La biomécanique cornéenne est un concept qui englobe les propriétés mécaniques de la cornée. La cornée est un « corps viscoélastique » possédant à la fois des propriétés élastiques et visqueuses, et son comportement de déformation et de récupération sous l’effet de forces externes caractérise sa fonction.
L’« élasticité » est la propriété d’un solide déformé par une pression de retrouver sa forme initiale. La « viscosité » représente le degré de résistance à l’écoulement d’un liquide. La plupart des tissus biologiques sont des corps viscoélastiques possédant les deux propriétés, et la cornée en fait partie.
Lorsqu’une pression est appliquée à la cornée, elle se déforme, et lorsque la pression diminue, elle tente de retrouver sa forme initiale. Au cours de ce processus, les trajectoires lors de la mise sous pression et de la décompression ne coïncident pas. Ce phénomène est appelé hystérésis. L’hystérésis est un indicateur de l’énergie dissipée au cours des processus de déformation et de récupération, et reflète les propriétés mécaniques de la cornée1).
Le module d’élasticité (module de Young) de la cornée a été rapporté dans une large gamme de 0,1 à 57 MPa selon les conditions et méthodes de mesure in vitro1). Plus le module de Young est élevé, plus le tissu est rigide et moins il se déforme.
La biomécanique cornéenne gagne en importance dans les situations cliniques suivantes :
Actuellement, deux appareils permettent d’évaluer quantitativement la biomécanique cornéenne in vivo : l’Ocular Response Analyzer (ORA) et le Corvis ST. Le concept de biomécanique cornéenne est encore récent, et l’interprétation des résultats de mesure reste un sujet de recherche future.
L’hystérésis cornéenne (CH) est un paramètre mesuré comme la différence entre les pressions d’aplatissement lors de la mise en charge et de la décharge (P1 − P2) lorsque l’air est soufflé sur la cornée pour la déformer. Elle reflète les propriétés viscoélastiques de la cornée, en particulier sa capacité d’absorption et de dissipation d’énergie. La CH est faible dans le kératocône ; voir la section « Signification clinique et applications » pour plus de détails.
La biomécanique cornéenne varie en fonction de nombreux facteurs1). Les facteurs cliniquement importants sont résumés ci-dessous.
La rigidité cornéenne augmente significativement avec l’âge1). Cela est principalement dû à l’augmentation naturelle des réticulations de collagène et à la modification des fibres par glycation.
Tahsini et al. (2025) ont analysé les cartes SSI de 72 sujets sains et ont montré que l’indice contrainte-déformation (SSI) augmentait significativement de 0,938 ± 0,067 dans le groupe des 20-50 ans à 1,143 ± 0,064 dans le groupe des 50-80 ans (r de Pearson = 0,92, p < 0,001)3). La vitesse de durcissement varie selon la région, progressant plus rapidement dans les zones déjà plus rigides.
La CCT est positivement corrélée avec la CH et le CRF1). Plus la cornée est épaisse, plus ces valeurs sont élevées. Elle affecte également la mesure de la pression intraoculaire, qui a tendance à être surestimée dans les cornées épaisses.
La relation entre la pression intraoculaire (PIO) et la biomécanique cornéenne est complexe1). Une augmentation de la PIO diminue la valeur mesurée de la CH, mais cela est dû en partie aux caractéristiques du système de mesure plutôt qu’à un véritable changement des propriétés physiques de la cornée. Chez les patients glaucomateux, une faible CH a été rapportée comme facteur de risque de progression du champ visuel.
Les œstrogènes affectent les réticulations de collagène et réduisent la rigidité cornéenne1). La CH varie au cours du cycle menstruel et de la grossesse. La chirurgie réfractive est déconseillée pendant la grossesse.
Dans l’œdème cornéen, la rigidité diminue avec l’augmentation de la teneur en eau1). Le maintien d’une teneur en eau normale (environ 78 %) contribue à la stabilité mécanique.
