Investigating keratoconus arising after laser refractive surgery

The cornea is the outermost external lens of the eye, composed by well-organized collagen fibrils. It is essential for transmitting light and providing mechanical and optical properties to the whole eye system. Refractive errors can disrupt visual function, causing disorders such as myopia, hyperopia, and astigmatism. Currently, the three main procedures to correct such defects are Photorefractive Keratectomy (PRK), Small Incision Lenticule Extraction (SMILE), and Laser-Assisted In Situ Keratomileusis (LASIK). These laser surgeries modify the curvature of the corneal anterior surface, restoring its proper refractive power. Following these procedures, the development of keratoconus may happen as a post-surgical complication. It is a progressive condition that thins and bulges the cornea, ultimately resulting in the loss of the visual function. Our work analyzes the correlation between keratoconus onset and the three laser surgery procedures by developing a corneal model that replicates the mechanical properties of the tissue under both healthy and pathological conditions. We begin with a model featuring homogeneous properties, which is then enhanced by considering variations in corneal tissue stiffness. In our project, corneal tissue is defined by using a Holzapfel-Gasser-Ogden material model. The matrix, described with a Neo-Hookean isotropic model, is controlled by the constant C10. The stiffness of the fibers, following a nonlinear hyperelastic behavior, is determined by k1, while the in-plane and out-of-plane dispersion is controlled by the parameters kip and kop. To introduce the pathological tissue, the material properties are systematically reduced in the region where keratoconus typically manifests. The three surgeries (PRK, SMILE, and LASIK) are simulated by means of Finite Element Method (FEM) with the following steps: the geometrical model is created in MATLAB 2022a and meshed in ANSA pre-processor BETA-CAE v22.01. Starting from the unloaded configuration calculated using a zero-pressure algorithm, the simulations are performed in ABAQUS. They involve corneal pressurization and ablation simulation. Material parameter analysis, done by introducing a localized material debilitation, indicates that only C10 significantly impacts keratoconus onset by altering stress and strain distribution on the cornea. PRK, SMILE and LASIK showed differences in stress and strain according to the lenticule position. PRK shows high stress increment in the optical zone on the anterior surface, SMILE within the thickness and LASIK in the surface beneath the flap. Moreover, the opto-mechanical analysis suggest that none of the procedures seem to directly cause the keratoconus arising. Notably, LASIK results the most critical surgery if a weakened tissue is present, facilitating the keratoconus development. Furthermore, the outcomes demonstrate the need to consider a heterogeneous model for a realistic representation of corneal tissue in both healthy and pathological conditions. Indeed, only by considering stiffness variation in thickness, the characteristic conical shape of keratoconus is geometrically observed. This comprehensive analysis establishes both physiological and pathological corneal models and simulates the impact of PRK, SMILE and LASIK, improving the understanding of the keratoconus progression and the reliability of post-surgical predictions.

La cornea è una membrana trasparente posizionata nella parte esterna dell'occhio composta da fibrille di collagene ben organizzate, la cui presenza è essenziale nella trasmissione della luce e per garantire all'occhio le corrette proprietà ottiche e meccaniche. I difetti refrattivi possono alterare la funzionalità visiva e i più diffusi sono miopia, ipermetropia e astigmatismo. Attualmente le tre principali procedure per correggere tali difetti sono Photorefractive Keratectomy (PRK), Small Incision Lenticule Extraction (SMILE) e Laser-Assisted In Situ Keratomileusis (LASIK). Queste chirurgie laser modificano la curvatura della superfice anteriore della cornea ripristinandone il corretto potere refrattivo. A seguito di queste procedure è stato osservato talvolta lo sviluppo del cheratocono, una patologia progressiva che porta la cornea ad assottigliarsi e ad assumere la forma di un cono, fino alla perdita della funzionalità visiva. Il nostro lavoro analizza la correlazione tra l'insorgenza del cheratocono e le tre chirurgie laser, mediante lo sviluppo di un modello corneale che riproduce le proprietà meccaniche del tessuto in condizioni sia sane che patologiche. Inizialmente, è stato assunto un modello con proprietà omogenee, che successivamente è stato migliorato considerando la variazione nello spessore della rigidità del tessuto corneale. In particolare, nel nostro progetto, il materiale della cornea è definito con un modello Holzapfel-Gasser-Ogden. La matrice è stata descritta con un modello isotropo Neo-Hookean, il cui comportamento è regolato dalla costante C10. La rigidezza delle fibre, che seguono un comportamento iperelastico non lineare, è controllata da k1, mentrei parametri di dispersione nel piano e fuori dal piano kip e kop controllano la probabilità di distribuzione delle fibre nello spazio. Per introdurre la presenza del tessuto patologico, vengono sistematicamente ridotte le proprietà del materiale nella regione dove tipicamente si manifesta il cheratocono. Le tre chirurgie (PRK, SMILE e LASIK), sono state simulate con il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) con i seguenti passaggi: le geometrie sono state create in MATLAB 2022a e poi meshate in ANSA pre-processor BETA-CAE v22.01. Le simulazioni sono state eseguite in ABAQUS, e partendo dalla configurazione scarica calcolata con un algoritmo di zero pressione, consistono nella pressurizzazione della cornea e nella simulazione della rimozione del tessuto di ablazione. I risultati dell'analisi sui parametri del materiale indicano che la C10 genera l'impatto più significativo sull'insorgenza del cheratocono, poichè altera la distribuzione di sforzi e deformazioni sulla cornea. Le simulazioni delle tre chirurgie (PRK, SMILE e LASIK) evidenziano variazioni in termini di sforzi e deformazioni, dipendenti dalla posizione del lenticolo. In particolare, si osserva un aumento degli sforzi dovuti alla chirurgia nella zona ottica sulla superficie anteriore nel caso della PRK, nello spessore per la SMILE e sulla superficie sotto il flap per la LASIK. Tuttavia, l'analisi opto-meccanica suggerisce che nessuna delle procedure è direttamente correlata all'insorgere del cheratocono. Va notato, però, che la LASIK risulta la chirurgia più critica in caso di indebolimento del tessuto corneale, potenzialmente favorendo lo sviluppo del cheratocono. Inoltre, i risultati evidenziano la necessità di considerare un modello eterogeneo per una rappresentazione realistica del tessuto corneale in vivo sia sano che patologico. Infatti, solo considerando la variazione di rigidità nello spessore, si osserva geometricamente la forma a cono, tipica del cheratocono. Questo lavoro quindi analizza sia modelli di cornea fisiologici che patologici. Inoltre, simula l'impatto delle chirurgie refrattive, migliorando la comprensione della progressione del cheratocono e l'affidabilità delle previsioni post-chirurgiche.