kontactology

Biomecánica corneal y sus métodos actuales de evaluación

Corneal biomechanics and its current evaluation methods

Por: Tania Lorena Rojas Moreras¹, Yeismy Natalia Hidalgo Carrillo², Henry Emilio Reina Zambrano³

Resumen

La biomecánica básicamente se refiere a la forma mecánica en que funciona nuestro cuerpo, incluyendo órganos y tejidos, abarcando campos que van desde el funcionamiento molecular y el comportamiento energético hasta el desarrollo de nuevos instrumentos tecnológicos, los cuales nos acercan lentamente a la precisión y generan herramientas para la evaluación, diagnóstico clínico e investigación. Así mismo, la biomecánica ocular es un campo que empezó a estudiarse recientemente; en la última década, se han desarrollado varios estudios, iniciando por la aplicación de nuevas tecnologías para la exploración corneal; tema objeto de este artículo. Finalmente, en este artículo se presentarán dispositivos médicos que permiten realizar la medición de algunos parámetros útiles en la biomecánica corneal tales como: paquimetría corneal, tonometría, histéresis corneal, la resistencia corneal y medidas antropométricas como el diámetro del ápice corneal, entre otras. Lo anterior, permitirá realizar un comparativo entre estos equipos tecnológicos y su aplicación clínica al servicio de la optometría.
Palabras clave: Biomecánica, Biomecánica corneal, Corvis ST, Scheimpflug, Ocular Response Analyzer.

Abstract

Biomechanics basically refers to the mechanical way, in which our body works, including organs and tissues, covering fields ranging from molecular functioning and energy behavior to the development of new technological instruments, which slowly bring us closer to precision and generate Tools for evaluation, clinical diagnosis and research. Likewise, ocular biomechanics is a field that began to be studied recently; in the last decade, several studies have been developed; for starters with the application of new technologies for the corneal exploration; this article subject matter. Finally, in this article will be presented medical dispositive that allow making the measure of some useful parameters in corneal biomechanic as: corneal pachymetry, tonometry, corneal hysteresis, corneal resistance and anthropometric measures as corneal apex diameter, among others. All of this in order to make a comparison between these technological equipments and their clinical application to optometry and its knowledge area. Key words: Biomechanics, Corneal biomechanics, Corvis ST, Scheimpflug, ORA (Ocular Response Analyzer).

Introducción

La biomecánica es una disciplina relativa al estudio de “la mecánica aplicada a la biología” [1] como consecuencia de los comportamientos de los órganos o tejidos, y la dificultad de diferenciar los procesos naturales inducidos por factores externos.  Aplicada al ojo, esta ciencia estudia el equilibrio y la deformación del tejido corneal sometido a cualquier acción exterior, y a la función y estructura corneal, a partir de las bases fisicomatemáticas que la definen [2]. Su auge obedece al sensible margen de error requerido para diferenciar la córnea sana de la enferma, y para describir el comportamiento corneal en condiciones fisiológicas o patológicas. Este concepto aplica en todos los campos del estudio corneal, diagnóstico clínico, valoración patológica, así como la aceptación y respuesta evolutiva de casos postquirúrgicos.

Después de dichas consideraciones, se deduce que “la aplicación de la biomecánica corneal es diversa, desde el desarrollo de nuevos conocimientos biológicos hasta la creación de tecnologías para aplicación clínica” [3]. Para exponer la importancia de los nuevos métodos biomecánicos de exploración corneal, el artículo inicia con la descripción teórica de la córnea y las relaciones biomecánicas entre sus capas, así como su aporte a la biomecánica corneal, sucedido por los métodos de exploración y funcionamiento; todo ello tiene por objeto que la exploración paramétrica de la biomecánica corneal se integre tanto en la valoración funcional, como en etapas pre y post quirúrgicas corneales.

Contenido

Si bien el análisis mecánico o químico resulta insuficiente debido al funcionamiento conjunto de las estructuras corneales, se requiere un estudio sistematizado de materiales y componentes con enfoque biomecánico, para evaluar y comprender las propiedades funcionales corneales [22], razón por la cual el abordaje conceptual se realiza desde la correlación entre la biomecánica y la bioquímica corneal.

“La córnea es un tejido blando transparente que ocupa la parte central anterior del ojo, siendo responsable de refractar la luz que ingresa al globo ocular, y se considera como una barrera protectora” [4]; su función refractora a su potencia dióptrica aproximada de +43.00 Dp; además, la córnea es la estructura corporal más sensible debido a su densa inervación, y cuenta con un mecanismo nutricional avascular para favorecer su transparencia, una de las características anatomofisiológicas más importantes. Igualmente, posee una relación funcional bioquímica debido a su alta concentración de glucosa y metabolismo basado en su síntesis aeróbica, lo que depende de los medios de oxigenación y mantenimiento aportantes a la biomecánica corneal que hacen que la córnea funcione a partir de la acción conjunta de dichos mecanismos [25].

