A Numerical Exploration of the Crystalline Lens: from Presbyopia to Cataracts and Intraocular Lenses

Esta tesis aborda, de forma numérica, la resolución de tres problemas relacionados con el cristalino. En primer lugar, se ha construido un modelo de elementos finitos del cristalino humano para abordar la simulación de la acomodación, gracias a la incorporación de la contracción muscular del músculo ciliar. El modelo se ha validado con resultados experimentales comparando con Ramasubramanian & Glasser, 2015. Con el mismo modelo, se ha estudiado como afecta el cambio de las propiedades mecánicas de los tejidos del cristalino en la pérdida de amplitud de la acomodación con la edad para entender si la rigidización de los tejidos juega un papel importante en la presbicia. La conclusión principal del estudio numérico ha sido que las propiedades mecánicas y tensiones iniciales de la cápsula del cristalino proporciona la fuerza necesaria para acomodar, es decir, cambiar su curvatura para enfocar de cerca. Especificamente, el ratio de rígidez entre el núcleo y el cristalino gobierna cómo el cristalino cambia de forma. Con la edad, se produce una rigidización del núcleo, y el incremento de la relación entre ambas rigideces (núcleo y corteza) podría ser el principal responsable de la pérdida de la amplitud de acomodación con la edad. En segundo lugar, se ha estudiado la estabilidad biomecánica de diferentes diseños de lentes intraoculares (IOL). Las IOLs sustituyen las funciones del cristalino en pacientes con cataratas, es por ello necesario garantizar su estabilidad en el interior del saco para garantizar una visión adecuada. Entre los aspectos estudiados destaca la caracterización mecánica de los materiales acrílicos con los que se fabrican las lentes. Para ello, se han combinado ensayos uniaxiales con ensayos de indentación. Éstos últimos se han utilizado para caracterizar la respuesta visco-elástica del material. El definir la respuesta del material mediante modelos visco hiperelásticos es necesario para posteriormente analizar la estabilidad de la IOL mediante elementos finitos. Este análisis se ha defino a dos niveles, en un primer nivel se analiza la estabilidad de la IOL simulando el ensayo establecido en la norma ISO 11979-3:2012. Esta norma es de obligado cumplimiento para los fabricantes antes de introducir un nuevo diseño en el mercado. Se ha realizado un estudio estadístico para estudiar el efecto de la geometría de los hápticos tipo C-loop en la estabilidad mecánica de la IOL, obteniendo que el entronque, la unión entre el háptico y la lente, es el parámetro más influyente. Para validar la metodología numérica, se fabricaron varios diseños y se analizaron experimentalmente para comparar los resultados correspondientes con biomarcadores mecánicos (desplazamiento axial, rotación y la inclinación de la IOL) que están relacionados con la calidad visual resultante de la IOL. En un segundo nivel, se ha simulado la respuesta de la IOL en el interior del saco capsular, estudiando la influencia de diferentes parámetros del paciente, como geometría y propiedades mecánicas del saco. También se ha analizado la influencia de parámetros de la cirugía de la catarata, como es el diámetro y posición de la capsulorexis. En este último nivel, se ha estudiado tanto la respuesta instantánea, es decir, tras la cirugía, como a largo plazo, cuando sucede la huella de fusión (fusion footprint) entre la cápsula y la IOL. Para que los modelos computacionales sean de ayuda a los cirujanos o puedan servir en tiempo real, se ha planteado una metodología basada en inteligencia artificial. En este caso la base de datos de partida corresponde a modelos numéricos altamente fiables y con ellos, se genera datos con los que se entrena la red neuronal. En esta tesis, se estudia la estabilidad de la IOL en función del diámetro de compresión del paciente y la edad, que a su vez influye en las propiedades mecánicas del saco. Por último, se ha evaluado experimentalmente la influencia del material de la IOL (hidrófobo o hidrofílico) y su geometría durante la inyección de la IOL en el saco, registrando la fuerza de inyección que debe realizar el cirujano. De cara a evitar complicaciones (se dañe la IOL o el tejido corneal) durante la cirugía, es conveniente que la fuerza a ejercer sea baja. Se ha comprobado que su valor está fuertemente influenciado por el material de la lente.¿Por qué el cristalino es de vital importancia?El cristalino es el responsable tanto del cambio dinámico de la potencia refractiva del ojo a través del mecanismo de acomodación como de la corrección de las aberraciones de la córnea. El cambio óptico dinámico es consecuencia de un cambio geométrico del cristalino. Sin embargo, a medida que el cristalino envejece, disminuye este cambio óptico dinámico y se opacifica, lo que da lugar a las dos patologías comúnmente asociadas al envejecimiento como es, la presbicia y las cataratas. Por este motivo, en esta tesis doctoral se ha profundizado en el estudio mecánico del cristalino y tras su sustitución mediante una lente intraocular artificial durante la cirugía de catarata. La metodología establecida pueden ayudar en un futuro tanto al diseño de nuevos implantes como a los oftalmólogos a seleccionar la IOL adecuada a cada paciente para mejora su calidad visual.This thesis addresses three different case studies related to the crystalline lens. Firstly, the mechanical causes of the loss of accommodation amplitude with age, called presbyopia, were analysed through the finite element method. A high-fidelity simulation of the mechanism of accommodation including the contraction of the ciliary muscle was developed. This allowed us to analyse accommodation in depth, showing that although the lens capsule provides the force to accommodate, the stiffness ratio between the lens cortex and lens nucleus could have a higher effect on how the lens changes its shape. Secondly, the biomechanical stability of intraocular lenses (IOLs) was analysed. IOLs are essential for post-cataract patients as they substitute the functions of the crystalline lens. In this thesis, a wide variety of solutions were addressed: from the visco- and hyper-elasticity characterisation of IOL acrylic materials from depth sensing indentation and uniaxial tests to the simulation of the IOL biomechanical stability inside the capsular bag. We also performed a high-fidelity simulation of the IOL compression standards tests required by the IOLs to be commercialised and the results obtained were compared with clinical data. Lastly, we developed a patient-specific methodology to customise the IOL haptic design. Most of the numerical methology developed is intended to be used in the IOL pre-design phase to avoid costs and time. Thirdly, the IOL delivery during cataract surgery according to haptic and material design and injector characteristics was experimentally studied to avoid any possibility of IOL and eye damage. Apart from the injector size, the IOL material was the most influential parameter in the force exerted in IOL delivery. Why is the crystalline lens of vital importance? The crystalline lens is the responsible for both the dynamic change of the refractive power of the eye through the mechanism of accommodation and the correction of cornea aberrations. The dynamic optical change is consequence of change of the lens shape. However, as the lens ages over time, it decreases this dynamic optical change and becomes cloudy, what leads to the two most common lens-related pathologies, presbyopia and cataracts. Therefore, it is of utmost importance to study the lens mechanics and all issues related to the artificial intraocular lens that substitutes the lens during cataract surgery.<br /

