พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics: CFD) เป็นเทคนิคทางวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่วิเคราะห์การไหลของของไหลโดยใช้วิธีการเชิงตัวเลขและอัลกอริทึมตามสมการนาเวียร์-สโตกส์ โดยการใช้กฎของพลศาสตร์ของไหลกับแบบจำลองเชิงคำนวณที่แสดงถึงโครงสร้าง สามารถอนุมานรูปแบบการไหล การกระจายความดัน และความเค้นเฉือนได้
ดวงตาเป็นอวัยวะที่มีของไหลความเข้มข้นสูง (อารมณ์ขันในน้ำและวุ้นตา) จึงเหมาะสมอย่างยิ่งที่จะเป็นแบบจำลองสำหรับการวิเคราะห์ CFD สาขาการประยุกต์ใช้หลักในจักษุวิทยามีดังนี้:
CFD ประสบความสำเร็จอย่างมากในสาขาหัวใจและหลอดเลือด (หลอดเลือดแดงแข็ง การออกแบบขดลวดค้ำยัน) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความร่วมมือกับสาขาการแพทย์อื่นๆ รวมถึงจักษุวิทยาเพิ่มขึ้น และการวิจัยเชิงรุกผ่านความร่วมมือแบบสหสาขาวิชาชีพ (แพทย์ นักคณิตศาสตร์ นักฟิสิกส์) กำลังคึกคักมากขึ้น
ในฐานะขั้นตอนการทำให้สมการนาเวียร์-สโตกส์ง่ายขึ้น การกำจัดเทอมความหนืดจะได้สมการออยเลอร์ การกำจัดเทอมความหมุนวนจะได้สมการศักย์สมบูรณ์ และการทำให้เป็นเชิงเส้นจะได้สมการศักย์เชิงเส้น ในสภาวะคงที่ภายในช่องหน้าม่านตา จำนวนเรย์โนลด์สสูงสุดมีขนาดเล็กมาก (ประมาณ 0.01) แต่ในปรากฏการณ์ชั่วคราวเช่นการกระพริบตา จำเป็นต้องใช้สมการนาเวียร์-สโตกส์แบบเต็ม
CFD (พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ) เป็นเทคนิคการจำลองการไหลของของไหลด้วยคอมพิวเตอร์ ในจักษุวิทยา ส่วนใหญ่ใช้ในการวิเคราะห์ความผิดปกติของการไหลของอารมณ์ขันน้ำที่ทำให้เกิดโรคต้อหิน ทำนายการแพร่กระจายของยาหลังการฉีดเข้าแก้วตา และปรับพฤติกรรมของของไหลระหว่างการผ่าตัดต้อกระจก เนื่องจากดวงตาเป็นอวัยวะที่มีของเหลวมาก จึงเหมาะสมอย่างยิ่งที่จะเป็นแบบจำลองสำหรับการวิเคราะห์ CFD
อารมณ์ขันน้ำถูกหลั่งโดยเยื่อบุผิวไม่มีเม็ดสีของ pars plicata ของซิลิอารีบอดีเข้าสู่ช่องหลัง อัตราการผลิตในเวลากลางวันประมาณ 3.0 ไมโครลิตร/นาที และอารมณ์ขันน้ำในช่องหน้า (ปริมาตรมาตรฐานประมาณ 250 ไมโครลิตร) จะถูกแทนที่ภายใน 1-2 ชั่วโมง อารมณ์ขันน้ำไหลผ่านรูม่านตาเข้าสู่ช่องหน้า และถูกระบายออกส่วนใหญ่ผ่านทางเดิน trabecular-canal of Schlemm (ทางเดินหลัก: 80-95%) และทางเดิน uveoscleral (ทางเดินรอง: 5-20%)2)
ตำแหน่งหลักของความต้านทานการไหลในทางเดินหลักอยู่ในเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน juxtacanalicular ซึ่งมี เมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) อยู่4) การหมุนเวียนของ ECM อย่างต่อเนื่องจำเป็นต่อการรักษาการควบคุมความดันลูกตา และได้มีการทดลองแสดงให้เห็นว่าการจัดการ ECM ใน trabecular meshwork สามารถเปลี่ยนอัตราการไหลออกได้4)
«ทางเดินไหลออกมีกลไกสภาวะสมดุลที่รับรู้ความเบี่ยงเบนของความดันอย่างต่อเนื่องและปรับความต้านทานการไหลออกอย่างชดเชยเพื่อรักษาความดันลูกตาให้อยู่ในช่วงปกติ»4)
