Cơ sinh học giác mạc là một khái niệm bao gồm các đặc tính cơ học của giác mạc. Giác mạc là một “vật thể nhớt đàn hồi” có cả tính chất đàn hồi và độ nhớt, và hành vi biến dạng và phục hồi dưới tác động của ngoại lực đặc trưng cho chức năng của nó.
“Đàn hồi” là tính chất của vật rắn bị biến dạng do áp lực trở lại hình dạng ban đầu. “Độ nhớt” thể hiện mức độ nhớt của chất lỏng. Hầu hết các mô sống là vật thể nhớt đàn hồi, và giác mạc là một trong số đó.
Khi áp lực tác động lên giác mạc, nó biến dạng, và khi giảm áp, nó cố gắng trở lại hình dạng ban đầu. Trong quá trình này, quỹ đạo trong lúc tăng áp và giảm áp không trùng khớp. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng trễ (hysteresis). Độ trễ là chỉ số năng lượng tiêu tán trong quá trình biến dạng và phục hồi, phản ánh đặc tính cơ học của giác mạc1).
Mô đun đàn hồi (mô đun Young) của giác mạc đã được báo cáo trong một phạm vi rộng từ 0,1 đến 57 MPa tùy thuộc vào điều kiện và phương pháp đo in vitro1). Mô đun Young càng cao, mô càng cứng và khó biến dạng.
Cơ sinh học giác mạc ngày càng trở nên quan trọng trong các tình huống lâm sàng sau:
Hiện tại, chỉ có hai thiết bị có thể đánh giá định lượng cơ sinh học giác mạc in vivo: Ocular Response Analyzer (ORA) và Corvis ST. Khái niệm cơ sinh học giác mạc vẫn còn mới và việc giải thích kết quả đo vẫn cần nghiên cứu thêm.
Độ trễ giác mạc (CH) là một thông số được đo bằng chênh lệch giữa áp lực làm phẳng khi tăng áp và khi giảm áp (P1 − P2) khi giác mạc bị biến dạng bởi luồng khí. Nó phản ánh tính chất đàn hồi nhớt của giác mạc, đặc biệt là khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng. CH thấp trong bệnh giác mạc hình chóp; xem phần “Ý nghĩa lâm sàng và Ứng dụng” để biết chi tiết.
Cơ sinh học giác mạc bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố 1). Dưới đây là tóm tắt các yếu tố quan trọng về mặt lâm sàng.
Độ cứng của giác mạc tăng đáng kể theo tuổi 1). Nguyên nhân chính là sự gia tăng tự nhiên của các liên kết chéo collagen và sự biến đổi sợi do glycation.
Tahsini và cộng sự (2025) đã phân tích bản đồ Chỉ số Ứng suất-Biến dạng (SSI) trên 72 người khỏe mạnh và cho thấy SSI tăng đáng kể từ 0,938 ± 0,067 ở nhóm 20-50 tuổi lên 1,143 ± 0,064 ở nhóm 50-80 tuổi (Pearson r = 0,92, p < 0,001) 3). Tốc độ cứng hóa thay đổi theo vị trí, tiến triển nhanh hơn ở những vùng vốn đã cứng hơn.
CCT tương quan thuận với CH và CRF 1). Giác mạc càng dày thì các giá trị này càng cao. Nó cũng ảnh hưởng đến đo áp lực nội nhãn, trong đó giác mạc dày hơn có xu hướng đánh giá quá cao áp lực nội nhãn.
Mối quan hệ giữa áp lực nội nhãn (IOP) và cơ sinh học giác mạc rất phức tạp 1). Tăng IOP làm giảm giá trị CH, nhưng điều này một phần do đặc tính của hệ thống đo, không phải do thay đổi thực sự của giác mạc. Ở bệnh nhân glôcôm, CH thấp được báo cáo là yếu tố nguy cơ tiến triển thị trường.
Estrogen ảnh hưởng đến liên kết chéo collagen và làm giảm độ cứng giác mạc 1). CH dao động trong chu kỳ kinh nguyệt và thai kỳ. Nên tránh phẫu thuật khúc xạ trong thai kỳ.
Trong phù giác mạc, độ cứng giảm khi hàm lượng nước tăng1). Duy trì hàm lượng nước bình thường (khoảng 78%) góp phần vào sự ổn định cơ học.
Trong bệnh đái tháo đường, quá trình glycation không enzyme của collagen tiến triển, làm tăng độ cứng giác mạc1). Có báo cáo rằng CH và CRF ở bệnh nhân đái tháo đường cao hơn ở người khỏe mạnh.
