Оптимизированный подход к имплантации роговичных сегментов на основе математического моделирования

лет

предоставляем актуальную медицинскую информацию от ведущих специалистов, помогая врачам в ежедневной работе

Присоединяйтесь!

Уведомления

Личный
кабинет

лет

Присоединяйтесь!

лет

Присоединяйтесь!

Оптимизированный подход к имплантации роговичных сегментов на основе математического моделирования

Офтальмология

1604

23 апреля 2025

Волгоградский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России, Волгоград, Россия

ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России, Москва, Россия

ФГБОУ ВО ВолгГМУ Мин здрава России, Волгоград, Российская Федерация

Цель исследования: анализ результатов применения персонализированного подхода к имплантации интрастромальных сегментов (ИСС), основанного на оптимизации выбора их размеров и положения, а также прогнозирование результатов хирургического лечения прогрессирующего кератоконуса с помощью математической модели роговицы конкретного пациента.

Материал и методы: моделирование биомеханики роговицы с кератоконусом при внешних диагностических воздействиях проводили с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics®. На основе расчета методом конечных элементов получены трехмерные картины распределения интенсивностей напряжений и деформаций в объеме роговицы. Сопоставление их с основными топографическими и томографическими картами Pentacam AXL и данными Corvis ST (OCULUS Optikgeräte GmbH, Германия) позволило определить локализацию, размеры и выраженность снижения биомеханических свойств ослабленных участков роговицы, построен «цифровой двойник» роговицы, с помощью которого выбирался наилучший вариант размера и положения ИСС. Планируемое положение роговичного тоннеля достигалось с использованием автоматической разметки на роговице с помощью эксимерного лазера. Таким образом было прооперировано 30 человек (30 глаз) с кератоконусом II и III стадий по классификации Amsler — Krumeich. Эффективность и безопасность предложенной методики оценивали в сравнении с результатами стандартной методики имплантации ИСС по номограмме Keraring у 20 пациентов (20 глаз) с кератоконусом II и III стадий.

Результаты исследования: результаты цифрового планирования операции совпали с полученными после хирургического лечения, эффективность предложенного подхода подтверждена улучшением максимальной корригированной остроты зрения, некорригированной остроты зрения (p<0,001), снижением значений Kmax и RMS (p<0,05), более выраженными после применения модифицированной методики имплантации ИСС.

Выводы: за счет изменения размеров и положения роговичного сегмента можно гибко управлять топографическими и томографическими характеристиками роговицы, обеспечивая их наилучшее соответствие целевым показателям после операции.

Ключевые слова: кератоконус, интрастромальные сегменты, математическая модель роговицы.

E.G. Solodkova¹, S.B. Izmailova², I.N. Zakharov³, V.P. Fokin¹, S.V. Balalin¹, E.V. Lobanov¹, V.A. Sivolobov¹, V.H. Le³

¹Volgograd Branch of the S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution, Volgograd, Russian Federation

²S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution, Moscow, Russian Federation

³Volgograd State Technical University, Volgograd, Russian Federation

Aim: to analyze results of application of personalized approach to implantation of intracorneal rings (ICR). The technique is based on tailored choice of their size and position, as well as prediction of progressive keratoconus surgery outcomes using a mathematical model of a particular patient's cornea.

Patients and Methods: biomechanical properties of the cornea with keratoconus under external diagnostic procedures were simulated by COMSOL Multiphysics® software. According to the finite element method, three-dimensional images demonstrating distribution of tension and deformity intensities throughout the cornea were obtained. As a result of their comparison with the basic topographic and tomographic maps (Pentacam AXL) along with Corvis ST data (OCULUS Optikgeräte GmbH, Germany), localization, dimensions and severity of deterioration of biomechanical properties of weakened corneal areas were determined. A "digital twin" of the cornea was plotted to select the best option of the ICR's size and position. A scheduled position of the corneal tunnel was achieved by automatic marking on the cornea with an excimer laser. Thus, 30 patients (30 eyes) with keratoconus (stages II and III according to Amsler-Krumeich classification) underwent the surgical intervention. Efficacy and safety of the proposed technique were compared with outcomes of the conventional ICR implantation technique as per the Keraring nomogram in 20 patients (20 eyes) with keratoconus (stages II and III).

Results: results of digital planning of the surgery coincided with post-surgical outcomes. Efficacy of the proposed approach was confirmed by improved BCVA and UCVA (p<0.001), as well as by decreased Kmax and RMS values (p<0.05) that were more pronounced after the modified technique of ICR implantation.

Conclusions: due to modified size and position of a corneal ring, it is possible to control topographic and tomographic corneal characteristics in a flexible way ensuring their best compliance with the target post-surgical parameters.

Keywords: keratoconus, intracorneal rings, mathematical model of the cornea.

For citation: Solodkova E.G., Izmailova S.B., Zakharov I.N., Fokin V.P., Balalin S.V., Lobanov E.V., Sivolobov V.A., V.H. Lе. Streamlined approach to corneal ring implantation based on mathematical modeling. Russian Journal of Clinical Ophthalmology. 2025;25(Special Issue):7–18 (in Russ.). DOI: 10.32364/2311-7729-2025-25-Suppl-1

Для цитирования

Солодкова Е.Г., Измайлова С.Б., Захаров И.Н., Фокин В.П., Балалин С.В., Лобанов Е.В., Сиволобов В.А., Лэ В.Х. Оптимизированный подход к имплантации роговичных сегментов на основе математического моделирования. Клиническая офтальмология. 2025;25(спецвыпуск):7-18. DOI: 10.32364/2311-7729-2025-25-Suppl-1.

