Georgeta Mercut, Elena Taina Rinderu, A.C. Andritoiu, l. Gruionu
Spitalul Militar Craiova
Universitatea din Craiova

introdus la 02.02.2005

 

REZUMAT
Desi glaucomul ramane o afectiune a globului ocular cu etiologie incomplet cunoscuta, in ultimul timp se evidentiaza importanta unor factori vasculari asociati cu factori mecanici cu rol in afectarea perfuziei retinei si a nervului optic.

Scopul lucrarii consta in elaborarea unui model biomecanic al globului ocular in scopul depistariii precoce a modificarilor induse de stresul presional la nivelul arterelor oculare si a capului nervului optic in glaucomul cu unghi deschis (GUD); urmarirea corespondentei parametrilor obtinuti cu evaluarile clinico-ultrasonografice.

Material si metoda. Studiul a inclus un lot de studiu format din 97 pacienti fara glaucom cu varsta cuprinsa intre 20-75 ani (lot 1) si un lot de studiu format din 71 de pacienti, confirmati cu GUD, cu vaarsta cuprinsa intre 45-80 ani (lot 2). S-au utilizat metode de examinare si diagnostic uzuale in oftalmologie (masurarea TIO, examenul fundului de ochi, explorarea campului vizual), metode ultrasonografice (Doppler color, Doppler pulsat, Doppler spectral si power-angio), metode computationale de modelare a structurilor oculare.

Rezultate si concluzii. GUD asociaza modificari hemodinamice detectabile prin analiza Doppler spectrala a arterelor retrobulbare pentru majoritatea cazurilor studiate, tehnicile ultrasonografice constituindu-se intr-un instrument valoros in diagnosticul si controlul evolutiei GUD. Limitarile metodelor ultrasonografice constau in depistarea precoce a acestor modificari si pot fi contracarate prin elaborarea unui model biomecanic al globului ocular care sa permita o abstractizare si generalizare a fenomenelor, in scopul simularii modificarilor induse de hipertensiunea intraoculara la nivelul arterelor oculare si a urmaririi in dinamica a modificarilor hemodinamice .

CUVINTE CHEIE:

• glaucom
• stres presional
• modelare computationala

INTRODUCERE
Alterarile hemodinamice apar cu o frecventa mai mare la pacientii cu glaucom iar insuficienta vasculara conduce la aparitia neuropatiei optice glaucomatoase (3). Multe studii sunt bazate pe premiza ca fluxul sanguin de la nivelul retinei sau nervului optic pot fi masurate, mai ales prin metode ecografice Doppler – Doppler color, Doppler power-angio, laser Doppler flowmetrie si scanning laser angiografie (9,5,6,7,8). Cand presiunea intraoculara este foarte ridicata la subiectii sanatosi in artera centrala a retinei si arterele posterioare ciliare se inregistreaza un index de rezistenta cu crestere progresiva. Acest fapt sugereaza ca irigatia retinei si a nervului optic este influentata atat de factori mecanici cat si de factori vasculari, aflati intr-o relatie stransa (2,10).

SCOP
Lucrarea prezenta s-a axat asupra urmatoarelor probleme:

• evidentierea rolului presiunii intraoculare si al modificarilor hemodinamice la nivelul arterelor oculare ca factor de risc pentru aparitia glaucomului cu unghi deschis; corelarea exponentiala a acestor modificari cu nivelul presiunii intraoculare.
• modificari induse de stresul presional la nivelul nervului optic in glaucomul cu unghi deschis
• elaborarea unui model biomecanic al globului ocular care sa permita o abstractizare si generalizare a fenomenelor, in scopul simularii modificarilor induse de hipertensiunea intraoculara la nivelul arterelor oculare, urmarirea in dinamica a modificarilor hemodinamice si evidentierii mai precoce a leziunilor decat ecografia Doppler color (la valori presionale sub 30 mmHg).

Scopul final al acestor cercetari a fost o noua perspectiva in dezvoltarea unor metode non-invazive pentru determinarea biomecanicii oculare in vivo si diagnosticarea timpurie a glaucomului.