CXL là phương pháp điều trị sử dụng tia cực tím bước sóng dài (UVA) và riboflavin để tăng cường liên kết ngang giữa các sợi collagen, làm tăng độ cứng giác mạc1). SP-A1 tăng sau CXL, phản ánh khách quan sự cải thiện độ cứng. Về việc ức chế tiến triển của bệnh giác mạc hình nón bằng CXL, xem phần «Ý nghĩa lâm sàng và ứng dụng».
Giác mạc trở nên cứng hơn khi lão hóa. Sự gia tăng tự nhiên của liên kết ngang collagen và glycation là nguyên nhân chính, và trong một nghiên cứu sử dụng bản đồ SSI, SSI tăng khoảng 22% từ nhóm 20-50 tuổi lên nhóm 50-80 tuổi3). Tuy nhiên, tốc độ cứng hóa khác nhau theo vị trí, tiến triển nhanh hơn ở vùng trung tâm và ngoại vi vốn đã cứng hơn.
Hiện nay, có hai thiết bị lâm sàng được bán trên thị trường để đo cơ sinh học giác mạc trong cơ thể sống. Các phương pháp thực nghiệm như kính hiển vi Brillouin và đo đàn hồi giao thoa quang học (OCE) đang được phát triển1).
Đặc điểm của các thiết bị đo chính được trình bày dưới đây.
| Thiết bị | Thông số chính | Đặc điểm |
|---|---|---|
| ORA | CH, CRF | Phản ánh độ nhớt đàn hồi |
| Corvis ST | SP-A1, CBI, chấn thương sọ não | Phân tích biến dạng qua video |
| Kính hiển vi Brillouin | Mô đun đàn hồi | Lập bản đồ 3D sâu |
ORA là thiết bị phun khí không tiếp xúc của hãng Reichert2). Thiết bị theo dõi phần trung tâm giác mạc (3-6 mm) bằng quang điện tử với ánh sáng hồng ngoại trong khi tăng và giảm áp, đo quá trình biến dạng và phục hồi của giác mạc trong khoảng 30 mili giây.
Các thông số chính được tính toán như sau:
CH được cho là phản ánh chủ yếu tính chất nhớt của giác mạc, trong khi CRF phản ánh chủ yếu tính chất đàn hồi2).
Corvis ST (hãng Oculus) sử dụng máy ảnh Scheimpflug tốc độ cao 4.330 khung hình/giây để chụp liên tiếp mặt cắt ngang giác mạc dài 8,5 mm, ghi lại biến dạng giác mạc do luồng khí dưới dạng video2).
Các thông số biến dạng giác mạc được tính toán chủ yếu tại ba thời điểm:
Tại mỗi thời điểm, thời gian trôi qua, chiều dài vùng dẹt, tốc độ biến dạng và độ dịch chuyển đỉnh giác mạc được tính toán. Các thông số lâm sàng chính như sau:
Corvis ST cũng có thể được sử dụng như một máy đo nhãn áp tương tự ORA và tính toán áp lực nội nhãn hiệu chỉnh cơ sinh học (bIOP).
ORA
Phương pháp làm phẳng hai chiều bằng luồng khí: Theo dõi biến dạng và phục hồi của giác mạc bằng tia hồng ngoại.
Các thông số: CH, CRF, IOPg, IOPcc. Cung cấp chỉ số tổng thể về độ nhớt đàn hồi.
Ra mắt năm 2005: Thiết bị thương mại đầu tiên cho phép đo cơ sinh học giác mạc trong cơ thể sống.
Corvis ST
Máy ảnh Scheimpflug tốc độ cao: Ghi hình video biến dạng mặt cắt giác mạc ở tốc độ 4.330 khung hình/giây.
Các thông số: SP-A1, CBI, TBI, SSI, tỷ lệ DA, v.v. Có thể tính toán các chỉ số tích hợp với chụp cắt lớp.
Khả năng mở rộng: Có thể sử dụng các chỉ số mới như bản đồ SSI và phân tích tích hợp AI với Pentacam HR.
Kính hiển vi Brillouin (Brillouin microscopy) là kỹ thuật phân tích tương tác giữa ánh sáng và phonon âm học, lập bản đồ ba chiều không xâm lấn các đặc tính cơ sinh học của giác mạc1). Hệ số đàn hồi dọc của mô được ước tính từ độ dịch tần số ở đơn vị GHz.
