Biomekanika kornea adalah konsep yang mencakup sifat mekanik kornea. Kornea adalah “benda viskoelastis” yang memiliki sifat elastis dan viskos, dan perilaku deformasi serta pemulihannya terhadap gaya eksternal mencirikan fungsinya.
“Elastisitas” adalah sifat benda padat yang berubah bentuk karena tekanan untuk kembali ke bentuk aslinya. “Viskositas” mewakili tingkat kekentalan cairan. Sebagian besar jaringan hidup adalah benda viskoelastis, dan kornea adalah salah satunya.
Ketika tekanan diberikan pada kornea, ia berubah bentuk, dan ketika tekanan dilepaskan, ia mencoba kembali ke bentuk aslinya. Dalam proses ini, lintasan selama penekanan dan pelepasan tidak bertepatan. Fenomena ini disebut fenomena histeresis. Histeresis adalah indikator energi yang hilang selama proses deformasi dan pemulihan, yang mencerminkan sifat mekanik kornea1).
Modulus elastisitas (modulus Young) kornea telah dilaporkan dalam rentang luas 0,1 hingga 57 MPa tergantung pada kondisi dan metode pengukuran in vitro1). Semakin tinggi modulus Young, semakin kaku jaringan dan semakin sulit berubah bentuk.
Biomekanika kornea menjadi semakin penting dalam situasi klinis berikut:
Saat ini, hanya ada dua perangkat yang dapat mengevaluasi biomekanika kornea secara kuantitatif in vivo: Ocular Response Analyzer (ORA) dan Corvis ST. Konsep biomekanika kornea masih baru, dan interpretasi hasil pengukuran masih memerlukan penelitian lebih lanjut.
Histeresis kornea (CH) adalah parameter yang diukur sebagai selisih antara tekanan applanation saat tekanan meningkat dan saat tekanan menurun (P1 − P2) ketika kornea dideformasi dengan hembusan udara. Ini mencerminkan sifat viskoelastik kornea, terutama kemampuan penyerapan dan disipasi energi. CH rendah pada keratokonus, lihat bagian “Signifikansi Klinis dan Aplikasi” untuk detailnya.
Biomekanika kornea dipengaruhi oleh banyak faktor 1). Berikut ringkasan faktor-faktor yang penting secara klinis.
Kekakuan kornea meningkat secara signifikan seiring bertambahnya usia 1). Penyebab utamanya adalah peningkatan alami ikatan silang kolagen dan modifikasi serat akibat glikasi.
Tahsini dkk. (2025) menganalisis peta Stress-Strain Index (SSI) pada 72 subjek sehat dan menunjukkan bahwa SSI meningkat secara signifikan dari 0,938 ± 0,067 pada kelompok usia 20-50 tahun menjadi 1,143 ± 0,064 pada kelompok usia 50-80 tahun (Pearson r = 0,92, p < 0,001) 3). Laju pengerasan bervariasi menurut lokasi, dan berlangsung lebih cepat di area yang awalnya lebih kaku.
CCT berkorelasi positif dengan CH dan CRF 1). Semakin tebal kornea, semakin tinggi nilai-nilai ini. Ini juga memengaruhi pengukuran tekanan intraokular, di mana kornea yang lebih tebal cenderung memberikan estimasi tekanan intraokular yang lebih tinggi.
Hubungan antara tekanan intraokular (IOP) dan biomekanika kornea bersifat kompleks 1). Peningkatan IOP menurunkan nilai CH, tetapi ini sebagian disebabkan oleh karakteristik sistem pengukuran, bukan perubahan sifat kornea yang sebenarnya. Pada pasien glaukoma, CH rendah telah dilaporkan sebagai faktor risiko progresi lapang pandang.
Estrogen memengaruhi ikatan silang kolagen dan menurunkan kekakuan kornea 1). CH berfluktuasi selama siklus menstruasi dan kehamilan. Operasi refraktif selama kehamilan sebaiknya dihindari.
Pada edema kornea, kekakuan menurun seiring peningkatan kadar air1). Mempertahankan kadar air normal (sekitar 78%) berkontribusi pada stabilitas mekanis.
