Биомеханика глаза

Работа содержит в себе рисунки.
Цель – систематизация и обобщение результатов исследования механических свойств различных структур глаза человека. ...

ВВЕДЕНИЕ……………………………3
Глава 1. ПОНЯТИЕ БИОМЕХАНИКИ………………………4
1.1. Задачи и цели биомеханики ………….……………………4
1.2. Глаз с позиции биомеханики ….……………………7
Глава 2. БИОМЕХАНИКА СКЛЕРАЛЬНОЙ КАПСУЛЫ ГЛАЗА, РЕШЕТЧАТОЙ ПЛАСТИНЫ……15
2.1. Биомеханика склеральной капсулы глаза……………………… 15
2.2. Биомеханика решетчатой пластины…………………………… 17
2.3. Биомеханические свойства хрусталика и его мышечно-связочного аппарата…19
2.4. Биомеханические характеристики стекловидного тела и внутренних оболочек глаза……23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………….………….…….. 26
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………..….. 27

Биомеханика - наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Специальных законов механики, особых для живых систем не существует.
Актуальность данной темы в том, что сложность движения и функций, живого организма требует тщательного учета анатомо-физиологических особенностей. Иначе нельзя правильно использовать законы механики в изучении сложных движений организмов. Нередко то, что выгодно с точки зрения законов механики, нецелесообразно, если учесть особенности строения и функций живого организма.
................

1. Эпителий;
2, 3. Кератоциты стромы;
4. Эндотелий;
5. Боуменова мембрана;
6, 7. Внеклеточный матрикс стромы: коллагеновые фибриллы и протеогликаны;
8. Десцеметова мембрана.
Роговица, благодаря своему регулярному строению, что показано на рисунке 3, характеризуется прозрачностью и высокой преломляющей способностью. Основная часть роговой оболочки – строма – сформирована параллельно расположенными (на расстоянии 20–40 нм друг от друга) коллагеновыми фибриллами, а также связующим веществом. Фибриллы, действующие как нагруженные опорные элементы, уложены, в свою очередь, в переплетающиеся пластины. Тем самым, напряженно-деформированное состояние ткани роговицы определяется, прежде всего, механическими свойствами самих волокнистых структур, их особой архитектоникой, внутри- и межмолекулярными связями, а также биохимическим составом. Кроме того, важную роль в формировании биомеханического статуса роговицы играют ее макропараметры (геометрическая форма и размеры, толщина, радиусы кривизны), характеризующиеся значительными колебаниями в зависимости от пола, возраста, общей преломляющей способности глаза (клинической рефракции) и т.п. Поэтому при построении биомеханических моделей, описывающих напряженное состояние роговицы и включающих область ее перехода в склеру (например, моделей радужно-роговичного угла) нужно учитывать достаточно большое число параметров, отражающих гетерогенность, анизотропность и асимметричность роговицы, а также воздействие на нее внутриглазного давления (ВГД) и глазодвигательных мышц.
На очередном заседании президиума РАМН был заслушан доклад члена-корреспондента РАМН С.Аветисова «Возможности и перспективы изучения биомеханических свойств роговицы». Актуальность такого исследования связана с появлением новых методов изучения биомеханики, необходимостью диагностики и мониторинга заболеваний роговицы, адекватным выбором параметров операций, правильной интерпретацией показателей внутриглазного давления (ВГД) и, как следствие, адекватной оценкой уровня ВГД и мониторинга глаукомного процесса.
Как отмечалось в докладе, исследование биомеханических свойств роговицы развивается в трех основных направлениях: экспериментальные исследования, математическое моделирование и прижизненное изучение. Экспериментальные исследования на основе офтальмомеханографии выявили, что роговица отличается биомеханической анизотропией и неоднородностью. Материал роговицы, вырезанный в радиальном направлении, обладает наибольшей прочностью и запасом деформативной способности. По мере удаления от радиального направления величины указанных характеристик снижаются. Еще один экспериментальный подход был разработан в НИИ глазных болезней РАМН на основе принципа исследования распределения механических напряжений в роговице с помощью люминесцентной полярископии [28].
