Биомеханика роговицы — это концепция, охватывающая механические свойства роговицы. Роговица является «вязкоупругим телом», обладающим как упругими, так и вязкими свойствами, и ее поведение при деформации и восстановлении под действием внешних сил характеризует ее функцию.
«Упругость» — это свойство твердого тела, деформированного под давлением, возвращаться к исходной форме. «Вязкость» обозначает степень текучести жидкости. Большинство биологических тканей являются вязкоупругими телами, обладающими обоими свойствами, и роговица — одна из них.
При приложении давления к роговице она деформируется, а при снижении давления стремится вернуться к исходной форме. В этом процессе траектории при нагружении и разгрузке не совпадают. Это явление называется гистерезисом. Гистерезис является показателем энергии, рассеиваемой в процессах деформации и восстановления, и отражает механические свойства роговицы1).
Модуль упругости (модуль Юнга) роговицы, по данным измерений in vitro, варьируется в широком диапазоне от 0,1 до 57 МПа в зависимости от условий и методов1). Чем выше модуль Юнга, тем жестче ткань и тем меньше она деформируется.
Биомеханика роговицы приобретает все большее значение в следующих клинических ситуациях:
В настоящее время существует два прибора для количественной оценки биомеханики роговицы in vivo: Ocular Response Analyzer (ORA) и Corvis ST. Концепция биомеханики роговицы все еще нова, и интерпретация результатов измерений остается предметом будущих исследований.
Гистерезис роговицы (CH) — это параметр, измеряемый как разница давлений аппланации во время нагрузки и разгрузки (P1 − P2) при деформации роговицы струей воздуха. Он отражает вязкоупругие свойства роговицы, особенно ее способность поглощать и рассеивать энергию. CH снижен при кератоконусе; подробнее см. раздел «Клиническое значение и применение».
Биомеханика роговицы варьирует под влиянием многих факторов1). Клинически важные факторы summarized ниже.
С возрастом жесткость роговицы значительно увеличивается1). Основные причины — естественное увеличение поперечных сшивок коллагена и модификация волокон за счет гликирования.
Tahsini и соавт. (2025) проанализировали SSI-карты 72 здоровых субъектов и показали, что индекс деформации (SSI) значительно увеличился с 0,938 ± 0,067 в группе 20–50 лет до 1,143 ± 0,064 в группе 50–80 лет (коэффициент Пирсона r = 0,92, p < 0,001)3). Скорость упрочнения варьирует в зависимости от области, быстрее прогрессируя в уже более жестких зонах.
ЦТР положительно коррелирует с CH и CRF1). Чем толще роговица, тем выше эти значения. Она также влияет на измерение внутриглазного давления: на толстой роговице давление имеет тенденцию к завышению.
Взаимосвязь между внутриглазным давлением (ВГД) и биомеханикой роговицы сложна1). Повышение ВГД снижает измеряемое значение CH, но это связано скорее с характеристиками измерительной системы, чем с истинным изменением физических свойств роговицы. У пациентов с глаукомой низкий CH был описан как фактор риска прогрессирования полей зрения.
Эстроген влияет на поперечные сшивки коллагена и снижает жесткость роговицы1). CH колеблется в течение менструального цикла и беременности. Рефракционная хирургия во время беременности не рекомендуется.
При отеке роговицы жесткость снижается с увеличением содержания воды1). Поддержание нормального содержания воды (около 78%) способствует механической стабильности.
При сахарном диабете прогрессирует неферментативное гликирование коллагена, что повышает жесткость роговицы1). Имеются сообщения о более высоких значениях CH и CRF у пациентов с диабетом по сравнению со здоровыми.
CXL — это метод лечения, который усиливает поперечные связи между коллагеновыми волокнами с помощью длинноволнового ультрафиолетового света (UVA) и рибофлавина, повышая жесткость роговицы1). SP-A1 повышается после CXL и объективно отражает улучшение жесткости. Подавление прогрессирования кератоконуса с помощью CXL подробно описано в разделе «Клиническое значение и применение».
С возрастом роговица становится тверже. Естественное увеличение поперечных связей коллагена и гликирование являются основными причинами. Исследования с использованием SSI-картирования показывают увеличение SSI примерно на 22% между возрастными группами 20–50 лет и 50–80 лет3). Однако скорость затвердевания различается в зависимости от области: она быстрее прогрессирует в изначально более твердых центральных и периферических зонах.
В настоящее время на рынке доступны два клинических прибора для измерения биомеханики роговицы in vivo. Бриллюэновская микроскопия и оптическая когерентная эластография (OCE) разрабатываются как экспериментальные методы1).