A validated finite element model to reproduce Helmholtz’s theory of accommodation: a powerful tool to investigate presbyopia

Purpose To reproduce human in vivo accommodation numerically. For that purpose, a finite element model specific for a 29-year-old subject was designed. Once the proposed numerical model was validated, the decrease in accommodative amplitude with age was simulated according to data available in the literature. Methods In contrast with previous studies, the non-accommodated eye condition was the reference configuration. Consequently, two aspects were specifically highlighted: contraction of the ciliary muscle, which was simulated by a continuum electro-mechanical model and incorporation of initial lens capsule stresses, which allowed the lens to become accommodated after releasing the resting zonular tension. Results The morphological changes and contraction of the ciliary muscle were calibrated accurately according to the experimental data from the literature. All dynamic optical and biometric lens measurements validated the model. With the proposed numerical model, presbyopia was successfully simulated. Conclusions The most widespread theory of accommodation, proposed by Helmholtz, was simulated accurately. Assuming the same initial stresses in the lens capsule over time, stiffening of the lens nucleus is the main cause of presbyopia

Quantification of scleral changes during dynamic accommodation

The mechanics of accommodation is a complex process that involves multiple intraocular ocular structures. Recent studies suggest that there is deformation of the sclera during accommodation that may also play a role in accommodation, influencing ciliary muscle contraction and contributing to the accommodative response. However, the type and magnitude of the deformations measured varies significantly across studies. We present high-resolution synchronous OCT measurements of the anterior sclera contour and thickness and lens thickness acquired in real-time during accommodative responses to 4D step stimuli. The lens thickness was used as an assessment of objective accommodation. No changes in nasal and temporal anterior scleral contour and scleral thickness were found during accommodation within the precision of our measurements. Our results demonstrate that there are no significant scleral deformations during accommodation

