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POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato

Introduction: Non-contact tonometry (NCT) is a non-invasive clinical test to measure the intraocular pressure (IOP) but also to measure a number of biomechanical markers of the cornea. This instrument allows to record the deformation of the cornea in real time and reports a number of biomarkers associated with the deformation of the cornea as for instance: the maximum apical displacement (DA), corneal hysteresis (CH), the applanation time and length, and the IOP among others. The challenging step is to correlate some of these output to the different diseases in order to improve early diagnosis, the prognosis of a given disease, or to evaluate the outcomes of a given intervention as a refractive surgery. Since the deformation of the cornea during an NCT test results from the interplay between the IOP, corneal geometry and deformation, and the mechanical properties of the cornea itself, a correct simulation of the test is the key to better understand the outcomes of test, and real potential of the instrument in clinics. This thesis has as main objective to simulating a general NCT test using a 3D model of the eye accounting for the anisotropy of the cornea and the internal structures of the eye i.e., lens, cyliary muscle, sclera and humors, using fluid-structure interaction (FSI) between cornea and air. Material and Method: the structural part was designed following an average human eye dimension, while the fluid domain was built in order to have a fully developed flow and with the intention of reproduce the real boundary condition. The mesh was built in ANSA (Beta CAE) using hexa-block for the eye and in Hypermesh(Altair) using triangular shell mesh for the fluid domain. The material models were already implemented in LsDyna for lens,sclera and muscle. Instead, for the cornea and limbus a user-defined material subroutine was implemented to model their anisotropic behaviour i.e., two preferential directions for the cornea, and one preferential direction for the limbus. Air and humors were described as incompressible Newtonian fluids. The inlet condition was set-up as a boundary with prescribed velocity but before the start of the air-jet a pressurization phase was conducted in order to replicate the physiological condition of 15 mmHg as intraocular pressure. Results: A sensitivity analysis of material properties showed that the cornea is the most significant element that affect the maximum apex displacement, in fact changing its properties lead to a change in DA of 75%. The case in which humors are simulated with an internal constant pressure are not equivalent to the case in which humor are modelled as fluids with mass. In fact, the DA increases up to a 55% when the mass and incompressibility of the humors is ignored. In addition, the simulations showed that, when humors are accounted for the IOP increases up to two times during the air-puff. Another interesting aspect is found in the pressure profile acting on the cornea surface. The net forces transmitted by the air-puff were found to be not related to the material properties of the cornea (within the range considered in this study). Most the pushing force exert by the air puff is concentrated within a circle of 2 mm of radius around the apex. This was also found for the case in which the cornea is considered as rigid (CFD simulation). However, in this case it was found the push force to be smaller than in the FSI case. Conclusions: Results show the importance of considering the non-linear anisotropic material behaviour of the cornea and of incorporating the humors, indeed neglecting these aspects in the simulation lead to an overestimation of the maximum apex displacement during the test. Moreover fluid-structure interaction is necessary to capture an accurate pressure profile on the corneal surface and therefore for a more accurate estimation of the DA. Finally, if mechanical properties of the cornea have to be identified by means of a NTC, FSI modelling provide the right framework to perform this task.

