Simulación computacional del globo ocular humano para la identificación de parámetros útiles en el diagnóstico del glaucoma

Abstract

Resumen El proyecto se centra en el desarrollo del método de elementos finitos aplicado a una geometría de ojo axisimétrico. Se tomaron características del ojo humano real para emular condiciones de elevada presión intraocular presente en una patología como el glaucoma. Todo esto con el fin de encontrar cambios físicos dentro del segmento anterior del ojo, que puedan ser considerados para apoyar en el diagnóstico de la enfermedad. Se revisó la bibliografía referente a la anatomía, propiedades del ojo y sobre el glaucoma para poder discernir las estructuras y características a simular. Posteriormente, se procedió a seguir los fundamentos del método de elementos finitos, para llevar a cabo una geometría funcional que pudiera emular el comportamiento de los tejidos del ojo ante aumentos de cargas de presión intraocular. Se generalizó el modelo base a una diversidad de otros casos con sus respectivas simulaciones que variaron la rigidez y forma de diferentes tejidos con la finalidad de obtener resultados que representaran un abanico más amplio de posibilidades. Se utilizó el algoritmo de clasificación k-means con todos los modelos para poder agruparlos. De cada grupo se procedió a rescatar sus características principales y a contrastarlas con los resultados obtenidos en cuanto a tensión, desplazamiento, y deformaciones. Con base a las propiedades de los diferentes tejidos estos respondiendo de manera proporcional en tensión, desplazamiento y deformación ante el aumento de presión en todos los casos salvo para la estructura de esclera. Los módulos de córnea, esclera y cuerpo ciliar fueron lo que variaron sus proporciones en los grupos con mayor frecuencia a lo largo de las diferentes estructuras y valores de presión intraocular. La córnea y el cristalino fueron las estructuras con mayores desplazamientos que derivaron en aumentos del diámetro corneal exterior, espesor central de la córnea y profundidad de la cámara anterior.

Abstract The project is focused on the development of the finite element method applied to an axisymmetric eye geometry. This geometry was based on the characteristics of a real human eye to emulate conditions of high intraocular pressure present in a pathology like glaucoma. The purpose was to find physical changes within the anterior segment of the eye, which can be considered to support the diagnosis of the disease. The methodology was based on reviewing the bibliography referring to the anatomy, properties of the eye and glaucoma to discern the structures and characteristics of the eye to be simulated. The fundamentals of the finite element method were followed in each of its phases, to carry out a functional geometry that could emulate the behavior of eye tissues considering increases of intraocular pressure loads. The base model was generalized to a variety of other cases with their respective simulations that varied the stiffness and shape of different tissues to obtain results that represented a wider range of possibilities. The k-means algorithm was used to classify the results of the multiple simulations into groups. Once these groups were obtained, their main characteristics were contrasted with the results obtained in terms of tension, displacement, and deformations. Based in properties of the different tissues, they respond proportionally in tension, displacement, and principal strains to the increase in pressure in all cases except for the sclera structure. The modules of the cornea, sclera and ciliary body were those that varied their proportions in the groups with greater frequency throughout the different structures and interocular pressure values. The cornea and the crystalline lens were the structures with the greatest displacements, which resulted in increases in the outer corneal diameter, central thickness of the cornea, and depth of the anterior chamber.