Вычислительная гидродинамика (Computational Fluid Dynamics: CFD) — это метод вычислительной науки, который анализирует течение жидкостей с помощью численных методов и алгоритмов на основе уравнений Навье-Стокса. Применяя законы гидродинамики к вычислительной модели, представляющей структуру, можно оценить картину течения, распределение давления, напряжение сдвига и т.д.
Глаз — это орган, содержащий жидкости высокой концентрации (водянистая влага, стекловидное тело), и поэтому он является очень подходящей моделью для анализа CFD. Основные области применения в офтальмологии следующие:
Динамика водянистой влаги и глаукома: анализ потока в передней камере, сопротивление оттоку через трабекулярную сеть, механизмы регуляции внутриглазного давления.
Интравитреальная фармакокинетика: моделирование распределения лекарств после интравитреальной инъекции или имплантации.
Хрусталик и аккомодация: модель теплопередачи, деформация хрусталика при аккомодации, гидродинамика во время операции по удалению катаракты.
CFD уже добилась значительных успехов в сердечно-сосудистой области (атеросклероз, дизайн стентов). В последние годы сотрудничество с другими медицинскими областями, включая офтальмологию, усилилось, и междисциплинарные исследования (врачи, математики, физики) стали более активными.
При упрощении уравнений Навье-Стокса, удаляя член вязкости, получаем уравнение Эйлера, удаляя член завихренности — уравнение полного потенциала, а линеаризуя — линеаризованное уравнение потенциала. В стационарном состоянии передней камеры максимальное число Рейнольдса составляет около 0,01, что очень мало, но для переходных явлений, таких как моргание, необходимо полное использование уравнений Навье-Стокса.
QЧто такое CFD? Как она применяется в офтальмологии?
A
CFD (вычислительная гидродинамика) — это метод компьютерного моделирования потоков жидкости. В офтальмологии он применяется в основном для анализа аномалий тока водянистой влаги, вызывающих глаукому, прогнозирования распространения лекарств после интравитреальной инъекции и оптимизации поведения жидкости во время операции по удалению катаракты. Глаз — орган, богатый жидкостью, поэтому он очень подходит для моделирования CFD.
6. Гидродинамические основы динамики водянистой влаги
Водянистая влага секретируется в заднюю камеру непигментированным эпителием цилиарного тела. Дневная продукция составляет около 3,0 мкл/мин, и водянистая влага стандартного объема передней камеры (около 250 мкл) обновляется за 1–2 часа. Водянистая влага поступает через зрачок в переднюю камеру и отводится в основном через трабекулярную сеть-шлеммов канал (основной путь: 80–95%) и увеосклеральный путь оттока (второстепенный путь: 5–20%)2).
Основным местом сопротивления оттоку в главном пути является область юкстаканаликулярной соединительной ткани, содержащая внеклеточный матрикс (ECM)4). Непрерывный обмен ECM необходим для поддержания регуляции внутриглазного давления, и экспериментально показано, что манипуляции с ECM трабекулярной сети могут изменять скорость оттока4).
«Путь оттока обладает гомеостатическим механизмом, который воспринимает постоянные отклонения давления и компенсаторно регулирует сопротивление оттоку для поддержания внутриглазного давления в нормальном диапазоне»4)
Базальная мембрана эндотелиальных клеток внутренней стенки шлеммова канала (SCE) имеет субмикронные разрывы, через которые водянистая влага отводится через гигантские вакуоли и поры4). Гипотеза о том, что клетки юкстаканаликулярной соединительной ткани (JCT) регулируют сопротивление оттоку, манипулируя ориентацией и концентрацией версикана, была подтверждена4).
Внутриглазное давление — это сложный параметр, который нельзя свести к одному числовому значению3). Оно меняется со временем, различается в зависимости от положения внутри глаза и зависит от метода измерения3).
Характеристики внутриглазного давления
Содержание
Определение
Разница с атмосферным давлением (мм рт. ст.)
Нормальное внутриглазное давление
Около 15 мм рт. ст. (атмосферное давление + 2 кПа)
Суточные колебания
Ночью продукция водянистой влаги снижается вдвое
Механическая деформация, вызванная внутриглазным давлением (ВГД), влияет на аксональную функцию в области диска зрительного нерва (ДЗН), приводя к локальному ремоделированию внеклеточного матрикса (ВКМ) и гибели ганглиозных клеток сетчатки (ГКС)3). Решетчатая пластинка (РП) представляет собой окончатую структуру, покрывающую отверстие склерального канала, и считается первичным местом повреждения при глаукоме3).