Trong khi ORA và Corvis ST đo phản ứng trung bình của toàn bộ giác mạc, kính hiển vi Brillouin có độ phân giải sâu và có thể hình dung sự phân bố đàn hồi cục bộ1). Ứng dụng của nó được kỳ vọng trong đánh giá hiệu quả liên kết ngang theo độ sâu sau CXL và phát hiện giảm độ cứng cục bộ trong bệnh giác mạc hình nón. Hiện tại, thời gian đo dài và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường là thách thức, và nó chưa được ứng dụng lâm sàng.
Đo đàn hồi bằng kết hợp quang học (Optical Coherence Elastography; OCE) là kỹ thuật đo sự dịch chuyển bên trong nhu mô giác mạc do lực bên ngoài gây ra1). Nó có thể đánh giá biến dạng ở các lớp giữa và sau của giác mạc, hữu ích cho phân tích các đặc tính cơ sinh học phụ thuộc vào độ sâu.
ORA tính toán độ trễ giác mạc (CH) và yếu tố kháng giác mạc (CRF) từ sự thay đổi tín hiệu hồng ngoại, đánh giá tổng thể tính đàn hồi nhớt. Corvis ST ghi lại video biến dạng mặt cắt giác mạc bằng camera Scheimpflug tốc độ cao và tính toán nhiều thông số động. Corvis ST đặc biệt ở chỗ có thể sử dụng các chỉ số tổng hợp dựa trên AI như chấn thương sọ não thông qua tích hợp với Pentacam HR.
Đo lường cơ sinh học giác mạc đóng vai trò quan trọng trong phát hiện sớm bệnh giác mạc hình chóp, đánh giá phẫu thuật khúc xạ, hiệu chỉnh đo áp lực nội nhãn và đánh giá hiệu quả của CXL.
Trong các bệnh giãn giác mạc, thay đổi cơ sinh học xảy ra trước thay đổi hình thái 5). Ngay cả ở giai đoạn mà địa hình hoặc chụp cắt lớp không thể phát hiện bất thường, đánh giá cơ sinh học có thể cho phép chẩn đoán sớm.
Trong giai đoạn đầu của bệnh giác mạc hình chóp, sự giảm cục bộ mô đun đàn hồi liên quan đến sự phá vỡ các sợi collagen, khởi động chu kỳ mất bù cơ sinh học 7). Ứng suất tăng lên và phân bố lại, dẫn đến giác mạc trở nên dốc hơn và mỏng hơn.
Khả năng chẩn đoán của các chỉ số chính trong phát hiện sớm bệnh giác mạc hình chóp như sau 7):
| Chỉ số | Giá trị SUCRA | Ghi chú |
|---|---|---|
| Chấn thương sọ não | 96.2 | Chính xác nhất |
| CBI | 83.8 | Chỉ số tốt thứ hai |
| CRF | 66.4 | Nguồn gốc từ ORA |
Theo tiêu chí của Brar, mắt nghi ngờ về mặt cơ sinh học được định nghĩa là CBI > 0,5 và TBI > 0,297). Để tránh âm tính giả, nên kết hợp chụp cắt lớp giác mạc (như hình ảnh Scheimpflug) với đánh giá cơ sinh học5)7).
Theo một đánh giá toàn diện của Wang và cộng sự (2025), các mô hình kết hợp chụp cắt lớp và cơ sinh học vượt trội hơn các thông số riêng lẻ trong việc phát hiện FFKC (keratoconus thể ẩn). Mô hình hồi quy logistic của Luz và cộng sự đạt AUROC 0,953 (độ nhạy 85,71%, độ đặc hiệu 98,68%)2).
Trong các nghiên cứu sử dụng ORA, mắt FFKC cho thấy giá trị CH và CRF thấp hơn đáng kể so với mắt bình thường2). Ở mắt VAE-NT (ectasia rất không đối xứng với địa hình bình thường), CH là 8,5 ± 1,5 mmHg và CRF là 8,3 ± 1,5 mmHg, thấp hơn nhóm đối chứng bình thường2).
TBI từ Corvis ST cho thấy AUROC 0,985 ở mắt VAE-NT, và cả độ nhạy của CBI (99,1%) và độ nhạy của TBI (99,6%) đều đạt giá trị rất cao trong việc phát hiện keratoconus bất thường về mặt địa hình2).
Phẫu thuật khúc xạ ảnh hưởng đến đặc tính cơ sinh học bằng cách cắt bỏ hoặc biến dạng nhu mô giác mạc4). Giãn giác mạc sau phẫu thuật là biến chứng hiếm gặp (0,04-0,6%) nhưng nghiêm trọng, và đánh giá cơ sinh học trước phẫu thuật rất quan trọng4).
