مقدمه :

 

بیو مکانیک،استفاده از علم مکانیک در بیولوژی می باشد. در بیومکانیک،هدف درک مکانیک سیستمهای زنده است. در حقیقت انگیزه گسترش این علم این است که فهم فیزیولوژی بدون مکانیک غیر ممکن است.

بیو مکانیک در کنار سایر علوم به ما کمک می کند تا ما عملکرد نرمال یک ارگان وبافت را بهتر بفهمیم وتغییرات حاصل  در اثر اعمال شرایط را، بهتر پیش بینی نمائیم وروشهایی را برای طراحی های مصنوعی بافتهای بیولوژیک پایه ریزی نمائیم وبطور کلی، تشخیص، درمان، جراحی وپروتز ارتباط نزدیکی با بیومکانیک دارند.

ساختار قرنیه :

کلاژن جزء ساختاری اولیه ی قرنیه و اسکلرا است که مقاومت کششی و استحکام بالایی دارد و یک لایه ی محافظ و پوشش ارتجاعی برای گلوب ایجاد می کند.

کلاژن قرنیه ای در لایه ی بومن و استروما که ۹۰% از ضخامت کل یک قرنیه ی هیدراته را تشکیل می دهد ، قرار دارد.

استرومای قرنیه یک آرایش سازمان یافته و منظم از تعداد زیادی فیبر کلاژن است که به طور محکم توسط یک ماتریکس پروتئوگلیکان که فضای بین فیبرها را یکنواخت نگه می دارد ، کنار هم قرار گرفته اند.این فیبرها بیشتر به صورت دسته ها و باندل های پهن و مسطح یا به صورت لایه ای سازمان یافته اند و از نظر تعداد در سطح قرنیه متفاوتند (از حدود ۳۰۰ در مرکز قرنیه تا ۵۰۰ در لیمبوس).

لایه های کلاژن در استرومای قدامی  به صورت مایل در سراسر قرنیه پخش شده اند و اغلب از لیمبوس شروع وتا لایه ی بومن جایی که با فیبرهای کلاژن داخل غشای بومن ترکیب می شوند ، امتداد می یابند.

در مقابل لایه های کلاژن خلفی ضخیم تر و پهن تر هستند و یک آرایش لیمبوس تا لیمبوس مرتب تر دارند و بیشتر در مریدین های inf-sup و medial-lateral  قرار گرفته اند.

در لیمبوس لایه های کلاژن استرومای قرنیه با کلاژنهای اسکلرا ترکیب شده و یک مسیر دایره وار را ادامه می دهند که تصور می شود افزایش ضخامت بافت در این ناحیه به همین علت باشد.

ماتریکس خارج سلولی پروتئوگلیکان هیدروفیل است و مقداری آب از اتاق قدامی و فیلم اشکیpre-corneal به ترتیب از طریق اندوتلیوم و اپی تلیوم جذب می کند.

Hydration قرنیه توسط یک مکانیسم پمپی روان و سیال بر روی اپی تلیوم ، در یک سطح ثابت نگه داشته می شود .تغییر در Hydrationقرنیه باعث ایجاد تغییراتی در فضاهای فیبرهای قرنیه ای و در نتیجه از بین رفتن  شفافیت قرنیه می شود.

با بالا رفتن سن ، یک افزایش در مقطع عرضی فیبرها ناشی از تغییر پوزیشن و نشست پی در پی و مکرر کلاژن و یک افزایش در glycation ناشی از اتصال عرضی بین فیبرها بوجود می آید و هر دو این عوامل در مشاهده ی افزایش سختی و استحکام قرنیه با بالا رفتن سن نقش دارد.

اخیراٌ تلاشهای انجام شده با استفاده از تست button inflation برای مشاهده ی رفتار فشار- کشش (stress-strain) نمونه های قرنیه ی انسان بصورت ex-vivo ، یک افزایش واضح در سفت شدن قرنیه همراه با افزایش سن را نشان داده است.

نتیجه اینکه قرنیه ی انسان ضخامت متنوعی دارد (نازکترین قسمت در مرکز قرنیه است) ،یک انحنای آسفریک دارد و anisotropic است و هنگامی که فشار در جهات مختلف بر آن اعمال شود ویژگی های فیزیکی متفاوتی را نشان می دهد.این ویژگی ها ثابت نیستند و با افزایش سن ،پاتولوژی قرنیه و تغییر در hydration  قرنیه ،تغییر کرده و باعث از بین رفتن ساختار لایه ای استروما و در نتیجه تغییر بیومکانیک قرنیه می شوند.

