Захаров И.Н., Солодкова Е.Г., Балалин С.В., Лэ В.Х., Лобанов Е.В. Разработка персонализированной конечно-элементной модели роговицы для прогнозирования результатов имплантации интрастромальных сегментов при кератоконусе // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2025. № 2(64). С. 221-245. DOI: https://doi.org/10.37972/chgpu.2025.64.2.005. EDN: VCSQZG.

Автор(ы)

Захаров И.Н. — Волгоградский государственный технический университетORCIDeLibrary

Солодкова Е.Г. — Волгоградский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н.Федорова» Минздрава РоссииORCIDeLibrary

Балалин С.В. — Волгоградский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н.Федорова» Минздрава РоссииORCIDeLibrary

Лэ В.Х. — Волгоградский государственный технический университетORCIDeLibrary

Лобанов Е.В. — Волгоградский филиал ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н.Федорова» Минздрава РоссииORCIDeLibrary

Название статьи

Разработка персонализированной конечно-элементной модели роговицы для прогнозирования результатов имплантации интрастромальных сегментов при кератоконусе

Название (англ.): Development of a personalized finite-element model of the cornea for predicting the outcomes of intrastromal segment implantation in keratoconus

Индекс(ы) УДК

617.713–007.64:539.37

DOI

10.37972/chgpu.2025.64.2.005

EDN

VCSQZG

Ключевые слова

роговица; кератоконус; интрастромальные сегменты; Pentacam; Corvis; метод конечных элементов; цифровое планирование операции

Аннотация

Разрабатывается персонализированная конечно-элементная биомеханическая модель роговицы с кератоконусом для цифрового моделирования операции имплантации интрастромальных сегментов. Модель учитывает индивидуальные геометрические параметры и механические свойства роговичной ткани, включая зоны патологических изменений с пониженной жесткостью. Разработан комплексный подход к моделированию хирургического вмешательства, включающий этапы аппланации роговицы, формирования внутрироговичного канала, контактного взаимодействия имплантов с тканью и процессов декогезии. Представлено численное прогнозирование влияния различных параметров сегментов (толщина, длина дуги, положение) на биомеханическое поведение роговицы и коррекцию кератотопографических показателей. Верификация модели на клиническом случае пациента с кератоконусом III стадии подтвердила достаточно высокую точность прогноза (отклонение 15–20%).

Финансирование

Название программы финансирования: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (№ 25-25-00303, https://rscf.ru/project/25-25-00303/). Номер программы финансирования: 25-25-00303. Организация, предоставившая финансирование: Российский научный фонд.

