Computational planning tools in ophthalmology: Intrastromal corneal ring surgery

This thesis addresses the problem of the simulation of intrastromal corneal ring segment surgery for the reduction of myopia and astigmatism, as well as the stabilisation of keratoconus (KC). This disease causes high myopia, irregular astigmatism and reduction of the patient's visual acuity to the point of blindness. Therefore there are several techniques to try to stabilise it and, thus, prevent its progression. For mild keratoconus, it is enough to use special spectacles or lenses to try to correct it, but in more advanced cases it would be necessary to use refractive surgery to try to stop the progression of the disease. The most common ones to avoid the cornea transplant (PK) are the cross-linking and the additive surgery of intrastromal rings. The current planning tools are empirical, based on the nomograms of the ring manufactures, and rely on the experience of the surgeon. Unfortunately, deterministic tools able to estimate the postsurgical visual results of this treatment do not exist. Therefore, the aim of the current thesis is to establish a realistic numerical framework to simulate intrastromal ring surgeries and estimate the mechanical and optical postsurgical outcomes. There are different types of rings depending on their angle and cross-section. There are two large groups of rings: segments which have an angle of less than 360º and those that cover the entire circumference. In the first group we find rings of triangular section such as the Keraring (Mediaphacos, BeloHorizonte, Brazil) and the Ferrara (AJL Ophthalmic Ltd, Spain) and rings of hexagonal section like the Intacs (Additional Technology Inc.). In the second group we can find the MyoRing (Dioptex, GmbH.) whose cross-section is the combination of a parabola and a circumference and the Intacs SK whose section is oval. Due to the complexity of the simulation, since multiple variables are involved, such as the type of rings, the model of the corneal material, the contact conditions between them, etc., two methodologies arised which simulated the insertion of the rings. Both are based on generating a hole in the corneal stroma, introducing the ring and closing the hole with the ring inside, establishing contact until the simulation is completed. In the first of the methodologies the hole was generated by introducing a pressure, while the second was used to an auxiliary tool, such as balloon angioplasty to introduce endovascular stents, which is displaced generating enough hole to insert the rings. As with all numerical simulations, they were not exempt of limitations, although with the first of the methodologies only circular cross--section rings were simulated and in some configurations, there was pressure inside the hole, so it was decided to focus on the second. Nevertheless, interesting conclusions were obtained: the greatest correction was obtained by placing the rings with the largest section near the apex, and whether the ring is located near the epithelium, the stresses generated in the stroma can cause the ring to extrude. With the second methodology based on a displacement control, it was possible to simulate most of the cross-sections and very interesting studies were carried out that gave conclusive results. The most important were: i) the most influential parameter is the depth of insertion; ii) considering the physiological depth of the surgery, the greater optical change is provided by the diameter of the ring, and the fine adjusted is reached with the size of the implant cross--section, i.e the diameter of the implant and the size of the cross--section are the key on regulating the refractive correction; iii) the friction between ring and stroma is important to consider it because a prediction of 2 or 3 diopters could be lost; iv) whether the KC progression is stress-driven, only MyoRing can stop its progression; v) when the covered arc of the segments is more than 320º, axisymmetric model could be used instead of tridimensional model, saving computational time; vi) the anisotropy of the model does not play an important role because the rings are much stiffer than corneal tissue; vii) the implants cannot consider such as second limbus since they act as a dynamic pivot that moves along the circadian cycles of intraocular pressure (IOP); viii) preliminary nomograms is built which allow the estimation of the optical outputs according to the size and typology of the ring and optical zone of implantation.Additionally, a characterisation of ring material was carried out by means two complementary methods: uncertainty analysis and iFEM optimisation, concluding that the manufacturing process of the rings could be the cause of the alteration of the material between the raw PMMA and the ring already prepared for its insertion.<br /

Estudio sistemático de la estabilidad biomecánica de lentes intraoculares C-loop: Enfoque a un diseño óptimo de los hápticos

