Zusammenfassung: Das Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle und klinische Evaluierung eines neuartigen Messverfahrens zur Bestimmung biomechanischer Eigenschaften der Hornhaut. Das untersuchte Gerät (Corvis ST, Oculus, Wetzlar, Deutschland) ist ein Non-Kontakt Tonometer mit integrierter Scheimpflug-Technologie, welches zum Einsatz am menschlichen Auge weltweit zugelassen ist. Ein Luftimpuls wird dabei auf die Hornhaut appliziert, wodurch diese deformiert wird. Dieser Prozess hat zur Folge, dass die Hornhaut applaniert (erste Applanation), anschließend nach innen gedrückt (höchste Konkavität) und durch das Abschalten des externen Luftimpulses, vom Augeninnendruck (IOD) in ihre ursprüngliche, physiologische Form gedrückt wird, wobei sie die zweite Applanation durchläuft. Die klinisch relevanten Parameter des Corvis ST (DCR Parameter) sind der bIOP, ein biomechanisch korrigierter IOD; DAR2, das Verhältnis aus zentraler Deformation und peripherer Deformation (bei 2 mm) der Hornhaut; int. 1/R, Summe aus dem Kehrwert des Radius während der konkaven Phase der Hornhaut zwischen erster und zweiter Applanation; SP A1, Steifigkeitsparameter der ersten Applanation sowie CBI, eine Kombination aus verschiedenen DCR Parametern zur Trennung zwischen gesunden und Keratokonus Hornhäuten. Die Literaturrecherche hat ergeben, dass mechanische Kenngrößen nicht ohne Weiteres auf biologische Gewebe anwendbar sind, da insbesondere die Hornhaut anisotrope, nicht lineare und viskoelastische Eigenschaften aufweist. Aus diesem Grund kann für die Hornhaut beispielsweise kein einheitlicher E-Modul abgeleitet werden. Der E-Modul ist vielmehr eine Funktion der Dehnung. Für die Messung am Auge haben IOD und Hornhautdicke einen wesentlichen Einfluss auf das biomechanische Verhalten der Hornhaut. Diese und weitere Faktoren werden in dieser Arbeit untersucht und nach ihrem Effekt auf die Messparameter beurteilt. In experimentellen Untersuchungen wurde insbesondere der Einfluss des IOD betrachtet. Hierbei zeigt sich, je höher der IOD im Schweineauge induziert ist, desto weniger verformbar verhält sich die Hornhaut gegenüber dem eintreffenden Luftimpuls, wobei sich die Materialeigenschaften nicht verändern. Dies drückte sich unter anderem in geringeren Werten für DAR2 und int. 1/R sowie höheren Werte für SP A1 aus. Infolgedessen wird auf die IOD Konformität zwischen den zu untersuchenden Studienpopulationen geachtet, um die Messergebnisse richtig evaluieren zu können. In den klinischen Untersuchungen können zudem Hornhautdicke und Alter als weitere Einflussfaktoren auf die DCR Parameter bei Gesunden beobachtet werden. Eine dickere Hornhaut weist demnach einen höheren Widerstand (geringere Werte für DAR2, int. 1/R sowie höhere Werte für SP A1) gegenüber dem Luftimpuls auf als eine dünnere Hornhaut. Das Alter hat einen Versteifungseffekt auf die Hornhaut, was sich nachweislich durch eine positive Korrelation des Alters mit SP A1 zeigt. Eine weitere Voraussetzung für die Beurteilbarkeit der DCR Parameter ist die Bestimmung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit. Sowohl am Schweineauge als auch bei Keratokonus-Patienten zeigt sich insgesamt eine hohe Genauigkeit der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Parameter, sodass von einer verlässlichen Messung ausgegangen werden kann. Diese Erkenntnis ist insbesondere für die Evaluierung von longitudinalen Fragestellungen enorm wichtig. Für die klinischen Untersuchungen wurde der Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Technologie, Buffalo, NY, USA), ein weiteres Non-Kontakt Tonometer zur Bestimmung biomechanischer Parameter der Hornhaut, als Vergleichsgerät herangezogen. Die Hauptparameter sind die korneale Hysterese (CH) und der korneale Widerstandsfaktor (CRF). Jedoch spiegeln diese Parameter nicht die Steifigkeit der Hornhaut wider, da sie viskoelastische Eigenschaften der Hornhaut beschreiben. Der Grund dafür ist die Integration der Druckwerte der ersten und zweiten Applanation während Ein- und Auswärtsbewegung der Hornhaut in die Berechnung von CH und CRF. Im Gegensatz dazu beschreiben die DCR Parameter des Corvis ST das Deformationsverhalten der Ein- und Auswärtsbewegung der Hornhaut. Es wird davon ausgegangen, dass die Einwärtsbewegung der Hornhaut vermehrt die elastische Komponente widerspiegelt, wodurch sich ein Zusammenhang zur Steifigkeit herleiten lässt. Die Evaluierung der DCR Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus Patienten ergibt, dass der CBI die beste Trennung mit hoher Sensitivität und Spezifität zwischen beiden Kohorten darstellt. Weiterhin zeigen sich DAR2, int. 1/R und SP A1 eine hohe Genauigkeit der Erkennung eines Keratokonus, sogar höher als CH und teilweise auch als CRF. Darüber hinaus können Unterschiede in bestimmten DCR Parameter zwischen verschiedenen Schweregraden des