Anatómicamente, la córnea está compuesta por cinco capas que se disponen en sentido anteroposterior de la siguiente manera: epitelio corneal, membrana de Bowman (basal), estroma, membrana de Descemet y endotelio.

Aunque está compuesta por diferentes estratos anatómicos, “las propiedades biomecánicas se deben a la estructura y función de su matriz extracelular, llamada estroma” [4], el cual constituye el 90% del espesor corneal total y se compone principalmente por una malla de fibras colágenas no aglutinadas, cuya longitud favorece que las ondas de luz incidentes atraviesen la estructura produciendo la refracción corneal. El estroma es reconocido en sentido biomecánico como matriz extracelular, debido a que sus fibras colágenas, células estromales (queratocitos), fibroblastos y la elastina componen su sustancia fundamental, hecho por el cual su bioquímica y ubicación de moléculas de glicosaminoglicanos favorecen en primera instancia el intercambio metabólico desde el humor acuoso subyacente [26].

Según esto, la mecánica estromal provee tensión y compresión dependientes de la hidratación corneal relativa, definida funcionalmente como deshidratación corneal; “los parámetros del material corneal dependen del espesor, designado por la hidratación que posea” [5], toda vez que el material elástico aumenta en la misma proporción que disminuyen el espesor y la permeabilidad corneal, comprometiendo dinámicamente sus funciones y propiedades ópticas, como comportamientos que determinan el estudio de la biomecánica corneal.

Al igual que el estroma, el epitelio juega un rol fundamental en la biomecánica corneal, pues representa la capa corneal más externa y ocupa el 10% del espesor corneal total; además es la única capa regenerable con la propiedad de bloquear agentes patógenos y extraños para el ojo, proteger las estructuras internas y aportar resistencia mecánica a la córnea [6]; estas células tienen una fase proliferativa en la que se generan factores de diferenciación biomecánica, mediante los cuales se produce su diferenciación manifiesta en su morfología celular, la que a su vez se relaciona con el tejido corneal en general [7]. El epitelio posee una interacción metabólica con la película lagrimal, mediada por un significativo aporte en la hidratación corneal y la nutrición corneal [27].

Figura 1. Esquematización corneal [32].
Representación de radios de curvatura y elevación mediante mapa cromático tridimensional, en la que se aprecia el detalle de regularidad de la superficie corneal.

Por su parte, el estroma está constituido células denominadas queratocitos, paradójicamente expuestas al medio ambiente y con una biomecánica sujeta a esta condición, contando con algunos marcadores de diferenciación denominados citoqueratina, involucrina y filaggrina [7], que fomentan su proliferación en el epitelio corneal.

Con base en estas consideraciones, el último aporte estructural de la córnea radica en la anatomofisiología endotelial, como capa celular posterior en estrecha relación con el humor acuoso, que junto con la membrana de Descemet regulan la hidratación y mantenimiento de la córnea. El endotelio es una capa mono estratificada no regenerable de células hexagonales, cuyo “aporte mecánico a la córnea es una mecano transducción de señales biofísicas que influyen en el comportamiento celular” [8]. Antes de mencionar las relaciones funcionales del tejido corneal con el flujo de humor acuoso, se debe tener en cuenta que la córnea y su función biomecánica puede afectar la refracción debido a que “el tejido corneal se antepone directamente en la vía visual” [28].

De acuerdo con lo anterior, cabe resaltar que hay una relación directa entre la presión intraocular y las características biomecánicas que posee la córnea, esto se debe a que la presión intraocular esta designada por el flujo de humor acuoso tanto en la cámara posterior como en la cámara anterior, condición que refleja una posible alteración de la biomecánica del tejido corneal sujeta a un  aumento o disminución de la presión intraocular y viceversa, lo que quiere decir que el adelgazamiento o engrosamiento del tejido corneal puede ser precursor de un ojo hipotónico o hipertónico respectivamente, influenciado por el espesor central de la córnea.9

Figura 2. Factor de histéresis corneal [36].
La histéresis corresponde al rango o amplitud de presión permitida por la arquitectura corneal tras una deformación de su superficie causada por una fuerza aplicada.