Pada diabetes, glikasi non-enzimatik kolagen berlangsung, meningkatkan kekakuan kornea1). Terdapat laporan bahwa CH dan CRF pada pasien diabetes lebih tinggi daripada individu sehat.
CXL adalah terapi yang menggunakan sinar ultraviolet gelombang panjang (UVA) dan riboflavin untuk memperkuat ikatan silang antar serat kolagen, sehingga meningkatkan kekakuan kornea1). SP-A1 meningkat setelah CXL, secara objektif mencerminkan perbaikan kekakuan. Mengenai penghambatan progresi keratokonus dengan CXL, lihat bagian «Signifikansi Klinis dan Aplikasi».
Kornea menjadi lebih keras seiring bertambahnya usia. Peningkatan alami ikatan silang kolagen dan glikasi adalah penyebab utama, dan dalam studi menggunakan peta SSI, SSI meningkat sekitar 22% dari kelompok usia 20-50 tahun ke kelompok 50-80 tahun3). Namun, laju pengerasan berbeda menurut lokasi, berlangsung lebih cepat di bagian sentral dan perifer yang awalnya lebih keras.
Saat ini, dua perangkat klinis tersedia secara komersial untuk mengukur biomekanika kornea secara in vivo. Sebagai metode eksperimental, mikroskop Brillouin dan elastometri interferometri optik (OCE) sedang dikembangkan1).
Karakteristik perangkat pengukuran utama ditunjukkan di bawah ini.
| Perangkat | Parameter utama | Karakteristik |
|---|---|---|
| ORA | CH, CRF | Mencerminkan viskoelastisitas |
| Corvis ST | SP-A1, CBI, cedera otak traumatik | Analisis deformasi video |
| Mikroskop Brillouin | Modulus elastisitas | Pemetaan 3D dalam |
ORA adalah perangkat semburan udara non-kontak buatan Reichert2). Perangkat ini memonitor bagian tengah kornea (3-6 mm) secara elektro-optik dengan sinar inframerah sambil memberikan tekanan dan dekompresi, mengukur proses deformasi dan pemulihan kornea selama sekitar 30 milidetik.
Parameter utama yang dihitung adalah sebagai berikut:
CH dianggap terutama mencerminkan sifat viskos kornea, sedangkan CRF terutama mencerminkan sifat elastis2).
Corvis ST (Oculus) menggunakan kamera Scheimpflug berkecepatan tinggi 4.330 frame per detik untuk memotret penampang kornea horizontal 8,5 mm secara berurutan, merekam deformasi kornea akibat semburan udara sebagai video2).
Parameter deformasi kornea dihitung terutama pada tiga titik waktu:
Pada setiap titik waktu, waktu yang berlalu, panjang area aplanasi, kecepatan deformasi, dan perpindahan puncak kornea dihitung. Parameter klinis utama adalah sebagai berikut:
Corvis ST dapat digunakan sebagai tonometer seperti ORA, dan menghitung tekanan intraokular yang dikoreksi biomekanik (bIOP).
ORA
Metode applanation dua arah dengan semburan udara: Melacak deformasi dan pemulihan kornea menggunakan sinar inframerah.
Parameter: CH, CRF, IOPg, IOPcc. Memberikan indikator viskoelastisitas secara keseluruhan.
Dirilis tahun 2005: Perangkat komersial pertama yang memungkinkan pengukuran biomekanika kornea secara in vivo.
Corvis ST
Kamera Scheimpflug berkecepatan tinggi: Merekam video deformasi penampang kornea pada 4.330 frame per detik.
Parameter: SP-A1, CBI, TBI, SSI, DA ratio, dll. Dapat menghitung indikator terintegrasi dengan tomografi.
Ekstensibilitas: Indikator baru seperti peta SSI dan analisis terintegrasi AI dengan Pentacam HR dimungkinkan.
Mikroskop Brillouin (Brillouin microscopy) adalah teknik yang menganalisis interaksi cahaya dengan fonon akustik, dan memetakan secara tiga dimensi non-invasif karakteristik biomekanika kornea1). Koefisien elastisitas longitudinal jaringan diperkirakan dari pergeseran frekuensi dalam satuan GHz.