Введение

В настоящее время разработаны перспективные кератостабилизирующие операции, в частности интрастромальная имплантация полуколец из полиметилметакрилата в предварительно сформированный круговой тоннель с внутренним диаметром 5,0 мм [1–4]. С.Б. Измайловой [5] предложен алгоритм выбора тактики хирургического лечения прогрессирующих кератэктазий, согласно которому интраламеллярную кератопластику с имплантацией роговичных сегментов следует проводить для стабилизации начальных и развитых стадий эктатического процесса и одновременного повышения зрительных функций. На сегодняшний день роговичные туннели для имплантации интракорнеальных полуколец создаются как механическим способом, так и с использованием фемтосекундных технологий [6, 7]. Имплантация интрастромальных сегментов (ИСС) не способна восстановить полностью биомеханическую и структурную целостность роговицы при кератоконусе [8], но при правильном расположении ИСС возможно уменьшение иррегулярности роговицы, что позволяет существенно улучшить некорригированную остроту зрения (НКОЗ), максимально корригированную остроту зрения (МКОЗ), уменьшить сфероэквивалент рефракции, а также снизить уровень аберраций высокого порядка [9, 10].

Несмотря на существование практических рекомендаций и номограмм производителей [11–13] для выбора ИСС в зависимости от сочетания оптических, рефракционных, кератотопографических параметров роговицы пациента, в ряде случаев имплантация ИСС не дает рефракционного эффекта и даже может сопровождаться ухудшением зрения пациента после операции, а также осложнениями в виде миграции, экструзии и протрузии сегментов, отека ткани, кератита и т. д. [14]. Во многом это связано с принципиальной невозможностью учета индивидуальных особенностей геометрии, строения и свойств роговицы пациента в рамках некоторого универсального подхода.

Описание при помощи компьютерных моделей изменений в топографии, динамике и биомеханике кератоконической роговицы для различных вариантов имплантации ИСС (с точки зрения их конструкции, геометрии, позиционирования и процедуры внедрения) существенно расширяет возможности оптимизации оптических, рефракционных параметров роговицы и ее механобиологического состояния после лечения [15–20]. Кроме этого, цифровое планирование операции на геометрически и биомеханически персонифицированной для данного пациента численной модели роговицы позволяет повысить безопасность и эффективность хирургической операции [21–24].

В этой связи следует ожидать в ближайшее время роста количества исследований, посвященных разработке и использованию математических моделей для описания процессов имплантации ИСС. Однако сегодня количество публикаций по данной тематике еще сравнительно невелико (среди общего числа публикаций по моделям роговицы при различных воздействиях) как в отечественных, так и в зарубежных изданиях [25–28].

Нерешенной на сегодняшний день остается задача точного переноса рекомендуемого положения роговичного сегмента, которое определили и выбрали с помощью цифрового планирования, на роговицу пациента. Известные способы маркировки роговичных ориентиров выполняются мануально в положении сидя, что влияет на точность топографической разметки [29, 30]. Использование цифровой разметочной системы более эффективно [31], но ограничено отсутствием подобного диагностического оборудования в ряде медицинских организаций, а также сохранением необходимости мануальной разметки на этапе операции.

Вышеизложенное придает особую актуальность пациентоориентированным методикам лечения заболеваний, основывающимся на совместном использовании данных инструментального обследования пациента и персонализированных компьютерных (конечно-элементных) моделей роговицы, построенных на их основе [15, 16].

Цель исследования: анализ результатов применения персонализированного подхода к имплантации ИСС, основанного на оптимизации выбора их размеров и положения, а также прогнозирование результатов хирургического лечения прогрессирующего кератоконуса с помощью математической модели роговицы конкретного пациента.

Материал и методы

На всех этапах исследования соблюдались принципы, изложенные в Хельсинкской декларации, от всех участников было получено информированное письменное согласие. Протокол исследования получил одобрение комитета по медицинской этике Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России 22 сентября 2023 г.

Исследование включало следующие этапы:

Математическое моделирование механического поведения роговицы под действием внутриглазного давления (ВГД) и воздушного импульса как в норме, так и при кератоконусе, в том числе при его различных кератотопографических паттернах, выполненное на основании данных обследования с помощью Pentacam AXL и Corvis ST 174 глаз 174 здоровых лиц с нормальной роговицей с различной рефракцией и 92 глаз 92 пациентов с I–III стадиями кератоконуса (по классификации Amsler — Krumeich). Более подробно характеристика указанных групп представлена в таблице 1.

Таблица 1. Демографические характеристики групп пациентов на этапе математического моделирования механического поведения роговицы под действием ВГД Table 1. Demographic characteristics of the study groups at the stage of mathematical modeling of mechanica

Моделирование вариантов операции и их результатов на «цифровом двойнике роговицы».

Разработка методики персонализированной роговичной разметки для определения положения ИСС.

Проспективный сравнительный анализ результатов разработанных вариантов лечения 30 пациентов (30 глаз, основная группа) и результатов стандартной методики имплантации ИСС по номограмме Keraring 20 пациентов (20 глаз, контрольная группа) с прогрессирующим кератоконусом II и III стадии (по классификации Amsler — Krumeich) в клинике Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России.

Возрастной и гендерный состав исследуемых групп представлен в таблице 2. Сроки наблюдения: до операции, 1-е сутки, 1 мес., 6 мес. и 1 год после операции.

Таблица 2. Демографические характеристики и стадия заболевания в основной и контрольной группах Table 2. Demographic characteristics and the disease stage in the main and control groups

Для оценки результатов до и после операции на сроках наблюдения всем пациентам проводили расширенное офтальмологическое обследование, включающее, кроме стандартных методов исследования, оптическую когерентную томографию (ОКТ) роговицы на когерентном томографе Solix (Optovue, США), регистрацию гистоморфологических изменений роговицы и определение плотности эндотелиальных клеток (ПЭК) с помощью конфокальной микроскопии (Confoscan 4, Nidek, Япония). С помощью Pentacam AXL и Corvis ST (OCULUS Optikgeräte GmbH, Германия) оценивали максимальное значение кератометрии (Кmax) и показатель жесткости роговицы (Stiffness Parameter (SP-A1)).