En la actualidad, la biomecánica corneal se estudia comúnmente mediante tonómetros de contacto, neumáticos o de identación, considerando -entre otros factores- la relación existente entre la presión intraocular (PIO) y las posibles variaciones de comportamiento biomecánico corneal, aun cuando estos instrumentos no solo miden el tono del globo ocular sino diversas características funcionales y anatómicas. Estas herramientas no siempre van de la mano con la medición de la PIO , ya que algunas se basan en el rendimiento elástico corneal medido en sentido meridional y circunferencial en varios niveles que incluyen el central, paracentral, periférico y limbar [21].

Figura 3. Factor de resistencia y elasticidad corneal [33].

En tal sentido, es oportuno mencionar que “la precisión de los instrumentos para mediciones corneales está directamente influenciada por las propiedades biomecánicas del tejido corneal” [9], ya que estas tecnologías no están diseñadas para estudiar los aportes individuales de los componentes mecánicos corneales, sino que los evalúan conjuntamente para inferir el desempeño corneal y disposición estructural adecuados; por el contrario, si la condición estructural de la córnea es anómala, dichas tecnologías evalúan el desequilibrio mecánico general y su deficiencia funcional.

Instrumentos y métodos de evaluación corneal in vivo

Existen herramientas predictivas computacionales para estudiar la biomecánica corneal, considerando variables como espesor corneal central, PIO, amplitud del ápice corneal, propiedades viscoelásticas y factor de resistencia corneal. Dichos sistemas, denominados ORA (Ocular Response Analyzer) y Corvis ST [10,11] incorporan la microscopia de Brillouin, como método de exploración de mecánica celular in vivo, que representa una herramienta de alta precisión para la exploración biomecánica corneal.

Estas herramientas adoptan un sistema de exploración mediante la dispersión de rayos que se diseminan o refractan para ser posteriormente analizados e interpretados según su patrón de difracción, con lo cual se conoce la biomecánica de los tejidos, y se favorece su caracterización de cambios en función de eventuales enfermedades o pérdida de propiedades tisulares [23] según las características mencionadas a continuación:

Ocular Response Analyzer

El Ocular Response Analyzer (ORA) fue el primer instrumento diseñado para evaluar la biomecánica de corneal in vivo, presentado en el año 2005 [12]; consiste en un tonómetro de no contacto o NCT por sus siglas en inglés, o dispositivo de ablación   bidireccional dinámico, capaz de monitorear la deformación corneal mediante un reflejo infrarrojo proyectado sobre el ápice corneal. La técnica de utilización de este dispositivo consiste en proyectar una columna de aire con cierta presión sobre el ojo del paciente, cuyo pulso esta colimado con una configuración simétrica por el dispositivo que considera la presión de la fase interna y la presión externa; la medición de la presión es la base de estudio de las variables, ya que la córnea se aplana o vuelve a su estado normal (antes del soplo de aire), siempre que el tejido se encuentre en perfecto estado. El aplanamiento se detecta mediante un pico en el reflejo infrarrojo, con un alto nivel de precisión, debido a que el instrumento compensa la presión estimada dentro de los valores de normalidad para evidenciar situaciones que pueden considerarse como deficientes [13].

Figura 4. Ocular Response Analizer [13].

Esta técnica tiene como fin, evaluar la resistencia corneal a deformación inducida por factores externos, mediante datos cualitativos y cuantitativos que representan el factor de resistencia corneal sin descartar la PIO en la aplicación del método; en tal sentido se aborda el concepto de histéresis corneal, definida como la diferencia entre la presión exterior y la interior, para representar las propiedades viscoelásticas del tejido, o la capacidad corneal para recuperar su forma inicial tras una deformación inducida, a pesar de la diferencia de la presión ejercida por el tono ocular normal y el tonómetro de aplanamiento durante la medición; la evaluación de la histéresis juega un rol fundamental en el diagnóstico de algunas patologías no directamente asociadas con la córnea, toda vez que si es muy baja puede correlacionarse con glaucoma y neuropatía del nervio óptico.

Figura 5. Principio fisiológico de medición con ORA [35].

Finalmente, la relación entre histéresis y factor de resistencia corneal pueden ser determinantes en el diagnóstico de ectasias corneales [10], debido a que la reducción del factor de resistencia corneal favorece el adelgazamiento y deformidad corneal, ratificando que dicha variable es responsable de mantener la morfología corneal y de evitar su modificación estructural. Según el principio del ORA, los parámetros que caracterizan la deformación corneal están representados por la forma de la onda al impactar el tejido corneal, mientras que la intensidad de deformación se determina mediante la presión aplicada en el punto de lectura, la efectividad y las asociaciones de las variables evaluadas para deducir el estado y resistencia del tejido corneal [12].