روشهای اندازه گیری بیومکانیک قرنیه  in-vivo :

در گذشته ارزیابی ویژگی های بیومکانیک بافت قرنیه به صورت in-vivo امکان پذیر نبود به همین علت محققان به اندازه گیری جنبه های هندسی قرنیه مثل ضخامت و توپوگرافی محدود بودند.

Reichert دستگاهی به نام  ocular Response Analyzer (ORA)  را طراحی کرد که پاسخ قرنیه به ایجاد تورفتگی توسط یک پالس سریع هوا را اندازه گیری می کند.اساس این دستگاه مانند تونومترهای غیرتماسی است که IOP  توسط فشار هوای مورد نیاز برای مسطح کردن مرکز قرنیه تعیین می شود. در ORA یک پالس هوای سریع برای اعمال نیرو به قرنیه به سمت آن هدایت می شود و یک سیستم الکترو- اپتیکال پیشرفته همزمان تغییر شکل قرنیه را کنترل می کند .تنظیم چشم بیمار به صورت کاملاٌ اتوماتیک انجام می شود ،در ابتدا پرتاب یک پالس هوای تنظیم شده باعث حرکت قرنیه به سمت داخل شده ،سپس applanation و بعد یک تقعر و تورفتگی ناچیز در قرنیه ایجاد می شود .چند میلی ثانیه پس از applanation پمپ هوا مسدود شده و فشار به صورت یکنواخت کاهش می یابد.با کاهش فشار،قرنیه به حالت نرمال خود برمی گردد و طی این مرحله یک بار دیگر حالت applanation رخ می دهد.سیستم ردیابی قرنیه را به طور کلی در تمام پروسه کنترل می کند.

اولین نیروی اعمال شده در ایجاد applanation بعنوان محرکی برای قطع پرتاب هوا عمل می کند ،اما بلافاصله یک افزایش مجدد در فشار هوا باعث مقداری تورفتگی در قرنیه میشود.پس از ایجاد این پیک فشار،فشار هوا به طور پیوسته و یکنواخت کاهش یافته تا وقتی که کاملاٌ قطع شود.از پاسخ قرنیه به پرتاب هوا دو اندازه گیری توسط دستگاه انجام می شود :

نیروی مورد نیاز برای فلت کردن قرنیه هنگامی که فشار هوا در حال افزایش است (force-in applanation P1) و نیرویی که قرنیه را مجدداٌهنگام کاهش فشار هوا فلت می کند      (force-in applanation P2).

 ممکن است انتظار رود این دو مقدار فشار برابر باشند ،اما به علت طبیعت دینامیک پالس هوا ، کاهش ویسکوزیتی در قرنیه باعث دو میزان فشار متفاوت می شود.میانگین این دو مقدار فشار مقدار Goldmann-Correlated IOP (IOPG)  و تفاوت بین این دو مقدار Corneal Hysteresis (CH)  را نشان می دهد. (شکل ۱)

شکل (۱)

 

معنای  Hysteresis:

این عبارت در اصل اختلاف میزان فشار وارده به سمت داخل (inward) و فشار وارده به سمت خارج outward)) می باشد که در نتیجه ی  viscous damping در بافت قرنیه است.به عبارت دیگر Corneal Hysteresis (CH) نشانه کاهش ویسکوزیتی در قرنیه و یا توانایی بافت قرنیه برای جذب و پراکنده کردن انرژی است. این پدیده،خود را به علت سرعتی که در آن قرنیه دفرمه شده و تغییر شکل می یابد نشان می دهد.این تغییر شکل توسط دستگاه ORA و با ایجاد پالس یا موج هوا به وجود می آید.

CH = P1-P2

داده های بالینی به دست آمده از مطالعات متعدد نشان می دهد که دامنه CH در افراد طبیعی بین ۸ تا ۱۶ میلی متر جیوه است.البته میزان CH بر اساس سن و نژاد تغییر می کند و برای رسیدن به یک جواب دقیق مطالعات و تحقیقات بیشتری مورد نیاز است.میزان متوسط CH در افراد طبیعی ۱۱ میلی متر جیوه تخمین زده می شود.توزیع مقادیر CH مربوط به یک جمعیت نرمال (۲۴۶ چشم) در شکل ۲ نشان داده شده است.