В нормальном глазу максимальная главная деформация РП при давлении от 5 до 45 мм рт. ст. составляет около 3%, причем в периферических отделах значения выше, чем в центре3). Сообщается, что эффективная деформация различается в зависимости от типа глаукомы: глаз с офтальмогипертензией (3,96%), первичная открытоугольная глаукома (ПОУГ) (6,04%) и первичная закрытоугольная глаукома (ПЗУГ) (4,05%)3).
Факторы, зависимые от внутриглазного давления
Механический стресс : Внутриглазное давление деформирует соединительнотканные трабекулы решетчатой пластинки. При высоком ВГД происходит обширное ремоделирование РП и ее смещение кзади3).
Нарушение аксонального транспорта : Деформация, связанная с ВГД, блокирует антероградный и ретроградный аксональный транспорт в РП3).
Механосенсоры : Деформация клеточной мембраны → открытие ионных каналов, сигнализация через связывание интегринов → клеточный ответ3).
Факторы, не зависимые от внутриглазного давления
Нарушение кровообращения : Связь с папиллярным кровоизлиянием, перипапиллярной атрофией, низким перфузионным давлением глаза, низким диастолическим артериальным давлением.
QГде возникает сопротивление оттоку водянистой влаги?
A
Основным местом сопротивления оттоку водянистой влаги является внеклеточный матрикс юкстаканаликулярной соединительной ткани (ЮКСТ) в самом глубоком слое трабекулярной сети. Непрерывный обмен ВКМ в этой области поддерживает внутриглазное давление в нормальном диапазоне. При глаукоме этот регуляторный механизм нарушается, что приводит к аномальному повышению сопротивления оттоку. CFD способствует пониманию патологии путем численного анализа поведения жидкости на этом микроструктурном уровне.
Взаимодействие выталкивающей силы и гравитации в положении лежа на спине
Поток, вызванный дрожанием хрусталика (факодонез)
Поток, вызванный быстрыми движениями глаз во время быстрого сна (REM)
Выталкивающий поток, обусловленный градиентом температуры, является наиболее доминирующим и на несколько порядков превышает скорость потока, вызванного другими физическими механизмами. Расчеты касательного напряжения с помощью CFD показали, что один только выталкивающий поток не может объяснить отслоение частиц пигмента от радужки.
С помощью CFD было проанализировано касательное напряжение, воздействующее на клетки эндотелия роговицы (CEC) после лазерной иридотомии (LI) из-за изменения потока водянистой влаги. В частности, в глазах с мелкой передней камерой касательное напряжение на CEC после LI может достигать величины, достаточной для повреждения и потери клеток.
Моделирование CFD распределения лекарств в заднем сегменте после интравитреальной инъекции или имплантации показывает, что время инъекции, калибр иглы и угол введения влияют на профиль концентрации лекарства. Расположение имплантата (переднее vs заднее) и его форма также влияют на внутриглазную концентрацию. Такие модели могут способствовать оптимизации терапевтической эффективности и снижению токсичности тканей.
Модели теплопередачи хрусталика показывают, что профессиональное тепловое воздействие (например, в пекарнях) может вызвать повреждение хрусталика. Кроме того, компьютерная оценка роли аккомодации при пигментной глаукоме подтвердила, что аккомодация вызывает задний изгиб задней части радужки, и степень ее кривизны сильно зависит от величины аккомодации.
Также предпринимаются попытки исследовать с помощью CFD гидродинамические свойства водянистой влаги в модифицированных факичных заднекамерных линзах (ICL) с центральным отверстием для улучшения циркуляции водянистой влаги.
QКак CFD способствует исследованиям глаукомы?
A
CFD вносит вклад в понимание патофизиологии глаукомы по нескольким направлениям. В частности, это (1) анализ паттернов тока водянистой влаги и распределения температуры в передней камере, (2) количественная оценка сопротивления оттоку через трабекулярную сеть, (3) прогнозирование напряжения сдвига на эндотелиальных клетках роговицы после лазерного лечения, (4) моделирование взаимодействия водянистой влаги и радужки, (5) анализ механизма зрачкового блока. В будущем ожидается, что интеграция с клиническими данными позволит разрабатывать оптимизированные стратегии лечения для каждого пациента.
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.
Скопируйте текст статьи и вставьте его в выбранный ИИ-ассистент.
Статья скопирована в буфер обмена
Откройте ИИ-ассистент ниже и вставьте скопированный текст в чат.