На 1-м и 2-м этапах исследования для каждого пациента с использованием системы компьютерного моделирования Comsol Multiphysics была построена и изучена геометрически и биомеханически персонализированная конечно-элементная модель роговицы, описывающая изменения ее топографии, биомеханических свойств, напряженно-деформированного состояния при внешних воздействиях в ходе диагностики и хирургического лечения [14, 15].

На основе интерполяции экспортированных данных Pentacam AXL обследования конкретного пациента воспроизводилась трехмерная геометрия передней и задней поверхностей роговицы с формированием твердотельной и конечно-элементной модели.

Полученная 3D-модель далее использовалась для расчетной идентификации биомеханических характеристик материала роговицы с поиском закона их распределения в интактной части и в зонах эктазии. В качестве искомых рассматриваются коэффициенты жесткости с₁, с₂, с₃гиперупругого материала, а также значения максимального относительного снижения жесткости ψ_i^max в зоне кератоконуса и радиуса Ri этой зоны. Эти коэффициенты являются параметрами модели Yeoh, описывающей гиперупругое поведение материала роговицы, в форме соотношения для плотности энергии деформации W_iso и первого инварианта I–₁ правого тензора деформаций Коши — Грина [14]:

W_iso = (1 - ψ_i^max) × [с₁(I–₁ - 3) + с₂(I–₁ - 3)² + с₃(I–₁ - 3)³].

Для отыскания указанных коэффициентов применялась процедура минимизации отклонения расчетных профилей роговицы от измеренных при помощи Pentacam AXL величин кривизны передней и задней поверхностей (более чем в 8000 точках на каждой из них), а также амплитуды деформации роговицы (для 140 моментов времени действия воздушного импульса), полученных на пневмотонометре Corvis ST на этапе приборной диагностики данного пациента.

Модель, настроенная таким образом по персональным данным пациента, приобрела функции «цифрового двойника» и применялась для предоперационного планирования операций с количественной оценкой вариантов лечения и составлением для каждого из них послеоперационного прогноза в ближайшей перспективе. В частности, проведена серия вычислительных экспериментов, в ходе которых оценивались топографические и деформационные характеристики роговицы после «виртуальной» имплантации роговичного сегмента различной толщины — от 150 до 250 мкм с шагом 50 мкм, различной длины — 90°, 120°, 160° и 210°, в различные положения — со смещением роговичного тоннеля парацентрально по направлению к Kmax, точке с наибольшей элевацией, точке с наименьшей пахиметрией на различные расстояния — с целью прогноза послеоперационной кератотопографии и выбора наилучшего варианта.

На основании расчетного этапа работы определяли наилучший вариант ИСС по длине дуги, толщине и его положение, обеспечивающие наибольшее снижение значения Kmax, в каждом случае. Для точного позиционирования роговичного тоннеля в необходимом положении предложен автоматизированный способ разметки на роговице, позволяющий с учетом кератотопографии и циклоторсии отмечать целевой ориентир с помощью эксимерного лазера.

Получаемый при использовании предлагаемого способа технический результат состоит в точном интраоперационном установлении центра роговицы, а также любого необходимого целевого ориентира на роговице с учетом циклоторсии, что обеспечивает правильное положение в роговице роговичных тоннелей и точное желаемое позиционирование в них роговичных сегментов. Достигается результат тем, что кератотопографические данные пациента, полученные при обследовании с помощью Шаймпфлюг-анализатора Sirius (SCHWIND, Германия), передаются в эксимерный лазер SCHWIND Amaris-1050, на роговицу пациента с его помощью наносятся точные эпителиальные метки путем проведения точечной процедуры фототерапевтической кератэктомии (ФТК), относительно которых позиционируется роговичный тоннель и ИСС в этом тоннеле.

В контрольной группе планирование имплантации ИСС осуществлялось с помощью номограммы Keraring — по данным манифестной рефракции с учетом положения сильной оси роговичного астигматизма.

Эффективность изучаемых методик оценивали по улучшению функциональных показателей — повышению НКОЗ и МКОЗ, уменьшению значения Kmax. Также оценивалось влияние имплантации ИСС на биомеханические свойства роговицы по изменению значения показателя жесткости роговицы SP-A1. Безопасность оценивалась по частоте возникновения различных осложнений как в раннем, так и в отдаленном послеоперационном периоде.

Статистический анализ был выполнен с использованием программного обеспечения SPSS Statistics for Windows (версия 22.0, IBM Corp.). По тестам Колмогорова — Смирнова и Шапиро — Уилка распределение данных соответствовало ненормальному распределению, поэтому полученные результаты были представлены в виде медианы (Ме), квартилей [Q1; Q3], а также минимального и максимального значений. Для сравнения медианных значений в двух группах применяли U-критерий Манна — Уитни. Для определения различий между полученными результатами в различные сроки наблюдения относительно исходных значений в каждой группе применяли Т-критерий Уилкоксона. При его критической величине выше эмпирической и показателе значимости различий p<0,05 различие расценивали как статистически значимое.

Результаты исследования

Динамика остроты зрения в основной и контрольной группах была сходной. Статистически значимое повышение НКОЗ и МКОЗ в основной группе (p<0,001) и в контрольной группе (p<0,05) отмечалось на всех сроках наблюдения. В основной группе прибавка НКОЗ и МКОЗ на сроке наблюдения 12 мес. составила 0,57 и 0,44, в контрольной группе — 0,28 и 0,39 соответственно (рис. 1).

Рис. 1. Динамика НКОЗ (А) и МКОЗ (В) в группах Fig. 1. UCVA (A) and BCVA (B) follow-up in the groups

Улучшение остроты зрения на всех сроках наблюдения было обусловлено статистически значимым уменьшением значения Kmax и повышением регулярности поверхности роговицы в оптической зоне (p<0,05) в обеих группах, что выразилось в уменьшении среднего квадратичного значения ошибок волнового фронта (RMS — root mean square). В основной группе снижение среднего значения Kmax на сроке наблюдения 12 мес. составило 3,42 дптр, в контрольной группе — 0,59 дптр, как и уменьшение среднего значения RMS на сроке наблюдения 12 мес. — 6,1 и 3,3 мкм в основной и контрольной группах соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Динамика Кmax (A) и показателя RMS (B) в группах Fig. 2. Kmax (A) and RMS (B) follow-up in the groups

Показатель жесткости SP-A1 и биомеханически компенсированное ВГД существенно не изменялись в течение периода наблюдения в обеих группах (рис. 3).