El objetivo de este Trabajo Fin de Máster es estudiar la influencia de los parámetros que definen la geometría de las lentes intraoculares C-loop que afectan a la estabilidad mecánica en el saco capsular. Dando lugar a un diseño óptimo de lentes C-loop que minimiza el desplazamiento axial, la inclinación y la rotación.Se estudiaron un total de 144 variaciones geométricas de una lente intraocular C-loop no angulada. El conjunto de variaciones adecuado se determinó mediante un análisis factorial mixto, que permitió analizar el impacto de los diferentes diseños sobre la estabilidad mecánica de la lente (fuerza de compresión, desplazamiento axial, inclinación y rotación). Los parámetros de diseño estudiados fueron: la longitud, anchura, espesor y ángulo de apertura del háptico, la unión háptico-óptica y el inicio de la curvatura háptica. El impacto de los diferentes parámetros se evaluó mediante gráficos de Pareto y análisis estadísticos.La fuerza de compresión (o reacción) se ve afectada por la anchura del háptico, la unión háptico-óptica y la interacción entre ambas. El desplazamiento axial se ve afectado principalmente por la anchura y el grosor del háptico, así como por el tamaño de la unión háptico-óptica. La inclinación se ve afectada por el espesor háptico y la interacción entre la curvatura háptica y la unión háptico-óptica. La rotación se ve afectada por el inicio de la curvatura háptica, la unión háptico-óptica y la anchura del háptico. La principal conclusión de este TFM es que la unión háptico-óptica es uno de los parámetros más influyentes que afectan en las cuatro respuestas estudiadas de las lentes C-Loop. Cuanto más pequeña sea la unión háptico-óptica, mejor será la estabilidad biomecánica.<br /

Simulación personalizada de la cirugía de inserción de anillos intraestromales (ICRS). Validación con datos clínicos

El queratocono es una enfermedad ectásica no inflamatoria que provoca la disrrupción de las fibras de colágeno. Una de las técnicas utilizadas para detener la progresión de la enfermedad es la cirguía de inserción de los anillos intraestromales. El objetivo principal es simular dicha intervención quirúrjica utilizando el método de los elementos finitos y comparar los resultados con los obtenidos en la clínica. Se parte de los datos del paciente suministrados por el topógrafo. Esa nube de puntos se transforma en el modelo tridimensional de elementos finitos. Se aplica la metodología descrita en Flecha-Lescún et. al para la simulación numérica de la cirugía, la cual distingue los pasos siguientes: configuración inicial del modelo, cirugía, inflado, inserción de ICRS y cierre. Los resultados obtenidos se transforman en resultados ópticos mediante la aplicación del algoritmo de trazado de rayos. Al introducir los segmentos ICRS, el ápex corneal se desplaza hacia la cámara interna del ojo y se alcanza un estado de relajación en la superficie anterior corneal. Las caracteríticas ópticas corresponidentes a la post-cirugía muestran una reducción de las dioptrías en el centro de la córnea y se estabiliza el queratocono. Además se validan los resultados con los resultados ópticos de la post-cirugía del paciente. La metodología desarrollada puede ser utilizada como ayuda adicional por los cirujanos y para optimizar cuál es la configuración de ICRS (tipo, zona optica de implantación y sección) que maximice la estabilización y minimice las aberraciones.&nbsp

Simulación 3D de implantes de anillos intraestromales para la estabilización del queratocono

Simulación de la operación quirúrgica de implantación de anillos intraestromales (ICRS) para la estabilización del queratocono (enfermadad ecátisa no inflamatoria que provoca la disrupción de las fibras). Las diferentes simulaciones analizadas se realizan sobre un modelo promedio de elementos finitos de córnea, limbo y esclera, siendo estos elementos esféricos. Tanto la córnea como el limbo son considerados materiales hiperélasticos anisótropos; sin embargo la esclera se considera isótropa hiperelástica.Los diferentes experimentos de la inserción de los anillos circulares combinan las siguientes variables: profundidad de implantación (80%, 65% y 50% de espesor corneal), diámetro corneal (5 mm, 6 mm y 7 mm) y diámetro de la sección (0.2 mm, 0.3 mm y 0.5 mm). Los resultados obtenidos se analizan mediante un algoritmo propio de trazado de rayos para obtener diferentes variables ópticas (potencia esférica y cilíndrica de la cornea anterior y posterior así como del frente de onda). Finalmente, mediante un análisis "full factorial" a tres niveles (bajo, medio y alto) de las tres variables determinantes en la inserción de los ISCRS. Se puede conluir, tras el análisis óptico que secciones de diámetro mayor deben implantarse en zonas más alejadas. La variable que más influye en la simulación es el diámetro de la zona de implantación. Además, los anillos actúan como elemento de contención, absorbiendo la mayoría de las tensiones radiales. Esto sugiere que podrían ayudar a estabilizar la progresión del KTC al relajar las tensiones en el tejido.

