Современные ультразвуковые методы исследования биомеханических свойств хрусталика. Обзор литературы

Катаракта в настоящее время является одним из самых распространенных заболеваний в офтальмологии, занимает первое место в мире среди причин обратимой слепоты. Это многофакторное заболевание, включающее сложные взаимодействия между нарушением обменных процессов, генетической предрасположенностью и факторами внешней среды. Изучение свойств хрусталика с клинической точки зрения имеет большое значение в катарактальной хирургии. Особенно значимым является определение механической твердости хрусталика для оптимизации количества ультразвуковой энергии, затрачиваемой при факоэмульсификации, что позволяет минимизировать количество осложнений. Однако существующие для этого способы являются довольно субъективными и основываются чаще всего на биомикроскопии с визуальной оценкой. Значительную часть методов оценки состояния хрусталика составляют ультразвуковые исследования. Существуют способы определения плотности хрусталика с помощью А-сканирования (одномерного изображения) и В-сканирования (двухмерного изображения). В основном эти методики дают информацию об акустической плотности, но не о механической твердости. В нескольких исследованиях для определения твердости хрусталика был применен высокочастотный игольчатый датчик. Авторы полагают, что комбинация игольчатого датчика и факонаконечника для обратной связи в реальном времени может обеспечить лучшую эффективность операции. Для оценки упругих свойств тканей во многих областях медицины используется такой метод, как ультразвуковая статическая и динамическая эластография. В офтальмологии эластография не применяется в широкой клинической практике, однако существуют исследования, в которых плотность хрусталика оценивают in vivo с помощью компрессионной эластографии. Ряд исследователей предлагают использование совмещенной системы ультразвуковой эластографии и ОКТ, называемой ОКТэластографией. Предполагается, что ОКТ-эластография может обеспечить лучшее пространственное разрешение изображения и более высокую скорость сбора данных. В обзоре в систематическом виде представлены данные литературы, касающиеся методов исследования хрусталика, его акустической и механической плотности с использованием различных ультразвуковых методов исследования, в том числе таких мало изученных в офтальмологии, как компрессионная эластография и оптическая когерентная эластография.

1. Flaxman S.R., Bourne R.R.A., Resnikoff S., Ackland P.Global causes of blindness and distance vision impairment 1990–2020: a systematic review and meta-analysis. Lancet Glob Health. 2017;5(12):e1221–e1234. DOI: 10.1016/S2214-109X (17) 30393-5

2. Wride M.A. Lens fibre cell differentiation and organelle loss: many paths lead to clarity. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2011;366(1568):1219–1233. DOI: 10.1098/rstb.2010.0324

3. Shiels A., Hejtmancik J.F. Molecular Genetics of Cataract. Prog Mol Biol Transl Sci. 2015;134:203–218. DOI: 10.1016/bs.pmbts.2015.05.004

4. Chang D., Zhang X., Rong S., Sha Q. Serum antioxidative enzymes levels and oxidative stress products in age-related cataract patients. Oxid Med Cell Longev. 2013;2013:587826. DOI: 10.1155/2013/587826

5. Kumarasamy A., Jeyarajan S., Cheon J., Premceski A. Peptide-induced formation of protein aggregates and amyloid fibrils in human and guinea pig αA-crystallins under physiological conditions of temperature and pH. Exp Eye Res. 2019;179:193–205. DOI: 10.1016/j.exer.2018.11.016

6. Королева И.А., Егоров А.Е. Метаболизм хрусталика: особенности и пути коррекции. Российский медицинский журнал. Клиническая офтальмология. 2015;15(4):191–195.

7. Шухаев С.В., Ельцина О.М., Балашевич Л.И. Метод сравнительной оценки ультразвуковых и гидродинамических показателей в процессе факоэмульсификации. Вестник офтальмологии. 2018;134(6):33–40. DO: 10.17116/oftalma201813406133

8. Clover J. Slit-Lamp Biomicroscopy. Cornea. 2018;37:Suppl 1:S5–S6. DOI: 10.1097/ICO.0000000000001641

9. Martin R. Cornea and anterior eye assessment with slit lamp biomicroscopy, specular microscopy, confocal microscopy, and ultrasound biomicroscopy. Indian J Ophthalmol. 2018;66(2):195–201. DOI: 10.4103/ijo.IJO_649_17

10. Kercheval D.B., Terry J.E. Essentials of slit lamp biomicroscopy. J Am Optom Assoc. 1977;48(11):1383–1389.

11. Painter R. Slit lamp photography: The basics. J Vis Commun Med. 2015;38(1–2):119–123. DOI: 10.3109/17453054.2015.1039502

12. Lewis-Younger R.L., Mamalis N., Eger M.J. Lens opacification detected by slit lamp biomicroscopy are associated with exposure to organic nitrate explosives. Arch. Ophthalmol. 2000;118(12):1653–1659 DOI: 10.1001/archopht.118.12.1653

13. Cyilack L.T., Ransil B.J., White O. Classification of human senile cataract change by the American Cooperative Cataract Research Group (CCRG). Method III. The association on nuclear color (sclerosis) with extend of cataract formation, age and visual acuity. Invest. Ophthalmol. 1984.25(2):174–180.

