{"id":{"repo_id":"upc-spain","oai_identifier":"oai:repositorio.upct.es:10317/13839"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/upc-spain/oai:repositorio.upct.es:10317/13839","repository":{"repo_id":"upc-spain","name":"Universidad Politécnica de Cartagena","base_url":"http://repositorio.upct.es/oai/request"},"display":{"title":"Biomecánica corneal paciente-específico: avances en las técnicas de caracterización, modelización y simulación","abstract":"[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El ojo humano es un sistema biológico y óptico complejo receptor de más del 90% de la información que llega al cerebro desde el exterior y en donde la córnea es el principal elemento refractivo, responsable aproximadamente, de dos tercios de la potencia óptica. Los problemas asociados a la misma adquieren gran relevancia tanto por su repercusión en la calidad de vida, como en otros aspectos como la educación, el trabajo y la seguridad vial. Esta es la razón por la que las intervenciones quirúrgicas corneales han experimentado un gran auge en los últimos años impulsadas por la aparición de nuevas técnicas quirúrgicas y el desarrollo de nuevos equipos de medición y en donde la incorporación de los modelos computacionales que simulen la biomecánica corneal puede contribuir a la mitigación de los riesgos asociados a las operaciones y a la necesidad de segundas intervenciones. Los modelos computacionales pueden ser útiles en la práctica clínica para el diagnóstico de patologías corneales permitiendo al oftalmólogo una toma de decisiones sobre el tratamiento a realizar al paciente. En ambos escenarios pre (enfermedad) o post (tratamiento), la viabilidad de la aplicación clínica de los modelos in-silico se fundamentada en proporcionar unos resultados precisos con unos tiempos computacionales compatibles con la práctica clínica real. En esta tesis doctoral se plantea un tratamiento integral del problema afrontando ambos retos. Por un lado, con el planteamiento de un procedimiento ágil y robusto para el desarrollo de modelos computacionales para la simulación de córneas paciente específico y por otro lado con un análisis del coste computacional asociado a los procesos de simulación para el establecimiento de técnicas que permita reducir los tiempos asociados a la simulación y su aplicación clínica. Para ello, se plantea un modelo geométrico sectorizado de la córnea basada en zonas de interés creado a partir de las medidas topográficas in vivo de cada paciente-específico, permitiendo la aplicación y variación de diferentes modelos materiales que puedan reproducir fielmente el complejo comportamiento del tejido corneal en cada zona, y un número de elementos geométricos optimizados desde el punto de vista computacional. La robustez del método ha sido validada aplicándolo a la generación de modelos corneales de pacientes afectados por queratocono con diferentes grados de severidad. La precisión de los resultados de simulación ha sido mejorada con la incorporación del campo de esfuerzos en la fase de medición. Dicho campo de esfuerzos no puede ser obtenido directamente sino ha de calcularse mediante cálculos iterativos, siendo de vital importancia dado el comportamiento no lineal del tejido corneal. En esta investigación se han aplicado dos métodos: El método de los desplazamientos y el método de pretensado. De manera adicional se ha tenido en cuenta la influencia de los tejidos adyacentes a la córnea con el estudio de dos condiciones de contorno: Empotrada y pivotante. Ambas condiciones tienen en cuenta la gran rigidez circunferencial que presenta el limbo corneal y pueden asumirse como los límites superior e inferior dependiendo de la capacidad de pivotamiento del limbo. Los métodos iterativos son los responsables de la mayor parte del tiempo computacional necesario para la obtención la solución. En este trabajo se demuestra que el método de los desplazamientos es más rápido permitiendo al mismo tiempo la obtención de la geometría libre de esfuerzos, necesaria para la simulación con otras presiones intraoculares. Los resultados de este trabajo muestran que el tiempo computacional puede ser reducido con la aplicación de cálculos en paralelo con la inclusión de múltiples núcleos abriendo la posibilidad de la aplicación de modelos in-silico paciente-específico a nuevas aplicaciones oftalmológicas.","abstract_html":"[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El ojo humano es un sistema biológico y óptico complejo receptor de más del 90% de la información que llega al cerebro desde el exterior y en donde la córnea es el principal elemento refractivo, responsable aproximadamente, de dos tercios de la potencia óptica. Los problemas asociados a la misma adquieren gran relevancia tanto por su repercusión en la calidad de vida, como en otros aspectos como la educación, el trabajo y la seguridad vial. Esta es la razón por la que las intervenciones quirúrgicas corneales han experimentado un gran auge en los últimos años impulsadas por la aparición de nuevas técnicas quirúrgicas y el desarrollo de nuevos equipos de medición y en donde la incorporación de los modelos computacionales que simulen la biomecánica corneal puede contribuir a la mitigación de los riesgos asociados a las operaciones y a la necesidad de segundas intervenciones. Los modelos computacionales pueden ser útiles en la práctica clínica para el diagnóstico de patologías corneales permitiendo al oftalmólogo una toma de decisiones sobre el tratamiento a realizar al