Основным препятствием корректного математического моделирования является анизотропность роговицы. Поскольку большинство предложенных моделей не учитывает данное свойство роговицы, это ограничивает их применение в практической офтальмологии. Следует отметить, что на сегодняшний день не существует общепринятого метода прижизненного исследования биомеханических свойств роговицы. Попытки исследования in vivo, как правило, основаны на оценке изменения ее формы в ответ на какое-либо механическое воздействие. Однако при этом нельзя исключить возможного влияния на показатели биомеханических свойств внутриглазного давления, поскольку механическому усилию противодействуют две близкие по своей направленности силы: внутриглазное давление и «упругость» роговицы [28].
Для упрощения клинической оценки биомеханических свойств фиброзной оболочки глаза С.Аветисов предложил использовать понятия «жесткий глаз» и «мягкий глаз», имея в виду устойчивость конкретного глазного яблока к деформации механической силой (жесткость) при среднем внутриглазном давлении (16 мм рт.ст.). Применительно к исследованию с помощью двунаправленной пневмоаппланации роговицы мягким следует называть глаз с фактором резистентности менее 10 мм рт.ст. в пересчете на среднее ВГД, жестким – более 12 мм рт.ст. [28].
Наибольшее распространение в клинической практике получил анализатор биомеханических свойств роговицы, принцип работы которого основан на двунаправленной аппланации роговицы струей воздуха. Проведенные исследования подтвердили принципиальную возможность применения двунаправленной аппланации для оценки биомеханических свойств роговицы. По мере увеличения толщины роговицы эти показатели повышались, при кератоконусе – снижались, а после сквозной кератопластики – возрастали. Эксимерлазерная аблация приводила к ослаблению прочностных свойств роговой оболочки.
В связи с этим в НИИ глазных болезней РАМН был разработан новый принцип исследования свойств роговицы с использованием данных анализа биомеханических свойств глаза на основе динамики торможения центральной зоны роговицы в момент максимальной импрессии. В результате был вычислен коэффициент эластичности, характеризующий в основном эластические свойства роговицы.
Рисунок 3 - Переплетение коллагеновых пластин стромы роговицы.
Распределение механических напряжений в роговице во многом определяется соотношением ее биомеханических параметров с соответствующими параметрами сопряженной с роговицей склеральной оболочки глаза.
В отличие от роговицы, склера, вследствие хаотического расположения фибрилл и волокон, обладает высокой рассеивающей способностью, препятствующей проникновению боковых потоков света в полость глаза, и характеризуется другими механическими свойствами. Соотношение биомеханических показателей этих опорных оболочек (роговицы и склеры) до сих пор изучено явно недостаточно, хотя информация такого рода в настоящее время необходима офтальмологам для построения адекватной модели, позволяющей, в частности, прогнозировать эффект весьма распространенных рефракционных операций на роговице. Кроме того, изучение патогенеза кератоконуса и прогрессирующей миопии, в развитии которых большую роль играет повышенная растяжимость роговицы и склеры, также требует детальных знаний о биомеханическом взаимодействии этих глазных структур [3, 76].
Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что материал роговицы отличается биомеханической анизотропией и неоднородностью [21, с. 10]. Целый ряд работ посвящен определению основных упруго-прочностных показателей этой уникальной ткани в норме и даже при некоторых патологических состояниях [1, 2].
Определение механических параметров изолированной роговицы дает большой разброс показателей, обусловленный, по всей видимости, как различными условиями эксперимента, так и нелинейными биомеханическими свойствами материала роговицы. Зависимость "напряжение–деформация" для роговичной ткани обычно описывается не законом Гука, а экспоненциальным уравнением вида
σ=A[exp(Bε)-1],
где A и B – физические константы.
Новый продуктивный подход к моделированию нелинейного механического поведения роговицы на основе структурного анализа представлен в подробных работах.