La Tomografía Computarizada Multidetector (TCMD) en el programa de implantación percutánea de válvula aórtica (TAVI) en Aragón

La estenosis aórtica (EA) es la valvulopatía más frecuente en los países desarrollados. La primera causa de EA es la EA degenerativa calcificada que afecta a pacientes de edad avanzada. El diagnóstico se realiza mediante ecocardiografía transtorácica (ETT) y cuando aparecen los síntomas (insuficiencia cardiaca, síncope o ángor) está indicado el recambio valvular quirúrgico que es el tratamiento de elección. Ningún tratamiento médico, ni siquiera la valvuloplastia, evita ni retrasa la cirugía. El recambio valvular aórtico percutáneo consiste en la implantación de una válvula biológica montada en un stent metálico sin retirar la válvula nativa. El primer procedimiento lo realizó Alain Cribier en el año 2002 y la inclusión de esta técnica en las guías de práctica clínica se produjo gracias al ensayo multicéntrico randomizado PARTNER (Placement of Aortic Transcatheter Valves), que demostró que el implante valvular percutáneo es una alternativa a la cirugía y que obtiene mejores resultados que el tratamiento médico conservador en términos de mortalidad y de evolución sintomática en pacientes con alto riesgo quirúrgico. También se puede realizar el implante transcatéter de válvula aórtica (TAVI) en pacientes con alguna morbilidad que incrementa el riesgo del recambio valvular quirúrgico como aorta “en porcelana”, fragilidad, disfunción hepática y secuelas de cirugía o radiación en la pared torácica. Los pacientes candidatos a TAVI deben completar un protocolo de evaluación muy exhaustivo para valorar si es factible porque no todos los pacientes rechazados para cirugía son idóneos para TAVI, se analizan parámetros anatómicos, funcionales y cognitivos. Dentro de este protocolo, la tomografía computarizada multidetector (TCMD) desempeña un papel fundamental en la valoración anatómica de los candidatos. Además en los pacientes finalmente seleccionados, la TCMD permite guiar el procedimiento ya que ayuda a seleccionar el dispositivo y la vía de implante. Los principales objetivos de este trabajo son evaluar las aportaciones de la TCMD en los pacientes con EA severa rechazados para la cirugía de recambio valvular y los resultados de la TAVI en la Comunidad Autónoma de Aragón. Otros objetivos han sido establecer factores predictores de complicaciones de la TAVI y correlacionar los hallazgos de la TCMD con los de otras técnicas de imagen, como ecocardiografía y arteriografía. Para ello, se ha realizado un estudio prospectivo entre enero de 2011 y diciembre de 2014, en el que se ha incluido a 66 pacientes con EA degenerativa calcificada severa o con degeneración de bioprótesis aórtica evaluados mediante TCMD dentro del protocolo preTAVI en el Hospital Universitario Miguel Servet (HUMS) de Zaragoza. En los 43 pacientes aceptados y sometidos a TAVI en el Hospital Clínico San Carlos de Madrid y en el HUMS se realizó además seguimiento a 30 días. Los resultados obtenidos en nuestro estudio establecen que la mitad de los pacientes rechazados para TAVI lo han sido por los hallazgos de la TCMD, y que la TCMD aporta numerosas ventajas frente a otras técnicas de imagen como la ecocardiografía en aspectos como medición precisa del anillo valvular aórtico, estimación de la proyección de implante con una desviación mínima, selección de la vía de acceso para el implante, detección de patología extravascular significativa, valoración de la localización y la extensión de la calcificación en raíz aórtica, aorta y ejes arteriales iliofemorales y análisis del riesgo de isquemia coronaria de la TAVI. Se ha conseguido el éxito del implante en todos los pacientes. La mortalidad cardiovascular y la tasa de complicaciones según definiciones VARC-2 (Valve Academic Research Consortium) durante el procedimiento y a 30 días de seguimiento han sido similares a las publicadas en la literatura. El procedimiento ha mejorado la clase funcional de la New York Heart Association, la hemodinámica valvular de los pacientes, la fracción de eyección del ventrículo izquierdo (FEVI) en los pacientes con FEVI deprimida antes del procedimiento y la presión de la arteria pulmonar (PAP) en los pacientes con PAP elevada antes del procedimiento. Se han definido predictores de complicaciones. La postdilatación y la profundidad a la que queda la prótesis valvular aórtica respecto a los senos de Valsalva en la aortografía postprocedimiento son predictores de implante de marcapasos definitivo tras el procedimiento, y el índice de cobertura calculado a partir de los diámetros obtenidos mediante TCMD es predictor de regurgitación paravalvular. El tipo de acceso femoral es predictor de complicación vascular y el sangrado postprocedimiento, de insuficiencia renal aguda postTAVI. Además el género femenino y el tipo de acceso son predictores dependientes de sangrado postprocedimiento. Los resultados obtenidos en nuestro estudio apoyarían la decisión de realizar TCMD en todos los candidatos a TAVI y que la TAVI es segura cuando se realiza una selección meticulosa de los pacientes