Характеристики основных измерительных приборов приведены ниже.
| Прибор | Основные параметры | Особенности |
|---|---|---|
| ORA | CH, CRF | Отражает вязкоупругость |
| Corvis ST | SP-A1, CBI, черепно-мозговая травма | Анализ деформации по видео |
| Микроскоп Бриллюэна | Модуль упругости | 3D-картирование глубины |
ORA — это бесконтактный пневматический прибор производства Reichert2). Он электрооптически контролирует центральную часть роговицы (3–6 мм) с помощью инфракрасного света, одновременно повышая и понижая давление, и измеряет процесс деформации и восстановления роговицы в течение примерно 30 миллисекунд.
Основные рассчитываемые параметры следующие:
Считается, что CH в основном отражает вязкостные свойства роговицы, тогда как CRF в основном отражает эластические свойства2).
Corvis ST (компания Oculus) использует высокоскоростную камеру Шеймпфлюга с частотой 4330 кадров в секунду для непрерывной съемки горизонтального сечения роговицы размером 8,5 мм, записывая деформацию роговицы под воздействием воздушной струи в виде видео2).
Параметры деформации роговицы в основном рассчитываются в три момента времени:
В каждый момент времени рассчитываются прошедшее время, длина уплощенного участка, скорость деформации и расстояние смещения вершины роговицы. Основные клинические параметры следующие:
Corvis ST, как и ORA, может использоваться в качестве тонометра и рассчитывает биомеханически скорректированное внутриглазное давление (bIOP).
ORA
Двунаправленная аппланация воздушной струей : отслеживает деформацию и восстановление роговицы с помощью инфракрасного излучения.
Параметры : CH, CRF, IOPg, IOPcc. Предоставляет общие показатели вязкоупругости.
Выпущен в 2005 году : первое коммерческое устройство, позволившее проводить измерения биомеханики роговицы in vivo.
Corvis ST
Высокоскоростная камера Шаймпфлюга : записывает видео деформации поперечного сечения роговицы со скоростью 4 330 кадров в секунду.
Параметры : SP-A1, CBI, TBI, SSI, DA ratio и др. Может рассчитывать интегрированные показатели с томографией.
Расширяемость : возможны новые показатели, такие как карта SSI, и интегрированный анализ с ИИ на Pentacam HR.
Бриллюэновская микроскопия (Brillouin microscopy) анализирует взаимодействие света и акустических фононов, обеспечивая неинвазивное трехмерное картирование биомеханических свойств роговицы 1). По сдвигу частоты в ГГц оценивается продольный модуль упругости ткани.
В то время как ORA и Corvis ST измеряют усредненный ответ всей роговицы, бриллюэновская микроскопия обладает глубинным разрешением и визуализирует локальное распределение упругости 1). Ожидается ее применение для послойной оценки эффекта кросслинкинга после CXL и выявления локального снижения жесткости при кератоконусе. В настоящее время длительное время измерения и влияние факторов окружающей среды остаются проблемами, и клиническое применение еще не достигнуто.
Оптическая когерентная эластография (Optical Coherence Elastography; OCE) измеряет смещение внутри стромы роговицы под действием внешней силы 1). Она позволяет оценить деформацию средних и задних слоев роговицы и полезна для анализа глубинной зависимости биомеханических свойств.
ORA вычисляет корнеальный гистерезис (CH) и фактор сопротивления роговицы (CRF) по изменениям инфракрасного сигнала, оценивая вязкоупругость в целом. Corvis ST записывает на видео деформацию поперечного сечения роговицы с помощью быстрой камеры Шаймпфлюга и вычисляет множество динамических параметров. Corvis ST отличается тем, что благодаря интеграции с Pentacam HR может использовать комплексные показатели на основе ИИ, такие как черепно-мозговая травма.
Измерение биомеханики роговицы играет важную роль в раннем выявлении кератоконуса, оценке рефракционной хирургии, коррекции измерения внутриглазного давления и оценке эффективности CXL.
При эктатических заболеваниях роговицы биомеханические изменения предшествуют морфологическим изменениям 5). Даже на стадии, когда топография или томография не могут обнаружить аномалии, биомеханическая оценка может позволить раннюю диагностику.
На ранней стадии кератоконуса локальное снижение модуля упругости связано с разрушением коллагеновых волокон, и запускается цикл биомеханической декомпенсации 7). Напряжение возрастает и перераспределяется, что приводит к истончению и уплощению роговицы.