Trong một đánh giá hệ thống của Pniakowska và cộng sự (2023) dựa trên 17 nghiên cứu tiến cứu, sự suy giảm cơ sinh học lớn nhất xảy ra ở LASIK (cắt bỏ nhu mô kèm tạo vạt), tiếp theo là SMILE (lấy thấu kính) và cắt bỏ bề mặt (PRK/LASEK)4).
Các phát hiện chính về cơ sinh học sau phẫu thuật:
Giá trị trung bình chung của CH và CRF sau phẫu thuật cắt bỏ bề mặt là CH 8,68 ± 0,94 mmHg và CRF 8,39 ± 1,08 mmHg 4). Ở SMILE, CH duy trì cao hơn đáng kể so với LASEK tại thời điểm 3 tháng sau phẫu thuật, nhưng sự khác biệt biến mất sau 3 năm 4).
Sự kết hợp giữa các chỉ số cơ sinh học và thông số địa hình được báo cáo cải thiện độ chính xác dự đoán của phẫu thuật khúc xạ hơn 25% 7). Bệnh nhân có độ cứng giác mạc thấp có nguy cơ tật khúc xạ tồn dư sau phẫu thuật cao gấp 2-3 lần 7).
Đo nhãn áp bằng nhãn áp kế áp phẳng Goldmann (GAT) bị ảnh hưởng bởi độ dày giác mạc và đặc tính cơ sinh học 5).
Trong các bệnh giãn giác mạc hoặc sau phẫu thuật khúc xạ, sự mỏng đi của mô và suy yếu cơ sinh học khiến nhãn áp áp phẳng đo được thấp hơn một cách giả tạo 5). Các thiết bị thay thế sau đây được khuyến nghị:
IOPcc tính toán bằng ORA ít bị ảnh hưởng bởi CCT và CH, phản ánh nhãn áp thực chính xác hơn.
CXL là liệu pháp tăng cường liên kết ngang trong nhu mô giác mạc bằng riboflavin và UVA, có hiệu quả trong việc làm chậm tiến triển của bệnh giác mạc hình chóp 6). Nó làm tăng độ cứng cơ sinh học của giác mạc, nhưng bằng chứng về cơ chế tác động ở cấp độ siêu cấu trúc trực tiếp chưa đầy đủ 6).
Larkin và cộng sự (2021) trong thử nghiệm ngẫu nhiên có đối chứng đa trung tâm Keralink đã kiểm tra hiệu quả của CXL ở bệnh nhân trẻ tuổi mắc bệnh giác mạc hình chóp. Tỷ lệ mắc bệnh giác mạc hình chóp lên tới 1:375 ở Hà Lan và 1:84 ở độ tuổi 20 tại Úc 6). CXL được báo cáo là có hiệu quả trong việc làm chậm tiến triển bệnh giác mạc hình chóp ở phần lớn người trưởng thành, nhưng khoảng tin cậy rộng và nguy cơ sai lệch đã được ghi nhận 6).
Sau CXL, SP-A1 tăng lên và sự cải thiện độ cứng giác mạc có thể được đánh giá khách quan bằng Corvis ST 1). Cần lưu ý rằng cần có độ dày giác mạc nhất định và các phác đồ như sub400 đã được báo cáo cho các trường hợp mỏng nghiêm trọng.
Giác mạc bao gồm 5 lớp (biểu mô, lớp Bowman, nhu mô, màng Descemet, nội mô), và nhu mô, chiếm khoảng 90% độ dày, quyết định cơ sinh học1). Nhu mô được cấu tạo bởi các sợi collagen loại I và V và proteoglycan. Hướng, mật độ và liên kết chéo của các sợi collagen là các yếu tố chính quyết định các đặc tính cơ sinh học.
Hành vi cơ học của giác mạc có các đặc điểm sau1):
Tahsini và cộng sự (2025) đã chia giác mạc thành 9 vùng bằng bản đồ SSI: trung tâm, cận trung tâm (4 vùng) và ngoại vi (4 vùng), và phân tích độ cứng theo từng vùng. SSI trung bình ở vùng trung tâm và ngoại vi cao (1,153 ± 0,079), trong khi ở vùng cận trung tâm thấp (0,890 ± 0,057). Vùng cận trung tâm dưới (vùng 4 và 5) là yếu nhất với SSI = 0,8333).
Điểm yếu của vùng cận trung tâm dưới phù hợp với thực tế lâm sàng là bệnh giác mạc hình chóp thường xuất hiện ở phần dưới3). Điều này cho thấy các khu vực yếu về mặt cơ học dễ bị mất bù cơ sinh học hơn.