Рис. 3. Динамика показателя жесткости SP-A1 (A) и био- механически компенсированного ВГД (bIOP) (В) в группах Fig. 3. Stiffness value, SP-A1 (A), and biomechanically compensated intraocular pressure (bIOP) (В) follow-up in the groups

Установили, что ПЭК оставалась неизменной в обеих группах на всех сроках наблюдения. Интра- и послеоперационных осложнений ни в одном случае отмечено не было.

Клиническое наблюдение

Пациент К., 32 года, обратился в офтальмологическое отделение коррекции аномалий рефракции Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России с жалобами на прогрессивное снижение остроты зрения вдаль на обоих глазах в течение последних 5 лет. Оптические средства коррекции не использует. Пациент был включен в основную группу исследования, от него было получено информированное письменное согласие на участие в исследовании и на публикацию полученных результатов. Было проведено полное офтальмологическое обследование, получены следующие клинико-функциональные результаты: НКОЗ OD=0,2, МКОЗ OD=0,6, рефракция OD: sph -2,00 дптр, cyl -2,00 дптр, ax 65°; НКОЗ OS=0,01, МКОЗ OS=0,5, рефракция OS: sph -1,50 дптр, cyl -3,75 дптр, ax 120°, величина ПЗО OD=24,49 мм, ПЗО OS=24,53 мм, пахиметрия в центральной оптической зоне OD=521 мкм, минимальное значение пахиметрии OD=495 мкм, пахиметрия в центральной оптической зоне OS=505 мкм, минимальное значение пахиметрии OS=482 мкм. ПЭК OD=2902 СD/мм2, ПЭК OS=2550 СD/мм2. Кератотопографически на OD — паттерн асимметричного галстука-бабочки со смещением широкой части к нижненаружному отделу, на OS — паттерн кератоконуса в нижнем отделе (рис. 4, 5). Кератометрия на вершине кератоконуса OD по данным Шаймпфлюг-АПО Sirius — 53,25 дптр, OS — 60,17 дптр.

Рис. 4. Тангенциальные карты кривизны передней по- верхности роговицы левого глаза пациента К. по данным Шаймпфлюг-АПО Sirius (А) и данным Шаймпфлюг-АПО Pentacam AXL (В) до операции Fig. 4. Patient K.: Tangential curvature maps of the anterior corneal sur

Рис. 5. Сагиттальные карты кривизны передней поверх- ности роговицы левого глаза пациента К. по данным Шаймпфлюг-АПО Sirius (А) и данным Шаймпфлюг-АПО Pentacam AXL (В) Fig. 5. Patient K.: Sagittal curvature maps of the anterior corneal surface of the left

По данным пневмотонометрии (Corvis ST): показатели жесткости роговицы OS — SP-A1 и SSI составляли 71,7 и 0,84 соответственно, значения корнеального гистерезиса СН и фактора резистентности роговицы СRF — 8,7 и 8,3 соответственно. Толщина эпителия на вершине кератоконуса 47 мкм. Поставлен клинический диагноз: кератоконус OS II стадии, рефракционная амблиопия слабой степени.

На OS апекс роговицы смещен на 0,04 мм и на 45° от центра зрачка, точка максимальной кератометрии Kmax смещена на 1,2 мм на 255°, положение сильной оси роговичного астигматизма соответствует 60°, ось комы — 83°.

При проведении ОКТ роговицы OS с помощью ОКТ Solix (Optovue, США) в режиме Corneal Map определено минимальное значение пахиметрии OS — 489 мкм, минимальное значение толщины эпителия роговицы OS — 50 мкм.

По результатам обследования установлен клинический диагноз: кератоконус правого глаза II стадии, кератоконус левого глаза (OS) III стадии. Пациенту было запланировано хирургическое лечение кератоконуса левого глаза —интраламеллярная кератопластика с фемтосекундным лазерным сопровождением с имплантацией ИСС.

На основании расчетного этапа работы были выбраны наилучший вариант ИСС — с длиной дуги 160° и толщиной 200 мкм, а также оптимальное положение тоннеля — со смещением его относительно центра зрачка на 1,25 мм, с центром ИСС на 263° и положением роговичного разреза 5° (рис. 6).

Рис. 6. Прогнозирование кератотопографических параметров на «цифровом двойнике» различных вариантов операции Fig. 6. Keratotopographic parameters predicted in a “digital twin” of different surgical options

Для проведения операции использовали результаты расчетно-экспериментального этапа.

В условиях стерильной операционной под двукратной инстилляционной анестезией 0,5% раствора проксиметакаина гидрохлорида наложен на веки блефаростат, на эксимерлазерной установке Amaris-1050 (SCHWIND, Германия) выполнена персонализированная программированная ФТК эпителиального слоя роговицы на глубину эпителиального слоя 15 мкм в виде двух округлых зон диаметром 0,5 мм парацентрально на расстоянии 7,5 мм друг от друга, с центром, смещенным на 1,22 мм и на 261° от центра зрачка (рис. 7).

Рис. 7. Фото экрана на этапе программирования операции ФТК Fig. 7. Screenshot: phototherapeutic keratectomy, programming stage

Полученные деэпителизированные зоны окрасили операционным маркером. Они являлись ограничивающими ориентирами для позиционирования роговичного тоннеля, нижняя метка соответствовала середине имплантируемого ИСС. Установили на роговицу концентрически лимбу стерильный интерфейс на рукоятке фемтосекундного лазера. На глубине 410 мкм сформирован роговичный тоннель в виде сегмента длиной 185° с внутренним диаметром 5,0 мм, наружным диаметром 6,2 мм, направлением разреза 5° в соответствии с разметкой с учетом циклоторсии (рис. 8).

