The influence of capsulorhexis size and location on the correct alignment of aphakic intraocular lens in cataract surgery : a numerical investigation

Cataract surgery is one of the most common surgical procedures performed worldwide. One out of four senior people over 70 experiences this age-related pathology and in 2018 there were over 26 million cases worldwide, 650 thousand only in Italy. The cataract procedure consists in replacing the opaque natural lens with an artificial intraocular lens (IOL), maintaining the capsular bag preserved. The capsule is a thin membrane that acts as a natural container for IOL once the opaque lens has been removed. The modern clinical practice suggests to cut the anterior membrane of the capsule with a central and circular hole. One of the open questions of this complex procedure concerns the method used to create the rhexis on the anterior membrane of the capsule. It can be created manually by the surgeon or automatically with the help of a laser. Aim of this study is to quantify the relevance of size, centration, and circularity of a rhexis on decentration and tilt of intraocular lens. Indeed, changes in IOL position, such as optic tilt and decentration, can influence the optical performance of intraocular lenses and can compromise the retinal image quality of IOLs. Modern computational mechanics has potentially the possibility to model the whole process of capsulorhexis, natural lens removal and IOL insertion. Since many steps of the procedure are transient and do not induce permanent load and since there is a lot of unknown data related to material properties and exact geometry, an equivalent finite element model of capsular bag with zonules and intraocular lens has been developed. Firstly, the intraocular lens has been studied separately from the capsular bag and a solid model of IOL has been created and discretized in finite elements. Numerical simulations were carried out to obtain the pressure needed to reduce the overall size of the IOL to the size of the unstressed capsular bag. Afterwards, the presence of the IOL has been modelled by applying the corresponding mechanical forces. The interaction between the intraocular lens and the biological tissue of the capsule has been modelled through non-linear connectors properly calibrated. After getting the finite element model of the intraocular lens inside the capsular bag complex, several rhexes with different position, size, and shape on anterior membrane are considered. For each model, numerical simulations are focused on determining the influence of size, position and shape of rhexis on IOL decentration and tilt. The numerical outcomes show that shape, size and position of capsulorhexis do not affect significantly the decentration and tilt of the intraocular lens. Vision compromising by a movement of the intraocular lens must be caused by other factors such as an alteration of anatomy or mechanical properties of structures involved (zonular weakness or congenital defects in the capsule) or surgeon malpractice.

La chirurgia della cataratta è una delle operazioni più comuni nel mondo. Una persona su quattro con più di 70 anni è affetta da questa patologia legata all'invecchiamento. Nel 2018 sono stati 26 milioni gli interventi di cataratta effettuati in tutto il mondo, di cui in Italia circa 650 mila. L'operazione consiste nel sostituire la lente opacizzata del cristallino naturale con una lente artificiale mantenendo intatta la capsula. La capsula è una membrana sottile che funge da contenitore della lente intraoculare una volta che il cristallino è stato rimosso. La tecnica chirurgica richiede la creazione di un taglio sulla membrana anteriore della capsula il più circolare e centrato possibile. Una questione ancora aperta riguarda il metodo da attuare per creare questa ressi sulla membrana anteriore della capsula. Può essere creata manualmente dal chirurgo oppure può essere creata con l'ausilio di macchinari laser. Lo scopo di questa tesi è quantificare quanto la dimensione, la posizione e la circolarità della ressi influenzino un possibile decentramento e rotazione della lente intraoculare. Infatti, cambi di posizione della lente artificiale all'interno della capsula possono provocare alterazioni quantitative e qualitative della visione del soggetto. La meccanica computazionale moderna è potenzialmente in grado di modellare l'intero processo di creazione del foro, rimozione del cristallino e inserimento della lente intraoculare. Siccome molte fasi sono transitorie e non inducono carichi permanenti sui tessuti biologici e poiché molti dati sono incerti per quanto riguarda sia le proprietà dei materiali sia la geometria esatta, è stato sviluppato un modello ad elementi finiti equivalente della capsula, delle zonule e della lente intraoculare. Prima di tutto, la lente intraoculare è stata studiata separatamente dalla capsula e un modello solido della lente artificiale è stato creato e discretizzato con elementi finiti. Sono state effettuate simulazioni numeriche per ottenere le proprietà meccaniche della lente intraoculare applicando una pressione tale da ridurre il diametro della lente fino al diametro della capsula non sollecitata. In un secondo momento, la presenza della lente intraoculare all'interno della capsula è stata modellata applicando le forze corrispondenti. Per fare ciò, l'interazione tra la lente intraoculare e i tessuti biologici della capsula è stata rappresentata da dei connettori non lineari opportunamente calibrati. Una volta ottenuto il modello ad elementi finiti della capsula con all'interno la struttura equivalente della lente intraoculare, sono stati creati diversi modelli con ressi di dimensione, posizione e forma differenti. Per ogni modello, le simulazioni numeriche si sono focalizzate sul determinare l'influenza della dimensione, della posizione e della forma della capsuloressi sul decentramento e la rotazione della lente intraoculare. I risultati ottenuti mostrano come la forma, la dimensione e la posizione della ressi siano fattori che influiscono in modo non significativo sul decentramento e la rotazione della lente intraoculare. Si può quindi dedurre che i problemi di visione post-operatori causati da un movimento della lente intraoculare sono attribuibili ad altri fattori, come l'alterazione dell'anatomia o delle proprietà meccaniche delle strutture coinvolte (debolezza zonulare e difetti della capsula congeniti) o errori chirurgici da parte del medico.