Introduzione: La tonometria senza contatto è un test clinico non invasivo che misura la pressione intraoculare (IOP) ma anche altri parametri biomeccanici della cornea. Questo strumento permette la registrazione in tempo reale della deformazione corneale e calcola parametri ad essa associati, come ad esempio; lo spostamento massimo dell’apice (DA), l’isteresi corneale (CH), il tempo e la lunghezza dell’appiattimento e come già accennato, la IOP. La sfida è correlare alcuni di questi indicatori con diverse patologie in modo tale da migliorare le diagnosi e per valutare il risultato di un intervento di chirurgia refrattiva. Siccome la deformazione corneale è il risultato di diversi fattori, ovvero, IOP, geometria e proprietà meccaniche, una corretta simulazione del test è la chiave per capire meglio gli indicatori descritti sopra e il vero potenziale di questo strumento. Questa tesi ha come maggior obiettivo quello di simulare una generale tonometria senza contato usando un modello 3D dell’occhio in modo tale da poter considerare la sua anisotropia e le strutture interne come: lente, muscoli, sclera e umori usando un approccio di tipo interazione fluido-struttura (FSI) tra la cornea e l’aria. Materiali e metodi: La parte strutturale è stata progettata seguendo le dimensioni medie di un occhio umano, mentre il dominio fluido è stato costruito in modo tale da avere un flusso completamente sviluppato e con l’intenzione di riprodurre condizioni al contorno realistiche. La mesh è stata effettuata usando ANSA (Beta CAE) per l’occhio e Hypermesh (Altair) per il dominio fluido. Per l’occhio gli elementi generati erano solidi tri-lineari esaedrici, invece per il fluido elementi di superficie triangolari. I modelli di materiali per la lente, la sclera e i muscoli erano già implementati in LsDyna, invece per la cornea e il limbo è stato usato un materiale definito dall’utente che permettesse di descrivere il comportamento anisotropo di questi due tessuti. La cornea ha infatti due famiglie di fibre in due direzioni preferenziali e il limbo una in direzione circonferenziale. L’aria e gli umori erano stati descritti come fluidi newtoniani incomprimibili. La condizione nella parete di ingresso è stata imposta come un profilo di velocità del getto d’aria ma prima di tutto è stata condotta una pressurizzazione in modo tale da riprodurre le condizioni fisiologiche di 15 mmHg come IOP. Risultati: Un’analisi di sensitività sulle proprietà dei materiali ha mostrato che la cornea è il materiale che più di tutti influisce sullo spostamento dell’apice, infatti cambiando le sue proprietà il cambiamento di DA è del 75%. I casi in cui gli umori venivano simulati con una pressione costante non sono equivalenti ai casi in cui questi sono modellizzati come fluidi con massa. Infatti, il DA arriva ad essere maggiore del 55% rispetto a quando la massa e l’inerzia degli umori non vengono considerate. Inoltre, quando gli umori sono presenti la IOP raddoppia il suo valore iniziale. Un altro aspetto interessante riguarda la pressione che agisce sulla superficie corneale. La forza netta trasmessa dal getto d’aria non risulta essere correlata alle proprietà della cornea (almeno per quanto riguarda le simulazioni oggetto del nostro studio). La maggior parte della forza di compressione è concentrata su una superficie di 2 mm di raggio, attorno all’apice corneale. Questo risultato è stato trovato anche con una simulazione CFD, in cui la cornea è considerata una parete rigida. Tuttavia, in quel caso la forza di compressione risulta molto inferiore del caso FSI. Conclusioni: I risultati mostrano l’importanza di considerare il comportamento anisotropo del materiale, infatti trascurando questi aspetti nella simulazione si ottiene una sovrastima dello spostamento dell’apice massimo. Oltretutto l’interazione fluido-struttura è necessaria per avere un profilo di pressione accurato sulla superficie corneale e per tanto per una maggior accuratezza nel calcolo della DA. Infine, se le proprietà meccaniche della cornea devono essere identificate grazie a un NCT, l’interazione fluido-struttura garantisce il giusto modo per arrivare a questo obiettivo.

