Se ha descrito que una de las principales razones del desarrollo del queratocono está relacionada con fallas en las propiedades biomecánicas de la córnea. Estas alteraciones también se han vinculado con irregularidades en la superficie corneal que pueden comprometer los resultados postquirúrgicos, como en el caso de la cirugía refractiva.
Aunque el queratocono clínico puede detectarse con relativa facilidad debido a sus signos evidentes, diferenciar al queratocono subclínico de una córnea morfológicamente normal continúa siendo un desafío. A pesar del desarrollo de dispositivos especializados para medir la histéresis corneal y de diversas estrategias basadas en inteligencia artificial, la detección precisa de alteraciones biomecánicas sigue presentando dificultades importantes. (1)
En este contexto, la microscopía Brillouin, emerge como una alternativa prometedora para la detección sensible y oportuna de alteraciones en la biomecánica de la córnea. Esta tecnología permite generar un mapeo mecánico completamente óptico, con resolución tridimensional (3D), y, lo más relevante, de forma no invasiva. El desplazamiento de frecuencia Brillouin puede evaluar cuantitativa del módulo longitudinal mediante espectroscopía óptica.(1)
Adicionalmente, se ha demostrado que la microscopía Brillouin puede evaluar de manera localizada el módulo longitudinal con resolución tridimensional a escala micrométrica, sin necesidad de aplicar presión ni deformar el tejido. Este módulo representa una propiedad mecánica que describe la resistencia de un material a la compresión a lo largo de una dirección específica. En este caso, se refiere a la biomecánica de la córnea. (2)
No obstante, los instrumentos oftálmicos basados en esta técnica aún presentan limitaciones en cuanto a precisión espacial y mecánica. En términos de resolución espacial, se estima que se requieren entre 10 y 20 segundos por escaneo axial en un solo punto de la córnea, lo que hace que la medición sea susceptible a sesgos o artefactos significativos causados por el movimiento de los ojos del paciente. En cuanto a la precisión mecánica, la técnica exige una calibración previa basada en materiales con propiedades Brillouin conocidas, las cuales pueden verse influenciadas por variables ambientales y por las propias condiciones del tejido corneal. (2)
Frente a este desafío —en particular, la susceptibilidad de la medición al movimiento ocular— Zhang y colaboradores (2023) diseñan e implementan un instrumento Brillouin con sistema de seguimiento ocular (eyetracking), que ofrece una mayor precisión mecánica y espacial. Esta mejora se basa en triplicar la velocidad de medición mediante el seguimiento de movimiento en 3D y una calibración absoluta adaptada al tejido corneal, utilizando líneas de absorción atómica.(2)
El modelo experimental integra tres componentes principales: un espectrómetro Brillouin para la medición del módulo corneal, un dispositivo de tomografía de coherencia óptica (OCT, por su sigla en inglés) para el monitoreo axial, y un sistema de imagen para el seguimiento del movimiento pupilar en el plano de enfoque. Todos los elementos fueron montados sobre una plataforma óptica acoplada a una lámpara de hendidura, que funciona como interfaz con el paciente y permite el desplazamiento en tres dimensiones mediante un joystick.(2)
Para lograr una obtención precisa del desplazamiento con resolución espacial a lo largo del barrido corneal, los autores construyeron un biomicroscopio de Brillouin compuesto por un espectrómetro Brillouin y un microscopio confocal. La fuente de luz utilizada fue un láser de onda continua centrado en 780 nm bloqueado a una línea de absorción del rubidio (Rb). Este bloqueo no solo estabilizaba la frecuencia del láser, sino que también ayudaba a reducir las reflexiones mediante la adición de una celda de gas de Rb adicional antes de acoplar la luz dispersada al espectrómetro a través del lente objetivo. (2)
Para mejorar el rendimiento espectral del sistema, se incorporaron dos filtros de Bragg después de la fuente láser, destinados a suprimir la emisión espontánea amplificada. El haz láser resultante fue acoplado a un sistema de fibra óptica de polarización mantenida y dirigido hacia la interfaz lámpara de hendidura- paciente. En este punto, el haz fue expandido mediante un sistema telescópico para alcanzar una apertura numérica adecuada sobre un lente montado sobre una plataforma de traslación, lo que permitió el escaneo axial de la córnea. La potencia del haz en esta etapa fue de 7 mW. Ver Figura 1. (2)
Figura 1. Diagrama esquemático de la configuración del biomicroscopio Brilloun in vivo. SLD: diodo superluminiscente; PC: controlador de polarización; ND: filtro de densidad neutra; DM: espejo dicroico; QWP: placa de cuarto de onda; HWP: placa de media onda; PBS: divisor de haz polarizado; P: polarizador; L1-L7: lentes. (2)
