Дифференциальная тонометрия тонометром Шиотца: математическое моделирование с учетом нелинейности упругого поведения роговицы и сопоставление с клиническими данными

Автор: Моисеева И.Н., Штейн А.А.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (98) т.26, 2022 года.

Бесплатный доступ

Выполнено математическое моделирование диагностической процедуры дифференциальной тонометрии, основанной на нагружении глаза тонометром Шиотца с использованием двух или более весов плунжера - одного из двух конструктивных элементов этого тонометра. Используется разработанная ранее авторами модель глазного яблока, основанная на представлении роговицы безмоментной двумерной упругой поверхностью, а склеральной области - нульмерным упругим элементом, отвечающим изменением давления на изменение объема содержащейся в нем жидкости. В отличие от предшествующих работ, в которых выполнялось теоретическое исследование дифференциальной тонометрии на основе физически линейной модели роговицы, учитывается нелинейность ее упругого поведения на основе эффективного подхода, позволившего описывать эту нелинейность посредством единственного параметра. Показано, что зависимость тонометрического давления от веса плунжера остается практически линейной, что дает возможность вводить коэффициент эластоподъема γ как наклон соответствующей прямой. Этот коэффициент растет с увеличением как склеральной, так и роговичной жесткостей и падает с ростом истинного давления. Учет нелинейности приводит к увеличению расчетных значений γ при достаточно больших как истинных давлениях, так и жесткостях обоих компонентов глазного яблока, а также к расширению области давлений, для которых эти значения велики. Показано, что можно выделить две группы глаз, в одной из которых, характеризуемой большими значениями коэффициента эластоподъема, оба компонента корнеосклеральной оболочки очень жесткие, а в другой, где эти значения существенно ниже, жесткость тканей глаза можно считать нормальной. При этом остается промежуточная область значений γ, для которой столь определенные выводы только по результату дифференциальной тонометрии сделать нельзя. Однако возможность выделения группы «очень жестких» глаз, для которых особенно велика вероятность глаукомы, делает эту процедуру полезной при диагностике этого заболевания.

Еще

Глаз, роговица, нелинейность упругих свойств, дифференциальная тонометрия, тонометр шиотца, математические модели

Короткий адрес: https://sciup.org/146282605

IDR: 146282605   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.4.01

Список литературы Дифференциальная тонометрия тонометром Шиотца: математическое моделирование с учетом нелинейности упругого поведения роговицы и сопоставление с клиническими данными

