La dynamique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics : CFD) est une technique de science computationnelle qui analyse l’écoulement des fluides à l’aide de méthodes numériques et d’algorithmes basés sur les équations de Navier-Stokes. En appliquant les lois de la dynamique des fluides à un modèle informatique représentant la structure, on peut estimer les schémas d’écoulement, la distribution de pression, les contraintes de cisaillement, etc.
L’œil est un organe contenant des fluides à haute concentration (humeur aqueuse, vitré) et est donc un modèle très approprié pour l’analyse CFD. Les principaux domaines d’application en ophtalmologie sont les suivants :
Dynamique de l’humeur aqueuse et glaucome : analyse de l’écoulement dans la chambre antérieure, résistance à l’écoulement à travers le trabéculum, mécanismes de régulation de la pression intraoculaire.
Pharmacocinétique intravitréenne : simulation de la distribution des médicaments après injection intravitréenne ou implantation.
Cristallin et accommodation : modèle de transfert de chaleur, déformation du cristallin lors de l’accommodation, fluidique pendant la chirurgie de la cataracte.
La CFD a déjà obtenu des résultats significatifs dans le domaine cardiovasculaire (athérosclérose, conception de stents). Ces dernières années, la collaboration avec d’autres domaines médicaux, dont l’ophtalmologie, s’est intensifiée, et la recherche multidisciplinaire (médecins, mathématiciens, physiciens) est devenue plus active.
En simplifiant les équations de Navier-Stokes, on obtient l’équation d’Euler en supprimant le terme de viscosité, l’équation du potentiel complet en supprimant le terme de vorticité, et l’équation du potentiel linéarisé en linéarisant. Dans l’état stationnaire de la chambre antérieure, le nombre de Reynolds maximal est d’environ 0,01, très faible, mais pour les phénomènes transitoires comme le clignement des yeux, l’utilisation complète des équations de Navier-Stokes est nécessaire.
QQu'est-ce que la CFD ? Comment est-elle appliquée en ophtalmologie ?
A
La CFD (dynamique des fluides numérique) est une technique de simulation informatique de l’écoulement des fluides. En ophtalmologie, elle est principalement utilisée pour analyser les anomalies de l’écoulement de l’humeur aqueuse à l’origine du glaucome, prédire la diffusion des médicaments après une injection intravitréenne et optimiser le comportement des fluides lors de la chirurgie de la cataracte. L’œil étant un organe riche en liquide, il est très adapté à la modélisation CFD.
6. Fondements hydrodynamiques de la dynamique de l’humeur aqueuse
L’humeur aqueuse est sécrétée dans la chambre postérieure par l’épithélium non pigmenté du corps ciliaire. Le taux de production diurne est d’environ 3,0 μL/min, et l’humeur aqueuse d’un volume standard de chambre antérieure (environ 250 μL) est renouvelée en 1 à 2 heures. L’humeur aqueuse s’écoule à travers la pupille dans la chambre antérieure et est évacuée principalement par la voie trabéculaire-canal de Schlemm (voie principale : 80-95 %) et par la voie uvéosclérale (voie secondaire : 5-20 %)2).
Le principal site de résistance à l’écoulement dans la voie principale est la région du tissu conjonctif juxtacanaliculaire contenant la matrice extracellulaire (MEC)4). Un renouvellement continu de la MEC est nécessaire pour maintenir la régulation de la pression intraoculaire, et il a été démontré expérimentalement que la manipulation de la MEC du TM peut modifier le taux d’écoulement4).
« La voie d’écoulement possède un mécanisme homéostatique qui détecte les écarts de pression continus et ajuste de manière compensatoire la résistance à l’écoulement pour maintenir la pression intraoculaire dans la plage normale »4)
La membrane basale des cellules endothéliales de la paroi interne du canal de Schlemm (SCE) présente des discontinuités submicroniques à travers lesquelles l’humeur aqueuse est évacuée via des vacuoles géantes et des pores4). L’hypothèse selon laquelle les cellules du tissu conjonctif juxtacanaliculaire (JCT) régulent la résistance à l’écoulement en manipulant l’orientation et la concentration de la versicane a été vérifiée4).
La pression intraoculaire est un paramètre complexe qui ne peut être réduit à une seule valeur numérique3). Elle varie dans le temps, diffère selon la position dans l’œil et est influencée par la méthode de mesure3).
Caractéristiques de la pression intraoculaire
Contenu
Définition
Pression différentielle par rapport à la pression atmosphérique (mmHg)
Pression intraoculaire normale
Environ 15 mmHg (pression atmosphérique + 2 kPa)
Variation diurne
La production d’humeur aqueuse diminue de moitié la nuit
La déformation mécanique générée par la pression intraoculaire affecte la fonction axonale au niveau de la tête du nerf optique (ONH), entraînant un remodelage local de la matrice extracellulaire (ECM) et la mort des cellules ganglionnaires rétiniennes (RGC)3). La lame criblée (LC) est une structure fenêtrée recouvrant l’ouverture du canal scléral, considérée comme le site principal des lésions dans le glaucome3).
Dans un œil normal, la déformation principale maximale de la LC sous une pression de 5 à 45 mmHg est d’environ 3 %, avec des valeurs plus élevées en périphérie qu’au centre3). Il a été rapporté que la déformation effective varie selon le type de glaucome : œil hypertendu (3,96 %), glaucome primitif à angle ouvert (POAG) (6,04 %), et glaucome primitif par fermeture de l’angle (PACG) (4,05 %)3).