La fiabilidad del ORA es alta “debido a que la medida y distribución de los factores biomecánicos son similares a los valores considerados como normales en ojos sanos” [24]. Así mismo, esta técnica representa una de las mejores y más avanzadas tecnologías para la integración de datos biomecánicos corneales, así como el diagnóstico oportuno y seguimiento en casos de patologías oculares que incluyen entre otras, ectasias incipientes, queratoconos o cualquier deformación corneal; además la técnica permite correlacionar datos para diagnosticar patologías probablemente asociadas con curvatura corneal excesiva y desequilibrio mecánico asociado individualmente a las capas de la córnea. 

CORVIS ST

El Corvis ST fue introducido como el segundo instrumento para evaluar in vivo [9] y de forma más fiable “el comportamiento biomecánico de la córnea, para poder llegar a predecir enfermedades con insuficiencia biomecánica antes de que se manifiesten alteraciones morfológicas y clínicas” [14].

Figura 6. Corvis ST [37].

Al igual que el ORA, el Corvis ST constituye un sistema NCT compuesto por el mismo mecanismo simétrico colimador de aire, aunque con diferencias representativas que lo hacen más confiable que el primero, dada la incorporación de un sistema Scheimpflug ultrarrápido consistente en una cámara que registra 140 cuadros en 3D durante los 33 ms de la medida, referidos a los 8 mm centrales de la córnea, lo que permite una evaluación más detallada de todos los puntos corneales, proporcionando un perfil de las deformaciones corneales basado en los parámetros de una inspección dinámica evidenciada cuando la presión de aire cesa sobre el tejido corneal y este regresa a su estado normal; la amplitud de dicha deformación hace referencia al movimiento del ápice corneal antero-posterior, como instante en el que el aire reduce la presión ejercida sobre el tejido, y se determina el movimiento en función de la presión ejercida, representado por el punto más alto de ápice o momento de concavidad.

Además de la información relacionada, el Corvis ST proporciona datos de PIO ajustados biomecánicamente, así como la imagen de Scheimpflug de la córnea no perturbada, los que permiten calcular el aumento del espesor corneal desde el ápice hacia la periferia nasal y temporal, con lo cual se caracteriza o describirse el espesor corneal dentro de su rango normal, no estandarizado. Esta técnica proporciona un valor cuantitativo denominado índice biomecánico Corvis CBI, resultante de la combinación de la medida del espesor del meridiano horizontal con los parámetros de deformación corneal, cuya función es optimizar la precisión diagnóstica de patologías asociadas con deformación corneal como en queratocono [12].

En un estudio adelantado por Lee, Chang, Wong y cols. [15] en el que se empleó el Corvis ST en pacientes emétropes y con grados regulares de miopía, se evidenció que los defectos refractivos no influyen directamente en los resultados obtenidos por este dispositivo, considerando que su baja intensidad (inferior a  -6.00 Dp)  no se asocien con deformación o deficiencia corneal. Cabe agregar que los parámetros de deformación corneal no pueden estandarizarse debido a la heterogeneidad comportamental de las córneas; en tal sentido, se han promediado parámetros mediante el estudio de córneas sanas, que proporcionan una visión interpretativa global del ORA o el Corvis ST, proporcionando bases de criterio clínico para pronosticar y diagnosticar patologías asociadas con deformación corneal. Algunos parámetros específicos de medición logrados mediante estas tecnologías incluyen: “radio de curvatura corneal en las superficies anterior y posterior, paquimetría apical, volumen corneal y datos de aberración corneal” [16], los cuales se usan para caracterizar los cambios biomecánicos antes y después de la evaluación con un NCT, logrando que las respuestas obtenidas sean el resultado de la interacción entre “la geometría de la córnea, la presión intraocular y el comportamiento mecánico del tejido corneal” [17].

Tabla 1. Características de biomecánica corneal en pacientes sanos y con glaucoma.
Valores de referencia [40].

La validación del ORA y el Corvis ST fue efectuada con base en los reportes obtenidos con el Pentacam (gold standar), para constatar su precisión en cuanto a curvatura corneal, además de verificar que el factor de resistencia corneal y la histéresis corneal no estuviesen afectados por posibles datos erróneos reportados por estos dispositivos, lo que según Mohammad y cols. [18] no generó diferencias entre los resultados obtenidos con el Pentacam y los dispositivos referenciados [18].          