При нагрузке в 100 раз превышающей физиологическую, величина модуля упругости роговицы составляет Е=57 МПа, в то время как при нагрузке, соответствующей нижней границе нормального внутриглазного давления (10 мм.рт.) модуль упругости, существенно ниже – 0.34-0.54 МПа. При давлении, находящемся в диапазоне от 25 мм рт.ст. (верхняя граница нормального ВГД) до 200-300 мм рт.ст., значения модуля упругости роговицы достигают 13.6+/-5.0 МПа или, лежат в пределах 8.6-13.0 MПa. Результаты свидетельствуют о неоднородности и анизотропии этой ткани, поскольку при меридиональном нагружении модуль Юнга оказался выше в центре роговицы, а при радиальном нагружении - на ее периферии.
Предел прочности целой роговицы, определяющийся в основном механическими свойствами ее стромы (вклад боуменовой мембраны и других структур роговицы практически не существенен), составляет 19.1+/-3.5 MРa, при этом передняя часть стромы на 25% прочнее, чем задняя.
Изучение механических свойств роговицы изолированных глаз с использованием оригинальной методики, позволяющей проводить механические испытания склерально-роговичных колец, а не полосок, вырезанных из роговицы трупных глаз, как это делалось ранее, показало, что в результате эксимер-лазерной фотоабляции, толщина оптической зоны роговицы снижается на 15-20%, что приводит к критическим изменениям механических свойств роговицы, в частности, к существенному снижению ее прочности [1].
Необходимо подчеркнуть, что результаты механических испытаний образцов изолированной роговицы (так же, как и склеры) не могут полностью соответствовать реальным характеристикам этих тканей в естественных условиях. Безусловно, наиболее информативные сведения о биомеханическом статусе роговицы могут быть получены только в условиях живого глаза. Однако, несмотря на несомненную актуальность такой диагностики, прижизненные методы оценки механических параметров роговицы пока находятся в стадии разработки. В качестве возможных подходов к опосредованному определению данных параметров использовали оптическую и голографическую интерферометрию, механическую спектроскопию, акустическую биометрию [21] и метод фотоупругости [12]. Технически сложный метод двухимпульсной голографической интерферометрии, использованный в работе [19], показал, что центральная зона нормальной роговицы в физиологических условиях характеризуется практически линейной зависимостью σ(ε) и модулем Юнга, составляющим примерно 10,3 MPa.
Возможно, наиболее перспективным для последующего использования в клинике является метод фотоупругости [12], с помощью которого было показано, что фотоупругие свойства роговицы характерно изменяются при различных офтальмопатологиях, причем перераспределение напряжений в роговице может рассматриваться как интегральный показатель изменений в биомеханической системе глаза в целом.
Академик РАМН А.Бровкина отметила, что нет ни одного исследования, которое бы решало сразу все общие проблемы близорукости. К сожалению, сегодня медицина коммерциализировалась, и большое распространение получили операции по коррекции близорукости. Между тем они могут вызывать серьезные осложнения, и именно биомеханические свойства исследования роговицы позволяют четко определить показания к операции индивидуально для каждого пациента.
2 БИОМЕХАНИКА СКЛЕРАЛЬНОЙ КАПСУЛЫ ГЛАЗА, РЕШЕТЧАТОЙ ПЛАСТИНЫ
2.1 Биомеханика склеральной капсулы глаза
Глазное яблоко можно рассматривать как напряженно-упругую замкнутую композитную оболочку (корнеосклеральную капсулу глаза), заполненную внутриглазной жидкостью (водянистой влагой и стекловидным телом). На эту оболочку действуют внутриглазное давление (ВГД) и экстраокулярные мышцы. В нормальных физиологических условиях глаз поддерживает сложившееся динамическое равновесие сил и механических напряжений, сохраняя тем самым свой биомеханический статус. В офтальмологической литературе коэффициент (К), связывающий изменение внутриглазного давления (P) с соответствующим ему изменением объема (V) глазного яблока (К=dP/dV) и, безусловно, зависящий от механических свойств корнеосклеральной оболочки, принято называть коэффициентом ригидности (КР) глаза. Значение этого коэффициента необходимо знать в первую очередь для того, чтобы по данным тонометрии определить величину истинного ВГД, а также для того, чтобы судить о динамике водянистой влаги и кровоснабжении глаза [20].
