نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

مطالعه‌ی اثربخشی سناریوهای هندسی رایج ایمپلنت قوسی تکی و دوتایی در مدل قوز قرنیه

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

شیما بهرامی‌زاده سجادی 1
حمیدرضا کاتوزیان 2
علیرضا برادران رفیعی 3
میگل-آنگل آریزا-گراسیا 4
فیلیپ بوکلر 5

1 دانشجوی دکترا، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)، تهران، ایران

3 استاد، مرکز تحقیقات چشم، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران

4 محقق پسادکترا، مرکز تحقیقات مهندسی پزشکی آرت‌اورگ، دانشگاه برن، برن، سوئیس

5 استاد، مرکز تحقیقات مهندسی پزشکی آرت‌اورگ، دانشگاه برن، برن، سوئیس

https://doi.org/10.22041/ijbme.2022.544471.1738
چکیده
قوز قرنیه یا کراتوکونوس (KC) نوعی بیماری غیرالتهابی و پیش‌رونده‌ی قرنیه محسوب می‌شود. تظاهر بالینی این بیماری به صورت شکل‌گیری نواحی مخروطی‌شکل بر سطح قرنیه و مشکلات شدید دید چشم فرد مبتلا بروز پیدا می‌کند. کارگذاری ایمپلنت‌های قوسی داخل قرنیه‌ای (ICRS) یک درمان رو به گسترش برای بازیابی شکل قرنیه به وضعیت نرمال و در نتیجه بهبود حدت بینایی فرد است هر چند درباره‌ی اثربخشی آن اختلاف نظر وجود دارد. در این مطالعه مدل ساده‌ای از قرنیه‌ی مبتلا به کراتوکونوس با قوز در ناحیه‌ی مرکزی برای تعیین کمی اثرات مکانیکی و اپتیکی برخی از انواع متداول ICRS تجاری موجود مورد استفاده قرار گرفته است. مجموعه‌ی ایمپلنت‌های قوسی متداول برای این نوع قوز طبق روال بالینی متداول در دو گروه کلی قوس تکی و قوس‌های دوتایی قرار دارند. در تحقیق حاضر مدل‌های مربوط به وضعیت پس از کارگذاری این ایمپلنت‌ها به روش المان محدود (FE) مدل‌سازی و تحلیل شده است. در گروه قوس تکی، یک قوس °360، یک قوس °350 و یک قوس °320 و در گروه قوس‌های دوتایی، دو قوس متقارن و متناظر °160، °150، °120 و °90 مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داده است که کارگذاری قوس‌های دوتایی متقارن می‌تواند انتخاب بهتری برای قوز قرنیه با ناحیه‌ی پاتولوژیک مرکزی باشد. این مطالعه تاثیر بالقوه‌ی کارگذاری ICRS را از منظر بیومکانیکی نشان داده و اولین قدم به سمت توسعه‌ی یک نوموگرام مبتنی بر شواهد برای انتخاب از بین ترکیبات مختلف ایمپلنت‌های قوسی در درمان یا جلوگیری از پیش‌رفت قوز قرنیه است.

کلیدواژه‌ها

قرنیه‌ی کراتوکونیک
روش المان محدود
بیومکانیک چشم
توزیع تنش
توزیع جابه‌جایی
موضوعات

عنوان مقاله English

A Comparative Study on Common Scenarios of Single-Segment and Double-Segment Intracorneal Ring Segments in a Keratoconus Corneal Model

نویسندگان English

Shima Bahramizadeh-Sajadi 1
Hamid Reza Katoozian 2
Alireza Baradaran-Rafii‬‬‬‬‬‬‬ 3
Miguel-Angel Ariza-Gracia 4
Philippe Buchler 5
1 Ph.D. Student, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran,
2 Associate Professor, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran
3 Professor, Ophthalmic Research Center, Shahid Beheshti University of Medical Sciences, Tehran, Iran
4 Postdoctoral Fellow, ARTORG Center for Biomedical Engineering Research, University of Bern, Bern, Switzerland
5 Professor, ARTORG Center for Biomedical Engineering Research, University of Bern, Bern, Switzerland
چکیده English