Даты

Поступила: 05.06.2025; Принята: 08.10.2025; Опубликована: 19.12.2025

Страницы

221-245

Полная версия статьи

Скачать PDF

QR-код EDN

1. Correcting keratoconus with intracorneal rings / J. Colin [et al.] // J. Cataract Refract. Surg. - 2000. - Vol. 26. - P. 1117-1122. -  DOI: 10.1016/S0886-3350(00)00451-X
2. Refractive surgical correction and treatment of keratoconus / F. D. Oria, S. A. Bagaglia, J. L. Alio del Barrio, [et al.] // Surv. Ophthalmol. - 2023. - Vol. 69. - P. 122-139. -  DOI: 10.1016/j.survophthal.2023.09.005 EDN: AXAJTZ
3. 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 / M. Iqbal, A. Elmassry, A. Mounir, [et al.] // Acta Ophthalmol. - 2021. - Vol. 99. - e501-e511. -  DOI: 10.1111/aos.14611 EDN: QVCJAZ
4. Терещенко В. А., Демъянченко С. К., Вишнякова Е. Н. Применение цифрового разметочного устройства при проведении фемтолазерной интрастромальной кератопластики с имплантацией интрастромальных сегментов // Сибирский научный медицинский журнал. - 2019. - № 3. - С. 60-65. - 10.15372/ SSMJ20190309. -  DOI: 10.15372/SSMJ20190309 EDN: UEYXLK
5. Мороз З. И., Гурбанов Р. С. Осложнения интрастромальной кератопластики // Офтальмология. - 2014. - 1 (14). - С. 84-89. - EDN: XYJRJJ
6. Pinsky P. M., Datye D. V., Silvestrini T. A. Numerical-simulation of topographical alterations in the cornea after ICR (intrastromal corneal ring) placement // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. - 1995. - Vol. 36, no. 4. - S309.
7. Kling S., Marcos S. Finite-element modeling of intrastromal ring segment implantation into a hyperelastic cornea // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. - 2013. - Vol. 54, no. 1. - P. 881-889. -  DOI: 10.1167/iovs.12-10852
8. Daxer A. Biomechanics of corneal ring implants // Cornea. – 2015. – Vol. 34, no. 11. – P. 1493–1498. – DOI: 10.1097/ICO.0000000000000591.
9. Patient-specific simulation of the intrastromal ring segment implantation in corneas with keratoconus / M. A. Lago, M. J. Rupérez, C. Monserrat, [et al.] // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. - 2015. - Vol. 51. - P. 260-268. - 10.1016/j. jmbbm.2015.07.023.  DOI: 10.1016/j.jmbbm.2015.07.023
10. 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. Mech. Med. Biol. - 2016. - Vol. 16, no. 7. - P. 1650101. -  DOI: 10.1142/S0219519416501013
11. Mechanical-mathematical model of intrastromal shape correction of the cornea in keratoconus / I. S. Nikitin, A. B. Zhuravlev, N. G. Iroshnikov, [et al.] // Russian Journal of Biomechanics. - 2017. - Vol. 21, no. 4. - P. 403-416. - -  DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2017.4.07 EDN: YMCSPJ
12. Corneal biomechanics after intrastromal ring surgery: Optomechanical in silico assessment / M. Á. Ariza-Gracia [et al.] // Transl. Vis. Sci. Technol. - 2020. - Vol. 9, no. 11. - P. 26. -  DOI: 10.1167/tvst.9.11.26 EDN: WYSLFX
13. Бауэр С. М., Венатовская Л. А., Воронкова Е. Б. Модели механики твердого тела в приложении к офтальмологии // Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия. - 2023. - Т. 10, № 4. - С. 686-712. - -  DOI: 10.21638/spbu01.2023.407 EDN: UJNCGP
14. 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 // Math. Mech. Solids. - 2022. - Vol. 27, no. 3. - P. 390-409. -  DOI: 10.1177/10812865211025581 EDN: FADNPS
15. Localized refractive changes induced by symmetric and progressive asymmetric intracorneal ring segments assessed with a 3D finite-element model / G. G. de Oteyza [et al.] // Bioengineering. - 2023. - Vol. 10. - P. 1014. - 10.3390/ bioengineering10091014.  DOI: 10.3390/bioengineering10091014 EDN: ZRIFDC
16. Разработка комплекса математических моделей биомеханических параметров роговицы с диагностированным кератоконусом до и после лечения с помощью кросс-линкинга коллагена роговицы / Е. Г. Солодкова, Б. Е. Малюгин, И. Н. Захаров [и др.] // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 3. - С. 10-28. - -  DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.3.01 EDN: HCQFDP
17. Идентификация параметров модели роговицы с кератоконусом в терминах численно-экспериментального исследования геометрии и механического поведения роговицы / Е. Г. Солодкова, Б. Е. Малюгин, И. Н. Захаров [и др.] // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 3. - С. 53-64. - - UMKATJ.  DOI: 10.15593/rjbiomech/2023.3.05 EDN: CGOVSK
18. COMSOL AB. Structural Mechanics Module - Large Strain Viscoelasticity. - (Visited on 06/25/2025); Online documentation. https://doc.comsol.com/5.6/docserver/\#!/com.comsol.help.sme/sme_ug_theory.06.27.html.

