La biomeccanica corneale è un concetto che comprende le proprietà meccaniche della cornea. La cornea è un ‘corpo viscoelastico’ che possiede sia proprietà elastiche che viscose, e il suo comportamento di deformazione e recupero sotto forze esterne caratterizza la sua funzione.
L’«elasticità» è la proprietà di un solido deformato dalla pressione di tornare alla forma originale. La «viscosità» rappresenta il grado di resistenza allo scorrimento di un liquido. La maggior parte dei tessuti biologici sono corpi viscoelastici con entrambe le proprietà, e la cornea è uno di questi.
Quando viene applicata una pressione alla cornea, essa si deforma e, al diminuire della pressione, cerca di tornare alla forma originale. In questo processo, le traiettorie durante la pressurizzazione e la decompressione non coincidono. Questo fenomeno è chiamato isteresi. L’isteresi è un indicatore dell’energia dissipata durante i processi di deformazione e recupero e riflette le proprietà meccaniche della cornea1).
Il modulo di elasticità (modulo di Young) della cornea è stato riportato in un ampio intervallo da 0,1 a 57 MPa a seconda delle condizioni e dei metodi di misurazione in vitro1). Più alto è il modulo di Young, più il tessuto è rigido e meno si deforma.
La biomeccanica corneale sta acquisendo importanza nelle seguenti situazioni cliniche:
Attualmente, due dispositivi consentono di valutare quantitativamente la biomeccanica corneale in vivo: l’Ocular Response Analyzer (ORA) e il Corvis ST. Il concetto di biomeccanica corneale è ancora recente e l’interpretazione dei risultati delle misurazioni rimane oggetto di ricerca futura.
L’isteresi corneale (CH) è un parametro misurato come differenza tra le pressioni di applanazione durante il carico e lo scarico (P1 − P2) quando l’aria viene soffiata sulla cornea per deformarla. Riflette le proprietà viscoelastiche della cornea, in particolare la sua capacità di assorbimento e dissipazione di energia. La CH è bassa nel cheratocono; vedere la sezione «Significato clinico e applicazioni» per i dettagli.
La biomeccanica corneale varia in base a molti fattori1). I fattori clinicamente importanti sono riassunti di seguito.
Con l’invecchiamento, la rigidità corneale aumenta significativamente1). Ciò è dovuto principalmente all’aumento naturale dei cross-link del collagene e alla modificazione delle fibre per glicazione.
Tahsini et al. (2025) hanno analizzato le mappe SSI di 72 soggetti sani e hanno mostrato che l’indice sforzo-deformazione (SSI) aumentava significativamente da 0,938 ± 0,067 nel gruppo 20-50 anni a 1,143 ± 0,064 nel gruppo 50-80 anni (r di Pearson = 0,92, p < 0,001)3). La velocità di indurimento varia a seconda della regione, progredendo più rapidamente nelle aree già più rigide.
Il CCT è positivamente correlato con CH e CRF1). Più la cornea è spessa, più questi valori sono elevati. Influisce anche sulla misurazione della pressione intraoculare, che tende a essere sovrastimata nelle cornee spesse.
La relazione tra pressione intraoculare (IOP) e biomeccanica corneale è complessa1). Un aumento della IOP riduce il valore misurato di CH, ma ciò è dovuto in parte alle caratteristiche del sistema di misura piuttosto che a un vero cambiamento delle proprietà fisiche della cornea. Nei pazienti glaucomatosi, un basso CH è stato riportato come fattore di rischio per la progressione del campo visivo.
Gli estrogeni influenzano i cross-link del collagene e riducono la rigidità corneale1). La CH varia durante il ciclo mestruale e la gravidanza. La chirurgia refrattiva durante la gravidanza dovrebbe essere evitata.
Nell’edema corneale, la rigidità diminuisce con l’aumento del contenuto d’acqua1). Il mantenimento di un normale contenuto d’acqua (circa 78%) contribuisce alla stabilità meccanica.