MATERIAL SI METODA
Studiul prezent a utilizat doua loturi de subiecti: un lot de studiu (lot 1) format din 97 pacienti fara glaucom cu varsta cuprinsa intre 20-75 ani (varsta medie 51,7 ani, raportul M/F 0,97) si un lot de studiu (lot 2) format din 71 de pacienti , confirmati cu GUD, cu varsta cuprinsa intre 45-80 ani (varsta medie 63,2 ani, raportul M/F 1.08). Pentru ambele loturi s-a realizat examinarea oculara bilaterala. De asemenea, s-au inregistrat antecedentele heredocolaterale (istoric familial pozitiv pentru glaucom) si personale patologice (miopie, diabet, migrene, boli cardiovasculare).

In urma analizei si centralizarii rezultatelor am eliminat din studiu pacientii care prezentau tulburari de medii transparente (opacitati corneene si cristaliniene) pentru care nu s-a putut realiza in conditii optime examenul campului vizual si al fundului de ochi. De asemenea am eliminat din studiu subiectii cu patologie oculara vasculara diabetica sau hipertensiva datorita perturbarilor hemodinamice supraadaugate. Pentru lotul 2 au fost luati in studiu numai pacientii cu valori aleTIO peste 22 mm Hg. In aceste conditii din totalul de 194 de ochi (lot 1) si 142 ochi (lot 2) au ramas in studiu 172 de ochi (lot 1) si 112 ochi (lot 2). Ulterior pentru sistematizarea rezultatelor si realizarea corelatiilor ulterioare cu modificarile eco Doppler pacientii glaucomatosi (ochii) ramasi in studiu au fost impartiti, potrivit valorilor TIO, in 2 subgrupe ( lot 2a sI 2b).

Lotul 2a a inclus ochii cu valori TIO intre 22-29 mm Hg (45 pacienti; 80,4% cazuri); lotul 2b a inclus ochii cu valori TIO peste 30 mm Hg (11 pacienti; 19,6% cazuri).

Tabel 1. Repartizarea cazurilor in functie de varsta si sex pentru subiectii fara patologie oculara glaucomatoasa (lot 1)

TOTAL: 97 subiecti

Tabel 2. Repartizarea cazurilor in functie de varsta si sex pentru subiectii cu GUD (lot 2)

TOTAL: 71 subiecti

Primul grup de metode utilizate a inclus metode de examinare si diagnostic uzuale in oftalmologie (masurarea tensiunii intraoculare – TIO, examenul fundului de ochi, explorarea campului vizual), metode ultrasonografice (Doppler color, Doppler pulsat, Doppler spectral si power-angio) in scopul vizualizarii microcirculatiei la nivelul globului ocular si al inregistrarii unor parametri hemodinamici specifici.

Studiul fundului de ochi s-a realizat prin oftalmoscopie directa cu ajutorul oftalmoscopului electric tip Welch Allyn, examinarea campului vizual s-a realizat prin perimetrie computerizata utilizand perimetrul Humphrey Zeiss., iar masurarea TIO prin tonometrie non-contact (Nidek) .

Pentru examenul ultrasonografic s-a utilizat un ecograf Siemens Sonoline versa Plus Doppler-color si Power-angio, prevazut cu un transductor linear de 7.5 MHz cu ajutorul caruia s-a practicat examinarea eco-Doppler a circulatiei retrobulbare la ambii ochi. S-au studiat artera oftalmica (AOf), artera centrala a retinei (ACR), arterele cilare scurte posterioare (ACSP) si vena centrala a retinei (VCR). Parametri spectrali ai anvelopei de puls inregistrati au fost indexul de pulsatilitate – Goslin (PI), indexul de rezistenta – Pourcelot (RI), velocitatea sistolica maxima (S), velocitatea diastolica maxima (D), raportul velocitatilor maxime (S/D) si media temporala a velocitatii medii (TAMx) .

A doua grupa de metode a inclus metode computationale de modelare a acestor structuri, in scopul elaborarii unui model tridimensional al fundului de ochi, particularizabil pentru fiecare pacient, capabil sa simuleze modificarile induse de hipertensiunea intraoculara la nivelul arterelor oculare si a capului nervului optic.