Численные значения КР в диапазоне физиологических значений ВГД в здоровых глазах различного возраста и при некоторых патологических состояниях приводятся, например, в работах [26]. Экспериментально установлено наличие четкой отрицательной корреляции между КР и объемом глаза [6].
Поскольку на величину КР оказывают влияние не только размеры глаза, но и уровень ВГД, реакция внутриглазных сосудов и другие факторы [20], достоверно судить по значениям этого показателя о биомеханических свойствах корнеосклеральной капсулы не представляется возможным. В связи с этим, непосредственному изучению механических характеристик склеры, которые, наряду с внутриглазным давлением, обусловливают напряженно-деформированное состояние оболочки в условиях живого глаза, посвящены специальные исследования.
В опытах in vitro установлена выраженная анизотропия и неоднородность механических свойств нормальной склеры как упруго-вязкого тела [4, 5, 17, 23].
Склера, будучи трансверсально-изотропной тканью, характеризуется более низким модулем упругости в направлении своей толщины (в радиальном направлении), чем в продольном и поперечном [17]. Модуль Юнга, рассчитанный по данным измерения скорости распространения ультразвука в этой ткани, составляет в радиальном направлении в среднем 0.5 МПа, тогда как в продольном и поперечном направлениях этот показатель меняется в пределах 3-40 МПа в зависимости от локализации исследуемого образца склеры. Продольный модуль Юнга (Em) существенно зависит от локализации исследуемой области склеры и колеблется в пределах от 17.4 МПа до 44.2 МПа, закономерно снижаясь в направлении от передней области к заднему полюсу глаза [15]. Модуль Юнга задней области склеры (в области диска зрительного нерва) составляет 28.5 - 36.0 MПa.
Предел прочности (σ) склеры, как показали Д.Ф.Иванов, Е.Э.Каган (1975), увеличивается в процессе онтогенеза с 2.46 до 31 МПа. Полученный нами диапазон возрастного изменения значений прочности склеры от детского (0-3 года) до зрелого возраста (20-55 лет) составляет 6.1-13.4 МПа, что близко по порядку величины к вышеприведенным результатам. С возрастом значимо (в среднем в 1.5 раза) увеличивается и модуль Юнга [17].
Анализ кривых зависимости "напряжение-деформация", полученных для образцов склеры и роговицы [15], показал, что эта зависимость состоит из двух участков, соответствующих области обратимых деформаций (линейной зависимости), и области неупругих деформаций, где указанная зависимость носит нелинейный характер, что показано на рисунке 4.
Рисунок 4 - Зависимости «напряжение деформация» для экваториальной области склеры (1), области заднего полюса глаза (2) и роговицы (3).
Для характеристики состояния опорной функции корнеосклеральной капсулы, важной с клинической точки зрения, видимо, необходимо определять в каждом конкретном случае, насколько близко верхняя граница диапазона физиологических нагружений находится от зоны перехода в область неупругих деформаций, поскольку при возникновении неблагоприятной ситуации (увеличении нагрузки выше пороговых значений) возможно накопление остаточных деформаций и нарушение нормального биомеханического статуса оболочек, как это имеет место при прогрессирующей близорукости [3].
2.2 Биомеханика решетчатой пластины
Исследователи весьма интересной с точки зрения биомеханики считают небольшую область склеральной оболочки в зоне диска зрительного нерва, так называемую решетчатую пластину (мембрану), которая прикрывает склеральное отверстие зрительного нерва сзади и служит главной опорой для проходящих через нее нервных волокон, показано на рисунке 5.
Решетчатая пластина (РП) состоит из ориентированных перпендикулярно ходу зрительных волокон 6-10 перфорированных коллагеновых слоев. Через образующуюся таким образом систему микроканальцев из полости глаза в толщу зрительного нерва выходят пучки аксонов ганглиозных клеток сетчатки. Прогибание РП (экскавация диска зрительного нерва), сдвиг и деформация канальцев, наблюдающиеся при глаукоме, приводят к сдавлению и в дальнейшем к атрофии нервных волокон, следствием чего является необратимая потеря зрительных функций [9]. Принципиально важное участие биомеханического фактора в этом процессе обусловливает интерес биомехаников к изучению механических свойств РП.