El montaje clínico del sistema biomicroscópico de Brillouin, como se mencionó anteriormente, se logró a través de la integración de un sistema de seguimiento ocular en 3D, un soporte físico adaptado a una lámpara de hendidura y un software de control centralizado en LABVIEW. Esta configuración permite al operador seleccionar puntos de medición sobre la córnea a través de una interfaz gráfica, e iniciar escaneos axiales de alta resolución que compensen posibles movimientos oculares mediante un rango de escaneo extendido.(2)
En la ventana de seguimiento pupilar, un pequeño punto blanco cercano al centro de la pupila indicaba la ubicación del láser, mientras que un punto blanco más grande, ubicado en el borde de la pupila, representaba el reflejo de una lámpara de 970 nm. Los círculos concéntricos rojos tenían diámetros de 2 mm, 5 mm, 7 mm, 8 mm y 9 mm, guiaban la localización espacial sobre la córnea. Para iniciar un escaneo, el operador posicionaba el cursor sobre el punto láser y seleccionaba el área de interés. (2)
Tras cada escaneo, el punto medido se marcaba con un punto verde en la interfaz. Aunque el espesor de la córnea humana es de aproximadamente 500–600 μm, los autores establecieron un rango de escaneo de1.8 mm, con incrementos de 15 μm, para compensar posibles movimientos del paciente. El punto de inicio era determinado previamente mediante imágenes por OCT. Durante el escaneo, los espectros Brillouin registrados eran ajustados a una función Lorentziana para calcular con precisión los desplazamientos medidos. Ver Figura 2. (2)
Figura 2. Funcionamiento del microscopio Brillouin con seguimiento de movimiento en la aplicación clínica. a) Interfaz para el paciente y soporte de fijación. (b) Imagen en primer plano del sistema durante un escaneo en un voluntario. (c) Panel del software del sistema. (2)
Después de hacer los ajustes de validación del sistema de seguimiento tridimensional (3D) en la corrección del perfil Brillouin, los autores complementaron el análisis de datos a través de la generación de un mapa de distribución del módulo elástico a lo largo de la extensión corneal. Dado que en oftalmología se emplean principalmente mapas geométricos 2D para el diagnóstico, se crearon mapas Brillouin bidimensionales para facilitar la visualización e interpretación. Esta estrategia aprovechó el hecho de que los desplazamientos Brillouin en la región anterior de la córnea son relativamente planos. Por ello, se utilizó el valor medio de la zona de meseta del perfil Brillouin para representar el desplazamiento en cada punto medido. (2)
Para conectar los puntos de medición dispersos, se aplicó interpolación 2D. Esta técnica fue adecuada debido a que el movimiento ocular en el plano fue menor a 40 μm, es decir, menos que la resolución transversal del OCT. En situaciones de mayor movimiento, podría requerirse eventualmente la generación de un mapa 3D. Todos estos ajustes se pueden controlar durante la operación del eyetracking y la visualización en tiempo real de los movimientos oculares. (2)
En el análisis del mapa Brillouin de una córnea normal, se toma como punto de referencia el centro de la pupila para establecer el origen de coordenadas. En este mapa se identificó una región central, de aproximadamente 4 mm de diámetro, con menor rigidez biomecánica, en la que los desplazamientos Brillouin fueron cercanos a los 5.72 GHz. En la periferia, fuera de este círculo, los valores aumentaron, registrándose desplazamientos entre 5.74 y 5.76 GHz. Además, se observó que la región superior presentó una rigidez ligeramente mayor (alrededor de 0.02 GHz) biomecánicamente más resistente que la región inferior.
Cabe destacar que el mapa biomecánico Brillouin se complementó con mediciones de paquimetría y curvatura corneal obtenidas mediante imágenes de Scheimpflug. Finalmente, para profundizar en la distribución del módulo elástico a lo largo del espesor corneal, se graficaron dos perfiles representativos corregidos: uno en la zona central (X = –0.40 mm, Y = –0.03 mm) y otro en la periferia (X = –1.80 mm, Y = 2.65 mm). Ver Figura 3. (2)
Figura 3: (a) Mapa Brillouin de la córnea normal. La barra de color representa los desplazamientos Brillouin en GHz. Las coordenadas en los ejes X, Y indican los diámetros de una serie de círculos concéntricos. (b) Mapa paquimétrico de referencia. (c) Mapa de curvatura corneal de referencia. (d) Perfiles Brillouin representativos en el centro y en la periferia.(2)
Los resultados obtenidos con esta nueva tecnología desarrollada por Zhang y colaboradores mostraron resultados prometedores para mapear propiedades biomecánicas focales y dependientes del espesor corneal en un entorno clínico. A diferencia de otras técnicas existentes, la microscopía Brillouin permite medir el módulo elástico sin contacto, sin aplicar fuerzas externas y con alta resolución espacial, lo que la convierte en una herramienta ideal para detectar anormalidades focales tempranas, como ocurre en el caso del queratocono subclínico.