Dans le diabète, la glycation non enzymatique du collagène progresse, ce qui augmente la rigidité cornéenne1). Des études rapportent que les valeurs de CH et CRF sont plus élevées chez les patients diabétiques que chez les sujets sains.
Le CXL est un traitement qui renforce les liaisons croisées entre les fibres de collagène en utilisant une lumière ultraviolette à ondes longues (UVA) et de la riboflavine, augmentant ainsi la rigidité cornéenne1). Le SP-A1 augmente après le CXL et reflète objectivement l’amélioration de la rigidité. La suppression de la progression du kératocône par le CXL est détaillée dans la section « Signification clinique et applications ».
La cornée devient plus dure avec l’âge. L’augmentation naturelle des liaisons croisées du collagène et la glycation en sont les principales causes. Des études utilisant la cartographie SSI montrent que le SSI augmente d’environ 22 % entre les groupes d’âge 20-50 ans et 50-80 ans3). Cependant, la vitesse de durcissement varie selon la région : elle progresse plus rapidement dans les zones centrales et périphériques, déjà plus dures.
Deux appareils cliniques sont actuellement commercialisés pour mesurer la biomécanique cornéenne in vivo. La microscopie Brillouin et l’élasticimétrie par cohérence optique (OCE) sont en cours de développement comme méthodes expérimentales1).
Les caractéristiques des principaux appareils de mesure sont présentées ci-dessous.
| Appareil | Principaux paramètres | Caractéristiques |
|---|---|---|
| ORA | CH, CRF | Reflète la viscoélasticité |
| Corvis ST | SP-A1, CBI, lésion cérébrale traumatique | Analyse de déformation vidéo |
| Microscope Brillouin | Module d’élasticité | Cartographie 3D en profondeur |
L’ORA est un appareil à jet d’air non contact fabriqué par Reichert2). Il surveille électro-optiquement la cornée centrale (3 à 6 mm) avec une lumière infrarouge tout en appliquant et relâchant la pression, mesurant la déformation et la récupération de la cornée pendant environ 30 millisecondes.
Les principaux paramètres calculés sont les suivants :
On pense que la CH reflète principalement les propriétés visqueuses de la cornée, tandis que le CRF reflète principalement ses propriétés élastiques2).
Le Corvis ST (Oculus) utilise une caméra Scheimpflug à haute vitesse de 4 330 images par seconde pour capturer en continu une section horizontale de 8,5 mm de la cornée, enregistrant la déformation cornéenne induite par un jet d’air sous forme de vidéo2).
Les paramètres de déformation cornéenne sont principalement calculés à trois moments :
À chaque moment, le temps écoulé, la longueur de la zone aplatie, la vitesse de déformation et la distance de déplacement du sommet cornéen sont calculés. Les principaux paramètres cliniques sont les suivants :
Le Corvis ST, comme l’ORA, peut également être utilisé comme tonomètre et calcule la pression intraoculaire corrigée par la biomécanique (bIOP).
ORA
Méthode d’aplanation bidirectionnelle par jet d’air : suit la déformation et la récupération de la cornée par infrarouge.
Paramètres : CH, CRF, IOPg, IOPcc. Fournit des indicateurs globaux de viscoélasticité.
Lancé en 2005 : premier appareil commercial permettant la mesure in vivo de la biomécanique cornéenne.
Corvis ST
Caméra Scheimpflug à haute vitesse : enregistre en vidéo la déformation de la section cornéenne à 4 330 images par seconde.
Paramètres : SP-A1, CBI, TBI, SSI, DA ratio, etc. Peut calculer des indicateurs intégrés à la tomographie.
Extensibilité : nouveaux indicateurs comme la carte SSI et analyse intégrée par IA avec le Pentacam HR.
La microscopie Brillouin (Brillouin microscopy) analyse l’interaction entre la lumière et les phonons acoustiques pour cartographier en 3D les propriétés biomécaniques de la cornée de manière non invasive 1). Le décalage de fréquence en GHz permet d’estimer le module d’élasticité longitudinal des tissus.