paciente. En ambos escenarios pre (enfermedad) o post (tratamiento), la viabilidad de la aplicación clínica de los modelos in-silico se fundamentada en proporcionar unos resultados precisos con unos tiempos computacionales compatibles con la práctica clínica real. En esta tesis doctoral se plantea un tratamiento integral del problema afrontando ambos retos. Por un lado, con el planteamiento de un procedimiento ágil y robusto para el desarrollo de modelos computacionales para la simulación de córneas paciente específico y por otro lado con un análisis del coste computacional asociado a los procesos de simulación para el establecimiento de técnicas que permita reducir los tiempos asociados a la simulación y su aplicación clínica. Para ello, se plantea un modelo geométrico sectorizado de la córnea basada en zonas de interés creado a partir de las medidas topográficas in vivo de cada paciente-específico, permitiendo la aplicación y variación de diferentes modelos materiales que puedan reproducir fielmente el complejo comportamiento del tejido corneal en cada zona, y un número de elementos geométricos optimizados desde el punto de vista computacional. La robustez del método ha sido validada aplicándolo a la generación de modelos corneales de pacientes afectados por queratocono con diferentes grados de severidad. La precisión de los resultados de simulación ha sido mejorada con la incorporación del campo de esfuerzos en la fase de medición. Dicho campo de esfuerzos no puede ser obtenido directamente sino ha de calcularse mediante cálculos iterativos, siendo de vital importancia dado el comportamiento no lineal del tejido corneal. En esta investigación se han aplicado dos métodos: El método de los desplazamientos y el método de pretensado. De manera adicional se ha tenido en cuenta la influencia de los tejidos adyacentes a la córnea con el estudio de dos condiciones de contorno: Empotrada y pivotante. Ambas condiciones tienen en cuenta la gran rigidez circunferencial que presenta el limbo corneal y pueden asumirse como los límites superior e inferior dependiendo de la capacidad de pivotamiento del limbo. Los métodos iterativos son los responsables de la mayor parte del tiempo computacional necesario para la obtención la solución. En este trabajo se demuestra que el método de los desplazamientos es más rápido permitiendo al mismo tiempo la obtención de la geometría libre de esfuerzos, necesaria para la simulación con otras presiones intraoculares. 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Los modelos computacionales pueden ser útiles en la práctica clínica para el diagnóstico de patologías corneales permitiendo al oftalmólogo una toma de decisiones sobre el tratamiento a realizar al paciente. En ambos escenarios pre (enfermedad) o post (tratamiento), la viabilidad de la aplicación clínica de los modelos in-silico se fundamentada en proporcionar unos resultados precisos con unos tiempos computacionales compatibles con la práctica clínica real. En esta tesis doctoral se plantea un tratamiento integral del problema afrontando ambos retos. Por un lado, con el planteamiento de un procedimiento ágil y robusto para el desarrollo de modelos computacionales para la simulación de córneas paciente específico y por otro lado con un análisis del coste computacional asociado a los procesos de simulación para el establecimiento de técnicas que permita reducir los tiempos asociados a la simulación y su aplicación clínica. Para ello, se plantea un modelo geométrico sectorizado de la córnea basada en zonas de interés creado a partir de las medidas topográficas in vivo de cada paciente-específico, permitiendo la aplicación y variación de diferentes modelos materiales que puedan reproducir fielmente el complejo comportamiento del tejido corneal en cada zona, y un número de elementos geométricos optimizados desde el punto de vista computacional. La robustez del método ha sido validada aplicándolo a la generación de modelos corneales de pacientes afectados por queratocono con diferentes grados de severidad. La precisión de los resultados de simulación ha sido mejorada con la incorporación del campo de esfuerzos en la fase de medición. Dicho campo de esfuerzos no puede ser obtenido directamente sino ha de calcularse mediante cálculos iterativos, siendo de vital importancia dado el comportamiento no lineal del tejido corneal. En esta investigación se han aplicado dos métodos: El método de los desplazamientos y el método de pretensado. De manera adicional se ha tenido en cuenta la influencia de los tejidos adyacentes a la córnea con el estudio de dos condiciones de contorno: Empotrada y pivotante. Ambas condiciones tienen en cuenta la gran rigidez circunferencial que presenta el limbo corneal y pueden asumirse como los límites superior e inferior dependiendo de la capacidad de pivotamiento del limbo. Los métodos iterativos son los responsables de la mayor parte del tiempo computacional necesario para la obtención la solución. En este trabajo se demuestra que el método de los desplazamientos es más rápido permitiendo al mismo tiempo la obtención de la geometría libre de esfuerzos, necesaria para la simulación con otras presiones intraoculares. Los resultados de este trabajo muestran que el tiempo computacional puede ser reducido con la aplicación de cálculos en paralelo con la inclusión de múltiples núcleos abriendo la posibilidad de la aplicación de modelos in-silico paciente-específico a nuevas aplicaciones oftalmológicas.","[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The