Sementara ORA dan Corvis ST mengukur respons rata-rata seluruh kornea, mikroskop Brillouin memiliki resolusi kedalaman dan dapat memvisualisasikan distribusi elastisitas lokal1). Diharapkan aplikasinya dalam evaluasi efek cross-linking berdasarkan kedalaman setelah CXL dan deteksi penurunan kekakuan lokal pada keratoconus. Saat ini, lamanya waktu pengukuran dan pengaruh faktor lingkungan menjadi tantangan, dan belum mencapai aplikasi klinis.
Elastografi Koherensi Optik (Optical Coherence Elastography; OCE) adalah teknik yang mengukur perpindahan di dalam stroma kornea akibat gaya eksternal1). Dapat mengevaluasi regangan di lapisan tengah dan posterior kornea, berguna untuk analisis karakteristik biomekanika yang bergantung pada kedalaman.
ORA menghitung histeresis kornea (CH) dan faktor resistensi kornea (CRF) dari perubahan sinyal inframerah, dan mengevaluasi viskoelastisitas secara keseluruhan. Corvis ST merekam video deformasi penampang kornea dengan kamera Scheimpflug berkecepatan tinggi dan menghitung banyak parameter dinamis. Corvis ST unik karena dapat menggunakan indikator komposit berbasis AI seperti cedera otak traumatis melalui integrasi dengan Pentacam HR.
Pengukuran biomekanika kornea memainkan peran penting dalam deteksi dini keratoconus, evaluasi operasi refraktif, koreksi pengukuran tekanan intraokular, dan penilaian efektivitas CXL.
Pada penyakit ektasia kornea, perubahan biomekanika terjadi sebelum perubahan morfologi 5). Bahkan pada tahap di mana topografi atau tomografi tidak dapat mendeteksi kelainan, evaluasi biomekanika dapat memungkinkan diagnosis dini.
Pada tahap awal keratoconus, penurunan modulus elastisitas lokal terkait dengan kerusakan serat kolagen, memulai siklus dekompensasi biomekanika 7). Tegangan meningkat dan terdistribusi ulang, menyebabkan penajaman dan penipisan kornea.
Kemampuan diagnostik indikator utama dalam deteksi dini keratoconus adalah sebagai berikut 7):
| Indikator | Nilai SUCRA | Keterangan |
|---|---|---|
| Cedera otak traumatis | 96.2 | Paling akurat |
| CBI | 83.8 | Indikator terbaik kedua |
| CRF | 66.4 | Berasal dari ORA |
Menurut kriteria Brar, mata yang mencurigakan secara biomekanik didefinisikan sebagai CBI > 0,5 dan TBI > 0,297). Untuk menghindari negatif palsu, disarankan untuk menggabungkan tomografi kornea (seperti pencitraan Scheimpflug) dengan evaluasi biomekanik5)7).
Menurut tinjauan komprehensif oleh Wang dkk. (2025), model gabungan tomografi dan biomekanik mengungguli parameter individu dalam mendeteksi FFKC (forme fruste keratoconus). Model regresi logistik oleh Luz dkk. mencapai AUROC 0,953 (sensitivitas 85,71%, spesifisitas 98,68%)2).
Dalam studi menggunakan ORA, mata FFKC menunjukkan nilai CH dan CRF yang lebih rendah secara signifikan dibandingkan mata normal2). Pada mata VAE-NT (very asymmetric ectasia with normal topography), CH 8,5 ± 1,5 mmHg dan CRF 8,3 ± 1,5 mmHg, lebih rendah dari kelompok kontrol normal2).
TBI dari Corvis ST menunjukkan AUROC 0,985 pada mata VAE-NT, dan sensitivitas CBI (99,1%) serta sensitivitas TBI (99,6%) mencapai nilai yang sangat tinggi dalam mendeteksi keratoconus yang abnormal secara tomografi2).
Bedah refraktif memengaruhi karakteristik biomekanik dengan mengablasi atau mendeformasi stroma kornea4). Ektasia kornea pasca operasi merupakan komplikasi yang jarang (0,04-0,6%) namun serius, dan evaluasi biomekanik pra operasi penting dilakukan4).