Facteurs dépendants de la pression intraoculaire
Stress mécanique : La pression intraoculaire déforme les travées de tissu conjonctif de la lame criblée. En cas d’hypertension oculaire, un remodelage étendu de la LC et un déplacement postérieur se produisent3).
Trouble du transport axonal : La déformation liée à la pression intraoculaire bloque le transport axonal antérograde et rétrograde au niveau de la LC3).
Mécano-senseurs : Déformation de la membrane cellulaire → ouverture des canaux ioniques, signalisation par liaison aux intégrines → réponse cellulaire3).
Facteurs indépendants de la pression intraoculaire
Trouble circulatoire : Association avec hémorragie papillaire, atrophie péripapillaire, faible pression de perfusion oculaire, faible pression diastolique.
Facteurs de risque : Âge avancé, antécédents familiaux, rapport C/D élevé, cornée fine, faible hystérésis cornéenne1)2).
Mort des RGC : Voies apoptotiques, privation de facteurs neurotrophiques, accumulation mitochondriale.
QOù se produit la résistance à l'écoulement de l'humeur aqueuse ?
A
Le siège principal de la résistance à l’écoulement de l’humeur aqueuse est la matrice extracellulaire du tissu conjonctif juxtacanaliculaire (JCT), la couche la plus profonde du trabéculum. Le renouvellement continu de l’ECM dans cette région maintient la pression intraoculaire dans la plage normale. Dans le glaucome, ce mécanisme de régulation est perturbé, entraînant une augmentation anormale de la résistance à l’écoulement. La CFD contribue à la compréhension de la pathologie en analysant numériquement le comportement des fluides à ce niveau microstructural.
Cinq mécanismes physiques ont été identifiés comme étant à l’origine de l’écoulement de l’humeur aqueuse dans la chambre antérieure :
Courant de flottabilité (convection naturelle) dû à la différence de température entre la face antérieure de la cornée et l’iris
Écoulement dû à la production d’humeur aqueuse par le corps ciliaire
Interaction entre la flottabilité et la gravité en position couchée
Écoulement dû à la phacodonèse (oscillation du cristallin)
Écoulement dû aux mouvements oculaires rapides pendant le sommeil paradoxal (REM)
Le courant de flottabilité dû au gradient de température est le plus dominant, avec une vitesse d’écoulement de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des autres mécanismes physiques. Les calculs de contrainte de cisaillement par CFD montrent que le courant de flottabilité seul ne peut expliquer le détachement des particules de pigment de l’iris.
Contrainte de cisaillement après iridotomie au laser
La contrainte de cisaillement exercée sur les cellules endothéliales cornéennes (CEC) après une iridotomie au laser (LI) due aux modifications de l’écoulement de l’humeur aqueuse a été analysée à l’aide de la CFD. En particulier, dans les yeux à chambre antérieure peu profonde, la contrainte de cisaillement sur les CEC après LI peut atteindre un niveau suffisant pour provoquer des lésions et une perte cellulaires.
Les simulations CFD de la distribution des médicaments dans le segment postérieur après injection intravitréenne ou implantation montrent que le temps d’injection, le calibre de l’aiguille et l’angle de pénétration influencent le profil de concentration du médicament. L’emplacement (antérieur vs postérieur) et la forme de l’implant affectent également la concentration intraoculaire. De tels modèles pourraient contribuer à optimiser l’efficacité thérapeutique et à réduire la toxicité tissulaire.
Les modèles de transfert de chaleur du cristallin montrent que l’exposition thermique professionnelle (par exemple, dans les boulangeries) peut endommager le cristallin. De plus, l’évaluation informatique du rôle de l’accommodation dans le glaucome pigmentaire confirme que l’accommodation provoque une incurvation postérieure de la partie postérieure de l’iris, et que son degré de courbure dépend fortement de la quantité d’accommodation.
Des tentatives sont également en cours pour étudier par CFD les propriétés hydrodynamiques de l’humeur aqueuse dans les lentilles à chambre postérieure à support irien (ICL) modifiées, avec un trou central pour améliorer la circulation de l’humeur aqueuse.
QComment la CFD contribue-t-elle à la recherche sur le glaucome ?
A
La CFD contribue à la compréhension physiopathologique du glaucome de multiples façons. Plus précisément, elle permet (1) l’analyse des schémas d’écoulement de l’humeur aqueuse et de la distribution de la température dans la chambre antérieure, (2) l’évaluation quantitative de la résistance à l’écoulement à travers le trabéculum, (3) la prédiction des contraintes de cisaillement sur les cellules endothéliales cornéennes après un traitement au laser, (4) la modélisation des interactions entre l’humeur aqueuse et l’iris, et (5) l’analyse du mécanisme de bloc pupillaire. À l’avenir, l’intégration avec les données cliniques devrait permettre d’élaborer des stratégies thérapeutiques optimisées pour chaque patient.
Pitha IA, Du L, Nguyen TD, Quigley HA. 眼圧 and glaucoma damage: The essential role of optic nerve head and retinal mechanosensors. Prog Retin Eye Res. 2023;99:101232.
Acott TS, Vranka JA, Keller KE, Raghunathan V, Kelley MJ. Normal and glaucomatous outflow regulation. Prog Retin Eye Res. 2021;82:100897.
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