A multiscale model of aqueous humor flow in the eye including the retina

The human eye is an extremely complex biological system, characterized by intricate interactions between biomechanical, fluid dynamic, and neurophysiological components. Alterations in intraocular pressure and fluid transport mechanisms play a key role in the onset and progression of several retinal pathologies, including glaucoma, age-related macular degeneration, retinal detachment, and macular edema. In this context, mathematical and computational modeling represents a strategic tool for the non-invasive investigation of pathological mechanisms, therapy optimization, and the development of personalized clinical solutions. This thesis aims to design, implement, and analyze a multisclale 0D-3D computational model of the retina, choroid, and intraocular fluid circulation. The model was developed within an integrated framework combining COMSOL Multiphysics, for finite element simulations of poroelastic and fluid dynamic phenomena, and MATLAB, used for handling complex scenarios and visualizing the simulation outcomes. This approach enables the simulation of pressure distribution within the ocular compartments and the aqueous humor flow. Following a detailed theoretical analysis of ocular anatomy and physiology, a coupled COMSOL–MATLAB model was implemented to provide a realistic representation of ocular behavior in response to morphological, parametric, and pressure variations. The simulations, performed on test cases validated against literature data, showed good agreement with clinical evidence. This work contributes to the advancement of biomedical modeling techniques in ophthalmology by proposing an innovative and integrated approach that may be further extended to diagnostic, prognostic, and therapeutic applications, in line with the principles of personalized and predictive medicine. Future developments include extending the model to a multiorgan scale, integrating patient-specific clinical data, and optimizing pharmacological and surgical treatment strategies.

L’occhio umano è un sistema biologico estremamente complesso, caratterizzato da interazioni articolate tra componenti biomeccaniche, fluidodinamiche e neurofisiologiche. Alterazioni della pressione intraoculare e dei meccanismi di trasporto dei fluidi svolgono un ruolo fondamentale nell’insorgenza e nella progressione di diverse patologie retiniche, tra cui glaucoma, degenerazione maculare legata all’età, distacco di retina ed edema maculare. In questo contesto, la modellazione matematica e computazionale rappresenta uno strumento strategico per lo studio non invasivo dei meccanismi patologici, per l’ottimizzazione delle terapie e per lo sviluppo di soluzioni cliniche personalizzate. La presente tesi ha come obiettivo la progettazione, l’implementazione e l’analisi di un modello computazionale multiscala 0D-3D della retina, della coroide e della circolazione dei fluidi intraoculari. Il modello è stato sviluppato all’interno di un framework integrato che combina COMSOL Multiphysics®, per la simulazione agli elementi finiti dei fenomeni poroelastici e fluidodinamici, e MATLAB®, utilizzato per la gestione di scenari complessi e la visualizzazione dei risultati delle simulazioni. Questo approccio consente di simulare la distribuzione pressoria all’interno dei compartimenti oculari e il flusso dell’umore acqueo. A seguito di un’analisi teorica dettagliata dell’anatomia e fisiologia dell’occhio, è stato implementato un modello accoppiato COMSOL–MATLAB in grado di fornire una rappresentazione realistica del comportamento oculare in risposta a variazioni morfologiche, parametriche e pressorie. Le simulazioni, condotte su casi test validati rispetto ai dati presenti in letteratura, hanno mostrato una buona coerenza con le evidenze cliniche. Questo lavoro contribuisce all’avanzamento delle tecniche di modellazione biomedica in ambito oftalmologico, proponendo un approccio innovativo e integrato, che può essere esteso ad applicazioni diagnostiche, prognostiche e terapeutiche, in linea con i principi della medicina personalizzata e predittiva. Tra gli sviluppi futuri si prevede l’estensione del modello a scala multiorgano, l’integrazione di dati clinici paziente-specifici e l’ottimizzazione computazionale di strategie terapeutiche farmacologiche e chirurgiche.