Alors que l’ORA et le Corvis ST mesurent la réponse moyenne de l’ensemble de la cornée, la microscopie Brillouin offre une résolution en profondeur et visualise la distribution locale de l’élasticité 1). Elle est prometteuse pour l’évaluation de l’effet de la cross-linking (CXL) en profondeur et la détection de la diminution locale de rigidité dans le kératocône. Actuellement, la durée de mesure et l’influence des facteurs environnementaux restent des défis, et elle n’est pas encore utilisée en clinique.
L’élastographie par cohérence optique (Optical Coherence Elastography, OCE) mesure le déplacement du stroma cornéen sous l’effet d’une force externe 1). Elle permet d’évaluer la déformation des couches moyenne et postérieure de la cornée, utile pour analyser les propriétés biomécaniques dépendant de la profondeur.
L’ORA calcule l’hystérésis cornéenne (CH) et le facteur de résistance cornéenne (CRF) à partir des changements du signal infrarouge, évaluant globalement la viscoélasticité. Le Corvis ST enregistre en vidéo la déformation de la section cornéenne à l’aide d’une caméra Scheimpflug rapide et calcule de nombreux paramètres dynamiques. Le Corvis ST se caractérise par la possibilité d’utiliser des indicateurs composites basés sur l’IA, tels que les lésions cérébrales traumatiques, grâce à son intégration avec le Pentacam HR.
La mesure de la biomécanique cornéenne joue un rôle important dans la détection précoce du kératocône, l’évaluation de la chirurgie réfractive, la correction de la mesure de la pression intraoculaire et l’évaluation de l’efficacité du CXL.
Dans les maladies ectasiques cornéennes, les changements biomécaniques précèdent les changements morphologiques 5). Même à un stade où la topographie ou la tomographie ne peuvent pas détecter d’anomalies, l’évaluation biomécanique peut permettre un diagnostic précoce.
Au début du kératocône, une diminution locale du module d’élasticité est liée à la dégradation des fibres de collagène, déclenchant un cycle de décompensation biomécanique 7). La contrainte augmente et se redistribue, entraînant un amincissement et un raidissement de la cornée.
Les performances diagnostiques des principaux indicateurs pour la détection précoce du kératocône sont les suivantes 7).
| Indicateur | Valeur SUCRA | Remarques |
|---|---|---|
| Lésion cérébrale traumatique | 96,2 | La plus précise |
| CBI | 83,8 | Deuxième meilleur indicateur |
| CRF | 66,4 | Dérivé de l’ORA |
Selon les critères de Brar et al., un œil biomécaniquement suspect est défini par un CBI > 0,5 et un TBI > 0,297). Pour éviter les faux négatifs, il est recommandé de combiner la tomographie cornéenne (imagerie Scheimpflug, etc.) et l’évaluation biomécanique5)7).
Selon une revue complète de Wang et al. (2025), les modèles combinant tomographie et biomécanique surpassent les paramètres individuels pour la détection du FFKC (forme fruste de kératocône). Le modèle de régression logistique de Luz et al. a atteint une AUROC de 0,953 (sensibilité 85,71 %, spécificité 98,68 %)2).
Dans les études utilisant l’ORA, les yeux FFKC présentent des CH et CRF significativement plus bas que les yeux normaux2). Les yeux VAE-NT (ectasie très asymétrique avec topographie normale) ont des CH de 8,5 ± 1,5 mmHg et CRF de 8,3 ± 1,5 mmHg, inférieurs au groupe témoin normal2).
Le TBI du Corvis ST montre une AUROC de 0,985 pour les yeux VAE-NT, et la sensibilité du CBI (99,1 %) et du TBI (99,6 %) atteint des valeurs très élevées pour la détection du kératocône topographiquement anormal2).
La chirurgie réfractive ablate ou déforme le stroma cornéen, affectant ainsi les propriétés biomécaniques4). L’ectasie cornéenne postopératoire est rare (0,04 à 0,6 %) mais grave, d’où l’importance de l’évaluation biomécanique préopératoire4).