 

شکل(۲)

 

همچنین این مطالعات نشان می دهند بین CH چشم راست و چپ این افراد همبستگی بالایی وجود دارد (R=0.60)

مطالعات نشان می دهد در مواردی که قرنیه CH کمی نشان می دهد (soft cornea) این افراد احتمالاٌ کاندیدای انواع بیماری ها و شکایات چشمی هستند.

Corneal Resistance Factor (CRF) :

این معیار اندازه اثرات تجمعی هر دو مقاومت elastic وviscous قرنیه در برابر پرتاب موج هوا هنگام تغییر شکل سطح  قرنیه است. این معیار مقاومت قرنیه را زمانی که فشار چشم به مقدار قابل ملاحظه ای بالا می رود نشان می دهد.اگر چه CH وCRF به طور متوسط در جمعیت طبیعی یکسان می باشد ولی از فردی به فرد دیگر متفاوت بوده واطلاعات ممتازی از قرنیه فراهم می نمایند.برای تعیین مقدار CRF از اطلاعات مربوط به CH همراه با یک الگوریتم خاص استفاده می شود.فرمول P1-(K P2) همراه با اعداد مربوط به CCT در محاسبه CRF استفاده می شود.

میزان CRF به گونه ای کالیبره می شود که معادل CH در افراد طبیعی باشد.پس در شرایط طبیعی،میزان دامنه و میانگین CRF تقریباً مشابه دامنه و میانگین CH است. گرچه میانگینCH وCRF در جمعیت نرمال برابر است اما در بررسی ها با اطلاعات قرنیه ای محدود از یک فرد به فرد دیگر متفاوتند.

گرچه ما معمولا مقادیر applanation داخلی و خارجی (P1,P2)  را تنها برای تعیین اندازه های CH  و CRF مورد استفاده قرار می دهیم ، اما در آینده ممکن است بتوانیم اطلاعات دیگری را از سیگنالهای موجی شکل pressure/applanation استخراج کنیم.

 مطالعات  و تحقیقات  مختلف بر اهمیت و کاربرد بیومکانیک قرنیه در زمینه های مختلف از جمله جراحی های رفرکتیو ، بیماری های مختلف قرنیه ، اندازه گیری دقیق IOP ،تشخیص و درمان گلوکوم  تاکید دارند ؛ که میتوان به چند مطالعه در این زمینه ها اشاره کرد :

قرنیه تکه ای از پلاستیک نمی باشد:

جمله معروف Cynthia Roberts جمله اساسی وبنیادین بیومکانیک قرنیه می باشد که می گوید:    «The Cornea is Not a piece of plastic».

انجام رفرکیتو سرجری لیزری با وعده دید خوب ودر حال حاضر استفاده از روشهایCustomized جهت انجام رفریکتو سرجری لیزری منحصر به شرایط چشم فرد وفاقد آبیراهه باعث شده است که وعده دید ۲۰/۱۰ به افراد داده شود.

در حقیقت انجام Customized Ablation به همراه ایجاد چشم Aberration-free افق جدیدی برای ایجاد دید خوب محسوب می شد امّا بعد از انجام روشهای جدید فوق نیز بازنتایج بسیار شگفت انگیز نسبت به روشهای قبلی ایجاد نشد وهمچنان مشکلات بسیاری در پیش رو وجود دارد.آیا رویکرد دیگری که بتواند در Customized Refractive surgery اعمال شود ومکمل روشهای قبلی باشد وجود دارد که ما نمی دانیم؟

در حقیقت اگر ما تصور کنیم که در روشهای رفرکتیو سرجری لیزری ،قسمتی از قرنیه توسط لیزر برداشته میشود وشکل قرنیه تغییر میکند و درمان صورت میپذیرد ، درحقیقت ما قرنیه را به عنوان«تکه ای از پلاستیک» در نظر گرفته و درمان کرده ایم .در روشهای رفرکتیو سرجری لیزری معمول در حال حاضر۳ فرض وجود دارد:

 

۱-      تنها قسمتی از قرنیه که تغییر می نماید در قسمت optical  zone می باشد.

۲-      آنچه از قرنیه برش داده می شود، نتیجه را مشخص می نماید.

۳-      حتی اگر تغییری در خارج از محل ablation وجود داشته باشد،تأثیری بر دید مرکزی نخواهد داشت.

