Okulare Biomechanik und Simulation

Die Technologie zur Simulation und Vorhersage der Hornhautbiomechanik basiert auf der PhD Arbeit von Dr. Harald P. Studer sowie auf den Forschungsresultaten der Universität Bern, Schweiz. Die Thesis und die weiterführenden Forschungspapiere beschreiben ein mathematisches Materialmodell, welches es möglich macht, die biomechanische Antwort der Hornhaut auf mechanisches Einwirken zu berechnen. Das Materialmodell beinhaltet unter anderem:

A) Eine realistische Verteilung von Kollagenfasern in 3D

Collagen Fibre Distribution

Die Kollagenfaserverteilung im Auge ist inhomogen, da sie im Hornhautzentrum anders ist als in der Peripherie. Des Weiteren sind die Fasern in den äusseren (anterior) Hornhautschichten anders verteilt als in den tieferen Schichten (posterior).

B) Kollagen-Crosslinks: Die Hauptfasern in der Hornhaut sind durch sogenannte Crosslinks miteinander verbunden. Dies gibt dem Gewebe Steifheit.

C) Nicht-lineare Biomechanik: Die Literatur dokumentiert eindeutig, dass das Hornhautgewebe kein konstantes E-Modul aufweist (wie z.B. Stahl es macht). Das Modul der Hornhaut hängt vielmehr vom aktuellen Deformationsgrad des Gewebes ab. Mit anderen Worten, je mehr das Hornhautgewebe verformt (gedehnt) wird, desto grösser wird seine Steifheit.

D) Inkompressibel: Dank des hohen Wasseranteils in der Hornhaut ist das Gewebe nahezu nicht komprimierbar. 

Simulation der Inhomogenität über die Hornhautdicke

In den letzen Jahren wurde immer klarer, dass das Hornhautgewebe über seine Dicke inhomogen ist. Die Literatur zeigt eindeutig, dass Kollagen in den tieferen Schichten regelmäßig geschichtet sind, die äusseren Schichten hingegen weisen eine nahezu chaotische Anordnung der Kollagenfasern auf. Fasern gabeln sich, kommen wieder zusammen, und wechseln von einer Schicht zur anderen nach Belieben. Diese relativ komplexe Ultrastruktur bewirkt, dass die anteriore Hornhaut wesentlich steifer ist, als die posteriore. 

Deepness Inhomogenities

Links: Tiefenabhängige Ordnung in der Kollagenstruktur Rechts: Hornhautsteifheit, gemessen mit Brillouin Mikroskopie (Winkler 2011, Scarcelli 2012)

Die daraus resultierende mechanische Steifheitsinhomogenität in der Hornhaut wurde mehrfach experimentell gemessen, quantifiziert und wurde von mehreren Autoren bestätigt. Die Optimo Medical AG hat diese Inhomogenität in ihr Materialmodell für die Hornhautbiomechanik eingearbeitet, und erreicht so eine sehr hohe Genauigkeit in den Vorhersagen.

Simulation von viskoelastischen Eigenschaften

Viskoelastische Effekte beinhalten zeitabhängige Eigenschaften des Gewebes, wie zum Beispiel Lade- und Entlade-Hysteresis, und Creep/Spannungsrelaxation. Das Bild auf der linken Seite zeigt Spannungsrelaxation im Gewebe, während die angelegte Deformation bestehen bleibt.

 

 

 

Auf die Hornhaut angewendet, zeigt sich Spannungsrelaxation dadurch, dass eine mit erhöhtem Druck "aufgeblasene" Hornhaut sich nach einer gewissen Zeit noch weiter aufbläst, ohne dass der Druck erhöht wurde. 

 

Imcustomeye

Optimo Medical AG ist ebenfalls Teil eines Projektes namens "Imcustomeye" welches durch das EU Horizon 2020 Programm finanziert wird. Das Ziel des Projekte ist es, ein patientspezifisches Augenmodell zu entwicklen, welche dabei hilft, Ophthalmologie zu personalisieren und die Diagnostik in diesem Gebiet verbessert.