Selon une revue systématique de Pniakowska et al. (2023) portant sur 17 études prospectives, la diminution biomécanique est la plus importante après LASIK (ablation stromale avec création d’un volet), suivie par SMILE (extraction de lenticule) et la chirurgie de surface (PRK/LASEK)4).
Principales constatations sur la biomécanique postopératoire :
Les valeurs moyennes générales de CH et CRF après kératectomie de surface étaient CH 8,68 ± 0,94 mmHg et CRF 8,39 ± 1,08 mmHg4). Avec SMILE, le CH était significativement plus élevé qu’avec LASEK à 3 mois postopératoire, mais la différence entre les deux groupes a disparu après 3 ans4).
Il a été rapporté que la combinaison des indices biomécaniques et des paramètres topographiques améliore la précision prédictive de la chirurgie réfractive de plus de 25 %7). Les patients ayant une rigidité cornéenne faible présentent un risque 2 à 3 fois plus élevé d’erreur réfractive résiduelle postopératoire7).
La mesure de la pression intraoculaire (PIO) par tonométrie à aplanation de Goldmann (GAT) est influencée par l’épaisseur cornéenne et les propriétés biomécaniques5).
Dans les cornées atteintes de maladies ectasiques ou après chirurgie réfractive, l’amincissement tissulaire et la fragilité biomécanique entraînent une sous-estimation artificielle de la PIO par aplanation5). Les dispositifs alternatifs suivants sont recommandés :
L’IOPcc calculée par l’ORA est moins influencée par l’épaisseur cornéenne centrale (CCT) et le CH, et reflète plus précisément la véritable PIO.
Le CXL est un traitement qui renforce les liaisons croisées du stroma cornéen à l’aide de riboflavine et d’UVA, efficace pour ralentir la progression du kératocône6). Il augmente la rigidité biomécanique de la cornée, mais les preuves du mécanisme d’action au niveau ultrastructural direct sont insuffisantes6).
Larkin et al. (2021) ont évalué l’efficacité du CXL chez les jeunes patients atteints de kératocône dans l’essai randomisé multicentrique Keralink. La prévalence du kératocône atteint 1:375 aux Pays-Bas et 1:84 chez les personnes de 20 ans en Australie6). Le CXL est rapporté comme efficace pour inhiber la progression du kératocône chez la majorité des adultes, mais les intervalles de confiance sont larges et un risque de biais a été signalé6).
Après CXL, le SP-A1 augmente, et le Corvis ST permet d’évaluer objectivement l’amélioration de la rigidité cornéenne1). Il faut noter qu’une épaisseur cornéenne suffisante est nécessaire ; pour les cas d’amincissement sévère, des protocoles comme le sub400 ont été rapportés.
La chirurgie de surface (PRK/LASEK) a le moins d’impact sur la biomécanique, suivie par SMILE, puis LASIK4). Avec SMILE, l’intégrité structurelle de la face antérieure de la cornée est mieux préservée car aucun volet n’est créé. Pour LASIK, un volet fin, et pour SMILE, une calotte épaisse sont favorables à la préservation.
La cornée est composée de cinq couches (épithélium, couche de Bowman, stroma, membrane de Descemet, endothélium). Le stroma, qui représente environ 90 % de l’épaisseur, détermine la biomécanique1). Le stroma est constitué de fibres de collagène de type I et V et de protéoglycanes. L’orientation, la densité et la réticulation des fibres de collagène sont les principaux facteurs déterminant les propriétés biomécaniques.
Le comportement mécanique de la cornée présente les caractéristiques suivantes1) :
Tahsini et al. (2025) ont utilisé la carte SSI pour diviser la cornée en 9 zones : centrale, paracentrale (4 zones) et périphérique (4 zones), et ont analysé la rigidité par zone. La SSI moyenne des zones centrale et périphérique était élevée (1,153 ± 0,079), tandis que celle des zones paracentrales était faible (0,890 ± 0,057). La zone paracentrale inférieure (zones 4 et 5) était la plus fragile avec une SSI de 0,8333).