บนเยื่อฐานของเซลล์บุผนังด้านในของ canal of Schlemm (SCE) มีความไม่ต่อเนื่องระดับต่ำกว่าไมครอน และผ่านช่องเหล่านี้ อารมณ์ขันน้ำจะถูกระบายออกทางแวคิวโอลขนาดใหญ่และรูพรุน4) สมมติฐานที่ว่าเซลล์ในเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน juxtacanalicular (JCT) ควบคุมความต้านทานการไหลออกโดยการควบคุมทิศทางและความเข้มข้นของ versican ได้รับการทดสอบแล้ว4)
ความดันลูกตาเป็นพารามิเตอร์ที่ซับซ้อนซึ่งไม่สามารถลดลงเป็นตัวเลขเดียวได้3) ความดันลูกตาแปรผันตามเวลา แตกต่างกันไปตามตำแหน่งภายในดวงตา และได้รับผลกระทบจากวิธีการวัด3)
| ลักษณะของความดันลูกตา | เนื้อหา |
|---|---|
| คำจำกัดความ | ความแตกต่างของความดันจากความดันบรรยากาศ (mmHg) |
| ความดันลูกตาปกติ | ประมาณ 15 mmHg (ความดันบรรยากาศ + 2 kPa) |
| ความผันแปรในรอบวัน | การผลิตอารมณ์ขันน้ำลดลงครึ่งหนึ่งในเวลากลางคืน |
ความเครียดเชิงกลที่เกิดจากความดันลูกตามีผลต่อการทำงานของแอกซอนที่หัวประสาทตา (ONH) ทำให้เกิดการปรับเปลี่ยนเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) เฉพาะที่และการตายของเซลล์ปมประสาทจอตา (RGC)3) แผ่นคริบริฟอร์ม (LC) เป็นโครงสร้างคล้ายหน้าต่างที่ปิดช่องเปิดของท่อตาขาว และถือเป็นตำแหน่งหลักของความเสียหายในโรคต้อหิน3)
ในตาปกติ ความเครียดหลักสูงสุดในบริเวณ LC อยู่ที่ประมาณ 3% ภายใต้ความดัน 5–45 มิลลิเมตรปรอท โดยมีค่าสูงกว่าที่บริเวณรอบนอกเมื่อเทียบกับศูนย์กลาง3) มีรายงานว่าความเครียดประสิทธิผลแตกต่างกันตามชนิดของโรค: ตาความดันลูกตาสูง (3.96%), ตาต้อหินมุมเปิดปฐมภูมิ (POAG) (6.04%) และตาต้อหินมุมปิดปฐมภูมิ (PACG) (4.05%)3)
ปัจจัยที่ขึ้นกับความดันลูกตา
ความเครียดเชิงกล: ความดันลูกตาทำให้คานเนื้อเยื่อเกี่ยวพันของแผ่นคริบริฟอร์มผิดรูป ความดันสูงทำให้เกิดการปรับเปลี่ยนอย่างกว้างขวางและการเคลื่อนไปทางด้านหลังของ LC3)
การขัดขวางการขนส่งแอกซอน: ความเครียดที่เกี่ยวข้องกับความดันลูกตาทำให้การขนส่งแอกซอนทั้งแบบไปข้างหน้าและย้อนกลับถูกปิดกั้นที่ LC3)
กลไกตรวจจับเชิงกล: การผิดรูปของเยื่อหุ้มเซลล์ → การเปิดช่องไอออน, การส่งสัญญาณการจับของอินทีกริน → การตอบสนองของเซลล์3)
ปัจจัยที่ไม่ขึ้นกับความดันลูกตา
ความผิดปกติของการไหลเวียน: ความสัมพันธ์กับเลือดออกที่หัวประสาทตา, ฝ่อรอบหัวประสาทตา, ความดันเลือดไปเลี้ยงลูกตาต่ำ, ความดันโลหิตช่วงคลายตัวต่ำ
ปัจจัยเสี่ยง: อายุมาก, ประวัติครอบครัว, อัตราส่วน C/D ใหญ่, กระจกตาบาง, ฮิสเทอรีซิสกระจกตาต่ำ1)2)
การตายของ RGC: วิถีอะพอพโทซิส, การพร่องปัจจัยเลี้ยงเซลล์ประสาท, การสะสมไมโทคอนเดรีย
ตำแหน่งหลักของความต้านทานการไหลของอารมณ์ขันน้ำคือเมทริกซ์นอกเซลล์ของเนื้อเยื่อเกี่ยวพันข้างคลองชเลมม์ (JCT) ในชั้นที่ลึกที่สุดของ trabecular meshwork ECM ในบริเวณนี้จะถูกหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาความดันลูกตาให้อยู่ในช่วงปกติ ในโรคต้อหิน กลไกการควบคุมนี้ล้มเหลว ส่งผลให้ความต้านทานการไหลเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติ CFD ช่วยให้เข้าใจพยาธิวิทยาโดยการวิเคราะห์เชิงตัวเลขของพฤติกรรมของของไหลในระดับโครงสร้างจุลภาคนี้