Keratokonus gefunden werden, so dass in der Folge eine weitere Analyse durchgeführt werden konnte, die anhand von Machine Learning Algorithmen den Schweregrad des Keratokonus vorhersagt. Das Modell erreicht eine gute Sensitivität und Spezifität zur Vorhersage von Gesunden, frühen und fortgeschrittenen Stadien, jedoch nicht für mäßige Stadien. Diese Arbeit weist weiterhin nach, dass die Hornhautvernetzung (CXL), ein Therapieverfahren bei progressiven Keratokonus, eine Änderung in den DCR Parametern erzeugt, die auf eine Zunahme der Hornhautfestigkeit hindeutet. Die experimentellen Versuche am Schweineauge leiten einen Zusammenhang zwischen Spannungs-Dehnungsmessung und Änderungen in den DCR Parameter her. Indizien für die Zunahme der Hornhautfestigkeit sind einerseits ein höher gemessener IOD trotz konstant induzierten IOD im Schweineauge und andererseits ein geringerer Wert für int. 1/R sowie ein höherer Wert für SP A1. Auch in den klinischen Untersuchungen wird diese Beobachtungen gemacht, auch wenn sich der Effekt weniger stark zeigt. Dennoch kann ebenfalls eine Zunahme des bIOP und eine Abnahme des int. 1/R beobachtet werden, wobei diese einen Monat postoperativ am stärksten ausgeprägt sind. Letztlich bietet das Corvis ST hilfreiche Informationen über die biomechanischen Eigenschaften der Hornhaut. Dies ist insbesondere im Vorfeld refraktiv-chirurgischer Eingriffe und zur Beurteilung des Keratokonus wichtig. In dieser Arbeit wird ein gewisser Einfluss des IOD und der Hornhautdicke auf die DCR Parameter nachgewiesen, so dass zukünftig computergestützte Verfahren verwendet werden sollten, um Materialeigenschaften der Hornhaut möglichst unabhängig von ihrer Dicke und dem vorliegenden IOD zu bestimmen. Dies ist auch für andere Augenerkrankungen, wie z. B. dem Glaukom, wichtig.:Vorwort IV Inhaltsverzeichnis VI Abbildungs- und Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XV 1 Einleitung 1 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 2 2.1 Das Auge 2 2.2 Kornea – die Hornhaut des menschlichen Auges 3 2.2.1 Struktur und Eigenschaften des Hornhautstromas 8 2.2.2 Zelluläre Abnormitäten der Hornhaut bei Keratektasien 12 2.2.3 Strukturelle Veränderungen der Hornhaut bei okulären und systemischen Erkrankungen 14 2.3 Keratokonus 17 2.3.1 Inzidenz und Prävalenz 17 2.3.2 Risikofaktoren 18 2.3.3 Diagnose und klinische Zeichen 19 2.3.4 Behandlungsoptionen 25 2.4 Methoden zur Bestimmung von (bio-)mechanischer Eigenschaften 29 2.4.1 Übertragung mechanischer Kenngrößen auf Biomaterialien 29 2.4.2 Zusammenhang zwischen den chemischen, strukturellen Eigenschaften und der Biomechanik der Hornhaut 33 2.4.3 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut ex vivo 33 2.4.4 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut in vivo 37 2.4.5 Computer gestützte Modellierung von biomechanischen Modellen und Ektasien 43 2.5 Aktueller Stand der Forschung 46 2.5.1 Ocular Response Analyzer 46 2.5.2 Corvis ST 50 2.6 Fragestellungen und Hypothesen 53 3 Material und Methoden 54 3.1 Messgeräte 54 3.1.1 Ocular Response Analyzer 54 3.1.2 Corvis ST - Corneal Visualization Scheimpflug Technology 56 3.1.3 Scheimpflug-basierte Topografie und Tomografie 62 3.2 Experimentelle Untersuchungen 62 3.2.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweineauge 63 3.2.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 65 3.2.3 Statistische Auswertung der experimentellen Untersuchungen 69 3.3 Klinische Untersuchung 70 3.3.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 70 3.3.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 71 3.3.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 73 3.3.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 75 3.3.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 77 4 Ergebnisse 78 4.1 Experimentelle Untersuchungen 78 4.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 78 4.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 83 4.2 Klinische Untersuchungen 88 4.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 88 4.2.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 101 4.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 107 4.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 112 4.2.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 118 5 Diskussion 121 5.1 Experimentelle Untersuchungen 121 5.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 121 5.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking ex vivo und in vivo 123 5.2 Klinische Untersuchungen 129 5.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 129 5.2.2 Evaluierung und Differenzierung gesunder Probanden und Keratokonus-Patienten hinsichtlich biomechanischer Parameter – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 134 5.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 140 5.