La compréhension des propriétés biomécaniques de la tête du nerf optique (TNO) est cruciale pour la gestion de conditions telles que le glaucome et le Syndrome Neuro-Oculaire Lié à l'Espace (SNOE). Cette thèse propose d’utiliser l'imagerie par tomographie de cohérence optique vidéo à haute fréquence (V-OCT) traitée avec des algorithmes de traitement d'image existants pour évaluer quantitativement la déformation pulsatile de la TNO due aux cycles cardiaques. Cette méthode est utilisée afin d’investiguer deux phénomènes: la réponse biomécanique de la TNO dans les conditions terrestres; et la réponse du TNO dans l'environnement de microgravité de l'espace.
Le premier segment de cette thèse présente une nouvelle méthode non-invasive pour mesurer le déplacement pulsatile de la TNO via l'OCT vidéo (V-OCT), offrant des progrès significatifs dans la quantification des propriétés biomécaniques de l'œil in vivo. Une validation approfondie de cette technique, à la fois numérique et expérimentale, a confirmé la sensibilité de l'algorithme aux déformations induites, sa robustesse face à divers niveaux de bruit, et sa répétabilité. Deux groupes d’individus, sains et myopes, ont été évalués sous différentes conditions de contrainte physiologique. La déformation pulsatile des tissus de la TNO a été capturée quantitativement et représentée sous forme de cartes de déformation, montrant la sensibilité de la méthodologie aux déformations induites et la robustesse aux interférences de bruit élevé. Pour les sujets dont les yeux ont une longueur axiale de moins de 25mm, des différences notables de déformation pulsatile médiane ont émergé entre les positions primaires et en abduction de l'œil, avec une reproductibilité confirmée via des coefficients de corrélation intra-classe élevés.
Ayant validé la méthode, elle a donc a été appliquée à une cohorte de glaucomateux pour examiner l'impact de la réduction de la pression intraoculaire (PIO) sur le déplacement pulsatile de la TNO. Chez les patients atteints de glaucome primaire à angle ouvert (GPAO), en particulier ceux sans myopie axiale, les interventions abaissant la PIO ont conduit à une réduction significative de la pulsation de la TNO. Cependant, les patients glaucomateux myopes n'ont affiché aucun changement substantiel, suggérant une relation nuancée entre la modulation de la PIO et la biomécanique de la TNO. Une étude de cohorte n’a révélé aucune différence marquée dans la pulsation de la TNO à travers divers degrés de gravité du glaucome. Pourtant, la déformation pulsatile a été corrélée à l'épaisseur de la couche de fibres nerveuses rétiniennes et à des mesures hémodynamiques spécifiques, soulignant les interconnexions complexes entre la biomécanique et l'hémodynamique oculaires.
La dernière partie de cette thèse aborde les modifications de la rigidité oculaire chez les astronautes avant et après des vols spatiaux prolongés. En analysant les données de 26 yeux de 13 astronautes, la recherche a démontré des réductions significatives de la rigidité oculaire, de la pression intraoculaire et de l'amplitude du pouls oculaire après la mission. Ces découvertes explorent des effets précédemment inconnus de la microgravité sur les propriétés mécaniques de l'œil, améliorant notre compréhension du SNOE.
Cette étude, tout en approfondissant notre compréhension des complexités biomécaniques et hémodynamiques de la TNO, démontre le potentiel du V-OCT comme outil pour le diagnostic et le suivi des conditions du nerf optique. Les techniques et les perspectives acquises ici posent également les bases pour de futures explorations prometteuses à la fois pour les patients atteints de glaucome et pour les astronautes. / The eye is a semi-rigid sphere with complex biomechanical properties. Chronic disease or stress like space flight can interfere with these properties, leading to vision loss. Noninvasive measurements of the biomechanical properties of the optic nerve head (ONH) could provide better tracking and management of conditions such as glaucoma and Space-Related Neuro-Ocular Syndrome (SANS). This thesis proposes to use high-frequency optical coherence tomography video imaging (V-OCT) with existing image processing algorithms to quantitatively evaluate the pulsatile displacement of the ONH due to cardiac cycles. This methodology is applied across two streams of research: examining the ocular biomechanical response of the ONH under terrestrial conditions; and the ONH deformation in the microgravity environment of space.
The first section of this thesis introduces a non-invasive method to measure ONH pulsatile displacement via video-based OCT (V-OCT), quantifying biomechanical eye properties in vivo. A thorough validation of this technique, both numerically and experimentally, confirmed the algorithm’s sensitivity to induced deformation, robustness against various noise levels, and repeatability. Two groups, healthy and myopic individuals, underwent assessment under different physiological strain conditions. Pulsatile ONH tissue deformation was quantitatively captured and represented as deformation maps. For those subjects with eyes with an axial length of less than 25mm, notable median pulsatile displacement differences were found between primary and abducted eye positions. Reproducibility was confirmed via high intraclass correlation coefficients.
Building on this foundation, the method was applied to a cohort of glaucoma patients to examine the impact of IOP reduction on ONH pulsatile displacement. In primary open-angle glaucoma (POAG) patients, particularly those without axial myopia, IOP-lowering interventions significantly reduced ONH pulsation. However, myopic glaucoma patients displayed no substantial changes, suggesting that myopic status moderates the relationship between IOP modulation and ONH biomechanics. This pilot study was expanded to a larger cross-sectional cohort study (N=176), revealing a decrease in ONH pulsatile displacement in people with early and moderate glaucoma compared to controls. . In addition, pulsatile displacement correlated with retinal nerve fiber layer thickness and specific hemodynamic measures, showing that ocular biomechanics and hemodynamics are closely linked.
The last section of the thesis investigates ocular rigidity alterations in astronauts before and after extended space flights. Analyzing data from 26 eyes of 13 astronauts, significant reductions in ocular rigidity were observed; similarly, intraocular pressure and ocular pulse amplitude were reduced post-mission. These findings reveal previously undocumented microgravity effects on the eye's mechanical properties, improving our comprehension of SANS.
This thesis demonstrates the potential of V-OCT as a tool for the diagnosis and assessment of the progression of optic nerve conditions. By gaining a deeper understanding of the biomechanical and hemodynamic intricacies of the ONH, we lay the groundwork for future explorations that hold promise for both glaucoma patients and astronauts.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:umontreal.ca/oai:papyrus.bib.umontreal.ca:1866/33914 |
| Date | 04 1900 |
| Creators | Masís-Solano, Marissé |
| Contributors | Lesk, Mark Richard, Costantino, Santiago |
| Source Sets | Université de Montréal |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thesis, thèse |
| Format | application/pdf |
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