Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah teknik ilmu komputasi yang menganalisis aliran fluida menggunakan metode numerik dan algoritma berdasarkan persamaan Navier-Stokes. Dengan menerapkan hukum dinamika fluida pada model komputasi yang merepresentasikan struktur, pola aliran, distribusi tekanan, dan tegangan geser dapat diperkirakan.
Mata adalah organ yang mengandung cairan dengan konsentrasi tinggi (aqueous humor dan vitreous), sehingga sangat cocok sebagai model analisis CFD. Bidang aplikasi utama dalam oftalmologi adalah sebagai berikut:
CFD telah mencapai keberhasilan besar di bidang kardiovaskular (aterosklerosis, desain stent). Dalam beberapa tahun terakhir, kolaborasi dengan bidang medis lain termasuk oftalmologi meningkat, dan penelitian aktif melalui kerja sama multidisiplin (dokter, matematikawan, fisikawan) semakin berkembang.
Sebagai tahap penyederhanaan persamaan Navier-Stokes, penghilangan suku viskositas menghasilkan persamaan Euler, penghilangan suku vortisitas menghasilkan persamaan potensial penuh, dan linearisasi menghasilkan persamaan potensial linear. Dalam keadaan tunak di bilik mata depan, bilangan Reynolds maksimum sangat kecil (sekitar 0,01), tetapi pada fenomena transien seperti berkedip, diperlukan penggunaan persamaan Navier-Stokes lengkap.
CFD (Computational Fluid Dynamics) adalah teknik simulasi aliran fluida menggunakan komputer. Dalam oftalmologi, ini terutama digunakan untuk menganalisis kelainan aliran aqueous humor yang menyebabkan glaukoma, memprediksi difusi obat setelah injeksi intravitreal, dan mengoptimalkan perilaku fluida selama operasi katarak. Karena mata adalah organ yang mengandung banyak cairan, mata sangat cocok sebagai model untuk analisis CFD.
Aqueous humor disekresikan oleh epitel non-pigmen dari pars plicata korpus siliaris ke bilik posterior. Laju produksi siang hari sekitar 3,0 μL/menit, dan aqueous humor di bilik anterior (volume standar sekitar 250 μL) diganti dalam 1-2 jam. Aqueous humor mengalir melalui pupil ke bilik anterior, dan dikeluarkan terutama melalui jalur trabekular-kanal Schlemm (jalur utama: 80-95%) dan jalur uveoskleral (jalur sekunder: 5-20%)2).
Tempat utama resistensi aliran pada jalur utama adalah di jaringan ikat juxtacanalicular tempat matriks ekstraseluler (ECM) berada4). Pergantian ECM yang berkelanjutan diperlukan untuk mempertahankan regulasi tekanan intraokular, dan telah ditunjukkan secara eksperimental bahwa manipulasi ECM pada trabekular meshwork dapat mengubah laju aliran keluar4).
«Jalur aliran keluar memiliki mekanisme homeostasis yang merasakan deviasi tekanan yang terus-menerus dan menyesuaikan resistensi aliran keluar secara kompensasi untuk mempertahankan tekanan intraokular dalam kisaran normal»4)
Pada membran basal sel endotel dinding dalam kanal Schlemm (SCE), terdapat diskontinuitas submikron, dan melalui ini aqueous humor dikeluarkan melalui vakuola raksasa dan pori-pori4). Hipotesis bahwa sel-sel di jaringan ikat juxtacanalicular (JCT) mengatur resistensi aliran keluar dengan mengontrol orientasi dan konsentrasi versican telah diuji4).
Tekanan intraokular adalah parameter kompleks yang tidak dapat direduksi menjadi satu angka3). Tekanan intraokular bervariasi seiring waktu, berbeda tergantung pada posisi di dalam mata, dan dipengaruhi oleh metode pengukuran3).
| Karakteristik Tekanan Intraokular | Isi |
|---|---|
| Definisi | Perbedaan tekanan dari tekanan atmosfer (mmHg) |
| Tekanan Intraokular Normal | Sekitar 15 mmHg (tekanan atmosfer + 2 kPa) |
| Variasi harian | Produksi aqueous humor berkurang setengahnya pada malam hari |
Regangan mekanis yang dihasilkan oleh tekanan intraokular mempengaruhi fungsi aksonal di nervus optikus (ONH), menyebabkan remodeling matriks ekstraseluler (ECM) lokal dan kematian sel ganglion retina (RGC)3). Lamina kribrosa (LC) adalah struktur seperti jendela yang menutupi lubang kanal sklera, dan dianggap sebagai lokasi utama kerusakan pada glaukoma3).
