بیومکانیک قرنیه مفهومی است که خواص مکانیکی قرنیه را در بر میگیرد. قرنیه یک «جسم ویسکوالاستیک» است که هم خاصیت الاستیک و هم ویسکوز دارد و رفتار تغییر شکل و بازگشت آن در برابر نیروی خارجی، عملکرد آن را مشخص میکند.
«الاستیسیته» خاصیت بازگشت یک جامد تغییر شکلیافته به شکل اولیه خود در اثر فشار است. «ویسکوزیته» درجه چسبندگی یک مایع را نشان میدهد. بیشتر بافتهای زنده اجسام ویسکوالاستیک با هر دو خاصیت هستند و قرنیه نیز یکی از آنهاست.
هنگامی که فشار به قرنیه وارد میشود، تغییر شکل میدهد و با کاهش فشار سعی میکند به شکل اولیه بازگردد. در این فرآیند، مسیرهای هنگام اعمال فشار و کاهش فشار با هم مطابقت ندارند. این پدیده پدیده هیسترزیس نامیده میشود. هیسترزیس شاخص انرژی تلف شده در فرآیند تغییر شکل و بازگشت است و خواص مکانیکی قرنیه را منعکس میکند1).
مدول الاستیسیته قرنیه (مدول یانگ) بسته به شرایط و روش اندازهگیری in vitro مقادیر گستردهای از 0.1 تا 57 مگاپاسکال گزارش شده است1). هرچه مدول یانگ بالاتر باشد، بافت سفتتر و تغییر شکل آن دشوارتر است.
بیومکانیک قرنیه در شرایط بالینی زیر اهمیت فزایندهای دارد:
در حال حاضر، دو دستگاه Ocular Response Analyzer (ORA) و Corvis ST برای ارزیابی کمی بیومکانیک قرنیه در داخل بدن وجود دارند. مفهوم بیومکانیک قرنیه هنوز جدید است و تفسیر نتایج اندازهگیری نیازمند تحقیقات آینده است.
هیسترزیس قرنیه (CH) پارامتری است که به عنوان تفاوت فشارهای مسطح شدن در هنگام فشار و کاهش فشار (P1 - P2) هنگامی که هوا به قرنیه دمیده میشود و آن را تغییر شکل میدهد، اندازهگیری میشود. این پارامتر ویژگیهای ویسکوالاستیک قرنیه، به ویژه توانایی جذب و اتلاف انرژی را منعکس میکند. CH در قوز قرنیه مقادیر پایینی نشان میدهد و جزئیات در بخش «اهمیت بالینی و کاربردها» آمده است.
بیومکانیک قرنیه تحت تأثیر عوامل بسیاری قرار دارد 1). عوامل مهم بالینی در زیر خلاصه شدهاند.
با افزایش سن، سفتی قرنیه به طور معنیداری افزایش مییابد 1). علت اصلی افزایش طبیعی اتصالات عرضی کلاژن و اصلاح فیبر ناشی از گلیکاسیون است.
طاهسینی و همکاران (2025) نقشههای SSI را در 72 فرد سالم تجزیه و تحلیل کردند و نشان دادند که شاخص تنش-کرنش (SSI) از 0.938 ± 0.067 در گروه 20-50 سال به 1.143 ± 0.064 در گروه 50-80 سال به طور معنیداری افزایش مییابد (r پیرسون = 0.92، p < 0.001) 3). سرعت سختشدن بسته به ناحیه متفاوت است و در نواحی که از قبل سفتتر هستند سریعتر پیشرفت میکند.
CCT با CH و CRF همبستگی مثبت دارد 1). هرچه قرنیه ضخیمتر باشد، این مقادیر بالاتر هستند. همچنین بر اندازهگیری فشار داخل چشم تأثیر میگذارد و در قرنیههای ضخیم، فشار داخل چشم بیش از حد تخمین زده میشود.