14. Matsuoka R., Watanabe M., Ueno H. A study of coloring in human lens nucleus — association of four inorganic elements and dielectric behavior with nuclear color. Nippon Ganka Gakkai Zasshi. 1997;101:359–365.

15. Qian W., Soderberg P., Chen E. Universal opacity standart for Scheimpflug photography. Ophthalmol. Res. 2000;32(3):292–298. DOI: 10.1159/000055628

16. Джаши В.Г., Балалин С.В., Серков Ю.С. К вопросу о плотности хрусталика. Современные технологии в офтальмологии. 2019;5:24–27. DOI: 10.25276/2312-4911-2019-5-24-27

17. Sacamoto Y., Sasaki H., Nacamura Y. Reproducibility of data obtained by a newly developed anterior eye segment analysis system EAS-1000. Ophthalmol. Res. 1992;24:10–20. DOI: 10.1159/000267202

18. Wegener A., Laser H. Image analysis and Scheimpflug photography of anterior segment of the eye — a review. Klin. Monatsbl. Augenheilkd. 2001;218(2):67–77. DOI: 10.1055/s-2001-12248

19. Pei X., Bao Y., Chen X. Correlation of lens density measured using the Pentacam Scheimpflug system with the LOCS III grading score and visual acuity in agerelated nuclear cataract. Brit. J. Ophthalmol. 2008;92:1471–1475. DOI: 10.1136/bjo.2007.136978

20. Bayrak G., Özdamar Erol Y., Kazanci B. An objective evaluation of crystalline lens density using Scheimpflug lens densitometry in different uveitis entities. Int Ophthalmol. 2020;40(8):2031–2040. DOI: 10.1007/s10792-020-01379-4

21. Rabsilber T.M., Khoramnia R., Auffarth G.U. Anterior chamber measurements using Pentacam rotating Scheimpflug camera. J. Cataract Refractive Surg. 2006;32(5):456–459. DOI: 10.1016/j.jcrs.2005.12.103

22. Rufer F., Schroder A., Arvani M-K. Zentrale und periphere Hornhautpachymetrie — Normevaluation mit dem Pentacam-System. Klin. Monatsbl. Augenheilkd. 2005;222(2):117–122. DOI: 10.1055/s-2005-857908

23. Ossoinig K.C. Standardized echography: basic principles, clinical applications, and results. Int Ophthalmol Clin. 1979;19(4):127–210.

24. Аветисов К.С., Новиков И.А., Сипливый В.И., Маркосян А.Г. Испытательный стенд для исследования вязкопластических свойств биологических тканей. Вестник офтальмологии. 2011;127(2):56–58.

25. Аветисов К.С., Маркосян А.Г. Оценка возрастных особенностей акустической плотности и биометрических взаимоотношений хрусталика на основе комбинированного ультразвукового исследования. Вестник офтальмологии. 2013;129(3):16–23.

26. Van den Berg T.J., Coppens J.C. Conversion of lens slit lamp photographs into physical light-scattering units. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 1999;(9):2151–2157.

27. Краснов М.М., Макаров И.А., Юсеф Н.Ю. Денситометрический анализ ядра хрусталика в выборе стратегии хирургического лечения катаракты. Вестник офтальмологии. 2000;116(4):6–8.

28. Tsaousis K.T., Lamprogiannis L.P., Dimitrakos S.A., Tsinopoulos I.T. Preoperative evaluation of human crystalline lens hardness using A-scan ultrasound biometry: a pilot study. Int J Ophthalmol. 2016;9(10):1521–1523. DOI: 10.18240/ijo.2016.10.25

29. Sugiura T., Kurosaks D., Uezuki Y., Eguchi S., Obata H., Takahashi T. Creating cataract in pig eye. J Cataract Refract Surg. 1999;25:615–621. DOI: 10.1016/s08863350(99)00002-4.