human eye is a complex biological and optical system that receives more than 90% of the information that reaches the brain from the outside and where the cornea is the main refractive element, responsible for approximately two-thirds of the power. The problems associated with it acquire great relevance both due to their impact on the quality of life, as well as in other aspects such as education, employment, and road safety. This is the reason why surgical interventions have experienced a significant grown in recent years, driven by the appearance of new surgical techniques and the development of new measuring equipment and where the incorporation of computational models that simulate corneal biomechanics can contribute to the mitigation of risks associated with operations and the need for second interventions. Computational models can be useful in clinical practice for the diagnosis of corneal pathologies, allowing the ophthalmologist to make decisions about the treatment to be performed on the patient. In both pre (disease) or post (treatment) scenarios, the viability of the clinical application of in-silico models is based on providing accurate results with computational times compatible with real clinical practice. In this doctoral thesis a comprehensive treatment of the problem is proposed, addressing both challenges. On the one hand, with the approach of an agile and robust procedure for the development of computational models for the simulation of specific patient corneas and on the other hand with an analysis of the computational cost associated with the simulation processes for the establishment of techniques that allow reducing the times associated with the simulation and its clinical application. To this end, a sectorized geometric model of the cornea is proposed based on areas of interest created from the in vivo topographic measurements of each specific patient, allowing the application and variation of different material models that can faithfully reproduce the complex behaviour of the tissue. corneal in each area, and an optimized number of geometric elements from a computational point of view. The robustness of the method has been validated by applying it to the generation of corneal models of patients affected by keratoconus with different degrees of severity. The precision of the simulation results has been improved with the incorporation of the stress field in the measurement phase. This stress field cannot be obtained directly but must be calculated through iterative calculations, being of vital importance given the non-linear behaviour of the corneal tissue. In this research, two methods have been applied: The displacement method and the prestress method. Additionally, the influence of the tissues adjacent to the cornea has been analyse in this study with two boundary conditions: Embedded and pivoting. Both conditions consider the great circumferential rigidity of the corneal limbus and can be assumed as the upper and lower limits depending on the pivoting capacity of the limbus. Iterative methods are responsible for most of the computational time needed to obtain la solution. In this work it is demonstrated that the displacement method is faster, allowing at the same time to obtain the stress-free geometry, necessary for simulation with other intraocular pressures. The results of this work show that computational time can be reduced with the application of parallel calculations with the inclusion of multiple cores, opening the possibility of applying patient-specific in-silico models to new ophthalmological applications."]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Biomecánica corneal paciente-específico: avances en las técnicas de caracterización, modelización y simulación"]}]}],"canonical_facts":{"dc:date.issued":["2024"],"dc:description.other":["[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. 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Los modelos computacionales pueden ser útiles en la práctica clínica para el diagnóstico de patologías corneales permitiendo al oftalmólogo una toma de decisiones sobre el tratamiento a realizar al paciente. En ambos escenarios pre (enfermedad) o post (tratamiento), la viabilidad de la aplicación clínica de los modelos in-silico se fundamentada en proporcionar unos resultados precisos con unos tiempos computacionales compatibles con la práctica clínica real. En esta tesis doctoral se plantea un tratamiento integral del problema afrontando ambos retos. Por un lado, con el planteamiento de un procedimiento ágil y robusto para el desarrollo de modelos computacionales para la simulación de córneas paciente específico y por otro lado con un análisis del coste computacional asociado a los procesos de simulación para el establecimiento de técnicas que permita reducir los tiempos asociados a la simulación y su aplicación clínica. Para ello, se plantea un modelo geométrico sectorizado de la córnea basada en zonas de interés creado a partir de las medidas topográficas in vivo de cada paciente-específico, permitiendo la aplicación y variación de diferentes modelos materiales que puedan reproducir fielmente el complejo comportamiento del tejido corneal en cada zona, y un número de elementos geométricos optimizados desde el punto de vista computacional. La robustez del método ha sido validada aplicándolo a la generación de modelos corneales de pacientes afectados por queratocono con diferentes grados de severidad. La precisión