اکنون میدانیم که هر سه فرض فوق قابل رد کردن می باشد. می توان با بررسی توپوگرافی بیمار درpost refractive surgery  فرض اوّل را به راحتی رد کرد.از طرفی تغییرات ضخامت قرنیه بعد از عمل در طول زمان، فرض دوّم را رد می کند ودر خارج محل ablation شعاع انحنای قرنیه به طور قابل توجهی افزایش می یابد وظاهر حلقۀ قرمز مشخص (مقدار دیوپتریک بالا) محل flat شده مرکزی را احاطه می نماید که این حالت با بررسی نقشه Tangential(مماسی) در نقشۀ توپوگرافی مشخص است وبا نقشۀ Axial قابل رویت نیست.

بعلاوه elevation map  وپاکیمتری نیز خارج از منطقۀ Ablation تغغیر می نماید که این حالت با Orbscan  قابل مشاهده است.در بررسیها مشخص شده است که بافت استروما در محلAblation نازک ودر خارج از محلAblation افزایش ضخامت می یابد که آنرا افزایش ضخامت استرومای محیطی می نامیم (حدود۱۰تا ۲۰ میکرون) در فرض دوّم نیز می توان با استفاده ازمکانیسم پدیده Central island  فرض را رد کرد.همچنین تغییرات توپوگرافی غیر پیش بینی شده خصوصاً در خارج از محل Ablation نشان می دهد که آنچه از قرنیه برداشت می شود نتیجه عمل را به تنهایی مشخص نمی نماید.فرض سوّم نیز بدین ترتیب رد می شود که تغییرات خارج از منطقه Ablation باعث تغییر شعاع انحناء مرکز قرنیه می شود ونهایتاً بر دید مرکزی تأثیر می گذارد.

شکل(۳)

پاسخ مشکلات فوق را می توانیم در بیومکانیک قرنیه جستجو نمائیم ومتأسفانه هنوز بیومکانیک قرنیه رانتوانسته ایم به الگوریتم رفریکتوسرجری قرنیه اضافه نمائیم.

روشRadial Keratotomy   توجه ما را به بیومکانیک قرنیه بیشتر معطوف ساخت زیرا بسیاری از اعمال جراحی RK نتایج غیر قابل پیش بینی ارائه می نمود که حاکی از تأثیر بیومکانیک قرنیه برنتایج عمل بود امّا اکنون در روشهای لیزری همانندLASIK  وPRKوLASEK  ما از تأثیر بیومکانیک قرنیه برنتایج عمل چشم پوشی نموده ایم.اگر ضخامت Intact residual stromal bed بیشتر از ۲۵۰ میکرون باشد بحث بیومکانیک در ایجاد روندهای غیر طبیعی نتایج رفرکتیو سرجری دخالت دارد امّا اگر ضخامت Intact residual stromal bedکمتر از ۲۵۰ میکرون باشد بیشتر از بیومکانیک قرنیه، روندها ومکانیسم های دیگر نیز،در ایجاد اکتازی دخالت دارند.برای فهم بهتر موضوع نگاهی دقیقتر به قرنیه می اندازیم.در استروماLamellae به طور محکم قرار گرفته اند وماتریکس خارج سلولی،فضای بین آنها را پر کرده است.بعنوان یک مدل تصوری،Lamellae مانند باندهای لاستیکی محکمی هستند که در بین آنها اسفنج قرار گرفته اند. باندهای Lamellae تحت فشار قرار دارند وفشار داخل چشمی از زیر آنها را تحت فشار قرار می دهد ولی باندهای Lamellae بوسیلۀ لیمبوس محکم نگاه داشته می شوند و میزان آب داخل اسفنج بین باندها،بستگی به نوع تحت فشار قرار گرفتن باند دارد.

هرچه باندهای Lamellae بیشتر کشیده شوند،هر باند فشار بیشتری تحمل می کند ودر نتیجه آب داخل اسفنج بین باندها،به سمت بیرون رانده می شود وکاهش می یابد وفضای بین باندها کاهش می یابد.

