Impact of chamber pressure and material properties on the deformation response of corneal models measured by dynamic ultra-high-speed Scheimpflug imaging / Impacto da pressão na câmara artificial e das propriedades do material sobre a resposta de deformação de modelos de córnea medido por imagem de Scheimpflug ultradinâmica de alta velocidade

PURPOSE: To study the deformation response of three distinct contact lenses with known structures, which served as corneal models, under different chamber pressures using ultra-high-speed (UHS) Scheimpflug imaging. METHODS: Three hydrophilic contact lenses were mounted on a sealed water chamber with precisely adjustable pressure: TAN-G5X (41% hydroxyethylmethacrylate/glycolmethacrylate, 550 µm thick), TAN-40 (62% hydroxyethylmethacrylate, 525 µm thick) and TAN-58 (42% methylmethacrylate, 258 µm thick). Each model was tested five times under different pressures (5, 15, 25, 35 and 45 mmHg), using ultra-high-speed Scheimpflug imaging during non-contact tonometry. 140 Scheimpflug images were taken with the UHS camera in each measurement. The deformation amplitude during non-contact tonometry was determined as the highest displacement of the apex at the highest concavity (HC) moment. RESULTS: At each pressure level, the deformation amplitude was statistically different for each lens tested (p<0.001, ANOVA). Each lens had different deformation amplitudes under different pressure levels (p<0.001; Bonferroni post-hoc test). The thicker lens with less polymer (TAN-G5X) had a higher deformation (less stiff behavior) than the one that was thinner but with more polymer (TAN-40), when measured at the same internal pressure. The thinnest lens with less polymers (TAN-58) had a lower deformation amplitude (stiffer behavior) at higher pressures than the thicker ones with more polymer (TAN-40 and TAN-G5X) at lower pressures. CONCLUSIONS: UHS Scheimpflug imaging allowed for biomechanical assessment through deformation characterization of corneal models. Biomechanical behavior was more influenced by material composition than by thickness. Chamber pressure had a significant impact on deformation response of each lens.

OBJETIVO: Estudar a resposta de deformação de três lentes de contato com estruturas conhecidas, que serviram como modelos de córnea, recorrendo à imagem de Scheimpflug de alta velocidade. MÉTODOS: Três lentes de contato hidrófilas foram montadas em uma câmara de água selada com pressão ajustável: TAN-G5X (41% hidroxietilmetacrilato/glycolmethacrylate, 550µm de espessura), TAN-40 (hidroxietilmetacrilato 62%, 525 µm de espessura) e TAN-58 (42% metilmetacrilato, 258 µm de espessura). Cada modelo foi testado cinco vezes sob pressões diferentes (5, 15, 25, 35 e 45 mmHg), recorrendo a um tonómetro de não-contato acoplado a uma câmara de Scheimpflug de alta velocidade. Cento e quarenta imagens de Scheimpflug foram capturadas em cada medição. A amplitude de deformação foi determinada como o maior deslocamento do ápice no momento de maior concavidade do modelo testado. RESULTADOS: Em cada nível de pressão, a amplitude de deformação foi estatisticamente diferente para cada lente testada (p<0,001, ANOVA). Cada lente teve amplitude de deformação diferente sob distintos níveis de pressão (p<0,001; Bonferroni teste post-hoc). A lente mais espessa e com menos polímero (TAN-G5X) apresentou maior deformação (comportamento menos rígido) do que aquela que era mais fina mas com mais polímero (TAN-40), quando testadas sob a mesma pressão. A lente mais fina e com menos polímero (TAN-58) apresentou uma menor amplitude de deformação (comportamento mais rígido) sob pressões mais elevadas, em comparação com as lentes mais grossas e com mais polímero (TAN-40 e TAN-G5X) em pressões mais baixas. CONCLUSÕES: A imagem de Scheimpflug de alta velocidade permite uma avaliação biomecânica através da medição da amplitude de deformação dos modelos de córnea. O comportamento biomecânico foi mais influenciado pela composição do que pela espessura da lente. A pressão da câmara apresentou um impacto significativo sobre a amplitude de deformação de cada lente.

Dynamic ultra high speed Scheimpflug imaging for assessing corneal biomechanical properties

OBJECTIVE: To describe a novel technique for clinical characterization of corneal biomechanics using non-invasive dynamic imaging. METHODS: Corneal deformation response during non contact tonometry (NCT) is monitored by ultra-high-speed (UHS) photography. The Oculus Corvis ST (Scheimpflug Technology; Wetzlar, Germany) has a UHS Scheimpflug camera, taking over 4,300 frames per second and of a single 8mm horizontal slit, for monitoring corneal deformation response to NCT. The metered collimated air pulse or puff has a symmetrical configuration and fixed maximal internal pump pressure of 25 kPa. The bidirectional movement of the cornea in response to the air puff is monitored. RESULTS: Measurement time is 30ms, with 140 frames acquired. Advanced algorithms for edge detection of the front and back corneal contours are applied for every frame. IOP is calculated based on the first applanation moment. Deformation amplitude (DA) is determined as the highest displacement of the apex in the highest concavity (HC) moment. Applanation length (AL) and corneal velocity (CVel) are recorded during ingoing and outgoing phases. CONCLUSION: Corneal deformation can be monitored during non contact tonometry. The parameters generated provide clinical in vivo characterization of corneal biomechanical properties in two dimensions, which is relevant for different applications in Ophthalmology.

OBJETIVO: Descrever uma nova técnica para caracterização clínica das propriedades biomecânicas da córnea, usando sistema de imagem dinâmica não invasivo. MÉTODOS: A resposta de deformação da córnea é monitorada durante tonometria de não contato com fotografia de Scheimpflug de altíssima velocidade. O Oculus Corvis ST (Scheimpflug Technology; Wetzlar, Germany) apresenta uma câmera UHS Scheimpflug que adquire mais que 4.300 fotos por segundo com cobertura de 8mm horizontais para monitorar a resposta de deformação durante a tonometria de não contato por sopro de ar. O pulso de ar é muito bem controlado, apresentando uma configuração simétrica em sua pressão, com máxima pressão da bomba fixa de 25 kPa. O movimento bidirecional da córnea em resposta ao jato de ar é monitorado. RESULTADOS: A medida dura 30ms, com 140 fotos adquiridas. Algorítmos avançados identificam os limites anterior e posterior da córnea em cada imagem. A pressão intraocular (PIO) é calculada com base no primeiro momento de aplanação. A amplitude de deformação é determinada pelo maior deslocamento do ápice, durante o momento de maior concavidade. A extensão da aplanação e velocidade da córnea são medidos nas fases de entrada e saída. CONCLUSÃO: A deformação da córnea durante a tonometria de sopro por pulso de ar pode ser monitorada em detalhe com sistema de fotografia de altíssima velocidade. Os parâmetros gerados possibilitam caracterização clínica das propriedades biomecâmicas da córnea em duas dimensões. Tais achados têm relavância para diversas áreas da Oftalmologia.