Рис. 8. Фото экрана на этапе программирования роговичной фемтодиссекции с учетом разметки Fig. 8. Screenshot: corneal femtodissection, programming stage (including markings)

После выполнения этапа фемтодиссекции проведено контрольное исследование роговицы методом ОКТ с целью визуализации и фотофиксации размеров роговичного тоннеля до имплантации ИСС (рис. 9).

Рис. 9. Интраоперационная ОКТ роговицы в режиме Corneal Map (A) и Corneal Cub (B), Solix (Optovue, США) Fig. 9. Intraoperative optical coherence tomography of the cornea in Corneal Map (A) and Corneal Cub (B) modes, Solix (Optovue, USA)

В сформированный роговичный тоннель имплантирован ИСС с длиной дуги 160° и толщиной 200 мкм. Однократно инстиллирован раствор антибиотика (0,5% раствор левофлоксацина), удален блефаростат.

Сразу после операции проведена ОКТ роговицы с целью раннего контроля положения ИСС в роговичном тоннеле.

На рисунке 10 в режиме Corneal Map визуализируется расположение сегмента в роговичном тоннеле в соответствии с планируемым. В раннем послеоперационном периоде назначена антибактериальная, противовоспалительная и кератопротективная инстилляционная терапия.

Рис. 10. Интраоперационная ОКТ роговицы в режиме Corneal Map (A) и Corneal Cub (B), Solix (Optovue, США) Fig. 10. Intraoperative optical coherence tomography of the cornea in Corneal Map (A) and Corneal Cub (B) modes, Solix (Optovue, USA)

На следующие сутки после операции: НКОЗ OS=0,1, рефракция левого глаза: sph -1,50 дптр, cyl 2,75 дптр, ax 180°, МКОЗ OS=0,7; ПЭК OS 2510 СD/мм2. Объективно: положение ИСС соответствует запланированному, роговичный разрез адаптирован.

Проведено инструментальное обследование, включающее кератотопографическое исследование с помощью Шаймпфлюг-анализаторов переднего отрезка глазного яблока Sirius (SCHWIND, Германия) и Pentacam AXL (OCULUS Optikgeräte GmbH, Германия), биомеханических свойств роговицы — с помощью пневмотонометра Corvis ST (OCULUS Optikgeräte GmbH, Германия), ОКТ роговицы с помощью томографа Solix (Optovue, США).

При сопоставлении прогностической расчетной кератотопограммы и кератотопограммы, полученной на 1-е сутки после операции, отмечается совпадение данных (рис. 11).

Рис. 11. Расчетные (A) и послеоперационные тангенциальные карты кривизны передней поверхности роговицы (B, C) на 1-е сутки после операции Fig. 11. Design (A) and postoperative tangential maps of the anterior corneal surface curvature (B, C) on the Day 1 a

Обсуждение

На сегодняшний день ведется активный научный поиск в отношении оптимизации интраламеллярной кератопластики с имплантацией ИСС с целью обеспечения наилучшего функционального результата для пациента как за счет разработки новых моделей роговичных имплантов [32], так и за счет попыток рассчитать и спрогнозировать поведение роговицы после имплантации ИСС [13, 14, 18–20]. В данной работе показаны возможности планирования результата интраламеллярной кератопластики с имплантацией ИСС с помощью «цифрового двойника» роговицы, индивидуального для каждого конкретного пациента. С помощью виртуальной модели отрабатываются варианты имплантации различных по размеру ИСС, анализируется влияние положения сегмента на кератотопограмму в послеоперационном периоде. Наиболее сложной для реализации является задача переноса на роговицу разработанного плана операции. Этап аппланации при формировании роговичного тоннеля с использованием фемтоассистенции и изменение положения тела пациента меняют конфигурацию роговицы и смещают топографические роговичные ориентиры, относительно которых необходимо сформировать роговичный тоннель и расположить в нем интрастромальные импланты. Такими ориентирами являются центр роговицы, апекс роговицы, положение сильной оси астигматизма, положение оси АПВ coma. Требуется нанесение точных топографических ориентиров на роговицу до этапа докинга и ее аппланации. Известен способ нанесения разметки в вертикальном положении тела пациента за щелевой лампой только горизонтального меридиана с использованием роговичного метчика и красителя [29], способ нанесения разметки в вертикальном положении тела пациента за щелевой лампой сильной и слабой осей роговицы с использованием роговичного метчика и красителя, ориентируясь на разметку кератотопограммы и проведение компенсации циклоторсии до начала докинга [30]. Основным недостатком указанных способов является недостаточная точность разметки при мануальном выполнении манипуляции. Авторами предложена оригинальная автоматизированная методика разметки на роговице, позволяющая с учетом кератотопографии и циклоторсии отмечать целевой ориентир с помощью эксимерного лазера при любых кераторефракционных вмешательствах.

При стандартной методике выбора параметров роговичных сегментов по разработанной номограмме [11–13] принимаются во внимание величина сферического и циллиндрического компонентов рефракции, а также паттерн кератоконуса, но не учитываются индивидуальные деформационные характерстики роговицы. Приведенный клинический пример наглядно показывает возможности «цифрового двойника» роговицы по прогнозированию деформации роговицы после имплантации различных сегментов с выбором оптимального варианта. Сравнение клинико-функциональных результатов в группах демонстрирует явную эффективность модифицированной методики имплантации ИСС перед стандартной, подтвержденную более достоверным и выраженным повышением НКОЗ, МКОЗ, снижением значений Kmax и RMS. Полученные нами результаты подтверждают отсутствие влияния имплантируемых в роговицу конструкций на ее биомеханические свойства, что согласуется с данными литературы [8], а также подтверждают влияние ИСС, в первую очередь на визуальные функции, за счет изменения геометрии передней поверхности роговицы.

