehr geeignetes Modell für CFD-Analysen. Die wichtigsten Anwendungsbereiche in der Augenheilkunde sind:
CFD hat bereits im kardiovaskulären Bereich (Arteriosklerose, Stent-Design) bedeutende Erfolge erzielt. In den letzten Jahren hat die Zusammenarbeit mit anderen medizinischen Bereichen, einschließlich der Augenheilkunde, zugenommen, und die multidisziplinäre Forschung (Ärzte, Mathematiker, Physiker) hat sich intensiviert.
Bei der Vereinfachung der Navier-Stokes-Gleichungen erhält man durch Weglassen des Viskositätsterms die Euler-Gleichung, durch Weglassen des Wirbelstärketerms die vollständige Potentialgleichung und durch Linearisierung die linearisierte Potentialgleichung. Im stationären Zustand der Vorderkammer beträgt die maximale Reynolds-Zahl etwa 0,01, was sehr klein ist, aber für transiente Phänomene wie Lidschlag ist die vollständige Verwendung der Navier-Stokes-Gleichungen erforderlich.
CFD (Computational Fluid Dynamics) ist eine Technik zur Simulation von Fluidströmungen am Computer. In der Augenheilkunde wird sie hauptsächlich zur Analyse von Anomalien des Kammerwasserflusses, die Glaukom verursachen, zur Vorhersage der Medikamentenverteilung nach intravitrealer Injektion und zur Optimierung des Fluidverhaltens während der Kataraktchirurgie eingesetzt. Das Auge ist ein flüssigkeitsreiches Organ und daher ein sehr geeignetes Modell für CFD-Analysen.
Das Kammerwasser wird vom unpigmentierten Epithel des Ziliarkörpers in die hintere Augenkammer sezerniert. Die Tagesproduktion beträgt etwa 3,0 μL/min, und das Kammerwasser eines standardmäßigen Vorderkammervolumens (ca. 250 μL) wird innerhalb von 1–2 Stunden ausgetauscht. Das Kammerwasser fließt durch die Pupille in die Vorderkammer und wird hauptsächlich über den Trabekelwerk-Schlemm-Kanal-Weg (Hauptweg: 80–95 %) und den uveoskleralen Abflussweg (Nebenweg: 5–20 %) abgeleitet2).
Der Hauptort des Abflusswiderstands im Hauptweg ist der Bereich des juxtakanalikulären Bindegewebes mit der extrazellulären Matrix (ECM)4). Ein kontinuierlicher Umsatz der ECM ist für die Aufrechterhaltung der Augeninnendruckregulation erforderlich, und es wurde experimentell gezeigt, dass die Manipulation der ECM des TM die Abflussrate verändern kann4).
„Der Abflussweg besitzt einen homöostatischen Mechanismus, der kontinuierliche Druckabweichungen erfasst und den Abflusswiderstand kompensatorisch anpasst, um den Augeninnendruck im normalen Bereich zu halten“4)
Die Basalmembran der Endothelzellen der Innenwand des Schlemm-Kanals (SCE) weist submikrometrische Diskontinuitäten auf, durch die das Kammerwasser über Riesenvakuolen und Poren abfließt4). Die Hypothese, dass Zellen des juxtakanalikulären Bindegewebes (JCT) den Abflusswiderstand durch Manipulation der Ausrichtung und Konzentration von Versican regulieren, wurde verifiziert4).
Der Augeninnendruck ist ein komplexer Parameter, der nicht auf einen einzelnen numerischen Wert reduziert werden kann3). Er schwankt im Laufe der Zeit, variiert je nach Position im Auge und wird durch die Messmethode beeinflusst3).
| Merkmale des Augeninnendrucks | Inhalt |
|---|---|
| Definition | Differenzdruck zum Atmosphärendruck (mmHg) |
| Normaler Augeninnendruck | Etwa 15 mmHg (Atmosphärendruck + 2 kPa) |
| Tagesschwankung | Nachts halbiert sich die Kammerwasserproduktion |
Die durch den Augeninnendruck erzeugte mechanische Dehnung beeinträchtigt die axonale Funktion am Sehnervenkopf (ONH) und führt zu lokalem ECM-Remodelling und zum Tod retinaler Ganglienzellen (RGC)3). Die Lamina cribrosa (LC) ist eine fensterartige Struktur, die die Öffnung des Skleralkanals bedeckt und als primäre Schadensstelle beim Glaukom gilt3).
Im normalen Auge beträgt die maximale Hauptdehnung der LC bei einem Druck von 5 bis 45 mmHg etwa 3 %, wobei die peripheren Bereiche höhere Werte aufweisen als das Zentrum3). Es wurde berichtet, dass die effektive Dehnung je nach Glaukomtyp unterschiedlich ist: okuläre Hypertension (3,96 %), primäres Offenwinkelglaukom (POAG) (6,04 %) und primäres Winkelblockglaukom (PACG) (4,05 %)3).
