Analysis of the influence of keratoconus mechanical properties : dimension and position on the outputs of Corvis ST

The cornea is the transparent outermost layer of the eye, and its dome-shaped structure provides the refraction and focus of the light onto the retina ensuring the clarity of the vision. Its structure is characterized by a highly organized network of collagen fibers. The intrinsic corneal architectural arrangement can be affected by Ectatic Corneal Diseases (ECD), a group of disorders characterized by progressive thinning and subsequent bulging of the structure under the internal load applied by the IOP. Keratoconus is the most widely spread ECD and, in developed stages, it leads to irregular astigmatism combined with a loss in visual acuity induced by the alterations in the outer appearance of the organ. Non-contact tonometry (NCT) is an in-vivo diagnostic test intended to evaluate the IOP in response to an applied air puff, that induces an inward deformation of the tissue followed by the recovery of its initial shape. The downward motion of the eye and the clinically obtained images are the results of the contribution of four components: the IOP, the applied pressure load, the corneal thickness and the material properties of the tissue. Computational simulations are useful to investigate the impact of each factor. This thesis aims at an in-silico studying the influence of the pathological material properties, position, and dimension on the output of the NCT. The NCT procedure was numerically simulated using a Fluid-Structure Interaction (FSI) simulation in Ls-Dyna, where a structural corneal geometry reconstructed from topographical data of a healthy patient was imported and coupled with the fluid, the air surrounding the eye. In each simulation, a double cross sectional analysis was performed, coupling the information of the Nasal-Temporal section available in clinical settings, with the perpendicular Superior-Inferior section. In addition, the computation of clinical biomarkers was integrated with an asymmetry-based approach focused on the shape of the anterior surface of the cornea obtained at the highest concavity moment. The thesis was divided into three different sub-analysis to evaluate the influence of the material properties, the size, and the position of the designed pathological tissue. In the first analysis (material sensitivity analysis) three different material models were tested while the position and shape of the rounded tissue were kept constant. In the dimension sensitivity analysis, the size of the pathological area was progressively reduced to derive a threshold level for the detection. In the position sensitivity analysis, the position of the rounded diseased tissue was displaced keeping the same distance from the apex of the structure. This was instead aimed at evaluating the accuracy of the proposed asymmetry-based approach to locate the pathological tissue. The results presented in this work underline the enhancements achievable from the refinements in the operation of the device. The double cross sectional analysis guarantees the possibility to integrate the information obtained from two mutually perpendicular sections leading to an increase in the capability of the diagnosis. The asymmetry-based approach is instead important to follow in greater depth the downward displacement of the configuration and aids in the possibility to locate the pathological tissue by following the asymmetrical behaviour along the section of analysis.

La cornea è lo strato trasparente più esterno dell'occhio e la sua struttura garantisce la rifrazione e la messa a fuoco della luce sulla retina, garantendo chiarezza nella vista. La sua struttura è caratterizzata da una rete altamente organizzata di fibre di collagene. L'architettura intrinseca del tessuto può essere alterata da ectasie corneali, un insieme di disordini che portano a un assottigliamento progressivo e a un rigonfiamento della struttura esterna sotto il carico della pressione intraoculare (PIO). Il cheratocono è la ectasia corneale più diffusa e , in fase avanzata, porta a un astigmatismo irregolare e a una perdita della acuità visiva dovuta alle alterazioni della superficie esterna dell'organo. La tonometria senza contatto è un test di diagnostica in vivo finalizzato a valutare il valore della pressione intraoculare in risposta a un getto d'aria applicato sulla superficie dell'organo, che induce una deformazione verso l'interno seguita dal recupero della sua forma iniziale. Lo spostamento verso il basso dell'occhio e le immagini ottenute nell'analisi clinica sono il risulato della sovrapposizione di quattro fattori: la PIO , la pressione applicata sulla superificie esterna, lo spessore della cornea e le proprietà meccaniche del tessuto. Le simulazioni computazionali hanno il vantaggio di poter analizzare l'impatto di ciascuno di questi componenti. Questa tesi è finalizzata a uno studio in-silico dell'influenza delle proprietà meccaniche, della dimensione e della posizione del tessuto patologico sugli output della tonometria senza contatto. La procedura clinica è stata replicata numericamente attraverso una simulazione fluido struttura (FSI) in Ls-Dyna, dove è stata importata una geometria fisiologica ottenuta a partire da dati topografici di un paziente sano ed è stata combinata con il fluido, corrispondente con l'aria esterna. In ogni simulazione, è stata eseguita una analisi su due sezioni, integrando le informazioni della sezione Nasale-Temporale analizzata in clinica, con quelle riportate dalla perpendicolare sezione Superiore-Inferiore. Inoltre, il calcolo dei biomarcatori clinici del dispositivo è stato integrato con una analisi di asimmetria focalizzata sulla forma della configurazione del tessuto ottenuta nell'istante di massima concavità. La tesi è stata divisa in tre differenti sub-analisi finalizzate a valutare l'influenza di proprietà del materiale, dimensione e posizione del tessuto patologico modellato. Nella prima analisi (analisi di sensitività del materiale), tre diverse modellazioni del materiale sono state considerate tenendo costanti forma e dimensione del tessuto patologico. Nell'analisi di sensitività sulla dimensione, il diametro della zona patologica è stato progressivamente diminuito con il fine di trovare una dimensione soglia per la detezione. Nell'analisi di sensitività sulla posizione, il centro del tessuto danneggiato è stato spostato mantenendo costante la sua distanza dall'apice del tessuto. Questa analisi aveva invece lo scopo di valutare l'accuratezza degli indici di asimmetria nel localizzare la patologia. I risultati presentati nella tesi sottolineano i miglioramenti che possono essere raggiunti apportando modifiche di piccola entità al funzionamento del dispositivo. La possibilità di integrare le informazioni provenienti da due sezioni perpendicolari garantisce un aumento nella capacità di rilevamento. L'analisi di asimmetria è invece fondamentale per caratterizzare in modo più approfondito lo spostamento verso il basso della struttura e facilita la localizzazione della patologia grazie all'analisi del comportamento asimmetrico del tessuto nelle sezioni d'analisi.