Выводы

Цифровое планирование операции на геометрически и биомеханически персонифицированной для данного пациента численной модели роговицы позволяет повысить безопасность и эффективность хирургической операции, что подтверждается полученными кератотопографическими результатами, которые соответствуют расчетным, отмечается повышение как НКОЗ, так и МКОЗ на всех сроках наблюдения. При этом выявлено, что за счет изменения размеров и положения роговичного сегмента можно гибко управлять топографическими и томографическими характеристиками роговицы, обеспечивая их наилучшее соответствие целевым показателям после операции.

Предложенная методика автоматизированной разметки любых необходимых топографических ориентиров на роговице позволяет реализовать персонализированный подход к выполнению интраламеллярной кератопластики с имплантацией ИСС.

Сведения об авторах:

Солодкова Елена Геннадиевна — к.м.н., заместитель директора по научной работе Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России; 400138, Россия, г. Волгоград, ул. им. Землячки, д. 80; ORCID iD 0000-0002-7786-5665

Измайлова Светлана Борисовна — д.м.н., заведующая отделом трансплантационной и оптико-реконструктивной хирургии переднего отрезка глазного яблока ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России; 127486, Россия, г. Москва, Бескудниковский б-р, д. 59а; ORCID iD 0000-0002-3516-1774

Захаров Игорь Николаевич — д.т.н., заведующий кафедрой сопротивления материалов ВолгГТУ; 400005, Россия, г. Волгоград, пр-т им. В.И. Ленина, д. 28; ORCID iD 0000-0001-7177-7245

Фокин Виктор Петрович — д.м.н., профессор, главный специалист организационно-методического отдела Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России; 400138, Россия, г. Волгоград, ул. им. Землячки, д. 80; ORCID iD 0000-0002-2513-9709

Балалин Сергей Викторович — д.м.н., заведующий научным отделом Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России; 400138, Россия, г. Волгоград, ул. им. Землячки, д. 80; ORCID iD 0000-0002-5250-3692

Лобанов Eвгений Валерьевич — инженер отдела по ремонту и обслуживанию медицинской техники Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России; 400138, Россия, г. Волгоград, ул. им. Землячки, д. 80; ORCID iD 0000-0001-9112-3230

Сиволобов Виталий Александрович — инженер отдела по ремонту и обслуживанию медицинской техники Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России; 400138, Россия, г. Волгоград, ул. им. Землячки, д. 80; ORCID iD 0009-0001-6347-2449

Лэ Ван Хоанг — аспирант кафедры сопротивления материалов ВолгГТУ; 400005, Россия, г. Волгоград, пр-т им. В.И. Ленина, д. 28; ORCID iD 0000-0002-1536-3061

Контактная информация: Солодкова Елена Геннадиевна, e-mail: mntk@isee.ru

Источник финансирования: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (№ 25-25-00303, https://rscf.ru/project/25-25-00303/).

Конфликт интересов: отсутствует.

Статья поступила 11.11.2024.

Поступила после рецензирования 04.12.2024.

Принята в печать 27.12.2024.

About the authors:

Elena G. Solodkova — C. Sc. (Med.), Deputy Director for Scientific Work, Volgograd Branch of the S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; 80, Zemlyachka str., Volgograd, 400138, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-7786-5665

Svetlana B. Izmailova — Dr. Sc. (Med.), Head of the Department of Transplantation and Opto-Reconstructive Surgery of the Anterior Segment of the Eyeball, S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; 59a, Beskudnikovskii blvd., Moscow, 127486, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-3516-1774

Igor N. Zakharov — Dr. Sc. (Tech.), Head of the Department of Structural Performance of Materials, Volgograd State Technical University; 28, V.I. Lenin ave., Volgograd, 400005, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-7177-7245

Viktor P. Fokin — Dr. Sc. (Med.), Professor, Chief Specialist of the Organizational and Methodological Department, Volgograd Branch of the S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; 80, Zemlyachka str., Volgograd, 400138, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-2513-9709

Sergei V. Balalin — Dr. Sc. (Med.), Head of the Scientific Department, Volgograd Branch of the S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; 80, Zemlyachka str., Volgograd, 400138, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-5250-3692

Evgenii V. Lobanov — Engineer, Department of Medical Equipment Maintenance, Volgograd Branch of the S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; 80, Zemlyachka str., Volgograd, 400138, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-9112-3230

Vitalii A. Sivolobov — Engineer, Department of Medical Equipment Maintenance, Volgograd Branch of the S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution; 80, Zemlyachka str., Volgograd, 400138, Russian Federation; ORCID iD 0009-0001-6347-2449

Le Van Hoang — Postgraduate Student, Department of Structural Performance of Materials, Volgograd State Technical University; 28, V.I. Lenin ave., Volgograd, 400005, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-1536-3061

Contact information: Elena G. Solodkova, e-mail: mntk@isee.ru

Financial Disclosure: the study was funded by a grant from the Russian Science Foundation (Grant No. 25-25-00303, https://rscf.ru/project/25-25-00303/).

There is no conflict of interest.

Received 11.11.2024.

Revised 04.12.2024.

Accepted 27.12.2024.