Augeninnendruckabhängige Faktoren
Mechanischer Stress : Der Augeninnendruck verformt die Bindegewebsbälkchen der Lamina cribrosa. Bei hohem Augeninnendruck kommt es zu einem ausgedehnten Remodelling der LC und einer posterioren Verlagerung3).
Axonaler Transportstörung : Die druckbedingte Dehnung blockiert den anterograden und retrograden axonalen Transport in der LC3).
Mechanosensoren : Verformung der Zellmembran → Öffnung von Ionenkanälen, Integrin-bindende Signalwege → Zellantwort3).
Augeninnendruckunabhängige Faktoren
Durchblutungsstörung : Assoziation mit Papillenblutung, peripapillärer Atrophie, niedrigem okulärem Perfusionsdruck, niedrigem diastolischem Blutdruck.
Risikofaktoren : Höheres Alter, Familienanamnese, großer C/D-Quotient, dünne Hornhaut, niedrige Hornhaut-Hysterese1)2).
RGC-Tod : Apoptosewege, Neurotrophinmangel, mitochondriale Akkumulation.
Der Hauptort des Kammerwasserabflusswiderstands ist die extrazelluläre Matrix des juxtakanalikulären Bindegewebes (JCT) in der tiefsten Schicht des Trabekelwerks. Durch den kontinuierlichen Turnover der ECM in dieser Region wird der Augeninnendruck im Normalbereich gehalten. Beim Glaukom ist dieser Regulationsmechanismus gestört, was zu einem abnormen Anstieg des Abflusswiderstands führt. CFD trägt zum Verständnis der Pathologie bei, indem es das Flüssigkeitsverhalten auf dieser mikrostrukturellen Ebene numerisch analysiert.
Als physikalische Mechanismen, die den Kammerwasserfluss in der Vorderkammer verursachen, wurden die folgenden fünf identifiziert:
Die auftriebsgetriebene Strömung durch den Temperaturgradienten ist am dominantesten und um Größenordnungen schneller als die Strömungen, die durch andere physikalische Mechanismen verursacht werden. Berechnungen der Scherspannung mittels CFD haben gezeigt, dass die auftriebsgetriebene Strömung allein die Ablösung von Pigmentpartikeln von der Iris nicht erklären kann.
Mittels CFD wurde die Scherspannung auf die Hornhautendothelzellen (CEC) nach Laser-Iridotomie (LI) aufgrund der veränderten Kammerwasserströmung analysiert. Insbesondere in Augen mit flacher Vorderkammer kann die Scherspannung auf die CEC nach LI ein Ausmaß erreichen, das ausreicht, um Zellschäden und -verlust zu verursachen.
CFD-Simulationen der Medikamentenverteilung im hinteren Augenabschnitt nach intravitrealer Injektion oder Implantation zeigen, dass die Injektionszeit, die Nadelstärke und der Einstichwinkel das Medikamentenkonzentrationsprofil beeinflussen. Auch die Position (vorderer vs. hinterer) und die Form des Implantats beeinflussen die intraokulare Konzentration. Solche Modelle könnten zur Optimierung der Therapiewirksamkeit und zur Verringerung der Gewebetoxizität beitragen.
Wärmeübertragungsmodelle der Linse zeigen, dass berufliche Hitzeeinwirkung (z. B. in Bäckereien) die Linse schädigen kann. Darüber hinaus hat die computergestützte Bewertung der Rolle der Akkommodation beim Pigmentglaukom bestätigt, dass die Akkommodation eine Rückwärtskrümmung des hinteren Irisabschnitts verursacht, deren Krümmungsgrad stark vom Akkommodationsbetrag abhängt.
Es werden auch Versuche unternommen, die hydrodynamischen Eigenschaften des Kammerwassers bei modifizierten phaken Hinterkammerlinsen (ICL) mit einem zentralen Loch zur Verbesserung des Kammerwasserkreislaufs mittels CFD zu untersuchen.
CFD trägt auf vielfältige Weise zum Verständnis der Pathophysiologie des Glaukoms bei. Konkret umfasst dies (1) die Analyse von Kammerwasserströmungsmustern und Temperaturverteilung in der Vorderkammer, (2) die quantitative Bewertung des Abflusswiderstands durch das Trabekelwerk, (3) die Vorhersage von Scherspannungen auf Hornhautendothelzellen nach Laserbehandlung, (4) die Modellierung der Interaktion zwischen Kammerwasser und Iris sowie (5) die Analyse des Pupillarblockmechanismus. Zukünftig wird erwartet, dass die Integration mit klinischen Daten zur Entwicklung optimierter Behandlungsstrategien für einzelne Patienten führt.
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