Dalam tinjauan sistematis oleh Pniakowska dkk. (2023) berdasarkan 17 studi prospektif, penurunan biomekanik terbesar terjadi pada LASIK (ablasi stroma dengan pembuatan flap), diikuti SMILE (ekstraksi lentikel), dan ablasi permukaan (PRK/LASEK)4).
Temuan utama terkait biomekanik pasca operasi:
Rata-rata umum CH dan CRF setelah eksisi permukaan adalah CH 8,68 ± 0,94 mmHg dan CRF 8,39 ± 1,08 mmHg 4). Pada SMILE, CH tetap lebih tinggi secara signifikan dibandingkan LASEK pada 3 bulan pasca operasi, tetapi perbedaan tersebut menghilang setelah 3 tahun 4).
Kombinasi indeks biomekanika dan parameter topografi dilaporkan meningkatkan akurasi prediksi operasi refraktif lebih dari 25% 7). Pasien dengan kekakuan kornea rendah memiliki risiko 2-3 kali lebih tinggi untuk kelainan refraksi sisa pasca operasi 7).
Pengukuran tekanan intraokular dengan tonometer aplanasi Goldmann (GAT) dipengaruhi oleh ketebalan kornea dan karakteristik biomekanika 5).
Pada penyakit ektasia kornea atau setelah operasi refraktif, penipisan jaringan dan kelemahan biomekanika menyebabkan tekanan apalanasi terukur lebih rendah secara artifisial 5). Perangkat alternatif berikut direkomendasikan:
IOPcc yang dihitung dengan ORA kurang dipengaruhi oleh CCT dan CH, dan mencerminkan tekanan intraokular sebenarnya dengan lebih akurat.
CXL adalah terapi yang memperkuat ikatan silang di stroma kornea menggunakan riboflavin dan UVA, efektif untuk memperlambat progresi keratokonus 6). Ini meningkatkan kekakuan biomekanika kornea, tetapi bukti mekanisme kerja pada tingkat ultrastruktural langsung tidak mencukupi 6).
Larkin dkk. (2021) dalam uji coba acak multisenter Keralink meneliti efektivitas CXL pada pasien keratokonus muda. Prevalensi keratokonus mencapai 1:375 di Belanda dan 1:84 pada usia 20 tahun di Australia 6). CXL dilaporkan efektif memperlambat progresi keratokonus pada sebagian besar orang dewasa, namun interval kepercayaan lebar dan risiko bias telah dicatat 6).
Setelah CXL, SP-A1 meningkat, dan perbaikan kekakuan kornea dapat dinilai secara objektif dengan Corvis ST 1). Perlu diperhatikan bahwa ketebalan kornea tertentu diperlukan, dan protokol seperti sub400 telah dilaporkan untuk kasus dengan penipisan parah.
Abliasi permukaan (PRK/LASEK) memiliki dampak paling kecil terhadap biomekanika, diikuti oleh SMILE, dan kemudian LASIK4). Pada SMILE, karena tidak membuat flap, integritas struktural permukaan anterior kornea lebih mudah dipertahankan. Pada LASIK, membuat flap tipis, dan pada SMILE, membuat cap tebal menguntungkan untuk mempertahankan kekuatan.
Kornea terdiri dari 5 lapisan (epitel, lapisan Bowman, stroma, membran Descemet, endotel), dan stroma, yang membentuk sekitar 90% ketebalan, menentukan biomekanika1). Stroma terdiri dari serat kolagen tipe I dan V serta proteoglikan. Orientasi, kepadatan, dan ikatan silang serat kolagen adalah faktor utama yang menentukan sifat biomekanika.
Perilaku mekanis kornea memiliki karakteristik berikut1):
Tahsini dkk. (2025) membagi kornea menjadi 9 zona menggunakan peta SSI: sentral, parasentral (4 zona), dan perifer (4 zona), serta menganalisis kekakuan per zona. Rata-rata SSI di zona sentral dan perifer tinggi (1,153 ± 0,079), sedangkan di zona parasentral rendah (0,890 ± 0,057). Zona parasentral inferior (zona 4 dan 5) adalah yang paling lemah dengan SSI = 0,8333).