3D FSI simulation of non-contact tonometry test

PIVA, BENEDETTA
2017/2018

Abstract

Introduction: Non-contact tonometry (NCT) is a non-invasive clinical test to measure the intraocular pressure (IOP) but also to measure a number of biomechanical markers of the cornea. This instrument allows to record the deformation of the cornea in real time and reports a number of biomarkers associated with the deformation of the cornea as for instance: the maximum apical displacement (DA), corneal hysteresis (CH), the applanation time and length, and the IOP among others. The challenging step is to correlate some of these output to the different diseases in order to improve early diagnosis, the prognosis of a given disease, or to evaluate the outcomes of a given intervention as a refractive surgery. Since the deformation of the cornea during an NCT test results from the interplay between the IOP, corneal geometry and deformation, and the mechanical properties of the cornea itself, a correct simulation of the test is the key to better understand the outcomes of test, and real potential of the instrument in clinics. This thesis has as main objective to simulating a general NCT test using a 3D model of the eye accounting for the anisotropy of the cornea and the internal structures of the eye i.e., lens, cyliary muscle, sclera and humors, using fluid-structure interaction (FSI) between cornea and air. Material and Method: the structural part was designed following an average human eye dimension, while the fluid domain was built in order to have a fully developed flow and with the intention of reproduce the real boundary condition. The mesh was built in ANSA (Beta CAE) using hexa-block for the eye and in Hypermesh(Altair) using triangular shell mesh for the fluid domain. The material models were already implemented in LsDyna for lens,sclera and muscle. Instead, for the cornea and limbus a user-defined material subroutine was implemented to model their anisotropic behaviour i.e., two preferential directions for the cornea, and one preferential direction for the limbus. Air and humors were described as incompressible Newtonian fluids. The inlet condition was set-up as a boundary with prescribed velocity but before the start of the air-jet a pressurization phase was conducted in order to replicate the physiological condition of 15 mmHg as intraocular pressure. Results: A sensitivity analysis of material properties showed that the cornea is the most significant element that affect the maximum apex displacement, in fact changing its properties lead to a change in DA of 75%. The case in which humors are simulated with an internal constant pressure are not equivalent to the case in which humor are modelled as fluids with mass. In fact, the DA increases up to a 55% when the mass and incompressibility of the humors is ignored. In addition, the simulations showed that, when humors are accounted for the IOP increases up to two times during the air-puff. Another interesting aspect is found in the pressure profile acting on the cornea surface. The net forces transmitted by the air-puff were found to be not related to the material properties of the cornea (within the range considered in this study). Most the pushing force exert by the air puff is concentrated within a circle of 2 mm of radius around the apex. This was also found for the case in which the cornea is considered as rigid (CFD simulation). However, in this case it was found the push force to be smaller than in the FSI case. Conclusions: Results show the importance of considering the non-linear anisotropic material behaviour of the cornea and of incorporating the humors, indeed neglecting these aspects in the simulation lead to an overestimation of the maximum apex displacement during the test. Moreover fluid-structure interaction is necessary to capture an accurate pressure profile on the corneal surface and therefore for a more accurate estimation of the DA. Finally, if mechanical properties of the cornea have to be identified by means of a NTC, FSI modelling provide the right framework to perform this task.
LURAGHI, GIULIA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
20-dic-2018
2017/2018
Introduzione: La tonometria senza contatto è un test clinico non invasivo che misura la pressione intraoculare (IOP) ma anche altri parametri biomeccanici della cornea. Questo strumento permette la registrazione in tempo reale della deformazione corneale e calcola parametri ad essa associati, come ad esempio; lo spostamento massimo dell’apice (DA), l’isteresi corneale (CH), il tempo e la lunghezza dell’appiattimento e come già accennato, la IOP. La sfida è correlare alcuni di questi indicatori con diverse patologie in modo tale da migliorare le diagnosi e per valutare il risultato di un intervento di chirurgia refrattiva. Siccome la deformazione corneale è il risultato di diversi fattori, ovvero, IOP, geometria e proprietà meccaniche, una corretta simulazione del test è la chiave per capire meglio gli indicatori descritti sopra e il vero potenziale di questo strumento. Questa tesi ha come maggior obiettivo quello di simulare una generale tonometria senza contato usando un modello 3D dell’occhio in modo tale da poter considerare la sua anisotropia e le strutture interne come: lente, muscoli, sclera e umori usando un approccio di tipo interazione fluido-struttura (FSI) tra la cornea e l’aria. Materiali e metodi: La parte strutturale è stata progettata seguendo le dimensioni medie di un occhio umano, mentre il dominio fluido è stato costruito in modo tale da avere un flusso completamente sviluppato e con l’intenzione di riprodurre condizioni al contorno realistiche. La mesh è stata effettuata usando ANSA (Beta CAE) per l’occhio e Hypermesh (Altair) per il dominio fluido. Per l’occhio gli elementi generati erano solidi tri-lineari esaedrici, invece per il fluido elementi di superficie triangolari. I modelli di materiali per la lente, la sclera e i muscoli erano già implementati in LsDyna, invece per la cornea e il limbo è stato usato un materiale definito dall’utente che permettesse di descrivere il comportamento anisotropo di questi due tessuti. La cornea ha infatti due famiglie di fibre in due direzioni preferenziali e il limbo una in direzione circonferenziale. L’aria e gli umori erano stati descritti come fluidi newtoniani incomprimibili. La condizione nella parete di ingresso è stata imposta come un profilo di velocità del getto d’aria ma prima di tutto è stata condotta una pressurizzazione in modo tale da riprodurre le condizioni fisiologiche di 15 mmHg come IOP. Risultati: Un’analisi di sensitività sulle proprietà dei materiali ha mostrato che la cornea è il materiale che più di tutti influisce sullo spostamento dell’apice, infatti cambiando le sue proprietà il cambiamento di DA è del 75%. I casi in cui gli umori venivano simulati con una pressione costante non sono equivalenti ai casi in cui questi sono modellizzati come fluidi con massa. Infatti, il DA arriva ad essere maggiore del 55% rispetto a quando la massa e l’inerzia degli umori non vengono considerate. Inoltre, quando gli umori sono presenti la IOP raddoppia il suo valore iniziale. Un altro aspetto interessante riguarda la pressione che agisce sulla superficie corneale. La forza netta trasmessa dal getto d’aria non risulta essere correlata alle proprietà della cornea (almeno per quanto riguarda le simulazioni oggetto del nostro studio). La maggior parte della forza di compressione è concentrata su una superficie di 2 mm di raggio, attorno all’apice corneale. Questo risultato è stato trovato anche con una simulazione CFD, in cui la cornea è considerata una parete rigida. Tuttavia, in quel caso la forza di compressione risulta molto inferiore del caso FSI. Conclusioni: I risultati mostrano l’importanza di considerare il comportamento anisotropo del materiale, infatti trascurando questi aspetti nella simulazione si ottiene una sovrastima dello spostamento dell’apice massimo. Oltretutto l’interazione fluido-struttura è necessaria per avere un profilo di pressione accurato sulla superficie corneale e per tanto per una maggior accuratezza nel calcolo della DA. Infine, se le proprietà meccaniche della cornea devono essere identificate grazie a un NCT, l’interazione fluido-struttura garantisce il giusto modo per arrivare a questo obiettivo.
Tesi di laurea Magistrale
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/145170