REZULTATE
Pentru lotul I TIO a inregistrat valori medii de 19,05 mm Hg (9-21 mmHg). Parametrii spectrali ai arterelor retrobulbare au fost influentati in mod fiziologic de varsta pacientilor. Nu au existat diferente legate de sex.

Valorile obtinute pentru parametrii spectrali la lotul 1 s-au constituit intr-o baza etalon de date in scopul compararii cu valorile obtinute in studiul ochiului glaucomatos prin utilizarea aceluiasi aparat (tabele 3-6).

Pentru pacientii cu GUD studiati (lot 2) modificarile ecografice au fost in mare parte (73%) in concordanta cu valorile TIO, modificarile fundului de ochi si alterarea campului vizual. TIO a prezentat valori medii de 32,1 (22-52 mmHg), procentul cazurilor cu TIO > 30 mmHg fiind de 19.6%. Pentru lotul 2a s-au gasit reduceri ale velocitatii maxime sistolice in artera centrala a retinei si arterele ciliare posterioare, reducerea velocitatii diastolice in ACSP, cat si cresterea indicilor de impedanta (IP sI IR, TAMx) raportat la lotul normal. Modificarile pentru velocitatea diastolica au fost apreciate ca nesemnificative pentru ACR. Pentru artera oftalmica s-au inregistrat acelasi tip de modificari, dar de amplitudine mai mica Modificarile fundului de ochi s-au corelat pozitiv cu IR si negativ cu velocitatile sistolice sI diastolice.

Tabel 3. Parametrii Doppler ai arterei oftalmice pe grupe de varsta

Tabel 4. Parametrii Doppler in artera centrala a retinei pe grupe de varsta

Tabel 5. Parametrii Dopler inregistrati in vena centrala a retinei

Tabel 6. Parametrii Doppler in arterele ciliare scurte pe grupe de varsta

Pentru lotul 2b examemele ecografice au evidentiat modificari hemodinamice severe, constand in reducerea velocitatii maxime sistolice, a velocitatii diastolice si o crestere marcata a IR, IP, TAMx pentru toti pacientii inclusi in studiu. Modificarile au interesat mai ales arterele centrala a retinei si ciliare scurte. Aceste modificari au fost corelabile si cu gradul alterarilor de camp vizual si fund de ochi.

Prezenta unor factori ca miopia, fumatul pot constitui factori de risc pentru aparitia glaucomului. In cadrul lotului 2, 12,2% din pacienti au prezentat un istoric familial glaucomatos pozitiv, 28% au avut miopie asociata, 33% din pacienti erau sub tratament medicamentos pentru scaderea TIO.

Cercetarile biomecanice si computationale ale globului ocular efectuate in scopul identificarii relatiei dintre presiunea intraoculara, hemodinamica arterei centrale a retinei si transformarile de ordin mecanic provocate tesuturilor conective ale capului nervului optic au inclus o metoda originala, utilizand o serie de modele computationale, numerice, special dezvoltate in acest scop (figura 1). Prin elaborarea modelui biomecanic s-a realizat un sistem ce include cuantumul proprietatilor reprezentative ale unui sistem mai complex, cu care prezinta analogii structurale sau functionale (globul ocular), realizat in vederea simplificarii studierii acestuia. Acest model a fost supus unor incarcari diverse pe calculator cu urmarirea modificarilor structurale ce apar. S-a realizat astfel un experiment numeric – modalitate asemanatoare experimentului de laborator in care se porneste de la un model numeric, caruia i se impun diferite conditii initiale si de limita, obtinandu-se variatii ale parametrilor investigati, asa cum s-ar obtine serii de date experimentale in laborator, cu observatia ca modelarea numerica permite cercetarea unor fenomene greu de reprodus la nivel de laborator.

Etapele cercetarii au inclus:
1. Dezvoltarea modelului computational bidimensional al globului ocular
Modelarea a inceput la nivel de structura biomecanica, prin dezvoltarea geometriei bidimensionale a globului ocular incluzaand principalele elemente anatomice: sclerotica, coroida, retina, teaca nervului optic, camera anterioara, corpul vitros, cristalinul, artera si vena centrala a retinei.