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 142 6 Zusammenfassung 145 7 Summary 148 Literaturverzeichnis 151 Stichwortverzeichnis 166 Anhang 168 Danksagung 187 Anlage 1 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 188 Anlage 2 Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben 189 Anlage 3 Angabe zu Bildrechten 190 Anlage 4 Kennzeichnung des Eigenanteils bereits veröffentlichter Publikationen 195 / Summary: The aim of this thesis is to investigate a novel method measuring biomechanical properties of the cornea in experimental and clinical conditions. The used device is a dynamic Scheimpflug Analyzer based non-contact tonometry (Corvis ST, Oculus, Wetzlar, Germany) and is approved for in vivo applications. An ultra-high speed Scheimpflug camera records the complete corneal deformation after applying an air-puff. Due to external air pressure, the cornea passes the 1st applanation, followed by a concave phase until highest concavity and afterwards 2nd applanation until it recovers to its initial physiological state. Several dynamic corneal response (DCR) parameters are derived from these measurements. Some of these DCR parameters show clinical relevance: The bIOP is a biomechanical corrected intraocular pressure (IOP) whose value is adjusted by age, corneal thickness and several DCR parameters. Further, the deformation amplitude ratio at 2 mm (DAR2) represents the ratio between central und peripheral deformations. The integrated inverse radius (int. 1/R) is the sum of the reciprocal curvature during the concave phase (between 1st and 2nd applanation). The overall corneal stiffness is represented by stiffness parameter at 1st applanation (SP A1). Finally, the Corvis Biomechanical Index (CBI) is a screening parameter that separates healthy from keratoconic eyes. Based on literature research, typical mechanical parameters from engineering or material sciences cannot be applied to the cornea easily, due to anisotropic, non-linear and visco-elastic properties of the cornea. Hence, it is not possible to determine a consistent value for Young’s modulus; instead, it can be seen as a function of strain. The measurement of biomechanical properties of the cornea are mainly influenced by IOP and corneal thickness. In this thesis, these and other factors were investigated to evaluate the impact on DCR parameters. During the experiment with porcine eyes, it has been found that the higher the induced IOP is, the less deformable the cornea behaves against the applied air puff, even though the material properties are not altered. While increasing the IOP, Corvis ST measurements were performed at each 5 mmHg steps. Among other findings, observations show decreased values for DAR2 and int. 1/R as well as increased values for SP A1. As a direct consequence, IOP conformity is taken into account for further investigations. In addition, clinical investigations also showed corneal thickness and age as influencing factors on the DCR parameter in healthy subjects. A higher corneal thickness is associated with a stiffer biomechanical behavior (lower DAR2 and int. 1/R, higher SP A1) than thinner corneas in healthy eyes. Furthermore, it could be found that age has a stiffening effect on the cornea (higher SP A1). Repeatability and reproducibility were investigated experimentally and clinically. Certain DCR parameters were repeatable in porcine eyes and keratoconic eyes. Therefore, it can be concluded that these measurements are reliable and can be used for longitudinal observations. The Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Technologies, Buffalo, NY, USA) is another clinical device to measure biomechanical properties of the cornea based on non-contact tonometry. Main parameters are corneal hysteresis (CH) and corneal resistance factor (CRF). However, CH and CRF are not associated with corneal stiffness because it reflects corneal visco-elastic properties due to the integration of pressure values of inward and outward movement in its calculations. In contrast, DCR parameters of Corvis ST describe corneal behavior of inward and outward movement separately. Parameters of inward movement are associated with the elastic component and thus to corneal stiffness. The investigations in healthy and keratoconic eyes have shown that CBI is the best parameter separating between these cohorts. Furthermore, DAR2, int. 1/R and SP A1 show higher values for sensitivity and specificity in differentiating healthy from keratoconus as CH and partly CRF. Regarding the severity of keratoconus, some DCR parameters are different between several stages. As a result, a classification model to predict the severity of keratoconus had been developed based on Machine learning algorithms. The prediction of healthy, early and advanced cases shows good sensitivity and specificity whereas mild cases show moderate accuracy. In this thesis, corneal