Рисунок 5 - Расположение решетчатой пластины (lamina cribrosa) склеры в области входа зрительного нерва в полость глаза.
Установлено, что прочность РП неравномерна: в поперечном (от виска к носу) направлении она выше, чем в продольном, кроме того, она увеличивается спереди назад, т.е. от внутренних пластин к наружным. При этом в плоскости мембраны менее прочными являются ее периферические участки, где РП переходит в собственно склеру, контактирует с сосудистой оболочкой или мягкой оболочкой зрительного нерва [19]. Как показано в работе Е.Б.Воронковой (2012), неоднородность РП оказывает существенное влияние на ее устойчивость к повышению ВГД.
РП, как и склера трансверсально-изотропна, ее модуль упругости по толщине существенно ниже модуля упругости в плоскости самой пластины [7]. Продольный модуль Юнга РП составляет 11.8-15.6 MПa, что, по крайней мере, в 3 раза ниже, чем соответствующий параметр перипапиллярной склеры (вблизи диска зрительного нерва). Другие авторы приводят более низкие значения модуля упругости РП – 0.3 MПa, которые, однако, являются расчетными, а не полученными в результате эксперимента. Согласно и этой модели, данные значения в 2-3 раза ниже, чем для склеры. Интересно отметить, что при развитии глаукомы в эксперименте (на обезьянах) модуль упругости перипапиллярной склеры (7.46±1.58 MПa) оказался выше, чем в нормальных глазах (4.94±1.22 MПa), что свидетельствует об изменении в процессе развития глаукомы механических свойств не только РП, но и собственно склеры.
Биомеханика диска зрительного нерва в первую очередь определяется именно механическими свойствами склеры и только во вторую очередь размерами глаза и механическими свойства РП. Значительные деформации структур диска и нервных тканей менее существенно зависят от непосредственного действия ВГД на внутреннюю поверхность диска, чем от опосредованного воздействия ВГД на склеру. В связи с этим индивидуальные вариации механических свойств склеры могут быть факторами риска развития глаукомы.
2.3 Биомеханические свойства хрусталика и его мышечно-связочного аппарата
Хрусталик представляет собой прозрачное гидроколлоидное образование, изолированное капсулой от окружающей среды и подвешенное на цинновых связках между радужкой и стекловидным телом. Изучение биомеханических параметров капсулы и содержимого (вещества) хрусталика, а также его мышечно-связочного аппарата представляет значительный интерес, как с физиологической, так и с хирургической точки зрения. С позиций биомеханики хрусталик можно считать тонкостенной оболочкой (капсулой), определенным образом нагруженной изнутри и снаружи. Необходимо отметить, что эластичность капсулы хрусталика, адекватные биомеханические параметры и согласованная работа его поддерживающего аппарата (цилиарной мышцы, ресничного пояска), мышечного комплекса (сфинктера и дилятатора) зрачка, а также оптимальное соотношение упругих свойств капсулы хрусталика и его внутреннего содержимого (вещества хрусталика) определяют форму хрусталика в важнейшем для зрения процессе механизма - аккомодации. При этом изменение вязко-упругих свойств капсулы хрусталика, нарушение их взаимоотношения с жидким веществом хрусталика, наряду со снижением эластичности цинновой связки, возможно, играет существенную роль в развитии пресбиопии - возрастного ослабления аккомодации.
В капсуле хрусталика, тонкой, сильно преломляющей, высокоэластичной и довольно плотной мембране, хотя и представляющей единое образование, условно выделяют передний и задний отделы (переднюю и заднюю капсулы хрусталика). Капсула неоднородна: толщина задней капсулы хрусталика (0,001-0,006 мм) в 3-5 раз меньше, чем передней капсулы. Ее локальное утолщение в биомеханическом плане представляет собой не что иное, как укрепленную "для прочности" зону фиксации связочного аппарата хрусталика. С помощью тензиометрических исследований [27] была установлена прямая связь между прочностью и толщиной различных отделов капсулы прозрачного хрусталика. При этом в норме наибольшей пенетрационной прочностью (в среднем 5.3 г/мм2) характеризуется именно центральная зона передней капсулы.