Nel diabete, la glicazione non enzimatica del collagene progredisce, aumentando la rigidità corneale1). Esistono segnalazioni di valori di CH e CRF più elevati nei pazienti diabetici rispetto ai soggetti sani.
Il CXL è un trattamento che rafforza i legami crociati tra le fibre di collagene utilizzando luce ultravioletta a lunga lunghezza d’onda (UVA) e riboflavina, aumentando la rigidità corneale1). Lo SP-A1 aumenta dopo CXL e riflette oggettivamente il miglioramento della rigidità. La soppressione della progressione del cheratocono mediante CXL è descritta in dettaglio nella sezione «Significato clinico e applicazioni».
Con l’età la cornea diventa più dura. L’aumento naturale dei legami crociati del collagene e la glicazione sono le cause principali. Studi che utilizzano la mappatura SSI mostrano un aumento dell’SSI di circa il 22% tra i gruppi di età 20-50 anni e 50-80 anni3). Tuttavia, la velocità di indurimento varia a seconda della regione: progredisce più rapidamente nelle aree centrali e periferiche, già più dure.
Attualmente sono disponibili in commercio due dispositivi clinici per la misurazione in vivo della biomeccanica corneale. La microscopia Brillouin e l’elastografia a coerenza ottica (OCE) sono in fase di sviluppo come metodi sperimentali1).
Le caratteristiche dei principali dispositivi di misurazione sono riportate di seguito.
| Dispositivo | Parametri principali | Caratteristiche |
|---|---|---|
| ORA | CH, CRF | Riflette la viscoelasticità |
| Corvis ST | SP-A1, CBI, lesione cerebrale traumatica | Analisi della deformazione video |
| Microscopio Brillouin | Modulo elastico | Mappatura 3D in profondità |
L’ORA è un dispositivo a getto d’aria senza contatto prodotto da Reichert2). Monitora elettro-otticamente la cornea centrale (3-6 mm) con luce infrarossa mentre applica e rilascia pressione, misurando il processo di deformazione e recupero della cornea per circa 30 millisecondi.
I principali parametri calcolati sono i seguenti:
Si ritiene che la CH rifletta principalmente le proprietà viscose della cornea, mentre la CRF riflette principalmente le proprietà elastiche2).
Il Corvis ST (Oculus) utilizza una telecamera Scheimpflug ad alta velocità di 4.330 fotogrammi al secondo per acquisire continuamente una sezione orizzontale di 8,5 mm della cornea, registrando la deformazione corneale indotta da un getto d’aria come video2).
I parametri di deformazione corneale vengono calcolati principalmente in tre momenti:
In ogni momento vengono calcolati il tempo trascorso, la lunghezza della zona appiattita, la velocità di deformazione e la distanza di spostamento dell’apice corneale. I principali parametri clinici sono i seguenti:
Il Corvis ST, come l’ORA, può essere utilizzato anche come tonometro e calcola la pressione intraoculare corretta biomeccanicamente (bIOP).
ORA
Metodo di applanazione bidirezionale con getto d’aria : monitora la deformazione e il recupero della cornea tramite infrarossi.
Parametri : CH, CRF, IOPg, IOPcc. Fornisce indicatori globali di viscoelasticità.
Lanciato nel 2005 : primo dispositivo commerciale a consentire la misurazione in vivo della biomeccanica corneale.
Corvis ST
Videocamera Scheimpflug ad alta velocità : registra video della deformazione della sezione corneale a 4.330 fotogrammi al secondo.
Parametri : SP-A1, CBI, TBI, SSI, DA ratio, ecc. Può calcolare indicatori integrati con la tomografia.
Espandibilità : possibili nuovi indicatori come la mappa SSI e analisi integrata con IA tramite Pentacam HR.
La microscopia Brillouin (Brillouin microscopy) analizza l’interazione tra luce e fononi acustici, mappando in 3D in modo non invasivo le proprietà biomeccaniche della cornea 1). Dallo spostamento di frequenza in GHz si stima il modulo di elasticità longitudinale del tessuto.