رابطه بین فشار داخل چشم (IOP) و بیومکانیک قرنیه پیچیده است 1). افزایش IOP مقادیر اندازهگیری CH را کاهش میدهد، اما این به دلیل تغییر واقعی در خواص فیزیکی قرنیه نیست، بلکه به دلیل ویژگیهای سیستم اندازهگیری است. در بیماران مبتلا به گلوکوم، CH پایین به عنوان یک عامل خطر برای پیشرفت میدان بینایی گزارش شده است.
استروژن بر اتصالات عرضی کلاژن تأثیر میگذارد و سفتی قرنیه را کاهش میدهد 1). CH در طول چرخه قاعدگی و بارداری نوسان میکند. توصیه میشود از جراحی انکساری در دوران بارداری خودداری شود.
در ادم قرنیه، با افزایش میزان آب، سفتی کاهش مییابد1). حفظ میزان آب طبیعی (حدود 78%) به پایداری مکانیکی کمک میکند.
در دیابت، گلیکاسیون غیرآنزیمی کلاژن پیشرفت کرده و سفتی قرنیه افزایش مییابد1). گزارشهایی وجود دارد که CH و CRF در بیماران دیابتی بالاتر از افراد سالم است.
CXL یک روش درمانی است که با استفاده از اشعه فرابنفش طول موج بلند (UVA) و ریبوفلاوین، پیوندهای عرضی بین فیبرهای کلاژن را تقویت کرده و سفتی قرنیه را افزایش میدهد1). SP-A1 پس از CXL افزایش یافته و بهبود سفتی را به طور عینی منعکس میکند. در مورد مهار پیشرفت قوز قرنیه توسط CXL، در بخش «اهمیت بالینی و کاربردها» (#5-اهمیت بالینی و کاربردها) به تفصیل توضیح داده شده است.
قرنیه با افزایش سن سفتتر میشود. افزایش طبیعی پیوندهای عرضی کلاژن و گلیکاسیون علل اصلی هستند و در مطالعات با استفاده از نقشه SSI، SSI از گروه 20-50 سال به گروه 50-80 سال حدود 22% افزایش مییابد3). با این حال، سرعت سفتشدن بسته به ناحیه متفاوت است و در نواحی مرکزی و محیطی که از قبل سفتتر هستند، سریعتر پیشرفت میکند.
در حال حاضر دو دستگاه بالینی برای اندازهگیری بیومکانیک قرنیه در داخل بدن به صورت تجاری در دسترس هستند. به عنوان روشهای تجربی، میکروسکوپ بریلوئن و الاستوگرافی نوری همدوس (OCE) در حال توسعه هستند1).
ویژگیهای دستگاههای اندازهگیری اصلی در زیر نشان داده شده است.
| دستگاه | پارامترهای اصلی | ویژگیها |
|---|---|---|
| ORA | CH، CRF | منعکسکننده ویسکوالاستیسیته |
| Corvis ST | SP-A1، CBI، آسیب مغزی تروماتیک | تحلیل تغییر شکل با ویدئو |
| میکروسکوپ بریلوئن | مدول الاستیسیته | نقشهبرداری سهبعدی عمقی |
ORA یک دستگاه غیرتماسی با پف هوا ساخت شرکت Reichert است 2). در حین مانیتورینگ الکترواپتیکی ناحیه مرکزی ۳ تا ۶ میلیمتری قرنیه با نور مادون قرمز، فشار افزایش و کاهش مییابد و فرآیند تغییر شکل و بهبود قرنیه در حدود ۳۰ میلیثانیه اندازهگیری میشود.
پارامترهای اصلی محاسبهشده به شرح زیر است:
تصور میشود CH عمدتاً ویژگیهای ویسکوزیته قرنیه و CRF عمدتاً ویژگیهای الاستیسیته را منعکس میکند2).
Corvis ST (شرکت Oculus) با دوربین سریع Scheimpflug با سرعت ۴۳۳۰ فریم در ثانیه، مقطع افقی ۸.۵ میلیمتری قرنیه را به صورت پیوسته تصویربرداری کرده و تغییر شکل قرنیه ناشی از جت هوا را به صورت ویدئو ثبت میکند2).