1. Мороз З.И., Малюгин Б.Э., Измайлова С.Б., Легких С.Л. Современные методы хирургического лечения кератоконуса. Новые технологии в лечении заболеваний роговицы: Сб. науч. ст. Минск; 2011.Moroz Z.I., Malyugin B.E., Izmailova S.B., Lungs S.L. Modern methods of surgical treatment of keratoconus. New technologies in the treatment of corneal diseases: Collection of scientific articles. Minsk; 2011 (in Russ.).
2. Colin J., Cochener B., Savary G., Malet F. Correcting keratoconus with intracorneal rings. J Cataract Refract Surg. 2000;26:1117–1122. DOI: 10.1016/s0886-3350(00)00451-x
3. Мамиконян В.Р., Осипян Г.А., Храйстин Х. Имплантация интрастромальных кольцевых сегментов роговицы при кератэктазиях (обзор литературы). Медицина. 2017;2:73–87.Mamikonyan V.R., Osipyan G.A., Hristin H. Implantation of intrastromal corneal ring segments for corneal ectasia (literature review). Medicina. 2017;2:73–87 (in Russ.).
4. Sakellaris D., Balidis M., Gorou O. et al. Intracorneal Ring Segment Implantation in the Management of Keratoconus: An Evidence-Based Approach. Ophthalmol Ther. 2019;8:5–14. DOI: 10.1007/s40123-019-00211-2
5. Измайлова С.Б. Медико-технологическая система хирургического лечения прогрессирующих кератэктазий различного генеза: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. М.; 2014.Izmaylova S.B. Medical-technological system of surgical treatment of progressive keratectasia of different genesis: thesis. Мoscow; 2014 (in Russ.).
6. Костенев С.В., Черных В.В. Фемтосекундная лазерная хирургия. Принципы и применение в офтальмологии. Новосибирск: Наука; 2012.Kostenev S.V., Chernykh V.V. Femtosecond laser surgery. Principles and application in ophthalmology. Novosibirsk: Nauka, 2012 (in Russ.).
7. Маслова Н.А. Фемтолазерная интрастромальная кератопластика с имплантацией роговичных сегментов в лечении пациентов с кератоконусом: автореф. дис. … канд. мед. наук. М.; 2012.Maslova N.A. Femtolaser intrastromal keratoplasty with implantation of corneal segments in the treatment of patients with keratoconus: thesis. Moscow; 2012 (in Russ.).
8. Alio J.L., Vega-Estrada A., Esperanza S. et al. Intrastromal Corneal Ring Segments: How Successful is the Surgical Treatment of Keratoconus? Middle East Afr J Ophthalmol. 2014;21(1):3–9. DOI: 10.4103/0974-9233.124076
9. D'Oria F., Bagaglia S.A., Alio del Barrio J.L. et al. Refractive surgical correction and treatment of keratoconus. Surv Ophthalmol. 2023;69;122–139. DOI: 10.1016/j.survophthal.2023.09.005
10. Паштаев Н.П., Поздеева Н.А., Синицын М.В. Сравнительный анализ роговичных аберраций после фемтолазерной имплантации интрастромальных сегментов и колец при кератоконусе. Вестник офтальмологии. 2017;133(3):3–8. DOI: 10.17116/oftalma201713334-8Pashtaev N.P., Pozdeeva N.A., Sinitsyn M.V. Comparative analysis of corneal aberrations after femtolaser implantation of intrastromal segments and MyoRing implantation using femtosecond laser in petiens with keratoconus. Bulletin of Ophthalmology. 2017;133(3):3–8 (in Russ.). DOI: 10.17116/oftalma201713334-8
11. Iqbal M., Elmassry A., Mounir A. et al. A novel Q-value-based nomogram for single intracorneal ring segment implantation versus standard manufacturer's nomogram combined with accelerated cross-linking for treatment of keratoconus: a randomized controlled trial. Acta Ophthalmol. 2021;99:501–511. DOI: 10.1111/aos.14611
12. Измайлова С.Б., Малюгин Б.Э., Пронкина С.А. и др. Тактика лечения и исходы осложнений имплантации роговичных сегментов при кератэктазиях различного генеза. Офтальмохирургия. 2014;2:16–23.Izmaylova S.B., Malyugin В.Е., Pronkina S.A. et al. Treatment tactics and outcomes of complications of corneal segment implantation in keratectasia of different genesis. Ophthalmosurgery. 2014;2:16–23 (in Russ.).
13. Kling S., Marcos S. Finite-Element Modeling of Intrastromal Ring Segment Implantation into a Hyperelastic Cornea. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2013;54(1):881–889. DOI: 10.1167/iovs.12-10852
14. Солодкова Е.Г., Малюгин Б.Э., Захаров И.Н. и др. Идентификация параметров модели роговицы с кератоконусом при численно-экспериментальном исследовании ее геометрии и механического поведения. Российский журнал биомеханики. 2023;27(3):67–80. DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.05Solodkova E.G., Malyugin B.E., Zakharov I.N. et al. Identification of parameters of the keratoconus horn model during numerical and experimental study of its geometry and mechanical behavior. Russian Journal of Biomechanics. 2023;27(3):67–80 (in Russ.). DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.05
15. Солодкова Е.Г., Малюгин Б.Э., Захаров И.Н. и др. Разработка комплекса математических моделей биомеханических параметров роговицы с диагностированным кератоконусом до и после лечения кросслинкингом роговичного коллагена. Российский журнал биомеханики. 2022;3:10–28.Solodkova E.G., Malyugin B.E., Zakharov I.N. et al. Development of a set of mathematical models of biomechanical parameters of cornea with diagnosed keratoconus before and after corneal collagen crosslinking treatment. Russian Journal of Biomechanics. 2022;3:10–28 (in Russ.). DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.3.01
16. Pandolfi A., Holzapfel G.A. Three-Dimensional Modeling and Computational Analysis of the Human Cornea Considering Distributed Collagen Fibril Orientations. J of Biomechanical Engineering. 2008;130:12. DOI: 10.1115/1.2982251
17. Khan S.N., Shiakolas P.S. To study the effects of intrastromal corneal ring geometry and surgical conditions on the postsurgical outcomes through finite element analysis. J Mechanics in Medicine and Biology. 2016;16(7):1650101. DOI: 10.1142/S0219519416501013