Keratoconus (KC) is a non-inflammatory and degenerative disease of the cornea. It is manifested by the formation of cone-shaped regions accompanying severe eyesight issues. Implantation of intrastromal corneal ring segments (ICRS)‎ is a popular treatment to improve visual acuity. Controversies exist over restoring functionality of different ICRSs. In this study, numerical models were used to quantify the mechanical and optical effects of different ICRSs on a reference cornea with central cone. Finite element (FE) simulations were used to simulate the implantation of two classes of ICRS sets common in clinical settings: a) single segment arcs of 360º (1×360), 350º (1×350), 320º (1×320), and, b) symmetric double-segment arcs of 160º each (2×160), 150º each (2×150), 120º each (2×120), and 90º each (2×90). Results showed that implantation of symmetric double-segment arcs caused the symmetric displacement and stress distribution contours on both anterior and posterior corneal surfaces. This study shows the potential impact of a detailed mechanical analysis of ICRS placement and represents a first step toward the development of an evidence-based nomogram for the different implantation techniques and the optimization of the surgical intervention based on patient-specific modeling.

کلیدواژه‌ها English

Keratoconic Cornea
Finite Element Method
Ocular Biomechanics
Stress Distribution
Displacement Distribution
  1. Flecha-Lescún, B. Calvo, J. Zurita, and M. Á.Ariza-Gracia,“Template-based methodology for the simulation of intracorneal segment ring implantation in human corneas,” Biomech. Model. Mechanobiol., vol. 17, no. 4, pp. 923–938, 2018, doi: 10.1007/s10237-018-1013-z.
  2. Cavas-Martínez, D. G. Fernández-Pacheco, D. Parras, F. J. F. Cañavate, L. Bataille, and J. Alió, “Study and characterization of morphogeometric parameters to assist diagnosis of keratoconus,” Biomed. Eng. Online, vol. 17, no. S1, pp. 1–18, 2018, doi: 10.1186/s12938-018-0564-7.
  3. P. Studer, H. Riedwyl, C. A. Amstutz, J. V. M. Hanson, and P. Büchler, “Patient-specific finite-element simulation of the human cornea: A clinical validation study on cataract surgery,” J. Biomech., vol. 46, no. 4, pp. 751–758, 2013, doi: 10.1016/j.jbiomech.2012.11.018.
  4. T. Andreassen, A. tJORTH SIMONSEN, and H. Oxlund, “Biomechanical Properties of Keratoconus and Normal Corneas,” Exp. Eye Res, vol. 31, pp. 435–441, 1980.
  5. Daxer, A. Ettl, and R. Hörantner, “Long-term results of MyoRing treatment of keratoconus,” J. Optom., vol. 10, no. 2, pp. 123–129, 2017, doi: 10.1016/j.optom.2016.01.002.
  6. Ambekar, K. C. Toussaint, and A. Wagoner Johnson, “The effect of keratoconus on the structural, mechanical, and optical properties of the cornea,” J. Mech. Behav. Biomed. Mater., vol. 4, no. 3, pp. 223–236, 2011, doi: 10.1016/j.jmbbm.2010.09.014.
  7. Barbara, A. M. Turnbul, P. Hossain, D. F. Anderson, and A. Barbara, “Epidemiology of Keratoconus,” in Keratoconus: Recent advances in diagnosis and treatment, J. L. Alió, Ed. Springer International Publishing Switzerland, 2017, pp. 13–24.
  8. Hashemi et al., “Prevalence of keratoconus in a population-based study in shahroud,” Cornea, vol. 32, no. 11, pp. 1441–1445, 2013, doi: 10.1097/ICO.0b013e3182a0d014.
  9. H. Kennedy, W. M. Bourne, and J. A. Dyer, “A 48-year clinical and epidemiologic study of keratoconus,” Am. J. Ophthalmol., vol. 101, no. 3, pp. 267–273, 1986, doi: 10.1016/0002-9394(86)90817-2.