پارامترهای تغییر شکل قرنیه عمدتاً در سه نقطه زمانی محاسبه میشوند:
در هر نقطه زمانی، زمان سپری شده، طول ناحیه صاف شده، سرعت تغییر شکل و جابجایی راس قرنیه محاسبه میشود. پارامترهای بالینی اصلی به شرح زیر هستند:
Corvis ST مانند ORA میتواند به عنوان تونومتر استفاده شود و فشار داخل چشمی اصلاحشده بیومکانیکی (bIOP) را محاسبه میکند.
ORA
روش اپلاناسیون دوطرفه با پف هوا: تغییر شکل و بهبود قرنیه را با اشعه مادون قرمز ردیابی میکند.
پارامترها: CH، CRF، IOPg، IOPcc. شاخص کلی ویسکوالاستیسیته را ارائه میدهد.
عرضه در سال 2005: اولین دستگاه تجاری است که اندازهگیری بیومکانیک قرنیه را در داخل بدن ممکن ساخت.
Corvis ST
دوربین سریع شایمپفلوگ: تغییر شکل مقطع قرنیه را با 4330 فریم در ثانیه به صورت ویدئویی ثبت میکند.
پارامترها: SP-A1، CBI، TBI، SSI، DA ratio و غیره. میتواند شاخصهای ترکیبی با توموگرافی را محاسبه کند.
قابلیت توسعه: شاخصهای جدید مانند نقشه SSI و تحلیل یکپارچه هوش مصنوعی با Pentacam HR امکانپذیر است.
میکروسکوپ بریلوئن (Brillouin microscopy) با تحلیل برهمکنش نور و فونونهای صوتی، ویژگیهای بیومکانیکی قرنیه را به صورت غیرتهاجمی و سهبعدی نقشهبرداری میکند1). از تغییر فرکانس در حد گیگاهرتز، مدول الاستیک طولی بافت تخمین زده میشود.
در حالی که ORA و Corvis ST پاسخ میانگین کل قرنیه را اندازهگیری میکنند، میکروسکوپ بریلوئن دارای تفکیک عمقی است و توزیع الاستیسیته موضعی را قابل مشاهده میسازد1). کاربرد آن در ارزیابی وابسته به عمق اثر اتصال عرضی پس از CXL و تشخیص کاهش سفتی موضعی در قوز قرنیه مورد انتظار است. در حال حاضر، طولانی بودن زمان اندازهگیری و تأثیر عوامل محیطی چالشهایی هستند و به کارگیری بالینی هنوز محقق نشده است.
الاستوگرافی نوری همدوس (Optical Coherence Elastography; OCE) تکنیکی است که جابجایی داخل استرومای قرنیه را تحت نیروی خارجی اندازهگیری میکند1). میتواند کرنش لایههای میانی و خلفی قرنیه را ارزیابی کرده و برای تحلیل ویژگیهای بیومکانیکی وابسته به عمق مفید است.
ORA با استفاده از تغییرات سیگنال مادون قرمز، هیسترزیس قرنیه (CH) و فاکتور مقاومت قرنیه (CRF) را محاسبه کرده و ویسکوالاستیسیته را به طور کلی ارزیابی میکند. Corvis ST با دوربین سریع شایمفلوگ، تغییر شکل مقطع قرنیه را به صورت ویدئویی ثبت کرده و پارامترهای دینامیک متعددی را محاسبه میکند. ویژگی Corvis ST این است که با ادغام با Pentacam HR میتوان از شاخصهای ترکیبی مبتنی بر هوش مصنوعی مانند آسیب تروماتیک مغزی استفاده کرد.
اندازهگیری بیومکانیک قرنیه در تشخیص زودهنگام قوز قرنیه، ارزیابی جراحیهای انکساری، تصحیح اندازهگیری فشار داخل چشم و ارزیابی اثربخشی CXL نقش مهمی ایفا میکند.
در بیماریهای اکتاتیک قرنیه، تغییرات بیومکانیکی قبل از تغییرات مورفولوژیکی رخ میدهد5). حتی در مراحلی که توپوگرافی یا توموگرافی قادر به تشخیص ناهنجاری نیستند، ارزیابی بیومکانیک ممکن است تشخیص زودهنگام را ممکن سازد.