30. Tsui P.H., Chang C.C. Imaging local scatterer concentrations by the Nakagami statistical model. Ultrasound Med Biol. 2007;33:608–619. DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2006.10.005

31. Po-Hsiang Tsui, Chih-Chung Huang, Qifa Zhou, Kirk Shung. Cataract measurement by estimating the ultrasonic statistical parameter using an ultrasound needle transducer: an in vitro study. Physiol Meas. 2011;32(5):513–522. DOI: 10.1088/0967-3334/32/5/002

32. Tsui P.H., Huang C.C., Chang C.C., Wang S.H., Shung K.K. Feasibility study of using high-frequency ultrasonic Nakagami imaging for characterizing the cataract lens in vitro. Phys Med Biol. 2007;52:6413–6425. DOI: 10.1088/0031-9155/52/21/005

33. Chih-Chung Huang, Ruimin Chen, Po-Hsiang Tsui, Qifa Zhou, Humayun M.S. Shung K.K. Measurements of attenuation coefficient for evaluating the hardness of a cataract lens by a high-frequency ultrasonic needle transducer. Phys Med Biol. 2009;54(19):5981–5994. DOI: 10.1088/0031-9155/54/19/021

34. Garra B.S. Imaging and estimation of tissue elasticity by ultrasound. Ultrasound Q. 2007;23:255–268. DOI: 10.1097/ruq.0b013e31815b7ed6

35. Hall T.J. AAPM/RSNA physics tutorial for residents: topics in US: beyond the basics: elasticity imaging with US. Radiographics. 2003;23(6):1657–1671. DOI: 10.1148/rg.236035163

36. Ophir J., Céspedes I., Ponnekanti H., Yazdi Y., Li X. Elastography: a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues. Ultrason Imaging . 1991;13(2):111–134. DOI: 10.1177/016173469101300201

37. Gennisson J.L., Deffieux T., Fink M., Tanter M. Ultrasound elastography: principles and techniques. Diagnostic and interventional imaging. 2013;94:487–495. DOI: 10.1016/j.diii.2013.01.022

38. Sporea I. Clinical elastography. Med Ultrason. 2018;20(3):263–264. DOI: 10.11152/mu-1693

39. Ozturk A., Grajo J.R., Dhyani M., Anthony B.W., Samir A.E. Principles of ultrasound elastography. Abdom Radiol (NY). 2018;43(4):773–785. DOI: 10.1007/s00261-018-1475-6

40. Zhou H.Y., Yan W.J., Yan H. Q-Elastosonography of lens: a new quantitative measurement for human lens sclerosis in vivo. International Conference on the Lens. 2014;1:19–24.

41. Hai-Yan Zhou, Hong Yan, Wei-Jia Yan, Xin-Chuan Wang, Qiao-Ying L. Noninvasive stiffness assessment of the human lens nucleus in patients with anisometropia using an ultrasound elastography system. Int J Ophthalmol. 2020;13(3):399–405. DOI: 10.18240/ijo.2020.03.05

42. Sarvazyan A., Hall T.J., Urban M.U., Fatemi M., Aglyamov S.R., Garra B.S. An overview of elastography-an emerging branch of medical imaging. Curr Med Imaging Rev. 2011;7(4):255–282. DOI: 10.2174/157340511798038684

43. Adie S.G., Kennedy B.F., Armstrong J.J. Audio frequency in vivo optical coherence elastography. Phys Med Biol. 2009 May 21;54(10):3129–3139. DOI: 10.1088/00319155/54/10/011.

44. Kennedy B.F., Kennedy K.M., Sampson D.D. A review of optical coherence elastography: fundamentals, techniques and prospects. IEEE J Sel Top Quantum Electron. 2014;20(2):272–288 DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2291445

45. Kennedy B.F., Liang X., Adie S.G. In vivo three-dimensional optical coherence elastography. Opt Express. 2011;19(7):6623–6634. DOI: 10.1364/OE.19.006623

46. Qi W., Chen R., Chou L. Phase-resolved acoustic radiation force optical coherence elastography. J Biomed Opt. 2012;17(11):110505. DOI: 10.1117/1.JBO.17.11.110505

47. Wang S., Larin K.V. Shear wave imaging optical coherence tomography (SWI-OCT) for ocular tissue biomechanics. Opt Lett. 2014;39:41–44. DOI: 10.1364%2FOL.39.000041

48. Sun C., Standish B., Yang V.X. Optical coherence elastography: current status and future applications. J Biomed Opt. 2011 Apr;16(4):043001. DOI:10.1117/1.3560294

49. Wu C., Han Z., Wang S. Assessing age-related changes in the biomechanical properties of rabbit lens using a coaligned ultrasound and optical coherence elastography system. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2015;56(2):1292–1300. DOI: 10.1167/iovs.1415654

50. Buckhurst H., Gilmartin B., Cubbidge R.P., Nagra M., Logan N.S. Ocular biometric correlates of ciliary muscle thickness in human myopia. Ophthalmic Physiol Opt. 2013;33(3):294–304. DOI: 10.1111/opo.12039

51. Duck F.A. Medical and non-medical protection standards for ultrasound and infrasound. Prog Biophys Mol Biol.2007;93(1–3):176–191. DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2006.07.008