Kelemahan zona parasentral inferior sesuai dengan fakta klinis bahwa keratoconus biasanya muncul di bagian bawah3). Hal ini menunjukkan bahwa area yang lemah secara mekanis lebih rentan terhadap dekompensasi biomekanik.
Perbedaan signifikan juga ditemukan antara zona parasentral superior (SSI = 0,945) dan inferior (SSI = 0,833), dan zona nasal (SSI = 0,903) menunjukkan kekakuan sedikit lebih tinggi daripada zona temporal (SSI = 0,879)3).
Pada tahap awal keratoconus, terjadi penurunan modulus elastisitas lokal, yang memulai kerusakan dan degenerasi serat kolagen7). Hal ini memicu siklus dekompensasi biomekanik:
Di area yang terkena, terlihat peningkatan degradasi kolagen, hilangnya sel kornea (keratosit), penurunan ikatan silang kolagen, dan pelemahan signifikan respons tegangan-regangan. Faktor-faktor yang berkontribusi terhadap degenerasi biomekanik meliputi: genetik, kebiasaan menggosok mata, trauma mikro akibat lensa kontak, dan atopi.
Berdasarkan analisis peta SSI, zona parasentral inferior menunjukkan nilai kekakuan terendah (SSI = 0,833)3). Area ini sesuai dengan lokasi umum keratoconus, menunjukkan bahwa kelemahan mekanis bawaan mungkin berperan dalam timbulnya penyakit.
SSI II (Peta SSI) adalah teknologi baru yang didasarkan pada pemodelan elemen hingga dan model distribusi serat kolagen, yang memvisualisasikan distribusi kekakuan permukaan kornea secara dua dimensi 2)3).
Tahsini dkk. (2025) menganalisis perubahan kekakuan kornea terkait usia per daerah menggunakan peta SSI. Pengerasan berlangsung lebih cepat di daerah yang sudah kaku (perifer: 0,0058-0,0067/tahun) dan lambat di daerah lemah (parasentral bawah: 0,0039/tahun). Terdapat korelasi sangat tinggi (Pearson r = 0,96) antara SSI mata kanan dan kiri 3).
Peta SSI diharapkan berguna untuk memahami mekanisme onset dan progresi keratoconus, serta personalisasi perawatan CXL. Aplikasi pengobatan yang dipersonalisasi sesuai usia pasien dan daerah kornea sedang diantisipasi 3).
Pengenalan teknik AI dan pembelajaran mesin telah meningkatkan akurasi deteksi keratoconus 2).
Menurut tinjauan Wang dkk. (2025), algoritma AI mencapai akurasi sekitar 98% dalam mendeteksi keratoconus manifes, tetapi hanya sekitar 90% untuk tipe subklinis, meninggalkan risiko terlewat 2).
Menggunakan analisis random forest, metrik Pentacam HR dan Corvis ST diintegrasikan, dan dilaporkan spesifisitas 93% dan sensitivitas 86% dalam klasifikasi keratoconus subklinis 2). Model diagnosis menggunakan jaringan syaraf propagasi balik mencapai AUROC 0,877, menunjukkan kemampuan deteksi FFKC melebihi CBI (0,610) dan cedera otak traumatik (0,659) 2).
Mikroskop Brillouin menarik perhatian sebagai teknologi yang memungkinkan pemetaan elastisitas kornea tiga dimensi 1). Telah menunjukkan kegunaannya dalam evaluasi kedalaman efek cross-linking setelah CXL dan visualisasi penurunan kekakuan lokal pada keratoconus. Arah masa depan adalah peningkatan akurasi pengukuran melalui integrasi AI dan aplikasi klinis praktis 1).
Keratoconus terjadi secara binokular, tetapi satu mata mungkin tetap asimtomatik (FFKC/VAE-NT) 2). Upaya sedang dilakukan untuk mengevaluasi mata kontralateral pasien dengan keratoconus klinis pada satu mata secara biomekanik untuk memprediksi risiko onset di masa depan. Cedera otak traumatik menunjukkan sensitivitas deteksi tinggi pada mata VAE-NT, dan perbandingan antar mata dapat menjadi petunjuk untuk diagnosis dini 2).
