Comparison of corneal morphologic parameters and high order aberrations in keratoconus and normal eyes

The aim of this study is evaluating the influence of corneal geometry in the optical system’s aberrations, and its usefulness as diagnostic criterion for keratoconus.159 normal eyes (normal group, mean age 37.8 ± 11.6 years) and 292 eyes with the diagnosis of keratoconus (keratoconus group, mean age 42.2 ± 17.6 years) were included in this study. All eyes received a comprehensive ophthalmologic examination. A virtual 3D model of each eye was made using CAD software and different anatomical parameters related with surface and volume were measured. Statistically significant differences were found for all anatomical parameters (all p < 0.001). AUROC analysis showed that all parameters reached values above 0.7, with the exception of the total corneal surface area (TCSAA-S). In conclusion, the methodology explained in this research, that bases in anatomical parameters obtained from a virtual corneal model, allow to analyze the diagnostic value of corneal geometry correlation with optical aberrations in keratoconus pathology.This publication has been carried out in the framework of the Thematic Network for Co-Operative Research in Health (RETICS), reference number RD16/0008/0012, financed by the Carlos III Health Institute–General Subdirection of Networks and Cooperative Investigation Centers (R&D&I National Plan 2013–2016) and the European Regional Development Fund (FEDER)

Análisis morfogeométrico de la estructura hemiesférica del segmento anterior del ojo humano y su aplicación clínica