Mentre ORA e Corvis ST misurano la risposta media dell’intera cornea, la microscopia Brillouin ha risoluzione di profondità e visualizza la distribuzione locale dell’elasticità 1). È promettente per la valutazione strato-specifica dell’effetto del cross-linking dopo CXL e per la rilevazione della riduzione locale di rigidità nel cheratocono. Attualmente, la lunga durata della misurazione e l’influenza dei fattori ambientali sono sfide, e non è ancora in uso clinico.
L’elastografia a coerenza ottica (Optical Coherence Elastography; OCE) misura lo spostamento all’interno dello stroma corneale sotto l’azione di una forza esterna 1). Può valutare la deformazione degli strati medio e posteriore della cornea ed è utile per l’analisi delle proprietà biomeccaniche dipendenti dalla profondità.
L’ORA calcola l’isteresi corneale (CH) e il fattore di resistenza corneale (CRF) dalle variazioni del segnale infrarosso, valutando globalmente la viscoelasticità. Il Corvis ST registra in video la deformazione della sezione corneale con una telecamera Scheimpflug veloce e calcola numerosi parametri dinamici. Il Corvis ST è caratterizzato dalla possibilità di utilizzare indicatori compositi basati sull’IA, come il trauma cranico, grazie all’integrazione con il Pentacam HR.
La misurazione della biomeccanica corneale svolge un ruolo importante nella diagnosi precoce del cheratocono, nella valutazione della chirurgia refrattiva, nella correzione della misurazione della pressione intraoculare e nella valutazione dell’efficacia del CXL.
Nelle malattie ectasiche corneali, i cambiamenti biomeccanici precedono i cambiamenti morfologici 5). Anche in una fase in cui la topografia o la tomografia non possono rilevare anomalie, la valutazione biomeccanica può consentire una diagnosi precoce.
All’inizio del cheratocono, una diminuzione locale del modulo elastico è collegata alla rottura delle fibre di collagene e si avvia un ciclo di scompenso biomeccanico 7). Lo stress aumenta e si ridistribuisce, portando a un assottigliamento e a un incurvamento della cornea.
La capacità diagnostica dei principali indicatori per la diagnosi precoce del cheratocono è la seguente 7).
| Indicatore | Valore SUCRA | Note |
|---|---|---|
| Trauma cranico | 96,2 | Il più accurato |
| CBI | 83,8 | Secondo miglior indicatore |
| CRF | 66,4 | Derivato da ORA |
Secondo i criteri di Brar et al., un occhio biomeccanicamente sospetto è definito da CBI > 0,5 e TBI > 0,297). Per evitare falsi negativi, si raccomanda la combinazione di tomografia corneale (imaging Scheimpflug, ecc.) e valutazione biomeccanica5)7).
Secondo una revisione completa di Wang et al. (2025), i modelli combinati di tomografia e biomeccanica superano i singoli parametri nella rilevazione del FFKC (cheratocono frusto). Il modello di regressione logistica di Luz et al. ha raggiunto un AUROC di 0,953 (sensibilità 85,71%, specificità 98,68%)2).
Negli studi con ORA, gli occhi con FFKC mostrano CH e CRF significativamente più bassi rispetto agli occhi normali2). Gli occhi VAE-NT (ectasia molto asimmetrica con topografia normale) presentano CH 8,5 ± 1,5 mmHg e CRF 8,3 ± 1,5 mmHg, inferiori al gruppo di controllo normale2).
Il TBI del Corvis ST mostra un AUROC di 0,985 per gli occhi VAE-NT, e la sensibilità del CBI (99,1%) e del TBI (99,6%) raggiungono valori estremamente elevati nella rilevazione del cheratocono topograficamente anormale2).
La chirurgia refrattiva asporta o deforma lo stroma corneale, influenzando le proprietà biomeccaniche4). L’ectasia corneale postoperatoria è rara (0,04–0,6%) ma grave, pertanto è importante la valutazione biomeccanica preoperatoria4).