1. Colin J., et al. Correcting keratoconus with intracorneal rings. Journal of Cataract and Refractive Surgery, 2000, vol. 26, pp. 1117–1122. DOI: 10.1016/S0886-3350(00)00451-X.
2. Oria F.D., Bagaglia S.A., Alio del Barrio J.L., et al. Refractive surgical correction and treatment of keratoconus. Survey of Ophthalmology, 2023, vol. 69, pp. 122–139. DOI: 10.1016/j.survophthal.2023.09.005. EDN: AXAJTZ.
3. 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 Ophthalmologica, 2021, vol. 99, pp. e501–e511. DOI: 10.1111/aos.14611. EDN: QVCJAZ.
4. Tereshchenko V.A., Dem'yanchenko S.K., Vishnyakova E.N. Application of a digital marking device in femtolaser intrastromal keratoplasty with implantation of intrastromal segments. Sibirskii Nauchnyi Meditsinskii Zhurnal, 2019, no. 3, pp. 60–65. DOI: 10.15372/SSMJ20190309. EDN: UEYXLK. (In Russian).
5. Moroz Z.I., Gurbanov R.S. Complications of intrastromal keratoplasty. Oftal'mologiya, 2014, no. 1(14), pp. 84–89. EDN: XYJRJJ. (In Russian).
6. Pinsky P.M., Datye D.V., Silvestrini T.A. Numerical simulation of topographical alterations in the cornea after ICR (intrastromal corneal ring) placement. Investigative Ophthalmology and Visual Science, 1995, vol. 36, no. 4, p. S309.
7. Kling S., Marcos S. Finite-element modeling of intrastromal ring segment implantation into a hyperelastic cornea. Investigative Ophthalmology and Visual Science, 2013, vol. 54, no. 1, pp. 881–889. DOI: 10.1167/iovs.12-10852.
8. Daxer A. Biomechanics of corneal ring implants. Cornea, 2015, vol. 34, no. 11, pp. 1493–1498. DOI: 10.1097/ICO.0000000000000591.
9. Lago M.A., Rupérez M.J., Monserrat C., et al. Patient-specific simulation of the intrastromal ring segment implantation in corneas with keratoconus. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2015, vol. 51, pp. 260–268. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2015.07.023.
10. 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. Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 2016, vol. 16, no. 7, article 1650101. DOI: 10.1142/S0219519416501013.
11. Nikitin I.S., Zhuravlev A.B., Iroshnikov N.G., et al. Mechanical-mathematical model of intrastromal shape correction of the cornea in keratoconus. Russian Journal of Biomechanics, 2017, vol. 21, no. 4, pp. 403–416. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2017.4.07. EDN: YMCSPJ.
12. Ariza-Gracia M.Á., et al. Corneal biomechanics after intrastromal ring surgery: Optomechanical in silico assessment. Translational Vision Science and Technology, 2020, vol. 9, no. 11, article 26. DOI: 10.1167/tvst.9.11.26. EDN: WYSLFX.
13. Bauer S.M., Venatovskaya L.A., Voronkova E.B. Models of solid mechanics in application to ophthalmology. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Universiteta. Matematika. Mekhanika. Astronomiya, 2023, vol. 10, no. 4, pp. 686–712. DOI: 10.21638/spbu01.2023.407. EDN: UJNCGP. (In Russian).
14. 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, vol. 27, no. 3, pp. 390–409. DOI: 10.1177/10812865211025581. EDN: FADNPS.
15. Oteyza G.G. de, et al. Localized refractive changes induced by symmetric and progressive asymmetric intracorneal ring segments assessed with a 3D finite-element model. Bioengineering, 2023, vol. 10, article 1014. DOI: 10.3390/bioengineering10091014. EDN: ZRIFDC.
16. Solodkova E.G., Malyugin B.E., Zakharov I.N., et al. Development of a set of mathematical models of biomechanical parameters of the cornea diagnosed with keratoconus before and after treatment by corneal collagen cross-linking. Rossiiskii Zhurnal Biomekhaniki, 2022, vol. 26, no. 3, pp. 10–28. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.3.01. EDN: HCQFDP. (In Russian).
17. Solodkova E.G., Malyugin B.E., Zakharov I.N., et al. Identification of parameters of a keratoconus cornea model in terms of a numerical-experimental study of corneal geometry and mechanical behavior. Rossiiskii Zhurnal Biomekhaniki, 2023, vol. 27, no. 3, pp. 53–64. DOI: 10.15593/rjbiomech/2023.3.05. EDN: CGOVSK. (In Russian).
18. COMSOL AB. Structural Mechanics Module: Large Strain Viscoelasticity. Online documentation. Available at: https://doc.comsol.com/5.6/docserver/#!/com.comsol.help.sme/sme_ug_theory.06.27.html (accessed June 25, 2025).

Авторские права и лицензия

© 2025 Автор(ы). Статья публикуется в открытом доступе на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» 4.0 Всемирная (CC BY 4.0), которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего указания авторства. Авторские права на статью сохраняются за авторами.