در مراحل اولیه قوز قرنیه، کاهش موضعی مدول الاستیسیته با تخریب فیبرهای کلاژن همراه است و چرخه جبران ناقص بیومکانیکی آغاز میشود7). تنش افزایش یافته و بازتوزیع میشود و باعث تیزتر و نازکتر شدن قرنیه میگردد.
عملکرد تشخیصی شاخصهای اصلی در تشخیص زودهنگام قوز قرنیه به شرح زیر است7):
| شاخص | مقدار SUCRA | توضیحات |
|---|---|---|
| آسیب تروماتیک مغزی | 96.2 | دقیقترین |
| CBI | 83.8 | شاخص دوم |
| CRF | 66.4 | مشتق از ORA |
بر اساس معیارهای Brar و همکاران، برای چشمهای مشکوک از نظر بیومکانیکی، CBI > 0.5 و TBI > 0.29 پیشنهاد شده است7). برای جلوگیری از نتایج منفی کاذب، ترکیب توموگرافی قرنیه (مانند تصویربرداری Scheimpflug) با ارزیابی بیومکانیکی توصیه میشود5)7).
بر اساس مرور جامع Wang و همکاران (2025)، مدلهای ترکیبی توموگرافی و بیومکانیک در تشخیص FFKC (کراتوکونوس فروفراست) از پارامترهای فردی بهتر عمل میکنند. مدل رگرسیون لجستیک Luz و همکاران به AUROC 0.953 (حساسیت 85.71٪، ویژگی 98.68٪) دست یافت2).
در بررسی با ORA، چشمهای FFKC در مقایسه با چشمهای سالم، CH و CRF به طور معنیداری پایینتری نشان میدهند2). در چشمهای VAE-NT (اکتازی بسیار نامتقارن با توپوگرافی نرمال)، CH 8.5 ± 1.5 mmHg و CRF 8.3 ± 1.5 mmHg است که از گروه کنترل نرمال پایینتر است2).
TBI در Corvis ST در چشمهای VAE-NT AUROC 0.985 را نشان میدهد و حساسیت CBI (99.1٪) و TBI (99.6٪) هر دو در تشخیص کراتوکونوس غیرطبیعی از نظر توموگرافی به مقادیر بسیار بالایی دست یافتهاند2).
جراحی انکساری با برداشتن و تغییر شکل استرومای قرنیه، بر ویژگیهای بیومکانیکی تأثیر میگذارد4). اکتازی قرنیه پس از جراحی نادر است (0.04-0.6٪) اما عارضه جدی است و ارزیابی بیومکانیکی قبل از عمل اهمیت دارد4).
بر اساس مرور سیستماتیک Pniakowska و همکاران (2023) بر روی 17 مطالعه آیندهنگر، کاهش بیومکانیک در LASIK (ابلیشن استروما با ایجاد فلپ) بیشترین، سپس SMILE (استخراج لنتیکول) و سپس برداشت سطحی (PRK/LASEK) بود4).
یافتههای اصلی در مورد بیومکانیک پس از جراحی:
میانگین مقادیر CH و CRF پس از برداشت سطحی به ترتیب 8.68 ± 0.94 میلیمتر جیوه و 8.39 ± 1.08 میلیمتر جیوه بود4). در جراحی SMILE، CH در سه ماه پس از عمل به طور معنیداری بالاتر از LASEK باقی ماند، اما پس از سه سال تفاوت بین دو گروه از بین رفت4).
گزارش شده است که استفاده ترکیبی از شاخصهای بیومکانیک و پارامترهای توپوگرافی، دقت پیشبینی جراحی انکساری را بیش از 25% بهبود میبخشد7). در بیماران با سفتی قرنیه پایین، خطر عیوب انکساری باقیمانده پس از عمل 2 تا 3 برابر بیشتر است7).
اندازهگیری فشار داخل چشم با تونومتر گلدمن (GAT) تحت تأثیر ضخامت قرنیه و ویژگیهای بیومکانیکی قرار میگیرد5).