Otro aspecto destacable es el uso combinado con OCT que permitió delimitar con precisión la región corneal, evitando errores en los promedios de meseta. La exactitud en frecuencia del espectrómetro Brillouin se incrementó notablemente con el uso de frecuencias de absorción de rubidio (Rb), logrando una precisión absoluta de 4.12 MHz y una estabilidad mantenida durante 2000 s. Además, aunque los resultados se presentan como mapas 2D para facilitar su interpretación, los datos contienen información tridimensional que permitirá estudios más avanzados sobre la evolución biomecánica de la córnea, incluso antes y después de procedimientos quirúrgicos. (2)
En cuanto a su aplicación clínica, los investigadores realizaron un estudio prospectivo transversal con el propósito de caracterizar las diferencias biomecánicas focales entre córneas normales, con queratocono y post-cirugía refractiva con láser, utilizando microscopía Brillouin con seguimiento de movimiento. Los participantes se dividieron en tres grupos: 10 ojos con córneas normales (grupo control), 10 ojos con antecedentes de cirugía láser (grupo LVC) y 10 ojos con diagnóstico de queratocono en estadio I o II (grupo KC). (3)
La metodología consistió en obtener imágenes corneales mediante dos técnicas complementarias: por un lado, imágenes de Scheimpflug, que permiten obtener información tomográfica de la córnea, donde se incluye el espesor y curvatura y, por otro lado, imágenes obtenidas con el dispositivo tipo microscopio Brillouin con seguimiento de movimiento. En cada caso, se analizaron parámetros como el desplazamiento Brillouin medio, máximo y mínimo, así como la desviación estándar espacial (SSD, por su sigla en inglés) y la diferencia entre los valores máximos y mínimos (Max-Min), lo cual permitió estimar la variabilidad biomecánica. Adicionalmente, se evaluó la correlación entre los valores mínimos de desplazamiento Brillouin y las mediciones en distintos puntos mediante las imágenes de Scheimpflug, con el fin de establecer una relación anatómica y funcional entre las propiedades biomecánicas y estructurales de las córneas analizadas.(3)
Entre los hallazgos más relevantes, se observó que los ojos normales presentaron muy poca variabilidad en los valores de desplazamiento Brillouin, mientras que los ojos con LVC y con KC mostraron zonas focales de debilitamiento biomecánico. En particular, el valor mínimo del desplazamiento Brillouin fue eficaz para distinguir entre córneas normales y con queratocono, con un rendimiento igual o superior al de los parámetros básicos obtenidos con imágenes de Scheimpflug .(3)
En el grupo LVC se evidenció una disminución de la rigidez biomecánica corneal incluso en pacientes con cirugías realizadas hace más de seis años, a pesar de que los resultados refractivos y topográficos permanecían estables. Aunque los valores mínimos de desplazamiento Brillouin resultaron útiles para caracterizar diferencias entre grupos, se identificó una ligera superposición de datos entre los ojos con LVC y con KC, probablemente debido a la complejidad morfológica de la córnea en estos casos. A diferencia del grupo KC, los ojos del grupo LVC no mostraron correlaciones significativas entre las ubicaciones anatómicas y los valores de desplazamiento Brillouin.(3)
Los autores también indican que a pesar de que el estudio tiene una muestra pequeña, los resultados fueron suficientemente contundentes para evidenciar diferencias significativas en la comparación entre los grupos de la investigación. En este sentido, los autores concluyen que esta metodología permitió identificar por primera vez, alteraciones biomecánicas focales en la córnea de pacientes con características especiales que fueron objeto de la investigación. (3)
La medición de los parámetros de desplazamiento Brillouin demostró un rendimiento igual o superior al de las mediciones obtenidas con tomógrafos basados en cámara de Scheimpflug. Este hallazgo abre la puerta a futuras investigaciones orientadas a caracterizar, parametrizar, y generar consensos de diagnóstico temprano de queratocono subclínico.
Como proyección, los investigadores proponen extender esta tecnología hacia nuevos estudios que analicen, mediante Brillouin, la córnea antes y después de procedimientos específicos de corrección visual con láser, como LASIK, PRK y SMILE, así como en tratamientos de cross-linking corneal. También plantean una evaluación más profunda del potencial de esta herramienta para identificar córneas sospechosas de queratocono, con fines diagnósticos y de monitoreo longitudinal.(3)
Referencias
- Randleman JB, Zhang H, Asroui L, Tarib I, Dupps WJ, Scarcelli G. Subclinical Keratoconus Detection and Characterization Using Motion-Tracking Brillouin Microscopy. Ophthalmology. el 1 de marzo de 2024;131(3):310–21.
- Zhang H, Asroui L, Randleman JB, Scarcelli G. Motion-tracking Brillouin microscopy for in-vivo corneal biomechanics mapping. Biomed Opt Express. el 1 de diciembre de 2022;13(12):6196.
- Zhang H, Asroui L, Tarib I, Dupps WJ, Scarcelli G, Randleman JB. Motion-Tracking Brillouin Microscopy Evaluation of Normal, Keratoconic, and Post–Laser Vision Correction Corneas. Am J Ophthalmol. el 1 de octubre de 2023;254:128–40.