Characterizing patient-specific corneal biomechanics. High fidelity modeling and AI techniques
La interacción entre las propiedades ópticas y biomecánicas de la cornea gobierna la manera en que el ojo refracta y enfoca la luz en la retina. Las propiedades mecánicas del tejido corneal varían entre individuos y pueden cambiar a lo largo del tiempo debido a diferentes factores como el crecimient...
| Autores: | , |
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| Tipo de recurso: | tesis de maestría |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2024 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Zaragoza |
| Repositorio: | Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza |
| OAI Identifier: | oai:zaguan.unizar.es:147083 |
| Acceso en línea: | http://zaguan.unizar.es/record/147083 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | biomecánica oftalmología propiedades mecánicas de materiales análisis numérico |
| Sumario: | La interacción entre las propiedades ópticas y biomecánicas de la cornea gobierna la manera en que el ojo refracta y enfoca la luz en la retina. Las propiedades mecánicas del tejido corneal varían entre individuos y pueden cambiar a lo largo del tiempo debido a diferentes factores como el crecimiento ocular, el envejecimiento y posibles patologías como por ejemplo el queratocono. El aumento en la esperanza de vida y las demandas sociales de una visión de alta calidad conduce a un incremento en la preocupación por la salud ocular.<br />Estimar las propiedades biomecánicas de los tejidos oculares es crucial para entender, diagnosticar y tratar algunas patologías oculares, como ectasias corneales, planificación de cirugías refractivas, implantación de segmentos intrastromales, cirugías mínimamente invasivas de glaucoma (MIGS), tratamientos como el crosslinking corneal, etc.<br />Esta tesis doctoral tiene como objetivo estimar las propiedades mecánicas del tejido corneal humano in vivo y en tiempo real mediante una combinación de modelos numéricos de alta fidelidad que simulan la prueba de diagnostico de la tonometría de no contacto y técnicas de inteligencia artificial.<br />La tonometría de no contacto es una prueba clínica no invasiva utilizada para caracterizar la biomecánica corneal y estimar la presión intraocular (PIO), deformando la superficie anterior de la cornea cuando se solicita mediante un pulso de aire. En los desarrollos de esta tesis se considerara el tonometro Corvis ST. A lo largo de la prueba clínica se registra la deformación de la cornea mediante una cámara de alta velocidad.<br />Esta deformación depende de la combinación de la geometría corneal (en particular del espesor corneal), la PIO, y las propiedades mecánicas del tejido corneal y por ultimo de la presión del pulso de aire. Los modelos in-silico permiten estudiar la influencia de cada factor, y mediante técnicas de análisis inverso estimar las propiedades mecánicas del tejido que no pueden ser obtenidas a dia de hoy con ningun equipo de diagnostico.<br />En esta tesis se desarrolla y valida una metodologia numerica que combina simulaciones de acoplamiento fluido estructura (FSI) para reproducir lo mas fielmente posible la tonometría de no contacto para un paciente concreto, para el cual se ha registrado la topografía corneal y la PIO. La deformada de la cornea, en el modelo numérico, dependerá de las propiedades del tejido corneal y de la PIO, que no son conocidas. Pero<br />la PIO y dichas propiedades se pueden estimar obligando a que la deformada numérica mimetice la deformada registrada a lo largo del diagnostico con el Corvis ST.<br />Basado en los resultados de la simulación numérica, se presenta un enfoque energético para estudiar la tonometría de no contacto y se propone un nuevo algoritmo para estimar la PIO que desacopla la dependencia de la respuesta de las propiedades mecánicas del tejido corneal. El tiempo de velocidad máxima del apex durante el soplo de aire se utiliza para estimar la PIO, en lugar del tiempo en que se produce la primera<br />aplanación, como se usa actualmente en la practica clínica.<br />El inconveniente de la simulación numérica propuesta es su elevado tiempo computacional (el tiempo computacional de cada simulación es de 24 horas), que no lo hace factible para estimaciones en tiempo real. Esto se ha solventado en esta tesis desarrollando un modelo de orden reducido basado en la técnica de descomposición ortogonal, que se utilizara en combinación con técnicas de inteligencia artificial para<br />estimar las propiedades mecánicas especificas del tejido corneal en tiempo real. La estimación de las propiedades con el modelo subrogado es del orden de milisegundos.<br />El modelo numérico FSI generara resultados virtuales de la tonometría de no contacto para entrenar un modelo subrrogado basado en datos, lo que permitirá predicciones en tiempo real de las propiedades mecánicas de la cornea. El disponer de la respuesta mecánica del tejido permitirá mejorar el diagnostico de patología asociadas a cambio de rigidez y apoyara la toma de decisiones por parte de los clínicos para establecer<br />tratamientos y valorar la eficacia de los mismos.<br />El modelo numérico FSI desarrollado del globo ocular también se ha utilizado en el marco de esta tesis para simular otros dos problemas clínicos. Se ha estudiado la viabilidad del equipo Corvis ST para detectar la patología del queratocono. Numéricamente se ha observado que, en casos de pacientes con queratocono que todavia no han desarrollado problemas evidentes en la topografía, la deformación de la cornea bajo el efecto del chorro de aire es diferente de la de un paciente sano. Se han definido nuevos biomarcadores basados en la asimetría de la deformación y se propone analizar también la sección perpendicular a la que actualmente se considera en el Corvis ST. De esta manera, es posible la detección precoz de la patología del queratocono. Por ultimo, se ha simulado el flujo del humor acuoso tras la implantación de dispositivos MIGS, observando que numéricamente es necesario utilizar una simulación de acoplamiento fluido-estructura porque las propiedades del ojo influyen sobre la PIO y viceversa. En el futuro, la metodología establecida permitirá diseñar nuevos dispositivos o analizar la posición optima de implantación del dispositivo<br /> |
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