Abordarea problematicii modelarii computationale a ochiului glaucomatos a pornit de la ipotezele conform carora, cresterea tensiunii intraoculare si modificarile hemodinamice observate prin ecografie Doppler determina modificari structurale patologice in zona capului nervului optic. Pentru evidentierea acestor modificari structurale s-a realizat o modelare bidimensionala intr-o prima faza, a intregului glob ocular, considerand ca importanta in biomecanica regiunii numai vasul sanguin din apropierea nervului optic, respectiv artera centrala a retinei (figura 2).

2. Dezvoltarea modelului computational tridimensional al globului ocular
Reconstructia geometrica tridimensionala computationala a globului ocular a fost realizata prin sectiuni seriate, obtinute de la U.S. National Library of Medicine. Sectiunile realizate in cadrul proiectului Visible Human Project sunt o reprezentare completa a corpului uman si sunt obtinute prin scanare in 3 plane prin 3 procedee diferite: tomografie computerizata, rezonanta magnetica si imagine video color a criosectiunilor unor cadavre umane, la intervale de 1 milimetru. Imaginile au fost achizitionate in format DICOM fiind necesara o conversie in format JPEG, utilizand software-ul MRIcro, specializat in conversia de imagini medicale in diverse formate (www.psychology.nottingham.ac.uk).

Ipoteza luata in considerare in cercetarile prezentate in continuare a fost aceea ca structurile capului nervului optic, tesuturile conective sclerotice, peretii canalului sclerotic si lamina cribrosa sunt afectate de valorile crescute ale tensiunii intraoculare, conjugate cu valori scazute ale fluxului sanguin sistolic in artera centrala a retinei. Modelul numeric va sugera o distributie predictibila a eroziunii mecanice a tesuturilor in zona deschiderii canalului sclerotic observata clinic in ochiul glaucomatos. Mecanismul de producere al acestor excavatii in tesut este dat combinatia compresiei fizice cu ischemia acuta sau cronica, care poate fi indusa asupra arterei centrale a retinei si tesuturilor conective de cresterea presiunii intraoculare. Modelul astfel dezvoltat (figura 3) poate fi utilizat in estimarea unui nivel maximal al tensiunii intraoculare care duce la modificari de ordin mecanic la nivel de tesut pentru un anumit pacient, informatie ce poate fi o referinta in estimarea clinica a susceptibilitatii acestuia de a prezenta in viitor distrugeri de tip glaucomatos.

Un la treilea model idealizat, sferic, al fundului de ochi, cu canalul nervului optic, a fost realizat parametrizat. Aceasta parametrizare a modelului permite modificarea caracteristicilor geometrice, a valorilor hemodinamice si a proprietatilor de material ale tesuturilor pentru fiecare pacient in parte (figura 4).

Elaborarea modelelor a fost urmata de simularea numerica a fenomenelor biomecanice caracteristice ochului cu glaucom. Metodologia de evaluare a transformarilor structurale in ochiul glaucomatos a utilizat analiza numerica prin metoda elementelor finite, cu implicarea interactiunii dintre hemodinamica arteriala si fenomenele structurale la nivel de tesut. Simularile au fost rulate pentru diverse presiuni intraoculare PIO, masurate anterior pe pacienti, precum si diverse velocitati sanguine in artera si vena centrala ale retinei, masurate prin tehnici eco-Doppler. Modelarea, pre si postprocesarea precum si intregul calcul au fost realizate utilizand Ansys v8 (ANSYS, Inc.).

Rezultatele proprii obtinute la nivelul modelelor elaborate au analizat:
– distributia medie a velocitatii sistolice si presiunii sanguine in artera centrala a retinei pentru ochi normal cu TIO=15 mmHg respectiv ochi glaucomatos cu TIO=26 mmHg (figura 5).

– distributia medie a deformatiilor pentru globul ocular normal cu TIO=15 mmHg respectiv glaucom cu TIO=26 mmHg. In cazul ochiului glaucomatos, comparativ cu cel normal, s-a observat o crestere la o valoare dubla a deformatiilor tesutului la intrarea in canalul nervului optic (figura 6).