Secondo una revisione sistematica di Pniakowska et al. (2023) basata su 17 studi prospettici, la diminuzione biomeccanica è maggiore dopo LASIK (ablazione stromale con creazione di flap), seguita da SMILE (estrazione di lenticolo) e chirurgia di superficie (PRK/LASEK)4).
Principali risultati sulla biomeccanica postoperatoria:
I valori medi generali di CH e CRF dopo cheratectomia di superficie sono stati CH 8,68 ± 0,94 mmHg e CRF 8,39 ± 1,08 mmHg4). Con SMILE, il CH è rimasto significativamente più alto rispetto a LASEK a 3 mesi dall’intervento, ma dopo 3 anni la differenza tra i due gruppi è scomparsa4).
È stato riportato che la combinazione di indici biomeccanici e parametri topografici migliora la precisione predittiva della chirurgia refrattiva di oltre il 25%7). I pazienti con bassa rigidità corneale hanno un rischio 2-3 volte maggiore di errore refrattivo residuo postoperatorio7).
La misurazione della pressione intraoculare (IOP) con il tonometro ad applanazione di Goldmann (GAT) è influenzata dallo spessore corneale e dalle proprietà biomeccaniche5).
Nelle cornee con malattie ectasiche o dopo chirurgia refrattiva, l’assottigliamento tissutale e la fragilità biomeccanica portano a una sottostima artificiale della IOP ad applanazione5). Si raccomandano i seguenti dispositivi alternativi:
L’IOPcc calcolata dall’ORA è meno influenzata dallo spessore corneale centrale (CCT) e dal CH, e riflette più accuratamente la vera IOP.
Il CXL è un trattamento che rafforza i legami crociati dello stroma corneale con riboflavina e UVA, efficace nel rallentare la progressione del cheratocono6). Aumenta la rigidità biomeccanica della cornea, ma le prove del meccanismo d’azione a livello ultrastrutturale diretto sono insufficienti6).
Larkin et al. (2021) hanno valutato l’efficacia del CXL in giovani pazienti con cheratocono nello studio randomizzato controllato multicentrico Keralink. La prevalenza del cheratocono è di 1:375 nei Paesi Bassi e raggiunge 1:84 all’età di 20 anni in Australia6). Il CXL è riportato come efficace nell’inibire la progressione del cheratocono nella maggior parte degli adulti, ma gli intervalli di confidenza sono ampi ed è stato segnalato anche un rischio di bias6).
Dopo CXL, SP-A1 aumenta e il Corvis ST può valutare oggettivamente il miglioramento della rigidità corneale1). È necessario notare che è richiesto un sufficiente spessore corneale; per i casi di grave assottigliamento, sono stati riportati protocolli come sub400.
La chirurgia di superficie (PRK/LASEK) ha il minore impatto sulla biomeccanica, seguita da SMILE e poi LASIK4). Con SMILE non viene creato un lembo, quindi l’integrità strutturale della superficie anteriore della cornea è meglio preservata. Per LASIK, un lembo sottile, e per SMILE, un cappuccio spesso sono favorevoli alla preservazione.
La cornea è composta da cinque strati (epitelio, strato di Bowman, stroma, membrana di Descemet, endotelio). Lo stroma, che costituisce circa il 90% dello spessore, determina la biomeccanica1). Lo stroma è costituito da fibre di collagene di tipo I e V e proteoglicani. L’orientamento, la densità e la reticolazione delle fibre di collagene sono i principali fattori che determinano le proprietà biomeccaniche.
Il comportamento meccanico della cornea presenta le seguenti caratteristiche1):
Tahsini et al. (2025) hanno utilizzato la mappa SSI per dividere la cornea in 9 zone: centrale, paracentrale (4 zone) e periferica (4 zone), e hanno analizzato la rigidità per area. La SSI media delle zone centrale e periferica era alta (1,153 ± 0,079), mentre quella delle zone paracentrali era bassa (0,890 ± 0,057). In particolare, la zona paracentrale inferiore (zone 4 e 5) era la più fragile con SSI = 0,8333).