La fragilité de la zone paracentrale inférieure correspond au fait clinique que le kératocône se développe typiquement dans la partie inférieure3). Cela suggère que les zones mécaniquement faibles sont plus susceptibles de subir une décompensation biomécanique.
Une différence significative a également été observée entre la zone paracentrale supérieure (SSI = 0,945) et la zone paracentrale inférieure (SSI = 0,833), la zone nasale (SSI = 0,903) présentant une rigidité légèrement supérieure à la zone temporale (SSI = 0,879)3).
Au stade précoce du kératocône, une diminution locale du module d’élasticité se produit, initiant la dégradation et la dégénérescence des fibres de collagène7). Cela déclenche un cycle de décompensation biomécanique :
Dans la zone pathologique, on observe une augmentation de la dégradation du collagène, une disparition des kératocytes, une diminution des réticulations de collagène et un affaiblissement marqué de la réponse contrainte-déformation. Les facteurs génétiques, le frottement des yeux, les microtraumatismes dus aux lentilles de contact et l’atopie sont cités comme facteurs contribuant à la dégénérescence biomécanique.
Selon l’analyse par carte SSI, la zone paracentrale inférieure présente la valeur de rigidité la plus faible (SSI = 0,833)3). Cette zone correspond au site de prédilection du kératocône, et sa fragilité mécanique intrinsèque pourrait contribuer au développement de la maladie.
La SSI II (carte SSI) est une nouvelle technologie qui visualise en deux dimensions la distribution de la rigidité de la surface cornéenne, basée sur la modélisation par éléments finis et un modèle de distribution des fibres de collagène2)3).
Tahsini et al. (2025) ont analysé les changements liés à l’âge de la rigidité cornéenne par région à l’aide de la carte SSI. Le durcissement progresse plus rapidement dans les zones déjà rigides (périphérie : 0,0058 à 0,0067/an) et plus lentement dans les zones faibles (paracentrale inférieure : 0,0039/an). Une corrélation très élevée (Pearson r = 0,96) a été observée entre les SSI de l’œil droit et de l’œil gauche3).
La carte SSI devrait être utile pour comprendre les mécanismes d’apparition et de progression du kératocône et pour personnaliser le traitement par CXL. Des applications pour un traitement personnalisé en fonction de l’âge et de la région cornéenne du patient sont envisagées3).
L’introduction de l’IA et des méthodes d’apprentissage automatique améliore la précision de la détection du kératocône2).
Selon une revue de Wang et al. (2025), les algorithmes d’IA atteignent une précision d’environ 98 % pour la détection du kératocône manifeste, mais seulement environ 90 % pour la forme infraclinique (subclinique), laissant un risque de non-détection2).
Une analyse utilisant la méthode de forêt aléatoire, intégrant les métriques du Pentacam HR et du Corvis ST, a rapporté une spécificité de 93 % et une sensibilité de 86 % pour la classification du kératocône infraclinique2). Un modèle de diagnostic utilisant un réseau neuronal à rétropropagation a atteint un AUROC de 0,877, montrant une capacité de détection du FFKC supérieure à celle du CBI (0,610) et du TBI (0,659)2).
La microscopie Brillouin est une technologie prometteuse permettant la cartographie élastique tridimensionnelle de la cornée1). Elle a montré son utilité pour l’évaluation de la profondeur de l’effet de réticulation après CXL et la visualisation de la diminution locale de rigidité dans le kératocône. L’amélioration de la précision des mesures par intégration de l’IA et la mise en œuvre clinique sont les orientations futures1).
Le kératocône survient de manière bilatérale, mais un œil peut rester asymptomatique (FFKC/VAE-NT)2). Des efforts sont en cours pour prédire le risque futur de développement en évaluant biomécaniquement l’œil controlatéral de patients présentant un kératocône clinique dans un œil. Le TBI montre une sensibilité élevée dans les yeux VAE-NT, et la comparaison entre les deux yeux pourrait être un indice pour un diagnostic précoce2).