18. Никитин И.С., Журавлев А.Б., Ирошников Н.Г. и др. Механико-математическая модель интрастромальной коррекции формы роговицы глаза при кератоконусе. Российский журнал биомеханики. 2017;21(4):404–417. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2017.4.07Nikitin I.S., Zhuravlev A.B., Iroshnikov N.G. et al. Mechanical and mathematical model of intrastromal corneal shape correction of the eye in keratoconus. Russian Journal of Biomechanics. 2017;21(4):404–417 (in Russ.). DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2017.4.07
19. Ariza-Gracia M.Á., Flecha-Lescún J., Büchler P., Calvo B. Corneal biomechanics after intrastromal ring surgery: Optomechanical in silico assessment. Transl Vis Sci Technol. 2020;9(11):26. DOI: 10.1167/tvst.9.11.26
20. Бауэр С.М., Венатовская Л.А., Воронкова Е.Б. и др. Деформация корнеосклеральной оболочки глаза после имплантации интрастромальных колец. В кн.: Мат-лы конф. «Современные проблемы механики сплошной среды». Ростов-на-Дону. 2023:9.Bauer S.M., Venatovskaya L.A., Voronkova E.B. et al. Deformation of the corneoscleral membrane of the eye after implantation of intrastromal rings. In: Modern problems of continuum mechanics. Rostov-on-Don. 2023:9 (in Russ.).
21. Поздеева Н.А., Куликова И.Л., Синицын М.В. и др. Патент № 2801958 C1. Российская Федерация, МПК A61F 9/00, A61B 3/00, A61F 2/14. Способ расчета рефракционного эффекта при имплантации интрастромального кольца. № 2023105171 21.08.2023. (Электронный ресурс.) http://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2801958&TypeFile=html (дата обращения: 15.10.2024).Pozdeeva N.A., Kulikova I.L., Sinitsyn M.V. et al. Patent No. 2801958 C1. Russian Federation, IPC A61F 9/00, A61B 3/00, A61F 2/14. Method for calculating the refractive effect during implantation of an intrastromal ring. No. 2023105171, 08/21/2023. (Electronic resource.) http://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2801958&TypeFile=html (access date: 15.10.2024) (in Russ.).
22. Bagheri N.M., Kadkhodaei M., Pirhadi S., Mosaddegh P. Effects of intracorneal ring segments implementation technique and design on corneal biomechanics and keratometry in a personalized computational analysis. Sci Rep. 2021;11:14433. DOI: 10.1038/s41598-021-93821-5
23. Bagheri N.M., Mosaddegh P., Kadkhodaei M. Effects of intracorneal ring segments on the biomechanical response of the ectatic cornea to air-puff: A patient-specific numerical analysis. Mathematics and Mechanics of Solids. 2022;27(3):390–409. DOI: 10.1177/10812865211025581
24. Oteyza G.G., Toledo J.Á., Barraquer R.I., Kling S. Localized Refractive Changes Induced by Symmetric and Progressive Asymmetric Intracorneal Ring Segments Assessed with a 3D Finite-Element Model. Bioengineering. 2023;10:1014. DOI: 10.3390/bioengineering10091014
25. Jannesari M., Mosaddegh P., Kadkhodaei M. et al. Numerical and clinical investigation on the material model of the cornea in Corvis tonometry tests: differentiation between hyperelasticity and viscoelasticity. Mechanics of Time-Dependent Materials. 2019;23:373–384. DOI: 10.1007/s11043-018-9390-3
26. Ariza-Gracia M.Á., Zurita J., Piñero D.P., Calvo B., Rodríguez-Matas J.F. Automatized Patient-Specific Methodology for Numerical Determination of Biomechanical Corneal Response. Ann Biomed Eng. 2015;44(5):1753–1772. DOI: 10.1007/s10439-015-1426-0
27. Nguyen T.D., Boyce B.L. An inverse finite element method for determining the anisotropic properties of the cornea. Biomech Model Mechanobiol. 2011;10:323–337. DOI: 10.1007/s10237-010-0237-3
28. Roy A.S., Dupps W.J. Patient-Specific Computational Modeling of Keratoconus Progression and Differential Responses to Collagen Cross-linking. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2011;52(12):9174–9187. DOI: 10.1167/iovs.11-7395
29. Шилова Т.Ю. Патент № 2780135 C1. Российская Федерация, МПК A61F 9/007 (2006.01), A61F 9/008 (2006.01). Способ контроля циклоторсии при коррекции миопии в сочетании с астигматизмом методом RELEX SMILE. № 2022104617. 19.09.2022. (Электронный ресурс.) URL: http://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2780135&TypeFile=html (дата обращения: 15.10.2024).Shilova T.Yu. Patent No. 2780135 C1. Russian Federation, IPC A61F 9/007 (2006.01), A61F 9/008 (2006.01). Method for monitoring cyclotorsion during correction of myopia in combination with astigmatism by the RELEX SMILE method. No. 2022104617. 19.09.2022. (Electronic resource.) URL: http://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2780135&TypeFile=html (access date: 15.10.2024).
30. Костенев С.В., Стройко М.С. Патент № 2630036 C1. Российская Федерация, МПК A61F 9/007 (2006.01). Способ двухэтапной коррекции роговичного миопического астигматизма с учетом циклоторсии с использованием фемтосекундного лазера у пациентов с тонкой роговицей. 05.09.2017. (Электронный ресурс.) URL: http://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2630036 &TypeFile=html (дата обращения: 15.10.2024).Kostenev S.V., Stroyko M.S. Patent No. 2630036 C1. Russian Federation, IPC A61F 9/007 (2006.01). Method for two-stage correction of corneal myopic astigmatism taking into account cyclotorsion using a femtosecond laser in patients with a thin cornea. 09/05/2017. (Electronic resource.) URL: http://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2630036 &TypeFile=html (access date: 15.10.2024).
31. Терещенко А.В., Демьянченко С.К., Вишнякова Е.Н. Применение цифрового разметочного устройства при проведении фемтолазерной интрастромальной кератопластики с имплантацией интрастромальных сегментов. Сибирский научный медицинский журнал. 2019;39(3):60–65. DOI: 10.15372/SSMJ20190309Tereshchenko A.V., Demyanchenko S.K., Vishnyakova E.N. Application of digital marking device in femtolaser intrastromal keratoplasty with implantation of intrastromal segments. Siberian scientific medical journal. 2019;39(3):60–65 (in Russ.). DOI: 10.15372/SSMJ20190309