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones.La superficie refractiva más importante del ojo humano es la córnea, que presenta una estructura de forma hemiesférica localizada en el segmento ocular anterior. Esta estructura, incluso en un escenario no patológico, no es perfecta, dado que presenta asimetrías que provocan deformaciones, desalineamientos y descentramientos entre ambos ojos del mismo individuo. Cuando además existen patologías corneales, como pueden ser las ectasias, esta asimetría, y por tanto sus efectos, se acentúan, provocando en el paciente un deterioro ciertamente importante de la capacidad visual, lo que da cuenta de la importancia de disponer de sistemas que permitan una caracterización corneal precisa que facilite la detección, diagnóstico y clasificación de las ectasias. En esta tesis doctoral se ha propuesto un sistema integrado capaz de detectar (fase preclínica) y diagnosticar (fase clínica), de manera eficiente y desde un punto de vista óptico-geométrico, la progresión de la ectasia corneal, permitiendo de esta forma incidir de manera directa en el proceso de toma de decisiones relativas a la calidad visual de los pacientes. Para ello, y partiendo de un modelo sólido personalizado en 3D generado con herramientas de Diseño Asistido por Ordenador, se han propuesto diversos parámetros morfogeométricos macroscópicos de tipo lineal, superficial, volumétrico y angular, con el objetivo de caracterizar la progresión de la ectasia corneal más importante, el denominado queratocono. La estructura microscópica también se ha estudiado, programando una aplicación que permite cuantificar el polimegatismo y el pleomorfismo de las células endoteliales corneales. Posteriormente, se han revisado los distintos sistemas univariantes y multivariantes de diagnóstico y clasificación del queratocono, y se ha comprobado que los parámetros morfogeométricos permiten tanto la detección como la clasificación del queratocono en base a su grado de severidad de acuerdo con las escalas RETICS, Amsler-Krumeich y Alió-Shabayek. Además, se han propuesto dos modelos predictivos (demográfico-óptico-geométricos) de clasificación del grado de la enfermedad en base a la escala RETICS, que han dado lugar al desarrollo de dos aplicaciones informáticas denominadas EMKLAS y KERATOSCORE, que a su vez dan cuenta de la dificultad inherente a la detección de esta enfermedad en la fase preclínica. Por último, se ha aplicado un modelo sólido personalizado obtenido mediante impresión 3D a la educación del paciente, comprobándose que la percepción visual y táctil del modelo permite a los pacientes entender mucho mejor su enfermedad y el tratamiento indicado para ella, mejorando la percepción de calidad del servicio prestado en las clínicas oftalmológicas.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The most important refractive surface of the human eye is the cornea, which has a hemispherical-shaped structure located in the anterior ocular segment. This structure, even in a non-pathological scenario, is not perfect, since it presents asymmetries that cause deformations, misalignments and decenterings between the two eyes of the same individual. When there are also corneal pathologies, such as ectasias, this asymmetry, and therefore its effects, are accentuated, causing in the patient a certainly significant deterioration of the visual capacity, something that shows the importance of having systems that allow precise corneal characterization to facilitate the detection, diagnosis and classification of ectasias. In this doctoral thesis, an integrated system capable of efficiently detecting (preclinical phase) and diagnosing (clinical phase), from an optical-geometric point of view, the progression of corneal ectasia, has been proposed, thus allowing a direct impact on the decision-making process concerning the visual quality of patients. To do so, and starting from a solid model customized in 3D generated with tools of Computer Assisted Design, several macroscopic morphogeometrical parameters of linear, superficial, volumetric and angular type have been proposed, with the aim of characterizing the progression of the most important corneal ectasia, the so-called keratoconus. The microscopic structure has also been studied, having programmed an application that allows to quantify the polymegatism and pleomorphism of the endothelial corneal cells. Subsequently, several univariate and multivariate diagnostic and classification systems for keratoconus have been revised, and it has been proven that morphogeometrical parameters allow both the detection and classification of keratoconus, basing on its degree of severity according to the RETICS, Amsler-Krumeich and Alió-Shabayek scales. In addition, two classification predictive models (demographical-optical-geometrical) of the disease degree based on the RETICS scale have been proposed, resulting in the development of two computer applications called EMKLAS and KERATOSCORE, which show the inherent difficulty of detecting this disease in its preclinical phase. Finally, a 3D printed personalized solid model has been applied to patient’s education, showing that the visual and tactile perception of the model allows patients to better understand their illness and the treatment indicated for it, improving the perception of quality of service provided in ophthalmological clinics.Las investigaciones que componen esta tesis doctoral se han llevado a cabo con el apoyo de la Red Temática para la Investigación Cooperativa en Salud (RETICS), referencia RD16/0008/0012, y han sido financiadas por el Instituto de Salud Calos III – Subdirección General de Redes y Centros de Investigación Cooperativa (Plan Nacional de I+D+I 2013-2016), el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), y el programa de Valorización de Resultados de la Universidad Politécnica de Cartagena (PROVALOR-UPCT).Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de doce documentos, todos ellos previamente publicados o aceptados para publicación. En concreto, 9 corresponden a artículos en revistas listadas en el ISI-JCR del Sciences Citation Index, mientras que los 3 restantes corresponden a capítulos de libro de la editorial Springer (Ranking Scholarly Publishers Indicators 4/200). Dichos documentos se enumeran a continuación de acuerdo con el orden cronológico en que han sido publicados durante el desarrollo de la investigación: 1. Cavas-Martínez F, Fernández-Pacheco DG, Cañavate FJF, Velázquez-Blázquez JS, Bolarín JM, Alió JL. Study of Morpho-Geometric Variables to Improve the Diagnosis in Keratoconus with Mild Visual Limitation. Symmetry. 2018;10(8):306. DOI: 10.3390/sym10080306. 2. Cavas-Martinez F, Fernandez-Pacheco DG, Canavate FJF, Velázquez-Blázquez JS, Bolarín J, Tiveron M, Alió J. Early keratoconus detection by patient-specific 3D modelling and geometric parameters analysis. Dyna. 2019. 94(2). DOI: 10.6036/8895. 3. Velázquez-Blázquez JS, Cavas-Martínez F, Alió del Barrio J, Fernandez-Pacheco DG, Cañavate FJF, Parras-Burgos D, Alió J. Detection of Subclinical Keratoconus Using Biometric Parameters. In: Rojas I., Valenzuela O., Rojas F., Ortuño F. (eds) Bioinformatics and Biomedical Engineering. IWBBIO 2019. Lecture Notes in Computer Science, vol 11466. Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-030-17935-9_44. 4. Velázquez JS, Cavas F, Alió Del Barrio J, Fernández-Pacheco DG, Alió J. Assessment of the Association between In Vivo Corneal Morphogeometrical Changes and Keratoconus Eyes with Severe Visual Limitation. J Ophthalmol. 2019;2019:8731626-8731626. DOI: 10.1155/2019/8731626. 5. Velázquez-Blázquez JS, Cavas-Martínez F, Campuzano VA, Alió del Barrio J, Cañavate FJF, Alió J. Automatic image processing applied to corneal endothelium cell count and shape characterization. Dyna. 2020;95(2). DOI: 10.6036/9275. 6. Velázquez-Blázquez JS, Fernández-Pacheco DG, Alió del Barrio J, Alió JL, Cavas-Martínez F. Efficacy of Morpho-Geometrical Analysis of the Corneal Surfaces in Keratoconus Disease According to Moderate Visual Limitation. In: Cavas-Martínez F., Sanz-Adan F., Morer Camo P., Lostado Lorza R., Santamaría Peña J. (eds) Advances in Design Engineering. INGEGRAF 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. 10.1007/978-3-030-41200-5_29. 7. Velázquez JS, Cavas F, Bolarín JM, Alió JL. 3D Printed Personalized Corneal Models as a Tool for Improving Patient’s Knowledge of an Asymmetric Disease. Symmetry. 2020;12(1):151. 10.3390/sym12010151. 8. Bolarín JM, Cavas F, Velázquez JS, Alió JL. A Machine-Learning Model Based on Morphogeometric Parameters for RETICS Disease Classification and GUI Development. Applied Sciences. 2020;10(5):1874. 10.3390/app10051874. 9. Velázquez JS, Cavas F, Bolarín JM, Alió JL. Comparison of Corneal Morphologic Parameters and High Order Aberrations in Keratoconus and Normal eyes. In: Rojas I., Valenzuela O., Rojas F., Ortuño F. (eds) Bioinformatics and Biomedical Engineering. IWBBIO 2020. Lecture Notes in Computer Science, vol 12108. Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-030-45385-5_8. 10. Toprak I, Cavas F, Velázquez JS, Alió del Barrio JL, Alió JL. Subclinical keratoconus detection with three-dimensional (3-D) morphogeometric and volumetric analysis. Acta Ophthalmologica. (in press). 10.1111/aos.14433. 11. Velázquez JS, Cavas F, Piñero DP, Cañavate FJF, Alió del Barrio J, Alió JL. Morphogeometric analysis for characterization of keratoconus considering the spatial localization and projection of apex and minimum corneal thickness point. Journal of Advanced Research. (in press). DOI: 10.1016/j.jare.2020.03.012. 12. Velázquez-Blázquez JS, Bolarín JM, Cavas-Martínez F, Alió JL. EMKLAS: A New Automatic-Scoring System for Early and Mild Keratoconus Detection. Translational Vision Science & Technology. (in press). (2020).Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías Industriale