  • Бауэр С.М., Венатовская Л.А., Франус Д.В., Федотова Л.А. Оценка изменения напряженно-деформированного состояния глаза и показателей внутриглазного давления после рефракционной коррекции гиперметропии // Российский журнал биомеханики. - 2015. - Т. 19, № 2. -С. 136-143.
  • Бауэр С.М., Венатовская Л.А., Шалпегин Г.С. Конечно-элементная модель измерения внутриглазного давления тонометром Шиотца // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 2. - С. 197-203.
  • Иомдина Е.Н., Петров С.Ю., Антонов А.А., Новиков И.А., Пахомова И.А. Корнеосклеральная оболочка глаза: анализ структурно-биомеханических особенностей в возрастном аспекте. Обзор литературы // Офтальмология. - 2016. - Т. 13, № 1. - С. 10-19.
  • Моисеева И.Н., Штейн А.А. Анализ зависимости давление - объем для глазного яблока, нагруженного плоским штампом, на основе двухсегментной упругой модели // Известия РАН. Механика жидкости и газа. - 2011. -№ 5. - С. 3-15.
  • Моисеева И.Н., Штейн А.А. Оценка корректности стандартной методики расчета внутриглазного давления при тонометрии по Шиотцу // Российский журнал биомеханики. - 2015. - Т. 19, № 3. - С. 243-257.
  • Моисеева И.Н., Штейн А.А. Математическое моделирование аппланационного нагружения глазного яблока с учетом нелинейности упругих свойств роговицы // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 3. -С. 272-281.
  • Моисеева И.Н., Штейн А.А. Влияние нелинейности упругих свойств роговицы на ее деформирование при нагружении глаза тонометром Шиотца // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 3. - С. 230-240.
  • Моисеева И.Н., Штейн А.А. Влияние нелинейности упругих свойств роговицы на результаты тонометрии по Шиотцу: оценка на основе двухкомпонентной математической модели // Биофизика. - 2022. - Т. 67 (в печати).
  • Моисеева И.Н., Штейн А.А., Любимов Г.А. Оценка упругих свойств глаза с помощью дифференциальной тонометрии тонометром Шиотца: анализ измерительной процедуры на основе двухкомпонентной математической модели // Биофизика. - 2016. - Т. 61, № 6. -С. 1219-1227.
  • Моисеева И.Н., Штейн А.А., Любимов Г.А. Оценка упругих характеристик глазного яблока по отклику энуклеированного глаза на введение заданных объемов жидкости // Российский журнал биомеханики. - 2020. -Т. 24, № 4. - С. 412-429.
  • Штейн А.А., Моисеева И.Н., Любимов Г.А. Математическая модель роговицы глаза с учетом экспоненциальной нелинейности ее упругих свойств при условии геометрической малости деформаций // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 3. - С. 375-390.
  • Anderson K., El-Sheikh A., Newson T. Application of structural analysis to the mechanical behaviour of the cornea // J. Roy. Soc. Interface. - 2004. - Vol. 1, no. 1. - P. 3-15.
  • Bharathi R.B., Poojary R.G., Prabhu G.K., Ve R.S. Finite element method for estimation of applanation force and to study the influence of intraocular pressure of eye on tonome-try // Int. Ophthalmol. - 2022. - Vol. 42. - P. 1997-2005.
  • Blackburn B.J., Jenkins M.W., Rollins A.M., Dupps W.J. A review of structural and biomechanical changes in the cornea in aging, disease, and photochemical crosslinking // Front. Bioeng. Biotechnol. - 2019. - Vol. 7. - Article no. 66. DOI: 10.3389/fbioe.2019.00066
  • Bryant M.R., McDonnell P.J. Constitutive laws for biome-chanical modeling of refractive surgery // J. Biomech. Eng. -1996. - Vol. 118, no. 4. - P. 473-481.
  • Clark J.H. A Method for measuring elasticity in vivo and results obtained on the eyeball at different intraocular pressures // Am. J. Physiol. - 1932. - Vol. 101. - P. 474-481.
  • Corneal biomechanics and refractive surgery / Ed. F.A. Guarnieri. - Berlin: Springer, 2015. - 146 p.
  • Coudrillier B., Pijanka J., Jefferys J., Sorensen T., Quigley H.A., Boote C., Nguyen T.D. Collagen structure and mechanical properties of the human sclera: analysis for the effects of age // J. Biomech. Eng. - 2015. - Vol. 137, no. 4. -Article no. 041006.
  • Dyk D.W., Miller K.M. Mechanical model of human eye compliance for volumetric occlusion // J. Cataract. Refract. Surg. - 2018. - Vol. 44. - P. 231-236.
  • Elsheikh A., Alhasso D., Rama P. Biomechanical properties of human and porcine corneas // Exp. Eye Res. - 2008. -Vol. 86. - P. 783-790.
  • Elsheikh A., Wang D., Kotecha A., Brown M., Garway-Heath D. Evaluation of Goldmann applanation tonometry using a nonlinear finite element ocular model // Ann. Biomed. Eng. - 2006. - Vol. 34. - P. 1628-1640.
  • Friedenwald J.S. Contribution to the theory and practice of tonometry // Am. J. Ophthalmol. - 1937. - Vol. 20, no. 10. -P. 985-1024.
  • Friedenwald J.S. Some problems in the calibration of tonometers // Am. J. Ophthalmol. - 1948. - Vol. 31. - P. 935-944.
  • Friedenwald J.S Standartization of tonometers: decennial report by the committee on standartization of tonometers. -Omaha: Am. Acad. Ophthalmol. Otolaryngol., 1954. -177 p.
  • Fu J., Haghighi-Abayneh M., Pierron F, Ruiz P.D. Depth-resolved full-field measurement of corneal deformation by optical coherence tomography and digital volume correlation // Exp. Mech. - 2016. - Vol. 56, no. 7. - P. 1203-1217.
  • Garzón N., Poyales F., Illarramendi I., Mendicute J., Jáñez Ó., Caro P., Jáñez O., Argüeso F., López A. Corneal densitometry and its correlation with age, pachymetry, corneal curvature, and refraction // Int. Ophthalmol. - 2017. -Vol. 37. - P. 1263-1268.
  • Geraghty B., Whitford C., Boote C., Akhtar R., Elsheikh A. Age-related variation in the biomechanical and structural properties of the corneo-scleral tunic // Mechanical Properties of Aging Soft Tissues / eds. B. Derby and R. Akhtar. -Boston: Springer, 2015. - P. 207-235.
  • Liu B., McNally S., Kilpatrick J.I., Jarvis S.P., O'Brien C.J. Aging and ocular tissue stiffness in glaucoma // Surv. Oph-thalmol. - 2018. - Vol. 63, no. 1. - P. 56-74.
  • Macri F.J., Wanko T., Grimes P.A. The elastic properties of the human eye // AMA Arch. Ophthalmol. - 1958. - Vol. 60, no. 6. - P. 1021-1026.
  • McBain E. H. Tonometer calibration. II. Ocular rigidity // Arch. Ophthal. - 1958. - Vol. 60. - P. 1080-1091.
  • Moses R.A. Theory of the Schi0tz tonometer and its empirical calibration // Trans. Am. Ophthalmol. Soc. - 1971. -Vol. 69. - P. 494-562.
  • Nejad T., Foster C. Finite element modelling of cornea mechanics: A review // Arq. Bras. Oftalmol. - 2014. - Vol. 77, no. 1. - P. 60-65.
  • Pallikaris I.G., Kymionis G.D., Ginis H.S., Kountis G.A., Tsilimbaris M.K. Ocular rigidity in living human eyes // Invest. Ophthalm. Vis. Sci. - 2005. - Vol. 46, no. 2. -P. 409-414.
  • Ridley F. The intraocular pressure and drainage of the aqueous humour // Brit. J. Exp. Pathol. - 1930. - Vol. 11, no. 4. -P. 217-240.
Еще
Статья научная