A numerical study on the effects of laser refractive surgeries: PRK vs SMILE

The cornea is the transparent outer layer of the eye and provides 2/3 of the total refrac tive power of the eye. Its structure is characterized by the presence of a highly organized network of collagen fibers, which ensures its optical and mechanical properties. Vision defects such as myopia, hyperopia and astigmatism are one of the most common causes of visual impairments on the world. Over the last two decades, laser refractive surgeries have become increasingly popular in vision defects treatment. Photorefractive Keratectomy (PRK) and Small Incision Lenticule Extraction (SMILE) are two of the current surgical techniques that, through laser ablation, change the curva ture of the anterior surface of the cornea, increasing its refracting power and leading to increased visual acuity. In this work, both PRK and SMILE surgeries have been computationally modeled by means of Finite Element Method (FEM). The aim of the work is to characterize the two surgeries from an opto-mechanical point of view and to further determine which geomet rical, optical and mechanical parameters mostly affect the outcome of the mathematical simulations. Moreover, a validation of the surgery models is carried out, through the comparison of the models built on patient-specific data with the real surgery outcomes of the same patient. The models are developed using two geometrical approximations: a conic geometry and a patient-specific geometry, derived from the Pentacam device. The biomechanical features of the cornea are modeled using a hyperelastic, fiber-reinforced material. The models are built and meshed using ANSA pre-processor by BETA-CAE. The FEM simulations are run on ABAQUS 6.13 and simulate the action of the intraocular pressure (IOP) and of the laser surgery ablation. The simulations outcomes are analysed from a mechanical and optical point of view, looking at the maximum principal stresses distributions on the corneal surfaces, at the maximum principal logarithmic strains, at the anterior surface displacements [µm] and at the changes in curvature of the anterior surfaces [D]. The finite element simulations show an overall higher correction of the defect in PRK surgery, at equal geometrical set up. Moreover, to correct the same refractive defect, in SMILE surgery it is necessary to eliminare a bigger volume of corneal tissue. The SMILE simulations confirmed the current clinical practice to perform the surgery in a range of 110-120 µm depth from the anterior surface, while higher depths lead to higher stress distributions on the posterior surface of the cornea, which can eventually cause post-surgical complications like ectasia disease and keratoconus. The validation of the models revealed the best suitable material parameters through which the dioptric correction best approximates the patient’s one. Moreover, the mechanical outputs show that stresses and strains are more homogeneous in corneal thickness for PRK procedure, while SMILE causes mechanical imbalances in the volume under the lenticule extraction area. These studies have allowed the construction of numerical models of the two refractive surgeries considered, paving the way for modeling a new material that simulates corneal tissue and for simulating pathological corneal models.

La cornea è lo strato esterno trasparente dell’occhio e fornisce i 2/3 del potere rifrattivo dell’occhio. La sua struttura è caratterizzata dalla presenza di una rete altamente orga nizzata di fibre di collagene, che ne assicura le proprietà ottiche e meccaniche. La miopia, l’ipermetropia e l’astigmatismo sono le cause più comuni di disturbi visivi nel mondo. Negli ultimi due decenni, le chirurgie refrattive laser sono diventate sempre più popolari nel trattamento dei difetti visivi. La Photorefractive Keratectomy (PRK) e la Small Incision Lenticule Extraction (SMILE) sono due delle attuali tecniche chirurgiche che, attraverso l’ablazione laser, modificano la curvatura della superficie anteriore della cornea, aumentandone il potere refrattivo e migliorando la capacità visiva. In questo lavoro, sono state modellate computazionalmente entrambe le chirurgie, PRK e SMILE, mediante il metodo degli elementi finiti (FEM). Lo scopo del lavoro è stato caratterizzare le due procedure da un punto di vista opto-meccanico per determinare quali parametri geometrici, ottici e meccanici influiscono maggiormente sull’esito delle simulazioni matematiche. Inoltre, i modelli sono stati convalidati attraverso il confronto con dati specifici di pazienti sottoposti alle procedure chirurgiche, al fine di verificare se i modelli riflettessero la pratica clinica attuale. I modelli sono stati sviluppati utilizzando due geometrie: una geometria conica e una basata sull’utilizzo di dati specifici di pazienti forniti dal dispositivo diagnostico Penta cam. Le caratteristiche biomeccaniche della cornea sono state modellate utilizzando un materiale iperelastico costituito da fibre. I modelli sono stati creati e meshati utilizzando il software ANSA BETA-CAE pre-processor. Le simulazioni FEM sono state eseguite su ABAQUS 6.13 e hanno riprodotto la pressione intraoculare (IOP) e l’ablazione della chirurgia. Gli esiti delle simulazioni sono stati analizzati da un punto di vista meccanico e ottico, osservando le distribuzioni degli sforzi principali massimi [kPa] sulle superfici corneali, le deformazioni principali massime logaritmiche [-], gli spostamenti della super ficie anteriore [µm] e le variazioni nella curvatura delle superfici anteriori [D]. Le simulazioni a elementi finiti mostrano una correzione complessivamente maggiore del difetto nella chirurgia PRK rispetto alla SMILE, a parità di configurazione geometrica. Inoltre, per correggere lo stesso difetto rifrattivo, la chirurgia SMILE richiede l’estrazione di più tessuto corneale rispetto alla PRK. Le simulazioni della SMILE hanno confermato la pratica clinica attuale, che consiste nell’eseguire la chirurgia in un intervallo di profondità compreso tra 110-120 µm dalla superficie anteriore, mentre profondità maggiori nello spessore corneale causano stress maggiori sulla superficie posteriore della cornea, che possono causare ectasia corneale e la comparsa del cheratocono. La convalida dei modelli ha rivelato i parametri del materiale più adatti attraverso i quali la correzione diottrica si avvicina meglio a quella del paziente. Inoltre, gli output meccanici mostrano che gli sforzi e le deformazioni sono più omogenei nello spessore corneale per la PRK, mentre la SMILE causa squilibri meccanici nell’area immediatamente sotto a dove è stata estratta la lenticola. Questi studi hanno permesso di costruire dei modelli numerici per le due chirurgie rafrat tive, aprendo la strada per la modellizzazione di un nuovo materiale che simuli il tessuto corneale e per poter simulare in futuro modelli patologici di cornea.