در قرنیههای مبتلا به بیماریهای اکتاتیک یا پس از جراحی انکساری، نازک شدن بافت و ضعف بیومکانیکی باعث میشود که فشار داخل چشم با تونومتر اپلنیشن به طور مصنوعی پایین اندازهگیری شود5). دستگاههای جایگزین زیر توصیه میشوند:
IOPcc محاسبهشده توسط ORA کمتر تحت تأثیر CCT و CH قرار میگیرد و فشار واقعی داخل چشم را دقیقتر منعکس میکند.
CXL یک روش درمانی است که با استفاده از ریبوفلاوین و UVA اتصالات عرضی در استرومای قرنیه را تقویت میکند و برای جلوگیری از پیشرفت قوز قرنیه مؤثر است6). این روش سفتی بیومکانیکی قرنیه را افزایش میدهد، اما شواهد کافی در مورد مکانیسم اثر در سطح فراساختاری مستقیم وجود ندارد6).
Larkin و همکاران (2021) در کارآزمایی تصادفیشده چندمرکزی Keralink، اثربخشی CXL را در بیماران جوان مبتلا به قوز قرنیه بررسی کردند. شیوع قوز قرنیه در هلند 1:375 و در استرالیا در سن 20 سالگی به 1:84 میرسد6). گزارش شده است که CXL در اکثر بزرگسالان برای جلوگیری از پیشرفت قوز قرنیه مؤثر است، اما فاصله اطمینان گسترده و خطر سوگیری نیز ذکر شده است6).
پس از CXL، SP-A1 افزایش مییابد و میتوان بهبود سفتی قرنیه را با Corvis ST به طور عینی ارزیابی کرد1). لازم به توجه است که ضخامت قرنیه کافی مورد نیاز است و در موارد نازک شدن شدید، پروتکلهایی مانند sub400 گزارش شده است.
قرنیه از 5 لایه (اپیتلیوم، لایه بومن، استروما، غشای دسمه و اندوتلیوم) تشکیل شده است و استروما که حدود 90% ضخامت را تشکیل میدهد، بیومکانیک را تعیین میکند1). استروما از فیبرهای کلاژن نوع I و V و پروتئوگلیکانها تشکیل شده است. جهتگیری، تراکم و اتصالات عرضی فیبرهای کلاژن عوامل اصلی تعیینکننده خواص بیومکانیکی هستند.
رفتار مکانیکی قرنیه دارای ویژگیهای زیر است1):
Tahsini و همکاران (2025) با استفاده از نقشه SSI، قرنیه را به 9 ناحیه شامل مرکز، پارامرکزی (4 ناحیه) و محیطی (4 ناحیه) تقسیم کرده و سفتی هر ناحیه را تحلیل کردند. میانگین SSI در نواحی مرکزی و محیطی بالا (1.153 ± 0.079) بود، در حالی که در نواحی پارامرکزی پایین (0.890 ± 0.057) بود. به ویژه ناحیه پارامرکزی تحتانی (زونهای 4 و 5) ضعیفترین بود و SSI برابر 0.833 نشان داد 3).
ضعف ناحیه پارامرکزی تحتانی با یافته بالینی که قوز قرنیه به طور معمول در قسمت تحتانی ایجاد میشود، همخوانی دارد 3). این نشان میدهد که نواحی که از نظر مکانیکی ضعیفتر هستند، بیشتر مستعد جبران ناقص بیومکانیکی میباشند.
تفاوت معنیداری بین ناحیه پارامرکزی فوقانی (SSI = 0.945) و تحتانی (SSI = 0.833) مشاهده شد و ناحیه بینی (SSI = 0.903) سفتی کمی بالاتر از ناحیه گیجگاهی (SSI = 0.879) نشان داد 3).