La fragilità della zona paracentrale inferiore corrisponde al dato clinico che il cheratocono si sviluppa tipicamente nella parte inferiore3). Ciò suggerisce che le aree meccanicamente deboli sono più suscettibili alla scompenso biomeccanico.
È stata osservata anche una differenza significativa tra la zona paracentrale superiore (SSI = 0,945) e quella inferiore (SSI = 0,833), con il lato nasale (SSI = 0,903) che mostrava una rigidità leggermente superiore rispetto al lato temporale (SSI = 0,879)3).
Nelle fasi iniziali del cheratocono si verifica una diminuzione locale del modulo elastico, che avvia la rottura e la degenerazione delle fibre di collagene7). Ciò innesca un ciclo di scompenso biomeccanico:
Nell’area patologica si osservano un aumento della degradazione del collagene, la perdita di cheratociti, una diminuzione dei cross-link del collagene e un marcato indebolimento della risposta sforzo-deformazione. Genetica, sfregamento degli occhi, microtraumi da lenti a contatto e atopia sono citati come fattori che contribuiscono alla degenerazione biomeccanica.
Secondo l’analisi della mappa SSI, la zona paracentrale inferiore mostra il valore di rigidità più basso (SSI = 0,833)3). Quest’area corrisponde al sito di predilezione del cheratocono e la sua intrinseca debolezza meccanica potrebbe contribuire allo sviluppo della malattia.
La SSI II (mappa SSI) è una nuova tecnologia basata sulla modellazione agli elementi finiti e su un modello di distribuzione delle fibre di collagene, che visualizza in due dimensioni la distribuzione della rigidità della superficie corneale2)3).
Tahsini et al. (2025) hanno analizzato i cambiamenti legati all’età della rigidità corneale per regione utilizzando la mappa SSI. L’indurimento progredisce più rapidamente nelle aree già rigide (periferia: 0,0058–0,0067/anno) e più lentamente nelle aree deboli (paracentrale inferiore: 0,0039/anno). È stata osservata una correlazione molto elevata (Pearson r = 0,96) tra i valori SSI dell’occhio destro e sinistro3).
La mappa SSI è considerata utile per comprendere i meccanismi di insorgenza e progressione del cheratocono e per personalizzare il trattamento CXL. Si prospettano applicazioni per un trattamento personalizzato in base all’età del paziente e alla regione corneale3).
L’introduzione dell’IA e dei metodi di apprendimento automatico migliora l’accuratezza della rilevazione del cheratocono2).
Secondo una revisione di Wang et al. (2025), gli algoritmi di IA raggiungono un’accuratezza di circa il 98% per la rilevazione del cheratocono manifesto, ma solo circa il 90% per la forma subclinica, lasciando un rischio di mancata rilevazione2).
Un’analisi con il metodo della foresta casuale, che integrava le metriche di Pentacam HR e Corvis ST, ha riportato una specificità del 93% e una sensibilità dell’86% per la classificazione del cheratocono subclinico2). Un modello diagnostico che utilizzava una rete neurale a retropropagazione ha raggiunto un AUROC di 0,877, mostrando una capacità di rilevazione del FFKC superiore a quella del CBI (0,610) e del TBI (0,659)2).
La microscopia Brillouin è una tecnologia promettente che consente la mappatura elastica tridimensionale della cornea1). È stata dimostrata la sua utilità per la valutazione in profondità dell’effetto di cross-linking dopo CXL e per la visualizzazione della riduzione locale di rigidità nel cheratocono. Il miglioramento dell’accuratezza delle misurazioni tramite integrazione dell’IA e l’implementazione clinica sono le direzioni future1).
Il cheratocono si manifesta bilateralmente, ma un occhio può rimanere asintomatico (FFKC/VAE-NT)2). Sono in corso sforzi per prevedere il rischio futuro di sviluppo valutando biomeccanicamente l’occhio controlaterale di pazienti con cheratocono clinico in un occhio. Il TBI mostra un’elevata sensibilità di rilevazione negli occhi VAE-NT, e il confronto tra i due occhi potrebbe essere un indizio per la diagnosi precoce2).