Sự khác biệt đáng kể cũng được tìm thấy giữa vùng cận trung tâm trên (SSI = 0,945) và vùng cận trung tâm dưới (SSI = 0,833), và vùng mũi (SSI = 0,903) cho thấy độ cứng cao hơn một chút so với vùng thái dương (SSI = 0,879)3).
Trong giai đoạn đầu của bệnh giác mạc hình chóp, xảy ra sự giảm cục bộ mô đun đàn hồi, bắt đầu sự phá vỡ và thoái hóa các sợi collagen7). Điều này kích hoạt chu kỳ mất bù cơ sinh học:
Ở vùng bị bệnh, quan sát thấy sự gia tăng phân hủy collagen, mất tế bào giác mạc (keratocytes), giảm liên kết chéo collagen và suy yếu đáng kể đáp ứng ứng suất-biến dạng. Các yếu tố góp phần vào thoái hóa cơ sinh học bao gồm: di truyền, thói quen dụi mắt, chấn thương vi mô do kính áp tròng và dị ứng.
Theo phân tích bản đồ SSI, vùng cận trung tâm dưới (inferior paracentral zone) cho thấy giá trị độ cứng thấp nhất (SSI = 0,833)3). Vùng này trùng với vị trí thường gặp của bệnh giác mạc hình chóp, cho thấy điểm yếu cơ học bẩm sinh có thể liên quan đến sự khởi phát bệnh.
SSI II (Bản đồ SSI) là công nghệ mới dựa trên mô hình phần tử hữu hạn và mô hình phân bố sợi collagen, trực quan hóa sự phân bố độ cứng bề mặt giác mạc theo hai chiều 2)3).
Tahsini và cộng sự (2025) đã phân tích sự thay đổi độ cứng giác mạc theo tuổi tác theo từng vùng bằng bản đồ SSI. Sự cứng hóa tiến triển nhanh hơn ở các vùng vốn đã cứng (ngoại vi: 0,0058-0,0067/năm) và chậm ở các vùng yếu (cận trung tâm dưới: 0,0039/năm). Có mối tương quan rất cao (Pearson r = 0,96) giữa SSI của mắt phải và mắt trái 3).
Bản đồ SSI được kỳ vọng hữu ích trong việc hiểu cơ chế khởi phát và tiến triển của bệnh giác mạc hình chóp, cũng như cá nhân hóa điều trị CXL. Các ứng dụng điều trị cá nhân hóa theo tuổi bệnh nhân và vùng giác mạc đang được dự kiến 3).
Việc áp dụng các kỹ thuật AI và học máy đã cải thiện độ chính xác phát hiện bệnh giác mạc hình chóp 2).
Theo đánh giá của Wang và cộng sự (2025), các thuật toán AI đạt độ chính xác khoảng 98% trong phát hiện bệnh giác mạc hình chóp biểu hiện, nhưng chỉ khoảng 90% ở thể dưới lâm sàng (subclinical), để lại nguy cơ bỏ sót 2).
Sử dụng phân tích rừng ngẫu nhiên, các chỉ số của Pentacam HR và Corvis ST được tích hợp, và báo cáo độ đặc hiệu 93% và độ nhạy 86% trong phân loại bệnh giác mạc hình chóp dưới lâm sàng 2). Mô hình chẩn đoán sử dụng mạng nơ-ron lan truyền ngược đạt AUROC 0,877, cho thấy khả năng phát hiện FFKC vượt trội hơn CBI (0,610) và chấn thương sọ não (0,659) 2).
Kính hiển vi Brillouin thu hút sự chú ý như một công nghệ cho phép lập bản đồ đàn hồi ba chiều của giác mạc 1). Nó đã cho thấy tính hữu ích trong đánh giá theo độ sâu của hiệu ứng liên kết ngang sau CXL và hình ảnh hóa sự giảm độ cứng cục bộ trong bệnh giác mạc hình chóp. Hướng đi tương lai là cải thiện độ chính xác đo lường thông qua tích hợp AI và ứng dụng lâm sàng thực tế 1).
Bệnh giác mạc hình chóp xảy ra ở cả hai mắt, nhưng một mắt có thể không có triệu chứng (FFKC/VAE-NT) 2). Các nỗ lực đang được tiến hành để đánh giá cơ sinh học mắt đối diện của bệnh nhân có bệnh giác mạc hình chóp lâm sàng ở một mắt nhằm dự đoán nguy cơ khởi phát trong tương lai. Chấn thương sọ não cho thấy độ nhạy phát hiện cao ở mắt VAE-NT, và so sánh giữa hai mắt có thể là manh mối cho chẩn đoán sớm 2).