Storage-induced mechanical changes of porcine lenses assessed with optical coherence elastography and inverse finite element modeling

IntroductionIn an effort of gaining a better understanding of the lens mechanics, ex vivo lenses samples are often used. Yet, ex vivo tissue might undergo important postmortem changes depending on the unavoidable preservation method employed. The purpose of this study was to assess how various storage conditions and the removal of the lens capsule affect the mechanical properties of ex vivo porcine lens samples.MethodsA total of 81 freshly enucleated porcine eyes were obtained and divided into six groups and preserved differently. In the first three groups, the lens within the intact eye was preserved for 24 h by: (i) freezing at −80°C (n = 12), (ii) freezing at −20°C (n = 12), and (iii) refrigeration at +8°C (n = 12). In the remaining groups, the lenses were immediately extracted and treated as follows: (iv) kept intact, no storage (n = 12), (v) decapsulated, no storage (n = 21), and (vi) immersed in Minimum Essential Medium (MEM) at +8°C (n = 12) for 24 h. Frozen lenses were thawed at room temperature. Each lens was compressed between two glass lamella and subjected, first to a period of relaxation during which the compression force was recorded and second to an oscillating micro-compression while the deformation was recorded with a total of 256 subsequent B-scans via optical coherence tomography. The corresponding axial strain was retrieved via phase-sensitive image processing and subsequently used as input for an inverse finite element analysis (iFEA) to retrieve the visco-hyperelastic material properties of the lenses.ResultsAfter freezing at temperatures of −80°C and −20°C, the cortical strains increased by 14% (p = 0.01) and 34% (p &lt; 0.001), and the nuclear strains decreased by 17% (p = 0.014) and 36% (p &lt; 0.001), compared to the lenses tested immediately after postmortem, respectively. According to iFEA, this resulted from an increased ratio of the nuclear: cortical E-modulus (4.06 and 7.06) in −80°C and −20°C frozen lenses compared to fresh lenses (3.3). Decapsulation had the largest effect on the material constant C10, showing an increase both in the nucleus and cortex. Preservation of the intact eye in the refrigerator induced the least mechanical alterations in the lens, compared to the intact fresh condition.DiscussionCombining iFEA with optical coherence elastography allowed us to identify important changes in the lens mechanics induced after different preserving ex vivo methods

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 /

Automated segmentation of the ciliary muscle in OCT images using fully convolutional networks

Quantifying shape changes in the ciliary muscle during accommodation is essential in understanding the potential role of the ciliary muscle in presbyopia. The ciliary muscle can be imaged in-vivo using OCT but quantifying the ciliary muscle shape from these images has been challenging both due to the low contrast of the images at the apex of the ciliary muscle and the tedious work of segmenting the ciliary muscle shape. We present an automatic-segmentation tool for OCT images of the ciliary muscle using fully convolutional networks. A study using a dataset of 1,039 images shows that the trained fully convolutional network can successfully segment ciliary muscle images and quantify ciliary muscle thickness changes during accommodation. The study also shows that EfficientNet outperforms other current backbones of the literature

Digital twins for monitoring and predicting the cooking of food products: A case study for a French crêpe

The food industry is shifting toward automated and customized processes, leading to the emergence of smart cooking devices that improve cooking outcomes. However, these devices can be invasive, costly, and only applicable to certain foods. To address these issues, a noninvasive digital twin that monitors food during cooking using a common frying pan with a temperature sensor and a weighing scale is proposed. A case study for a French crêpe is presented, in which we developed a digital twin using a neural network trained on over 400,000 simulation data points. The results show that the digital twin can accurately estimate the properties of the crêpe during cooking in real time with a mean absolute percentage error of less than 5% and predict when it will be cooked according to user criteria. The approach offers significant benefits over existing smart cooking devices, as it can be applied to a wide range of cooking processes. The proposed technology enables food process automation and has potential applications in both home and professional kitchens

Optimización de la geometría de lentes intraoculares Double C-Loop para garantizar la estabilidad biomecánica