Диагностическая способность основных показателей для раннего выявления кератоконуса следующая 7).
| Показатель | Значение SUCRA | Примечания |
|---|---|---|
| Черепно-мозговая травма | 96,2 | Наиболее точный |
| CBI | 83,8 | Второй по точности показатель |
| CRF | 66,4 | Производное ORA |
Согласно критериям Brar и соавт., биомеханически подозрительный глаз определяется как CBI > 0,5 и TBI > 0,297). Для избежания ложноотрицательных результатов рекомендуется комбинация томографии роговицы (визуализация Шаймпфлюга и др.) и биомеханической оценки5)7).
Согласно всестороннему обзору Wang и соавт. (2025), комбинированные модели томографии и биомеханики превосходят отдельные параметры в выявлении FFKC (forme fruste кератоконуса). Логистическая регрессионная модель Luz и соавт. достигла AUROC 0,953 (чувствительность 85,71%, специфичность 98,68%)2).
В исследованиях с ORA глаза с FFKC показали значительно более низкие CH и CRF по сравнению с нормальными глазами2). Глаза VAE-NT (очень асимметричная эктазия с нормальной топографией) имели CH 8,5 ± 1,5 мм рт. ст. и CRF 8,3 ± 1,5 мм рт. ст., что ниже, чем в нормальной контрольной группе2).
TBI Corvis ST демонстрирует AUROC 0,985 для глаз VAE-NT, а чувствительность CBI (99,1%) и TBI (99,6%) достигает чрезвычайно высоких значений в выявлении топографически аномального кератоконуса2).
Рефракционная хирургия удаляет или деформирует строму роговицы, влияя на биомеханические свойства4). Послеоперационная эктазия роговицы встречается редко (0,04–0,6%), но является серьезным осложнением, поэтому важна предоперационная биомеханическая оценка4).
Согласно систематическому обзору Pniakowska и соавт. (2023), включающему 17 проспективных исследований, снижение биомеханики наиболее выражено после LASIK (абляция стромы с формированием лоскута), затем после SMILE (экстракция лентикулы) и поверхностной абляции (PRK/LASEK)4).
Основные выводы о послеоперационной биомеханике:
Средние значения CH и CRF после поверхностной кератэктомии составили CH 8,68 ± 0,94 мм рт. ст. и CRF 8,39 ± 1,08 мм рт. ст.4). При SMILE через 3 месяца после операции CH был значительно выше, чем при LASEK, но через 3 года разница между группами исчезла4).
Сообщается, что комбинация биомеханических показателей и топографических параметров улучшает точность прогнозирования рефракционной хирургии более чем на 25%7). У пациентов с низкой жесткостью роговицы риск послеоперационной остаточной рефракционной ошибки в 2–3 раза выше7).
Измерение внутриглазного давления (ВГД) с помощью тонометра аппланационного Гольдмана (GAT) зависит от толщины роговицы и ее биомеханических свойств5).
При эктатических заболеваниях роговицы или после рефракционной хирургии истончение ткани и биомеханическая слабость приводят к искусственно заниженным показателям аппланационного ВГД5). Рекомендуются следующие альтернативные устройства:
IOPcc, рассчитанный с помощью ORA, менее подвержен влиянию центральной толщины роговицы (CCT) и CH и более точно отражает истинное ВГД.
CXL — это метод лечения, усиливающий поперечные связи в строме роговицы с помощью рибофлавина и УФА, эффективный для замедления прогрессирования кератоконуса6). Он повышает биомеханическую жесткость роговицы, однако доказательства механизма действия на прямом ультраструктурном уровне недостаточны6).
Ларкин и соавт. (2021) в многоцентровом рандомизированном контролируемом исследовании Keralink оценили эффективность CXL у молодых пациентов с кератоконусом. Распространенность кератоконуса в Нидерландах составляет 1:375, а в Австралии среди 20-летних достигает 1:846). Сообщается, что CXL эффективен для сдерживания прогрессирования кератоконуса у большинства взрослых, однако доверительные интервалы широки, и также отмечен риск систематической ошибки6).
После CXL повышается SP-A1, и Corvis ST позволяет объективно оценить улучшение жесткости роговицы1). Следует отметить, что необходима достаточная толщина роговицы; при выраженном истончении сообщается о протоколах, таких как sub400.
Поверхностная абляция (PRK/LASEK) оказывает наименьшее влияние на биомеханику, за ней следуют SMILE и LASIK4). При SMILE не создается лоскут, поэтому структурная целостность передней поверхности роговицы сохраняется лучше. При LASIK тонкий лоскут, а при SMILE толстая крышка благоприятны для сохранения.