de los resultados de simulación ha sido mejorada con la incorporación del campo de esfuerzos en la fase de medición. Dicho campo de esfuerzos no puede ser obtenido directamente sino ha de calcularse mediante cálculos iterativos, siendo de vital importancia dado el comportamiento no lineal del tejido corneal. En esta investigación se han aplicado dos métodos: El método de los desplazamientos y el método de pretensado. De manera adicional se ha tenido en cuenta la influencia de los tejidos adyacentes a la córnea con el estudio de dos condiciones de contorno: Empotrada y pivotante. Ambas condiciones tienen en cuenta la gran rigidez circunferencial que presenta el limbo corneal y pueden asumirse como los límites superior e inferior dependiendo de la capacidad de pivotamiento del limbo. Los métodos iterativos son los responsables de la mayor parte del tiempo computacional necesario para la obtención la solución. En este trabajo se demuestra que el método de los desplazamientos es más rápido permitiendo al mismo tiempo la obtención de la geometría libre de esfuerzos, necesaria para la simulación con otras presiones intraoculares. Los resultados de este trabajo muestran que el tiempo computacional puede ser reducido con la aplicación de cálculos en paralelo con la inclusión de múltiples núcleos abriendo la posibilidad de la aplicación de modelos in-silico paciente-específico a nuevas aplicaciones oftalmológicas.","[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The human eye is a complex biological and optical system that receives more than 90% of the information that reaches the brain from the outside and where the cornea is the main refractive element, responsible for approximately two-thirds of the power. The problems associated with it acquire great relevance both due to their impact on the quality of life, as well as in other aspects such as education, employment, and road safety. This is the reason why surgical interventions have experienced a significant grown in recent years, driven by the appearance of new surgical techniques and the development of new measuring equipment and where the incorporation of computational models that simulate corneal biomechanics can contribute to the mitigation of risks associated with operations and the need for second interventions. Computational models can be useful in clinical practice for the diagnosis of corneal pathologies, allowing the ophthalmologist to make decisions about the treatment to be performed on the patient. In both pre (disease) or post (treatment) scenarios, the viability of the clinical application of in-silico models is based on providing accurate results with computational times compatible with real clinical practice. In this doctoral thesis a comprehensive treatment of the problem is proposed, addressing both challenges. On the one hand, with the approach of an agile and robust procedure for the development of computational models for the simulation of specific patient corneas and on the other hand with an analysis of the computational cost associated with the simulation processes for the establishment of techniques that allow reducing the times associated with the simulation and its clinical application. To this end, a sectorized geometric model of the cornea is proposed based on areas of interest created from the in vivo topographic measurements of each specific patient, allowing the application and variation of different material models that can faithfully reproduce the complex behaviour of the tissue. corneal in each area, and an optimized number of geometric elements from a computational point of view. The robustness of the method has been validated by applying it to the generation of corneal models of patients affected by keratoconus with different degrees of severity. The precision of the simulation results has been improved with the incorporation of the stress field in the measurement phase. This stress field cannot be obtained directly but must be calculated through iterative calculations, being of vital importance given the non-linear behaviour of the corneal tissue. In this research, two methods have been applied: The displacement method and the prestress method. Additionally, the influence of the tissues adjacent to the cornea has been analyse in this study with two boundary conditions: Embedded and pivoting. Both conditions consider the great circumferential rigidity of the corneal limbus and can be assumed as the upper and lower limits depending on the pivoting capacity of the limbus. Iterative methods are responsible for most of the computational time needed to obtain la solution. In this work it is demonstrated that the displacement method is faster, allowing at the same time to obtain the stress-free geometry, necessary for simulation with other intraocular pressures. The results of this work show that computational time can be reduced with the application of parallel calculations with the inclusion of multiple cores, opening the possibility of applying patient-specific in-silico models to new ophthalmological applications."],"dc:identifier":["hdl:10317/13839"],"dc:identifier.doi":["10.31428/10317/13839"],"dc:subject":["Ojo humano","Córnea","Biomecánica corneal","Cirugía refractiva","Tonometría de aplanación bidireccional"],"dc:title":["Biomecánica corneal paciente-específico: avances en las técnicas de caracterización, modelización y simulación"],"dc:type":["info:eu-repo/semantics/doctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T05:39:29Z"}