En este Trabajo Fin de Grado se analiza la estabilidad meca´nica de tres lentes intraoculares de la empresa Physiol (Li`ege, Belgium), reproduciendo num´ericamente el ensayo de compresio´n establecido en norma UNE-EN ISO 11979-3:2013 y evaluando el descentramiento, el desplazamiento axial, la inclinacio´n y la rotacio´n de la o´ptica que se produce en la configuracio´n de la lente cuando esta adquiere un dia´metro equivalente al del saco capsular de los pacientes sometidos a una cirug´ıa de cataratas. Las tres lentes analizadas, Micro F FineVision y dos lentes Double C-loop (POD EYE and POD FT) presentan un buen comportamiento, es decir, se mantienen estables en el interior del saco capsular. Las lentes Double C-loop presentan mayor estabilidad para sacos con di´ametros inferiores a 10 mm que el modelo Micro F. Al observar que la estabilidad de dichas lentes depende de la geometr´ıa de los ha´pticos, se ha parametrizado dicha geometr´ıa en funcio´n de seis par´ametros y se ha realizado un disen˜o factorial, variando dichos par´ametros entre dos valores, para analizar 64 geometr´ıas y analizar estad´ısticamente el efecto de dichos para´metros en la estabilidad biomeca´nica de la lente. Para ello, se han seleccionado las siguientes variables: el descentramiento de la o´ptica, la inclinaci´on y rotaci´on de la ´optica, el desplazamiento axial y la fuerza de reacci´on, evaluando su valor en la configuracio´n deformada de la lente. La fuerza de compresio´n se ve afectada principalmente por el di´ametro interno, la unio´n ha´ptico-o´ptica (entronque) y la interaccio´n entre ambas. El desplazamiento axial se ve afectado principalmente por el dia´metro interno y el espesor. La inclinacio´n se ve afectada por los mismos para´metros que influyen en el desplazamiento axial, adema´s de la unio´n ha´ptico-o´ptica. La rotacio´n no se ve afectada por dichos para´metros. La principal conclusio´n de este TFG es que la uni´on ha´ptico-o´ptica junto al dia´metro interno son los para´metros ma´s influyentes en las respuestas estudiadas de la lente doble C-Loop. Cuanto ma´s pequen˜os sean, mejor ser´a la estabilidad biomeca´nica.<br /

Análisis in silico de la estabilidad de lentes Double C-Loop en el saco capsular

La catarata senil es la patolog´ıa visual m´as com´un en la poblaci´on mundialy consiste en la opacificaci´on progresiva de la transparencia del cristalino. Sutratamiento consiste en sustituir el cristalino opacificado por una lente intraocular.Este Trabajo Fin de M´aster tiene como finalidad el estudio de la estabilidad de unalente en el interior del saco capsular tras la realizaci´on de una cirug´ıa de cataratas.Se ha realizado un estudio mediante elementos finitos utilizando el software Abaqus,donde se ha creado un modelo que simule no solo el saco capsular, sino que tambi´entodos los elementos que est´an involucrados en el proceso de acomodaci´on, estoselementos son, adem´as del ya nombrado saco capsular el m´usculo ciliar y las z´onulas.Una vez definido el modelo, se ha estudiado la influencia que podr´ıa tener en laestabilidad de la lente un saco capsular en el que se haya realizado un orificio deapertura no id´oneo. Adem´as, se ha analizado la estabilidad de diferentes lentes queactualmente se encuentran el mercado. Por ´ultimo, se llega a la conclusi´on de queesta t´ecnica no invasiva puede ser de gran utilidad a en el campo de la biomedicina,facilitando y mejorando la tecnolog´ıa actualmente disponible.<br /

Simulación numérica de la inserción de lentes intraoculares durante la cirugía de cataratas

El TFM tiene como objeto el estudio del proceso de inyección de lentes intraoculares utilizadas durante las cirugías de cataratas para sustituir el cristalino del paciente. Se simula el proceso de inyección mediante un modelo numérico creado en el software Abaqus CAE con objeto de estudiar los parámetros que afectan al comportamiento de la lente durante la inyección y en su salida del inyector. Posteriormente, dicho modelo es validado con los resultados obtenidos de forma experimental en el laboratorio. Una vez el modelo numérico ha sido validado es optimizado con objeto de obtener resultados concluyentes que permitan mejorar las intervenciones quirúrgicas. <br /