Роговица состоит из пяти слоев (эпителий, слой Боумена, строма, десцеметова мембрана, эндотелий). Строма, составляющая около 90% толщины, определяет биомеханику1). Строма состоит из коллагеновых волокон I и V типов и протеогликанов. Ориентация, плотность и сшивка коллагеновых волокон являются основными факторами, определяющими биомеханические свойства.
Механическое поведение роговицы имеет следующие характеристики1):
Tahsini и соавт. (2025) с помощью SSI-карты разделили роговицу на 9 зон: центральную, парацентральную (4 зоны) и периферическую (4 зоны) и проанализировали жесткость по областям. Средняя SSI центральной и периферической зон была высокой (1,153 ± 0,079), тогда как парацентральных зон — низкой (0,890 ± 0,057). Особенно нижняя парацентральная зона (зоны 4 и 5) была наиболее слабой с SSI = 0,8333).
Слабость нижней парацентральной зоны соответствует клиническому факту, что кератоконус типично развивается в нижней части3). Это позволяет предположить, что механически слабые участки более склонны к биомеханической декомпенсации.
Также была обнаружена значительная разница между верхней парацентральной зоной (SSI = 0,945) и нижней парацентральной зоной (SSI = 0,833), причем носовая сторона (SSI = 0,903) показала slightly более высокую жесткость, чем височная (SSI = 0,879)3).
На ранней стадии кератоконуса происходит локальное снижение модуля упругости, что инициирует разрушение и дегенерацию коллагеновых волокон7). Это запускает цикл биомеханической декомпенсации:
В пораженной области наблюдаются усиление деградации коллагена, потеря кератоцитов, уменьшение поперечных сшивок коллагена и значительное ослабление реакции на напряжение-деформацию. Генетика, привычка тереть глаза, микротравмы от контактных линз и атопия перечислены как факторы, способствующие биомеханической дегенерации.
Согласно анализу SSI-карты, нижняя парацентральная зона показывает самое низкое значение жесткости (SSI = 0,833)3). Эта зона соответствует месту предпочтительного развития кератоконуса, и ее врожденная механическая слабость может способствовать развитию заболевания.
SSI II (карта SSI) — это новая технология, основанная на конечно-элементном моделировании и модели распределения коллагеновых волокон, которая визуализирует распределение жесткости поверхности роговицы в двух измерениях2)3).
Tahsini и соавт. (2025) проанализировали возрастные изменения жесткости роговицы по областям с помощью карты SSI. Уплотнение прогрессирует быстрее в уже жестких областях (периферия: 0,0058–0,0067/год) и медленнее в слабых областях (нижняя парацентральная: 0,0039/год). Обнаружена очень высокая корреляция (Пирсон r = 0,96) между SSI правого и левого глаза3).
Ожидается, что карта SSI будет полезна для понимания механизмов возникновения и прогрессирования кератоконуса, а также для индивидуализации лечения CXL. Предполагается применение для персонализированного лечения в зависимости от возраста пациента и области роговицы3).
Внедрение методов ИИ и машинного обучения повышает точность выявления кератоконуса2).
Согласно обзору Wang и соавт. (2025), алгоритмы ИИ достигают точности около 98% при выявлении манифестного кератоконуса, но только около 90% при субклинической форме, что оставляет риск пропуска2).
Анализ с использованием метода случайного леса, объединяющий метрики Pentacam HR и Corvis ST, показал специфичность 93% и чувствительность 86% для классификации субклинического кератоконуса2). Диагностическая модель с использованием нейронной сети обратного распространения достигла AUROC 0,877, продемонстрировав лучшую способность выявления FFKC по сравнению с CBI (0,610) и TBI (0,659)2).
Микроскопия Бриллюэна — это многообещающая технология, позволяющая проводить трехмерное эластическое картирование роговицы1). Показана ее полезность для послойной оценки эффекта сшивки после CXL и визуализации локального снижения жесткости при кератоконусе. Повышение точности измерений за счет интеграции ИИ и клиническое внедрение являются будущими направлениями1).
Кератоконус возникает билатерально, но один глаз может оставаться бессимптомным (FFKC/VAE-NT)2). Предпринимаются попытки прогнозировать будущий риск развития путем биомеханической оценки контралатерального глаза пациентов с клиническим кератоконусом на одном глазу. TBI показывает высокую чувствительность выявления в глазах VAE-NT, и сравнение между двумя глазами может быть ключом к ранней диагностике2).