بعد از انجام رفرکتیو سرجری لیزری برای فرد مایوپ، قسمتی از Lamellae از مرکز جدا می شوند ودر نتیجه قسمت باقی ماندۀ کناریRelax می شود(همانند یک طناب به هم پیچده پلاستیکی سفت کشیده شده،که اگر قسمتی از آن کنده شود،اطراف آن شل می شود).با کاهش فشار وارده برLamellae ،نیروی فشار روی ماتريكس بين Lamellae  کاهش می یابد و فاصلۀ بینLamellae افزایش می یابد وفضای بین آنها (ماتریکس) آب بیشتری به خود جذب می کند واین باعث افزایش ضخامت اطراف قرنیه می شود.از طرفی به علت اینکه ساختار استروما حالتCross-Liniking دارد،نیروی شل کنندۀ وارده به Lamellae  در قسمتهای زیرین سالم ویکپارچه،بطور رادیال به سمت خارج هدایت می شود واین نیروی به سمت خارج در محیط قرنیه، باعثflat  شدن بیشتر مرکز قرنیه می شود.بنابراین قرنیه، بوسیلۀ هر روشی که قسمت دایره ای ازLamellae را جدا نماید،در مرکز فلت خواهد شد واین شامل روشهای رفریکتوسرجری لیزری مایوپی،PTK وLASIK می شود.یعنی فلت شدن بیومکانیکی،مایوپی را افزایش می دهد. در روشLASIK  تنها وتنها ایجاد یک Flap (بدون Ablation ) می تواند ساختار قرنیه را به علت تغییر بیومکانیک قرنیه تحت تأثیر قرار دهد.در شکل قرنیه بعد از عمل رفرکتیو سرجری لیزری ونهایتأ عملکرد بینائی، حداقل سه فاکتور مهم نقش ایفا می کنند:

  1. Ablation profile
  2. Healing  process
  3. Biomechanical  Rasponses

افزایش دانش،از تداخلات سه فاکتور فوق واعمال این دانش در طراحی الگوریتم های جدید  Ablation  وروشهای Customized ،می تواند باعث افزایش دقت پیش بینی ما از نتایج عمل های رفرکتیو سرجری لیزری شود.

شکل(۴)

در روشهای Customized Ablation،برای اینکه بعد از عمل، آسفریسیتی(Q-Value) قرنیه شکل proltion ومنفی داشته باشد وبه قرنیه نرمال شبیه باشد،میزان Ablation افزایش می یابد وقسمت بیشتری از Lamellae از قرنیه جدا می شود تا بتوان بعد ازعمل،شکل قرنیه prolateونرمال را به دست آورد ودر نتیجۀ این افزایش Ablation ،مشکلات بیومکانیک قرنیه بیشتر خود رابروز می دهد.

پارامترهای بیومکانیک قرنیه و جراحی های رفرکتیو :

فاکتورهای زیادی وجود دارند که به صورت بالقوه بر CRF, CH و CCT اثر بگذارند از جمله نوع جراحی (لازک / لیزیک)، نوع عیب انکساری (مایوپی / هایپروپی)، عمق ابلاشن (تغییرات در CCT)، پروفایل قرنیه ای و … اما به هر حال در مجموع تمامی مطالعات بر یک کاهش کلی در پارامترهای بیومکانیک قرنیه پس از جراحی رفرکتیو اتفاق نظر دارند.

کاربردهای بالقوه کلینیکی مقادیر CRF وCH در حوزه ی جراحی های رفرکتیو قابل توجه است.

اندازه گیری ویژگی های بیومکانیک قرنیه توسط دستگاه ORA برای اولین بار امکان تشخیص بیماری های مختلف قرنیه را توسط یک معیار قابل اندازه گیری و قابل تکرار به ما می دهد. مقایسه مقادیر CH و CRF بدست آمده  از چشم هایی با بیماری های مشخص قرنیه و قرنیه های نرمال تفاوت های قابل توجهی را نشان می دهد. CH و CRF مربوط به سه جمعیت در جدول ۱ نشان داده شده.

 

جدول(۱)

 

 

همچنین هیستوگرام مربوط به سه جمعیت فوق در شکل های ۵-۳ نشان داده شده. علاوه بر تفاوت در مقادیر CH ، اختلافات معنادار قابل مشاهده در مورفولوژی سیگنالهای موجی شکل در شکل های  ۵-۳  نشان داده شده است.

شکل(۵)

دکتر فرشاد عسکری زاده (دانشجوی دکترای تخصصی اپتومتری)

اپتومتریست محدثه  محمدی نیا (کارشناس ارشد اپتومتری)

 

این خبر را به اشتراک بگذارید :