در مراحل اولیه قوز قرنیه، کاهش موضعی مدول الاستیک رخ میدهد و تخریب و تحلیل فیبرهای کلاژن آغاز میشود 7). این امر چرخه جبران ناقص بیومکانیکی را شروع میکند:
در ناحیه آسیبدیده، افزایش تجزیه کلاژن، از بین رفتن سلولهای قرنیه (کراتوسیتها)، کاهش پیوندهای عرضی کلاژن و تضعیف قابل توجه پاسخ تنش-کرنش مشاهده میشود. عوامل ژنتیکی، عادت مالیدن چشم، میکروتروما ناشی از لنزهای تماسی و آتوپی به عنوان عواملی که در تخریب بیومکانیکی نقش دارند، ذکر شدهاند.
بر اساس تحلیل نقشه SSI، ناحیه پارامرکزی تحتانی (inferior paracentral zone) کمترین مقدار سفتی (SSI = 0.833) را نشان میدهد 3). این ناحیه با محل شایع بروز قوز قرنیه مطابقت دارد و ضعف مکانیکی اولیه ممکن است در بروز بیماری نقش داشته باشد.
SSI II (نقشه SSI) یک فناوری جدید است که بر اساس مدلسازی اجزای محدود و مدل توزیع فیبرهای کلاژن، توزیع سختی سطح قرنیه را به صورت دو بعدی可视化 میکند 2)3).
تحقیقات Tahsini و همکاران (2025) با استفاده از نقشه SSI، تغییرات مرتبط با افزایش سن در سختی قرنیه را در نواحی مختلف تحلیل کردند. سختشدگی در نواحی که از قبل سختتر بودند (محیطی: 0.0058 تا 0.0067 در سال) سریعتر پیشرفت میکند و در نواحی ضعیفتر (پارامرکزی تحتانی: 0.0039 در سال) کندتر پیشرفت میکند. همبستگی بسیار بالایی (r پیرسون = 0.96) بین SSI چشم راست و چپ مشاهده شد 3).
انتظار میرود نقشه SSI برای درک مکانیسم شروع و پیشرفت قوز قرنیه و شخصیسازی درمان CXL مفید باشد. کاربرد آن در درمان شخصیسازی شده بر اساس سن و ناحیه قرنیه هر بیمار در آینده مورد انتظار است 3).
معرفی روشهای هوش مصنوعی و یادگیری ماشین دقت تشخیص قوز قرنیه را بهبود بخشیده است 2).
بر اساس مرور Wang و همکاران (2025)، الگوریتمهای هوش مصنوعی در تشخیص قوز قرنیه آشکار به دقت حدود 98% دست یافتهاند، اما در نوع تحتبالینی (subclinical) تنها حدود 90% است و خطر عدم تشخیص باقی میماند 2).
در تحلیل با روش جنگل تصادفی، با ادغام معیارهای Pentacam HR و Corvis ST، ویژگی 93% و حساسیت 86% برای طبقهبندی قوز قرنیه تحتبالینی گزارش شده است 2). یک مدل تشخیصی با استفاده از شبکه عصبی پسانتشار به AUROC 0.877 دست یافت که توانایی تشخیص FFKC بالاتری نسبت به CBI (0.610) و TBI (0.659) نشان داد 2).
میکروسکوپ بریلوئن به عنوان فناوریای که نقشهبرداری سه بعدی الاستیسیته قرنیه را امکانپذیر میکند، مورد توجه است 1). این روش برای ارزیابی عمق اثر اتصال عرضی پس از CXL و تجسم کاهش موضعی سختی در قوز قرنیه مفید نشان داده شده است. بهبود دقت اندازهگیری با ادغام هوش مصنوعی و کاربرد بالینی عملی، جهتگیری آینده است 1).
قوز قرنیه به صورت دو چشمی بروز میکند، اما گاهی یک چشم بدون علامت (FFKC/VAE-NT) باقی میماند 2). تلاشهایی برای ارزیابی بیومکانیکی چشم مقابل بیمارانی که یک چشمشان قوز قرنیه بالینی دارد، به منظور پیشبینی خطر بروز آینده در حال انجام است. TBI حساسیت تشخیصی بالایی در چشمهای VAE-NT نشان داده است و مقایسه بین دو چشم میتواند سرنخی برای تشخیص زودهنگام باشد 2).