กลไกทางกายภาพห้าประการที่ทำให้เกิดการไหลของอารมณ์ขันในช่องหน้าลูกตาได้รับการระบุ:
การไหลแบบลอยตัวเนื่องจากความลาดชันของอุณหภูมิมีความโดดเด่นมากที่สุด และมีขนาดใหญ่กว่าความเร็วการไหลที่เกิดจากกลไกทางกายภาพอื่นๆ หลายลำดับความสำคัญ การคำนวณความเค้นเฉือนโดยใช้ CFD แสดงให้เห็นว่าการไหลแบบลอยตัวเพียงอย่างเดียวไม่สามารถอธิบายการหลุดลอกของอนุภาคเม็ดสีจากม่านตาได้
ความเค้นเฉือนต่อเซลล์เยื่อบุผนังกระจกตาหลังการผ่าม่านตาด้วยเลเซอร์ได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ CFD โดยเฉพาะในดวงตาที่มีช่องหน้าตื้น ความเค้นเฉือนต่อเซลล์เยื่อบุผนังกระจกตาหลัง LI อาจถึงระดับที่เพียงพอที่จะทำให้เกิดความเสียหายและการสูญเสียเซลล์
ในการจำลอง CFD ของการกระจายยาในส่วนหลังของดวงตาหลังการฉีดหรือการปลูกถ่ายภายในวุ้นตา แสดงให้เห็นว่าเวลาในการฉีด ขนาดเข็ม และมุมแทงเข็มมีผลต่อโปรไฟล์ความเข้มข้นของยา ตำแหน่งการปลูกถ่าย (ส่วนหน้าเทียบกับส่วนหลัง) และรูปร่างก็มีผลต่อความเข้มข้นภายในลูกตาเช่นกัน แบบจำลองดังกล่าวอาจมีส่วนช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพของผลการรักษาและลดความเป็นพิษต่อเนื้อเยื่อ
แบบจำลองการถ่ายเทความร้อนของเลนส์แสดงให้เห็นว่าการสัมผัสความร้อนจากการทำงาน (เช่น ในร้านเบเกอรี่) อาจทำให้เลนส์เสียหายได้ นอกจากนี้ ในการประเมินเชิงคำนวณของบทบาทของการปรับโฟกัสในต้อหินชนิดเม็ดสี ได้รับการยืนยันว่า การปรับโฟกัสทำให้เกิดการโค้งงอด้านหลังของม่านตา และระดับความโค้งนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณการปรับโฟกัสอย่างมาก
นอกจากนี้ยังมีความพยายามในการตรวจสอบคุณสมบัติทางอุทกพลศาสตร์ของอารมณ์ขันโดยใช้ CFD สำหรับเลนส์แก้วตาเทียมชนิดพาคิกหลังช่องปรับปรุง (ICL) ที่มีรูตรงกลางเพื่อปรับปรุงการไหลเวียนของอารมณ์ขัน
CFD มีส่วนช่วยในหลายด้านเพื่อทำความเข้าใจพยาธิสรีรวิทยาของโรคต้อหิน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รวมถึง: (1) การวิเคราะห์รูปแบบการไหลของอารมณ์ขันในน้ำและการกระจายอุณหภูมิในช่องหน้าม่านตา (2) การประเมินเชิงปริมาณของความต้านทานการไหลผ่าน trabecular meshwork (3) การทำนายแรงเฉือนบนเซลล์เยื่อบุผนังกระจกตาหลังการรักษาด้วยเลเซอร์ (4) การสร้างแบบจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างอารมณ์ขันในน้ำและม่านตา และ (5) การวิเคราะห์กลไกการอุดตันของรูม่านตา ในอนาคต คาดว่าการบูรณาการกับข้อมูลทางคลินิกจะนำไปใช้ในการพัฒนากลยุทธ์การรักษาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับผู้ป่วยแต่ละราย
- 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.