biomechanical alterations after cross-linking (CXL) in progressive keratoconus are evaluated. Before the clinical study, porcine eyes were investigated ex vivo to evaluate the efficacy of CXL using common surgical protocols. These eyes were measured by Corvis ST and afterwards by stress-strain measurement (extensometry). In conclusion, a higher IOP, a higher SP A1 and a lower int. 1/R observed by Corvis ST after CXL can be associated with an increased corneal stiffness, measured by extensometry. In vivo, alterations in the same manner of bIOP and int. 1/R were observed one months after CXL and partly up to one year. However, it can be assumed that the biomechanical effect can be measured preferably in short-term follow-up. Hence, the Dynamic Scheimpflug Analyzer can be seen as a useful device to measure in vivo biomechanical properties of the cornea. Pre-operative examination in refractive surgery or early diagnosis of keratoconus can notably be improved by corneal biomechanical information. There is a certain relationship between DCR parameters and IOP as well as corneal thickness. In the future research, computer-aided data analysis of raw data from Corvis ST can help to determine advanced material properties of the cornea independently from its thickness and IOP. The investigation of e.g. glaucoma patients could be a further important application.:Vorwort IV Inhaltsverzeichnis VI Abbildungs- und Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XV 1 Einleitung 1 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 2 2.1 Das Auge 2 2.2 Kornea – die Hornhaut des menschlichen Auges 3 2.2.1 Struktur und Eigenschaften des Hornhautstromas 8 2.2.2 Zelluläre Abnormitäten der Hornhaut bei Keratektasien 12 2.2.3 Strukturelle Veränderungen der Hornhaut bei okulären und systemischen Erkrankungen 14 2.3 Keratokonus 17 2.3.1 Inzidenz und Prävalenz 17 2.3.2 Risikofaktoren 18 2.3.3 Diagnose und klinische Zeichen 19 2.3.4 Behandlungsoptionen 25 2.4 Methoden zur Bestimmung von (bio-)mechanischer Eigenschaften 29 2.4.1 Übertragung mechanischer Kenngrößen auf Biomaterialien 29 2.4.2 Zusammenhang zwischen den chemischen, strukturellen Eigenschaften und der Biomechanik der Hornhaut 33 2.4.3 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut ex vivo 33 2.4.4 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut in vivo 37 2.4.5 Computer gestützte Modellierung von biomechanischen Modellen und Ektasien 43 2.5 Aktueller Stand der Forschung 46 2.5.1 Ocular Response Analyzer 46 2.5.2 Corvis ST 50 2.6 Fragestellungen und Hypothesen 53 3 Material und Methoden 54 3.1 Messgeräte 54 3.1.1 Ocular Response Analyzer 54 3.1.2 Corvis ST - Corneal Visualization Scheimpflug Technology 56 3.1.3 Scheimpflug-basierte Topografie und Tomografie 62 3.2 Experimentelle Untersuchungen 62 3.2.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweineauge 63 3.2.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 65 3.2.3 Statistische Auswertung der experimentellen Untersuchungen 69 3.3 Klinische Untersuchung 70 3.3.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 70 3.3.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 71 3.3.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 73 3.3.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 75 3.3.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 77 4 Ergebnisse 78 4.1 Experimentelle Untersuchungen 78 4.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 78 4.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 83 4.2 Klinische Untersuchungen 88 4.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 88 4.2.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 101 4.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 107 4.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 112 4.2.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 118 5 Diskussion 121 5.1 Experimentelle Untersuchungen 121 5.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 121 5.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking ex vivo und in vivo 123 5.2 Klinische Untersuchungen 129 5.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 129 5.2.2 Evaluierung und Differenzierung gesunder Probanden und Keratokonus-Patienten hinsichtlich biomechanischer Parameter – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 134 5.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 140 5.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 142 6 Zusammenfassung 145 7 Summary 148 Literaturverzeichnis 151 Stichwortverzeichnis 166 Anhang 168 Danksagung 187 Anlage 1 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 188 Anlage 2 Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben 189 Anlage 3 Angabe zu Bildrechten 190 Anlage 4 Kennzeichnung des Eigenanteils bereits veröffentlichter Publikationen 195

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