Pada mata normal, regangan utama maksimum di daerah LC sekitar 3% pada tekanan 5–45 mmHg, dengan nilai lebih tinggi di perifer dibandingkan pusat3). Regangan efektif dilaporkan berbeda menurut jenis penyakit: mata hipertensi okular (3,96%), mata glaukoma sudut terbuka primer (POAG) (6,04%), dan mata glaukoma sudut tertutup primer (PACG) (4,05%)3).
Faktor yang bergantung pada tekanan intraokular
Stres mekanis: Tekanan intraokular menyebabkan deformasi trabekula jaringan ikat lamina kribrosa. Tekanan tinggi menyebabkan remodeling luas dan pergeseran posterior LC3)
Gangguan transpor aksonal: Regangan terkait tekanan intraokular menghambat transpor aksonal anterograd dan retrograd di LC3)
Mekanosensor: Deformasi membran sel → pembukaan saluran ion, pensinyalan ikatan integrin → respons seluler3)
Faktor yang tidak bergantung pada tekanan intraokular
Gangguan sirkulasi: Hubungan dengan perdarahan papil, atrofi peripapiler, tekanan perfusi okular rendah, tekanan darah diastolik rendah
Faktor risiko: Usia lanjut, riwayat keluarga, rasio C/D besar, kornea tipis, histeresis kornea rendah1)2)
Kematian RGC: Jalur apoptosis, penipisan faktor neurotropik, akumulasi mitokondria
Tempat utama resistensi aliran aqueous humor adalah matriks ekstraseluler dari jaringan ikat juxtacanalicular (JCT) di lapisan terdalam trabekula. ECM di area ini terus-menerus mengalami pergantian untuk mempertahankan tekanan intraokular dalam kisaran normal. Pada glaukoma, mekanisme regulasi ini gagal, menyebabkan peningkatan resistensi aliran yang abnormal. CFD berkontribusi pada pemahaman patofisiologi dengan menganalisis secara numerik perilaku fluida pada tingkat struktur mikro ini.
Lima mekanisme fisik telah diidentifikasi yang menyebabkan aliran aqueous humor di bilik mata depan:
Aliran dorongan apung akibat gradien suhu adalah yang paling dominan, dan besarnya beberapa kali lipat lebih besar dari kecepatan aliran yang disebabkan oleh mekanisme fisik lainnya. Perhitungan tegangan geser menggunakan CFD menunjukkan bahwa aliran dorongan apung saja tidak dapat menjelaskan pelepasan partikel pigmen dari iris.
Tegangan geser pada sel endotel kornea setelah iridotomi laser dianalisis menggunakan CFD. Pada mata dengan bilik depan yang dangkal, tegangan geser pada sel endotel kornea setelah LI dapat mencapai tingkat yang cukup untuk menyebabkan kerusakan dan kehilangan sel.
Dalam simulasi CFD distribusi obat di segmen posterior setelah injeksi intravitreal atau implan, ditunjukkan bahwa waktu injeksi, ukuran jarum, dan sudut penetrasi memengaruhi profil konsentrasi obat. Lokasi implan (anterior vs posterior) dan bentuknya juga memengaruhi konsentrasi intraokular. Model-model ini dapat berkontribusi pada optimalisasi efek terapi dan pengurangan toksisitas jaringan.
Model perpindahan panas lensa menunjukkan bahwa paparan panas akibat pekerjaan (misalnya di toko roti) dapat menyebabkan kerusakan lensa. Selain itu, dalam evaluasi komputasi peran akomodasi pada glaukoma pigmen, telah dikonfirmasi bahwa akomodasi menyebabkan pembengkokan posterior iris, dan derajat kelengkungannya sangat bergantung pada jumlah akomodasi.
Upaya juga sedang dilakukan untuk menyelidiki karakteristik hidrodinamik aqueous humor menggunakan CFD untuk lensa implan bilik posterior fakia yang dimodifikasi (ICL) dengan lubang sentral untuk meningkatkan sirkulasi aqueous humor.
CFD berkontribusi dalam berbagai aspek untuk memahami patofisiologi glaukoma. Secara spesifik, meliputi: (1) analisis pola aliran humor akuos dan distribusi suhu di bilik mata depan, (2) evaluasi kuantitatif resistensi aliran melalui trabekula, (3) prediksi tegangan geser pada sel endotel kornea setelah perawatan laser, (4) pemodelan interaksi antara humor akuos dan iris, serta (5) analisis mekanisme blokade pupil. Ke depannya, integrasi dengan data klinis diharapkan dapat diterapkan dalam pengembangan strategi pengobatan yang dioptimalkan untuk setiap pasien.
- European Glaucoma Society. European Glaucoma Society Terminology and Guidelines for Glaucoma, 5th Edition. Br J Ophthalmol. 2025.
- 日本緑内障学会. 緑内障診療ガイドライン（第5版）. 日眼会誌. 2022;126(2):85-177.
- 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.