– distributia medie a presiunilor in retina si sclerotica, pentru globul ocular normal cu TIO=15 mmHg respectiv glaucom cu TIO=26 mmHg. Pentru ochiul glaucomatos s-a inregistrat o crestere de aproape 3 ori mai mare si o redistribuire a presiunilor pe tesut, cu valorile maximale in apropierea zonei de intrare in canalul nervului optic.

Parametrii ante-mentionati au fost analizati si pentru ochiul glaucomatos cu TIO peste 30 mm Hg. Comparand rezultatele obtinute in cele doua cazuri si cazul cu tensiune TIO = 30 mmHg pentru ochiul glaucomatos se poate evalua aparitia si amplificarea in timp a efectului de excavatie in zona capului nervului optic. S-a observat totodata un efect de compresie asupra arterei centrale a retinei in zona de intrare in globul ocular, fapt ce va conduce la schimbarea parametrilor hemodinamici, respectiv o crestere a velocitatii sistolice in cazul prezentat.

CONCLUZII

• GUD asociaza modificari hemodinamice detectabile prin analiza Doppler spectrala a arterelor retrobulbare pentru majoritatea cazurilor studiate. Modificarile hemodinamice aparute in GUD pot fi evidentiate prin ecografia Doppler, aceasta constituindu-se ca o valoroasa tehnica de diagnostic si control a evolutiei GUD. Mentionam insa si prezenta unor cazuri (lot 2a) fara modificari ale spectrului de velocitate. In schimb pentru lotul cu neuropatie optica glaucomatoasa avansata si TIO peste 30 mm Hg modificarile inregistrate au fost mult mai severe.
• Datele privind biomecanica globului ocular precum distributia de tensiuni si deformatii sunt esentiale pentru intelegerea efectelor mecanice asupra structurii tesutului ce apar in patologia glaucomatoasa. Din datele prezentate anterior se observa o buna corelatie a modelului teoretic cu datele clinice in cazul fenomenelor de crestere a indicelui de rezistenta, o usoara scadere a vitezei sistolice si o crestere corespunzatoare a presiunii sanguine. Se poate astfel evalua aparitia si amplificarea in timp a efectului de excavatie in zona capului nervului optic.

BIBLIOGRAFIE

1. Bellezza A. J. Hart., R. T,. The Optic Nerve Head as a Biomechanical Structure: Initial Finite Element Modeling.; Investigative Ophthalmology & Visual Science 2000; 41: 2991-3000.
2. Chiou HJ, Chou YH, Liu CJ, Hsu CC, Tiu CM, Teng MM, Chang CY. Evaluation of ocular arterial changes in glaucoma with color Doppler ultrasonography. J Ultrasound Med 1999;18:295-302.
3. Cioffi GA. Three common assumptions about ocular blood flow and glaucoma; Sur ophtalmology; 2001; vol 45; supp.3; 325-331.
4. Harris A, Chung HS, Ciulla TA, Kagemann L.. Progress in measurement of ocular blood flow and relevance to aour understanding of glaucoma and age-related macular degeneration; Prog Retin Eye Res 1999;18:669-687.
5. Michelson G, Groh MJ, Groh ME, Grundler A. Advanced primary open-angle glaucoma is associated with decreased ophthalmic artery blood flow velocity. Ger J Ophthalmol 1995;4:21-24.
6. Nicolela MT, Walman BE, Buckley AR, Drance SM. Various glaucomatous optic nerve appearance: a color Doppler imaging study of retrobulbar circulation. Ophthalmology 1996;103:1670-1679.
7. Rankin SJ, Walman BE, Buckley AR, Drance SM. Color Doppler imaging and spectral analysis of the optic nerve vasculature in glaucoma; Am J Ophthalmol 1995;119(6):685-693.
8. Rankin SJ. Color Doppler imaging of the retrobulbar circulation in glaucoma. Surv Ophthamol 1999;43 (suppl 1):S176-S182.
9. Rojanapongpun P, Drance SM, Morrison PJ. Ophthalmic artery flow velocity in glaucomatous and normal subjects. Br J Ophthalmol 1993;77:25-29.
10. Shmyreva VF. Shershnev VV. Shmeleva OA. Comparative assessment of hemodynamic risk factors of glaucomatous optic neuropathy; Vestnik Oftalmologii. 2000, 116:6-7.