  10. Colin, B. Cochener, G. Savary, and F. Malet, “Correcting keratoconus with intracorneal rings,” J. Cataract Refract. Surg., vol. 26, no. 8, pp. 1117–1122, 2000, doi: 10.1016/S0886-3350(00)00451-X.
  11. Kılıç, A., del Barrio, J. L. A., and Estrada, “Intracorneal ring segments: Types, indications and outcomes,” in Keratoconus, J. L. Alió, Ed. Springer, 2017.
  12. N. Khan and P. S. Shiakolas, “To study the effects of intrastromal corneal ring geometry and surgical conditions on the postsurgical outcomes through finite element analysis,” J. Mech. Med. Biol., vol. 16, no. 7, pp. 1–16, 2016, doi: 10.1142/S0219519416501013.
  13. Kling and S. Marcos, “Finite-element modeling of intrastromal ring segment implantation into a hyperelastic cornea,” Investig. Ophthalmol. Vis. Sci., vol. 54, no. 1, pp. 881–889, 2013, doi: 10.1167/iovs.12-10852.
  14. Á. Ariza-Gracia, J. Flecha-Lescún, P. Büchler, and B. Calvo, “Corneal biomechanics after intrastromal ring surgery: Optomechanical in silico assessment,” Transl. Vis. Sci. Technol., vol. 9, no. 11, pp. 1–16, 2020, doi: 10.1167/tvst.9.11.26.
  15. M. Nejad, C. Foster, and D. Gongal, “Finite element modelling of cornea mechanics: A review,” Arq. Bras. Oftalmol., vol. 77, no. 1, pp. 60–65, 2014, doi: 10.5935/0004-2749.20140016.
  16. Pandolfi, A. and Manganiello, F., 2006. A model for the human cornea: constitutive formulation and numerical analysis. Biomechanics and modeling in mechanobiology, 5(4), pp.237-246.
  17. Kling, N. Bekesi, C. Dorronsoro, D. Pascual, and S. Marcos, “Corneal viscoelastic properties from finite-element analysis of in vivo air-puff deformation,” PLoS One, vol. 9, no. 8, 2014, doi: 10.1371/journal.pone.0104904.
  18. Smith, ABAQUS/Standard User’s Manual, Version 6.9. Dassault Systèmes Simulia Corp., 2009.
  19. Eliasy et al., “Characterization of cone size and centre in keratoconic corneas,” 2020.
  20. Kılıç and J. L. Alió del Barrio, “Intracorneal ring segments: Complications,” in Keratoconus: Recent Advances in Diagnosis and Treatment, 2017, pp. 209–218.
  21. P. Piñero and J. L. Alio, “Intracorneal ring segments in ectatic corneal disease - a review,” Clin. Exp. Ophthalmol., vol. 38, no. 2, pp. 154–167, 2010, doi: 10.1111/j.1442-9071.2010.02197.x.
  22. Versaci and G. Vestri, “Instrumentation for Diagnosis of Keratoconus,” in Keratoconus: Recent advances in diagnosis and treatment, J. L. Alió, Ed. Springer International Publishing Switzerland, 2017, pp. 53–64.
  23. W. Belin and S. S. Khachikian, “An introduction to understanding elevation-based topography: How elevation data are displayed - A review,” Clin. Exp. Ophthalmol., vol. 37, no. 1, pp. 14–29, 2009, doi: 10.1111/j.1442-9071.2008.01821.x.
  24. Michael Smith, ABAQUS/Standard User’s Manual, Version 6.9. Dassault Syst{\`e}mes Simulia Corp, 2009.
  25. Ferrara and L. Torquetti, “Clinical outcomes after implantation of a new intrastromal corneal ring with a 210-degree arc length,” J. Cataract Refract. Surg., vol. 35, no. 9, pp. 1604–1608, 2009, doi: 10.1016/j.jcrs.2009.04.035.
نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 15، شماره 4
زمستان 1400
صفحه 329-339

  • تاریخ دریافت 17 آذر 1400
  • تاریخ بازنگری 09 بهمن 1400
  • تاریخ پذیرش 24 بهمن 1400

صفحه اصلی

تماس با ما