Microscopía óptica Brillouin

La microscopia óptica Brillouin es otra tecnología de medición de la biomecánica corneal in vivo, basada en el análisis de dispersión de rayos luminosos tras impactar el tejido corneal, lo que permite identificar un patrón citoesquelético de caracterización de la ultraestructura corneal a partir del reconocimiento y distribución proteica [29]; en este sentido, la técnica involucra un mecanismo que interpreta “el desplazamiento de frecuencia óptica de la luz que se dispersa” [19].

La técnica implementa una descripción celular detallada debido a su sensibilidad de detección proporcional de componentes liquido-sólidos, mediante los cuales se identifican alteraciones intracelulares y se especifica la interrupción de la biomecánica celular corneal en condiciones como el edema corneal; esta técnica permite develar como “el debilitamiento mecánico se concentra principalmente en el área de la protrusión corneal” 12, debido a la mutación cónica del tejido percibida mediante las imágenes de Brillouin, que indican un debilitamiento focal, generalmente sugestivo de desequilibrio o descompensación biomecánica corneal [11, 12].

Figura 7. Biomicroscopia óptica de Brillouin (Resultados) [39].

Discusión

La revisión teórica de las herramientas y dispositivos diagnósticos, revela nuevas tecnologías para el estudio personalizado de parámetros de la biomecánica corneal, mediante los cuales se logran diagnósticos más asertivos para el manejo de casos clínicos con compromiso o etiología corneal, y aunque dichas tecnologías adoptan características diversas, permiten, según el criterio y experticia clínica profesional, emplear la más conveniente según el caso estudiado. Algunas características diferenciales de dichos equipos destacan por ejemplo que el Corvis ST -respecto a ORA-, emplea una cámara de Scheimpflug que permite captar fotogramas y realizar una valoración in vivo de la respuesta corneal, mientras que el ORA, además de reunir numerosas características de Corvis ST, genera un nomograma de registro mediante el cual se realiza una exploración diagnóstica más sencilla respecto al registro gráfico lineal del Corvis ST, suponiendo incluso un menor costo de implementación, que lo hace una herramienta útil en casos de valoración prequirúrgica corneal, postoperatorios y valoraciones de seguimiento. Finalmente, estas tecnologías representan una alternativa diagnóstica de alta precisión, que a futuro y con el continuo desarrollo tecnológico se difundirá y empleará a mayor escala en los escenarios clínicos de optometría y oftalmología.

Conclusiones

La importancia de estas técnicas de exploración resulta relevante, dada la incidencia de alteraciones o patologías corneales, ectasias, y procesos degenerativos que afectan directamente la función visual, debido a que la aberración corneal constituye el 80% de las aberraciones oculares totales [20].

Sin duda, la tonometría de no contacto representa un apoyo fundamental para la optometría y la oftalmología, toda vez que fortalece las técnicas de exploración corneal, el diagnóstico y tratamiento de numerosas patologías visuales y oculares causantes de discapacidad visual. Adicionalmente, los avances para mejorar los instrumentos existentes, y desarrollar otros que permitan evaluar además de la biomecánica corneal, el comportamiento de la córnea como medio refractivo óptico y de protección, se suma a los nuevos manejos clínicos que representan avances notables para las intervenciones quirúrgicas de alta complejidad como las queratoplastias [30]. En tal sentido, la innovación tecnológica logrará mayor precisión diagnóstica, corrección y calidad de tratamiento a los pacientes con patologías oculares que representan dificultad para su cotidianidad, toda vez que mejorará la calidad de vida del paciente en la medida en que se articule el trabajo interdisciplinario en los ámbitos profesionales de optometría y oftalmología.

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                ¹ Estudiante de Optometría, Fundación Universitaria del Área Andina, Colombia; Énfasis Cuidado Primario Ocular; Correspondencia: taloroma@yahoo.es.
                 ² Estudiante de Optometría, Fundación Universitaria del Área Andina, Colombia; Correspondencia: nanataliia3009@gmail.com.
                 ³ Optómetra, Universidad de la Salle; Diplomado en Cuidado Primario Ocular, Fundación Unversitaria del Área Andina, Colombia; Magister en Educación Universidad Pedagógica Nacional de Colombia, Colombia; Docente Universitario del programa de Optometría, Universidad del Área Andina, Colombia; Estudiante de Doctorado en Pensamiento Complejo, Multiversidad Mundo Real, Edgar Morin – México; Optometría Pediátrica, Salud Colsubsidio, Colombia; Correspondencia: hreina@areandina.edu.co.

Cit. Rojas Moreras TL, Hidalgo Carrillo YN, Reina Zambrano HE. Biomecánica corneal y sus métodos actuales de evaluación. Revista Kontactology. 2020; 1(1): 12-9.