Effectiveness of an intervention for improving drug prescription in primary care patients with multimorbidity and polypharmacy:Study protocol of a cluster randomized clinical trial (Multi-PAP project)

This study was funded by the Fondo de Investigaciones Sanitarias ISCIII (Grant Numbers PI15/00276, PI15/00572, PI15/00996), REDISSEC (Project Numbers RD12/0001/0012, RD16/0001/0005), and the European Regional Development Fund ("A way to build Europe").Background: Multimorbidity is associated with negative effects both on people's health and on healthcare systems. A key problem linked to multimorbidity is polypharmacy, which in turn is associated with increased risk of partly preventable adverse effects, including mortality. The Ariadne principles describe a model of care based on a thorough assessment of diseases, treatments (and potential interactions), clinical status, context and preferences of patients with multimorbidity, with the aim of prioritizing and sharing realistic treatment goals that guide an individualized management. The aim of this study is to evaluate the effectiveness of a complex intervention that implements the Ariadne principles in a population of young-old patients with multimorbidity and polypharmacy. The intervention seeks to improve the appropriateness of prescribing in primary care (PC), as measured by the medication appropriateness index (MAI) score at 6 and 12months, as compared with usual care. Methods/Design: Design:pragmatic cluster randomized clinical trial. Unit of randomization: family physician (FP). Unit of analysis: patient. Scope: PC health centres in three autonomous communities: Aragon, Madrid, and Andalusia (Spain). Population: patients aged 65-74years with multimorbidity (≥3 chronic diseases) and polypharmacy (≥5 drugs prescribed in ≥3months). Sample size: n=400 (200 per study arm). Intervention: complex intervention based on the implementation of the Ariadne principles with two components: (1) FP training and (2) FP-patient interview. Outcomes: MAI score, health services use, quality of life (Euroqol 5D-5L), pharmacotherapy and adherence to treatment (Morisky-Green, Haynes-Sackett), and clinical and socio-demographic variables. Statistical analysis: primary outcome is the difference in MAI score between T0 and T1 and corresponding 95% confidence interval. Adjustment for confounding factors will be performed by multilevel analysis. All analyses will be carried out in accordance with the intention-to-treat principle. Discussion: It is essential to provide evidence concerning interventions on PC patients with polypharmacy and multimorbidity, conducted in the context of routine clinical practice, and involving young-old patients with significant potential for preventing negative health outcomes. Trial registration: Clinicaltrials.gov, NCT02866799Publisher PDFPeer reviewe

Establishing Standardization Guidelines For Finite-Element Optomechanical Simulations of Refractive Laser Surgeries: An Application to Photorefractive Keratectomy.

PURPOSE Computational models can help clinicians plan surgeries by accounting for factors such as mechanical imbalances or testing different surgical techniques beforehand. Different levels of modeling complexity are found in the literature, and it is still not clear what aspects should be included to obtain accurate results in finite-element (FE) corneal models. This work presents a methodology to narrow down minimal requirements of modeling features to report clinical data for a refractive intervention such as PRK. METHODS A pipeline to create FE models of a refractive surgery is presented: It tests different geometries, boundary conditions, loading, and mesh size on the optomechanical simulation output. The mechanical model for the corneal tissue accounts for the collagen fiber distribution in human corneas. Both mechanical and optical outcome are analyzed for the different models. Finally, the methodology is applied to five patient-specific models to ensure accuracy. RESULTS To simulate the postsurgical corneal optomechanics, our results suggest that the most precise outcome is obtained with patient-specific models with a 100 µm mesh size, sliding boundary condition at the limbus, and intraocular pressure enforced as a distributed load. CONCLUSIONS A methodology for laser surgery simulation has been developed that is able to reproduce the optical target of the laser intervention while also analyzing the mechanical outcome. TRANSLATIONAL RELEVANCE The lack of standardization in modeling refractive interventions leads to different simulation strategies, making difficult to compare them against other publications. This work establishes the standardization guidelines to be followed when performing optomechanical simulations of refractive interventions

Optical simulations of the impact of vault increase in scleral contact lenses in healthy eyes

Purpose: To investigate by using computational simulations the optical impact of the change in the vault of two geometries of scleral contact lenses (SCLs). Methods: Ray-tracing simulations were performed using specialized software in three eye models with different levels of primary SA (6 mm pupil). Two different geometries of SCL were used in such simulations characterized by the conic constants of the anterior surface of the lens (K1, −0.1 and −0.3). Likewise, the fitting of the SCL was simulated for different vaults (50–250 µm). The impact on the quality of the images through the eye models was assessed by analyzing the modulation transfer function (MTF) at different spatial frequencies (10 Lp/mm, 30 Lp/mm, and 50 Lp/mm). This impact was not only simulated for a distant object, but also for intermediate and near objects (vergence demands from 0.00 to 3.00 D). All these optical simulations were performed assuming a centered SCL, but also assuming a downward vertical decentration of 0.5 mm. Results: The thinnest vault (50 µm) provided the best ocular optical quality in all three eye models for low vergence demands. For medium and high vergence demands, Lens 1 (K1 = −0.3, K2 = −0.4) resulted in a considerable improvement in optical quality in Eye 2 (C04 = −0.078 µm), while for eyes 1 (C04 = 0.408 µm) and 3 (C04 = −0.195 µm), this improvement only tended to happen for medium vergence demands. Overall, all the aberrations increased after lens fitting. Lens decentration did not cause significant variations in the results obtained with the well-centered lenses. Conclusions: Changes in the vault of a SCL have an impact on the optical quality achieved for different vergence demands independently on the level of SA of the eye in which it is fitted. The clinical relevance of such impact should be investigated further.This research was co-funded by Laboratorios Lenticon S.A. and the University of Alicante within the proof-of-concept project PC15-02 “Diseño de lente de contacto escleral multifocal personalizada (Presbycustom).” The author David P. Piñero has been also supported by the Ministry of Economy, Industry and Competitiveness of Spain within the program Ramón y Cajal, RYC-2016-20471

Estudio del estado actual del Puente de Piedra de Zaragoza: simulación por elementos finitos

En este proyecto fin de carrera se hace un estudio del estado del arte sobre el Puente de Piedra de Zaragoza tanto históricamente como constructivamente, así como las remodelaciones sufridas a lo largo del tiempo. Posteriormente se realiza un modelo tridimensional para análisis de elementos finitos con el objetivo de estudiar el efecto tensional de diferentes casos de carga sobre el mismo, desplazamientos y frecuencias naturales. De tal manera que se pueda establecer cuales son las solicitaciones mecánicas más críticas para el puente. Por último se proponen unas líneas generales para la restauración de las patologías más frecuentes

Modeling and Prediction of the Immediate and Short-Term Effect of Myopic Orthokeratology.

PURPOSE To characterize the clinical changes occurring in the initial phase of the orthokeratology (OK) treatment for myopia correction, developing a model of prediction of the refractive changes in such phase. METHODS Prospective study enrolling 64 eyes of 32 patients (range, 20-40 years) undergoing myopic OK treatment with the reverse geometry contact lens CRT (Paragon Vision Science). Changes in uncorrected visual acuity (UCVA) and best-corrected visual acuity (BCVA), refraction, corneal topography, ocular aberrations, and corneal epithelial thickness were evaluated during the first hour of OK lens wear and after 1 week of OK treatment. Multiple linear regression analysis was used to obtain a model to predict the short-term refractive effect of OK. RESULTS The UCVA improved at each visit, reaching normal visual acuity values after a week (P<0.001) of OK treatment, which was consistent with the significant spherical equivalent (SE) reduction and central flattening (P<0.001). Multiple linear regression analysis revealed that one night change in refraction (ΔR×1N) could be predicted according to the following expression (P<0.001, R2=0.686): ΔR×1N=1.042+0.028×Age+1.014×BCET (baseline central epithelium thickness)-0.752×BKm (baseline mean keratometry)-1.405×BSE (baseline SE)+1.032×ΔR×1 h (change in SE after 1 hr of OK lens use). Similarly, a statistically relevant linear relationship was obtained for predicting the refractive change after 1 week (ΔR×1W) of OK use (P<0.001, R2=0.928): ΔR×1W=3.470-1.046×BSE-1.552×BBCVA (baseline BCVA)-0.391×BKm+0.450×ΔR×1 h. CONCLUSIONS The immediate and short-term refractive effects of myopic OK with the reverse geometry contact lens CRT can be predicted with enough accuracy from baseline and first trial visits data